La technologie Ethernet

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• Toutes les stations sont égales vis-à-vis du réseau : il n'y a pas d'équipement maître de contrôle du réseau.
• La méthode d'accès employée est distribuée entre tous les équipements connectés.
• Le mode de transmission est de type bidirectionnel alterné : les signaux transitent dans les deux sens, mais pas simultanément.
• On peut relier ou retirer une machine du réseau sans perturber le fonctionnement de l'ensemble.

Ces principes ont montré qu'il était plus facile de concevoir les réseaux et les équipements correspondants avec Ethernet qu'avec d'autres technologies aux définitions plus complètes. De nombreuses technologies réseaux « mieux définies » au départ comme Token Ring (IEEE 802.5) par exemple, se sont avérées très peu évolutives au fil du temps.

Ces principes ont été formalisés au début des années soixante-dix. Aujourd'hui, seul le mode de transmission bidirectionnel alterné est de moins en moins employé. Le déploiement de la commutation de niveau 2 étant généralisé, les transmissions se font sur des paires cuivre ou fibre optique dédiées à chaque sens de communication. On parle alors de mode full duplex.

Ethernet était à l'origine un standard développé par les laboratoires Xerox au tout début des années 1970. Ce standard a d'abord évolué jusqu'à la version Ethernet II, aussi appelée DIX ou encore v2.0 avec l'association regroupant Digital Equipment Corporation, Intel et Xerox. Par la suite, Ethernet a été inclus dans les travaux sur la modélisation OSI au début des années 1980. Depuis cette époque, la technologie Ethernet est totalement indépendante des constructeurs ; c'est un des facteurs importants de sa popularité.

Les éléments de la couche physique (couche 1 OSI) sont définis par les normes IEEE des sous-comités 802.3 et la méthode d'accès CSMA/CD correspond à la partie MAC de la couche liaison (couche 2 OSI).

Comme dans le cas des principes énoncés ci-avant, la généralisation de la commutation simplifie la méthode d'accès en éliminant toute la partie consacrée à la gestion des collisions. On attache aujourd'hui beaucoup plus d'importance aux méthodes de codage employées au niveau de la couche physique.

La simplicité de la méthode d'accès et la simplicité de l'interconnexion avec les autres technologies ont fait d'Ethernet une technologie évolutive à des coûts acceptables pour toutes les catégories d'utilisateurs.

Même si les évolutions des débits ont entraîné l'abandon de supports bon marché (câbles coaxiaux lors du passage de 10 à 100 Mbps), la mise en œuvre est restée simple. Les infrastructures existantes progressent vers les technologies multimédias sans réinvestissements lourds.

C'est une des grandes leçons de l'histoire des réseaux de télécommunications sur les trente dernières années. Toutes les technologies de transmission qui ont cherché à qualifier les flux réseau au plus près du matériel n'ont pas su évoluer simplement. L'exemple de la technologie ATM est caractéristique. Faire évoluer les équipements actifs ATM pour adapter les débits est excessivement plus coûteux qu'avec des équipements Ethernet.

Au début des années 1970 :

• le premier réseau local Ethernet expérimental a été développé au centre de recherche Xerox de Palo Alto (PARC) pour interconnecter des ordinateurs et des imprimantes laser à un débit de 2.94 Mbps. En juillet 1976, les deux concepteurs de ce réseau, Bob Metcalfe et David Boggs, publièrent le document de référence Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Network.

En septembre 1980 :

• le premier standard Ethernet est publié. Les sociétés Intel et Digital Equipment Corporation (DEC) ont rejoint Xerox pour produire un standard utilisable par tous. On a baptisé ce standard DIX standard. Il correspond à la version 10Base5 ou Ethernet « épais ». Voir Section 4.1.1, « Ethernet standard ». Les premières cartes Ethernet sont apparues avec la version 2.0 du standard DIX en Novembre 1982 : le standard Ethernet II.

En 1983 :

• la première norme Ethernet est publiée par l' Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ; plus précisément par le sous-comité IEEE 802.3. C'est à cette époque qu'est apparue la double signification d'un champ dans le format de la trame Ethernet : le champ Type/Longueur. Cette différence entre normalisation et standard n'a jamais eu d'effet sur l'exploitation des réseaux locaux Ethernet. Voir Section 9, « Format de trame » ;
• en 1985, l'IEEE publia la norme IEEE 802.3a correspondant à l'Ethernet « fin ». En 1987, l'utilisation des fibres optiques devint effective avec la norme IEEE 802.3d.

En 1990 :

• la première norme utilisant les câbles de paires torsadées cuivre sur une topologie étoile est publiée : IEEE 802.3i. C'est à partir de cette étape que les autres technologies de réseaux locaux ont décliné rapidement.
  En 1993 :
• la norme IEEE 802.3j est venue étendre l'application de la topologie étoile sur fibres optiques.

En 1995 :

• nouvelle étape majeure dans l'évolution d'Ethernet : le passage à 100 Mbps avec l'introduction de la norme IEEE 802.3u. Cette version d'Ethernet est connue sous le nom Fast Ethernet.

En 1997 :

• la norme IEEE 802.3x a défini le mode « full-duplex » qui permet de réserver une paire cuivre ou fibre optique par sens de communication. Associée à la généralisation de l'utilisation des commutateurs, cette norme marque la fin de l'utilisation de la méthode d'accès historique d'Ethernet : CSMA/CD.

En 1998 :

• les débits ont à nouveau été multipliés par 10 avec la sortie du Gigabit Ethernet. La norme correspondante est l'IEEE 802.3z ;
• cette première définition a été complétée en 1999 avec la norme IEEE 802.3ab qui définit l'utilisation du Gbps sur les câbles en paires torsadées UTP de catégorie 5.

En 2002 :

• une fois de plus, les débits ont été multipliés par 10 pour atteindre les 10 Gbps avec la publication de la norme IEEE 802.3ae. Cette catégorie de débit marque l'avènement de l'exploitation d'Ethernet sur les dorsales des réseaux étendus.
• de même qu'avec le Gigabit Ethernet, une définition d'Ethernet 10 Gbps sur paires torsadées cuivre devrait voir le jour prochainement. La norme devrait être publiée avec l'appellation IEEE 802.3an.

L' Institute of Electrical and Electronic Engineers Get IEEE 802 a mis à disposition en ligne les normes du comité 802 : .

Ce document est construit à partir des quatre familles de débits d'Ethernet :

• Ethernet à 10 Mbps : la définition d'origine à partir de la constitution du sous-comité IEEE 802.3.
• Ethernet à 100 Mbps ou Fast Ethernet.
• Ethernet à 1 Gbps ou Gigabit Ethernet.
• Ethernet à 10 Gbps ou 10 Gigabit Ethernet.

À l'intérieur de chaque famille, il existe de nombreuses déclinaisons. Les plus utilisées sont décrites ci-après.

Du point de vue de la conception, les câblages en paires torsadées cuivre sont habituellement utilisés pour la « desserte » des postes de travail à des débits allant de 10 Mbps à 1 Gbps. Ensuite, les câblages en fibres optiques sont utilisés pour les dorsales réseau.

Bien que cela ne corresponde à aucune normalisation, on rencontre de plus en plus souvent un découpage en trois couches lors de la conception des réseaux locaux Ethernet : accès, distribution et cœur. Ce découpage a surtout pour but de faciliter le classement des équipements dans les catalogues constructeurs.

Pour en savoir plus sur la hiérarchie dans les réseaux locaux, lire l'article : Segmentation des réseaux locaux.

C'est le point de départ de la normalisation. La première définition est la plus proche du Standard Ethernet II publié par DEC, Intel et Xerox.

La topologie utilisant des câbles coaxiaux est toujours de type BUS. Cette topologie était avantageuse lorsque le nombre et la disposition des stations changeaient. Aujourd'hui, les câbles coaxiaux sont systématiquement abandonnés au profit des câbles en paires torsadées cuivre ou des fibres optiques. Le coût de la connectique des câbles coaxiaux est devenu supérieur à celui de la connectique RJ45 utilisée avec les paires torsadées.

4-1-1. Ethernet standard▲

4-1-2. IEEE 802.3 a▲

4-1-3. IEEE 802.3 c-d▲

4-1-4. IEEE 802.3 i▲

4-1-5. IEEE 802.3 j▲

La signalisation 100Base-X sur les câbles et fibres reprend celle développée pour la technologie FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Tableau 5. 100BaseT

Tableau 6. 100BaseFX

Tableau 7. 1000Base-LX

Tableau 8. 1000Base-SX

Tableau 9. 1000Base-CX

Cette définition est très importante. C'est elle qui permet d'utiliser le Gigabit Ethernet dans la majorité des installations actuelles.

Ceci dit, les installations existantes auront certainement besoin d'une « requalification » avant d'être équipées en 1000BaseT. Cette technologie utilise les câbles FTP de catégorie 5 au maximum de leur certification. De nouvelles catégories de câbles sont en cours de spécification : 5enhanced à 100 MHz, 6 à 200 MHz et 7 à 600 MHz.

Il est recommandé de limiter au maximum les brassages intermédiaires dans les armoires de câblage.

Tableau 10. 1000Base-T

Avec la définition Gigabit Ethernet, la méthode d'accès CSMA/CD n'est pas remise en question mais les « espaces temps » ont été étendus. Sans extension, un paquet de petite taille (64 octets) peut très bien arriver à destination avant que la station qui l'a émis ne puisse détecter une collision. On a donc étendu la taille minimum de paquet à 512 octets avec un nouveau champ placé après le champ de contrôle FCS. Voir Section 9.5, « Le champ de contrôle ».

Définition 10 Gbps

La négociation entre équipements porte sur deux fonctionnalités :

• le débit 10, 100 et 1000 Mbps,
• le mode half-duplex ou full-duplex (IEEE 802.3x).

La fonction d'autonégociation est optionnelle. Elle est apparue avec l'extension Fast Ethernet et ne concerne que les câbles en paires torsadées et les fibres optiques.

La fonction de négociation utilise les signaux de contrôle d'état du lien physique en respectant la compatibilité entre tous les équipements indépendamment de leur génération et des options qu'ils supportent.

L'ordre des négociations est le suivant :

• 100BaseTX Full-Duplex ;
• 100BaseT4 ;
• 100BaseTX ;
• 10BaseT Full-Duplex ;
• 10BaseT.

Le mode de fonctionnement de base d'Ethernet est dit Half-Duplex : bidirectionnel à l'alternat. Il suppose que le média est partagé entre plusieurs stations et que les informations transitent dans les deux sens. C'est sur ce mode de base que la méthode d'accès CSMA/CD est bâtie.

Le mode Full-Duplex correspond à une communication point-à-point entre deux équipements. Dans ce contexte, le média n'est plus partagé entre plus de deux stations et les informations transitent toujours dans les deux sens mais sur des canaux (paires torsadées ou fibres) distincts.

En conséquence, l'algorithme d'accès au média est considérablement simplifié et la bande passante utile est doublée. Aujourd'hui, beaucoup de constructeurs ont adopté ces options d'Ethernet. Il est donc possible de concevoir des artères à 200 Mbps entres commutateurs et/ou concentrateurs (hubs) pour un coût très raisonnable.

L'exemple qui suit est une synthèse sur l'utilisation de la technologie Ethernet. Il ne prend pas en compte certaines autres normes telles que les VLAN IEEE 802.1Q qui autoriseraient d'autres modes de conception.

• 100BaseFX-FD : dorsale de campus en fibres optiques avec un débit de 200 Mbps en Full-Duplex.
• 100BaseTX-FD : alimentation du commutateur mixte (Switch 10/100) du local serveur (Server Farm) avec un débit de 200 Mbps en Full-Duplex.
• 100BaseTX-FD : alimentation du commutateur mixte (Switch 10/100) des stations 10/100 (typiquement multimédia/CAO) avec un débit de 200 Mbps en Full-Duplex.
• 10BaseT-FD : alimentation du commutateur (Switch) des stations 10BaseT (typiquement bureautiques) avec un débit de 20 Mbps.

Le préambule est une suite de 0 et de 1 alternés. Il permet à l'horloge du récepteur de se synchroniser sur celle de l'émetteur. Comme la transmission est asynchrone, il est possible qu'une partie du préambule soit perdue.

Même si la norme IEEE 802.3 a spécifié un champ spécifique en fin de préambule : SOF (Start of Frame) avec deux bits à 1, il n'y a aucune différence avec le standard Ethernet v2.0 pour lequel les deux derniers bits du préambule sont aussi à 1.

Les adresses MAC identifient le ou les destinataire(s) de la trame puis l'émetteur. Elles sont constituées de six octets :

• les trois premiers octets font référence au constructeur de l'interface. Ils sont uniques et sont attribués par l'IEEE ;
• les trois octets suivants donnent le numéro d'interface chez ce constructeur.

L'adresse source est toujours celle d'une interface unique (unicast). La destination peut être une adresse unique, de groupe (multicast) ou de diffusion générale (broadcast = FF-FF-FF-FF-FF-FF). Dans une adresse de groupe, le premier bit transmis est à 1. Si les autres bits ne changent pas, l'adresse de groupe correspond à toutes les cartes d'un même constructeur.

Ce champ de deux octets a été défini dans le standard Ethernet II pour indiquer le type de protocole de niveau 3 employé pour transmettre le message.

Avec la normalisation originale IEEE 802.3, ce champ a été redéfini pour contenir la longueur en octets du champ des données.

Depuis 1997, la normalisation IEEE intègre les deux formats de trames. Parallèlement, les documents standards des protocoles de l'Internet se sont appuyés sur des trames Ethernet utilisant des champs types (Voir RFC895 de 1984). À l'heure actuelle on peut considérer que les trames IEEE avec champ type correspondent au trafic utilisateur sur les réseaux IP et que les trames IEEE avec champ longueur correspondent au trafic de dialogue entre équipements actifs (Algorithme STP, etc.).

Ethernet II

• D'après la définition d'origine, la couche 2 est complète avec ce format. Les données sont directement transmises au niveau réseau identifié par le champ type. Aucune « séquence de bourrage » ou padding n'est prévue bien que le nombre minimum de données attendues soit de 46 octets.

IEEE 802.3

• Le champ de données contient l'en-tête de la sous-couche LLC en plus des données. Au niveau MAC, ce champ est vu comme une suite de 46 à 1500 octets que l'on n'interprète pas.
• Si le nombre de données n'atteint pas 46 octets, le champ est complété par une séquence de bourrage (padding).

Le FCS : Frame Check Sequence est un champ de quatre octets qui permet de valider l'intégrité de la trame à un bit près. Il utilise un CRC (Cyclic Redundancy Check) qui englobe tous les champs de la trame. Ainsi, la station réceptrice peut décider si la trame est correcte et doit être transmise à la couche supérieure : LLC (Logical Link Control IEEE 802.2) ou réseau. Voir Section 11.2, « Sous-couche LLC : IEEE 802.2 ».

Le temps inter-trame est appelé indifféremment Inter Frame Space ou Inter Frame Gap.

Une machine ne peut émettre toutes les trames qu'elle a à transmettre les unes à la suite des autres. Le délai inter-trame normalisé est de 96 bits soit 9,6 microsecondes à 10 Mbps. Attention, cette définition a été revue pour le Gigabit Ethernet. Voir Section 6.3, « Extension CSMA/CD ». Il correspond au temps minimum de retour au repos du média et permet aux autres stations de prendre la main.

Ce terme désigne les trames trop courtes (moins de 64 octets). Ce type de trame est le plus souvent le résultat d'une collision.

Il s'agit d'une trame trop longue (plus de 1518 octets). On distingue deux types de causes :

• s'il y a superposition de deux trames sans détection de collision, on peut considérer que les couches 1 et 2 d'une interface du réseau ne fonctionnent plus correctement ;
• la trame n'a plus de structure et est émise par un composant qui reste beaucoup trop longtemps en émission.

Ce type de défaut est très pénalisant pour le réseau et entraîne une dégradation rapide des performances.

Une trame désalignée est une trame dont le nombre de bits n'est pas divisible par 8. Dans la pratique, ce type de trame possède presque toujours un CRC faux.

Il s'agit d'une trame complète dont un bit n'a pas été reçu tel qu'il avait été transmis ou d'une trame tronquée résultant d'une collision.

Ce phénomène résulte de la superposition de deux trames sur le média lorsque deux stations émettent simultanément.

Ce type de collision intervient lorsque la longueur du câble dépasse la norme ou lorsqu'il y a trop de répéteurs dans le réseau.

C'est le seul type de collision que l'on rencontre sur les réseaux câblés en paires torsadées et constitués de commutateurs et de routeurs. Les « collisions » apparaissent avec des segments de plus 100 m.

La méthode CSMA/CD est dérivée d'un système de transmission radio appelé Aloha. Son principe est de laisser chacun libre de gérer ses émissions en fonction de ses besoins et de la disponibilité du média.

En l'absence d'information à transmettre, la station écoute (ou reçoit) les paquets qui circulent sur le câble dans un sens ou dans l'autre. Quand la station a besoin d'émettre un ou plusieurs paquets, elle agit indépendamment des autres. Elle sait juste que lorsqu'elle perçoit une trame, une autre machine doit être en émission.

Chaque machine ayant à tout instant la possibilité de débuter une transmission de manière autonome, la méthode d'accès est distribuée : elle est dite à accès multiple (Multiple Acess: MA). La machine observe le média en cherchant à détecter une porteuse (Carrier Sense: CS). Si aucune trame n'est en transit, elle ne trouve pas de porteuse.

Elle envoie ses paquets sur le support physique et reste à l'écoute du résultat de son émission pendant quelque temps, pour vérifier qu'aucune autre machine n'a suivi le même comportement qu'elle au même instant.

La méthode d'accès étant à détection de collision (Collision Detect: CD), lors de son émission une machine peut déceler un problème de contention et s'arrêter avec l'intention de renvoyer son paquet ultérieurement quand elle aura de nouveau la parole. De façon à minimiser le risque de rencontrer une deuxième collision avec la même machine, chacune attend pendant un délai aléatoire avant de tenter une nouvelle émission.

Cependant, de manière à ne pas saturer un réseau qui s'avérerait déjà très chargé, la machine n'essaiera pas indéfiniment de retransmettre un paquet. Si à chaque tentative elle se trouve en conflit avec une autre ; après un certain nombre d'essais infructueux, le paquet est éliminé. On évite ainsi l'effondrement du réseau. Les couches supérieures sont averties que la transmission du message a échoué.

À partir de cette sous-couche, on sort du domaine d'appellation Ethernet. Cependant, de nombreux réseaux locaux associent la norme IEEE 802.2 avec Ethernet.

Le sous-comité IEEE 802.2 a standardisé une couche de niveau LLC qui possède plusieurs types d'opérations offrant des services de différentes qualités.

• Le premier type d'opération est un service minimum, sans connexion (pas de liaison logique) ni acquittement (pas de retour d'information sur le déroulement de l'acheminement). Le type 1 permet des communications en point à point (un émetteur, un récepteur) ou en diffusion (un émetteur, plusieurs récepteurs).
• Le type d'opération 2 est un service sur connexion (liaison logique entre SAP) avec acquittement, vérification de l'ordre des trames, détection et correction d'erreur, détection des doubles, contrôle de flux. L'identificateur correspondant au couple SSAP/DSAP (Source Service Access Point/Destination Service Access Point) est unique. Ce type d'opération ne permet que des communications en point à point.
• Le type d'opération 3 est un service datagramme (sans connexion) acquitté, sans retransmission (pas de correction des erreurs), réalisant une prestation de qualité intermédiaire à la fois simple et performante.

Dans tous les cas, quel que soit le type d'opération, les données du niveau LLC sont présentées sous la forme d'un LPDU (LLC Protocol Data Unit), tel que représenté ci-dessous.

Tableau 12. Les champs de trame

Les valeurs des LSAP (points d'accès LLC) sont représentées sur un octet. Elles sont relatives au protocole de niveau supérieur (06 pour TCP/IP). Une trame LLC est encapsulée dans la trame de niveau inférieur (MAC). Le LPDU correspond donc au champ de données de la trame.

L'équipe Réseaux remercie Philippe Latu pour la rédaction de ce tutoriel.

Nos remerciements à jacques_jean et Phanloga pour leur relecture orthographique.

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