Ethernet et Internet le doublé gagnant

Par Jean-Michel Cornu [1]

Routage ou commutation ?

L’internet présente plusieurs niveaux de protocole. Le « protocole Internet » lui-même (IP) intervient au niveau réseau. Cette couche est chargée du bon acheminement de bout en bout des paquets de données. Grâce à l’adresse IP, il n’est pas nécessaire de connaître le chemin que devra emprunter un paquet, mais seulement son adresse de destination. A chaque étape, des routeurs examinent les adresses de la source et de la destination et décident de la route qu’il doit lui faire prendre (grâce à des « tables de routage » qu’ils conservent en mémoire). Cela ressemble à ce qui se passe dans le réseau téléphonique ou un numéro de téléphone est suffisant pour effectuer un appel sans avoir besoin de connaître toutes les étapes intermédiaires.

Parfois, pour aller plus vite, il peut être intéressant de définir une route une bonne fois pour toute. On ajoute alors aux paquets un « label » qui indique un numéro de chemin. Le boîtier qui réalise l’aiguillage n’a plus qu’à savoir vers quelle sortie orienter les paquets en fonction de leur label sans avoir à chaque fois à décoder l’adresse de destination et à la comparer à des tables de routages de plus en plus gigantesques au fur et à mesure de la croissance de l’internet. Les boîtiers qui réalisent cette fonction simplifiée s’appellent des « commutateurs ». Ils n’ont plus besoin de connaître l’ensemble de l’internet, mais seulement vers quelle sortie « commuter » en fonction du label qui indique un numéro de route. Les commutateurs, plus rapides mais moins intelligents que les routeurs, sont très utilisés dans les cœurs de réseaux où le nombre de points d’entrées et de sorties est réduit mais où la vitesse est cruciale. Dans ce cas, les commutateurs utilisent le plus souvent un protocole appelé MPLS (Multiprotocol Label Switching) et ses dérivés.

Dans les couches de protocoles de réseaux qui s’empilent entre l’interface physique et les applications, la commutation se situe à un niveau inférieur au routage. On parle de niveau 1 pour l’interface sur un tronçon physique (le câble, la fibre optique, le sans fil, etc.), de niveau 2 pour la commutation (orientation vers la bonne route au sein du réseau, en fonction d’un label) et de niveau 3 pour le routage (acheminement de bout en bout dans le réseau des réseaux, en fonction des adresses globales).

Le protocole Ethernet et le protocole Internet

Le protocole Ethernet a été conçu pour les réseaux locaux. Au départ il s’agissait d’acheminer des trames (les trames transportent des paquets internet) d’un poste à l’autre sur un câble unique. Progressivement, Ethernet a pris une place prépondérante dans les réseaux locaux (LAN) mais a également commencé à envahir d’autres domaines : les réseaux métropolitains (MAN) et même les réseaux à grande distance (WAN) et les réseaux personnels (PAN). Les réseaux locaux eux-mêmes ont grandi et sont devenus plus complexes. Il n’est plus possible, bien souvent, de se contenter d’un câble unique et il a fallu ajouter des aiguillages : les commutateurs Ethernet.

Petit à petit, le protocole Ethernet a évolué et ne se cantonne plus au câble coaxial. On le retrouve aujourd’hui sur les paires de cuivre, la fibre optique, les réseaux sans fil, etc. Dans les réseaux locaux domestiques par exemple, Ethernet arrive sur le courant électrique avec le standard Home Plug 1.0 qui utilise un protocole légèrement différent du CSMA/CD de l’Ethernet sur câble : CSMA/CA, le même que celui utilisé dans les réseaux sans fil. Sur les fils électriques comme dans les réseaux sans fil, le débit se dégrade si le signal est moins bon. Suivant la qualité du signal, il est compris entre 14 Mb/s et 1 Mb/s. Il y a pour l’instant assez peu de retour d’expérience de très grande échelle sur cette technologie qui ne se déploie industriellement que depuis peu de temps.

La vitesse de l’Ethernet a fortement augmenté sur les supports physiques qui le permettaient. La 10 Gigabit Ethernet Alliance (GEA) s’est ainsi créée pour promouvoir les très hauts débits basés sur le protocole IEEE 802.3ae. Tout comme les protocoles Internet dans les couches supérieures des protocoles réseaux, le protocole Ethernet devient omniprésent à tous les niveaux de communication sur les couches basses. Il remplace de plus en plus souvent des protocoles qui, au fur et à mesure de son évolution, sont devenus des concurrents, comme ATM. Même s’il cohabite parfois avec certains autres protocoles (par exemple Sonet/SDH sur les fibres optiques), il peut aussi les remplacer pour constituer un couple simple Ethernet/Internet qui peut utiliser n’importe quel support physique (câble coaxial, paire de cuivre, optique, réseaux sans fil…).

Pour en savoir plus : Ethernet et la qualité de service
ATM est encore très présent quand on a besoin de qualité de service (pour différencier les flux et transporter par exemple de la voix). Pour obtenir la même chose sur Ethernet, il faut décomposer le trafic suivant 8 classes de priorité (technologie de type DiffServ). Cependant, cela nécessite de limiter le nombre de clients par niveau de qualité pour conserver une qualité de service car Ethernet est un système non déterministe.

Sur l’internet existent le trafic EF (équivalent à la classe 6 sur Ethernet, la plus haute), le trafic AF (classes 1 à 5) et le trafic Best effort (pour la classe 0). La téléphonie utilise la classe EF. On considère que seules 15 % des ressources doivent être consommées par la classe EF, pour éviter d’allonger les files d’attente des autres données moins prioritaires. On transpose la valeur qui se trouve dans le champ « qualité de service » du paquet IP (TOS en IPv4 ou CS en IPv6) pour renseigner le champ qualité de service du paquet Ethernet.

Le partenariat Ethernet commuté / Internet routé

Les réseaux des opérateurs sont formés d’un cœur de réseau optimisé et d’une longue arborescence qui permet de descendre jusqu’au « dernier kilomètre » chez le client. Avec l’arrivée de réseaux métropolitains, départementaux ou régionaux, tout se passe comme si l’internet, après avoir été un réseau de « cœurs de réseaux » prolongés d’arborescences, devenait vraiment un … réseau de réseaux.

Passer d’une arborescence locale, départementale et régionale à des réseaux métropolitains, départementaux ou régionaux a plusieurs conséquences. Dans un réseau, il existe le plus souvent plusieurs chemins pour relier deux points. La souplesse est plus grande, la fiabilité également car le trafic devant passer sur un tronçon indisponible ou saturé peut être « rerouté » sur un autre chemin. L’architecture en étoile est remplacée par un réseau distribué. En contrepartie, le réseau est moins rapide car il faut décider pour chaque paquet, à chaque instant, de la route à prendre en fonction d’une table de routage qui grandit avec la taille de l’internet…

Les réseaux métropolitains on en commun avec les cœurs de réseaux le fait qu’ils disposent d’un nombre limité de points à relier à l’intérieur et qu’ils s’interfacent ensuite avec l’extérieur. Ces points peuvent être des entreprises, des particuliers ou de façon plus regroupée des immeubles. Certains nœuds à la périphérie sont des points d’interconnexion avec les autres réseaux : les points d’accès des différents opérateurs qui souhaitent y proposer des services, ou bien un point d’interconnexion mutualisé (un MIX – Metropolitan Internet eXchange – sur le modèle des GIX, points d’interconnexion nationaux entre les opérateurs). Pour profiter de la souplesse et de l’adaptabilité de l’architecture réseau sans trop dégrader les performances, il est possible d’utiliser la commutation plutôt que le routage.

C’est là qu’Ethernet intervient. Il est largement répandu dans les réseaux métropolitains, départementaux ou régionaux et il permet également la commutation. Les données peuvent être aiguillées par des commutateurs gérant les quelques destinations du réseau (au niveau 2), bien plus rapides que les routeurs qui doivent définir des routes à partir d’adresses couvrant l’ensemble de l’internet (niveau 3). En fait, le protocole Internet n’est pas hors course. Il s’agit même d’un véritable partenariat entre Ethernet et Internet pour assurer la souplesse et la performance : on ouvre la voie en routant et ensuite les données sont juste commutées pour atteindre le plus vite possible leur destination.

Les données sont « encapsulées » dans des paquets IP pour l(internet et dans des trames pour Ethernet. Les deux ont des tailles différentes et ont leurs propres informations de commande. Il est cependant très simple de réencapsuler des paquets IP dans des trames Ethernet.

L’Ethernet des réseaux métropolitains

Les prix ont fortement chuté en quelques mois et la distance entre deux récepteurs a été portée à 50 km rendant Ethernet extrêmement intéressant pour les réseaux métropolitains, départementaux ou régionaux.

Certaines extensions ont été développées spécialement pour les réseaux métropolitains. C’est le cas par exemple de la technologie RPR (Resilient Packet Ring, IEEE 802.17). Dans ce cas, le réseau est constitué de deux boucles plutôt que d’un bus. Cela permet d’arriver à un niveau de fiabilité équivalent à Sonet. En cas de problème, le réseau peut se reconfigurer automatiquement.

Il est également possible d’utiliser la technologie xDSL grâce à l’Ethernet « first mile » (« premier kilomètre ») IEEE 802.3ah. Dans ce cas, le réseau métropolitain peut inclure les DSLAM (équipements pour les données dans les autocommutateurs téléphoniques) permettant d’atteindre plus facilement chaque foyer. Une fois dégroupée, la ligne téléphonique n’est plus reliée au réseau national d’un opérateur, mais au réseau métropolitain qui lui-même est relié aux réseaux de plusieurs opérateurs. L’ATM utilisé habituellement dans les réseaux de collecte reliés au DSLAM est remplacé par Ethernet. Le japon est un des pays les plus avancé sur ADSL et a montré comment il était possible d’offrir une connexion à 40Mb/s en mettant les DSLAM au bas des immeubles. Ce pays devrait offrir prochainement du 100 Mb/s sur liaison ADSL en passant à l’optique. La simple prise téléphonique pourrait ainsi nous ouvrir les portes des réseaux métropolitains à très haut débit.

L’internet est avant tout un réseau de signalisation qui fournit les informations qui permettent l’acheminement de bout en bout. Il est bien sûr possible d’utiliser les protocoles Internet pour transporter les données elles-mêmes. Mais lorsque les réseaux sont constitués d’un nombre limité de nœuds (comme dans les cœurs de réseaux ou dans les réseaux métropolitains), il peut être plus simple et plus efficace d’utiliser Ethernet pour la commutation et le transport des données. Le protocole Internet sert alors à définir à l’avance les routes qui seront empruntées. Si Ethernet est bien un protocole pour les couches basses de réseau, Internet prend toute son ampleur pour constituer un réseau de réseaux.

Jean-Michel Cornu

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1. L’auteur tient à remercier Guy Pujolle (Lip6) et Jean-Marc Dolivramento (Bouygues Telecom) pour leur relecture attentive et leurs corrections judicieuses. Ce document est un résumé des présentations sur le thème de l’Ethernet faites lors du 18e congrès DNAC les 30 novembre et 1er décembre 2004 sur le thème « Contrôle, maîtrise et autonomie des réseaux » et de la présentation de Guy Pujolle (Lip6) à l’occasion du tutoriel qui s’est déroulé la veille : « Stratégies à moyen et long termes dans le monde des réseaux et des télécoms ».

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0 commentaires

  1. What’s the point ?
    « L’internet est avant tout un réseau de signalisation qui fournit les informations qui permettent l’acheminement de bout en bout. » Qu’est-ce que ça veut dire ? Signalisation, où ça ?

    Bref, je n’ai rien compris. Pourriez-vous résumer l’essentiel en trois lignes, en utilisant des termes dont le sens est généralement accepté ?

    Merci

  2. > Bref, je n’ai rien compris.
    Bon j’espère que vous avez pu comprendre le reste avant ce dernier paragraphe 🙂

    Ce qu’il faut retenir c’est que l’internet est un réseau de réseaux. Il transporte donc des informations (une signalisation) qui permettent d’acheminer les données d’une adresse de départ à une adresse d’arrivée quelques soient les réseaux traversés.

    Ethernet au contraire est un protocole de plus bas niveau, il ne permet l’acheminement de données qu’à l’intérieur d’un seul réseau.

    Il y a évidemment beaucoup plus d’adresses sur le réseau de réseaux internet que sur un seul de ces réseaux. Le « routage » utilisé pour acheminer les données dans l’internet est donc beaucoup plus complexe et lent que la « commutation » qui permet à ethernet d’acheminer les données à l’intérieur d’un seul réseau.

    L’astuce consiste à n’utiliser que l’ethernet (la commutation) à l’intérieur de chacun des réseaux et de n’utiliser les protocoles Internet (le routage) uniquement lorsque l’on passe d’un réseau à l’autre.

    Désolé d’avoir été obscur sur ces questions qui ne sont habituellement présentées que dans les milieux techniques (alors que je pense qu’elles permettent de comprendre certains enjeux stratégiques dans la possibilité de croissance de l’internet)

  3. > L’astuce consiste à n’utiliser que l’ethernet (la
    > commutation) à l’intérieur de chacun des réseaux et de
    > n’utiliser les protocoles Internet (le routage)
    > uniquement lorsque l’on passe d’un réseau à l’autre.
    Ben voilà c’est quand même plus clair. Vous pouvez même parler d’adresses MAC, on comprendra. Ou faire un petit schéma.

    >..l’internet est un réseau de réseaux.
    > Il transporte donc des informations (une signalisation)
    > qui permettent d’acheminer les données d’une adresse
    > de départ à une adresse d’arrivée…
    Désolé, mais absolument personne n’appelle ça (adresse source, adresse destination) une signalisation.
    Le terme « signalisation » est utilisé en téléphonie (SS7, RNIS), en ATM, là où le problème est d’établir des circuits. En IP de base, rien de tout ça.

    > Il y a évidemment beaucoup plus d’adresses
    > sur le réseau de réseaux internet que sur un seul
    > de ces réseaux.
    C’est discutable. De toute façon cela n’a aucune importance.

    >Le “routage” utilisé pour acheminer les données
    > dans l’internet est donc beaucoup plus complexe et
    > lent que la “commutation” qui permet
    > à ethernet d’acheminer les données à l’intérieur
    > d’un seul réseau.
    Oui, mais pourquoi ? Cela n’a rien a voir avec le nombre d’adresses IP ou MAC.
    Quand un routeur IP recoit un paquet IP vers une adresse de destination, le routeur doit retrouver la « route » (représentée par un groupe d’adresses IP, et associée à une interface physique) vers laquelle diriger le paquet entrant. Cette opération est difficile à faire par matériel, et prend du temps par logiciel, De plus un routeur doit prendre en compte la segmentation et le réassemblage des paquets IP – d’où files d’attente et complications diverses. Le routeur doit aussi modifier le paquet à la volée (TTL, time to live, par exemple)
    Pour un commutateur Ethernet (MAC), c’est beaucoup plus simple, il n’y a pas de notions de routes (groupe d’adresses), mais seulement un nombre restreint d’adresses MAC à mémoriser et rechercher. Pas de fragmentation, les trames peuvent être réémises à la volée par le commutateur, d’où un délai de transit à travers le switch très court. Et les fonctions logiques (recherche dans une table, etc.) peuvent être implémentées par un matériel spécialisé et simple, d’où de bonnes performances pour un faible coût.
    Egalement, le routeur IP doit mettre à jour ses tables en utilisant des protocoles de routage (RIP, OSPF et autres) plus complexes que le protocole Ethernet équivalent (ARP).

  4. >>..l’internet est un réseau de réseaux.
    >> Il transporte donc des informations (une signalisation)
    >> qui permettent d’acheminer les données d’une adresse
    >> de départ à une adresse d’arrivée…
    >Désolé, mais absolument personne n’appelle ça (adresse
    >source, adresse destination) une signalisation.

    Sauf dans un cas de figure : pour comparer les réseaux IP et les réseaux télécom d’où mon indication dans le dernier paragraphe du texte.

    >>Le “routage” utilisé pour acheminer les données
    >> dans l’internet est donc beaucoup plus complexe et
    >> lent que la “commutation” qui permet
    >> à ethernet d’acheminer les données à l’intérieur
    >> d’un seul réseau.
    >Oui, mais pourquoi ? Cela n’a rien a voir avec le nombre >d’adresses IP ou MAC.

    Les réseaux de réseaux routés sont prévus pour connecter beaucoup plus de postes puisque justement on va établir une route pour passer de routeur en routeur jusqu’à une adresse donnée. Un réseau commuté est prévu pour avoir un nombre limité de poste au début sur le même support physique (le même cable Ethernet) même si la topologie des réseaux Ethernet a évolué par la suite. L’idée est justement d’utiliser la commutation dans les coeurs de réseaux et ensuite le routage pour passer de réseau en réseau pour atteindre n’importe quel poste de l’Internet.

    En fait pour utiliser un langage plus technique, la commutation se situe sur une couche plus basse (et donc comme vous le dites plus rapide à traiter) et le routage sur une couche plus haute de protocole qui permet un niveau d’abstraction plus élevé (on garde une adresse unique alors que l’on doit passer par plusieurs routeurs intérmédiaires qui ne sont pas indiqués explicitement dans l’adresse).

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