Ethernet

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Connecteur RJ45 pour Ethernet

Ethernet est un protocole de réseau local à commutation de paquets. C'est une norme internationale : ISO/IEC 8802-3.

Depuis les années 1990, on utilise très fréquemment Ethernet sur paires torsadées pour la connexion des postes clients, et des versions sur fibre optique pour le cœur du réseau. Cette configuration a largement supplanté d'autres standards comme le Token Ring, FDDI et ARCNET. Depuis quelques années, les variantes sans-fil d'Ethernet (normes IEEE 802.11, dites « Wi-Fi ») ont connu un fort succès, aussi bien pour les installations personnelles que professionnelles.

Origine du nom

Dans un réseau Ethernet, le câble diffuse les données à toutes les machines connectées, de la même façon que les ondes radiofréquences parviennent à tous les récepteurs. Le nom Ethernet dérive de cette analogie^[1] : avant le XX^e siècle on imaginait que les ondes se propageaient dans l’éther, milieu hypothétique censé baigner l'Univers. Quant au suffixe net, il s'agit de l'abréviation du mot network (réseau) en anglais.

Histoire

Ethernet a originellement été développé comme l'un des projets pionniers du Xerox PARC. Une histoire commune veut qu'il ait été inventé en 1973, date à laquelle Robert Metcalfe écrivit un mémo à ses patrons à propos du potentiel d'Ethernet. Metcalfe affirme qu'Ethernet a été inventé sur une période de plusieurs années.^{[réf. souhaitée]} En 1976, Robert Metcalfe et David Boggs (l'assistant de Metcalfe) ont publié un document intitulé Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks (Ethernet : commutation de paquets distribuée pour les réseaux informatiques locaux).

Metcalfe a quitté Xerox en 1979 pour promouvoir l'utilisation des ordinateurs personnels et des réseaux locaux, et a fondé l'entreprise 3Com. Il réussit à convaincre DEC, Intel et Xerox de travailler ensemble pour promouvoir Ethernet en tant que standard, au terme d'une période au cours de laquelle la réflexion des constructeurs s'oriente vers une informatique décentralisée.

Ethernet était à l'époque en compétition avec deux systèmes propriétaires, Token Ring (IBM, plus récent) et ARCnet (TRW-Matra, plus ancien) ; ces deux systèmes ont au fil du temps diminué en popularité face à Ethernet, en raison de la baisse de coûts due à la production de masse. Ethernet avait par ailleurs moins de contraintes topologiques que le token-ring (au CeBIT de 1995, on pouvait voir à titre expérimental un simili plafond blanc utilisé comme medium Internet, les signaux transitant par infrarouge). Pendant ce temps, 3Com est devenue une compagnie majeure du domaine des réseaux informatiques.

Description générale

L'Ethernet est basé sur le principe de membres (pairs) sur le réseau, envoyant des messages dans ce qui était essentiellement un système radio, captif à l'intérieur d'un fil ou d'un canal commun, parfois appelé l'éther. Chaque pair est identifié par une clé globalement unique, appelée adresse MAC, pour s'assurer que tous les postes sur un réseau Ethernet aient des adresses distinctes.

Une technologie connue sous le nom de Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (Écoute de porteuse avec accès multiples et détection de collision) ou CSMA/CD régit la façon dont les postes accèdent au média. Au départ développée durant les années 1960 pour ALOHAnet à Hawaï en utilisant la radio, la technologie est relativement simple comparée à Token Ring ou aux réseaux contrôlés par un maître. Lorsqu'un ordinateur veut envoyer de l'information, il obéit à l'algorithme suivant :

Procédure principale

Trame prête à être transmise.
Si le medium n'est pas libre, attendre jusqu'à ce qu'il le devienne puis attendre la durée intertrame (9,6 μs pour l'Ethernet 10 Mbps) et démarrer la transmission.
Si une collision est détectée :
- lancer la procédure de gestion des collisions.
- sinon, la transmission est réussie.

Procédure de gestion des collisions

Continuer la transmission à hauteur de la durée d'une trame de taille minimale (64 octets) pour s'assurer que toutes les stations détectent la collision.
Si le nombre maximal de transmissions (16) est atteint, annuler la transmission.
Attendre un temps aléatoire dépendant du nombre de tentatives de transmission.
Reprendre la procédure principale.

En pratique, ceci fonctionne comme une discussion ordinaire, où les gens utilisent tous un médium commun (l'air) pour parler à quelqu'un d'autre. Avant de parler, chaque personne attend poliment que plus personne ne parle. Si deux personnes commencent à parler en même temps, les deux s'arrêtent et attendent un court temps aléatoire. Il y a de bonnes chances que les deux personnes attendent un délai différent, évitant donc une autre collision. Des temps d'attente en progression exponentielle sont utilisés lorsque plusieurs collisions surviennent à la suite.

Comme dans le cas d'un réseau non commuté, toutes les communications sont émises sur un médium partagé, toute information envoyée par un poste est reçue par tous les autres, même si cette information était destinée à une seule personne. Les ordinateurs connectés sur l'Ethernet doivent donc filtrer ce qui leur est destiné ou non. Ce type de communication « quelqu'un parle, tous les autres entendent » d'Ethernet est une de ses faiblesses, car, pendant que l'un des nœuds émet, toutes les machines du réseau reçoivent et doivent, de leur côté, observer le silence. Ce qui fait qu'une communication à fort débit entre seulement deux postes peut saturer tout un réseau local.

De même, comme les chances de collision sont proportionnelles au nombre de transmetteurs et aux données envoyées, le réseau devient extrêmement congestionné au-delà de 50 % de sa capacité (indépendamment du nombre de sources de trafic). Pour résoudre ce problème, les commutateurs ont été développés afin de maximiser la bande passante disponible.

Suivant le débit utilisé, il faut tenir compte du domaine de collision régi par les lois de la physique et notamment la vitesse de propagation finie des signaux dans un câble de cuivre. Si l'on ne respecte pas des distances maximales entre machines, le protocole CSMA/CD devient inopérant.

De même si on utilise un commutateur, CSMA/CD est désactivé. Et ceci pour une raison que l'on comprend bien. Avec CSMA/CD, on écoute ce que l'on émet, si quelqu'un parle en même temps que moi il y a collision. Il y a donc incompatibilité avec le mode full-duplex des commutateurs.

Aspects normalisation

Bien qu'il implémente la couche physique (PHY) et la sous-couche Media Access Control (MAC) du modèle IEEE 802.3, le protocole Ethernet est classé dans les couches de liaison de données (niveau 2) et physique (niveau 1), puisque la couche LLC (Logical Link Control) 802.2 fait la charnière entre les couches supérieures et la sous-couche MAC (Media Access Control) qui fait partie intégrante du processus 802.3 avec la couche physique ; les formats de trames que le standard définit sont normalisés et peuvent être encapsulés dans des protocoles autres que ses propres couches physiques MAC et PHY. Ces couches physiques font l'objet de normes séparées en fonction des débits, du support de transmission, de la longueur des liaisons et des conditions environnementales.

Ethernet a été standardisé sous le nom IEEE 802.3^[2] :

Ethernet : les 13^e et 14^e octets d'une trame Ethernet contiennent le type (numéro) de protocole de la couche supérieure (ARP, IPv4, IPv6...) ; comme il n'y a pas d'indication sur la longueur des données, il n'y a pas de couche LLC (Logical Link Control) pour supprimer un bourrage potentiel ⇒ ce sera donc à la couche supérieure (Réseau) de supprimer le bourrage s'il y en a.
802.3 : les 13^e et 14^e octets d'une trame 802.3 contiennent la longueur de la partie des données qui sera gérée par la couche LLC qui, située entre la couche MAC et la couche Réseau, supprimera le bourrage avant de l'envoyer à la couche réseau.

Types de trames Ethernet et champ EtherType

Article détaillé : EtherType.

Il y a quatre types de trame Ethernet :

Ethernet originale version I (n'est plus utilisée)
Ethernet Version 2 ou Ethernet II (appelée trame DIX, toujours utilisée)
IEEE 802.x LLC
IEEE 802.x LLC/SNAP

Ces différents types de trame ont des formats et des valeurs de MTU différents mais peuvent coexister sur un même médium physique.

La version 1 originale de Xerox possède un champ de 16 bits identifiant la taille de trame, même si la longueur maximale d'une trame était de 1 500 octets. Ce champ fut vite réutilisé dans la version 2 de Xerox comme champ d'identification, avec la convention que les valeurs entre 0 et 1 500 indiquaient une trame Ethernet originale, mais que les valeurs plus grandes indiquaient ce qui a été appelé l'EtherType, et l'utilisation du nouveau format de trame. Cette utilisation duale du même champ de données justifie son appellation courante de champ longueur/type. En résumé, si x est la valeur dudit champ :

x ≤ 1 500 : trame Ethernet I
x ≥ 1 501 : trame Ethernet II

L'IEEE 802.3 a de nouveau défini le champ de 16 bits après les adresses MAC comme la longueur. Comme l'Ethernet I n'est plus utilisé, ceci permet désormais aux logiciels de déterminer si une trame est de type Ethernet II ou IEEE 802.3, permettant la cohabitation des deux standards sur le même médium physique. Toutes les trames 802.3 ont un champ LLC. En examinant ce dernier, il est possible de déterminer s'il est suivi par un champ SNAP ou non. La convention en vigueur actuellement est donc, si x est la valeur du champ longueur/type :

x ≤ 1 500 : trame 802.3 avec LLC (et éventuellement SNAP)
x ≥ 1 536 : trame Ethernet II

Les valeurs entre 1 500 et 1 536 sont indéfinies et ne devraient jamais être employées.

Synthèse graphique

Les différentes trames peuvent coexister sur un même réseau physique.

La trame Ethernet de format : type II

Information extraite du document de G.Requilé du CNRS et adaptée

Trame Ethernet II

**En octets**
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14 … 1513	1514	1515	1516	1517
Adresse MAC destination						Adresse MAC source						Type de protocole		Données	FCS/CRC

Attention il existe d'autres types de trames Ethernet qui possèdent d'autres particularités. Le champ Type de protocole peut prendre par exemple les valeurs suivantes :

Article détaillé : Service Access Point.

0x0800 : IPv4
0x86DD : IPv6
0x0806 : ARP
0x8035 : RARP
0x809B : AppleTalk
0x88CD : SERCOS III
0x0600 : XNS
0x8100 : VLAN

Remarques :

comme expliqué ci-dessus, si le champ type de protocole possède une valeur hexadécimale inférieure à 0x05DC alors la trame est une trame Ethernet 802.3 et ce champ indique la longueur du champ données ;
on notera la présence parfois d'un préambule de 64 bits de synchronisation, alternance de 1 et 0 avec les deux derniers bits à 1 (non représenté sur la trame) ;
l'adresse de broadcast (diffusion) Ethernet a tous ses bits à 1 ;
la taille minimale des données est de 46 octets (RFC 894 - Frame Format).
si nécessaire, pour atteindre les 46 octets de données, un bourrage est effectué, et celui-ci est transparent au niveau utilisateur^[3].

Variétés d'Ethernet

La section ci-dessous donne un bref résumé de tous les types de média d'Ethernet. En plus de tous ces standards officiels, plusieurs fabricants ont implémenté des types de média propriétaires pour différentes raisons—quelquefois pour supporter de plus longues distances sur de la fibre optique.

Quelques anciennes variétés d'Ethernet

Xerox Ethernet -- L'implémentation originale d'Ethernet, qui a eu deux versions, la version 1 et 2, durant son développement. La version 2 est encore souvent utilisée.
10BASE5 (aussi appelé Thick Ethernet) -- Ce standard de l'IEEE publié très tôt utilise un câble coaxial simple dans lequel on insère une connexion en perçant le câble pour se connecter au centre et à la masse (prises vampires). Largement désuet, mais à cause de plusieurs grandes installations réalisées très tôt, quelques systèmes peuvent encore être en utilisation.
10BROAD36 -- Obsolète. Un vieux standard supportant l'Ethernet sur de longues distances. Il utilisait des techniques de modulation en large bande similaires à celles employées par les modems câble, opérées sur un câble coaxial.
1BASE5 -- Une tentative de standardisation de solution pour réseaux locaux à bas prix. Il opère à 1 Mbit/s mais a été un échec commercial.

Ethernet 10 Mbit/s

10BASE2 (aussi appelé ThinNet ou Cheapernet) -- un câble coaxial de 50 Ohms connecte les machines ensemble, chaque machine utilisant un adaptateur en T pour se brancher à sa carte réseau. Requiert une terminaison à chaque bout. Pendant plusieurs années, ce fut le standard Ethernet dominant.
10BASE-T -- Fonctionne avec minimum 4 fils (deux paires torsadées, conventionnellement les 1, 2 et 3, 6) sur un câble CAT-3 ou CAT-5 avec connecteur RJ45. Un concentrateur (ou hub) ou un commutateur (ou switch) est au centre du réseau, ayant un port pour chaque nœud. C'est aussi la configuration utilisée pour le 100BASE-T et le Gigabit Ethernet (câble CAT-6). Bien que la présence d'un nœud central (le hub) donne une impression visuelle de topologie en étoile, il s'agit pourtant bien d'une topologie en bus - tous les signaux émis sont reçus par l'ensemble des machines connectées. La topologie en étoile n'apparaît que si on utilise un commutateur (switch).
FOIRL -- Fiber-optic inter-repeater link (lien inter-répéteur sur fibre optique). Le standard original pour l'Ethernet sur la fibre optique.
10BASE-F -- Terme générique pour la nouvelle famille d'Ethernet 10 Mbit/s : 10BASE-FL, 10BASE-FB et 10BASE-FP. De ceux-ci, seulement 10BASE-FL est beaucoup utilisé.
10BASE-FL -- Une mise à jour du standard FOIRL.
10BASE-FB -- Prévu pour inter-connecter des concentrateurs ou commutateurs au cœur du réseau, mais maintenant obsolète.
10BASE-FP -- Un réseau en étoile qui ne nécessitait aucun répéteur, mais qui n'a jamais été réalisé.

Fast Ethernet (100 Mbit/s)

100BASE-T -- Un terme pour n'importe lequel des standards 100 Mbit/s sur paire torsadée. Inclut 100BASE-TX, 100BASE-T4 et 100BASE-T2.
100BASE-TX -- Utilise deux paires et requiert du câble CAT-5. Topologie en bus en utilisant un concentrateur (hub) ou en étoile avec un commutateur (switch), comme pour le 10BASE-T, avec lequel il est compatible.
100BASE-T4 -- Permet le 100 Mbit/s (en semi-duplex seulement) sur du câble CAT-3 (qui était utilisé dans les installations 10BASE-T). Utilise les quatre paires du câble. Maintenant désuet, comme le CAT-5 est la norme actuelle.
100BASE-T2 -- Aucun produit n'existe. Supporte le mode full-duplex et utilise seulement deux paires, avec des câbles CAT-3. Il est équivalent au 100BASE-TX sur le plan des fonctionnalités, mais supporte les vieux câbles.
100BASE-FX -- Ethernet 100 Mbit/s sur fibre optique.

Gigabit Ethernet (1 000 Mbit/s)

1000BASE-T -- 1 Gbit/s sur câble de paires torsadées de catégorie 5 (classe D) ou supérieure (selon NF EN 50173-2002), sur une longueur maximale de 100 m. Utilise les 4 paires en full duplex, chaque paire transmettant 2 bits par top d'horloge, à l'aide d'un code à 5 moments. Soit un total de 1 octet sur l'ensemble des 4 paires, dans chaque sens. Compatible avec 100BASE-TX et 10BASE-T, avec détection automatique des Tx et Rx assurée. La topologie est ici toujours en étoile car il n'existe pas de concentrateurs 1 000 Mbit/s. On utilise donc obligatoirement des commutateurs (switch).
1000BASE-X -- 1 Gbit/s qui utilise des interfaces modulaires (appelés GBIC) adaptées au média (Fibre Optique Multi, Mono-mode, cuivre).
1000BASE-SX -- 1 Gbit/s sur fibre optique multimodes à 850 nm.
1000BASE-LX -- 1 Gbit/s sur fibre optique monomodes et multimodes à 1 300 nm.
1000BASE-LH -- 1 Gbit/s sur fibre optique, sur longues distances.
1000BASE-ZX -- 1 Gbit/s sur fibre optique monomodes longues distances.
1000BASE-CX -- Une solution pour de courtes distances (jusqu'à 25 m) pour le 1 Gbit/s sur du câble de cuivre spécial.

(cf. cercle CREDO)

Ethernet 10 gigabits par seconde

Le standard Ethernet 10 gigabits par seconde recouvre sept types de média différents pour les réseaux locaux, réseaux métropolitains et réseaux étendus. Il a été spécifié par le standard IEEE 802.3ae dont la première publication date de 2002, puis a été incorporé dans une révision de l'IEEE 802.3. La version Ethernet 10 Gbit/s est 10 fois plus rapide que Gigabit Ethernet ; ceci est vrai jusqu'au niveau de la couche MAC seulement.

10GBASE-CX4 (cuivre, câble infiniband, 802.3ak) -- utilise un câble en cuivre de type infiniband 4x sur une longueur maximale de 15 mètres.
10GBASE-T -- transmission sur câble catégorie 6, 6 A ou 7 (802.3an), en full duplex sur 4 paires avec un nombre de moments de codage qui sera fonction de la catégorie retenue pour le câble (et de l'immunité au bruit souhaitée), sur une longueur maximale de 100 mètres. Devrait être compatible avec 1000BASE-T, 100BASE-TX et 10BASE-T
10GBASE-SR (850 nm MM, 300 mètres, dark fiber) -- créé pour supporter de courtes distances sur de la fibre optique multimode, il a une portée de 26 à 82 mètres, en fonction du type de câble. Il supporte aussi les distances jusqu'à 300 m sur la nouvelle fibre multimode 2 000 MHz.
10GBASE-LX4 -- utilise le multiplexage par division de longueur d'onde pour supporter des distances entre 240 et 300 mètres sur fibre multimode.
10GBASE-LR (1 310 nm SM, 10 km, dark fiber) et 10GBASE-ER (1 550 nm SM, 40 km, dark fiber) -- Ces standards supportent jusqu'à 10 et 40 km respectivement, sur fibre monomode.
10GBASE-SW (850 nm MM, 300 mètres, SONET), 10GBASE-LW (1 310 nm SM, 10 km, SONET) et 10GBASE-EW (1 550 nm SM, 40 km, SONET). Ces variétés utilisent le WAN PHY, étant conçu pour inter-opérer avec les équipements OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Elles correspondent au niveaux physiques 10GBASE-SR, 10GBASE-LR et 10GBASE-ER respectivement, et utilisent le même type de fibre, en plus de supporter les mêmes distances (il n'y a aucun standard WAN PHY correspondant au 10GBASE-LX4.)

L'Ethernet 10 Gigabits est assez récent, et il reste à voir lesquels des standards vont obtenir l'acceptation des compagnies et du marché.

Mode LAN et mode WAN

10 Gigabit Ethernet supporte seulement le mode full duplex, beaucoup de liens sont en mode point à point bien que du routage à ce débit commence à apparaître. Le mode LAN fonctionne à un débit ligne, au niveau de la fibre, de 10,3 Gbit/s ce qui représente le débit MAC de 10 Gbit/s pondéré par 66/64 rapport lié au codage de la couche PCS utilisant un code de ligne 64B66B. Le sur-débit de ce code est de 3 %, à comparer aux 25 % du code 8B10B du mode Gigabit Ethernet.

L'importance du mode WAN PHY est incontestable et permet de transporter les trames Ethernet 10 Gigabits sur des liens SDH ou SONET actuellement en place dans beaucoup de réseaux. Le mode WAN PHY opère à un débit légèrement inférieur à 10Gbe, à savoir 9 953 280 kbit/s (ce qui correspond au débit STM64/OC192). Le conteneur virtuel 64c ou 192c véhicule des codes 64B66B.

Les modules optiques : couche PMD (PHY).
Divers fabricants (Fiberxon, Sumitomo, Finisar, etc.) proposent des modules XFP, normalisés selon le XFP MSA Group, permettant une interopérabilité. Ces modules permettent de convertir le signal optique (côté ligne) en un signal électrique différentiel (côté matériel) au débit de 10,3 Gbit/s; c'est donc l'équivalent de la couche PHY au niveau PMD du modèle OSI.

Les serdes : couche PMA (PHY).
Ce signal de 10 Gb/s, trop rapide, ne peut pas être traité directement, il faut donc le paralléliser, en général sur 64 bits. Des circuits dédiés spécialisés permettent cette conversion.
Le mot serdes vient de l'anglais pour serialiser/deserialiser.

Le codage 64B66B : couche PCS (PHY)
Le code en ligne utilisé 64B66B transforme le format XGMII (64 bits de données plus 8 bits de contrôle) en mots de 66 bits. L'objectif est multiple :

apporter une dispersion d'énergie et éviter de longues suites consécutives de '0' ou '1' que les XFP peuvent ne pas trop apprécier.
ceci apporte donc des transitions afin de faciliter les mécanismes de récupération d'horloge.

Le code 66 bits est composé de deux bits de synchronisation suivis de 64 bits de donnée.

Si la synchro est '01', les 64 bits sont de type donnée
Si la synchro est '10', les 64 bits contiennent au moins un octet de contrôle
Les préambules '00' et '11' ne sont pas utilisés.

Les 64 bits de données sont embrouillés par un embrouilleur auto synchronisé.

À ce niveau-là nous retrouvons un format équivalent MII, les couches suivantes : data link (MAC), network (IP), transport (TCP/UDP) fonctionnant de façon similaire à gigabit Ethernet.

Notes et références

↑ Ethernet: The Definitive Guide, Charles E. Spurgeon. O'Reilly, 2000. p. 5, Invention of Ethernet.
↑ (en) IEEE 802.3 ETHERNET WORKING GROUP, sur le site ieee802.org
↑ Entête Ethernet, §5.7. Frameip.

Voir aussi

Liens externes

(en) IEEE 802.3 Ethernet Working Group
(en) Use of the IEEE Assigned EtherType Field with IEEE Std 802.3, sur le site standards.ieee.org
(en) 10 Gigabit Ethernet Site web du 10 Gigabit Ethernet Alliance - inaccessible le 23 septembre 2012
(fr) Frameip : Entête Ethernet par Sébastien FONTAINE (_SebF)

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