Etude de quelques Réseaux locaux
Dans ce chapitre, nous allons (enfin) étudier le fonctionnement de quelques Réseaux. En particulier, il me semble logique de vous parler d'ETHERNET + TCP-IP, de CAN et de I2C. Bien entendu, ce chapitre n'est pas exhaustif, et ne pourrait pas l'être. En effet, le renouvellement quasi permanent des technologies ne le permettrait pas.
Mais avant de présenter ces Réseaux, nous allons regarder un petit lexique des différents Réseaux disponibles sur le marché.
Il faut noter que bon nombre de Réseaux ne sont que des variantes des Réseaux les plus connus (ce qui à tendance à rendre l'offre encore plus difficile à analyser), on retiendra pour l'exemple FIPIO qui est une version SENSOR BUS de FIP et FIPWAY la version DEVICE BUS. Mais les exemples ne s'arrêtent pas là puisque certains Réseaux (comme CAN ou FIP, considérés comme des technologies), sont utilisés comme des "supports" pour des applications, ce qui fait qu'entre 2 Réseaux basés sur CAN, il n'y a souvent que la couche 7 (couche d'application) qui les rend incompatible (par exemple SDS, DEVICENET, VAN et CAL ne sont que des applications spécifiques de CAN pour un type de fonctionnement précis).
Ce genre de récupération est assez intéressante puisqu'elle autorise l'utilisation de systèmes CAN tout en les rendant plus spécifique donc plus adaptable.
Ethernet.
Ethernet est le standard le plus connu dans le monde des Réseau, bien qu'étant parmi les moins performant sur le marché, son utilisation mondiale en a fait l'outil par excellence de toutes les entreprises. Conçu en 1980 par Bob Metcalf (le fondateur de 3Com) financé par Intel, DEC et Xerox dans leurs laboratoires de Palo-Alto (Silicon Valley), il est une interface peu onéreuse permettant de connecter des machines via une topologie de bus (et par la suite étoile) en vue de partager des ressources.
Bien que ne faisant pas réellement partie du monde des Réseaux locaux industriels au sens strict, Ethernet n'en reste pas moins un Réseaux local d'entreprise. Le fait est qu'il n'est plus rare du tout de voir des automates connectés à Ethernet sinon à Internet via Ethernet.
Mais revenons à nos spécifications techniques. Ethernet n'utilise que les deux couches les plus basses de la pyramide OSI. La couche physique permet de se connecter via 3 familles de média : paire torsadée (UTP); Câble coaxial (gros ou fin) et fibre optiques. La couche d'accès au médium utilise un processus CSMA/CD normalisé (IEEE 802.3).
Mais ce qui caractérise le plus ce Réseau, c'est l'incroyable quantité d'applications qui ont été développées "sur" lui. En effet, s'y sont greffés de nombreux protocoles, comme TCP-IP ou X25 ou APPLETALK ou NETWARE. En définitive, Ethernet est un support universel. Ce qui lui vaut une grande popularité.
Nous allons donc étudier tout d'abord la trame standard d'Ethernet puis les connexions utilisées. Enfin nous nous intéresserons au chapitre suivant au Réseau TCP-IP.
Cette trame à subit une importante modification depuis sa mise en place par les primo géniteurs du Réseau. A l'origine, la longueur de la trame était codée dans un champ spécifique. Depuis elle s'est transformée en une définition du type de données encapsulées. Trame fondamentale.
La trame Ethernet fondamentale est composée de 6 champs (****) : · Le champ de début (préambule). · L'adresse du destinataire (Destination Adress Field). · L'adresse de l'émetteur (Source Adress Field). · Le champ de longueur ou de type. · Le champ de données. · Le champ de CRC.
Emprunté à "Autoformation aux Réseaux (Intel)" Le préambule.
Le préambule est constitué de 7 octets permettant la régénération de l'horloge de l'émetteur, puis du délimiteur de début. Les 7 premiers octets sont composés en alternance de 1 et de 0, formant le code hexadécimal AAH. Tandis que l'octet de début forme le mot ABH (seul le dernier bit change).
Les adresses de destination et de source.
Les adresses sont composées de 2 zones de 3 octets chacune la première permet de définir le nom du constructeur (elle est fournis par un organisme de régulation) tandis que les 3 octets de poids faible codent le "n° de série" de la carte. On appelle généralement ces adresses les adresses MAC (du nom de la couche où l'on les utilises). Une spécificité de cet adressage c'est qu'il n'utilise pas d'adresses impaires pour parler à des machines individuelles. Ces adresses sont strictement réservées aux émissions multiples (multicast et broadcast).
Le type.
Les trames Ethernet encapsulant un grand nombre d'autres protocoles, on utilise ce champ pour préciser le type d'informations encapsulées. Par exemple les paquets IP sont codés 0800H. Voir la table des valeurs de la page suivante.
Le champ de donnée.
Le champ de données est utilisé par les couches supérieures pour y placer des données. Ce champ doit contenir au moins 46 octets. Si une trame ne contient pas assez de données pour remplir cet intervalle, on utilise des bits de remplissage pour compléter l'espace. Le FCS.
Le FCS (Frame
Check Sequence) utilise un polynôme de CRC pour coder la trame précédente et
apporter ainsi une validation de contenu. Le polynôme générateur est :
Tables des Ethertypes.
Extraits de la table des Ethertypes Normalisés.
La Couche Physique d'Ethernet.
Originellement, Ethernet était conçu pour utiliser exclusivement du câble coaxial 50W, avec une topologie en bus donc avec des impédances de terminaison. Du fait de ses caractéristiques, il permettait la transmission à 10Mbaud en bande de base sur une distance de 500m du signal informatif. D'où son nom de câblage en 10BASE-5.
Emprunté à "Autoformation aux Réseaux (Intel)"
En décomposant 10BASE-5 on trouve 10Mbaud en bande de BASE sur 500m. L'utilisation d'un câblage en 10BASE-5 impose l'installation d'un câble principal (le Back Bone ou colonne vertébrale) "rigide", sur lequel on branche avec des prises vampires (permettant une connexion sans rupture de ligne) des "tranceivers" ou des prolongateurs. Cet ensemble forme un MAU pour Media Attachment Unit. On peut alors établir une connexion avec la machines via une interface (AUI pour Attachment Unit Interface), composée d'un connecteur de type CANON DB15.
Ce gros câble doit avoir une longueur qui est un multiple impaire de 23,4m (23,4m, 70,2m, 117m, 163,8, etc.) sans pour autant dépasser 500m soit au plus 491m soit 21 segments de câble coaxial. Son atténuation ne doit pas dépasser 8,5dB pour 500m à 10MHz et sa résistivité doit être inférieure à 10mW/m.
Mais l'évolution des techniques et surtout la réelle nécessité de réduire les coûts de câblage permis la mise en place d'autres versions telle que le 10BASE-2 qui utilise un câble coaxial fin et nettement moins coûteux, avec les câbles coaxiaux relié directement au niveau de chaque machine par des connecteurs en tés. Par contre la distance entre machine est réduite à 200m et il est interdit de relier une machine via un brin au connecteur en té.
Ce câblage est dénommé câblage coaxial fin (ou yellow cable), son atténuation grimpe en flèche à 4,6dB pour 100m à 10MHz, il est aussi plus lent à propager l'onde électromagnétique que le gros câble coaxial.
Ces câblages présentaient toujours l'inconvénient d'interdire toute installation (ou retrait) de machine sans interruption des communication et toute défaillance d'un élément du Réseau influençait tous les autres.
L'utilisation d'un câblage plus évolutif devint vite une nécessité, d'où l'implémentation par le Comité IEEE de câblages en paire torsadées. Cette technologie permet d'utiliser des fils torsadés non blindés donc un type de câblage extrêmement économique. En utilisant une topologie non plus en bus mais en étoile, en utilisant la désormais célèbre prise RJ45.
Emprunté à "Autoformation aux Réseaux (Intel)"
Les câbles en paire torsadée ont une impédance caractéristique de 120W, ils sont encore plus lents que le câble coaxial fin vis à vis de la propagation des signaux électromagnétiques. Enfin il impose une atténuation de 11,5dB pour 100m à 10MHz. On leur connaît aussi d'autres défauts tels que la diaphonie (influence d'un brin sur l'autre), cette dernière ne doit pas excéder 26dB à 10MHz. Cette méthode de câblage a reçu le nom de 10BASE-T. Comme elle utilise 2 paires de fil torsadé, un pour la transmission, et un pour la réception, elle permet un transfert en FULL DUPLEX des informations.
Toutefois, l'évolution d'Ethernet ne s'arrête pas là puisqu'il existe des modes de fonctionnement utilisant la fibre optique ce sont les modes 100BASE-FL. Ces modes utilisent en général des topologies de type Back-bone (réalisé en fibre optique) et sur lesquels viennent s'articuler des formes différentes (anneaux, bus ou étoiles).
L'utilisation des câblages en étoile ou des structures Back-bone impose l'utilisation respectivement de Hub (pour diffuser l'information en étoile) ou de Switch (pour modifier les vitesses, voir les protocoles liés aux méthodes de diffusion).
Tant qu'il n'est pas nécessaire d'établir un routage, on peut conserver les protocoles Ethernet. Toutefois, dès qu'il y a une segmentation en Réseaux et sous Réseaux, il est impératif d'inclure un protocole de couche 3 voir de couche 4. Le protocole TCP/IP étant le plus utilisé.
Exemple non contractuel d'un routage entre Réseau Emprunté à "Autoformation aux Réseaux (Intel)"
Mais avant d'aborder l'étude de ce protocole de couche haute, on va étudier plus en détail le comportement de notre couche 2.
La Couche de Liaison d'Ethernet.
La couche de liaison repose sur la trame précédemment décrite, elle permet du fait de sa taille une encapsulation facile de message en provenance des couches supérieures. Ainsi, une trame normalisée IEEE 802.3 en provenance directe de la couche d'application de la pyramide OSI peut être présenté de la façon suivante:
Trame classique Ethernet II normalisée IEEE 802.3 Tandis que l'utilisation des encapsulation permet de décomposer à nouveau les trames reçues :
Trame Ethernet incluant une encapsulation LLC normalisée IEEE 802.2
Emprunté à "Autoformation aux Réseaux (Intel)"
Comme on peut le constater, on a placé dans le champ de donnée des information provenant des couches supérieures (ici de la sous-couche LLC).
Ces information s'adressant à des éléments de la machine non pointé par des adresses MAC, les données encapsulées dans le champ de donnée de la trame MAC commence donc par la définition du service destinataire et du service source (dans notre cas, il s'agit de l'adressage des SAP de la couche LLC entrant en communication). On réduit donc d'autant la taille du champ de données.
Il faut aussi permettre un aiguillage correct des données, c'est à dire établir à quel service sont destinées les données présentes sur le bus. Aussi on a reconverti le champ de longueur en un champ de 2 octets codant le type d'informations portées. A titre d'exemple, un champ IP est référencé 080016.
Toujours dans le cadre du protocole, on doit s'appesantir un peu sur les principes d'adressage. Ainsi, les 6 octets du champ d'adresse sont décomposés en 2 fois 3 octets.
Le premier octet (ou l'octet de poids fort) permet d'identifier le constructeur. Tous les pays identifient les constructeurs de la même façon, mais ce code n'est pas véhiculé par les algorithmes de routage. Il n'est donc connu que localement. Les constructeurs peuvent donc utiliser 2 fois (ou plus) une même adresse à condition de ne pas vendre ces cartes dans la même zone géographique, d'où un certain risque à acheter dans deux pays différents des cartes Réseaux d'un même constructeur.
Le second octet (ou l'octet de poids faible) permet d'identifier la carte. Cet octet doit impérativement être pair.
Mais même si l'adresse est paire, il circule sur le Réseau (on peut le constater avec un espion) des trames dont les adresses sont impaires. Ce sont des trames à destination de groupes de cartes (MULTICAST) voir même de toutes les cartes (BROADCAST).
L'adresse de
BROADCAST est assez simple à retenir puisqu'elle n'est composée (en binaire) que
de 1 ce qui donne en hexadécimal Les adresses de MULTICAST sont elles par contre légion (environ 8 millions), elles sont obtenues par un algorithme à partir des adresses des différentes machines concernées par le message. Cet algorithme apparenté aux calculs de CRC permet de recréer automatiquement une adresse commune à l'ensemble des machines concernées. Chaque machine en appliquant le même calcul retrouvera ainsi son adresse propre.
L'utilisation des commandes de MULTICAST est plus limitée que l'utilisation des commandes de BROADCAST. Toutefois, dans le cadre de l'utilisation des couches supérieures, il n'est pas rare de voir ce genre de trames circuler.
|
