Introduction à Ethernet

Ethernet (aussi connu sous le nom de norme IEEE 802.3) est un standard de transmission de données pour réseau local basé sur le principe suivant :

Toutes les machines du réseau Ethernet
sont connectées à une même ligne de communication,
constituée de câbles cylindriques

On distingue différentes variantes de technologies Ethernet suivant le type et le diamètre des câbles utilisés:

• 10Base2 : Le câble utilisé est un câble coaxial fin de faible diamètre, appelé thin Ethernet,
• 10Base5: Le câble utilisé est un câble coaxial de gros diamètre, appelé thick Ethernet,
• 10Base-T: Le câble utilisé est une paire torsadée (le T signifie twisted pair), le débit atteint est d'environ 10 Mbps,
• 100Base-FX: Permet d'obtenir un débit de 100Mbps en utilisant une fibre optique multimode (F signifie Fiber).
• 100Base-TX: Comme 10Base-T mais avec un débit 10 fois plus important (100Mbps),
• 1000Base-T: Utilise une double paire torsadée de catégorie 5e et permet un débit d'un Gigabit par seconde.
• 1000Base-SX: Basé sur une fibre optique multimode utilisant un signal de faible longueur d'onde (S signifie short) de 850 nanomètrs (770 à 860 nm).
• 1000Base-LX: Basé sur une fibre optique multimode utilisant un signal de longueur d'onde élevé (L signifie long) de 1350 nm (1270 à 1355 nm).

Sigle	Dénomination	Câble	Connecteur	Débit	Portée
10Base2	Ethernet mince (thin Ethernet)	Câble coaxial (50 Ohms) de faible diamètre	BNC	10 Mb/s	185m
10Base5	Ethernet épais (thick Ethernet)	Câble coaxial de gros diamètre (0.4 inch)	BNC	10Mb/s	500m
10Base-T	Ethernet standard	Paire torsadée (catégorie 3)	RJ-45	10 Mb/s	100m
100Base-TX	Ethernet rapide (Fast Ethernet)	Double paire torsadée (catégorie 5)	RJ-45	100 Mb/s	100m
100Base-FX	Ethernet rapide (Fast Ethernet)	Fibre optique multimode du type (62.5/125)		100 Mb/s	2 km
1000Base-T	Ethernet Gigabit	Double paire torsadée (catégorie 5e)	RJ-45	1000 Mb/s	100m
1000Base-LX	Ethernet Gigabit	Fibre optique monomode ou multimode		1000 Mb/s	550m
1000Base-SX	Ethernet Gigabit	Fibre optique multimode		1000 Mbit/s	550m
10GBase-SR	Ethernet 10Gigabit	Fibre optique multimode		10 Gbit/s	500m
10GBase-LX4	Ethernet 10Gigabit	Fibre optique multimode		10 Gbit/s	500m

Ethernet est une technologie de réseau très utilisée car le prix de revient d'un tel réseau n'est pas très élevé

Principe de transmission

Tous les ordinateurs d'un réseau Ethernet sont reliés à une même ligne de transmission, et la communication se fait à l'aide d'un protocole appelé CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect ce qui signifie qu'il s'agit d'un protocole d'accès multiple avec surveillance de porteuse (Carrier Sense) et détection de collision).

Avec ce protocole toute machine est autorisée à émettre sur la ligne à n'importe quel moment et sans notion de priorité entre les machines. Cette communication se fait de façon simple :

• Chaque machine vérifie qu'il n'y a aucune communication sur la ligne avant d'émettre
• Si deux machines émettent simultanément, alors il y a collision (c'est-à-dire que plusieurs trames de données se trouvent sur la ligne au même moment)
• Les deux machines interrompent leur communication et attendent un délai aléatoire, puis la première ayant passé ce délai peut alors réémettre

Ce principe est basé sur plusieurs contraintes:

• Les paquets de données doivent avoir une taille maximale
• il doit y avoir un temps d'attente entre deux transmissions

Le temps d'attente varie selon la fréquence des collisions:

• Après la première collision une machine attend une unité de temps
• Après la seconde collision la machine attend deux unités de temps
• Après la troisième collision la machine attend quatre unités de temps
• ... avec bien entendu un petit temps supplémentaire aléatoire

Ethernet commuté

Jusque là, la topologie Ethernet décrite était celle de l'Ethernet partagé (tout message émis est entendu par l'ensemble des machines raccordées, la bande passante disponible est partagée par l'ensemble des machines).

Depuis quelques années une évolution importante s'est produite: celle de l'Ethernet commuté.
La topologie physique reste une étoile, organisée autour d'un commutateur (switch). Le commutateur utilise un mécanisme de filtrage et de commutation très similaire à celui utilisé par les passerelles (gateways) où ces techniques sont utilisées depuis fort longtemps.

Il inspecte les adresses de source et de destination des messages, dresse une table qui lui permet alors de savoir quelle machine est connectée sur quel port du switch (en général ce processus se fait par auto-apprentissage, c'est-à-dire automatiquement, mais le gestionnaire du switch peut procéder à des réglages complémentaires).

Connaissant le port du destinataire, le commutateur ne transmettra le message que sur le port adéquat, les autres ports restants dès lors libres pour d'autres transmissions pouvant se produire simultanément.
Il en résulte que chaque échange peut s'effectuer à débit nominal (plus de partage de la bande passante), sans collisions, avec pour conséquence une augmentation très sensible de la bande passante du réseau (à vitesse nominale égale).

Quant à savoir si tous les ports d'un commutateur peuvent dialoguer en même temps sans perte de messages, cela dépend de la qualité de ce dernier (non blocking switch).

Puisque la commutation permet d'éviter les collisions et que les techniques 10/100/1000 base T(X) disposent de circuits séparés pour la transmission et la réception (une paire torsadée par sens de transmission), la plupart des commutateurs modernes permet de désactiver la détection de collision et de passer en mode full-duplex sur les ports. De la sorte, les machines peuvent émettre et recevoir en même temps (ce qui contribue à nouveau à la performance du réseau).
Le mode full-duplex est particulièrement intéressant pour les serveurs qui doivent desservir plusieurs clients.

Les commutateurs Ethernet modernes détectent également la vitesse de transmission utilisée par chaque machine (autosensing) et si cette dernière supporte plusieurs vitesses (10 ou 100 ou 1000 megabits/sec) entament avec elle une négociation pour choisir une vitesse ainsi que le mode semi-duplex ou full-duplex de la transmission. Cela permet d'avoir un parc de machines ayant des performances différentes (par exemple un parc d'ordinateurs avec diverses configurations matérielles).

Comme le trafic émis et reçu n'est plus transmis sur tous les ports, il devient beaucoup plus difficile d'espionner (sniffer) ce qui se passe. Voilà qui contribue à la sécurité générale du réseau, ce qui est un thème fort sensible aujourd'hui.

Pour terminer, l'usage de commutateurs permet de construire des réseaux plus étendus géographiquement. En Ethernet partagé, un message doit pouvoir atteindre toute autre machine dans le réseau dans un intervalle de temps précis (slot time) sans quoi le mécanisme de détection des collisions (CSMA/CD) ne fonctionne pas correctement.
Ceci n'est plus d'application avec les commutateurs Ethernet. La distance n'est plus limitée que par les limites techniques du support utilisé (fibre optique ou paire torsadée, puissance du signal émis et sensibilité du récepteur, ...).