Rhd Gen Evol

Fonctionnement pédagogiques

Université de Nantes Faculté des Sciences et des Techniques

• Cours 18h - TD 28h - TP 10h

Les Réseaux Haut Débit

• Responsable du module : S.Hamma • Chargé de TD : S.Hamma

Master Informatique

• Chargé de TP : S.Hamma

Salima Hamma [email protected]

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• Contrôle des connaissances : une épreuve écrite + projet de TP 1

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Fonctionnement pédagogiques

Plan de cours

Quelques dates à retenir

Généralités Évolution des réseaux locaux vers le haut débit Fast Ethernet (100baseT) Gigabit Ethernet (1000baseT) Ethernet commuté 100 VGAnyLan FDDI et FDDI II (Fiber Distributed Data Interface) QoS dans IP (Intserv, Diffserv)

• Début des TD : semaine 4 • Début des TP : semaine 10 • Exposés : semaine 12 et 13 • CC : semaine 11 – mardi 14/3 de 14h00 – 16h00

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Plan de cours (Suite)

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Bibliographie • D.Kofman, M.Gagnaire, Réseaux haut débit : Réseaux ATM et réseaux locaux, Dunod, 1999. • A.Ferréro, Les réseaux locaux commutés et ATM, InterEditions, 1998. • G.Pujolle, Les réseaux, Eyrolles, 1995. • P.Rolin, Réseaux haut débit, Hermès, 1995. • K-L.Thaï, V.Vèque, S.Znaty, Architecture des réseaux haut débit, Hermès, 1995. • W.Stallings, High Speed Networks, TCP/IP and ATM design principles, Prentice Hall, 1998.

DQDB (Distributed Queue Dual Bus) Frame Relay ATM (Asynchronous Transfert Mode) ATM et internet – LAN Emulation (LANE) – IP switching – MPLS (Multi-Protocol Label Switching) S.Hamma

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Généralités

Généralités Point de vue utilisateur des services

Qu’est-ce qu’un réseau ? C’est un ensemble de ressources mises en place pour fournir un ensemble de services (réseaux haut débit : réseaux ATM et réseaux locaux D.Kofman et M.gagnaire)

Qu’est-ce qu’un réseau haut débit ?

La sporadicité d’un flux peut être définie comme le rapport entre son débit crête et son débit moyen

• point de vue utilisateur des services • point de vue de la technologie utilisée • point de vue du concepteur du réseau

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• un réseau capable d’offrir des débits différents adaptés aux services offerts • un réseau capable d’offrir des canaux de débit variable adapté à la sporadicité du trafic.

– le flux à débit constant (CBR, Constant Bit Rate) a une sporadicité égale à 1 (ex : voix codée MIC, Modulation par Impulsion et Codage engendre un débit constant de 64Kb/s) 7

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Généralités

Généralités Point de vue utilisateur des services (suite)

Point de vue utilisateur des services (suite) – le flux à débit variable (VBR, Variable Bit Rate) a une sporadicité supérieur à 1 (ex : codage voix avec suppression de silences)

=> évite le gaspillage des ressources dans le réseau si l’on alloue à chaque connexion un débit constant égal au débit maximal

• un réseau capable d’offrir de la QoS (Quality Of Service) – point de vue sémantique • • • •

sans perte, sans ajout, et sans erreurs. Ex : transfert de fichier pour une application bancaire

– point de vue temporelle

• délai de bout en bout compatible avec les besoins de l’application, • variation de délai également compatible • Ex : transfert de la voix

– QoS spécifique à chaque application S.Hamma

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Généralités

Généralités

Point de vue de la technologie

Point de vue de la technologie (suite)

• le haut débit est lié à la capacité de transmission

• le haut débit est lié aux équipements électroniques ou optoélectroniques (commutateurs, multiplexeurs, etc...) : fréquences de fonctionnement

– l’introduction de la fibre optique permet la transmission : • sur des centaines de km

– contraintes d’exécution des protocoles complexes

• à des dizaines de Gb/s

• ne peut être réalisé aux débits requis

• des taux d’erreurs négligeables

• ni à des coûts raisonnables

– Le système de transmission n’est donc plus un frein au haut débit S.Hamma

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– solution : simplification des protocoles 11

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Généralités

Généralités

Point de vue du concepteur du réseau

Point de vue du concepteur du réseau (suite)

• optimisation des ressources mises en place dans le réseau – liens de transmission

• les algorithmes de partage de ressources classiques ne sont plus valable à des hauts débits : – Fenêtre d’anticipation • assure le contrôle de flux dans les réseaux à commutation de paquets en mode connecté • une fenêtre d’anticipation de N => – envoi de N paquets sans réception d’ACK – mémoire de la source capable de supporter N paquets – Ex : la distance aller-retour Paris -Marseille = 2000 km, la vitesse de la lumière = 2,5 x 105 km/s => le temps de propagation aller-retour = 8 ms

– la capacité de commutation – les mémoires tampons

• garantit le niveau de service promis à l’utilisateur => algorithmes de partage des ressources sont mis en place S.Hamma

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Généralités

Généralités Point de vue du concepteur du réseau (suite)

Point de vue du concepteur du réseau (suite)

– Ex (suite) : pour un accès Transpac à 512 Kb/s, pendant 8 ms la source envoie 2 paquets de 256 octets Si l’on augmente le débit d’un facteur de 1000 => la fenêtre d’anticipation vaudra 2000 => • taille des mémoires tampons au niveau de la source et des commutateurs est très importante • la source peut envoyer 2000 x 256 = 512 Koctets avant de s' apercevoir de la congestion sur le réseau => aggrave l’état de congestion • principale cause le produit délai de propagation par le débit

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• soit α = Tt

temps de transmission par S1

Tp

où Tt est le temps de transmission d’une trame et Tp est le temps de propagation

S1

S2

S3

α =5 S1 S2 α = 0.5

S3

S1

S2

S3

S1 S2

S3

S1

S2

S3

temps de propagation du jeton

– le second cas correspond au cas où le débit est multiplié par 10 => Tt divisé par 10 – l’utilisation du médium est réduite => mécanisme de partage basé sur le jeton est mal adapté au haut débit S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Généralités Conclusions des moyens puissants de transmission sont disponibles des mécanismes de partage de ressources sont nécessaires simples s’adaptant bien aux différents services efficaces pour bien utiliser les ressources ces algorithmes est l’un des points important dans la conception des réseaux haut débit le produit délai de propagation par le débit est un facteur important pour le haut débit S.Hamma

– partage du médium basé sur le jeton

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Motivations Évolution de la couche MAC pour le haut débit Évolution de la couche physique pour le haut débit Propositions d’évolution d’Ethernet

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Motivations

Motivations (suite)

Les réseaux locaux haut débit sont des réseaux locaux de 2ème génération appelés HSLAN (High Speed LAN)

Certains facteurs ont motivé leur apparition :

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

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Motivations (suite)

• Applications multimédias

• Applications Client/Serveur

– Développement de processeurs de plus en plus rapides, la réduction du coût de la mémoire, des stations de plus en plus performantes => applications multimédias – Nécessitent donc des débits et des délais d’accès plus performants pour le transport de gros volumes de données de type voix, image et données 21

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

– Permettent le partage à distance de ressources entre plusieurs utilisateurs – chaque opération de lecture/écriture sur les fichiers distants nécessite un échange de plusieurs milliers d’octets avec le serveur => besoins de débits plus élevés S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Motivations (suite)

Motivations (suite)

• La taille des trames MAC et le temps réel – Une trame temps réel de petite taille peut être pénalisée par le transfert d’une trame de données asynchrones (fichier de grande taille)

• L’intégration de service voix/données – Intégration de service avec ou sans contraintes temps réel de façon efficace • ex : FDDI II, DQDB,..

– Deux solutions envisageables : • trame MAC segmentée en blocs de petite taille

• Deux protocoles différents dans la couche MAC

évite l’attente prolongée

– L’un offre un service en mode connecté

• prise en compte de la priorité à l’accès en faveur du trafic temps réel S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Motivations (suite)

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– La solution adoptée était la fédération des RL par un réseau Ethernet – Le fonctionnement du protocole d’accès d’Ethernet (CSMA/CD : Carrier Sens Multiple Access/Collision Detection) ne convenait plus lorsque la charge globale offerte dépassait un certain seuil.

ont vu le jour dès les années 80

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• Interconnexion des réseaux locaux (RL)

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– L’autre offre un service en mode non connecté S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Motivations (suite)

Évolution de la couche MAC pour le haut débit

La couche MAC et la couche physique sont inadaptées pour des débits d’une centaine de Mb/s Évolution de la couche MAC pour le haut débit

Influence du délai de propagation et de la bande passante : – lorsque les débits sont importants, le délai de propagation n’est pas négligeable par rapport au temps de transmission d’une trame. Conséquences : • des mécanismes de contrôle de flux doivent être adoptés • des mécanismes classiques tels que la fenêtre d’anticipation n’est plus envisageable. • pour des débits importants, la capacité du réseau augmente mais le temps de traversée du réseau en fonction de la charge offerte n’est pas améliorée.

Évolution de la couche physique pour le haut débit

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Performances d’un LAN : efficacité et délai d’accès

Débit utile Du

MAC idéal

Du1 = C

– Efficacité : appelé également rendement est le

rapport du débit utile maximum (débit engendré par la transmission des trames qui ne subissent pas de collisions) sur la capacité du support de transmission.

– Délai d’accès : le délai moyen d’accès par trame au

support de transmission sur l’ensemble des stations.

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit MAC idéal Chaque station génère le même type de trafic

Anneau à jeton Ta 2

CSMA/CD

ρ3 ρ2 ρ1 = 1 trafic offert ρ (sans les retransmissions)

• MAC idéal : délai d’accès nul tant que le trafic offert est inférieur à 1. Il est égal à l’infini lorsque la charge vaut 1. • Anneau à jeton (avec buffers infinis) : à faible charge, le délai n’est pas nul puisqu’il faut attendre le jeton en moyenne pendant un demi tour d’anneau. Au delà d’une certaine charge, il tend vers l’infini. • CSMA/CD : à faible charge, le délai est nul : le canal est immédiatement détecté libre et la probabilité qu’une collision se produise tend vers 0. Ce délai croît vers l’infini lorsque la charge atteint un certain seuil. S.Hamma

Anneau à jeton (buffers finis) Du3

CSMA/CD ρ3 ρ2 ρ1 = 1

charge globale offerte ρ

• MAC idéal : on suppose qu’aucune collision n’a lieu et donc pas de retransmission • Anneau à jeton avec buffers infinis : pas de collision mais on n’utilise pas toute la capacité du réseau à cause du temps perdu par le passage du jeton. • Anneau à jeton avec buffers finis : la probabilité de débordement du buffer n’est pas négligeable au delà d’une certaine charge. • CSMA/CD : au delà d’une certaine charge, ce protocole passe plus de temps à gérer les retransmissions qu’à envoyer de l’information. S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Délai moyen d’accès Ta

Ta 1 = Ta 3

Anneau à jeton (buffers infinis)

Du2

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inadaptation des LAN de 1ère génération au haut débit. – Protocole CSMA/CD :

condition : la longueur minimum d’une trame (Lmin) doit être égale à 2 fois le temps de propagation : • Ethernet de 500 m et 1 Gb/s et Tp de 5 µs /km, Lmin=750 octets. • Ethernet de 2,5 km => Lmin=3750 octets • Conséquences : – de grandes quantités de bourrage sont rajoutées; – l’efficacité du protocole est réduite (basé sur des timers qui sont multiple du délai de propagation); – le protocole ne garantit pas un délai d’accès (inadapté au trafic temps réel); – le protocole est donc inadapté aux très haut débits.

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit Calculons l’efficacité de l’anneau

– Anneau à jeton : Le retrait d’une trame de l’anneau : par son émetteur. Le relâchement du jeton : suivant deux politiques : dès que l’émetteur voit l’entête de la trame. Si la trame n’est pas complètement transmise, le jeton n’est effectivement relâché qu’après avoir fini de transmettre toute la trame (première version de l’anneau à jeton). à la fin de l’émission de la trame (réseau FDDI) S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit Tt Tt + Tp N

• • • • • • • •

N : le nombre de stations raccordées au réseau (équidistantes); Tt : temps de transmission d’une trame; Tp : Temps de propagation. V = 200000 km/s l = 1500 octets L = 5 km pour un LAN L = 100 km pour HSLAN L = 200 km pour Gigabit LAN

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Stratégie 1 E=

proportion de temps pendant laquelle le réseau véhicule de l’information utile Paramètres :

Stratégie 2 posons α =

Tp Tt

E=

E=

1 1+ α N

– cas d’un LAN : α = 0,02 => efficacité proche du 100% – cas d’un HSLAN : α = 1,54 efficacité devient :

Tt E= T p + Tp N

d’où

E=

α = 31

posons α =

Tp Tt

E=

1 1+ α N

– dans le cas d’un LAN : efficacité proche du 100%

1

– dans le cas d’un HSLAN : efficacité est de 87%

α +α N

– dans le cas d’un Gigabit-LAN : efficacité de 24%

efficacité est donc de 60% – cas d’un Gigabit-LAN :

Tt Tt + Tp N

=> efficacité de 3%

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Conclusion

L’accès par slot

la première stratégie de relâchement du jeton est à proscrire pour les réseaux locaux de 2ème génération (HSLAN) et de 3ème génération (Gigabit-LAN).

– un moyen de réduire le délai d’accès et d’améliorer l’efficacité à haut débit => permettre à plusieurs stations d’accéder simultanément au support partagé

la seconde stratégie est plus efficace pour un HSLAN

Solution

(adoptée par FDDI) mais ne l’est pas pour le Gigabit

– subdiviser la longueur temporelle de l’anneau ou du bus en tranches (slots) de tailles égales.

LAN.

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

L’accès par slot (suite) fonctionnement

L’accès par slot (suite) Exemple : FDDI II, DQDB

– l' accès à chaque tranche se fait par lecture d’un bit d’occupation (libre ou occupé).

– des protocoles d’accès dynamiques déterministes

– plusieurs stations peuvent accéder au support – plus le nombre de slots est grand plus l’efficacité est meilleure. – l’augmentation du nombre de slots est limitée car provoque une augmentation du temps de segmentation et de réassemblage et le poids des bits de contrôle.

ont été développés pour l’accès au support à slots – un segment de voix ne sera pas obligé d’attendre la fin de la transmission d’une trame de données

l’anneau est appelé anneau slotté ou à slots le bus appelé bus à slots S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Évolution de la couche physique pour le haut débit

Problème de l’équité un réseau est dit équitable si le délai d’accès moyen est le même pour toutes les stations générant le même type de trafic – l’anneau à jeton est équitable car il impose un délai maximal de détention du jeton par chacune des stations – dans les réseaux en bus à slots, la conception de mécanisme d’allocation de bande passante est nécessaire. Exemple : Bandwidth Balancing sur le bus DQDB 39

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Quel type de médium pour le haut débit ? – La fibre optique • Caractéristiques : – faible atténuation du signal – plusieurs GHz de bande passante – insensibilité aux perturbations extérieures • Fonctionnement : – propagation d’une onde lumineuse dans un milieu diélectrique de forme cylindrique (cœur) – l’onde se propage par réflexion le long de l’axe du cœur • Deux types de fibres optiques se distinguent suivant le diamètre du cœur : S.Hamma

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Evolution des réseaux locaux vers le haut débit – La paire torsadée

– La fibre optique (suite) – la fibre multimode : diamètre du cœur large => plusieurs chemins de propagation de l’onde lumineuse – la fibre monomode : diamètre du cœur fin => un seul chemin de propagation de l’onde possible • les fibres monomodes offrent de plus grands débits (centaine de Gb/s) sur une dizaine de km et des taux d’erreurs très faibles • ce type de support s’impose donc dans le domaine des réseaux locaux haut débits • le coût de la fibre optique ainsi que la connectique et les équipements associés restent cependant élevés S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

L’accès par slot (suite)

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• utilisée pour le câblage téléphonique en analogique • utilisée aussi depuis plusieurs années pour la transmission numérique • était limitée à des débits de l’ordre de la dizaine de Mb/s sur des distances de quelques dizaines de mètres • de nombreux réseaux locaux de 1ère génération l’utilisent • deux types de paire torsadée : blindée (STP : Shielded Twisted Pair) et non blindée (UTP : Unshielded Twisted Pair) • récemment, une meilleure isolation aux radiations externes a été réalisée sur la paire torsadée S.Hamma

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Evolution des réseaux locaux vers le haut débit

Evolution des réseaux locaux vers le haut débit

– La paire torsadée (suite) • son utilisation peut être envisagée pour la transmission numérique à haut débit sur de petites distances

– Le câble coaxial • point fort : offre une meilleure insensibilités aux

• Exemple :

perturbations électromagnétiques que la paire torsadée

– le réseau local FDDI : utilise la paire UTP pour relier certaines stations distantes de moins de 100 m

=> diminution du coût de raccordement – le réseau Fast Ethernet : utilise aussi la paire torsadée pour des débits de 100 Mb/s sur de courtes distances

• point faible : volumineux et encombrant et assez peu maniable. Son coût reste élevé • son usage est par conséquent compromis dans le domaine des réseaux locaux haut débit

• possibilité d’utilisation des câblages téléphoniques existants pour constituer un réseau local haut débit S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Quelle synchronisation adopter ?

– c’est en premier celle qui simplifie au maximum le traitement à effectuer par le protocole d’accès – le retrait de trames est considéré dans le cas de l’anneau et non dans une topologie en bus – en terme d’équité, elle est plus simple à réaliser sur une topologie en anneau que sur un bus – la charge globale du réseau est estimé plus facilement par une station raccordée à un anneau (nombre de slots occupés pendant un tour d’anneau) – plusieurs propositions ont été faites ces dix dernières années : double bus, double anneau, etc... – la sécurité sur les supports : souvent obtenue par un dédoublement du support de transmission 45

Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

– des mécanismes situés au niveau de la couche physique sont responsables de la synchronisation bit dans chaque station – la récupération du signal d’horloge se fait de deux façons : • une première méthode consiste à transmettre le signal d’horloge sur un canal spécial afin d’utiliser la même base de temps => solution assez coûteuse en bande passante • une seconde méthode consiste à estimer le signal d’horloge sur la base du train de bit reçu (utilisation d’un préambule au début de chaque message). – la seconde méthode est celle retenue pour les réseaux locaux S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit Quel codage pour le haut débit ? (suite)

Quel codage pour le haut débit ? – Objectifs : • faciliter la récupération de l’horloge à partir du signal reçu • détection d’éventuelles erreurs de transmission – moyens : rajout de transitions et de certaines redondances au signal original – trois catégories de codes : • les codes par brouillage (scrambling) – en présence de longues suites de bit identiques, générer aléatoirement des transitions «10» ou «01» – ex: DQDB S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit

Quelle topologie pour le haut débit ?

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• les codes par insertion de bit (mB1C) – associe à une suite de m bits, un bit qui est le complément modulo 2 de la somme de ces m bits • les codes de type mB/nB – une suite de m bits est transformée en un symbole de n bits (n>m) – appelés codes blocs – FDDI utilise les codes 4B/5B (repose sur une table de codage) et du NRZI (1 est codé alternativement par une transition -V vers +V et les 0 gardant le niveau de tension du dernier 1) S.Hamma

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Évolution des réseaux locaux vers le haut débit Propositions d’évolution d’Ethernet Fast Ethernet ou 100baseT 100 VG AnyLan ou IEEE 802.12 Gigabit Ethernet ou 1000baseT Ethernet commuté ou Switched Ethernet

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