Connexion et protocole Ethernet : comment ça marche

Ethernet est une technologie et protocole de connexion et de communication pour les réseaux locaux (LAN) et les réseaux étendus (WAN).
C'est une mise en réseau filaire qui se traduit par des câbles RJ45 qui relie des équipements comme des PC, imprimantes.
Ensuite ces derniers peuvent communiquer et échanger des données au sein du protocole Ethernet.

Ethernet a très vite été étendu pour inclure toute une famille de technologies prenant en charge diverses architectures et topologies de réseau dans le cadre du groupe de travail IEEE 802.3 dédié à la prise en charge de la mise en réseau à l'aide de connexions physiques et de périphériques (c'est-à-dire non sans fil).

Cet article vous explique comment fonctionne Ethernet.
Comment les périphériques communiquent en Ethernet au sein d'un réseau local (LAN).

Connexion et protocole Ethernet : comment ça marche

Qu'est-ce que Ethernet ?

Ethernet est une norme, technologie et protocole de connexion entre ordinateurs qui forme la base de la plupart des réseaux locaux (LAN).
Il permet de relier des PC ou imprimantes à travers des câbles réseaux dans un espace restreint comme un bâtiments.
Enfin il donne les spécifications et méthodes de communications entre ces périphériques.
Comment les paquets sont transmis dans le réseau local.

Ainsi, dès lorsque vous utilisez un périphérique avec un câble, ce dernier se base sur Ethernet pour communiquer.

Ethernet a donné lieu à une autre avancée, l'Ethernet duplex intégral. Le duplex intégral est un terme de communication de données qui fait référence à la capacité d'envoyer et de recevoir des données en même temps.

C'est est une technologie pour réseaux locaux, avec des réseaux fonctionnant traditionnellement dans un seul bâtiment, connectant des appareils à proximité. Tout au plus, les périphériques
Ethernet ne pourraient avoir que quelques centaines de mètres de câble entre eux, ce qui rend impossible la connexion d'emplacements dispersés géographiquement. Les progrès modernes ont considérablement augmenté ces distances, permettant aux réseaux Ethernet de s'étendre sur des dizaines de kilomètres.

A lire :

Ethernet dans le modèle OSI

Ethernet fonctionne dans les deux couches inférieures du modèle OSI: la couche liaison de données et la couche physique.

Ce protocole réseau fonctionne sur deux couches du modèle OSI.
Le modèle fournit une référence à laquelle Ethernet peut être associé, mais il est en fait implémenté dans la moitié inférieure de la couche liaison de données, connue sous le nom de sous-couche MAC (Media Access Control), et la couche physique uniquement.
Ethernet au niveau de la couche 1 implique des signaux, des flux binaires qui voyagent sur le support, des composants physiques qui placent des signaux sur le support et diverses topologies.
Ethernet Layer 1 joue un rôle clé dans la communication qui a lieu entre les périphériques, mais chacune de ses fonctions a des limites.
Comme le montre la figure, Ethernet au niveau de la couche 2 résout ces limitations.

Ethernet dans le modèle OSI
Ethernet dans le modèle OSI - source www.researchgate.net

Les sous-couches Data Link contribuent de manière significative à la compatibilité technologique et aux communications informatiques.
La sous-couche MAC est concernée par les composants physiques qui seront utilisés pour communiquer les informations et prépare les données pour la transmission sur le support.

La sous-couche Logical Link Control (LLC) reste relativement indépendante de l'équipement physique qui sera utilisé pour le processus de communication.
Elle prend les données du protocole de réseau, qui sont généralement un paquet IPv4, et ajoute des informations de contrôle pour aider à livrer le paquet au nœud de destination.
La couche 2 communique avec les couches supérieures via LLC. LLC est implémentée dans un logiciel et sa mise en œuvre est indépendante de l'équipement physique. Dans un ordinateur, la LLC peut être considérée comme le logiciel pilote de la carte d'interface réseau (NIC).
Le pilote NIC est un programme qui interagit directement avec le matériel sur le NIC pour transmettre les données entre le support et la sous-couche Media Access Control.

Trame, paquet et segment TCP

Standard IEEE, débits et vitesses Ethernet

En février 1980, l'Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens, ou IEEE (prononcé «I triple E»), a créé un comité pour normaliser les technologies de réseau. L'IEEE a intitulé ce groupe de travail 802, nommé d'après l'année et le mois de sa formation.
Les sous-comités du groupe de travail 802 ont abordé séparément différents aspects de la mise en réseau.
L'IEEE a distingué chaque sous-comité en le numérotant 802.X, X représentant un numéro unique pour chaque sous-comité.
Le groupe 802.3 a normalisé le fonctionnement d'un réseau CSMA / CD qui était fonctionnellement équivalent au DIX Ethernet.

Ethernet et 802.3 diffèrent légèrement dans leur terminologie et le format de données de leurs trames, mais sont à bien des égards identiques. Aujourd'hui, le terme Ethernet fait référence de manière générique à la fois à l'implémentation Ethernet DIX et à la norme IEEE 802.3.

Ainsi il existe de nombreux sous standard Ethernet avec des normes différentes.
Ces derniers évoluent dans le temps avec des vitesses et débits toujours plus importants.

Ce tableau récapitule les standard et vitesse les plus fréquents.

DébitsStandard EthernetNorme
10 Mbit/s10BASE-T
100 Mbit/s100BASE-T4 avec câble Cat.5
100BASE-FX - Ethernet 100 Mbit/s sur fibre optique.
Fast Ethernet (100 Mbit/s)
IEEE 802.3u et IEEE 802.3y
1000 Mbit/s - 1 Gb/s
1000BASE-T
Gigabit Ethernet (GbE)
IEEE 802.3z et 802.3ab.
10 000 Mbit/s - 10 Gb/s10GBASE-T
Ethernet 10 gigabits
IEEE 802.3ae
40 Gb/s
100 Gb/s
40GBASE et 100GBASEIEEE 802.3ba
(2010)
200 Gb/s
400 Gb/s
200GBASE et 400GBASEIEEE 802.3bs
(Dec. 2017 - peu utilisé)
Les débits et vitesses Ethernet

Ethernet : comment ça marche

Le protocole Ethernet spécifie un ensemble de règles pour permettre la communication dans un réseau local.

Voici les grandes étapes d'une connexion Ethernet dans un réseau LAN :

  • Le périphérique doit comporter une carte réseau Ethernet avec une prise Ethernet
  • on branche un câble RJ45 vers un routeur ou commutateur réseau (switch)
  • On fait de même avec les autres équipements que l'on souhaite connecter au réseau LAN ou WAN
  • Ensuite on configure le protocole IP (adresse IP, passerelle, masque de sous-réseau).
  • Les paquets IP sont encapsulés dans la trame Ethernet qui est diffusée sur le réseau. Elle stocke la source et le destinataire à l'aide de l'adresse MAC.

Voici un schéma d'un réseau LAN simple avec un routeur qui permet le partage de la connexion internet et la communication entre les périphériques.

Un réseau local LAN utilise Ethernet pour fonctionner

Plus de détails dans cet article :

La carte réseau Ethernet

Une carte Ethernet de votre ordinateur remplit une fonction de base : transmettre des données du réseau à votre ordinateur.
Les cartes Ethernet sont des cartes d'extension physiques qui s'insèrent dans un logement d'extension PCI sur un ordinateur.
De nos jours, la plupart des ordinateurs ont également des cartes Ethernet intégrées qui se trouvent directement à la carte mère.

Une carte réseau ou carte Ethernet sur laquelle on peut brancher un câble réseau RJ45

La carte réseau Ethernet possède un identifiant unique que l'on nomme adresse MAC.
Cette adresse est essentiel dans le fonctionne du protocole Ethernet.

On installe ensuite le pilote NIC dans le système d'exploitation qui va permettre de dialoguer avec le matériel.
L'OS monte alors une interface réseau et l'utilisateur peut configurer les paramètres réseaux et notamment TC/IP de l'interface réseau.

Enfin elle comporte une vitesse nominale comme 100 Mbit/s ou 1000 Mbit/s.
La vitesse du réseau local est donc liée à la vitesse des cartes réseaux et commutateur.

Le câble réseau RJ45

Le câble ou Connecteurs RJ45 sont les principaux types de câbles utilisés pour les réseaux Ethernet.
Mais on peut aussi l'utiliser pour les connecteurs téléphoniques de bureau ou certaines applications informatiques.

Le signal électronique et les informations Ethernet passent le long de ces câbles.
On peut nommer ce dernier Medium.

Le cable RJ45 pour la communication entre équipement dans un réseau Ethernet

Deux normes de câblages sont principalement répandues pour les connexions de la prise : la norme T568A et la norme T568B.
Il comporte huit broches de connexions électriques.

Les broches d'un câble RJ45
source - Wikipedia

Lors d'un câblage informatique en 10/100 Mbit/s, seules les quatre broches 1-2 et 3-6 sont utilisées pour transmettre les informations.
Avec un câblage en 1 000 Mbit/s (1 Gbit/s), les 8 broches sont utilisées.

Selon la vitesse du réseau Ethernet, on utilise pas la même catégorie de câble RJ45

Catégorie du câble RJ45Vitesse
et Description
Catégorie 5 (CAT5)de 10 (10BASE-T) à 100 mb/s (100BASE-T)
Longueur maximale de 100 mètres entre deux équipements.
Catégorie 5D (CAT5 D)1 Gb/s (1000BASE-T)
10 Gbit/s (10GBASE-T) jusqu'à 56 mètres
Catégorie 6, 6 A ou 71 Gb/s 1000BASE-T
10GBASE-T.10 Gb/s (10GBASE-T)
Les catégories de câbles et vitesse et débit Ethernet

Le protocole Ethernet

Le protocole Ethernet spécifie un ensemble de règles pour la communications entre les différents équipements du réseau. Un peu comme les règles de langage d'une langue.
Chaque équipement est identifié par une clé unique, appelée adresse MAC, pour s'assurer que tous les postes sur un réseau Ethernet aient des adresses distinctes sans configuration préalable.

On distingue alors les terminologies suivantes :

  • Medium - Câble le long duquel les signaux électroniques circuleront. Historiquement, ce support était un câble coaxial en cuivre, mais aujourd'hui, il s'agit plus souvent d'une paire torsadée ou d'un câblage à fibre optique.
  • Segment - Nous nous référons à un seul support partagé en tant que segment Ethernet. On peut relier deux segments par un pont Bridge. Souvent il s'agit d'un commutateur réseau (switch).
  • Nœud - Les périphériques qui se connectent à ce segment sont des stations ou des nœuds.
  • Trame (Frame en anglais) - Les nœuds communiquent dans des messages courts appelés frames, qui sont des blocs d'informations de taille variable.
Le protocole Ethernet - les terminologies

Collisions

Dans les débuts d'Ethernet, les noeuds partageaient un même segment à cause des hubs qui répétaient le signal à tous les neouds.
Cela posait des problèmes de 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
Le noeud devait attendre que le câble soit libre pour communiquer sous peine de collision.

De nos jours, dans un réseau Ethernet, chaque ordinateur dispose d'un câble privé qui est connecté au réseau via un commutateur Ethernet (Switch).
Dans cette topologie, le seul canal de communication pour un nœud est entre le nœud et le commutateur, ce qui signifie que les collisions ne sont possibles que si un nœud et le commutateur tentent de communiquer entre eux en même temps.
De plus, les normes Ethernet en duplex intégral séparent complètement les canaux d'envoi et de réception afin qu'ils puissent fonctionner simultanément.
La combinaison de normes full duplex avec une topologie de commutation signifie que les réseaux Ethernet modernes peuvent être totalement exempts de collision.

Les trames Ethernet

Les noeuds communiquent dans de courts messages appelés trames, qui sont des blocs d'informations de taille variable.
Il existe des longueurs minimales et maximales explicites pour les cadres et un ensemble d'informations requises qui doivent apparaître dans le cadre.

Chaque trame doit inclure, par exemple, à la fois les éléments suivants :

Une adresse de destination et une adresse source, qui identifient le destinataire et l'expéditeur du message.
L'adresse identifie de manière unique le nœud, tout comme un nom identifie une personne en particulier.
Aucun périphérique Ethernet ne doit avoir la même adresse.

Schéma du contenu d'une trame Ethernet

Les données à transmettre avec le protocole de communication. Par exemple le protocole IP, ARP, etc.
Le CRC Checksum soit la somme de contrôle qui permet de vérifier l'intégrité des données.

Ainsi la taille d'une trame Ethernet varie de 64 à 1518 octets au maximum.

Par exemple ci-dessous, une trame Ethernet de 54 bytes avec :

  • L'interface réseau à l'origine
  • Le numéro de la trame - 309
  • Les adresses MAC sources et de destination - Src: ASUSTekC_69:d7:bb (10:c3:7b:69:d7:bb), Dst: ANOVFran_a6:95:c3 (b8:26:6c:a6:95:c3)
  • Le protocole de transport encapsulé - [Protocols in frame: eth:ethertype:ip:tcp]
  • Le type IPv4
Exemple d'une trame Ethernet

A partir de là, la trame Ethernet délivre les données.

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