Au-dessus de la couche physique, des stations Ethernet
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Département Electronique, Signal et Télécommunications Ethernet (longue distance) comme réseau d'accès Carte Interface Réseau 100Mbit Ethernet 1 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 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. 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 Conclusion ..................................................................................................................................... 20 Bibliographie.......................................................................................................................................... 21 2 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 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. 3 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 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. 4 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 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 5 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications c. Pont et commutation Bien que les répéteurs et les hubs permettent d’isoler certain problème des segments Ethernet, ils envoient toujours tout le trafic vers tous les équipements Ethernet. Ceci limite le nombre de machine qui peuvent communiquer entre eux sur le réseau. De plus chaque hôte doit être capable de détecter une collision n’importe où sur le réseau, et le nombre de répéteur entre les nœuds les plus éloignés est limité. Finalement les segments connectés par un répéteur doivent fonctionner à la même vitesse, empêchant ainsi des améliorations progressives. Pour réduire ces problèmes, on utilise des ponts pour communiquer au niveau de la couche liaison de donnée tout en isolant la couche physique. Avec des ponts, seulement les paquets correctement construit sont envoyés d’un segment Ethernet à un autre, en isolant les collisions et les erreurs de paquet. Les ponts « apprennent » où se trouvent les équipements, en regardant les adresses MAC, et permettent de filtrer les paquets en n’envoyant les paquets à travers un segment lorsqu’ils savent que l’adresse destination se trouve dans cette direction. Seul le trafic broadcast est envoyé vers tous les segments du réseau. Les ponts permettent de délimiter le nombre de segment entre deux postes, et l’utilisation de vitesse différente. Figure 3: Pont Ethernet Les premiers ponts regardaient les paquets un par un en utilisant un programme sur un CPU, ce qui les rendaient plus lent que les hubs, surtout lorsqu’ils avaient plusieurs port à gérer en même temps. Ceci était en partie dût au fait que la totalité du paquet était tout d’abord lue dans un tampon, puis l’adresse de destination était comparée avec une table des adresses MAC connues par le pont, et finalement ce dernier décidé si il envoyé le paquet vers un autre segment, ou s’il le filtrait. Afin de remédier à ce problème la compagnie Kalpana introduisît le premier commutateur Ethernet en 1989. A la différence d’un pont Ethernet, le commutateur lit seulement l’en-tête du paquet arrivant avant de le filtrer ou de l’envoyer sur un autre segment. Ceci permet de réduire la latence d’envoie, et la charge de traitement. Un des inconvénients est que les paquets qui sont corrompus après l’en-tête peuvent encore être propagés dans le réseau. La solution est de faire lire le paquet dans un tampon du commutateur, afin de vérifier son checksum puis l’envoyer. Figure 4: Commutateur Ethernet 6 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications d. Hub à deux vitesses Les hubs à deux vitesses sont apparus au début du Fast Ethernet, lorsque les commutateurs Ethernet étaient encore trop chers. En effet, s’il y avait un équipement fonctionnant en 10BASE-T, tout le système devait donc marcher avec un débit de 10Mbit. Un compromis entre un hub et un commutateur a donc été mis en place. Le hub à deux vitesses avait un commutateur interne de deux ports, séparant les segments 10BASE-T, et 100BASE-T. Ceci évite donc de passer d’un réseau tout 10BASE-T à un réseau tout 100BASE-T. Avec la baisse du coût d’un commutateur, et la modification de certain standard Ethernet, l’utilisation de ces hubs est devenue obsolète. 7 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications e. Réseaux plus avancés Les réseaux Ethernet à commutation simple ont encore plusieurs inconvénients : Si un lien tombe en panne, certain équipements sont incapable de communiquer, et donc si le lien qui tombe a une localisation centrale dans le réseau plusieurs utilisateurs peuvent être coupé des ressources qu’ils leurs sont nécessaires. Il est possible d’obliger des commutateurs ou des postes d’envoyer des données vers une machine même si n’est pas prévu pour recevoir ce genre de donnée. Un trafic important de broadcast peut congestionner les liens ou et les systèmes plus lent car : - Tous les postes peuvent congestionner le réseau avec un broadcast formant une attaque de dénie de service contre les postes tournant à une vitesse égal ou inférieur. - Plus le réseau grandit, plus les broadcasts normaux utilisent de la bande passante. - Si les commutateurs ne sont pas multicast, le trafic multicast sera considéré comme un broadcast dût au fait que le trafic est destiné à une adresse MAC non associé à un port. - Si les commutateurs découvrent plus d’adresse MAC qu’ils ne peuvent stocker, certaine adresse doivent obligatoirement être effacées et le trafic vers ces adresses seront traité comme du trafic vers des adresses inconnus, ce qui équivalent à du broadcast. - Certain nœuds peuvent devenir congestionné si une grand quantité de trafic est forcé vers un seul lien. Certain commutateur offre plusieurs outils pour réduire ces problèmes : STP (Spanning-Tree Protocol) évite l’envoi en boucle de broadcast au niveau de la couche de liaison de donnée tout en laissant des boucles au niveau de la couche physiques pour la redondance. Plusieurs outils de protection de port. En effet, un piratage a plus de change de se trouver sur un port à l’extrémité du système que sur un lien entre deux commutateurs. Des VLANs pour garder différentes classes d’utilisateurs séparés tout en utilisant la même infrastructure. Du routage sur des couches plus élevées pour router entre ces VLANs. L’agrégation de lien pour ajouter de la bande passante aux liens surchargés et fournir de la redondance. 8 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 4. Auto-négociation et discordance de duplex L’Autonégociation est une procédure Ethernet qui permet à deux équipements connectés de choisir des paramètres de transmission communs, comme la vitesse et le mode duplex. Pour cela les équipements partagent leurs capacités et choisissent le mode de transmission le plus rapide que tout deux peuvent supporter. Le standard d’autonégociation contient un mécanisme lui permettant de détecter la vitesse d’un port Ethernet qui n’utilise pas l’autonégociation, mais ne lui permet pas de déterminer son mode duplex. Lorsqu’un équipement ne répond pas à une requête d’autonégociation, l’équipement ayant fait la demande assume par défaut qu’il marche en half duplex. Or, si l’équipement « appelé » marche en full duplex, cela génère une discordance de duplex. Bien que le réseau puisse toujours marché, sa vitesse de transmission est beaucoup plus lente, et la génération de collision est beaucoup plus élevée. Pour éviter cela, la règle est de jamais forcer la configuration d’une extrémité d’une connexion en full duplex et l’autre extrémité en autonégociation. 5. Couche Physique Les premiers réseaux Ethernet, 10BASE5. L’Ethernet 10BASE2 utilisé des câbles coaxiaux, avec des connecteurs BNC, comme médium CSMA/CD de partage. L’appariation de pairs torsadés vient avec le StarLAN 1BASE5 et le 10BASE-T. Elles sont connectées à des hubs Ethernet des connecteurs modulables 8P8C. Aujourd’hui le 10BASE-T, 100BASE-TX et le 1000BASE-T utilisent des pairs de câbles avec un connecteur 8P8C, souvent appelé RJ45. Ils ont un débit de 10Mbs, 100Mbs et 1Gbs respectivement. Figure 5: câble Ethernet Figure 6 : Adaptateur 8P8C Des variances d’Ethernet sur fibre optique sont souvent utilisées dans des applications de câblage structuré, dans les centres de données d’entreprises, mais rarement pour la connexion d’utilisateur particulier. Les avantages des fibres optiques reposent sur sa performance, son isolation électrique et sa distance. 9 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications Un paquet de donnée sur un câble est appelé une trame. Les hardwares ont besoin de « voir » un préambule et un flag permettant délimiter une trame. Ces champs sont enlevé par l’adapter Ethernet avant d’être passé vers un poste. 6. Trames Ethernet Il y a plusieurs types de trame Ethernet: Trame Ethernet II, appelée trame DIX est la plus répandue aujourd’hui, car directement utilisé sur IP. Une variation de la trame IEEE 802.3 sans en-tête IEEE 802.2 LLC : Trame Novell. Trame IEEE 802.2 LLC (sous-couche LLC) Trame IEEE 802.2 LLC/SNAP (sous-couche LLC) En plus, les quatre types de trames Ethernet peuvent contenir une étiquette IEEE 802.1Q pour identifier le VLAN d’où elle vient et sa priorité IEEE 802.1p pour du QoS. Cette encapsulation augmente la taille maximum de la trame de 4 octet. Ces différents types de trame ont des formats et des valeurs de MTU différents mais peuvent coexister sur un même médium physique. Les versions 1.0 et 2.0 de DIX avait un label de 16 bit indiquant l’EtherType, pour indiquer le protocole encapsulé dans la trame de donnée. La spécification IEEE 802.3 le replaçât par un champ de 16 bit avec une en-tête MAC suivit d’une en-tête IEEE 802.2 LLC (logical link control), indiquant les mécanismes de control de flux et de multiplexage permettant la coexistence de plusieurs protocole réseau sur un même médium physique. La taille maximum d’une trame DIX et IEEE 802.3, sans onglet, est de 1518 octets. Si la valeur du champ est entre 64 et 1522, la trame est une IEEE 802.3, tandis qu’une valeur au-dessus de 1536 indique une trame DIX avec un champ EtherType. Ceci permet la coexistence de ces deux trames sur le même médium physique. L’en-tête d’une trame 802.2 LLC détermine si elle est suivit d’un champ SNAP (subnetwork access protocol), qui est un mécanisme de multiplexage. Certain protocole fonctionne au-dessus du 802.2 LLC, qui fournit un datagramme et des services de réseau orienté connexion. L’en tête LLC inclut deux champs d’adresses sur 8 bits en plus, appelés SAP (Service Access Point). Si ces deux champs ont pour valeurs 0xAA, une requête de service SNAP est effectuée. Le champ SNAP permet l’utilisation de valeur d’EtherType avec tous les protocoles IEEE 802, et le support d’espace d’identification pour les protocoles privés. Le format de la trame Novell 802.3 est une variation de l’IEEE 802.3. Elle a été crée pour l’implémentation du protocole réseau IPX sur Ethernet. Cette trame est a utilisé jusqu’au milieu des années 90, lorsque la majorité du trafic Ethernet marché sur IPX, et non IP. MAC OS utilise la trame 802.2/SNAP pour le protocole AppleTalk, et la trame DIX pour TCP/IP. 10 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications a. Format de Trame Figure 7: Trame Ethernet Une trame Ethernet est composée des champs suivant : Préambule sur 7 octets: suite de 0 et de 1 alternés, permettant à l’horloge du récepteur de se synchroniser sur celle de l’émetteur. Adresses MAC : composé de deux champs de 6 octets chacun. Le premier identifie le destinataire de la trame, et le deuxième la source. Champ Longueur/Type : sur 2 octets. Dans le standard Ethernet II ce champ indique le type de protocole de niveau 3 utilisé pour la transmission du message. Dans la normalisation originale ce champs indiqué la longueur en octet du champ de donnée. Données : de 46 à 1500 octets. Sur une trame Ethernet II, la couche 2 est complète avec ce format. Les données sont directement transmises au niveau réseau, et aucune séquence de bourrage n’est prévue bien que le nombre minimum de données soit de 46 octets. Sur une IEEE802.3 ce champ contient l’entête 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. Séquence de contrôle : le FCS (Frame Check Sequence) sur 4 octets permet de valider l’intégrité de la trame à 1 bit près. Ainsi le récepteur peut décider si la trame est correcte et doit être transmise à la couche supérieure. Temps inter-trame : 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 µs à 10Mbps. Avec le gigabit, ce champs a été agrandir afin d’assurer une trame d’une taille minimum de 512 octets. 11 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications b. Synchronisation des horloges Difficile sans l’utilisation de signaux de contrôle Utilisation de symboles « Idle » (sans occupation) » Symboles particuliers transmis pendant les silences inter-trames » Permet de conserver la synchronisation des horloges » Permet de détecter des coupures de liaison Utilisation également de symboles de début et fin de trames » Laisse le temps de synchroniser les horloges c. Trames Erronées A la suite d’incidents des trames non cohérentes peuvent apparaître : RUNT : trames trop courtes (moins de 64 octets). Cette taille minimum a été fixée pour assurer une détection correcte des collisions. Elles sont généralement le résultat d’une collision. JABBER : trames trop longues (plus de 1518 octets). Il existe deux causes : soit la trame n’a plus de structure, et elle est émise par un composant qui reste continuellement en émission. Soit il y a superposition de deux trames sans détection de collision. Dans les deux cas, ce type de défaut indique un disfonctionnement important dans le réseau, et entraîne une dégradation rapide des performances. MISALINGED FRAME : trame dont le nombre de bits n’est pas divisible par 8. Elles sont facilement repérables, car la séquence de contrôle indique qu’elles ne sont pas cohérentes. BAD FCS : trame complète dont un bit n’a pas été transmise correctement. Les 1500 octets (données) n’ont pas été choisies au hasard mais cette valeur a été le meilleur compromis à l’époque de sa création (optimale). Si l’on en met moins on n’utilise pas correctement la bande passante et si l’on met plus on risque de ralentir le débit due aux réémission des trames erroné. Au départ cette valeur était fixe et établie à partir de la formule suivante : L =longueur du câble réseau (km) c = 200.000 km/s (vitesse du courant) taux = temps de propagation = L/c F = Frame size (bits) B = vitesse de transfert (bits/s) T = durée de transmission d'une trame = F/B a = portion de risque d'une trame lorsqu'on l'émet sur le canal = taux/T (ex: 1%) F = LB/ca 12 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 7. Codage des trames Ethernet Les différents codages mis en place pour l’encodage des trames Ethernet ont permis d’augmenter le débit, tout en limitant la bande passante nécessaire. Ceci a permis l’évolution d’Ethernet tout en gardant les mêmes infrastructures, et minimiser les coûts. Il existe quatre types de codage utilisé par les différents standards Ethernet. a. Codage Manchester Le codage Manchester est utilisé sur les standards Ethernet « lent » tel que 10BASE-5, 10BASE-2, 10BASE-T et 10BASER-FL. Le principe du codage Manchester est de provoqué une transition du signal pour chaque bit transmis. Un 1 est représenté par le passage d’une tension positive à une tension négative, tandis qu’un 0 est représenté par un passage d’une tension négative à une tension positive : Figure 8: Chronogramme du Codage Manchester La synchronisation des échanges entre émetteur et récepteurs est toujours assurée, même lors de l’envoi de longues séries de 0 ou de 1. De plus, un bit 0 ou 1 étant caractérisé par une transition du signal, et non par un état, ce code est très peu sensible aux erreurs de transmission. L’inconvénient du codage Manchester est qu’il nécessite une bande passante deux fois plus grande que le débit désiré : une transmission à 10Mbs nécessite une bande passante de 20MHz. Pour des débits plus élevés ce code devient difficilement utilisable, car ils nécessiteraient des fréquences maximales trop importante et incompatible pour les câblages et les normes sur les comptabilités électromagnétiques. b. Codage NRZI Le codage NRZI (Non Return to Zero Inverted) est utilisé sur le standard Fast Ethernet 100BASE-FX. Le principe de ce codage est de produire une transition du signal pour chaque bit à 1, et pas de transition pour les bits à 0 : 13 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications Figure 9: Chronogramme du Code NRZI Une erreur de lecture d’un 1 n’affecte pas la suite du décodage. L’avantage de ce code est que le débit est le double de la bande passante : un débit de 100Mbs demandera une bande passante de 50MHz. c. Codage MLT3 Le codage est utilisé sur les standards Fast Ethernet 100BASE-TX et 100BASE-T4. Le principe de ce codage est que le signal change d’état pour chaque bit à 1. Les 0 sont codés en conservant la valeur précédemment transmise, tandis que les 1 sont codés successivement sur trois états : tension positif, 0 et tension négatif : Figure 10: Chronogramme du Code MLT3 Grâce à l’utilisation de trois états, la bande passante nécessaire pour le débit désiré est fortement diminuée : par exemple, un débit de 100Mbs nécessite une bande passante de 25MHz. Mais des longues séquences de 0 peuvent entraîner une perte, ou un déphasage de l’horloge du récepteur. d. Codage nB/mB Le Fast Ethernet utilise le codage 4B/5B, tandis que le Gigabit Ethernet le codage 8B/10B. Les derniers standards Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, utilisent le code 64b/66b. Il s’agit d’un code par bloc. Une table de transcodage est utilisée pour coder un groupe de n bits en m bits. Ce code est utilisé simultanément avec un codage de type NRZI ou MLT3, afin d’avoir une mise en ligne des bits. 14 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications Afin d’expliquer le fonctionnement prenons l’exemple du code 4B/5B : Tableau 2: Table de transcodage 4B5B Si on utilise un code 4B/5B la suite binaire 1000 0101 111 utilisé dans les chronogrammes précédents est découpée en groupes de 4 bits, puis la table de transcodage permet de transformer chaque groupe en groupe de 5 bits. Ainsi on obtient la suite suivante : 10010 01011 1110. La suite à transmettre ne comporte pas plus de deux 0 consécutifs, permettant une transmission plus facile une fois codée en NRZI ou MLT3. Lorsqu’on utilise le codage 4B/5B et un codage MLT3 on obtient une bande passante de 31,25MHz pour un débit de 100Mbs. Tandis qu’avec un codage NRZI, on obtient une bande passante de 62,5MHz pour le même débit. 8. Les différentes standards d’Ethernet a. Anciennes 10BASE5 : est le standard original, utilisant un câble coaxial simple qui est percé pour se connecter au centre et à la masse. Il est aujourd’hui obsolète, bien que dût à son large déploiement au début d’Ethernet certain système doit encore les utiliser. 10BROAD36 : un des premiers standard supportant Ethernet sur des plus longues distances, opérant sur un câble coaxial. Il utilise des techniques de modulation haut débit, similaire à celle utilisé dans les systèmes de modem câble. 1BASE5 : est une tentative de standardisation pour une solution LAN à bas prix. Il opère à un débit de 1Mbs. Ce standard a été un échec commercial. 15 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications b. Ethernet 10Mbs 10BASE2 (ThinNet ou Cheapernet) : un câble coaxial de 50 ohms connecte toute les machines, chacun utilisant un adaptateur en T pour être connecter à sa carte d’interface réseau, et opère à un débit de 10Mbs. Ce standard fut le plus répandu pendant plusieurs années. 10BASE-T : fonctionne avec quatre fils (deux paires torsadées) sur un câble CAT 3 ou CAT 5. Un hub ou un commutateur se trouve au milieu du réseau et a un port pour chaque nœud. Cette configuration est aussi utilisée pour le 100BASE-T et le gigabit Ethernet. FOIRL (Fiber-optic inter-repeater link) : est le standard original pour Ethernet sur fibre optique. 10BASE-F : inclut les standards 10BASE-FL, qui est mise à jour du standard FOIRL, le 10BASEFB, qui est prévu interconnecte des hubs et des commutateurs au cœur du réseau et aujourd’hui obsolète, et le 10BASE-FP qui est un réseau en étoile n’utilisant aucun répéteur mais qui n’a jamais était implenté. c. Fast Ethernet Fast Ethernet est un terme qui désigne plusieurs standards Ethernet qui ont un débit de 100Mbs. Le plus répandu est le 100baseTX et qui est supporté par la majorité des équipements Ethernet en production. Il existe trois standards, regroupé dans le 100BASE-T, opérant sur des fils en cuivres : 100BASE-TX : marche sur deux paires de fils à l’intérieur d’un câble CAT 5. Il est à une topologie en bus si on utilise un hub, ou en étoile si on utilise un commutateur. 100BASE-T4 : est une implémentation plus ancienne de Fast Ethernet, fonctionnat en half duplex. Il marche sur quatre paires en cuivres sur un câble CAT 3. Une paire est réservée pour transmettre, une autre pour recevoir, et les dernières changent de direction. 100BASE-T2 : marche sur deux paires de fils en cuivre sur un câble CAT 3. Equivalent au 100BASE-TX dans sa fonctionnalité, mais supporte des câbles plus anciens. Il existe trois standards fast Ethernet opérant sur de la fibre optique : 100BASE-FX : marche sur une fibre optique multi-mode à gradient d’indice. Il utilise une longueur d’onde de 1300 nm via deux brins de fibre optique, l’une pour recevoir, et l’autre pour transmettre. Pour une connexion en half duplex la distance maximale d’utilisation est de 400 mètres, ou de deux kilomètres en full duplex. 100BASE-SX : marche sur une fibre optique multi-mode, utilisant deux brins de la même manière que le 100BASE-FX. Il utilise une longueur d’onde plus courte, coûtant ainsi moins cher que les fibres pour le 100BASE-FX, mais limitant sa distance d’utilisation à 300 mètres. Le fait d’utiliser la même longueur d’onde que le 10BASE-FL permet la compatibilité de ces deux standards. 100BASE-BX : marche sur un brin d’une fibre optique monomode, avec un multiplexage en longueur d’onde permettant de séparer le signal en transmission et réception. Les deux longueurs d’ondes utilisés sont soit 1310/1550 nm soit 1310/1490 nm, et permettent d’avoir une distance d’utilisation maximale de 10, 20 ou 40 km. 16 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications d. Gigabit Ethernet Le terme Gigabit Ethernet décrit les différentes technologies utilisées pour implémenter le standard Ethernet à des débits de 1Gbs. Il opère sur trois différents médiums : fibre optique, paires torsadés, et câble en cuivre. Il existe deux standards sur fibre optique, plus deux types d’Ethernet non-standardisés utilisés dans l’industrie : 1000BASE-LX : est un standard utilisant un support laser grandes ondes (de 1270 à 1355 nm). Sur fibre monomode, la distance maximale d’utilisation est de 5km. Sur fibre multimode cette distance est réduite à 550m. 1000BASE-SX : est un standard utilisant des petites longueurs d’ondes sur fibre optique multi-mode (770 à 860 nm), destiné au câblage intra-muro. La distance maximale d’utilisation est entre 220 et 550 mètres. 1000BASE-LH est non-standardisé. Il utilise une longueur d’onde de 1300 nm, et peut atteindre une distance d’utilisation de 10km sur fibre monomode, tout en étant compatible avec le standard 1000BASE-LX. 1000BASE-ZX : est non-standardisé. Il utilise une longueur d’onde de 1550 nm, permettant d’atteindre une distance d’utilisation maximale de 70 km sur fibre monomode. Il existe encore deux autres standards : 1000BASE-CX : est un standard qui opère sur câble en cuivre, avec pour distance maximale de 25 mètres. Il est de moins en moins utilisé. 1000BASE-T : est le standard gigabit le plus répandu, opèrant sur paires torsadés, et à une distance d’utilisation maximale de 100 mètres. 17 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications e. 10-gigabit Ethernet (10GbE) Le terme 10GbE désigne versions Ethernet fonctionnant à un débit de 10Gbs. Le standard 10GBASE-R regroupe les standards fonctionnant sur un support fibre optique. Il en existe six : 10GBASE-SR (Short Range) : est un standard utilisant un support laser à petites ondes (850 nm). Sur des fibres optiques multimodes il peut atteindre des distances d’utilisation ent re 26 et 82 mètres dépendant du câble. 10GBASE-LR (Long Range): est un standard utilisant un support laser à grandes ondes (1310 nm). Sur des fibres monomodes, il peut atteindre des distances d’utilisation entre 10 et 25 km. 10GBASE-LRM (Long Reach Multimode) : est un standard utilisant une longueur d’onde de 1310 nm, sur fibre optique multimode et peut atteindre une distance d’utilisation de 260 mètres. 10GBASE-ER (Extended Range) : est un standard utilisant un support laser sur une longueur d’onde de 1550 nm, et atteind un distance d’utilisation de 40 km. 10GBASE-ZR : est non-standardisé, mais en utilisant en encapsulation SDH/SONET ce standard permet d’atteindre une distance de 80 km. 10GBASE-LX4 : est un standard utilisant un multiplexage en longueur d’onde sur fibre optique multimode qui permet d’avoir une distance maximale de 240 à 300 mètres. En utilisant une fibre optique monomode on peut atteindre 10km. Les standards 10GBASE-X et 10GBASE-T regroupent les standards utilisant comme support le cuivre sur des câbles cat6a et twin-ax. Il en existe trois: 10GBASE-CX4 : est un standard opèrant sur quatre lignes de cuivre, ce qui le rends le plus économique des standards 10gigabit, mais à une distance d’utilisation de seulement 15 mètres. SFP + Direct Attach : est un standard opèrant sur un câble twin-ax, et une distance d’utilisation de 10 mètres. 10GBASE-T: est un standard opèrant sur paires torsadés, avec une distance d’utilisation de 100 mètres. Son avantage est de pouvoir fonctionner sur des infrastructures du standard 10GBASE-T et ainsi faire une mise à jour graduelle du réseau. 18 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications f. Ethernet First Mile Ethernet in the First Mile (IEEE 802.3) est un standard définissant Ethernet dans le réseau d’accès. Il définit trois types de liaison : Point-à-point sur cuivre simple paire : - 2BASE-TL : débit de 2Mbs, distance maximum de 2700 mètres. - 10PASS-TS : débit de 10 Mbs, distance maximum de 750 mètres. Point-à-point sur fibre optique : - 100BASE-LX10 : sur paire de fibre monomode, débit de 100Mbs, distance maximum de 10km. - 100BASE-BS10 : sur fibre monomode, débit de 100 Mbs, distance maximum de 10km. - 1000BASE-LX10 : sur paire de fibre monomode, débit de 1 Gbs, distance maximu de 10km. - 1000BASE-BX10 : sur fibre monomode, débit de 1Gbs, distance maximum de 10 km. Point-à-multipoint avec fibre optique sur PON, qui permet un type de débit modulable : - 1000BASE-PX10 : débit de 1 Gbs , distance maximale de 10 km. - 1000BASE-PX20 : débit de 1 Gbs, distance maximale de 20 km. 19 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications 8. Conclusion L’introduction d’équipements comme les ponts et les commutateurs ont permis d’augmenter le nombre d’utilisateurs, et de fiabilisé les réseaux Ethernet. Grâce à l’utilisation de la fibre optique, l’amélioration des émetteurs et récepteurs, le débit et la distance d’utilisation des réseaux Ethernet ont était considérable augmenté. Un des aboutissements de ce développement est le succès d’une liaison Ethernet entre Tokyo et Osaka (soit 600 km) avec un débit de 100 Gbs, qui repose sur un réseau en fibre optique dont certains équipements utilisent une technologie basés sur des circuits intégrés photoniques et la virtualisation de bande passante, qui n’ont pas été énoncé dans ce document. Sigle Dénomination Câble Connecteur 10Base2 Thin Ethernet Câble coaxial (50 Ohms) de faible diamètre 10Base5 Thick Ethernet Câble coaxial de gros diamètre (0.4 BNC inch) 10Base-T Ethernet standard Paire torsadée (catégorie 3) BNC RJ-45 Débit Portée 10 Mb/s 185m 10Mb/s 500m 10 Mb/s 100m 100Base-TX Fast Ethernet Double paire torsadée (catégorie 5) RJ-45 100 Mb/s 100m 100Base-FX 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 1000BaseLX Ethernet Gigabit Fibre optique monomode ou multimode 1000 Mb/s 550m 1000BaseSX Ethernet Gigabit Fibre optique multimode 1000 Mbit/s 550m 10GBase-SR Ethernet 10Gigabit Fibre optique multimode 10 Gbit/s 500m 10GBaseLX4 Ethernet 10Gigabit Fibre optique multimode 10 Gbit/s 500m Tableau 1: Récapitulatif des Standards les plus Répandus 20 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban Département Electronique, Signal et Télécommunications Bibliographie http://fr.wikipedia.org/wiki/Ethernet http://www.ieee802.org/3/ http://www.commentcamarche.net/contents/technologies/ethernet.php3 http://djoume.taket.org/reseau/ethernet.pdf http://grouper.ieee.org/groups/1394/c/20031216/Sync_Ethernet_039a_draft.pdf http://www.linux-france.org/prj/inetdoc/articles/ethernet/ethernet.ieee.html 21 MAUSSAND David – MEILHAC Alexis – THEYS Alban
