Introduction

Le domaine « Protocoles pour réseaux en fibres optiques » est d’un naturel changeant. Le point le plus important concerne la montée vers les très hauts débits, c’est-à-dire vers les réseaux multigigabitaires et térabitaires. Ceci est vrai pour tous les protocoles. Quelques exemples sont bien connus comme ceux qui sont communément installés dans les centres informatiques tels InfiniBand ou Fibre Channel (cf. chapitre Réseaux d’entreprise et fibres optiques). Mais l’exemple le plus représentatif est celui d’Ethernet avec l’arrivée du 1,6 TbE à 1,6 Tbit/s. Visite guidée...

Ethernet et ses évolutions

1. Création d’Ethernet

Bob Metcalfe, ingénieur au centre de recherches de Xerox à Palo Alto (Californie), cherchait une solution pour relier des ordinateurs aux nouvelles imprimantes laser de l’entreprise. Ses premières idées, en 1973, sur l’île paradisiaque d’Aloha, dit-on, ont décrit le concept « The Ether » à 3 Mbit/s d’où « Ethernet ». Il envisageait ce réseau sur un câble coaxial partagé et, plus précisément, le débit était de 2,94 Mbit/s ou 367 Ko/s par seconde.

Le protocole d’accès au média (media access control - MAC) est l’accès multiple avec détection de collision bien connu sous l’acronyme CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection).

Premier schéma d’Ethernet en 1973

En 1976, Bob Metcalfe et David Boggs ont publié un article intitulé Ethernet : distributed packet switching for local computer networks. Ils décrivaient un système de transmission de données sous forme de paquets, système multipoint avec le principe de détection de collision.

En 1979, Bob Metcalfe quitte Xerox et crée 3Com. L’année suivante, il publie le Ethernet blue book qui définit Ethernet à 10 Mbit/s. Ce standard est aussi connu sous le nom de DIX, acronyme de ses trois partisans : Digital (ordinateurs), Intel (microprocesseurs) et Xerox (bureautique).

Évolution des débits d’Ethernet

D’évolution en évolution, l’Ethernet d’origine a donné naissance à une famille qui s’est agrandie au fil du temps : 10 Mbit/s puis 1 Gbit/s puis 10, 40, 100, 200 et 400 Gbit/s et, désormais les 600 et 800 Gbit/s et les 1,2 et 1,6 Tbit/s !

Évolution des débits d’Ethernet

Source : https://www.ethernetalliance.org

2. Ethernet de 1985 à 2018

a. En 1985, IEEE organisme officiel

En 1985, l’organisation IEEE devient l’organisme officiel de standardisation d’Ethernet et publie la première norme sur ce sujet : IEEE 802.3. Depuis, toutes les normes de l’IEEE concernant Ethernet ont utilisé l’appellation IEEE 802.3 suivie d’un suffixe indiquant le type et l’année de publication....

FOIRL, Ethernet à 10 Mbit/s et à 100 Mbit/s

Certes, Ethernet a démarré avec du cuivre comme support de transmission du signal. Ce fut, tout d’abord, le câble épais - câble jaune ressemblant à un tuyau d’arrosage ! - puis le câble fin (thin cable) et, enfin, les paires torsadées (twisted pair) avec des caractéristiques évoluant dans le temps parallèlement à l’évolution des débits. Mais, très vite, la fibre optique a su imposer ses qualités intrinsèques pour devenir incontournable.

1. FOIRL

La première norme officialisant l’application d’Ethernet utilisant des fibres optiques comme support date de décembre 1987 : IEEE 802.3d, plus connue sous le nom de FOIRL (fiber optic inter-repeater link). L’objectif consistait à étendre la distance entre deux équipements. Limitée à 185 mètres en cuivre, elle pouvait être portée jusqu’à un kilomètre entre ces équipements via un répéteur à chaque extrémité.

Les fibres optiques recommandées sont les fibres multimodales 62,5/125 microns mais les fibres 50/125 microns, 85/125 et 100/140 microns sont acceptées.

Le FOIRL est toujours référencé dans la récente édition IEEE 802.3-2022, dans la partie 9.9 Medium attachment unit and baseband medium specification for a vendor indepedent FOIRL, pour des débits jusqu’à 10 Mbit/s.

Schéma type du FOIRL

2. Ethernet à 10 Mbit/s

La distance limitée du FOIRL a nécessité une évolution normalisée en septembre 1993 : norme IEEE 802.3j, plus connue sous le nom de 10BASE-F. La distance a été portée à deux kilomètres pour un débit de 10 Mbit/s.

a. Diversité d’Ethernet 10 Mbit/s sur fibres optiques

Diverses applications se rencontrent dans ces réseaux...

10BASE-F, qui spécifie la couche physique d’un réseau local à 10 Mbit/s sur fibres optiques et les unités d’attachement au média...

Ethernet à 1 Gbit/s et à 10 Gbit/s

Le Fast Ethernet a eu son heure de gloire. Cependant, la demande pour des réseaux gigabitaires a été avérée.

C’est ainsi que la montée en débits et les évolutions du protocole ont amené, en 1998, l’Ethernet à 1 Gbit/s (1 GbE) et l’Ethernet à 10 Gbit/s (10 GbE). Les spécifications sont toujours détaillées dans l’édition de 2022 de la norme IEEE 802.3-2022, clause 34 - Introduction to 1000 Mb/s baseband networks, pour le 1 GbE, clause 44 - Introduction to 10 Gb/s baseband networks, pour le 10 GbE, et clause 56 - Introduction to Ethernet for subscriber access networks, pour les réseaux d’accès.

1. Ethernet à 1 Gbit/s

a. Diversité d’Ethernet à 1 Gbit/s sur fibres

Diverses applications se rencontrent dans ces réseaux…

1000BASE-X, pour un réseau local travaillant à 1 000 Mbit/s en CSMA/CD, avec 1000BASE-XFD, pour full duplex, et 1000BASE-XHD, pour half duplex.
1000BASE-BX10, pour une liaison en point à point à 1 000 Mbit/s sur une fibre optique unimodale, avec 1000BASE-BX10D avec D pour downstream, flux descendant du central du fournisseur d’accès vers l’abonné, et 1000BASE-BX10U avec U pour upstream, flux remontant de l’abonné vers le central.
1000BASE-LX, avec L pour long wavelength laser, c’est-à-dire un 1000BASE-X utilisant des diodes laser émettant entre 1 270 et 1 355 nanomètres, sur deux fibres optiques multimodales ou unimodales, avec 1000BASE-LXFD (full duplex), et 1000BASE-LXHD (half duplex).
1000BASE-LX10, pour une liaison en point à point à 1 000 Mbit/s sur deux fibres optiques multimodales ou unimodales jusqu’à dix kilomètres.
1000BASE-PX10, pour une liaison en point à point à 1 000 Mbit/s sur une fibre optique unimodale jusqu’à dix kilomètres, avec 1000BASE-PX10D(downstream), et 1000BASE-PX10U (upstream), flux remontant.
1000BASE-PX20, partie de la norme IEEE 802.3-2022 spécifiant la couche physique d’une liaison en point à point à 1 000 Mbit/s sur une fibre optique unimodale jusqu’à vingt kilomètres et un coupleur 1:16, avec 1000BASE-PX20D (downstream), et 1000BASE-PX20U...

Ethernet à 25 Gbit/s et 50 Gbit/s

1. Ethernet à 25 Gbit/s ou 25 GbE

Les caractéristiques de l’Ethernet à 25 Gbit/s se trouvent dans la norme IEEE 802.3-2022, clause 105 - Introduction to 25 Gb/s networks.

Diverses applications se rencontrent dans ce 25 Gigabit Ethernet ou 25 GbE. Elles sont fonction du média physique (câbles cuivre, paires torsadées, fibres optiques) capable de transporter les 25 Gbit/s.

Ainsi, le 25 GbE se présente sous les formes : 25GBASE-CR, 25GBASE-CR-S, 25GBASE-KR, 25GBASE-KR-S, 25GBASE-T, 25GBASE-R, 25GBASE-SR, 25GBASE-LR, 25GBASE-ER, 25GBASE-BR, 25/10GBASE-PQ et 25GBASE-PQ.

2. Applications de base du 25 GbE

Pour les applications de base d’Ethernet à 25 Gbit/s, la fibre optique est le média utilisé dans les cas suivants :

25GBASE-SR (SR = short reach) pour une paire de fibres optiques multimodales OM3, OM4 ou OM5 (notation ISO) ou A1-OM3, A1-OM4 ou A1-OM5 (notation CEI).
25GBASE-LR (LR = long reach) pour une paire de fibres optiques unimodales.
25GBASE-ER (ER = extended reach) pour une paire de fibres optiques unimodales.

Les 25GBASE-LR et 25GBASE-ER sont interopérables moyennant des équipements spécifiques. Pour la famille 25BASE-R, dont -SR, -LR et -ER, le codage est du type 64B/66B, les transmissions s’effectuent en duplex intégral, au débit nominal de 25,78125 GBd. Energy-Efficient Ethernet est disponible en option.

	25GBASE-SR
Fibres optiques	Fibres multimodales A1-OM3 ou OM3	Fibres multimodales A1-OM4 ou OM4
	Fibres spécifiées dans la norme CEI 60793-2-10:2022
Longueur d’onde	850 nm
Bande passante modale effective	2 000 MHz*km	4 000 MHz*km
Distances couvertes	0,5 à 70 mètres	0,5 à 100 mètres

Dans la clause 112.5 de l’IEEE 802.3-2022, la fibre optique multimodale A1-OM5 ou OM5 n’est pas citée. Cependant, elle respecte les exigences demandées et, de plus, ses capacités étant meilleures, elle permet de plus longues distances et donc elle est souvent installée.

	25GBASE-LR	25GBASE-ER
Fibres optiques	Fibres unimodales de type B-652.B, B-652.D ou B-657.A1 spécifiées dans la norme CEI 60793-2-50:2018
Longueurs d’onde	1295 - 1325 nm	1295 - 1310 nm
Distances couvertes	2 mètres à 10 kilomètres	2 mètres à 30 kilomètres...

Ethernet à 40 Gbit/s et à 100 Gbit/s

Juin 2010 a vu arriver la norme IEEE 802.3ba-2010 concernant les versions à 40 Gbit/s (40 GbE) et à 100 Gbit/s (100 GbE). Depuis, d’évolution en évolution, la norme à prendre en considération est l’IEEE 802.3-2022, clause 82 Physical Coding Sublayer (PCS) for 64B/66B, type 40GBASE-R and 100GBASE-R.

Cette clause précise les paramètres de la couche d’accès au média (media access control - MAC), les spécifications de la couche physique, les paramètres de gestion de transmission de trames au format IEEE 802.3 aux débits de 40 Gbit/s et 100 Gbit/s ainsi que le taux d’erreur (bit error ratio - BER) qui doit être meilleur ou égal à 10^-12.

Diverses applications en support cuivre, en fond de paniers, en support fibre, se rencontrent dans ces réseaux à 40 Gbit/s et à 100 Gbit/s avec, d’une part, celles de la famille des 40GBASE-R et, d’autre part, celles de la famille des 100GBASE-R, toutes correspondant à des entités de la couche physique utilisant le codage 64B/66B. Voyons celles s’appuyant sur les fibres optiques.

1. Fibres optiques pour le 40 GbE

Deux types de fibres optiques se retrouvent dans les applications de transmission Ethernet à 40 Gbit/s (40 GbE) :

Les fibres optiques multimodales 50/125 nommées A1-OM3, A1-OM4 et Ai-OM5 (norme CEI 60792-2-10:2022) correspondant aux fibres OM3, OM4 et OM5 de la norme ISO 11801.
Les fibres optiques unimodales nommées B-652.B, B-652.D ou B-657.A1 (norme CEI 60753-2-50:2018) qui correspondent, respectivement, aux fibres G.652.B, G.652.D et G.657.A1 de l’UIT-T.

Principales applications :

40GBASE-SR4 (SR4 = short reach, 4 lanes), pour la transmission sur quatre paires de fibres optiques multimodales en parallèle de 10 Gbit/s par fibre (quatre fibres par sens de transmission), dans la fenêtre de 840 à 860 nanomètres, jusqu’à 100 mètres en OM3 ou 150 mètres en OM4 et OM5.
40GBASE-LR4 (LR4 = long reach, 4 lanes), pour la transmission en WDM de quatre longueurs d’onde (4 x 10 Gbit/s), sur deux fibres optiques unimodales (une fibre par sens de transmission), à 1 310 nanomètres, jusqu’à 10 kilomètres.
40GBASE-ER4 (ER4 = extended reach...

Ethernet à 200 Gbit/s et à 400 Gbit/s

L’évolution des débits d’Ethernet à 200 Gbit/s (200 GbE) et à 400 Gbit/s (400 GbE) sur fibres optiques suit, comme pour les débits plus faibles vus précédemment, deux directions complémentaires : l’une sur fibres multimodales, pour de courtes distances, l’autre sur fibres unimodales, pour couvrir des distances plus importantes. Toutes les spécifications de base concernant le 200 GbE et le 400 GbE se trouvent dans la clause 119 - Physical Coding Sublayer (PCS) for 64B/66B, type 200GBASE-R and 400GBASE-R de la norme IEEE 802.3-2022.

Diverses applications se rencontrent dans ces familles des réseaux Ethernet à 200 Gbit/s et 400 Gbit/s (cf. ci-dessous). Elles ont en commun des caractéristiques de transmission comme le duplex intégral, le codage 64B/66B pouvant être transcodé en 256B/257B pour réduire la longueur des en-têtes, le codage PAM4 pour certaines d’entre elles, et elles offrent l’option Energy-Efficient Ethernet (EEE).

1. Fibres pour le 200 GbE

La famille Ethernet 200GBASE-R à 200 Gbit/s comprend une application pour fibres multimodales - 200GBASE-SR4 - et quatre applications pour fibres unimodales - 200GBASE-DR4, -FR4, -LR4 et -ER4 :

200GBASE-SR4, transmission sur 4 fibres multimodales de 50 Gbit/s par fibre et par sens de transmission (8 fibres en tout), en modulation PAM4, dans la fenêtre de 840 à 860 nanomètres, sur une distance de 70 mètres avec les fibres OM3 et de 100 mètres avec les fibres OM4 et OM5.
200GBASE-DR4, avec 4 fibres optiques unimodales par sens de transmission, à 26,5625 GBd par fibre (soit 8 fibres optiques), codage PAM4, longueurs d’onde de 1304,5 à 1317,5 nanomètres, connectique MPO-12, distance jusqu’à 500 mètres.
200GBASE-FR4, avec le multiplexage de 4 longueurs d’onde (CWDM) sur une fibre optique unimodale par sens de transmission (soit 2 fibres optiques), à 26,5625 GBd par longueur d’onde, codage PAM4, distance jusqu’à 2 kilomètres.
200GBASE-LR4, similaire au 200GBASE-FR4 mais sur une distance jusqu’à 10 kilomètres.
200GBASE-ER4, similaire au 200GBASE-FR4 mais sur une distance de 30 ou 40 kilomètres selon équipements.

200GBASE-DR4...

Ethernet à 800 Gbit/s et 1,6 Tbit/s

La norme IEEE 802.3-2022 s’arrête aux spécifications des applications à 400 Gbit/s. Cependant, les travaux sur le développement de plus forts débits visent à normaliser l’Ethernet à 800 Gbit/s (800 GbE) et l’Ethernet à 1,6 Tbit/s (1,6 TbE). Panorama de cela dans l’organisme IEEE, à travers les groupes de travail IEEE P802.3df et IEEE P802.3dj, ou dans des groupements d’industriels tels le 800G Pluggable MSA (multisource agreement) et le Terabit BiDi MSA.

1. Groupe de travail IEEE P802.3df

Le groupe IEEE P802.3df, intitulé 400 Gb/s and 800 Gb/s Ethernet Task Force, a pour objectifs de définir les spécifications des applications :

400 GbE, sur 4 paires de fibres unimodales jusqu’à 2 kilomètres ;
800 GbE, sur 8 paires de fibres multimodales jusqu’à 50 ou 100 mètres et sur 8 paires de fibres unimodales jusqu’à 500 m ou 2 kilomètres.

La normalisation est attendue pour juin 2024.

Adresse internet : https://www.ieee802.org/3/df/index.html

2. Groupe de travail IEEE P802.3dj

Le groupe de travail IEEE P802.3dj, intitulé 200 Gb/s, 400 Gb/s, 800 Gb/s, and 1.6 Tb/s Ethernet Task Force, a pour objectif de définir les spécifications de nouvelles couches physiques pour les applications 200 GbE, 400 GbE, 800 GbE et 1,6 TbE basées...

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