Au-dessus de la couche physique, des stations Ethernet

Département Electronique, Signal et Télécommunications
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MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban
Ethernet (longue distance) comme
réseau d'accès
Carte Interface Réseau 100Mbit Ethernet

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Sommaire
1. Introduction ..................................................................................................................................... 3
2. Principes .......................................................................................................................................... 3
3. Algorithme et Equipments .............................................................................................................. 4
a. CSMA/CD ..................................................................................................................................... 4
b. Répéteur et hubs ......................................................................................................................... 5
c. Pont et commutation .................................................................................................................. 6
d. Hub à deux vitesses ..................................................................................................................... 7
e. Réseaux plus avancés .................................................................................................................. 8
4. Auto-négociation et discordance de duplex ................................................................................... 9
5. Couche Physique ............................................................................................................................. 9
6. Trames Ethernet ............................................................................................................................ 10
a. Format de Trame ....................................................................................................................... 11
b. Synchronisation des horloges .................................................................................................... 12
c. Trames Erronées ........................................................................................................................ 12
7. Codage des trames Ethernet ......................................................................................................... 13
a. Codage Manchester .................................................................................................................. 13
b. Codage NRZI .............................................................................................................................. 13
c. Codage MLT3 ............................................................................................................................. 14
d. Codage nB/mB ........................................................................................................................... 14
8. Les différentes standards d’Ethernet ............................................................................................ 15
a. Anciennes .................................................................................................................................. 15
b. Ethernet 10Mbs ......................................................................................................................... 16
c. Fast Ethernet ............................................................................................................................. 16
d. Gigabit Ethernet ........................................................................................................................ 17
e. 10-gigabit Ethernet (10GbE) ...................................................................................................... 18
f. Ethernet First Mile ..................................................................................................................... 19
8. Conclusion ..................................................................................................................................... 20
Bibliographie.......................................................................................................................................... 21

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1. Introduction
Ethernet est une famille de technologies de réseau informatique pour les LANS mais qui peut être
étendu à un WAN, il est basé sur la commutation de paquet. Il définit une série de standards de
connexion et de signalisation pour la couche physique, par moyen de réseau d’accès au niveau de la
sous-couche MAC (Media Access Control) et la couche de liaison de donnée, et avec un format
d’adressage commun.
L’objectif de ce document est de présenter le fonctionnement d’Ethernet, et les évolutions des
équipements et des standards qui ont été réalisé afin d’optimiser le débit et la distance d’utilisation.
2. Principes
Ethernet a été développé à Xerox PARC de 1973 à 1975 par Robert Metcalfe, David Boggs, Chuck
Thacker et Butler Lampson. L’Ethernet expérimenté à l’époque avait un champ d’adresse source et
destination de 8 bits, différent des adresses MAC utilisées de nos jours. Les 16 bits se trouvant après
le champ d’adressage compose un champ de type paquet sans préciser le protocole étant utilisé.
En 1979 Metcalfe convint DEC, Intel et Xerox de promouvoir l’Ethernet comme standard ce qui
aboutira au standard DIX (Digital/Intel/Xerox) avec un débit de 10Mbs, un adressage source et
destination sur 48 bits, et un champ type de 16 bits. Ce standard était en compétition avec deux
systèmes propriétaires, Token Ring et ARCNET, qui furent rapidement dépassé par Ethernet.
Au début Ethernet était basé sur l’idée d’avoir des ordinateurs communiquant sur un même câble
coaxial agissant comme un moyen de transmission. A partir de ce concept l’Ethernet évoluât vers une
technologie de réseau complexe aujourd’hui utilisée par la plupart des LANs. Le câble coaxial est
remplacé par des liens poste à poste, connecté par des hubs et des commutateurs afin de réduire les
coûts d’installation, augmenter la fiabilité et permettre une gestion et un dépannage poste à poste.
Au-dessus de la couche physique, des stations Ethernet communiquent entre elles en s’envoyant des
paquets de données, qui sont envoyés et livrés individuellement. Chaque station a une adresse MAC
unique codé sur 48 bits, qui est utilisé pour spécifié la destination et la source de chaque paquet de
donnée. Ainsi les cartes d’interface réseau (NIC) n’acceptent pas les paquets adressés à d’autres
stations Ethernet.
Malgré des changements significatifs d’Ethernet d’un câble coaxial avec un débit de 10Mbs à des
liens poste-à-poste à un débit de 1 Gb/s, toutes les générations partage le même format de trame, et
sont interconnectables. Aujourd’hui, dût au monopole du standard, les cartes Ethernet sont
directement implanté sur les cartes mères des ordinateurs, évitant l’installation d’une carte réseau
séparée.

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3. Algorithme et Equipments
a. CSMA/CD
A ces débuts Ethernet utilise un câble coaxial partagé et connecté à toute les machines. Une combine
permet de contrôler la façon que les ordinateurs partagent le canal : CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Acces with Collision Detection).Lorsqu’un ordinateur veut envoyer des informations, il
utilise 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, continue à transmettre jusqu'à
ce que le temps minimal pour un paquet soit dépassé (pour s'assurer que tous les 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.
On peut résumer cet algorithme de la façon suivante : avant d’envoyer une trame, l’ordinateur
attend que le canal ce libère. Si deux ordinateurs veulent envoyer une trame en même, ils s’arrêtent
et attendent un moment aléatoire avant de réessayer un envoi, en espérant qu’ils ne choisissent pas
le même intervalle de temps aléatoire. Lorsqu’il y a plus d’un échec de transmission on utilise des
temps d’attente exponentiels afin de diminuer la probabilité que deux ordinateurs essayent de
transmettre en même temps.
Comme toutes les communications passent par le même câble, chaque information envoyée par un
ordinateur est reçu par tous les autres, même si cette information est destinée à un seul. Les
ordinateurs connectés sur l’Ethernet doivent donc filtrer ce qui leur est destiné ou non. La carte
réseau permet d’ignorer les informations qui ne lui sont pas adressés, sauf si elle est mise en
« promiscuous mode ». Ce mode est une configuration de la carte réseau où toutes les trames reçues
sont envoyés vers le CPU. Cette propriété où « tout le monde parlent, tout le monde écoutent » est
l’une des faiblesses de l’Ethernet. En effet un nœud sur le réseau peut « sniffer » le trafic sur le câble.
De plus la bande passante sur le câble est partagée par tous les utilisateurs, donc le réseau peut être
facilement saturé lors de problèmes ou de redémarrages simultanés des postes. De même plus il y a
de poste, plus il y a de données envoyés, et donc la probabilité de collision devient importante. Le
réseau devient congestionné au-delà de 50% de sa capacité.
La détection des collisions impose une distance maximale à un réseau CSMA/CD. En raison de
l'affaiblissement du signal, la détection des collisions n'est pas efficace au-delà de 2 500 mètres. Si
plusieurs ordinateurs transmettent simultanément, il y a collision des données et donc altération de
celles-ci.

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b. Répéteur et hubs
Pour des raisons de dégradation du signal et de timing, les segments coaxiaux Ethernet ont une
longueur limitée. Par exemple les câbles coaxiaux du 10BASE5, présenté plus loin, avait une longueur
maximum de 500 mètres. De plus ces segments doivent avoir à leurs extrémités une résistance, qui si
elle se casse ou soit mal installé crée un signal équivalent à une collision, ainsi empêchant tout
communication.
Un répéteur permet d’augmenter cette longueur limite. Il prend le signal depuis un câble Ethernet
afin de le répéter sur un autre câble. Si une collision est détectée, le répéteur transmet un signal
« jam », qui informe les stations qu’elles ne peuvent pas transmettre, sur tous les ports. Les
répéteurs peuvent différencier entre une terminaison mal installée et une collision. Ceci permet de
réduire le problème de rupture de câble : lorsqu’un segment coaxial casse, tout les équipements sur
ce segment sont incapable de communiquer, mais le répéteur permet aux autres équipements se
trouvant sur d’autres segments de fonctionner normalement.
Avec la reconnaissance de l’avantage des topologies de câblages en étoile ; la majorité des vendeurs
ont créé des répéteurs à plusieurs ports, ainsi réduisant le nombre de répéteurs requis au centre de
l’étoile. Ces répéteurs Ethernet à plusieurs ports sont plus connus sous le nom de hubs Ethernet. Les
premiers hubs de DEC permirent la création d’un segment Ethernet séparé sans l’utilisation d’un
câble coaxial.
Figure 1: Répéteur Ethernet
Les câbles Ethernet UTP (Unshielded twisted-pair) ont tout d’abord été utilisés sur StarLAN, ou
1BASE5 qui a un débit de 1Mbs. Ils sont désignés pour des liens nœuds-à-nœuds et leurs extremités
sont construit directement sur les équipements. Ceci oblige l’utilisation d’un hub pour tous les
réseaux avec des pairs torsadés et plus de deux postes. Les réseaux Ethernet deviennent ainsi plus
fiables, en évitant qu’un défaut sur un port ou sur ces câbles associés, affecte d’autre équipement du
réseau.
Figure 2: Hub Ethernet