Ethernet

Pile de protocoles

7 • Application 6 • Présentation 5 • Session 4 • Transport 3 • Réseau 2 • Liaison 1 • Physique

Modèle Internet Modèle OSI

Ethernet est un protocole de réseau local à commutation de paquets. Quoiqu'il implémente la couche physique (PHY) et la sous-couche Media Access Control (MAC) du modèle OSI, le protocole Ethernet est classé dans la couche de liaison, car 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 scindées suivant les débits, du support de transmission, de la longueur des liaisons et des conditions environnementales.

Ethernet a été standardisé sous le nom IEEE 802.3. C'est désormais une norme internationale : ISO/IEC 8802-3.

Depuis les années 1990, on utilise particulièrement souvent Ethernet sur paires torsadées pour la connexion des postes clients, et des versions sur fibre optique pour le cœur du réseau. Cette configuration a beaucoup 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, autant sur les installations personnelles que professionnelles.

Dans un réseau Ethernet, le câble diffuse les données à l'ensemble des machines connectées, de la même façon que les ondes radiofréquences parviennent à l'ensemble des récepteurs. Le nom Ethernet dérive de cette ressemblance^[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

L'Ethernet a initialement été développé comme l'un des projets pionniers du Xerox PARC. Une histoire commune veut qu'il ait été découvert en 1973, date à laquelle Bob Metcalfe écrivit un mémo à ses patrons à propos du potentiel d'Ethernet. Metcalfe affirme qu'Ethernet a en fait été découvert sur une période de plusieurs années. 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 comme standard. Ethernet était à l'époque en compétition avec deux dispositifs propriétaires, Token Ring et ARCnet, mais ces deux dispositifs ont rapidement diminué en popularité face à l'Ethernet. Pendant ce temps, 3Com est devenue une compagnie majeure du domaine des réseaux informatiques.

L'Ethernet est basé sur le principe de membres (pairs) sur le réseau, envoyant des messages dans ce qui était principalement un dispositif radio, captif à l'intérieur d'un fil ou d'un canal commun, quelquefois nommé l'éther. Chaque pair est identifié par une clé globalement unique, nommée adresse MAC, pour s'assurer que l'ensemble des postes sur un réseau Ethernet aient des adresses différentes.

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 Hawaii en utilisant la radio, la technologie est assez simple comparée à Token Ring ou aux réseaux contrôlés par un maître. Quand un ordinateur veut envoyer de l'information, il obéit à l'algorithme suivant :

1. Si le média n'est pas utilisé, commencer la transmission, sinon aller à l'étape 4
2. [transmission de l'information] Si une collision est détectée, continuer à transmettre jusqu'à ce que le temps minimal pour un paquet soit dépassé (pour s'assurer que l'ensemble des postes détectent la collision), puis aller à l'étape 4
3. [fin d'une transmission réussie] Indiquer la réussite au protocole du niveau supérieur et sortir du mode de transfert.
4. [câble occupé] Attendre jusqu'à ce que le fil soit inutilisé.
5. [le câble est redevenu libre] Attendre pendant un temps aléatoire, puis retourner à l'étape 1, sauf si le nombre maximal d'essais de transmission a été dépassé.
6. [nombre maximal d'essais de transmission dépassé] Annoncer l'échec au protocole de niveau supérieur et sortir du mode de transmission.

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 par conséquent une autre collision. Des temps d'attente exponentiels sont utilisés quand plusieurs collisions surviennent à la suite.

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

De même, comme les chances de collision sont proportionnelles au nombre de transmetteurs ainsi qu'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 pour 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 surtout le déplacement électronique dans un câble de cuivre. Si on ne respecte pas ces distances maximales entre machines, le protocole CSMA/CD n'a pas lieu d'exister.

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

Types de trames Ethernet et champ 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 cœxister 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 nommé 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 ⇒ 1 500 : 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, donnant la possibilité la cohabitation des deux standards sur le même médium physique. L'ensemble des trames 802.3 ont un champ LLC. En examinant ce dernier, il est envisageable de déterminer s'il est suivi par un champ SNAP ou non. La convention en vigueur aujourd'hui est par conséquent, si x est la valeur du champ longueur/type :

• x ⇐ 1 500 : trame 802.3 avec LLC (et peut-être SNAP)
• x ⇒ 1 500 : trame Ethernet II

Synthèse graphique

Les différentes trames peuvent cœxister sur un même réseau physique.

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 :

0x0800 : IPv4 0x86DD : IPv6 0x0806 : ARP 0x8035 : RARP

0x809B : AppleTalk 0x88CD : SERCOS III 0x0600 : XNS 0x8100 : IEEE 802.1Q

Remarques :

• comme expliqué ci-dessus, si le champ type de protocole possède une valeur hexadécimale inférieure à 0x0600 alors la trame est une trame Ethernet 802.3 et ce champ indique la longueur du champ données ;
• on notera la présence quelquefois 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 indispensable, pour atteindre les 46 octets de données, un bourrage est effectué, et ce dernier est transparent au niveau utilisateur ^[2].

Variétés d'Ethernet

La section ci-dessous donne un bref résumé de l'ensemble des types de média d'Ethernet. En plus de tous ces standards officiels, plusieurs vendeurs ont implémenté des types de média propriétaires pour différentes raisons—parfois 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 toujours fréquemment utilisée.
• 10BASE5 (aussi nommé Thick Ethernet) -- Ce standard de l'IEEE publié particulièrement tôt utilise un câble coaxial simple dans lequel on insère une connexion en perçant le câble pour se connecter au centre ainsi qu'à la masse (prises vampires). Beaucoup désuet, mais à cause de plusieurs grandes installations réalisées particulièrement tôt, quelques dispositifs peuvent toujours être en utilisation.
• 10BROAD36 -- Obsolète. Un vieux standard supportant l'Ethernet sur de longues distances. Il utilisait des techniques de modulation en large bande identiques 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 nommé 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 4 fils (deux paires torsadées) 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). Quoique la présence d'un nœud central (le hub) donne une impression visuelle de topologie en étoile, il s'agit néenmoins bien d'une topologie en bus - l'ensemble des signaux émis sont reçus par la totalité 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, uniquement 10BASE-FL est énormément 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 désormais 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 uniquement) sur du câble CAT-3 (qui était utilisé dans les installations 10BASE-T). Utilise les quatre paires du câble. Désormais désuet, comme le CAT-5 est la norme actuelle.
• 100BASE-T2 -- Aucun produit n'existe. Supporte le mode full-duplex et utilise uniquement 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, avec un code à 5 moments. Soit un total de 1 octet sur la totalité 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 Mbps. On utilise par conséquent 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 gigabit par seconde

Le nouveau standard Ethernet 10 Gigabits entoure sept types de média différents pour les réseaux locaux, réseaux métropolitains et réseaux étendus. Il est aujourd'hui spécifié par un standard supplémentaire, l'IEEE 802.3æ dont la première publication date de 2002, et va être incorporé dans une révision future 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 uniquement.

• 10GBASE-CX4 (cuivre, câble illimitéband, 802.3ak) -- utilise un câble en cuivre de type illimitéband 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, selon le 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. Supporte aussi jusqu'à 10 km avec fibre monomode.
• 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 niveau physique à 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 lequel des standards va obtenir l'acceptation des compagnies.

Analysons de plus près les modes LAN et WAN, tous deux utilisés sur fibre optique.

10 Gigabit Ethernet supporte uniquement le mode full duplex, énormément de liens sont en mode point à point quoique 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 en fait le débit MAC de 10 Gbit/s pondéré par 66/64 rapport lié à l'encodage de la couche PCS utilisant un code 64B66B. Nous noterons l'efficacité de cet encodeur (3 %) comparé à celui du mode Gigabit Ethernet (8B10B) qui apporte quant à lui un sur débit de 25 %.

L'importance du mode WAN PHY est incontestable et sert à transporter les trames Ethernet 10 Gigabits sur des liens SDH ou SONET aujourd'hui en place dans énormément de réseaux. Le mode WAN PHY opère à un débit un peu 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).
Des fabricants comme Fiberxon, sumitomo, Finisar ou bien d'autres, proposent des modules XFP qui sont normalisés par MSA donnant la possibilité une compatibilité entre eux. Ces modules permettent de convertir le signal optique en un signal électrique, c'est par conséquent l'équivalent de la couche PHY au niveau PMD du modèle OSI. Un lien électrique différentiel est ensuite disponible au débit de 10, 3 Gbit/s.

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

L'encodage 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 par conséquent des transitions pour favoriser les mécanismes de récupération d'horloge.

Le code 66 bits se compose 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 comparable à gigabit Ethernet.

Notes et références

Voir aussi

Ethernet dans le domaine des Télécommunications.

• Metro Ethernet Forum : organisation professionnelle active à l'échelle mondiale dont l'objectif est d'accélérer le développement des services et des réseaux Ethernet de classe opérateur.
• Provider Backbone Bridge ou PBB : protocole de communication qui repose sur des extensions au protocole Ethernet, utilisé essentiellement dans le segment accès et métropolitain des réseaux d'opérateurs, spécification IEEE 802.1ah
• Provider Backbone Bridge Traffic Engineering : évolution du protocole précédent (PBB) donnant la possibilité l'ingénierie de trafic, aussi connu sous le nom de PBT, spécification IEEE 802.1Qay

Liens externes

• (en) IEEE 802.3 Ethernet Working Group
• (en) Use of the IEEE Assigned EtherType Field with IEEE Std 802.3
• (en) 10 Gigabit Ethernet Site web du 10 Gigabit Ethernet Alliance
• (fr) Introduction à Ethernet
• (fr) [pdf] 802.2 la couche LLC et IP Intégralité du document de G.  Requilé
• (fr) Entête Ethernet par Sébastien FONTAINE (_SebF)

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