La technologie Ethernet

Ce laboratoire présente la technologie Ethernet, ses caractéristiques, ses supports physiques, ses topologies, ses méthodes d’accès, ainsi que le matériel et le câblage associés. Il permet de comprendre le fonctionnement des réseaux locaux Ethernet, leur normalisation, l’adressage, la gestion des collisions, et les équipements utilisés. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire d’avoir des notions de réseaux informatiques, ainsi que du matériel Ethernet de base (câbles, cartes réseau, hubs, répéteurs).

Objectifs

• Comprendre les différentes générations et caractéristiques des réseaux locaux Ethernet.
• Identifier les supports physiques utilisés en Ethernet et leurs propriétés.
• Connaître les topologies réseau courantes et leurs avantages/inconvénients.
• Maîtriser les méthodes d’accès au média, notamment CSMA/CD et la gestion des collisions.
• Connaître la structure des trames Ethernet et leur adressage.
• Comprendre le rôle des équipements réseau : transceivers, répéteurs, hubs, ponts.
• Appliquer les règles de câblage structuré et exploiter un réseau Ethernet.

Prérequis et installation

• Connaissances de base en réseaux informatiques et couches OSI.
• Matériel Ethernet : cartes réseau, câbles coaxiaux (10Base5, 10Base2), câbles à paires torsadées (10BaseT), fibre optique (10BaseF).
• Équipements réseau : transceivers, hubs, répéteurs, ponts (bridges).
• Logiciels ou outils d’analyse réseau (analyseurs, sondes, valises de tests) pour la vérification et le diagnostic.

Présentation des réseaux locaux Ethernet

Les réseaux locaux (LAN) Ethernet ont évolué en plusieurs générations selon la bande passante :

• Première génération : 1 à 10 Mb/s (Ethernet IEEE 802.3, Token bus IEEE 802.4, Token ring IEEE 802.5)
• Deuxième génération : 100 Mb/s (Fast Ethernet, FDDI, DQDB)
• Troisième génération : Gb/s (Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet)

Les LAN se caractérisent par leur topologie, méthode d’accès et support physique. La carte réseau (NIC) est un composant de couche 2 qui adapte l’unité hôte au média réseau.

Supports physiques en Ethernet

Le choix du système de câblage dépend du coût, de l’environnement, de la fiabilité, de la sécurité, du nombre de points d’accès et du volume de trafic.

Câble coaxial

• Conducteur en cuivre entouré d’un isolant et d’un blindage métallique.
• Supporte des débits jusqu’à 100 Mb/s et une bande passante jusqu’à 400 MHz.
• Protégé contre les interférences et adapté aux grandes distances.

Câble à paires torsadées

• Composé de quatre paires de fils torsadés, blindés (STP) ou non (UTP).
• Limite la diaphonie et les interférences électromagnétiques.
• Faibles distances et débits limités sans amplification, mais économique et simple.

Fibre optique

• Composée d’un cœur en verre/plastique à fort indice de réfraction entouré d’une gaine à faible indice.
• Transport optique, débit élevé (Gb/s), excellente qualité de transmission, mais coûteuse.
• Deux types : multimode (LED, diamètre 50-62,5 microns) et monomode (laser, diamètre 9-10 microns).

Communication sans fil

Utilise des ondes électromagnétiques dans l’air ou le vide, sans média physique, avec des cartes réseau sans fil.

Topologies des réseaux locaux

La topologie définit la manière dont les nœuds sont interconnectés :

Topologie en bus

• Connexion par un câble commun où chaque interface NIC a une adresse unique.
• Contrôle centralisé (maître) ou réparti (tous les nœuds).
• Avantages : facilité d’ajout/suppression de nœuds, pas d’impact d’une défaillance locale, bon rapport performance/prix.
• Inconvénients : coupure du câble divise le réseau, sensible à la longueur, efficacité dépend de la méthode d’accès.

Topologie en anneau

• Message transmis de nœud en nœud jusqu’à destination.
• Avantages : simplicité d’acheminement, hauts débits, bonne qualité du signal, extension simple.
• Inconvénients : arrêt du réseau pour modification, défaillance d’un nœud paralyse tout le réseau.

Topologie en étoile

• Un nœud central contrôle et achemine tout le trafic.
• Avantages : grande fiabilité, défaillance d’un nœud externe sans impact, extension facile, détection de problèmes simplifiée.
• Inconvénients : défaillance du nœud central arrête le réseau, contraintes d’utilisation, nombre de nœuds limité, débits dépendants du nœud central, câblage plus long.

Topologies étendues

• Étoile étendue : relie plusieurs étoiles individuelles, réduisant le nombre de nœuds par nœud central.
• Topologie maillée : chaque nœud relié à tous les autres, sans rupture de communication, mais nécessite beaucoup de liaisons.

Méthodes d’accès au média

Permettent à un nœud d’obtenir l’autorisation d’émettre dans de bonnes conditions.

Accès aléatoire

• Origine : ALOHA, transmission sans coordination, collisions possibles.
• Slotted ALOHA : division du temps en tranches, émission au début de chaque tranche, retransmission aléatoire en cas de collision.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

• Écoute du canal avant émission, différer si canal occupé.
• Réduit les collisions mais ne les élimine pas.
• Variantes : non persistant, p-persistant (émission avec probabilité p), persistant (attente canal libre).

CSMA/CD (Collision Detection)

• Les nœuds écoutent aussi pendant l’émission.
• En cas de collision, arrêt immédiat de la transmission, envoi de bits de bourrage (jam), puis attente aléatoire avant réémission (algorithme Backoff).

CSMA/CA (Collision Avoidance)

• Les nœuds attendent un temps aléatoire avant d’émettre pour minimiser les collisions.

Autres méthodes

• TDMA (Time Division Multiple Access) : attribution d’un laps de temps pour chaque poste, évite les collisions.
• FDMA (Frequency Division Multiple Access) : attribution d’une bande passante propre à chaque poste.
• Méthode du Jeton : circulation d’un jeton libre ou occupé, émission possible uniquement avec jeton libre, évite les collisions.

Normalisation et adressage

La norme IEEE 802 régit les réseaux locaux :

• 802.3 : Ethernet CSMA/CD
• 802.4 : Jeton sur bus
• 802.5 : Jeton sur boucle
• 802.6 : DQDB

L’adressage utilise des adresses MAC de 6 octets, universelles (attribuées par IEEE) ou locales (administrateur). Les adresses peuvent être :

• Broadcast : FF:FF:FF:FF:FF:FF
• Multicast : premier bit transmis = 1 (adresse impair)
• Unicast : premier bit transmis = 0 (adresse pair)

Exemples d’adresses réservées pour constructeurs :

• Cisco : 00:00:0C:XX:XX:XX
• Sun : 08:00:20:XX:XX:XX
• HP : 08:00:09:XX:XX:XX

Structure des trames Ethernet (802.3)

Une trame 802.3 comprend :

• Préambule : 7 octets (56 bits), motif 10101010, synchronisation bit
• Délimiteur de début de trame (SFD) : 1 octet, 10101011, synchronisation caractère et trame
• Adresse destination : 6 octets (unicast, multicast, broadcast)
• Adresse source : 6 octets
• Longueur des données : 2 octets (1 à 1500)
• Données : 0 à 1500 octets
• Padding : 0 à 46 octets pour atteindre 64 octets minimum
• Contrôle (FCS) : 4 octets, CRC 32 bits

La trame Ethernet diffère par un champ type (2 octets) indiquant le protocole (ex. 0800 pour IP, 0806 pour ARP).

Gestion des collisions

Le temps de propagation aller-retour (Round Trip Delay, RTD) est limité à 50 µs. La norme définit un Slot Time de 51,2 µs, correspondant à une trame minimale de 512 bits (64 octets). Une station doit écouter le signal de collision pendant ce temps.

En cas de collision détectée, la station arrête l’émission, envoie 32 bits de bourrage (jam), puis attend un délai aléatoire avant de réémettre selon l’algorithme BEB :

Attente = R * 51.2 µs
0 ≤ R ≤ (2^i) - 1
i = min(n, 10)
n = nombre de retransmissions déjà effectuées

Le nombre maximal de réémissions est 15.

Matériel et câblage Ethernet

Segments réseau

Un réseau Ethernet peut comporter plusieurs segments reliés par des répéteurs. Les segments peuvent être :

• Câble coaxial (10Base5, 10Base2)
• Liaison point à point autour d’un hub (10BaseT)

Transceivers

• Transmettent et reçoivent les signaux codés.
• Assurent l’isolation électrique entre station et réseau.
• Détectent les collisions par comparaison des signaux émis et reçus (encodage Manchester).
• Gèrent les erreurs de type jabber (trame trop longue).

Normes câblage

• 10Base5 : câble épais (diamètre 0,4 inch), bus, max 100 stations, distance max 500 m, half duplex.
• 10Base2 : câble fin, bus, max 30 stations, distance max 185 m, sensible aux perturbations.
• 10BaseT : paire torsadée UTP, topologie étoile, max 30 stations, distance max 100 m, transceiver intégré.
• 10BaseF : fibre optique, point à point ou étoile, plusieurs types (FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB, 10Base-FP).

Répéteurs et concentrateurs (hubs)

• Répéteur : équipement actif de couche 1, amplifie et retransmet les signaux, détecte et propage les collisions, ne filtre pas les trames.
• Concentrateur (hub) : répéteur multi-ports, régénère et envoie les signaux sur tous les ports, peut mixer différents médias.
• Règle des quatre répéteurs : maximum 4 répéteurs entre deux ordinateurs pour respecter le délai maximal (règle 5-4-3-2-1).

Ponts (bridges)

• Dispositif actif filtrant les trames entre segments.
• Permet d’augmenter la distance entre stations et de diminuer la charge réseau.
• Apprentissage des adresses pour ne pas transmettre inutilement les trames.
• Permet une distance théoriquement illimitée en cascade.

Câblage structuré

• Les équipements sont reliés par des liaisons point à point vers des locaux d’interconnexion.
• Utilisation de panneaux de brassage, hubs, commutateurs, ponts, routeurs.
• Respect des normes de câblage RJ45 (ordre des fils selon TIA/EIA 568A ou 568B).
• Passage des câbles dans des canalisations pour éviter chocs et tractions.

Exploitation et diagnostic d’un réseau Ethernet

Les problèmes courants sont liés au câblage et à la charge :

• Manque de bouchon, coupure ou clou dans le câble coaxial.
• Charge élevée dégrade les performances (réseau à diffusion et débit fixe).
• Segmenter le réseau pour limiter la charge à environ 2 Mb/s par segment.
• Mesurer le taux de collisions : au-delà de 10% des trames, vérifier matériel et segmenter.

Outils d’analyse :

• Analyseurs : matériel + logiciel pour détecter coupures, espionner trames, mesurer charge, collisions, erreurs.
• Sondes : accessibles à distance, fonction d’analyseur.
• Valises de tests : vérification de la continuité, atténuation, RTD, qualité de transmission.

Résultats attendus

• Identification claire des supports physiques et topologies Ethernet.
• Compréhension des méthodes d’accès et gestion des collisions CSMA/CD.
• Capacité à analyser la structure des trames Ethernet et leur adressage.
• Maîtrise des règles de câblage et des limites matérielles (règle des quatre répéteurs).
• Utilisation efficace des outils d’analyse pour diagnostiquer un réseau Ethernet.
• Observation d’un réseau segmenté avec un taux de collisions inférieur à 10%.

Pièges courants

• Ignorer la règle des quatre répéteurs, ce qui peut provoquer des délais excessifs et des collisions non détectées.
• Confondre les types de câbles et leurs limites (ex. utiliser un câble 10Base2 au-delà de 185 m).
• Ne pas respecter l’ordre des fils dans les connecteurs RJ45, entraînant des dysfonctionnements.
• Omettre le padding dans les trames courtes, ce qui peut entraîner leur rejet.
• Ne pas écouter suffisamment longtemps le signal de collision (51,2 µs) avant de conclure à l’absence de collision.
• Ne pas segmenter un réseau trop chargé, provoquant des performances dégradées et des collisions fréquentes.
• Confondre les adresses universelles et locales, ou mal interpréter les adresses multicast et broadcast.