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 les principes fondamentaux d’Ethernet, les normes IEEE 802.3, et les règles d’exploitation d’un réseau Ethernet. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire d’avoir des connaissances de base en réseaux locaux et en couches OSI, ainsi que l’accès à un matériel Ethernet standard (câbles coaxiaux, paires torsadées, hubs, répéteurs, etc.).

Objectifs

• Comprendre les différentes générations et caractéristiques des réseaux locaux Ethernet.
• Identifier les supports physiques utilisés en Ethernet (câble coaxial, paires torsadées, fibre optique, sans fil).
• Connaître les topologies réseau courantes : bus, anneau, étoile, étoile étendue, maillée.
• Maîtriser les méthodes d’accès au média, notamment CSMA/CD et les variantes.
• Appréhender la structure des trames Ethernet et IEEE 802.3.
• Connaître le matériel Ethernet : transceivers, répéteurs, concentrateurs, ponts.
• Appliquer les règles de câblage structuré et d’exploitation d’un réseau Ethernet.

Prérequis et préparation

• Connaissances de base sur les réseaux locaux (LAN) et le modèle OSI.
• Matériel Ethernet : câbles coaxiaux (10Base5, 10Base2), paires torsadées (10BaseT), fibre optique (10BaseF), hubs, répéteurs, ponts.
• Logiciels ou outils d’analyse de réseau (analyseurs, sondes, valises de tests) pour la phase d’exploitation.
• Compréhension des normes IEEE 802.3 et des principes de la couche liaison (MAC et LLC).

Introduction aux réseaux locaux et Ethernet

Commencez par étudier les différentes générations de réseaux locaux 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).

Notez les caractéristiques techniques principales d’un LAN : topologie, méthode d’accès, support physique, et rôle des cartes réseaux (NIC) qui adaptent l’unité hôte au média réseau.

Étude des supports physiques

Examinez les différents supports de transmission :

• Câble coaxial : conducteur central en cuivre, isolant, blindage en cuivre tressé. Supporte jusqu’à 100 Mb/s, large bande passante (400 MHz), bonne protection contre les interférences, adapté aux longues distances.
• Paires torsadées : quatre paires de fils cuivre isolés, torsadés pour réduire les interférences électromagnétiques et radiofréquences. Types : STP (blindé) et UTP (non blindé). Limites : affaiblissement important, faibles distances, remédié par amplificateurs et transmission numérique en bande de base.
• Fibre optique : cœur en verre ou plastique à fort indice de réfraction, enveloppé d’un plastique à faible indice. Transport optique, très haut débit (Gb/s), excellente qualité de transmission, mais coûteux. Types : multimode (LED, diamètre 50-62,5 microns) et monomode (laser, diamètre 9-10 microns).
• Communication sans fil : transmission par ondes électromagnétiques dans l’air, sans média physique, nécessite des cartes réseaux sans fil.

Topologies des réseaux locaux

Analysez les topologies principales :

• Bus : liaison linéaire passive, chaque interface NIC possède une adresse. Avantages : facilité de connexion/déconnexion, tolérance aux défaillances d’un nœud, bon rapport performance/prix. Inconvénients : coupure du câble divise le réseau, sensibilité à la longueur, dépendance à la méthode d’accès.
• Anneau : message transmis de nœud en nœud jusqu’à destination. Avantages : simplicité d’acheminement, possibilité de hauts débits, signal de bonne qualité, extension simple. Inconvénients : arrêt du réseau pour modification, défaillance d’un nœud paralyse tout le réseau.
• Étoile : 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 tout, contraintes liées à la centralisation, nombre limité de nœuds, débits dépendant du nœud central, longueur de câble plus importante.
• Étoile étendue : relie plusieurs étoiles individuelles, diminue le nombre de nœuds par nœud central.
• Maillée : chaque nœud relié à tous les autres, pas de rupture possible, mais nécessite beaucoup de liaisons.

Méthodes d’accès au média

Étudiez les méthodes d’accès utilisées pour gérer l’émission sur le média partagé :

• Accès aléatoire : basé sur ALOHA, émission sans coordination, collisions possibles, retransmission après délai aléatoire (Slotted ALOHA).
• CSMA (Carrier Sense Multiple Access) : écoute du canal avant émission, différer si occupé, réduit collisions mais ne les évite pas.
• Variantes CSMA :
  • Non persistant : écoute, émet si libre, sinon attend temps aléatoire.
  • p-persistant : émet avec probabilité p si canal libre.
  • Persistant : écoute jusqu’à libération, puis émet immédiatement.
• CSMA/CD (Collision Detection) : écoute pendant émission, arrêt si collision détectée, envoi de bits de bourrage (jam), reprise après délai variable (Backoff).
• CSMA/CA (Collision Avoidance) : attente aléatoire avant émission pour minimiser collisions.
• TDMA (Time Division Multiple Access) : attribution de créneaux horaires pour émettre, utilisé dans PABX.
• FDMA (Frequency Division Multiple Access) : attribution de bandes passantes propres à chaque poste.
• Méthode du Jeton : utilisée en anneau, jeton circule, émission possible uniquement si jeton libre, pas de collision.

Normes et adressage

Familiarisez-vous avec la normalisation IEEE :

• IEEE 802.3 : Ethernet avec CSMA/CD.
• IEEE 802.4 : Jeton sur bus.
• IEEE 802.5 : Jeton sur boucle.
• IEEE 802.6 : DQDB.
• Couche LLC (Logical Link Control) : IEEE 802.2, gestion de la communication entre hôtes, offre trois types de services (type 1, 2, 3).

Adresses Ethernet :

• Adresse universelle IEEE : attribuée globalement, second bit transmis = 0, premier octet pair (ex. 00, 01, 04, 05, 08, 09, 0C, 0D, 10).
• Adresse locale : administrée localement, second bit transmis = 1, premier octet impair (ex. 02, 03, 06, 07, 0A, 0B, 0E, 0F, 12).
• Adresse Broadcast : FF:FF:FF:FF:FF:FF.
• Adresse Multicast : premier bit transmis = 1, premier octet impair.
• Adresse Unicast : premier bit transmis = 0, premier octet pair.

Structure de la trame Ethernet (IEEE 802.3)

Analysez la structure d’une trame 802.3 :

Préambule : 7 octets (56 bits) = 10101010 répété, durée 5.6 µs, 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 (adresse physique de l’émetteur)
Longueur des données : 2 octets (1 à 1500 octets)
Données : 0 à 1500 octets
Padding : 0 à 46 octets (complète la trame à 64 octets minimum)
Contrôle (FCS) : 4 octets, CRC 32 bits

Notez que la trame Ethernet diffère de la trame 802.3 par le champ « type » (2 octets) indiquant le protocole supérieur (ex. 0800 pour IP, 0806 pour ARP).

Fonctionnement de la couche physique et détection de collision

La couche physique assure l’interface entre la couche MAC et le média :

• Transmission et réception des bits.
• Détection de porteuse (carrier sense) et de collision (collision detection).

Le problème des collisions vient du délai de propagation non nul, pouvant entraîner l’émission simultanée de deux stations. La norme limite ce délai à 50 µs aller-retour (Round Trip Delay). Le « Slot Time » est fixé à 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) pour avertir tous les nœuds, puis attend un délai aléatoire avant de réémettre selon l’algorithme BEB (Binary Exponential Backoff) :

Attente = R * 51.2 µs
avec 0 ≤ R ≤ 2^i - 1
i = min(nombre de retransmissions déjà effectuées, 10)
Nombre maximal de retransmissions = 15

Matériel et câblage Ethernet

Un réseau Ethernet est composé de segments reliés par différents matériels :

• Transceiver (MAU) : transmet et reçoit les signaux codés, assure l’isolation électrique, détecte les collisions par comparaison des signaux émis et reçus (codage Manchester), gère les erreurs jabber (trames trop longues).
• Types de câbles :
  • 10Base5 (Thick Ethernet) : câble coaxial épais, topologie bus, 10 Mb/s, 500 m max, 100 stations max, mode half duplex.
  • 10Base2 (Thin Ethernet) : câble coaxial fin, topologie bus, 185 m max, 30 stations max, raccordement par connecteur BNC en T.
  • 10BaseT : paires torsadées UTP, topologie étoile, raccordement RJ45, 100 m max entre station et hub, 30 stations max.
  • 10BaseF (fibre optique) : point à point ou étoile, plusieurs types (FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB, 10Base-FP) avec des portées de 500 m à 2000 m selon le type.
• Répéteurs : dispositifs actifs de couche 1, amplifient et retransmettent les signaux, augmentent la distance entre segments, détectent et propagent les collisions, ne filtrent pas les trames.
• Concentrateurs (hubs) : répéteurs multi-ports, régénèrent et envoient les signaux sur tous les ports, peuvent être empilables, permettent de mixer différents médias.
• Ponts (bridges) : dispositifs actifs filtrants, diminuent la charge du réseau en isolant les segments, apprennent les adresses pour ne pas transmettre inutilement les trames, permettent une distance théoriquement illimitée entre stations.

Règles importantes de câblage et d’interconnexion

Respectez la règle des quatre répéteurs :

• Maximum 4 répéteurs ou concentrateurs entre deux stations.
• Cette limite garantit que le délai total (répéteurs + câbles + cartes) reste inférieur au délai maximal autorisé.
• Règle dite 5-4-3-2-1 : 5 segments, 4 répéteurs, 3 segments remplis, 2 segments de liaison, 1 domaine de collision.

Le câblage structuré doit :

• Relier les équipements par des liaisons point à point convergeant vers des locaux d’interconnexion (panneaux de brassage).
• Utiliser des câbles adaptés (paires torsadées, coaxial, fibre) selon les besoins.
• Respecter les normes de connexion RJ45 (ordre des fils).
• Protéger les câbles (passage dans des canalisations plutôt que fixés directement au mur).

Exploitation et diagnostic d’un réseau Ethernet

Pour identifier les dysfonctionnements (câblage, charge), procédez ainsi :

• Vérifiez la présence des bouchons terminaux sur les segments coaxiaux.
• Inspectez les câbles pour coupures ou dommages (clous, torsions).
• Tracez et mettez à jour une carte du réseau pour visualiser la topologie.
• Utilisez des outils d’analyse : analyseurs de réseau (logiciel + matériel dédié), sondes, valises de tests.

Surveillez la charge du réseau :

• Ethernet est un réseau à diffusion et débit fixe ; la performance diminue avec le nombre d’acteurs.
• Un taux de collisions supérieur à 10 % indique un problème.
• Segmenter le réseau pour maintenir un débit raisonnable (environ 2 Mb/s par segment).
• Utilisez les analyseurs pour identifier les sources de charge anormale et mesurer les collisions.
• Vérifiez le matériel (transceiver, répéteur) sur les segments problématiques.

Résultats attendus

• Identification claire des différents supports physiques et topologies Ethernet.
• Compréhension des méthodes d’accès et détection de collisions.
• Capacité à analyser une trame Ethernet et à reconnaître ses champs.
• Respect des règles de câblage et interconnexion pour garantir la stabilité du réseau.
• Utilisation efficace des outils d’analyse pour diagnostiquer et résoudre les problèmes.
• Maintien d’un taux de collision inférieur à 10 % pour un réseau performant.

Pièges courants

• Ne pas respecter la règle des quatre répéteurs, ce qui provoque des délais trop longs et des collisions non détectées.
• Omettre les bouchons terminaux sur les segments coaxiaux, entraînant des réflexions et perturbations.
• Confondre les types d’adresses Ethernet (universelle, locale, multicast, broadcast) lors du diagnostic.
• Ignorer la longueur minimale de trame (64 octets), ce qui peut fausser la détection de collision.
• Utiliser un câblage non conforme aux normes RJ45, causant des pertes ou erreurs.
• Ne pas segmenter un réseau trop chargé, ce qui dégrade fortement les performances.
• Oublier d’attendre l’espace inter-trame (9,6 µs) avant d’émettre, ce qui peut provoquer des collisions.