Ethernet

Ethernet est un protocole de réseau local à commutation de paquets. C'est une norme internationale : ISO/IEC 802-3.

Connecteur RJ45 pour Ethernet.

Initialement conçu au début des années 1970, pour relier entre eux des ordinateurs rattachés à un même câble coaxial (par analogie avec les réseaux de distribution de fluides – eau, gaz – ou de télévision par câble dans un même immeuble), depuis les années 1990, on utilise très fréquemment Ethernet sur paires torsadées pour la connexion des postes clients (le cable coaxial ayant été remplacé par des concentrateurs – hub – puis des commutateurs – switch ), 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.

Ethernet n'offre pas de garantie de bonne livraison des données, ce qui est laissé aux couches protocolaires supérieures.

N.B. Le terme "Ethernet sans fil" pour désigner le Wi-Fi (normes IEEE 802.11) est un abus de langage. L'IEEE réserve en effet le terme "Ethernet" aux normes 802.3, qui sont filaires[1].

Origine du nom

Dans les premiers réseaux Ethernet, le câble coaxial diffusait 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[2] : 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

Ethernet a originellement été développé comme l'un des projets pionniers du Xerox PARC[réf. nécessaire]. Une histoire commune veut qu'il ait été inventé en 1973, date à laquelle Robert Metcalfe écrivit une note à ses patrons à propos du potentiel d'Ethernet. Metcalfe affirme qu'Ethernet a été inventé sur une période de plusieurs années[3]. En 1975, Robert Metcalfe et David Boggs (l'assistant de Metcalfe) ont publié un document intitulé Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks[4] (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[5] 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.

La norme Ethernet I (10 Mb/s), ou « DIX » (DEC Intel Xerox) est publiée en 1980[6], suivie d'une révision Ethernet II en 1982[7]. L'IEEE s'inspire du standard DIX et publie sa norme IEEE 802.3 en 1983.

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[6] puis disparu face à Ethernet, en raison de la baisse de coûts due à la production de masse, et aux modernisations ultérieures d'Ethernet. 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 Ethernet, les signaux transitant par infrarouge). Pendant ce temps, 3Com est devenue une compagnie majeure du domaine des réseaux informatiques.

Description générale

Standardisation initiale

Ethernet est fondé 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. Ainsi, Ethernet est conçu à l'origine pour une topologie physique et logique en bus (tous les signaux émis sont reçus par l'ensemble des machines connectées). 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 sans configuration préalable.

Collisions

Une technologie connue sous le nom de CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, ou écoute de porteuse avec accès multiples et détection de collision) 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[8] :

Procédure principale
  1. Trame prête à être transmise.
  2. 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 Mbit/s) et démarrer la transmission.
  3. Si une collision est détectée, lancer la procédure de gestion des collisions. Sinon, la transmission est réussie.

Une station qui détecte une collision émet sur le média un signal de collision appelé « jam signal » (une séquence de 4 à 6 octets)[9].

Procédure de gestion des collisions
  1. 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.
  2. Si le nombre maximal de transmissions (16) est atteint, annuler la transmission.
  3. Attendre un temps aléatoire dépendant du nombre de tentatives de transmission.
  4. 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[10]. 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 était 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 pouvait saturer tout un réseau local[11].

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).

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 et la détection des collisions ne fonctionne plus correctement.

Topologie

Historiquement[12] Ethernet utilisait des bus sur câbles coaxiaux, surtout de type 10BASE5 puis 10BASE2. Il fut ensuite adapté en 10BASE-T pour utiliser des topologies physiques en étoile sur câbles à paires torsadées, les pairs étant raccordés à des concentrateurs (hubs), ce qui ne change toutefois rien à la nature d'Ethernet: la topologie logique reste le bus, le médium reste partagé, tout le monde reçoit toutes les trames, il n'y a toujours qu'un seul segment, tout le monde voit les collisions[13].

Domaines de diffusion et de collision

Ethernet est un réseau de type diffusion (Broadcast), c'est-à-dire qu'il est possible d'envoyer (y compris dans ses évolutions ultérieures, sur demande) une trame donnée à toutes les stations raccordées au réseau Ethernet, qui constitue ainsi un domaine de diffusion (Broadcast domain).

Il est possible de raccorder deux segments Ethernet par le biais d'un pont (bridge)[14] qui va répéter et retransmettre à l'identique (contrairement à un routeur) les trames d'un segment vers un autre segment. Les deux segments ainsi raccordés forment un seul domaine de diffusion, en revanche ils forment chacun leur propre domaine de collision (les collisions ne traversent pas le pont).

Évolution majeure: Ethernet commuté (les switchs)

Pour résoudre les problèmes liés aux collisions, les commutateurs (switchs) ont été développés afin de maximiser la bande passante disponible, en reprenant les câbles à paires torsadées (et plus tard en y ajoutant la fibre optique). Un commutateur est une sorte de pont multiport, chaque lien point à point entre un hôte et le commutateur étant alors un segment avec son propre domaine de collision. Dans ce cas, les caractéristiques d'Ethernet changent nettement[15]:

  • la topologie physique n'est plus en bus mais en étoile (comme avec les hubs) ;
  • la topologie logique n'est plus celle d'un bus (médium partagé), mais est également en étoile : les communications entre deux pairs donnés sont isolées (contrairement aux hubs et aux bus coaxiaux Ethernet), ce qui augmente clairement les capacités de transmission globales du réseau. Chaque paire hôte1/hôte2 communique ensemble par une sorte de lien Point à Point[15] virtuel établi par le commutateur ;
  • les communications peuvent se faire en full-duplex (émission et réception simultanées) et il n'y a plus de collision. Pour ce faire CSMA/CD est désactivé (en mode CSMA/CD l'émetteur écoute ce qu'il émet, et si quelqu'un parle en même temps que l'émetteur il y a collision, ce qui est incompatible avec le mode full-duplex) ;
  • les distances maximales ne sont plus contraintes par la vitesse de propagation (il n'y a plus de collision à détecter) mais uniquement par l'atténuation des signaux dans les câbles.

Normalisation

Historique

Historiquement Ethernet est un standard de fait décrit depuis 1980 par les spécifications Ethernet / DIX. Par ailleurs, l'IEEE a publié son propre standard IEEE 802.3 en 1983, s'inspirant de ce standard de fait. Il existe donc en fait un standard Ethernet II / DIX d'une part (de 1982), et une norme IEEE 802.3 d'autre part (de 1983). Les deux standards sont interopérables[16]. Par la suite les mises à jour normatives ont été formalisées par l'IEEE, et 802.3 a du reste pris officiellement en compte les aspects de DIX en 1998 (révision 802.3-1998)[14].

Modèle OSI

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) du modèle OSI. En 802.3, la couche LLC (Logical Link Control) 802.2[17],[18] 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.

Différence Ethernet II DIX / 802.3

Ethernet a été standardisé sous le nom IEEE 802.3[19],[20] :

  • Ethernet : les 13e et 14e octets d'une trame Ethernet contiennent le type (EtherType) 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 13e et 14e 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

Il y a quatre types de trames Ethernet[21] (en dehors de l'Ethernet Experimental de 1975) :

Ces différents types de trame ont des formats différents mais peuvent coexister et être distinguées entre elles[23] sur un même médium physique par les membres du réseau.

La différence de base entre les trames Ethernet II et les autres trames est l'utilisation du champ de 16 bits (soit 2 octets) situé après les adresses MAC:

  • En Ethernet II il est utilisé comme champ d'identification « EtherType » pour indiquer le type de données transportées (le payload).
  • En IEEE 802.3 il indique la taille des données transportées (le payload) – taille qui est toutefois limitée par la norme à 1 500 octets.

Par convention les valeurs de ce champ entre 0 et 1 500 indiquent une taille de payload et donc permettent d'identifier une trame Ethernet 802.3 ; et les valeurs plus grandes indiquent un EtherType, et l'utilisation du format Ethernet II. Cette utilisation duale du même champ justifie son appellation courante de champ longueur/type.

L'IEEE 802.3 ayant initialement défini ce champ de 16 bits après les adresses MAC comme la longueur du payload, il est fait appel à un nouveau champ pour préciser le payload transportés et les niveaux et types de service utilisés (Service Access Point). Les trames 802.3 doivent ainsi avoir un champ LLC de 3 octets défini par la norme IEEE 802.2. Le LLC étant trop petit par rapport aux besoins potentiels, un champ supplémentaire SNAP de 5 octets a été défini ultérieurement, utilisable en option. En examinant le champ LLC, il est possible de déterminer s'il est suivi par un champ SNAP ou non.

En outre, Novell a utilisé des trames 802.3 sans LLC (avant la normalisation IEEE 802.2) dans son système d'exploitation Netware[21] pour y faire passer son protocole IPX. Netware ayant été très répandu (à une époque), ce non-standard en est devenu un de fait.

Résumé des éléments de détermination du type de trame Ethernet
Type de trameEtherType ou longueurDeux premiers octets du payload
Ethernet II≥ 1536Peu importe
Novell raw IEEE 802.3≤ 15000xFFFF
IEEE 802.2 LLC≤ 1500Autres
IEEE 802.2 SNAP≤ 15000xAAAA

Note: Les valeurs de champ longueur/type entre 1 500 et 1 536 sont indéfinies et ne devraient jamais être employées.

Synthèse graphique d'une trame Ethernet
Structure de paquet et trame Ethernet
Couche OSIPréambuleDébut du délimiteur de trame (frame delimiter)MAC destinationMAC sourcetag 802.1Q (optionnel)Ethertype (Ethernet II) ou longueur (IEEE 802.3)LLC/SNAP (si 802.3) + PayloadFrame check sequence (32‑bit CRC)Délai inter-paquet (InterPacket Gap)
7 octets1 octet6 octets6 octets(4 octets)2 octets46‑1 500 octets4 octets12 octets
Couche 2: trame Ethernet ← 64–1 522 octets →
Couche 1: paquet Ethernet & IPG ← 72–1 530 octets →← 12 octets →

Trame Ethernet II
En octets
01234567 891011121314 … 15131514151515161517
Adresse MAC destination Adresse MAC source Type de protocole Données FCS/CRC

Exemple de trame Ethernet II (Information extraite du document de G.Requilé du CNRS et adaptée):

La trame Ethernet de format : type II

Le champ Type de protocole des trames Ethernet II peut prendre entre autres les valeurs suivantes :

Remarques
  • comme expliqué ci-dessus, si le champ type de protocole (EtherType) 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 ;
  • avant émission d'une trame un préambule de synchronisation suivi d'un délimiteur de trame sont envoyés, pour un total de 64 bits, alternance de 1 et 0 avec les deux derniers bits à 1 (ce préambule/délimiteur ne fait pas partie de la trame) ;
  • un silence correspondant à 12 octets est observé après l'envoi d'une trame ;
  • l'adresse MAC de broadcast (diffusion) Ethernet a tous ses bits à 1 ;
  • taille minimale de trame:
    • la taille minimale d'une trame Ethernet est de 64 octets (DMAC+SMAC+EtherType+Payload+FCS) pour permettre le bon fonctionnement du CSMA/CD[24] ; par conséquent la taille minimale du champ de données est de 46 octets (RFC 894[25] - Frame Format).
    • si nécessaire, pour atteindre les 46 octets de données, un bourrage est effectué, et celui-ci est transparent au niveau utilisateur[26].
  • taille maximale des donnés:
    • les trames normalisées contiennent en théorie au maximum 1 500 octets, l'IEEE n'ayant pas normalisé de valeur supérieure.
    • les équipements modernes savent désormais utiliser des trames géantes (Jumbo Frames) pouvant dépasser les 9 000 octets de données, sous réserve de configuration locale spécifique.
    • le champ longueur des trames 802.3 ne peut dépasser 1500 (sous peine d'être reconnues comme des trames Ethernet II), ce qui les empêche apparemment d'utiliser des jumbo frames. Une proposition pour résoudre ce conflit est d'utiliser un EtherType spécial 0x8870 quand une longueur supérieure à 1500 aurait dû être indiquée[27]. Quoique théoriquement obsolète (du point de vue de l'IEEE), cette solution est implémentée par certains équipements[28],[29].

Évolutions protocolaires ultérieures

La plupart des évolutions ultérieures sont rendues possibles par la mise en œuvre de l'Ethernet commuté.

Auto-négociation

Une station et un commutateur qui se connectent ensemble peuvent utiliser l'auto-négociation[30],[31], c'est-à-dire qu'ils négocient automatiquement sans configuration préalable nécessaire, les éléments de la communication Ethernet et notamment, la vitesse, le duplex, et l'utilisation ou pas de contrôle de flux.

Contrôle de flux

En Ethernet commuté, toutes les stations du réseau peuvent communiquer en même temps (ou à des vitesses différentes, le média physique n'étant pas partagé), il est donc possible pour une station que son port soit saturé en réception par plusieurs communications entrantes. Le commutateur peut alors stocker temporairement et/ou détruire les trames qui ne peuvent être transmises, ou opter pour d'autres méthodes[32],[33] comme le backpressure ou les trames Pause.

Backpressure

Dans ce cas le commutateur génère un signal de collision factice[34] vers la station émettrice (en fait il n'y a pas de collision puisqu'il s'agit d'Ethernet commuté, full-duplex, mais ce signal est toujours pris en compte), ce qui fait cesser temporairement son émission.

Trames Pause: 802.3x & 802.1Qbb

IEEE 802.3x définit un type de trame Pause[35] qu'un équipement dont le lien sature en réception peut envoyer pour faire taire l'émetteur le temps que le lien ne soit plus saturé, fournissant ainsi un mécanisme normalisé de contrôle de flux.

Toutefois cette norme ne permet pas d'être spécifique en fonction du trafic (aucune prise en compte de types ou classes de trafic), tout le trafic de la station est stoppé. Par conséquent des trames Pause prenant en compte les classes de services sont normalisées par la norme IEEE 802.1Qbb[36] (contrôle de flux Ethernet prenant en compte les priorités 802.1p).

VLAN (802.1Q)

La norme IEEE 802.1Q permet de faire circuler des réseaux virtuels au sein du réseau Ethernet physiques, en distinguant les trames de chaque VLAN (Virtual LAN)[37] par un identifiant sur 12 bits de 1 à 4095. Il contient aussi une valeur de classe de service (802.1p) sur 3 bits.

Qualité de service (802.1p)

La norme IEEE 802.1Q, en plus de définir des VLAN, inclut aussi une valeur de classe de service (802.1p)[38] sur 3 bits qui permet de classifier et discriminer 8 classes de trafic (des Classes de Service – Class of Service ou CoS) pour traitement éventuel par un mécanisme de Qualité de Service / QoS (Quality of Service).

Sécurité: 802.1X

Il est désormais possible pour un commutateur de contrôler l'identité de la station et/ou de l'utilisateur avant de le laisser accéder au réseau (et le cas échéant de le placer dans un certain VLAN), grâce à la norme IEEE 802.1X[39].

Power over Ethernet (PoE)

Les normes IEEE 802.3af et IEEE 802.3at permettent à un commutateur d'alimenter électriquement un équipement raccordé en paire torsadée dans le cadre du concept de Power over Ethernet (PoE)[40].

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 obsolètes d'Ethernet
  • Xerox Ethernet -- L'implémentation originale d'Ethernet, qui a eu deux versions, la version 1 et 2, durant son développement.
  • 10BASE5 (aussi appelé Thick Ethernet) -- Ce standard de l'IEEE publié très tôt utilise un câble coaxial de type RG-8 dit « épais », de 50 ohms d'impédance, dans lequel on insère une connexion en perçant le câble pour se connecter au centre et à la masse (prises vampires). La liaison entre la carte réseau de l'ordinateur et le bus se faisait via un adaptateur externe: l'Attachment unit interface (AUI). Requiert un adaptateur d'impédance (souvent surnommé « bouchon ») à chaque extrémité du bus pour empêcher la reflexion du signal.
  • 10BROAD36 -- 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.
  • 10BASE2 (aussi appelé ThinNet ou Cheapernet) -- un câble coaxial de type RG-58A/U dit « mince » de 50 ohms d'impédance connecte les machines ensemble, chaque machine utilisant un adaptateur en T pour se brancher à sa carte réseau. Requiert un adaptateur d'impédance (souvent surnommé « bouchon ») à chaque extrémité du bus pour empêcher la reflexion du signal. Pendant plusieurs années, ce fut le standard Ethernet dominant.

Ethernet 10 Mbit/s
  • 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 physique en étoile, il s'agit pourtant bien d'une topologie logique en bus - tous les signaux émis sont reçus par l'ensemble des machines connectées. La topologie logique 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 logique 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 (hubs) 1 000 Mbit/s. On utilise donc obligatoirement des commutateurs (switch). Spécifié par le standard IEEE 802.3ab.
  • 1000BASE-X -- 1 Gbit/s qui utilise des interfaces modulaires (des transceivers en anglais, appelés GBIC ou SFP selon leur technologie) adaptées au média (Fibre Optique Multi, Mono-mode, cuivre). Spécifié par le standard IEEE 802.3z.
  • 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 4× 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 aux 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.)

Ethernet 40 gigabits par seconde et 100 gigabits par seconde

Ces deux familles de standards (40GBASE et 100GBASE) ont été initialement définies en 2010 sous la norme IEEE 802.3ba.

Ethernet 200 gigabits par seconde et 400 gigabits par seconde

Ces deux familles de standards (200GBASE et 400GBASE) ont été définies en décembre 2017 sous la norme IEEE 802.3bs.

Mode LAN et mode WAN (10 Gb/s)

10 Gigabit Ethernet et ultérieurs prennent seulement en charge le mode full duplex.

Sur les médias fibre, le mode LAN[41] 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.

Il existe un mode WAN PHY[42] permettant de transporter les trames Ethernet 10 Gigabits sur des liens SDH ou SONET encore 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[43], etc) proposent des modules optiques (ou cuivre, selon la technologie employée) appelés transceivers en anglais, 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.

Il existe plusieurs normes pour ces transceivers, par exemple (en 10 Gb/s) : XENPAK, XPAK, X2, XFP (normalisés selon le XFP MSA Group), SFP+ (normalisés selon le Small Form Factor Committee).

Les serdes : couche PMA (PHY)

Ce signal de 10 Gbit/s, trop rapide à l'époque de sa standardisation, ne pouvait pas être traité directement, il a donc fallu le paralléliser, en général sur 64 bits. Des circuits dédiés spécialisés permettent cette conversion.
Le terme 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 modules optiques 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
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Voir aussi

Articles connexes
Ethernet dans le domaine des Télécommunications
  • Metro Ethernet Forum : organisation professionnelle active à l'échelle mondiale dont le but 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 principalement dans le segment accès et métropolitain des réseaux d'opérateurs, spécification IEEE 802.1ah
  • Provider Backbone Bridge Traffic Engineering : évolution du protocole précédent (PBB) permettant l'ingénierie de trafic, également connu sous le nom de PBT, spécification IEEE 802.1Qay

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