Bref cours sur ethernet (cours 1)

Publié le par JJ

Pour inaugurer la section "Réseau" je vais commencer par parler un peu des principes d'ethernet.


SOMMAIRE

  • Ethernet est une norme,
  • Le bus ethernet,
  • Le support unique,
  • Les équipements ethernet et colision;
  • CSMA/CD et collision;
  • Congestions Ethernet,



  • ETHERNET EST UNE NORME!

    Ethernet est une norme qui sert à formater les messages que l'on envoie sur un réseau ethernet. Les réseaux ethernets sont les plus répandus: les fameux cables croisés et droits et les fameux switch et hub et même les ___box des FAI, sont capable de faire de l'ethernet. Dans les magasin, demandez une carte réseau on vous proposera une carte ethernet. D'ailleur toutes les cartes mères récente propose un controleur ethernet intégrée. Attention, wifi n'est pas ethernet. Ethernet porte le joli numéro 802.3 (...) alors que wifi porte le numéro 802.11 (...). Les réseaux aiment les normes: ça permet d'être compatible.


    ETHERNET PREND LE BUS!

    Dans ses versions primitives (entendez Ethernet 10Mb/s et FastEthernet 100Mb/s) logiquement tous les ordinateurs sont reliés à support unique de transmission. C'est particuliement vrai pour les vieux réseaux sur cable coaxial (10base5 10base2) où les hôtes sont physiquement et donc logiquement sur le même support. Les cables à paires torsadées (UTP et STP) ne conservent que l'aspect logique vu qu'il y a un cable par hôte et un truc pour relier les cables . On appelle bus un le support logique commun de communication. Désormais je parlerai de bus pour évoquer l'aspect logique du support et de support pour parler de l'aspet physique, matériel.


    PROBLEMATIQUE DU SUPPORT UNIQUE

    Par analogie, l'air est le support commun pour véhiculer la parole. Observons les problèmes que l'on rencontre avec l'air et le son:  dans un réseau on retrouvera  les mêmes problématiques, autant  évoquer celles qui sont connues!

    - La colision Lorsque deux personnes parlent en même temp on ne comprend rien , c'est ce qu'un professeur appelle du bavardage. C'est vrai pour ethernet, et FastEthernet. Cependant les oreilles arrivent parfois à selectionner la voix qu'elles souhaitent écouter, c'est ce que GigabitEthernet peut faire, dans une moindre mesure et au prix d'une énorme complexité.

    - Le bruit de fond Lorsqu'on parle dans la rue, ou en boîte de nuit il faut parler plus fort parce que sinon l'oreille n'arrive pas  à distinger le bruit du marteau-piqueur de la voix de votre interlocuteur, il devra répéter. En électronique on parle de rapport  signal/bruit. Ethernet sur cables en cuivre est très sensible au bruit, et au delà d'une certaine puissance de bruit, il ne comprend plus rien.

    facultatif: La chaleur est le principal créateur de bruit de fond pour un signal electrique, puis viennent ensuite les sources humaines: secteur à 220V alternatif et à 50Hz, les téléphones portables à +de 2Ghz les radios et tous les matériels electriques. On sait réduire le bruit d'origine electrique en enfermant la source ou le récepteur dans une cage de Faraday. Par exemple l'alimentation électrique est une énorme source de parasites pour le processeur, mais le fait qu'elle soit dans une boite métallique permet de réduire les perturbations et le fonctionnement du processeur. Un cable coaxial ou les cables à paire torsadée blindées " Shielded Twisted Pair" possèdent un tube conducteur qui joue le role de la cage de Faraday. Sans le blingage, un long fil électrique n'est qu'une antenne radio. Les cables  UTP "Un shielded Twisted Pair" permettent des connections, certe mais sur des distances 3 fois plus courtes.

    - L'atténuation Lorsqu'on parle à quelqu'un de loin, si la personne ne parle pas plus fort, on ne l'entend pas parce qu'il est loin justement. Pour la voix, la principale cause est la dispersion de l'énergie de la voix dans l'air (on entend même si on n'est pas en face de cette personne), pour un cable électrique il y a un phénomène comparable d'atténuation sauf qu'il est principalement du à de l'effet joule (effet radiateur). Une tension électrique appliquée à l'entrée du fil va diminuer à cause de la résistance du fil.  En sortie le signal sera moins vigoureux.

    - L'écho Pas besoin d'une montagne pour générer un écho. Il y en a toujours un il suffit d'une façade d'immeuble. L'écho est souvent inaudible et rapide, parfois agréable: la piece résonne, c'est la science de l'acoustique. Pour l'electricité aussi il existe le phénomène d'écho. Heureusement on sait faire en sorte que l'echo s'annule de lui même ou soit absorbé (paroi sourde dans certaines pieces).

    facultatif: La vieille  technologie de cable coaxials 10base2 et 10base5 utilise des bouchons ou des terminateurs pour faire l'adaptation d'impédance, cad jouer le role de la paroie sourde. Pour les technologie à cables à paires torsadées je ne sais pas comment on gere.

    Le temps de propagation Certain l'appelle latence, mais pas moi. Exemple, Lorsqu'on parle le son n'arrive pas instantanéement à la l'oreille. Le seul exemple  simple est celui de l'éclair et du tonnere. On voit l'éclair  puis on entend le tonnere. C'est l'exemple qui permet  le mieux de  s'imaginer  que le support ne permet pas un temps de propagation nul, c'est a dire qu'il y aura toujours un délai entre l'emission d'un signal et son observation par le recepteur.

    facultatif: Une onde electrique (pas les électrons!) voyage à la vitesse de la lumiere (300 000 km/s) divisé par un coefficient caractéristique du cable. Le delai de propagation est un facteur essentiel pour déterminer la longeur maximal d'un cable. en effet 100Mb/s signifie qu'un bit dure 1_s/100 000 000 _b =10^-8 seconde, cad 10 nanosecondes. En 10 nanosecondes la lumiere se déplace de Distance = Vitesse*Temps =  3*10^8(m/s)*10^8 (s) = 3 m. Sur un reseau FastEthernet  le temps d'emettre 1 bits,  le bit précédent à  seulement  parcouru 3 metres :) c'est a dire qu'il n'est en général pas encore arrivé sur le récepteur. C'est  particulierement important lorsqu'il s'agira d'éviter les colisions.

    identification   Lorsqu'un professeur écrit au tableau il a du mal a savoir qui vient de faire la remarque impertinante qui fait rire la salle, de même lorsqu'on parle à quelqu'un on le regarde pour qu'il comprenne que c'est à lui que l'on parle. Ceci est un probleme assez différent des autres: cependant il doit être résolu  de même, pour que le bon message arrive au bon destinataire.

    facultatif: Ethernet se base sur des adresses MAC pour identifier la sources et les destinataires. Un processeur se base sur un méchanisme d'activation pour faire fonctionner son bus. Lorsqu'un message est destiné à un composant (carte graphique) il reveille la carte graphique par un autre moyen et emet sur le bus, puis rendort la carte graphique. Ethernet n'a pas d'autre moyen pour réveiller le destinataire, comme nous le fesont avec notre regard, notre insistance etc... Le téléphone portable fait un mixe des deux: avec un mode maitre (antenne) esclave(téléphone). L'antenne identifie l'esclave vers lequel elle emet (via la fréquence d'émission ou l'id du téléphone) et l'esclave parle obligatoirement au maitre (ainsi on est obligé de payer même pour téléphoner à 20 metres).

    conclusion: utiliser un support unique est simple: tout le monde peut facilement s'interpeler sans devoir ajouter des cables dans tous les sens. Ceci dit, cela pose des problèmes de distances (délai, atténuation, parasites) et de prise de parole (identification, colision, colision,colision). Ethernet est une norme super qui permet de régler tout ça. Tout est dit: le reste découle presque naturellement de ses problèmes.


    LES EQUIPEMENTS
     
    pour les problemes de distance, la norme fixe une distance maximum de cable entre deux autres pour garentir le fonctionnement. Le calcul de cette distance fait appel à des concept non évoqué pour l'instant... cette distance prévoie en fonction du type de cable: le diametre du reseau (la distance maximale entre deux machines), longueurs d'un reseau. Pour les problemes de prise de parole ethernet prévoie desequipement qui évitent les colisions (deux trames emisent sur le même fil en même temps)

    Les répéteurs qui remettent en forme le signal contre l'atténuation. C'est a dire que le signal tout faible ressort comme neuf de la boite. C'est le genre de boite qui n'a que 2 trous: entrée, sortie (plus alimentations electrique). Yen a plein au fond de l'océan.

    Les concentrateurs (hub) (ethernet 10baseT et Fasethernet 100baseT uniquement (ethernet actuel quoi)) permettent de relier  plus de 2 ordinateurs avec des fils qui non que deux bouts. Le probleme ne se posait pas avec des cables cocaxial symétrique, une prise vampire et c'était bon. Mais les cables à paire torsadées comportes 8 fils, torsadés. Difficile de garder le concepte du vampire pour rajouter un hôte. Le hub se place au centre et on dispose les hôtes en étoile (shématiquement). Il faut comprendre que le hub agit exactement comme si les fils étaient relié directement entre eux. Le concentrateur répète les trames qui arrive depuis un port vers tous les autres ports.On dit qu'il n'y a qu'une zone de collision autour du concentrateur. Un hub est transparent pour éthernet: il n'a pas d'adresse MAC. Même les questions de prix ne justifie plus l'utilisation de hub.

    Les commutateurs (switchs) Les switch sont semblables visuellement à des hubs. Ils possedent comme les hubs de 4 à 24 ports (emplacement pour brancher un fil). Ce qui les distingue est l'intelligence qu'ils embarquent. Le commutateur connait via une ou plusieurs adresses MAC les hôtes connectés à chacuns des ports.
      _ Quand le commutateur recoit un message il regarde le destinataire et ne revoit que le message au destinataire. L'idée est de ne pas transmettre un message (= une trame) à une personne qui n'en a pas besoin et qui va le rejeter.
      _ Quand le destinataire d'une trame est inconnu ou lorsque le message est destiné à tout le monde (diffusion) la trame est recopiée vers tous les ports, excepté le port d'origine. Il utilise pour celà les adresses MAC présentes dans les trames, et embarque un peu de mémoire pour les mémoriser.

    En commutant les switch ne permettent pas d'engendrer un vrai support partagé, et c'est bénéfique car  tous les ordinateurs ne veront que les messages qui leurs sont destinés, on économise ainsi  la disponibilité des autres fils. Cependant comme le switch commute pour chaque trame,  le bus logique est concervé.
     
    On dit que le switch crée une zone de colision par port directement connecté. Un switch n'a pas besoin d'une adresse MAC pour fonctionner. Parfois on lit qu'un switch  permet de simuler du point à point. C'est partielement vrai.

    Note: pour fonctionner Gigabit-Ethernet à nécessairement besoin de switchs.

    Les ponts (Bridge) Ce sont des concentrateurs (switch) à 2 ports. Généralement un pont permet de  relier  un  réseau  de  type  éthernet à  un  réseau de  type  différent  (token ring,  FDDI...) A ne pas confondre avec les passerelles (gateway) qui dépendent de concepts étrangés à ethernet.

    Les routeurs, les passerelles, les serveurs : se sont des hôtes réseaux qui possedent une adresse MAC et sont vu comme des ordinateurs "normaux" ethernet. Ils prennent de l'importance pour IP (routeurs et passerelle) et pour les applications (logiciels) pour nous les humains.
    Routeurs et passerelles sont des ordinateurs ou des boitiés destinés à relier des réseaux entre eux (inter-reseaux, inter-nets), mais pas en fonction de la logique éthernet mais sur une autre logique, qui peut utiliser Ethernet. Un routeur peut aussi avoir des interfaces de type différente: un port éthernet, un port série... au minimum 1.

     Les serveurs ne sont que des ordinateurs spécialisés dans la fourniture de service, ils ne possedent (rapidement) qu'une carte réseau.


    CSMACD et COLLISION

    Dans ethernet, rien n'empéche deux hôtes de parler en même temps. Or l'utilisation de la bande de base (d'ou le "base" dans le type de cable 100baseT),  c'est-à-dire des impultions de tensions (haut/bas), empèche d'avoir plusieurs messages simultanément. Si deux hôtes du même réseau émettent sur le même fil en même temps, il se produit une collision. Les deux trames seront illisibles, et donc à réémètre. CSMA-CD est une méthode d'accès au réseau efficace sur des réseaux peut chargés. (CSMACD signifie
    Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = Acces Multiple et Ecoute de la Porteurse avec Détection de Collisions).

    Que prévoit cette méthode de partage du support ?
    1) On écoute, et on parle uniquement lorsque personne ne parle. (carrier Sense)
    2) Quand on parle on s'assure que personne ne se mette à parler ( parce qu'il était loin et que ce qu'il disait n'était pas encore arriver à nous.. j'ai déjà parlé du temps de propagation. (Collision Detection)
    3) Si on détecte une colision on continue à parler suffisement longement pour que tout le monde entende la colision (encore un probleme de temps de propagation).
    4) On se tait et on attent une durée aléatoire.
    5) Lorsque cette durée est finie on repasse en  1 sauf si on n'a pas eu  de la  chance 16 fois de suite.
    6) Si au bout de 16 tentatives on n'arrive pas  à  obtenir  la  parole  on considere  que  parler  ne sert à rien  et on  arrête  d'essayer de  communiquer.



    ici un Shema CSMACD, over-blog bugge sur cette balise
    Remarque 1: Rien ne garenti que l'on peut parler, rien  ne garenti le temps que mettront les données à être émises (contrairement à token Ring). Pire sur des réseaux tres utilisés on peut avoir un blocage naissant de l'impossibilité de parler, mais c'est rare, les probabilités sont tellement faibles...

    Remarque 2: CSMA-CD n'est pas utilisé par Gigabit-Ethernet, et FastEthernet en mode Full-Duplex (on utilise les 4 paires de fils du cable au lieu de  2 paires uniquement) en effet c'est un mode de fonctionnement incompatible. Le Full Duplex permet de parler et d'écouter en même temps sur le même canal, alors que le Half Duplex ne permet qu'une prise de parole alternative. Le mode Simplex demande deux canaux.


    CONGESTIONS ETHERNET

    On a vu que sur un support unique partagé, les collisions sont possibles. Avec un commutateur on augmente le nombre des zones de collision, en réduisant leur tailles, ce qui est bénéfique.

    Il reste une chose a éclaircir: lorsque tout le monde veut parler au même hôte du réseau à travers un switch comment le switch gère-t'il l'afflut ?

    -> on mémorise les messages et on les retransmet au destinataire à la suite (multiplexage temporel).  Il y de la mémoire dans un switch. Cette solution est limitée par la taille de la mémoire du switch.

    -> on optimise les liaisons. Si on remarque d'un cable est très utilisé on le dédouble ou on le remplace par un plus performant.

    -> on fait une régulation de flux primaire ("back pressure") en attendant que les mémoires du switch soit libérées, on empeche les hôtes réseau d'émettre en faisant du CSMACD, c'est à dire en empechant les autres de parler volontairement.

    Ce principe est vrai pour Ethernet. Pour les versions supérieurs en Full-Duplex je vous laisse vous documenter.




    on parlera d'autre chose demain...










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