Ethernet

Ethernet est un protocole de réseau local à commutation de paquets. Quoiqu'il implémente la couche physique et la sous-couche Media Access Control du modèle OSI, le protocole Ethernet est classé dans la couche de liaison, car les formats de...



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Définitions :

  • Interface la plus courante (couche de liaison de données et physique) utilisée dans les réseaux locaux, et désormais également déployée... (source : polycom)
Connecteur RJ45 pour 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 XXe 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 :

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 :

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 :

Synthèse graphique

Les différentes trames peuvent cœxister 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 :

Remarques :

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

Ethernet 10 Mbit/s

Fast Ethernet (100 Mbit/s)

Gigabit Ethernet (1 000 Mbit/s)

(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.

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 :

Le code 66 bits se compose de deux bits de synchronisation suivis de 64 bits de donnée.

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

  1. Ethernet : The Definitive Guide, Charles E. Spurgeon. O'Reilly, 2000. p.  5, Invention of Ethernet.
  2. Entête Ethernet, §5.7. Frameip.

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

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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