Réseaux d'accès

Cours de J. Toussaint (« Technologies d'accès ») : 3 h de cours, 2 × 2 h de TD, 1 h d'examen. Le réseau d'accès (ou boucle locale) est la partie du réseau opérateur qui relie l'abonné au premier site de l'opérateur.

Panorama des technologies d'accès

Les familles de technologies

• Toutes ne sont pas commercialisées ; certaines seulement localement : CPL Outdoor, variantes FTTx, BLR.

Les technologies « cuivre » et leurs débits

Paire torsadée et xDSL

Architecture d'un accès xDSL (site Orange : NRA)

• NRA : Nœud de Raccordement d'Abonnés, le central téléphonique où arrive la paire de cuivre.
• Chez l'abonné : un filtre sépare le téléphone du modem xDSL.
• La paire de cuivre arrive sur le répartiteur principal (salle répartiteur de France Télécom).
• Un filtre au central sépare :
  • la voix → vers l'URAD (unité de raccordement d'abonnés, commutateur du RTC) ;
  • les données → par un câble de renvoi vers le répartiteur opérateurs.
• Dans la salle de colocalisation opérateurs : répartiteur opérateurs → DSLAM → répartiteur optique → fibre optique vers le réseau de l'opérateur.
• Le répartiteur opérateurs est le point frontière de responsabilité entre France Télécom et l'opérateur (dégroupage).
• Services possibles sur la ligne : Internet, téléphonie sur IP, téléphonie analogique (RTC), IPTV.
• Interface U : au niveau de la ligne téléphonique (entre la box et le DSLAM). Interface V : côté réseau de collecte (après le DSLAM).

Exemple de NRA (source ARCEP modifiée)

• Central de Delille (DEL63, Clermont-Ferrand) : 26 000 lignes, zone dense.
• Équipé ADSL, ReADSL, ADSL MAX, ADSL2+, VDSL2, TV d'Orange.
• VDSL2 : débit descendant de 20 jusqu'à 100 Mbit/s sur les lignes de moins d'1 km.
• Dégroupage : SFR, Free, Numericable, Bouygues, OVH (collecte) y ont leurs équipements.

Offres xDSL

• Particuliers, « petits » professionnels : ADSL, ADSL2+, ReADSL2, VDSL2.
• VDSL2 : seuls 14,5 % des lignes sont éligibles, soit 4,5 millions d'abonnés.
• Débit et distance (sens descendant, source IDATE) : le débit chute avec la longueur de la ligne.

• Vers 4 km, toutes les technologies tombent à quelques Mbit/s.

À retenir : le VDSL2 n'a d'intérêt que sur des lignes courtes (< 1 km) ; au-delà, il n'apporte presque rien par rapport à l'ADSL2+.

• Professionnels : les mêmes offres + SDSL (raccordement d'IPBX).
  • SDSL : nom d'une technologie propriétaire, utilisé aussi pour désigner HDSL, HDSL2, G.SHDSL.
  • Symétrique (même débit montant et descendant).
  • Souvent associé à une GTR (Garantie de Temps de Rétablissement).

Architectures protocolaires xDSL/FTTx

Contexte

• La couche physique xDSL/FTTx est traitée dans le cours de Transmission.
• Plusieurs « modèles » d'architecture protocolaire se sont succédé, développés par le Broadband Forum (historiquement DSL Forum), documents TR (ex. TR-101).

Les 7 profils protocolaires (interface U)

• Les profils a à d passent par ATM : obsolètes (mais encore utilisés).
• Les options e, f, g : la couche physique permet l'encapsulation directe d'Ethernet (DSL ou FTTx).
• a et e sont souvent appelées IPoE ; b et f sont souvent appelées PPPoE.

À retenir : PPPoA utilise la RFC 2364 ; les autres profils ATM utilisent la RFC 2684.

Deux types de DSLAM

• DSLAM ATM : simple multiplexeur ATM.
  • Réseau de collecte ATM, QoS ATM.
  • N'existe plus en France.
• DSLAM Ethernet :
  • Réseau de collecte Ethernet.
  • Se comporte comme un commutateur Ethernet.
  • Met en œuvre les VLAN (+ QoS Ethernet) et IGMP (multicast pour la diffusion de la vidéo). Fonctionnalités IP limitées.
• Évolution vers les DSLAM IP : DSLAM Ethernet + davantage de fonctionnalités IP.

Plusieurs profils dans une même box

• Plusieurs profils coexistent dans une même box, avec des fonctions, avantages et inconvénients différents.
• Exemple : un profil pour surfer sur Internet, un autre pour la télévision, un troisième pour la téléphonie.
• Sur le profil TV, on désactive la fonction routeur de la box, qui devient un « simple modem » (bridge mode) :
  • solutions PPPo… : c'est la Set-Top-Box qui gère PPP et les couches au-dessus ;
  • solutions IPo… : la Set-Top-Box reçoit une adresse publique fournie par l'opérateur.

PPPoE (1er modèle, TR-12 et TR-25)

• Réseau de collecte Ethernet.
• PPP (Point to Point Protocol) est utilisé pour :
  • AAA (Authentification, Autorisation, Accounting) via Radius ;
  • l'attribution de l'adresse IP ;
  • le cryptage et la compression.
• Historiquement mis en place par France Telecom (ex. Livebox : identifiant de connexion fti/… + mot de passe).
• Pile (box en mode routeur) :
  • PC : IP / Ethernet (LAN) ;
  • modem/routeur : IP / PPP / PPPoE / Ethernet / ADSL côté ligne ;
  • DSLAM : ADSL ↔ Ethernet ;
  • réseau de collecte Ethernet (OTN, cœur optique) ;
  • BRAS : IP / PPP / PPPoE / Ethernet côté collecte, IP / MPLS côté backbone (IP/MPLS, Carrier Ethernet / OTN, cœur optique).
• BRAS (Broadband Access Server, aussi appelé Broadband Remote Access Server) = « serveur PPP » :
  • utilise un serveur Radius ;
  • affecte l'adresse IP de l'interface WAN du modem/routeur : soit le BRAS a sa propre plage d'adresses, soit il interroge un serveur DHCP.

IPoE

• Réseau de collecte Ethernet.
• Pas d'AAA.
• Attribution de l'adresse IP par DHCP (la box est client DHCP).
• Historiquement mis en place par Free (par exemple).
• BNG (Broadband Network Gateway) : routeur IP, qui doit être capable :
  • soit de retransmettre les requêtes DHCP (DHCP relay) ;
  • soit d'y répondre lui-même (serveur DHCP).

La fibre : FTTx, P2P et PON

FTTx : Fiber To The …

• La fibre part du NRO (Nœud de Raccordement Optique) ; plus elle s'arrête loin de l'abonné, plus la partie « cuivre » est longue.
• FTTN / FTTC : partie cuivre = paire torsadée téléphonique et xDSL, ou réseau « câble ». En FTTC, la partie cuivre fait moins de 300 m.
• FTTB : fibre jusqu'à l'immeuble ; partie cuivre au choix : paire torsadée et ADSL, réseau câble, Wi-Fi, CPL outdoor (en théorie)…
• FTTH : fibre jusqu'au logement ; « cuivre » seulement dans le logement : paire torsadée Ethernet, Wi-Fi, CPL indoor.

Équipements FTTH/FTTB/FTTC

• Objectif : raccorder un OLT à un ONT / ONU / MDU.
• OLT (Optical Link Terminal, aussi appelé Optical Line Termination) : dans le NRO.
• ONT (Optical Network Terminal) : chez l'abonné (FTTH).
• ONU (Optical Network Unit) : dans l'immeuble (FTTB).
• MDU (Multi-Dwelling Unit) : au trottoir (FTTC), puis cuivre sur 250-700 m.
• ODN (Optical Distribution Network) : le réseau de distribution optique entre OLT et terminaux (avec coupleurs).
• FTTH : deux familles de déploiement : P2P et PON.

(E)P2P : Point à Point

• (Ethernet) Point à Point passif.
• Une fibre relie l'OLT à chaque abonné.
• Portée jusqu'à 20 km.
• Transporte des trames Ethernet.
• Choix de Free (historiquement).
• Commercialisé 1 Giga down / 200 Méga up (débit théorique 2,5 Gbit/s symétrique).

PON : Passive Optical Network

• Portée jusqu'à 20 km.
• Variantes :
  • GPON : déployé majoritairement en France (Orange, SFR) ;
  • NG-PON ;
  • EPON (plus ancien que GPON) ;
  • 10G-EPON (2010) ;
  • NG-PON2 (2015).
• GPON (Gigabit PON, ITU G.984) :
  • soit 2,4 Gbit/s symétrique, soit 2,4 Gbit/s descendant et 1,2 Gbit/s montant ;
  • une partie du trajet est partagée par plusieurs abonnés (jusqu'à 64, voire 128) → débit abonné « jusqu'à 1 Giga » ;
  • portée maximale 20 km ;
  • utilise des coupleurs optiques (passifs) ;
  • transporte des trames Ethernet.

À retenir : en P2P, une fibre dédiée par abonné ; en GPON, une fibre partagée puis divisée par des coupleurs.

Architectures protocolaires en FTTH

• P2P et GPON encapsulent des trames Ethernet.
• On utilise donc les options e, f et g (en remplaçant DSL par P2P ou GPON).

Avantages / inconvénients

• FTTH : très large bande passante, portée élevée, très bonne qualité de transmission ; mais prix élevé (génie civil, environ 1 000 €/prise).
• FTTBusiness : exclusivement pour les entreprises : fibre dédiée, débit symétrique et garanti, GTR.

Comparatif fibre / cuivre

• Encombrement : un câble de 1 000 paires cuivre fait Ø 80 mm, un câble de 864 fibres fait Ø 18 mm.

GPON en détail

Duplexage en longueur d'onde (WDD)

• Une seule fibre, deux longueurs d'onde :
  • sens descendant (OLT → ONT) : 1 490 nm ;
  • sens montant (ONT → OLT) : 1 310 nm.
• Descendant : l'OLT émet toutes les trames (A, B, C) ; le coupleur les diffuse à tous les ONT ; chaque ONT ne garde que les siennes.
• Montant : chaque ONT émet à un instant différent (t, t + δt) pour que les trames se suivent sur la fibre commune.

Ranging

• Problème : les ONT sont à des distances différentes (d1 ≠ d2) du coupleur. Même en émettant à des instants différents, les trames peuvent arriver en même temps → collision.
• Solution, pour chaque ONT :
  1. mesure du temps de propagation ;
  2. détermination de la date d'émission par l'OLT ;
  3. transmission de cette date à l'ONT.

DBA : Dynamic Bandwidth Assignment

• Motivations :
  1. tous les usagers ne sont pas connectés en même temps ;
  2. connectés, ils ne transmettent pas en permanence ;
  3. la plupart du trafic arrive en rafales ;
  4. les besoins en QoS sont différents.
• Mise en œuvre par le module DBA de l'OLT :
  1. il collecte en continu les rapports DBA (DBA Report) de tous les ONT ;
  2. il calcule en tenant compte des types de T-CONT et notifie à chaque ONT une attribution d'intervalles de temps (BW Map) ;
  3. les ONT envoient leurs données dans les intervalles attribués (time slots).
• Résultat : la bande passante montante de chaque ONT est ajustée dynamiquement → meilleure utilisation de l'upstream.

Multiplexage : GEM et T-CONT

• Trame GEM (GPON Encapsulation Mode) :
  • plus petite unité transportant le flux d'un service ;
  • tous les flux de services y sont encapsulés ;
  • les flux sont identifiés par des ports GEM, chacun ayant un identifiant unique ;
  • un port GEM identifie le canal d'un service entre OLT et ONT ; on lui associe souvent un VLAN.
• T-CONT (Transmission CONTainer) :
  • conteneur des flux de services montants ;
  • chaque port GEM est mappé à un T-CONT ; un T-CONT peut porter un ou plusieurs ports GEM ;
  • les flux montants sont transmis selon la planification du DBA ;
  • chaque T-CONT est identifié par un Alloc-ID.
• Hiérarchie : plusieurs services (VLAN) par port GEM, plusieurs ports GEM par T-CONT, plusieurs T-CONT par ONT.
• Downstream : ports GEM seuls. Upstream : ports GEM regroupés dans des T-CONT.

Types de T-CONT

L'allocation dépend du type de T-CONT : 1, 2 ou 3 paramètres à configurer.

• Exemple : T-CONT type 1 → fixer X et Z, obligatoirement égaux.
• Type 4 : seulement un maximum (pas de fixe ni de garantie). Type 5 : les trois paramètres.

Cryptage

• En GPON, les données descendantes sont transmises à tous les ONT : un ONT non autorisé pourrait lire les données des autres.
• Solution : chiffrement AES-128 (Advanced Encryption Standard 128).

FEC (Forward Error Correction)

• Code Reed-Solomon : 16 octets de contrôle ajoutés à 239 octets de données.
• Réduit la bande passante utile mais diminue les retransmissions.
• Particulièrement utile pour la téléphonie (pas de retransmission possible).
• Détecte et corrige des erreurs sur plusieurs octets → gain de 3 à 4 dB sur le budget optique.

Protection

• Exemple : protection de type C : chaque ONU a un port de travail et un port de protection, reliés à deux coupleurs différents, eux-mêmes reliés à deux ports PON de l'OLT (lien de travail + lien de protection).

Triple Play, QoS et 802.1p/Q

Triple Play

• Faire passer à la fois : Internet « classique » (web, tchat…), ToIP, TV (streaming).
• Nécessite de la QoS.
• Problème : hétérogénéité des matériels et technologies sur le chemin (LAN, paire torsadée, réseau de collecte IP/MPLS/Gigabit Ethernet ou ATM, BRAS, cœur IP/MPLS, plates-formes de service IPTV/ToIP).

Technologies de QoS

• Pas de technologie unique de bout en bout → chaque passerelle doit « mapper » la politique d'un côté sur celle de l'autre.
• Exemple : le BRAS mappe la QoS Ethernet sur le Traffic Engineering MPLS.

Mise en œuvre simplifiée (très utilisée)

• On ne priorise que sur la boucle locale :
  • flux descendants : priorisation par le DSLAM ;
  • flux montants : priorisation par la box.

Trame 802.1p/Q (annexe)

• But : VLAN et QoS.
• Trame : @MAC dst | @MAC src | TAG | Len/EthType | Data | FCS.
• TAG (32 bits) = TPID (16 bits, 0x8100) + TCI (16 bits) :
  • PCP (3 bits) : classe de service ;
  • DEI (1 bit) : Drop Eligible Indicator ;
  • VID (12 bits) : VLAN Identifier.

À retenir : piège classique : PCP 1 (Background) est moins prioritaire que PCP 0 (Best Effort).

Collecte Ethernet et 802.1ad (QinQ)

Option a : IPoEoATM avec collecte Ethernet

• Chaîne : PC → modem/routeur (IP / Ethernet / RFC 2684 / ATM / DSL) → DSLAM avec IWF → réseau de collecte Ethernet → BNG (IP / 802.1ad / Ethernet) → backbone IP/MPLS.
• RFC 2684 (ancienne version : RFC 1483, encore utilisée par certains) : encapsulation LLC ou VCMUX.
• 802.1ad : VLAN stacking.
• IWF (InterWorking Function) : ensemble des fonctions pour interconnecter deux réseaux : conversion de format de trames, mécanismes d'adressage… Le DSLAM convertit ATM/RFC 2684 en Ethernet 802.1ad.

Option b : PPPoEoATM avec collecte Ethernet

• Même principe, avec PPP / PPPoE au-dessus d'Ethernet dans la box ; le DSLAM (IWF) passe en Ethernet 802.1ad ; terminaison au BRAS (IP / PPP / PPPoE / 802.1ad / Ethernet).

802.1ad : « QinQ »

• Plusieurs tags VLAN dans une seule trame Ethernet.
• Usages :
  • Ex. 1 : une entreprise fait passer ses propres VLAN (C-VLAN, Customer VLAN) dans un unique VLAN opérateur (S-VLAN, Service VLAN) ;
  • Ex. 2 : faire passer les C-VLAN de plusieurs entreprises dans le même S-VLAN.
• Tag opérateur = Outer Tag ; tag client = Inner Tag.
• Exemple (Clermont-Ferrand ↔ Lyon) : VLAN société A = 322, société B = 849, opérateur = 697 :
  1. trame de A avec tag 0x8100 … 322 ;
  2. dans le réseau opérateur : 0x9100 … 697 (outer) + 0x8100 … 322 (inner) ;
  3. à la sortie, le tag opérateur est retiré : retour à 0x8100 … 322.
• En accès : un C-VLAN transporte le flux d'un service chez un client → potentiellement plusieurs C-VLAN par client (Triple Play).
• Exemple Livebox 5 : VoIP (protocole SIP) sur VLAN 832 ; TV : VLAN 840 (chaînes, zapping), VLAN 832 (vidéo à la demande).

Réseau câblé et technologies hertziennes

Le réseau câblé

• Plan câble (années 80) : au départ uniquement la TV ; puis mise en œuvre d'une voie retour : Internet, TV interactive, téléphone…
• Principe : tête de réseau → fibre optique (réseau de transport) → centre de conversion et de distribution (armoire) → câble coaxial (réseau de distribution) → foyer (modem câble, décodeur TV).
• FTTLA (SFR) : fibre jusqu'au dernier amplificateur, puis coaxial.
• Avantages : bon rapport performances/prix, haut débit.
• Inconvénients : réservé aux villes équipées, bande passante partagée.

Technologies hertziennes

• Liaisons point à point ou point-multipoint.
• Bandes de fréquences : 3,5 GHz, 36 GHz, etc.
• Avantages : pas de génie civil → un nouvel opérateur atteint plus facilement le client final ; hauts débits.
• Inconvénients : ondes facilement perturbables (pluie…, selon la fréquence), transmission en vue directe, portée limitée (2 à 10 km).