Pour mettre de l'ordre dans un réseau local, où toutes les stations peuvent prendre l'initiative des envois de messages, il faut une règle respectée par tout le monde. C'est la méthode d'accès. On distingue deux méthodes principales -des protocoles- : déterministe , où la "parole" est donnée tout à tour à chaque poste du réseau et non-déterministe (aussi appelée contention), où chaque poste désirant "parler" tente aléatoirement d'émettre des données.

Ethernet

Le principe du réseau Ethernet est apparu à la fin des années 70 dans les milieux de chercheurs aux Etats-Unis. Ce réseau, le plus répandu des réseaux locaux, est né des expériences complémentaires de DEC, Intel et Xerox, bien avant les avancées de la normalisation. La méthode utilisée est la contention, tout le monde peut prendre la parole quand il le souhaite, mais alors il faut une règle pour le cas où deux stations se mettraient à "parler" au même moment. La principale méthode de contention en réseaux locaux est le CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access), avec détection de collision (CD). C'est celle d'Ethernet.

Principe de fonctionnement de la norme Ethernet

Si un ordinateur doit envoyer un message sur le réseau, il attend le moment où plus aucune information ne circule sur le câble. Si deux ordinateurs émettent en même temps, ils détectent des collisions de paquets de données. Ceux-ci arrêtent leur émission pendant un temps aléatoire avant de la reprendre. Cette méthode d'accès se nomme CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) et est normalisée (IEEE 802.3 ou ISO 8802.3).
L'inconvénient de ce système c'est que plus il y a d'ordinateurs sur le réseau, plus il y a risque de collisions et donc ralentissement des transferts de paquets de données. On utilisera donc Ethernet pour de petits réseaux locaux.

Evolution des medias et normes Ethernet

Compte tenu des problèmes de câblage, AT&T a imaginé de réutiliser le câblage téléphonique préexistant dans les immeubles de bureaux pour la réalisation de réseau. Cela imposait deux contraintes : l'une de débit, l'autre de distance. Le réseau ainsi réalisé fonctionnait à 1Mbps, les stations étaient connectées sur des concentrateurs répéteurs (hub) et la distance entre le hub et une station était limitée à 250 mètres. Cette architecture (IEEE 802.3 "10 base 5" ou Starlan) complètement obsolète aujourd'hui a évolué vers une version 10MBps (IEEE 802.3 "10 base T"). En résumé, la vitesse normalisée d'Ethernet est de 10 Mbps. Pour le média, si un câble coaxial particulier avait été défini par la normalisation originale (câble "jaune" en bus), on trouve aujourd'hui d'autres câbles à meilleur prix, notamment un câble coaxial fin (dit câble "noir") et surtout plusieurs solutions de câblage sur paires torsadées téléphoniques. La plus répandue d'entre elles, 1O Base T, permet un câblage en étoile, plus facilement administrable. Grâce à ces nouvelles possibilités, Ethernet demeure la plus répandue des infrastructures de réseaux locaux et connaît une véritable seconde jeunesse. Depuis fin 1992, les comités de standardisation ont travaillé à un nouveau réseau Ethernet à 100 Mbps baptisé Fast Ethernet.

Architectures utilisées par la norme Ethernet

Trois types de câbles peuvent être utilisés en Ethernet :
1. Câble jaune ou gros coaxial : 10 base 5 (portée max. 500m)
2. Câble noir ou fin coaxial : 10 base 2 (portée max. 185m)
3. Paire torsadée : 10 base T (portée max. 100m)

En fonction du câble utilisé, deux topologies sont possibles :
1. Le bus pour le câble coaxial est couramment utilisé pour sa simplicité mais son principal inconvénient provient de sa fragilité. En effet, si un câble est rompu, tout le réseau est en panne. Les connecteurs utilisés sont du type BNC.
2. L'étoile pour la paire torsadée est de plus en plus utilisé. Un peu plus compliqué à mettre en ouvre, il est cependant plus sécurisant car si un câble est rompu, seul le tronçon est en panne. Les connecteurs utilisés sont du type RJ-45 (semblable aux connecteurs de téléphonie numérique).

Dans un cas comme dans l'autre, il ne faut pas dépasser 30 ordinateurs par tronçon. La vitesse de transfert de données en Ethernet est de 10 Mbps (100 Mbps en Fast Ethernet).

Token Ring

Token ring est une norme basée sur un protocole dit déterministe, c'est-à-dire que contrairement à Ethernet le temps d'émission -de "parole"- d'une station sur le réseau est limité et se fait en suivant une procédure définie. Les stations connectées à un réseau Token ring utilisent un court message spécial appelé token ("jeton" en Français) pour coordonner l'utilisation de l'anneau. Un seul token existe sur l'anneau à un moment donné. Pour émettre, un ordinateur doit attendre que le token lui parvienne, transmet une ou plusieurs trames et libère ensuite le jeton.

Principe de fonctionnement de la norme Token Ring

Le principe du réseau Token Ring, celle du jeton (matérialisé par un ensemble de données (trame) affecté à cet usage), est dite déterministe puisqu'en fonction des caractéristiques du réseau (nombre de stations et longueur du câble), on peut déterminer le temps maximal que prendra un message pour atteindre son destinataire.
En Token Ring, un ordinateur désirant émettre doit en avoir la permission. C'est le principe du jeton. Une carte maîtresse du réseau (numéro d'adresse le plus bas) envoie un jeton sous la forme d'un petit message à la carte réseau suivante (numéro d'adresse suivant). Si celle-ci ne doit pas émettre, elle envoie le jeton à l'ordinateur suivant et ainsi de suite. Si un ordinateur doit émettre, il ne le fera qu'à la réception du jeton. Son message ira de carte réseau en carte réseau jusqu'à destination. Le message ayant été bien reçu, l'ordinateur relâchera le jeton vers l'ordinateur suivant. Il est à noter que le jeton circule en permanence sur le réseau. Une station qui reçoit le jeton peut émettre une ou plusieurs trames (station maître). Si elle n'a rien à émettre, elle se contente de répéter le jeton (station répéteur). Dans un tel système, les informations (trames) transitent par toutes les stations actives. Chaque station du réseau répète ainsi le jeton ou le message émis par la station maître, il n'y a pas de mémorisation du message, un bit reçu est immédiatement retransmit. Le temps alloué à une station pour la répétition d'un bit correspond à un temps bit (possibilité de modifier bit à bit le message). Chaque station provoque ainsi un temps bit de retard dans la diffusion du message. Notons que le jeton n'a nullement besoin de contenir l'adresse d'un destinataire, le destinataire est la station qui suit physiquement celle qui le détient (technique du jeton non adressé). Ce système peut paraître lent, mais à la vitesse moyenne de transfert est plus élevé qu'en Ethernet surtout avec un nombre de machines important. Cette méthode d'accès est normalisée (IEEE 802.5 ou ISO 8802.5).

La trame qui fait office de jeton mesure 4 octets et est composée de la manière suivante :

  • octet de contrôle d'accès (Access Control) ; comporte 4 champs :
    • bit T : l'état du jeton est matérialisé par la valeur du bit T
    • bit M : le bit M est toujours à zéro dans un jeton libre et dans le message émis par la station émettrice. Il est positionné à un par une station particlière, le moniteur. Cette station a pour rôle de surveiller qu'un message ne boucle pas sur le réseau.
    • bits PPP et RRR : la norme 802.5 prévoit 8 niveaux de priorité. Lorsqu'une station veut émettre, elle attend le jeton. Si celui-ci est occupé, elle le réserve en positionnant les bits RRR.
  • octet de contrôle de trame (Frame Control) ; définit le type de trame qui circule sur l'anneau. Les 2 premiers bits distinguent les trames d'information des trames de gestion de l'anneau.
  • octet de fin de trame (End Delimiter) ; comporte 2 champs :
    • bit I : informe le destinataire qu'une trame de même origine suit celle reçue ou que la trame est unique.
    • bit E : il permet de détecter une erreur
  • octet d'état de la trame (Frame Status) ; dernier octet de la trame.

Précision sur les normes IEEE 802.5 et Token Ring

La norme IEEE 802.5 spécifie un réseau local en boucle : chaque station est reliée à sa suivante et à sa précédente par un support unidirectionnel. Publiée en 1985, la norme IEEE 802.5 fut implémentée par IBM dès 1986. IBM est resté le principal acteur du monde Token Ring. L'implémentation d'IBM diffère quelque peu de la norme d'origine. Notamment, la topologie physique a évolué vers une étoile pour gérer la rupture de l'anneau. Les stations sont reliées à des concentrateurs (MAU, Multiple Access Unit).
Les spécifications du Token Ring sont contraignantes au niveau de l'installation. Les possibilités de connexion, distance et nombre de postes dépendent du type de câble utilisé. Avec du câble catégorie 1 ou 2 (dans la terminologie IBM : paires torsadées blindées d'impédance 150 Ohms) la longueur maximale de l'anneau principal est de 366 mètres, l'anneau principal peut comporter jusqu'à 260 stations, la distance maximale station/MAU est de 101 mètres. Les spécifications des éléments actifs ont évolué afin de supporter les pré-câblages d'immeubles à 100 Ohms. Le connecteur spécifique IBM dit "hermaphrodite" est aujourd'hui généralement remplacé par des prises RJ-45.

Architectures utilisées par la norme Token Ring

Le câble utilisé en Token Ring est relativement varié. En général nous trouverons :
1. La paire torsadée blindée ou non.
2. Le Twinax

La topologie logique utilisée est en anneau. Cependant, la topologie physique est en étoile et c'est le noyau de raccordement qui s'occupe de la liaison en anneau de chaque poste. Comme pour Ethernet, si un câble est rompu, la section est directement isolée dans le noyau de raccordement et seul ce segment est en panne. Les connecteurs utilisés sont principalement le connecteur spécial IBM et le connecteur RJ-45 pour la paire torsadée mais il existe également des connecteurs Twinax. La distance maximale entre ordinateur et le noyau est de 30 mètres. Il ne faut pas dépasser 72 ordinateurs en standard (possibilité jusque 250 connexions) et la vitesse de transfert des données est de 4 Mbps ou 16 Mbps.

FDDI

La norme FDDI (Fiber Distributed Data Interface, Interface de données distribuée par fibre) a été créée après le Token Ring et vient par conséquent combler quelques-une de ses lacunes ; l'une des plus critiques étant la fragilité de l'anneau face à une rupture pouvant entraîner la paralysie complète du réseau, FDDI compte non plus un mais 2 anneaux (un pour le trafic normal, l'autre étant utilisé en "secours") pour dévier les données sur le second en cas de rupture du premier, agissant donc intelligemment face aux problèmes matériels (auto-healing, "auto-réparation").

Principe de la norme FDDI

L'un des principaux désavantages des réseaux Token Ring est leur grande fragilité. En effet, comme chaque ordinateur rattaché à l'anneau doit passer les bits de la trame à l'ordinateur suivant, une défaillance dans une seule machine peut rendre le réseau entièrement inutilisable. FDDI utilise aussi la redondance afin de surmonter toutes les erreurs. Un réseau FDDI contient deux anneaux complets - un utilisé pour envoyer les données quand tout fonctionne correctement, et un autre utilisé lorsque le premier anneau est défaillant. Les anneaux dans un réseau FDDI sont dits en counter rotating ("rotation inverse") parce que le flux de données parcours le second anneau dans la direction opposée du parcours du flux dans le premier anneau. Si les données passaient toujours à travers les deux anneaux dans la même direction, la déconnexion d'une station empêcherait toutes les autres stations de communiquer. Cependant, si les données voyagent dans une direction opposée à travers le second anneau, les stations restantes peuvent reconfigurer le réseau et utiliser le chemin inverse ; ce processus de reconfiguration est appelé self healing.

Architecture utilisée par la norme FDDI

FDDI utilise la fibre optique multimode, le débit nominal est de 100 Mbps et la distance maximale couverte de 100 kilomètres. Il supporte jusqu'à 1000 stations distantes l'une de l'autre de moins de 2 kilomètres. Une version de FDDI sur paire torsadée existe -TPDDI, Twisted Pair Distributed Data Interface ("Interface de données distribuée par paire torsadée")-, elle autorise des débits de 100 Mbps sur 100 mètres. La méthode d'accès est similaire à celle du réseau IEEE 802.5 version 16 Mbps (ETR, Early Token Release). Pour accéder au support, une station doit posséder le jeton. Elle émet ses données et génère un nouveau jeton. Chaque station retire de l'anneau les données qu'elle y a déposées. Plusieurs trames de données issues de stations différentes peuvent circuler sur l'anneau, mais il n'y a qu'un seul jeton.

Les différences essentielles par rapport au Token Ring sont qu'il n'y a pas de station monitrice, chaque station participe à la surveillance de l'anneau. La distance maximale inter station (2 km) ainsi que la longueur totale de l'anneau FDDI ne permettent plus la synchronisation des stations à partir d'une horloge unique. Chaque station possède sa propre horloge ; une mémoire tampon -EB, Elasticity Buffer "tampon élastique")- permet de compenser les écarts entre l'horloge de réception et celle d'émission. C'est la capacité du tampon mémoire qui limite la taille de la trame à 4 500 octets.
Les données sont séparées en deux flux : les données urgentes à contrainte de débit (classe synchrone) et les données sporadiques, sans contrainte particulière de débit (classe asynchrone). Lorsqu'une station possède le jeton, elle peut toujours émettre des données synchrones et, si et seulement si le jeton est en avance, ("jeton temporisé") elle peut alors émettre des données asynchrones.

Issue du monde des réseaux locaux privés, la norme FDDI est une sorte de "super réseau" local à hauts débits (100 Mbps) fonctionnant sur fibre optique et selon une topologie logique de double anneau sécurisé : un anneau transportant les données dans un sens, le second servant normalement de réseau de secours en cas de rupture.
On peut toutefois dans certaines configurations l'utiliser pour doubler le débit global. Son mode de fonctionnement est assez proche des réseaux locaux, en particulier du Token Ring. Sa gamme de services est assez large, puisqu'on peut l'utiliser comme support pour de petits réseaux entre stations à hautes performances, comme anneau fédérateur d'autres réseaux locaux et même comme réseau "métropolitain", puisqu'il peut supporter jusqu'à 500 stations à une distance dépassant les 150 kilomètres. En revanche, FDDI ne permet ni le transport de la voix ni celui de la vidéo. Cette lacune devrait être comblée avec la version FDDI-II supportant les applications isochrones. Mais les deux versions sont incompatibles, et si elles peuvent utiliser la même infrastructure, elles nécessitent des équipements d'accès différents. Ce qui amène certains spécialistes à condamner FDDI-II avant même qu'elle ait vécu...

Comparaison Ethernet - Token Ring

Lorsque l'on compare deux types de réseau, les critères à retenir sont principalement :

  • Les performances en terme de débit et temps d'accès,
  • Les types de transferts et applications informatiques envisageables,
  • L'infrastructure requise et les distances maximales admissibles.

Débit et temps d'accès

Pour définir le débit d'un réseau, deux critères sont à étudier :

  • Le débit nominal (débit physique)
  • Le débit vu des applications

    • Le premier est effectivement lié au choix du réseau, le second dépend non seulement du débit physique mais aussi de la charge du réseau et des protocoles empilés. Seuls nous intéressent ici les débits nominaux et la tenue en charge du réseau. La figure ci-contre superpose l'évolution des débits en fonction de la charge de chaque réseau. Il est intéressant de constater qu'à faible charge, les réseaux de type Ethernet présentent, vis-à-vis des couches supérieures, une meilleure efficacité. En effet, en Ethernet, si le trafic est faible, dès qu'une station veut émettre, elle émet. En Token Ring, même à faible charge, la station doit attendre le Token. Cependant à forte charge dans le réseau Ethernet, les collisions se multiplient et le débit s'effondre alors que pour Token Ring, même si le débit moyen de chaque station diminue, le débit utile sur le support atteint le débit nominal.

    Application

    Le réseau Ethernet est qualifié de probabiliste, c'est-à-dire qu'il est possible de déterminer, en fonction d'un trafic modélisé, la probabilité pour qu'une station puisse émettre. Il est impossible de borner ce temps. Dans le cas du Token Ring, il est toujours possible de déterminer le laps de temps au bout duquel on est certain qu'une station obtiendra le jeton, le réseau est dit déterministe. Cependant, même si le temps d'obtention du jeton peut être borné et si le Token Ring met en ouvre un mécanisme de priorité, il ne peut garantir un intervalle de temps constant entre deux obtentions du jeton pour une même station. Par conséquent, le Token Ring est impropre au transfert isochrone (voix, vidéo, temps réel). Les deux types de réseaux sont utilisés pour des applications de type conversationnel. Le Token Ring, pouvant garantir une bande minimale, pourra être utilisé pour des transferts sous contrainte temporelle moyennement sévère (transfert synchrone). Mais en principe, aucun des deux ne satisfait au transfert isochrone. En pratique, des essais ont montré qu'il était possible, sous faible charge, de réaliser de tels transferts, à condition d'admettre des pertes d'informations pour assurer une compensation temporelle.

    Infrastructure

    Si on ne considère que l'implémentation la plus utilisée sur Ethernet : le 10 base T, la topologie physique de câblage est similaire pour les deux types de réseaux. Les distances couvertes sont du même ordre. Ces deux réseaux permettent de couvrir des immeubles relativement vastes en utilisant les techniques de réseaux fédérateurs. Bien que le réseau Token Ring ait des performances intrinsèquement supérieures, le marché lui a préféré Ethernet...

L'avenir des méthodes déterministes

Token Ring et FDDI sont voués à l'échec, et ce dû à leur problème de rapport débit/prix. Et même si les solutions apportées par le jeton sont meilleures que le principe Ethernet (résumable par "j'envoie sur le réseau et j'espère que ça passe"), ces méthodes sont concurrencées par celui-ci qui, sur câble, atteint à présent le Gigabit de débit et ôte ainsi toutes chances aux solutions sur fibre optique de FDDI.
Par ailleurs, la nouvelle norme FDDI-II semble déjà être considérée comme "mort-né". Il apparaît que les abandons de Token Ring et FDDI seraient plus liés à des erreurs de stratégie commerciale de la part d'IBM qui n'a pas été capable d'étendre son système de jeton.