Le standard Ethernet

Les réseaux informatiques ont profondément influencé notre ère numérique. Leur robustesse et leur fiabilité découlent de normes et de spécifications strictement établies. Ces standards, mis en place par des institutions telles que l’IEEE (souvent prononcé “I trois E”), assurent la compatibilité et l’interopérabilité des divers composants d’un réseau, indépendamment de leur fabricant. Concernant la couche physique des réseaux, ces normes définissent principalement les caractéristiques physiques et électriques des connexions.

L’un des paramètres cruciaux à considérer dans cette couche est le niveau de bruit tolérable sur un canal de transmission. Dans le domaine des communications, le bruit fait référence aux perturbations électriques ou électromagnétiques indésirables qui peuvent dégrader la qualité du signal transmis. Pour chaque type de support de transmission, une spécification délimite un niveau de bruit maximal autorisé, afin d’assurer une transmission de données sans faille.

Ce seuil de bruit acceptable fluctue en fonction du média de transmission (qu’il soit câblé ou sans fil) et des conditions environnementales dans lesquelles il opère. Les normes établissent ce niveau acceptable à l’aide du rapport signal sur bruit (noté SNR pour “Signal-to-Noise Ratio” en anglais). Ce ratio quantifie la clarté de la communication : un SNR élevé signifie que le signal domine largement le bruit, ce qui est un indicateur de qualité et donc préférable pour une transmission optimale. Inversement, un faible SNR indique que le bruit est presque aussi fort que le signal, rendant la communication incertaine et susceptible d’erreurs.

Plusieurs facteurs peuvent influencer le SNR. Pour les connexions câblées, telles que les câbles Ethernet ou les fibres optiques, les défauts dans les câbles, les interférences électromagnétiques provenant de sources externes, ou même la longueur excessive du câble, peuvent augmenter le niveau de bruit. Dans le cas des réseaux sans fil, les obstacles physiques comme les murs ou les bâtiments, ainsi que d’autres appareils émettant sur des fréquences similaires, peuvent perturber le signal.

La norme Ethernet

L’un des standards les plus emblématiques dans le monde des réseaux câblés est la norme Ethernet. Introduite à la fin des années 1970, la norme Ethernet définit les caractéristiques des câbles, des signaux, des méthodes d’accès au médium et des protocoles utilisés pour la gestion de collisions. Elle est conçue pour assurer une communication fluide entre les ordinateurs sur un réseau local ou LAN.

L’Ethernet, identifié par la norme IEEE 802.3, a subi plusieurs évolutions depuis son introduction. Les premières versions, basées sur des câbles coaxiaux, étaient capables de transmettre des données à des vitesses allant jusqu’à 10 Mbit/s. Avec le temps, l’Ethernet a évolué pour adopter des câbles torsadés et même de la fibre optique, augmentant considérablement sa capacité de transmission. Aujourd’hui, des versions comme l’Ethernet Gigabit ou l’Ethernet 10 Gigabit sont couramment utilisées, offrant des vitesses de 1 Gbit/s et 10 Gbit/s respectivement.

Il est important de comprendre que la norme Ethernet n’est pas liée à un seul type de câble ou de connecteur. En réalité, elle fait référence à une série de protocoles et de normes techniques. Il existe différentes catégories de câbles Ethernet, chacune ayant été développée pour répondre à des exigences spécifiques en termes de vitesse de transmission des données et de distance de connexion. Dans le secteur industriel, les types de connexions Ethernet les plus couramment utilisés sont les paires torsadées, qui se connectent via le port RJ45, et les fibres optiques, qui se connectent via les ports SFP. Quel que soit le type de câble ou de connecteur utilisé, le protocole de communication Ethernet reste le même.

Ethernet sur des paires torsadée

Les spécifications dictent la qualité et le blindage du câble pour une distance donnée, ce qui est essentiel pour garantir une communication de données fiable. Par exemple, la catégorie Cat 5e, l’une des versions les plus courantes d’Ethernet, est conçue pour fournir des débits allant jusqu’à 1 Gbit/s sur des distances allant jusqu’à 100 mètres. À cause de son débit élevé, un certain niveau de blindage est nécessaire pour protéger les données contre les interférences électromagnétiques. De ce fait, les câbles sont souvent équipés d’une protection pour garantir que le rapport signal-sur-bruit (SNR) reste dans des limites acceptables.

À mesure que nous montons en gamme, comme avec les câbles Cat 6, Cat 6a et Cat 7, les débits augmentent, mais également les exigences en matière de blindage. Ces câbles peuvent gérer des débits allant jusqu’à 10 Gbit/s, voire plus, mais sur des distances plus courtes sans amplification supplémentaire. Ces catégories imposent donc un niveau de blindage encore plus élevé pour assurer une communication claire sur la distance prévue.

Les normes jouent un rôle crucial dans la garantie de la performance et de la fiabilité des systèmes de communication. La norme Ethernet détermine les spécifications techniques des câbles pour s’assurer qu’ils fonctionneront de manière optimale dans un environnement typique. Elle stipule qu’un câble doit pouvoir fonctionner correctement sur une distance maximale de 100 mètres. Cette norme n’est pas arbitraire, mais basée sur des analyses techniques approfondies pour garantir la transmission des données sans perte significative du signal.

Cependant, il est intéressant de noter que sur des distances plus courtes, la capacité de transmission des données peut être augmentée. La raison en est simple : sur une distance réduite, le signal conserve davantage sa puissance et est donc moins sujet aux perturbations, rendant la distinction entre le signal et le bruit plus aisée. Le tableau ci-dessus illustre bien cette notion. Par exemple, alors qu’un câble Cat6 peut supporter un débit de 10 Gbps sur 55 mètres, alors qu’il se limite à 1 Gbps sur 100 mètres. Le blindage, également mentionné dans le tableau, est une autre variable qui influe sur la qualité de la transmission, en protégeant le signal contre les interférences extérieur (F/UTP), de lui-même (U/FTP), voir les deux (F/FTP).

Ethernet sur fibre optique

Lorsqu’on évoque Ethernet, l’image qui vient souvent à l’esprit est celle des câbles composés de paires de cuivre torsadé et du fameux connecteur RJ45. Cependant, Ethernet ne se limite pas uniquement à cette technologie basée sur le cuivre. En effet, il englobe également les transmissions via fibre optique. Cette dernière dispose de plusieurs normes, chacune adaptée selon la vitesse de transmission souhaitée et la distance à parcourir. Alors qu’avec le cuivre, la portée d’Ethernet est généralement plafonnée à 100 mètres, l’utilisation de la fibre optique permet de transmettre des données sur des distances s’étendant jusqu’à plusieurs kilomètres, sans nécessiter de réamplification.

La fibre optique, contrairement aux paires torsadées qui sont souvent utilisées pour les connexions duplex, est typiquement employée dans les connexions simplex. Cela signifie que la fibre optique permet la transmission de données dans une seule direction à la fois, contrairement aux paires torsadées qui permettent une communication bidirectionnelle. De plus, la fibre elle-même est souvent vantée pour sa capacité à transporter des données à des vitesses phénoménales, n’étant limitée que par les technologies de transmission et de réception utilisées. En théorie, le câble en fibre optique lui-même n’a pas de limite de vitesse. La véritable limite réside dans les connecteurs et les équipements utilisés. En effet, si le câble fibre peut gérer des débits extrêmement élevés, les connecteurs et les terminaisons doivent être capables de traiter ces débits.

Or, tous les connecteurs ne sont pas nés égaux. Dans le monde de la fibre, plusieurs types de connecteurs existent, et la difficulté majeure réside dans leur intercompatibilité. On ne peut pas simplement prendre n’importe quel connecteur et s’attendre à ce qu’il fonctionne parfaitement avec n’importe quel équipement. Chaque type de connecteur a ses propres spécifications, et associer des éléments non compatibles peut entraîner des défaillances. C’est pourquoi le choix des composants de fibre optique, qu’il s’agisse des câbles, des connecteurs ou des équipements, doit être méticuleux et bien réfléchi. La garantie du bon fonctionnement de la fibre nécessite une connaissance approfondie des normes et spécifications. Contrairement aux câbles en cuivre où l’on retrouve souvent des systèmes d’auto-négotiation permettant d’éviter des erreurs d’installation, le monde de la fibre est impitoyable à ce niveau. 

Les modules de fibres optiques sont des dispositifs spécifiques, agissant comme des cartes réseau, qui ont la capacité de transformer le signal électrique en impulsions lumineuses. Ils jouent un rôle clé dans la transmission de données à haute vitesse. Parmi ces modules, le format SFP est le plus courant. Il offre une connexion de 1 Gbps, ce qui est largement suffisant pour de nombreuses applications. Le format SFP+ permet une vitesse de 10 Gbps, et il existe également les formats SFP28 et SFP56, permettant respectivement des vitesses de 28 Gbps et 56 Gbps. Chacun de ces formats offre plus de bande passante et permet ainsi une transmission de données plus rapide et plus efficace.

Au-delà des modules eux-mêmes, la connexion par fibre optique nécessite une attention particulière au niveau du connecteur. Le connecteur est l’élément qui fait le lien entre le câble et le module, et il doit être du même type que celui sur le module pour garantir une compatibilité parfaite. Son rôle est d’aligner précisément les fibres optiques, assurant ainsi une transmission de données sans perturbation ni perte de signal. Cette précision dans l’alignement est essentielle, car elle garantit que les impulsions lumineuses soient dirigées correctement à travers les fibres. 

Les connecteurs les plus populaires en matière de fibre optique sont le SC (à gauche) et le LC (à droite). Ces deux types de connecteurs sont largement utilisés dans l’industrie pour leur fiabilité et leur performance. Cependant, contrairement au module, il n’est pas nécessaire d’utiliser les mêmes types de connecteurs des deux côtés du câble. Même si les connecteurs doivent correspondre au module, ils peuvent être différents à chaque extrémité du câble. Cela offre une certaine flexibilité dans la configuration et permet d’adapter la connexion aux besoins spécifiques de l’installation.

Pour des connexions encore plus rapides, on trouve les formats QSFP (Quad SFP) et OSFP (Octal SFP). Le QSFP intègre 4 canaux, ce qui lui permet de multiplier par quatre la capacité de base d’un SFP, tandis que l’OSFP, avec ses 8 canaux, offre encore plus de capacité. Pour donner un exemple concret, un connecteur QSFP+ peut transmettre des données à une vitesse de 4x 10 Gbps, tandis que l’OSFP28 peut atteindre 8x 28 Gbps. Ces formats sont conçus pour répondre aux besoins de connexions ultra-rapides et peuvent être utilisés dans des environnements nécessitant un grand volume de données et une faible latence, comme les centres de données. 

Chaque module de fibre optique est associé à une certification spécifique qui définit la longueur maximale de la fibre sur laquelle il peut opérer. Ces certifications sont importantes, car elles garantissent que le module peut transmettre des données de manière fiable sur une certaine distance. Parmi les formats les plus courants, on trouve le standard SR (Short Range), qui est conçu pour des distances allant jusqu’à 300 mètres, et le standard LR (Long Range), qui peut couvrir jusqu’à 10 kilomètres. Ces deux standards sont bien adaptés pour la plupart des applications courantes.

Cependant, pour les besoins spécifiques des fournisseurs d’accès Internet et d’autres applications nécessitant une portée plus étendue, des formats supplémentaires ont été développés. Par exemple, le format ER (Extended Range permet) d’atteindre jusqu’à 40 kilomètres, et le format ZR (que certains appellent humoristiquement “ze best range”) couvre des distances encore plus longues. Il est important de noter que ces distances étendues nécessitent plus d’énergie électrique. La raison en est que pour couvrir de plus longues distances, les modules doivent envoyer une longueur d’onde lumineuse légèrement plus grande, ce qui nécessite plus de puissance. De plus, pour garantir une transmission fiable sur de longues distances, l’alignement de la fibre doit être parfait. Le moindre écart peut entraîner des erreurs et une dégradation de la qualité du signal.

Les progrès constants dans le secteur de la fibre optique permettent d’atteindre des vitesses de transmission de données exceptionnellement élevées, élevant ainsi les standards en matière de performance réseau. Afin de prendre en charge le Terabit Ethernet, le prochain niveau de rapidité dans la transmission de données, les modules devront être conçus avec une précision méticuleuse. Cela implique l’utilisation de longueurs d’onde très spécifiques et de composants optiques de qualité supérieure. En d’autres termes, le Terabit Ethernet définit la nouvelle étape dans le domaine de la transmission de données, nécessitant une ingénierie précise et des matériaux de haute qualité pour réaliser ces vitesses fulgurantes. Cela démontre l’évolution constante de la technologie réseau, offrant des possibilités toujours plus vastes pour la communication et le partage de données à une échelle plus grande et plus rapide.

Ethernet sur d’autres médias

L’Ethernet est un standard de réseau qui a beaucoup évolué depuis ses débuts. Il s’agit d’un protocole qui régit la manière dont les appareils communiquent sur un réseau local. Au départ, la norme Ethernet se focalisait sur l’utilisation du câble coaxial, notamment avec les standards 10Base-2 et 10Base-5. Ces standards étaient répandus au début de l’ère des réseaux Ethernet. Ils ont été les précurseurs de ce que nous connaissons aujourd’hui comme Ethernet. Avec le temps, la technologie Ethernet a évolué et a commencé à s’éloigner de l’utilisation du câble coaxial pour la transmission de données. 

• 10Base-2: Utilisait un câble coaxial fin et permettait de transmettre des données à une vitesse de 10Mbps sur une distance maximale de 185 mètres.
• 10Base-5: Utilisait un câble coaxial plus épais et robuste. Il offrait la même vitesse de 10Mbps, mais sur une distance maximale de 500 mètres.
• DOCSIS: La norme est basée sur la norme 10Base-5 et a continué d’évoluer jusqu’à aujourd’hui. Ce standard a été conçu pour permettre la transmission de données à haut débit par le biais du câble coaxial, et les différentes versions offrent des vitesses croissantes, comme suit:
  • DOCSIS-1: Offre 40Mbps descendant, 10Mbps montant.
  • DOCSIS-2: Offre 40Mbps descendant, 30 Mbps montant.
  • DOCSIS-3: Offre 1Gbps descendant, 200 Mbps montant.
  • DOCSIS-4: Offre 10Gbps descendant, 6 Gbps montant.

La norme Ethernet continue de s’adapter et de se diversifier pour répondre aux besoins spécifiques de différents secteurs, tels que l’automobile et l’aviation.

• 10Base-T1: est une variante d’Ethernet spécialement conçue pour l’industrie automobile. Elle permet une communication à 10 Mbits/s sur une seule paire torsadée avec du Cat5e sur 15m.
• AFDX est un réseau Ethernet redondant et fiabilisé, développé et standardisé par les industriels européens de l’avionique pour équiper les Airbus. Il utilise plusieurs circuits différent pour assurer la redondance, chacun d’eux utilisant une seule paire torsadée en Cat6.