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Ethernet

Ethernet est un protocole de communication utilisé pour les réseaux informatiques, exploitant la commutation de paquets. Il réalise les fonctions de la couche physique et de la couche liaison de données (couches 1 et 2) du modÚle OSI. C'est une norme internationale ISO/IEC/IEEE 8802-3[1].

Connecteur RJ45 pour Ethernet.

Il a Ă©tĂ© conçu au dĂ©but des annĂ©es 1970 pour faire communiquer des ordinateurs rattachĂ©s Ă  un mĂȘme « Ă©ther », c'est-Ă -dire, un milieu passif capable de transfĂ©rer des donnĂ©es, comme un cĂąble coaxial. Depuis les annĂ©es 1990, on utilise trĂšs frĂ©quemment une transmission sur un cĂąble de paires torsadĂ©es pour la connexion des postes clients, et sur fibre optique pour le cƓur du rĂ©seau. D'abord dĂ©veloppĂ© pour un dĂ©bit binaire infĂ©rieur Ă  Mb/s[2] - [3], Ethernet est maintenant standardisĂ© jusqu'Ă  400 Gb/s[4] et des dĂ©bits plus rapides sont Ă  l'Ă©tude. À l'origine prĂ©vu pour des transmissions sur des rĂ©seaux locaux, Ethernet est aujourd'hui utilisĂ© sur tout type de rĂ©seau (rĂ©seau Ă©tendu, dorsale Internet, automobile
) mais aussi pour des communications sur circuit imprimĂ©.

Ethernet divise le flux de donnĂ©es en petites sections appelĂ©es trames. Chaque trame consiste en un entĂȘte contenant des informations liĂ©es au message Ă  transmettre, une charge utile contenant le message lui-mĂȘme et un postambule incorporant un code de dĂ©tection d'erreurs qui Ă©limine les trames corrompues. La simplicitĂ© du protocole le rend trĂšs flexible et adaptable Ă  d'autres technologies : c'est la raison de sa popularitĂ©. Les trames sont envoyĂ©es et reçues Ă  l'aide d'un Ă©metteur-rĂ©cepteur qui assure la liaison entre le mĂ©dium de transmission et l'Ă©quipement informatique.

Ethernet est fréquemment utilisé pour transmettre les télécommunications personnelles ou professionnelles, et se combine facilement avec les technologies sans fil (protocoles Wi-Fi). Il a largement supplanté d'autres standards comme le Token Ring, FDDI et ARCnet. Le protocole internet est communément porté par le protocole Ethernet, ce qui fait de ce dernier une importante base technologique d'Internet.

Par mĂ©tonymie, on parle parfois de cĂąble Ethernet et de port Ethernet pour dĂ©signer un cĂąble de paires torsadĂ©es avec connecteur 8P8C (appelĂ© aussi connecteur RJ45) et du port associĂ©, voire de connexion Ethernet pour dĂ©signer tout type de connexion filaire, mĂȘme si le protocole Ethernet n'est pas forcĂ©ment utilisĂ©.

Origine du nom

Dans les premiers rĂ©seaux Ethernet, le cĂąble coaxial diffusait les donnĂ©es Ă  toutes les machines connectĂ©es, de la mĂȘme façon que les ondes radiofrĂ©quences parviennent Ă  tous les rĂ©cepteurs. Le nom Ethernet dĂ©rive de cette analogie[5] : avant le XXe siĂšcle, on imaginait que les ondes se propageaient dans l’éther, milieu hypothĂ©tique censĂ© baigner l'Univers. Quant au suffixe net, il s'agit de l'abrĂ©viation du mot network (« rĂ©seau ») en anglais. On peut Ă©crire parfois le nom francisĂ© Éthernet.

ModĂšle OSI

Le protocole Ethernet réalise les fonctions de la couche physique (couche 1 du modÚle OSI) et de la sous-couche contrÎle d'accÚs au support (MAC, Media Access Control). Il est possible d'ajouter des protocoles supplémentaires en les encapsulant dans la trame Ethernet. Par exemple, quand elle est implémentée, la sous-couche contrÎle de la liaison logique (LLC, Logical Link Control), standard IEEE 802.2[6] - [7], complÚte la couche liaison de données (couche 2 du modÚle OSI). L'image ci-dessous schématise le rapport entre modÚle OSI et le standard IEEE 802.3.

AUI = Attachment Unit Interface, MAU = Medium Attachment Unit, MDI = Medium Dependent Interface, MII = Media Independent Interface, PCS = Physical Coding Sublayer, PLS = Physical Layer Signaling, PMA = Physical Medium Attachment, PMD = Physical Medium Dependent, RS-FEC Reed-Solomon Forward Error Correction, xMII est le terme gĂ©nĂ©rique pour un MII Ă  100 Mbit/s ou plus. Par exemple, Ă  100 Mbit/s, l'interface s'appelle MII ; Ă  40 Gb/s, XLGMII ; etc. Les sous-couches en bleu sont dĂ©finies par IEEE 802.3.

Histoire

Ethernet a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ© au Xerox Palo Alto Research Center, Ă  Palo Alto en Californie (États-Unis) Ă  partir de 1973[5] - [8], grĂące aux travaux de Robert Metcalfe[9] s'inspirant d'ALOHAnet. Un brevet, dont les inventeurs sont Metcalfe, David Boggs, Charles Thacker et Butler Lampson, est dĂ©posĂ© par Xerox en 1975[10]. L'annĂ©e suivante, Metcalfe et Boggs dĂ©crivent, dans un article, un systĂšme Ethernet opĂ©rationnel pour 256 stations rĂ©parties sur un kilomĂštre de cĂąble coaxial[2].

Metcalfe quitte Xerox en 1979 et fonde l'entreprise 3Com pour promouvoir l'utilisation des ordinateurs personnels et des réseaux locaux. Il convainc Digital Equipment Corporation, Intel et Xerox de travailler ensemble[11] pour promouvoir Ethernet en tant que standard, au terme d'une période au cours de laquelle la réflexion des constructeurs s'oriente vers une informatique décentralisée[12]. 3Com deviendra une compagnie majeure du domaine des réseaux informatiques, jusqu'à son rachat par Hewlett-Packard en 2010.

La spĂ©cification Ethernet I (10 Mb/s), surnommĂ©e « DIX » (pour « DEC Intel Xerox ») est publiĂ©e en 1980[13] - [14], puis rĂ©visĂ©e en 1982 (Ethernet II)[15]. L'Institut des ingĂ©nieurs Ă©lectriciens et Ă©lectroniciens (IEEE) s'inspire de la spĂ©cification DIX et publie la norme IEEE 802.3 en 1983[16] - [17]. Les standards DIX et 802.3 sont interopĂ©rables[18]. Par la suite les mises Ă  jour normatives ont Ă©tĂ© formalisĂ©es par l'IEEE, et 802.3 a du reste pris officiellement en compte les aspects de DIX en 1998 (rĂ©vision 802.3-1998)[19].

Ethernet était à l'époque en compétition avec deux systÚmes propriétaires, Token Ring (IBM, plus récent) et ARCnet (TRW-Matra, plus ancien) ; ces deux systÚmes ont au fil du temps diminué en popularité[14] puis disparu face à Ethernet, en raison de la baisse de coûts due à la production de masse, et aux modernisations ultérieures d'Ethernet. Ethernet avait par ailleurs moins de contraintes topologiques que le Token Ring (au CeBIT de 1995, on pouvait voir à titre expérimental un simili plafond blanc utilisé comme medium Ethernet, les signaux transitant par infrarouge).

Normalisation

Au niveau de la couche MAC, le protocole Ethernet a trĂšs peu changĂ© depuis son invention. Des protocoles supplĂ©mentaires se sont ajoutĂ©s pour pallier le manque de fonctionnalitĂ©s d'Ethernet sans que le principe de base soit bouleversĂ©. Quelques-uns sont dĂ©crits Ă  la section Évolutions protocolaires ultĂ©rieures de cet article. Au niveau de la couche physique, au contraire, les Ă©volutions d'Ethernet ont Ă©tĂ© nombreuses et motivĂ©es par plusieurs facteurs, dont le besoin d'un plus grand dĂ©bit, l'adaptation aux structures prĂ©existantes, le coĂ»t des Ă©quipements et du mĂ©dium de transmission, etc. La section ci-dessous donne un bref rĂ©sumĂ© de quelques versions d'Ethernet les plus connues. En plus de tous ces standards officiels, plusieurs fabricants ont implĂ©mentĂ© des versions propriĂ©taires pour diffĂ©rentes raisons, par exemple pour opĂ©rer Ă  de plus longues distances sur de la fibre optique.

PremiĂšres versions d'Ethernet sur cĂąble coaxial

  • Ethernet expĂ©rimental Ă  Xerox.
  • Ethernet I et Ethernet II (spĂ©cifications DIX).
  • 10BASE5, aussi appelĂ© Thick Ethernet, car le cĂąble coaxial de type RG-8 est dit « Ă©pais ».
  • 10BROAD36. Un standard obsolĂšte gĂ©rant l'Ethernet sur de longues distances. Il utilisait des techniques de modulation en large bande similaires Ă  celles employĂ©es par les modems cĂąble, opĂ©rĂ©es sur un cĂąble coaxial.
  • 1BASE5. Une tentative de standardisation de solution pour rĂ©seaux locaux Ă  bas prix. Il opĂšre Ă  Mbit/s mais a Ă©tĂ© un Ă©chec commercial.
  • 10BASE2, aussi appelĂ© ThinNet ou Cheapernet car le cĂąble coaxial de type RG-58A/U est dit « mince » et est moins cher. Pendant plusieurs annĂ©es, ce fut le standard Ethernet dominant.

Ethernet 10 Mbit/s sur paires torsadĂ©es ou fibre optique

  • 10BASE-T. Fonctionne avec au minimum quatre fils (deux paires torsadĂ©es, conventionnellement les 1, 2 et 3, 6) sur un cĂąble de catĂ©gorie 3 ou de catĂ©gorie 5 avec connecteur RJ45. Un concentrateur (ou hub) ou un commutateur (ou switch) est au centre du rĂ©seau, ayant un port pour chaque nƓud. C'est aussi la configuration utilisĂ©e pour certaines versions du 100BASE-T et du Gigabit Ethernet.
  • FOIRL (Fiber-optic inter-repeater link, Lien inter-rĂ©pĂ©teur sur fibre optique). Le premier standard pour l'Ethernet sur la fibre optique.
  • 10BASE-F. Terme gĂ©nĂ©rique pour la nouvelle famille d'Ethernet 10 Mbit/s sur fibre optique : 10BASE-FL, 10BASE-FB et 10BASE-FP. De ceux-ci, seulement 10BASE-FL est beaucoup utilisĂ©.
    • 10BASE-FL. Une mise Ă  jour du standard FOIRL.
    • 10BASE-FB. PrĂ©vu pour connecter des concentrateurs ou commutateurs au cƓur du rĂ©seau, mais maintenant obsolĂšte.
    • 10BASE-FP. Un standard pour rĂ©seau en Ă©toile qui ne nĂ©cessitait aucun rĂ©pĂ©teur. Il n'a jamais eu d'applications commerciales.

Fast Ethernet (100 Mbit/s)

  • 100BASE-T. Terme gĂ©nĂ©rique pour les standards 100 Mbit/s sur paire torsadĂ©e. Inclut 100BASE-TX, 100BASE-T4 et 100BASE-T2.
    • 100BASE-TX. Utilise deux paires de fils sur cĂąble de catĂ©gorie 5.
    • 100BASE-T4. Utilise quatre paires de fils sur cĂąble de cĂąble catĂ©gorie 3, qui Ă©tait utilisĂ© dans les installations 10BASE-T. Ne permet seulement l'utilisation en semi-duplex. Le standard est maintenant dĂ©suet car le cĂąble catĂ©gorie 5 ou supĂ©rieure a remplacĂ© les cĂąbles de catĂ©gorie infĂ©rieure.
    • 100BASE-T2. Utilise deux paires de fils sur cĂąble de catĂ©gorie 3 et permet le mode full-duplex. Il est Ă©quivalent au 100BASE-TX sur le plan des fonctionnalitĂ©s, mais supporte les cĂąbles de catĂ©gorie infĂ©rieure. Il n'a jamais eu d'applications commerciales.
  • 100BASE-FX. Ethernet 100 Mbit/s sur fibre optique.

Gigabit Ethernet (1 000 Mbit/s)

  • 1000BASE-T (IEEE 802.3ab). (Utilise quatre paires de fils sur cĂąble de catĂ©gorie 5 ou supĂ©rieure, sur une longueur maximale de 100 m. Les paires sont utilisĂ©es en full duplex, chaque paire transmettant deux bits par top d'horloge, soit un octet pour l'ensemble des quatre paires, dans chaque sens. Le codage en ligne est une modulation d'impulsions en amplitude sur cinq niveaux. Le standard est compatible avec 100BASE-TX et 10BASE-T, grĂące au mĂ©canisme d'autonĂ©gociation. La topologie est toujours en Ă©toile car il n'existe pas de concentrateurs (hubs) 1 000 Mbit/s. On utilise donc obligatoirement des commutateurs (switch).
  • 1000BASE-X (IEEE 802.3z). Gbit/s qui utilise des interfaces modulaires (des transceivers en anglais, appelĂ©s GBIC ou SFP selon leur technologie) adaptĂ©es au mĂ©dia (fibre optique multimode ou monomode, cuivre).
    • 1000BASE-SX. Utilise une fibre optique multimode Ă  850 nm.
    • 1000BASE-LX. Utilise une fibre optique monomode ou multimode Ă  1 300 nm.
    • 1000BASE-LH. Utilise une fibre optique, pour une longue distance.
    • 1000BASE-ZX. Utilise une fibre optique monomode longue distance.
    • 1000BASE-CX. Utilise un cĂąble de cuivre sur de courtes distances (jusqu'Ă  25 m).

10 Gigabit Ethernet

10 Gigabit Ethernet (10GbE) et les standards plus rapides encore prennent seulement en charge le mode full duplex. L'utilisation de concentrateurs n'est plus possible.

Le standard a été spécifié par le groupe de travail IEEE 802.3ae, dont la premiÚre publication date de 2002, puis a été incorporé dans une révision de l'IEEE 802.3.

  • 10GBASE-CX4 (802.3ak). Utilise un cĂąble en cuivre de type infiniBand quad-data rate sur une longueur maximale de 15 mĂštres.
  • 10GBASE-T. Utilise un cĂąble catĂ©gorie 6, A ou 7 (802.3an), en full duplex sur quatre paires avec une modulation qui dĂ©pend de la catĂ©gorie du cĂąble et de l'immunitĂ© au bruit souhaitĂ©e, sur une longueur maximale de 100 mĂštres. Compatible avec 1000BASE-T, 100BASE-TX et 10BASE-T.

Sur fibre optique, le mode LAN[20] fonctionne Ă  un dĂ©bit ligne physique de 10,3 Gbit/s ce qui reprĂ©sente un dĂ©bit Ă  la couche MAC de 10 Gbit/s, car la sous-couche PCS utilise un codage 64B66B. Le sur-dĂ©bit de ce code est de 3 %, Ă  comparer aux 25 % du codage 8B10B du Gigabit Ethernet.

  • 10GBASE-SR (850 nm MM, 300 mĂštres, dark fiber). CrĂ©Ă© pour gĂ©rer de courtes distances sur de la fibre optique multimode, il a une portĂ©e de 26 Ă  82 mĂštres, en fonction du type de cĂąble. Il supporte aussi les distances jusqu'Ă  300 m sur fibre multimode GHz.
  • 10GBASE-LX4. Utilise le multiplexage par division de longueur d'onde sur quatre longueurs d'onde pour opĂ©rer Ă  des distances entre 240 et 300 mĂštres sur fibre multimode.
  • 10GBASE-LR (1 310 nm SM, 10 km, dark fiber) et 10GBASE-ER (1 550 nm SM, 40 km, dark fiber). Ces standards opĂšrent Ă  des distances jusqu'Ă  10 et 40 km respectivement, sur fibre monomode.
  • 10GBASE-SW (850 nm MM, 300 mĂštres, SONET), 10GBASE-LW (1 310 nm SM, 10 km, SONET) et 10GBASE-EW (1 550 nm SM, 40 km, SONET). Ces variĂ©tĂ©s utilisent le WAN PHY[21], Ă©tant conçu pour inter-opĂ©rer avec les Ă©quipements SONET/SDH, encore en place dans beaucoup de rĂ©seaux. Le mode WAN PHY opĂšre Ă  un dĂ©bit lĂ©gĂšrement infĂ©rieur Ă  10GbE, Ă  savoir 9 953 280 kbit/s (ce qui correspond au dĂ©bit STM64/OC192). Le conteneur virtuel 64c ou 192c vĂ©hicule des codes 64B66B. Elles correspondent aux niveaux physiques 10GBASE-SR, 10GBASE-LR et 10GBASE-ER respectivement, et utilisent le mĂȘme type de fibre, en plus de supporter les mĂȘmes distances. Il n'y a aucun standard WAN PHY correspondant au 10GBASE-LX4.

25 Gigabit et 50 Gigabit Ethernet

Le 25 Gigabit Ethernet et 50 Gigabit Ethernet sont des standards destinés aux connexions de centres de données, définies sous les normes 802.3by[22] et 802.3cd[23], et sont proposés par plusieurs constructeurs. Ils ont été validés en 2016[24].

Ethernet 40 gigabits par seconde et 100 gigabits par seconde

Ces deux familles de standards (40GBASE et 100GBASE) ont été initialement définies en 2010 sous la norme IEEE 802.3ba.

Ethernet 200 gigabits par seconde et 400 gigabits par seconde

Ces deux familles de standards (200GBASE et 400GBASE) ont été définies en décembre 2017 sous la norme IEEE 802.3bs.

Interfaçage avec le médium de transmission

La connexion entre le médium de transmission (le plus souvent un cùble) et l'équipement informatique (parfois via une carte réseau) est trÚs importante, car elle réalise la transition entre lien physique et lien logique. Cette connexion est réalisée grùce à un émetteur-récepteur (transceiver), dont le format a évolué avec les différentes normes Ethernet.

CĂąble coaxiaux

Dans les premiÚres versions d'Ethernet, l'interfaçage avec le cùble coaxial de transmission se fait grùce un adaptateur externe appelé Medium Attachment Unit (MAU). La connexion au médium de transmission est assurée en perçant le cùble pour se connecter au centre et à la masse (prises vampires). Par la suite (notamment avec 10BASE2), on utilise des connecteurs BNC en T pour se brancher. Cependant un adaptateur d'impédance (souvent surnommé « bouchon ») à chaque extrémité du bus reste nécessaire pour limiter les pertes par réflexion du signal. Le signal est transféré du MAU à l'ordinateur grùce à un Attachment unit interface (AUI), d'interface D-sub.

Modules optiques : couche PMD (PHY)

Divers fabricants (Fiberxon, Sumitomo, Finisar[25], etc) proposent des modules optiques (ou cuivre, selon la technologie employĂ©e) appelĂ©s transceivers en anglais, permettant une interopĂ©rabilitĂ©. Ces modules permettent de convertir le signal optique (cĂŽtĂ© ligne) en un signal Ă©lectrique diffĂ©rentiel (cĂŽtĂ© matĂ©riel) au dĂ©bit de 10,3 Gbit/s; c'est donc l'Ă©quivalent de la couche PHY au niveau PMD du modĂšle OSI.

Il existe plusieurs normes pour ces transceivers, par exemple (en 10 Gb/s) : XENPAK, XPAK, X2, XFP (normalisés selon le XFP MSA Group), SFP+ (normalisés selon le Small Form Factor Committee).

Serdes : couche PMA (PHY)

Ce signal de 10 Gbit/s, trop rapide Ă  l'Ă©poque de sa standardisation, ne pouvait pas ĂȘtre traitĂ© directement, il a donc fallu le parallĂ©liser, en gĂ©nĂ©ral sur 64 bits. Des circuits dĂ©diĂ©s spĂ©cialisĂ©s permettent cette conversion.

Le terme serdes vient de l'anglais serialiser/deserialiser.

Codage 64B66B : couche PCS (PHY)

Le code en ligne utilisĂ© 64B66B transforme le format XGMII (64 bits de donnĂ©es plus 8 bits de contrĂŽle) en mots de 66 bits. L'objectif est multiple :

  • apporter une dispersion d'Ă©nergie et Ă©viter de longues suites consĂ©cutives de '0' ou '1' que les modules optiques peuvent ne pas trop apprĂ©cier.
  • ceci apporte donc des transitions afin de faciliter les mĂ©canismes de rĂ©cupĂ©ration d'horloge.

Le code 66 bits est composĂ© de deux bits de synchronisation suivis de 64 bits de donnĂ©e.

  • Si la synchro est '01', les 64 bits sont de type donnĂ©e
  • Si la synchro est '10', les 64 bits contiennent au moins un octet de contrĂŽle
  • Les prĂ©ambules '00' et '11' ne sont pas utilisĂ©s.

Les 64 bits de donnĂ©es sont embrouillĂ©s par un embrouilleur auto synchronisĂ©.

À ce niveau-lĂ  nous retrouvons un format Ă©quivalent MII, les couches suivantes : data link (MAC), network (IP), transport (TCP/UDP) fonctionnant de façon similaire Ă  gigabit Ethernet.

Topologie et collisions

Topologie initiale

Ethernet est initialement fondé sur le principe de membres (ou pairs) connectés sur le réseau et recevant tous les messages transmis à l'intérieur d'un fil ou d'un canal commun. Ainsi, Ethernet est conçu à l'origine pour une topologie physique et logique en bus : tous les signaux émis sont reçus par l'ensemble des machines connectées. On parle de réseau de type diffusion (broadcast). Chaque pair est identifié par une adresse MAC unique, pour s'assurer que tous les postes sur un réseau Ethernet aient des identifiants distincts sans avoir besoin de configuration préalable.

Cependant, les pairs ne sont pas synchronisĂ©s, il peut donc y avoir des situations oĂč plusieurs trames sont reçues en mĂȘme temps, d'autant plus frĂ©quemment qu'il y a de pairs. On parle alors de collision de trames.

Historiquement[26], Ethernet utilisait des bus sur cùbles coaxiaux, avec les normes 10BASE5 puis 10BASE2. Il fut ensuite adapté en 10BASE-T pour utiliser des topologies physiques en étoile sur cùbles à paires torsadées, les pairs étant raccordés à des concentrateurs (hubs), ce qui ne change, toutefois, rien à la nature d'Ethernet : la topologie logique reste le bus, le médium reste partagé, tout le monde reçoit toutes les trames, il n'y a toujours qu'un seul segment, tout le monde voit les collisions[27].

Il est possible de raccorder deux segments Ethernet par le biais d'un pont (bridge)[19] qui va répéter et retransmettre à l'identique, contrairement à un routeur, les trames d'un segment vers un autre segment. Les deux segments ainsi raccordés forment un seul domaine de diffusion, en revanche ils forment chacun leur propre domaine de collision car les collisions ne traversent pas le pont.

Gestion des collisions

Une technologie connue sous le nom de CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Écoute de porteuse avec accĂšs multiples et dĂ©tection de collision) rĂ©git la façon dont les postes accĂšdent au mĂ©dium. Au dĂ©part dĂ©veloppĂ©e durant les annĂ©es 1960 pour ALOHAnet Ă  HawaĂŻ en utilisant des signaux radio, la technologie est relativement simple comparĂ©e Ă  Token Ring ou aux rĂ©seaux contrĂŽlĂ©s par un maĂźtre. Lorsqu'un pair veut envoyer de l'information, il obĂ©it Ă  l'algorithme suivant[28] :

  • ProcĂ©dure principale :
  1. Trame prĂȘte Ă  ĂȘtre transmise.
  2. Si le medium n'est pas libre, attendre jusqu'Ă  ce qu'il le devienne puis attendre la durĂ©e inter-trame (9,6 ÎŒs pour l'Ethernet 10 Mbit/s) et dĂ©marrer la transmission.
  3. Si une collision est dĂ©tectĂ©e, lancer la procĂ©dure de gestion des collisions en Ă©mettant un signal de collision appelĂ© jam signal (une sĂ©quence de 4 Ă  6 octets)[29]. Sinon, la transmission est rĂ©ussie.
  • ProcĂ©dure de gestion des collisions :
  1. Continuer la transmission Ă  hauteur de la durĂ©e d'une trame de taille minimale (64 octets) pour s'assurer que toutes les stations dĂ©tectent la collision.
  2. Si le nombre maximal de transmissions (16) est atteint, annuler la transmission.
  3. Attendre un temps aléatoire dépendant du nombre de tentatives de transmission.
  4. Reprendre la procédure principale.

En pratique, CSMA/CD fonctionne comme une discussion ordinaire, oĂč les gens utilisent tous un mĂ©dium commun, l'air, pour parler Ă  quelqu'un d'autre[30]. Avant de parler, chaque personne attend poliment que plus personne ne parle. Si deux personnes commencent Ă  parler en mĂȘme temps, les deux s'arrĂȘtent et attendent un court temps alĂ©atoire. Il y a de bonnes chances que les deux personnes attendent un dĂ©lai diffĂ©rent, Ă©vitant donc une autre collision. Des temps d'attente en progression exponentielle sont utilisĂ©s lorsque plusieurs collisions surviennent Ă  la suite.

Comme dans le cas d'un rĂ©seau non commutĂ©, toutes les communications sont Ă©mises sur un mĂ©dium partagĂ©, toute information envoyĂ©e par un poste est reçue par tous les autres, mĂȘme si cette information Ă©tait destinĂ©e Ă  une seule personne. Les ordinateurs connectĂ©s par Ethernet doivent donc filtrer ce qui leur est destinĂ© ou non. Ce type de communication « quelqu'un parle, tous les autres entendent » d'Ethernet Ă©tait une de ses faiblesses, car, pendant que l'un des nƓuds Ă©met, toutes les machines du rĂ©seau reçoivent et doivent, de leur cĂŽtĂ©, observer le silence. Ce qui fait qu'une communication Ă  fort dĂ©bit entre seulement deux postes pouvait saturer tout un rĂ©seau local[31].

De mĂȘme, comme les chances de collision sont proportionnelles au nombre de transmetteurs et aux donnĂ©es envoyĂ©es, le rĂ©seau devient extrĂȘmement congestionnĂ© au-delĂ  de 50 % de sa capacitĂ© (indĂ©pendamment du nombre de sources de trafic).

Suivant le débit utilisé, il faut tenir compte du domaine de collision régi par les lois de la physique et notamment la vitesse de propagation finie des signaux dans un cùble de cuivre. Si l'on ne respecte pas des distances maximales entre machines, le protocole CSMA/CD devient inopérant et la détection des collisions ne fonctionne plus correctement.

Évolution majeure : Ethernet commutĂ©

  • Topologies Ethernet initiale et moderne
  • ImplĂ©mentation initiale : le mĂ©dium de transmission est le mĂȘme pour toutes les stations. Risque de collisions.
    ImplĂ©mentation initiale : le mĂ©dium de transmission est le mĂȘme pour toutes les stations. Risque de collisions.
  • Ethernet commutĂ© : Chaque station communique seulement avec son commutateur, sans entrer en compĂ©tition pour le cĂąble avec les autres stations. Pas de collisions.
    Ethernet commuté : Chaque station communique seulement avec son commutateur, sans entrer en compétition pour le cùble avec les autres stations. Pas de collisions.

Pour résoudre les problÚmes liés aux collisions, les commutateurs (switchs) ont été développés afin de maximiser la bande passante disponible. Les premiers commutateurs commerciaux voient le jour en 1989. Un commutateur est une sorte de pont multiport, chaque lien point à point entre un hÎte et le commutateur étant alors un segment avec son propre domaine de collision. Dans ce cas, les caractéristiques d'Ethernet changent nettement[32] :

  • la topologie physique n'est plus en bus mais en Ă©toile (comme avec les hubs) ;
  • la topologie logique n'est plus celle d'un bus (mĂ©dium partagĂ©), mais est Ă©galement en Ă©toile : les communications entre deux pairs donnĂ©s sont isolĂ©es (contrairement aux hubs et aux bus coaxiaux Ethernet), ce qui augmente clairement les capacitĂ©s de transmission globales du rĂ©seau. Chaque paire hĂŽte1/hĂŽte2 communique ensemble par une sorte de lien point Ă  point[32] virtuel Ă©tabli par le commutateur ;
  • les communications peuvent se faire en full-duplex (Ă©mission et rĂ©ception simultanĂ©es) et il n'y a plus de collision. Pour ce faire CSMA/CD est dĂ©sactivĂ© (en mode CSMA/CD l'Ă©metteur Ă©coute ce qu'il Ă©met, et si quelqu'un parle en mĂȘme temps que l'Ă©metteur il y a collision, ce qui est incompatible avec le mode full-duplex) ;
  • les distances maximales ne sont plus contraintes par la vitesse de propagation (il n'y a plus de collision Ă  dĂ©tecter) mais uniquement par l'attĂ©nuation des signaux dans les cĂąbles.

Trames Ethernet

Une trame Ethernet est un message écrit en systÚme binaire, avec des bits pouvant prendre 0 ou 1 comme valeur. Afin de limiter la taille de l'affichage, on choisit parfois de grouper ces bits en octets et de les représenter sous forme hexadécimale.

La trame est prĂ©cĂ©dĂ©e d'un prĂ©ambule et d'un dĂ©limiteur de dĂ©but de trame (SFD, Start Frame Delimiter), qui font partie du paquet Ethernet Ă  la couche physique. Le prĂ©ambule est un motif de 0 et de 1 en alternance, avec les deux derniers bits valant 1, qui permet aux Ă©quipements de rĂ©seau de synchroniser leurs horloges au bit prĂšs. Le champ SFD, qui suit immĂ©diatement le prĂ©ambule, est un octet de valeur 0xD5, qui marque le dĂ©but de la trame, donc qui dĂ©limite les octets. Chaque trame Ethernet dĂ©bute par un entĂȘte, qui contient les adresses MAC de destination et de source dans ses deux premiers champs. L'entĂȘte est suivi par la charge utile Ă  transmettre, qui contient elle-mĂȘme les entĂȘtes des protocoles de couche plus haute, par exemple le protocole Internet. La trame finit par une sĂ©quence de vĂ©rification de trame (FCS, Frame Check Sequence), qui consiste en un contrĂŽle de redondance cyclique de 32 bits utilisĂ© pour dĂ©tecter si les donnĂ©es sont corrompues pendant la transmission. Le dĂ©lai inter-paquet (IPG, Interpacket gap) correspond Ă  la durĂ©e sĂ©parant deux paquets Ethernet, au minimum de 12 octets.

Structure d'un paquet et d'une trame Ethernet typique
Couche OSIPréambuleDélimiteur de début de trame (SFD)Adresse MAC destinationAdresse MAC sourceTag 802.1Q (optionnel)Ethertype (Ethernet II) ou longueur (IEEE 802.3)LLC/SNAP (si 802.2) + Charge utileSéquence de vérification de trame (FCS)Délai inter-paquet (IPG)
7 octets1 octet6 octets6 octets(4 octets)2 octets46 Ă  1 500 octets4 octets12 octets
Couche 2: trame Ethernet ← 64 Ă  1 522 octets →
Couche 1: paquet Ethernet & IPG ← 72 Ă  1 530 octets →← 12 octets →

Types de trames

Hormis les expérimentations d'avant 1982, on trouve principalement quatre types de trames Ethernet[33].

Ces diffĂ©rents types de trame ont des formats diffĂ©rents mais peuvent coexister sur un mĂȘme mĂ©dium physique et ĂȘtre distinguĂ©es par les membres du rĂ©seau[35].

La diffĂ©rence de base entre les trames Ethernet II et les autres trames est l'utilisation du champ de 16 bits (soit 2 octets) situĂ© aprĂšs les adresses MAC :

  • En Ethernet II / DIX, il est utilisĂ© comme champ d'identification « EtherType » pour indiquer protocole de la couche supĂ©rieure (ARP, IPv4, IPv6
). Comme il n'y a pas d'indication sur la longueur des donnĂ©es, il n'y a pas de couche LLC (Logical Link Control) pour supprimer un bourrage potentiel, ce sera donc Ă  la couche supĂ©rieure (couche rĂ©seau) de supprimer le bourrage s'il y en a.
  • En IEEE 802.3 il indique la taille de la charge utile (payload), qui est toutefois limitĂ©e par la norme Ă  1 500 octets.

Par convention les valeurs de ce champ entre 0 et 1 500 (0x0000 Ă  0x05DC en systĂšme hexadĂ©cimal) indiquent une taille de charge utile, donc permettent d'identifier une trame Ethernet 802.3 ; et les valeurs plus grandes indiquent un EtherType, donc l'utilisation du format Ethernet II. Cette utilisation double du mĂȘme champ justifie son appellation courante de champ « longueur/type ».

L'IEEE 802.3 ayant initialement dĂ©fini ce champ de 16 bits aprĂšs les adresses MAC comme la longueur du payload, il est fait appel Ă  un nouveau champ pour prĂ©ciser la charge utile transportĂ© et les niveaux et types de service utilisĂ©s (Service Access Point). Les trames 802.3 doivent ainsi avoir un champ LLC de 3 octets dĂ©fini par la norme IEEE 802.2. Le LLC Ă©tant trop petit par rapport aux besoins potentiels, un champ supplĂ©mentaire SNAP de 5 octets a Ă©tĂ© dĂ©fini ultĂ©rieurement, utilisable en option. En examinant le champ LLC, il est possible de dĂ©terminer s'il est suivi par un champ SNAP ou non.

En outre, Novell a utilisé des trames 802.3 sans LLC (avant la normalisation IEEE 802.2) dans son systÚme d'exploitation Netware[33] pour y faire passer son protocole IPX. Netware ayant été trÚs répandu (à une époque), ce non-standard en est devenu un de fait.

Résumé des éléments de détermination du type de trame Ethernet
Type de trameValeur du champ longueur/typeDeux premiers octets du payload
Ethernet II≄ 1536Peu importe
Novell raw IEEE 802.3≀ 15000xFFFF
IEEE 802.2 LLC≀ 1500Autres
IEEE 802.2 SNAP≀ 15000xAAAA

Note : Les valeurs de champ longueur/type entre 1 500 et 1 536 ne sont pas standardisĂ©es et ne devraient jamais ĂȘtre employĂ©es.

Taille de trame

La taille minimale d'une trame Ethernet (entĂȘte, charge utile et FCS) est de 64 octets, pour permettre le bon fonctionnement du CSMA/CD[36]. Par consĂ©quent, la taille minimale de la charge utile est de 46 octets. Si les donnĂ©es Ă  transmettre sont de taille encore plus petite, on ajoute artificiellement des 0 (bourrage) Ă  la fin de la charge utile[37]. Si la trame est plus petite que la taille minimale, ce qui arrive parfois en cas de collision, on parle de trame « nabot » (runt).

La taille maximum d'une trame Ethernet est importante Ă  connaĂźtre, afin de maximiser l'unitĂ© de transmission maximale, donc le rapport taille de la charge utile sur taille du paquet Ethernet, ce qui correspond Ă  l'efficacitĂ© du protocole. Les trames contiennent, en thĂ©orie, au maximum 1 500 octets, l'IEEE n'ayant pas normalisĂ© de valeur supĂ©rieure. Cependant, certains Ă©quipements modernes savent gĂ©rer des trames gĂ©antes (jumbo) pouvant dĂ©passer les 9 000 octets de donnĂ©es, sous rĂ©serve de configuration locale spĂ©cifique. Le champ longueur des trames 802.3 ne peut dĂ©passer 1500 (sous peine d'ĂȘtre reconnues comme des trames Ethernet II), ce qui les empĂȘche apparemment d'utiliser des trames jumbo. Une proposition pour rĂ©soudre ce conflit est d'utiliser un EtherType spĂ©cial 0x8870 quand une longueur supĂ©rieure Ă  1500 aurait dĂ» ĂȘtre indiquĂ©e[38]. Quoique thĂ©oriquement obsolĂšte du point de vue de l'IEEE, cette solution est implĂ©mentĂ©e par certains Ă©quipements[39] - [40].

Évolutions protocolaires ultĂ©rieures

Autonégociation

Une station et un commutateur qui se connectent ensemble peuvent utiliser l'autonégociation[41] - [42], c'est-à-dire qu'ils négocient automatiquement sans configuration préalable nécessaire, les éléments de la communication Ethernet et notamment, la vitesse, le duplex, et l'utilisation ou non de contrÎle de flux.

ContrĂŽle de flux

En Ethernet commutĂ©, toutes les stations du rĂ©seau peuvent communiquer en mĂȘme temps (ou Ă  des vitesses diffĂ©rentes, le mĂ©dium physique n'Ă©tant pas partagĂ©), il est donc possible pour une station que son port soit saturĂ© en rĂ©ception par plusieurs communications entrantes. Pour limiter la perte de paquets, le commutateur peut alors stocker temporairement et/ou dĂ©truire les trames qui ne peuvent ĂȘtre transmises, ou opter pour d'autres mĂ©thodes[43] - [44] comme le backpressure ou les trames Pause.

Backpressure

Dans ce cas le commutateur génÚre un signal de collision factice[45] vers la station émettrice (en fait il n'y a pas de collision puisqu'il s'agit d'Ethernet commuté, full-duplex, mais ce signal est toujours pris en compte), ce qui fait cesser temporairement son émission.

Trames Pause : 802.3x et 802.1Qbb

La norme IEEE 802.3x, publiée en 1997, définit un type de trame Ethernet appelées Pause (EtherType 0x8808). Un équipement dont le lien sature en réception peut envoyer une trame Pause pour faire taire l'émetteur le temps que le lien ne soit plus saturé, fournissant ainsi un mécanisme normalisé de contrÎle de flux[46].

Toutefois cette solution ne permet pas d'ĂȘtre spĂ©cifique en fonction du trafic car tout le trafic de la station Ă©mettrice est stoppĂ© et il n'y a pas d'exception pour les flux prioritaires, ayant une plus haute qualitĂ© de service. Une solution, proposĂ©e par Cisco Systems puis standardisĂ©e en 2011 (IEEE 802.1Qbb), consiste Ă  adapter la durĂ©e de la pause selon la classe de service[47].

RĂ©seaux locaux virtuels (VLAN) et Classes de Service (CoS)

La norme IEEE 802.1Q permet de crĂ©er des rĂ©seaux virtuels (VLAN, Virtual LAN) au sein du rĂ©seau Ethernet rĂ©el. La trame Ethernet est modifiĂ©e avec l'ajout d'un champ de quatre octets aprĂšs les adresses MAC et avant l'EtherType. Les deux premiers octets sont fixĂ©s Ă  la valeur de 0x8100 (ce champ correspond Ă  l'EtherType si 802.1Q n'est pas mis en place). Les bits suivants dĂ©finissent une valeur de prioritĂ© et d'identification[48]. Cette valeur de prioritĂ© permet de distinguer huit diffĂ©rentes classes de service (Class of Service, CoS) dĂ©finies par la norme 802.1p[49]. Ainsi, par un mĂ©canisme de qualitĂ© de service (Quality of Service, QoS), chaque VLAN peut ĂȘtre traitĂ© diffĂ©remment, selon sa prioritĂ©, par les Ă©quipements du rĂ©seau.

Alimentation Ă©lectrique

Les normes IEEE 802.3af et IEEE 802.3at permettent à un commutateur d'alimenter électriquement un équipement raccordé par paire torsadée dans le cadre du concept d'alimentation électrique par cùble Ethernet (Power over Ethernet, PoE)[50].

Le PoDL (Power over Data Lines) a été introduit par l'amendement IEEE 802.3bu-2016[51] pour alimenter électriquement avec une paire unique pour des applications automobiles et industrielles[52]. Sur les normes à deux ou quatre paires utilisant le PoE, l'alimentation est transmise uniquement entre les paires, de sorte qu'à l'intérieur de chaque paire, il n'y a aucune tension présente autre que celle représentant les données transmises. Avec l'Ethernet à une paire, la puissance est transmise en parallÚle aux données.

Prévus au départ pour la norme 100BASE-T1 et 1000BASE-T1[53], la PoDL a été ajoutée aux variantes à paire unique 10BASE-T1, 2,5GBASE-T1, 5GBASE-T1 et 10GBASE-T1.

Synchronisation

Contrairement aux protocoles multiplexés temporellement (TDM), comme PDH, SDH ou SONET, Ethernet ne contient pas, nativement, de moyens de synchroniser les différents éléments du réseau.

Le Synchronous Ethernet (SyncE), standardisé par l'UIT-T G.826x, permet de propager les signaux d'une horloge de référence, appelée Primary Reference Clock (PRC), à partir de la couche physique (en faisant appel à la synchronisation symbole) et, ainsi, de synchroniser en fréquence les différents équipements du réseau.

Pour synchroniser en phase et en temps, il faut transporter des protocoles de couches supérieures comme le Network Time Protocol (NTP) ou le Precision Time Protocol (PTP).

Notes et références

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Voir aussi

Articles connexes

Ethernet dans le domaine des Télécommunications
  • Metro Ethernet Forum : organisation professionnelle active Ă  l'Ă©chelle mondiale dont le but est d'accĂ©lĂ©rer le dĂ©veloppement des services et des rĂ©seaux Ethernet de classe opĂ©rateur.
  • Provider Backbone Bridge ou PBB : protocole de communication qui repose sur des extensions au protocole Ethernet, utilisĂ© principalement dans le segment accĂšs et mĂ©tropolitain des rĂ©seaux d'opĂ©rateurs, spĂ©cification IEEE 802.1ah
  • Provider Backbone Bridge Traffic Engineering : Ă©volution du protocole prĂ©cĂ©dent (PBB) permettant l'ingĂ©nierie de trafic, Ă©galement connu sous le nom de PBT, spĂ©cification IEEE 802.1Qay

Liens externes

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