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Chapitre 5 : L'Ethernet

Structure de l’Ethernet

La trame Ethernet

L’Ethernet est un protocole pouvant être utilisé aussi bien dans une liaison multipoint que dans une liaison point-à-point. Nous allons commencer par décrire les fonctionnalités de la trame Ethernet. Le tableau présenté ci-dessous montrent comment sont disposés les différents champs et leurs tailles sont précisées sur la droite.

La trame Ethernet

Les parties grisées ne sont pas envoyées au système d’exploitation et sont gérées par la carte réseau.

  • Le préambule et le “Synch” sont deux champs permettant de signaler le début d’une trame Ethernet. En effet, lorsqu’elle est détectée, cette chaine de 64 bits (101010101010...10101011) permettra à la carte réseau de savoir qu’une nouvelle trame est arrivée et donc que la précédente est terminée.
  • Les deux champs suivant contiennent l’adresse MAC source et celle de destination. Ces adresses correspondent aux références expliquées précédemment et permettent au commutateur d’envoyer les trames au bon destinataire.
  • Le type permet de déterminer le protocole utilisé dans la couche suivante. 0x800 pour l’IP, 0x806 pour l’ARP…
  • Les données correspondent au contenu de la trame. Si le contenu est trop court, on ajoutera un PAD LLC qui permet d’atteindre la valeur minimale de 46 octets.
  • Le FCS permet de vérifier la présence d’une erreur dans la trame. L’Ethernet utilise une solution de détection à l’aide de la division polynomiale.

Adresse MAC

Pour se repérer dans un réseau Ethernet, on utilise le protocole MAC. Ce protocole est aussi utilisé dans les réseaux Wi-Fi par exemple. Une adresse MAC est composée de six octets : six groupes de deux caractères hexadécimaux séparés par deux points : F0:C8:AA:F0:F1:18.

Les adresses MAC sont conçues de telle façon qu’une même adresse MAC ne soit pas attribuée à deux cartes réseaux différentes. En effet, les trois premiers octets sont attribués aux constructeurs de cartes réseaux par un organisme de certification. Le fabricant attribuera les trois autres octets en s’assurant que l’adresse MAC soit bien unique. Cette adresse est ensuite écrite dans une mémoire placée sur la carte réseaux.

Domaine de diffusion

Des machines connectées à un même commutateur forment un domaine de diffusion. Dans un domaine de diffusion, toutes les machines peuvent communiquer directement entre elles, en passant par un ou plusieurs commutateurs.

Un domaine de diffusion peut avoir une fonctionnalité appelée broadcast. Le broadcast permet d’envoyer des données à plusieurs machines en même temps grâce à une adresse particulière. Dans l’Ethernet, on utilisera l’adresse MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF. L’inconvénient du broadcast est sa consommation en bande passante. Ainsi, si le domaine de diffusion compte trop de machines, il sera préférable de le segmenter.

On appelle ce type de liaison “multipoint” puisqu’une machine peut atteindre plusieurs autres machines grâce à une interface réseau. Le contraire est une liaison point-à-point où seulement deux machines peuvent communiquer ensemble avec une interface.

Trames étendues

Les trames étendues (Jumbo Frame) permettent d’envoyer plus de données dans une seule trame Ethernet. On obtient des trames étendues en modifiant le MTU (Maximum Transmission Unit) qui désigne le nombre maximal d’octets que peut contenir une trame ou un paquet. Avec l’Ethernet, il est possible d’augmenter cette valeur, qui est par défaut à 1500. Il est possible en utilisant les Jumbo Frame de l’augmenter jusqu’à 9000.

Par contre, en modifiant le MTU, il est possible que plus d’erreurs se glissent dans les trames, rendant le réseau moins performant. C’est pour cela qu’avant de modifier le MTU sur un réseau Ethernet, il faut vérifier que tous le matériel est compatible.

La commutation Ethernet

Nous avons vu dans la première partie quel était le rôle de la commutation. La commutation Ethernet fonctionne donc avec les adresses MAC comme référence. Dans sa table de commutation, le commutateur va lier une ou plusieurs adresses MAC à une ligne de sortie du commutateur. Plusieurs commutateurs peuvent être utilisés dans un même réseau en les connectant ensemble. Les commutateurs vont s’échanger les adresses MAC de destination. Lorsqu’une interface est connectée à un autre commutateur, les adresses MAC de l’autre commutateur lui seront associées. Toutefois, il faut éviter de faire des boucles sur le réseau, sinon vous risquez de déclencher une tempête de diffusion (tempête de broadcast).

Le fait de connecter plusieurs commutateurs agrandira le domaine de diffusion, les protocoles utilisant l’adresse de broadcast comme l’ARP vont envoyer leurs requêtes sur toutes les machines du réseau. Ceci aura pour effet de gaspiller beaucoup de débit disponible. De plus, les échanges entre les commutateurs vont aussi consommer de la bande passante sur les grands réseaux lors de l’ajout ou la suppression d’une adresse MAC dans les tables de commutation.

Pour résoudre ces problèmes, deux solutions s’offrent à nous. En effet, il est possible de diminuer la taille du domaine de diffusion, notamment en le divisant en deux sous-réseaux et reliés entre eux grâce à un routeur. Pour les réseaux encore plus grand qui privilégieront la commutation au routeur, on a inventé MPLS qui mélange commutation et routage, nous en reparleront dans le chapitre 13.

Matériel associé à l’Ethernet

Le hub

Le hub, parfois appelé concentrateur envoie toutes les trames reçues par un port sur tous les autres ports. Bien entendu, toutes les machines du réseau recevront les trames, même si elles ne sont pas concernées. Cela pose donc des problèmes de sécurité, c’est pour cela que nous préfèrerons utiliser un commutateur.

De plus, le hub va étendre le domaine de collision, ainsi pour qu’une machine puisse communiquer, il faut attendre que toutes les machines aient arrêté de transmettre. Cela provoque donc des problèmes de performance sur des réseaux de taille moyenne.

Le commutateur Ethernet

Le commutateur fait le travail énoncé ci-dessus. Par ailleurs, différentes technologies rentrent en compte dans le choix d’un commutateur Ethernet. Pour commencer, voici les fonctionnalités disponibles sur la plupart des commutateurs vendus :

  • Prise en charge des Jumbo Frame ;
  • Détection automatique du croisement du câble (câble croisé ou décroisé le câble) appelé Auto MDI-I/MDI-X ;
  • Prise en charge de la QoS suivant la norme 802.1p.

Ensuite, un commutateur peut être “administrable”, c’est-à-dire que l’administrateur pourra modifier la configuration. Ceci ajoute de nouvelles fonctionnalités :

  • QoS : permet de restreindre le débit sur certains ports du commutateur voire restreindre le débit suivant un protocole particulier ;
  • VLAN : permet de découper le réseau afin de contrôler les différents utilisateurs par exemple ou de réduire le domaine de diffusion ;
  • Trunking : le trunk est un port où tous les flux sortant des différents VLAN sont assemblés, ce port est utilisé pour connecter un routeur par exemple ;
  • Spanning Tree : permet d’éviter les boucles dans le réseau ;
  • Fonctions de routage : pour les commutateurs capables de gérer le niveau 3.

Le bridge

Le bridge, aussi appelé “pont” permet de relier deux “bouts de réseaux” (appelé segment) ensemble. Le pont peut être utilisé dans plusieurs cas :

  • filtrer les envois d’un segment à l’autre ;
  • lorsque les deux segments utilisent des technologies différentes, le pont devra alors effectuer des transformations sur les trames ;
  • lorsque que les deux segments sont éloignés, on devra alors changer de support (fibre optique par exemple). Le pont va permettre ce changement.

Les normes de câblage

Le câblage utilisé dans les réseaux Ethernet est assez varié. En effet, il existe des câbles en paires torsadées, coaxiaux et en fibre optique. Le médium le plus répandu est les paires torsadées. Il existe deux types de câble à paire torsadées suivant le branchement des fils. Il existe des câbles droits qui permettent de relier un commutateur et une autre machine. Il existe aussi des câbles croisés qui permettent de relier deux commutateurs ensembles ou deux machines. Aujourd’hui, avec les nouveaux matériels, il n’est pas nécessaire d’utiliser un câble droit pour relier deux commutateurs grâce à la détection automatique du croisement du câble.

Un câble se choisira ensuite en fonction du débit désiré et de la distance à parcourir. Il en existe beaucoup de différents, voici un tableau avec quelques exemples de câbles Ethernet :

Vitesse Type Support Distance max.
10 Mbps 10BASE-T Paires torsadées 100 m
100 Mbps 100BASE-TX Paires torsadées 100 m
100 Mbps 100BASE-FX Fibre optique 2 km en full duplex
1 Gbps 1000BASE-LX Fibre optique multimode/monomode 5 km

Ce tableau récapitule les vitesses suivantes 10 Mbps, 100 Mbps (Fast Ethernet) et 1 Gbps (Gigabit Ethernet). Il existe d’autres vitesses normalisées comme le 10 Gbps. Enfin, lors du choix du câble vous devrez choisir la catégorie (5, 5e, 6…) et son blindage. Je vous conseille donc de vous reporter au chapitre 4.

Le connecteur RJ45

Les connecteurs permettent de relier le câble à l’interface réseau : il y a donc un connecteur mâle et un connecteur femelle. Un connecteur définit la disposition des fils et permet de relier.

Avec un câble croisé, le fil blanc-orange sera connecté sur la broche 1 d’un côté et de l’autre côté sera connecté à la broche 3. En fait, on connecte la partie “Transmission” d’une machine sur la partie “Réception” de l’autre.