ETHERNET, ETHERNET INDUSTRIEL ET ETHERNET TEMPS RÉEL

Ethernet est un système de communication souple, fiable et relativement simple à utiliser qui est maintenant universel et un standard de fait. Ses coûts d'installation peu élevés et sa maintenance relativement aisée permettent d'obtenir un très bon rapport performance / prix. Dans tous les cas, le système en lui même est un sujet très complexe, puisqu'il est constitué d'un très grand nombre de technologies diverses et variées, et parce qu'il évolue constamment en répondant aux nouveaux besoins générés par les capacités sans cesse croissante des technologies émergentes.

Vous trouverez ici une liste de ressources portant sur les connaissances de base d'Ethernet en général et sur l'Ethernet industriel - les bases au sujet des standards et des nombreuses autres extensions et implémentations telles que l'Ethernet temps réel, Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet : les protocoles, les architectures, les adresses, les interfaces, le câblage …

Vous trouverez aussi des outils de diagnostic Ethernet tels que Wireshark ou NTOPNG par exemple.

• Mise en œuvre d'Ethernet, des protocoles Internet et de contrôle de transmission TCP/IP. ( )

  Institut d'Automatisation Industrielle - http://iai.heig-vd.ch

  François BIRLING présente les différents protocoles matériels et logiciels mis en œuvre dans Ethernet :

  • ARP pour la résolution des adresses.
  • CRC pour le contrôle d'erreurs.
  • CSMA/CD pour la gestion des accès multiples et les détections de collision.
  • DHCP pour la configuration dynamique de l'hôte.
  • IEEE 802.3 pour le standard.
  • IP pour Internet.
  • MAC pour le contrôle d'accès au support.
  • TCP pour le contrôle de transmissions.
  • UDP pour les données utilisateur.

  Il présente également les supports physiques, les liaisons et le routage, les protocoles de transport de données, les routeurs ( les hubs et les commutateurs réseau ), la programmation des sockets et la façon dont les ports sont organisés.

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• Couches physiques, couches logiques, sous-réseaux et paquets de contrôle de transmission TCP.

  [ Archives ]

  La première partie de ce tutoriel présente quelques connaissances de base sur les réseaux, leur application aux réseaux Ethernet/IP, les couches logiques, les sous-réseaux, le multiplexage et le transfert de paquets.

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• Quelques protocoles présents dans les réseaux Internet IP. ( )

  http://aureliengeron.free.fr/livrewifi/

  Aurelien Géron présente ici des informations relatives à l'adressage au sein des réseaux IP, plus quelques aspects propres aux réseaux Internet :

  • ARP pour l'adressage.
  • DHCP pour les protocoles de configuration dynamiques.
  • ICMP le contrôle de messages.
  • IGMP
  • TCP pour le contrôle de transmission.
  • UDP pour les protocoles de gestion des données utilisateur.

  Pour ce qui concerne l'adressage, les thèmes abordés concernent les adresses IP, les règles de routage, les adresses publiques, les adresses privées et les procédures NAT, le tout accompagné d'une brève introduction à l'adressage IPv4 et IPv6.

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• Les protocoles TLS et SSL, le cryptage asymétrique, les certificats et les signatures électroniques. ( )

  http://aureliengeron.free.fr/livrewifi/

  L'auteur aborde ici les notions de confidentialité et de protection des données et présente quelques unes des techniques couramment implémentées dans les réseaux IP. Vous y trouverez un résumé sur la cryptographie et les opérations mathématiques asymétriques, les problèmes de cryptage asymétrique et leurs faiblesse, les signatures et les certificats électroniques, les serveurs d'authentification, tels que le serveur Radius ( voir à ce propos la présentation de FreeRadius sur ce site ), et une brève présentation des protocoles SSL pour la couche de gestion de la sécurité et TLS pour la couche de sécurité du transport de données.

  Par ailleurs, ce professionnel propose aussi tout un ensemble de ressources pour les réseaux WiFi dont vous pouvez découvrir une présentation ici dans la section qui porte sur les réseaux sans fils, avec un petit commentaire sur son livre remarquable à ce propos.

• Le manuel des technologies Ethernet et Internet.

  www.cisco.com

  Si vous recherchez des informations plus expertes et le plus détaillées possibles abordant les sujets de ponts et de commutation entre réseaux, les technologies d'intégration de données, les câbles et les transmissions en bande large, les protocoles TCP / UDP, les modes asynchrones de transfert de données ATM et plus généralement les connexions asynchrones, les différentes aspects qui concernent le protocole internet IP, la gestion des communications en réseau, les supports de communication optique, le stockage de données au travers d'un réseau, les réseaux étendus WAN ou encore les réseaux mobiles ou/et sans fil, les technologies de sécurité disponibles pour les réseaux de communication avec un dossier complet sur les réseaux privés virtuels VPN et sur la qualité de services ( QOS ), ou bien les technologies de gestion de la mémoire cache pour obtenir un réseau performant, vous trouverez un grand profit à consulter les centaines de pages qui constituent ce remarquable manuel de référence très bien structuré.

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• Théorie et fonctionnement d'ETHERNET. ( )

  ww1.microchip.com

  Ce document technique se rapporte à beaucoup de sujets, à commencer par l'empilement des protocoles jusqu'au croisement automatique des lignes de transmission en émission et en réception ( RX / TX ), le tout bien illustré à l'aide de datagrammes, de chronogrammes et autres schémas.

  Ce papier décrit ensuite l'encapsulation des trames et les couches application, transport, réseau, physiques et de lien de données. Il présente aussi une vue d'ensemble sur le support physique, et introduit les notions qui portent sur le format des trames Ethernet, sur les trames de contrôle et sur les adresses MAC de contrôle d'accès au support de transmission.

  D'autres sujets se rapportent à des considérations comme les durées de transmission, les accès multiples avec détection de collision ( CSMA/CD ), la topologie de bus partagé, le full-duplex, le contenu des flux à 10/100 Mo/s, une vue d'ensemble sur l'encodage, l'auto-négociation, et plus encore …

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• Les protocoles des réseaux IP, Intranet et Internet. ( )

  https://fab.cba.mit.edu

  Ce document présente les bases d'internet et les différents protocoles qui en constituent le socle, après en avoir situé les différents protocoles de base relativement aux couches de communication du standard OSI.

  • Le protocole internet IP.

    Les auteurs décrivent le protocole internet proprement dit avec la description des paquets IP, de l'adressage IPV4, des classes d'adresses, de l'adressage des sous-réseaux et des masques de sous-réseau.

  • Le protocole de contrôle de transmission TCP.

    Ils précisent comment s'établit la connexion, quel est le format des paquets, quels champs les constituent et quels sont le format et l'usage du protocole de données utilisateur ( UDP ).

  • Couches application Internet.

    Présentation de quelques unes des couches application couramment employées au sein d'Internet, telles que le protocole de transfert de fichiers FTP, le protocole de gestion du réseau SNMP, le protocole de messagerie SMTP, Telnet, le système des noms de domaine DNS etc …

  Cette introduction décrit aussi brièvement ce que sont le protocole des messages de contrôle ICMP, le protocole de résolution d'adresse ARP, et comment s'effectue le routage des paquets de données.

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• Introduction aux protocoles LAN.

  [ Archives ]

  Cette introduction aux réseaux locaux présente les topologies les plus utilisées, le modèle OSI, les méthodes d'accès au support ( CSMA/CD ), les méthodes de transmission de données, les périphériques et les équipements nécessaires.

Charles Spurgeon propose une collection de liens vers des ressources pédagogiques ( des tutoriels, des dossiers, des thèses, des liens vers d'autres sites ) sur les technologies Ethernet 10 Mbps, 100 Mbps et 1000 Mbps ( 1Gbps ) proposés par le Laboratoire d'interopérabilité de l'université du New Hampshire. L'auteur du site propose aussi un guide de configuration des réseaux Ethernet 10 Mbps multi-segments en Half-Duplex, ainsi qu'un dossier complet qui introduit aux concepts de base d'Ethernet.

Charles SPURGEON - www.ethermanage.com

Les systèmes Ethernet à destination de l'industrie offrent maintenant assez de stabilité réseau et de capacité temps réel pour réaliser des applications qui auraient été fondées auparavant sur des bus de terrain. L'attrait de ces techniques pour les industriels repose sur son utilisation en tant que standard international pour les communications.

L'automatisation industrielle peut potentiellement être gérée par Ethernet à tous les niveaux : les commandes et les contrôles peuvent être directement implémentés au niveau du terrain tout en faisant partie d'un système de communication standard. Atteindre cet objectif nécessite le remplacement des protocoles de bus de terrain existants par des protocoles temps réels, ou/et d'être transportés par Ethernet comme avec la technique de port série virtuel par exemple. Tout ceci explique en partie pourquoi les réseaux de communication industriels évoluent constamment et convergent de plus en plus vers des architectures Ethernet, comme le montrent les quelques exemples suivants qui représentent des technologies qui se sont renouvelées, en adoptant parfois de nouvelles appellations.

• Bus de terrain.

  CC-Link, Ethernet-IP, Fondation Fieldbus HSE, Modbus TCP, Profinet et SafetyNet.

• Bus de données rapides.

  EtherCat, MACRO, Mechatrolink III, Powerlink, SERCOS III et SynqNet.

• Réseaux d'instruments de mesures.

  HART-IP et LXI.

• Réseaux de transfert d'images.

  Gige Vision.

• Bus de capteurs / actionneurs.

  Interbus, IO-Link et P-Net.

Nous aurions pu éventuellement citer Arcnet aussi avec sa version « ArcnetPlus » - sa tentative d'adaptation à Ethernet, mais la conception en a commencé un tout petit peu trop tard et d'autres technologies ont gagné la compétition.

• Amener l'Ethernet industriel à travailler sur le terrain.
• Regarder derrière les protocoles en automatisme.
• Fieldbus, Ethernet la réalité de la convergence.

• Quatorze solutions Ethernet pour l'industrie sous les projecteurs.
• Le contrôle d'axes Ethernet/IP en première priorité.

https://iebmedia.com

Sous le titre « Standardisation d'Ethernet en industrie, le prochain champ de bataille ? », cette présentation explique en premier lieu pourquoi Ethernet est nécessaire et utile à l'automatisation, en quoi diffère son utilisation dans un contexte de bureau et dans un contexte de production industrielle, et quels sont les principaux réseaux industriels basés sur ses technologies ( en 2004 ). Vous pourrez lire ensuite une introduction sur les besoins en temps réel nécessaires à l'automatisation, sur les caractéristiques générales d'Ethernet temps réel ( RTE ), et comment améliorer les performances des procédés de communication du standard commun. Pour terminer, ce document liste les risques potentiels relatifs aux système automatisé, avec des considérations sur la sûreté appliquée à Ethernet, et avec d'autres considérations sur les normes de sûreté concernant les machines.

Prof. Max Felser - https://felser.ch

Les contraintes de temps et de synchronisation prennent de plus en plus d'importance dans la mise en œuvre de systèmes de mesure, de tests, de bancs d'essais, d'installations industrielles automatisées, de réseaux industriels et de systèmes de contrôle en général. L'ISO 1588 est une norme qui définit un protocole garantissant la synchronisation précise d'horloges pour des systèmes de mesure et des systèmes de contrôle utilisant des réseaux, des ordinateurs, des contrôleurs programmables ou des systèmes distribués. Quoique la norme ISO 1588 soit souvent utilisée pour mettre en œuvre un système Ethernet temps réel ( RTE - Real Time Ethernet ), elle n'est attachée à aucune technologie de communication particulière. On peut trouver ce protocole embarqué dans d'autres systèmes et d'autres réseaux qui ne sont pas basés sur Ethernet, comme certains bus de contrôle, certains réseaux d'instrumentation ou certains bus de terrain.

In extenso, le propos du protocole ISO 1588 est uniquement ( ce qui représente déjà beaucoup ) de gérer la synchronisation précise de systèmes entre eux ( qu'il s'agisse de synchroniser des données, des signaux matériels ou autres ), en proposant un ensemble de procédures et de mécanismes de gestion d'horloges bien définis et bien spécifiés. En intégrant et en respectant ce protocole, des réseaux Ethernet standards peuvent acquérir des caractéristiques temps réel et déterministes, ce qui peut leur permettre d'être qualifiés de réseaux Ethernet temps réel par synchronisation d'horloge.

L'ISO 1588 n'est pas la seule solution pour adjoindre des caractéristiques temps réel à Ethernet. Cette technologie peut aussi faire usage des protocoles de communication en temps réel Sercos, TTEthernet, SynUTC, NTP, internet RFC 1305, ou encore même en utilisant des fonctions du système GPS ( dont la précision de positionnement dépend très étroitement de la précision des horloges atomiques embarquées dans les satellites et dans les relais terrestres ). Une autre solution peut aussi faire appel à des protocoles temps réels spécifiques, comme le protocole de « référence temporelle partagée avec horloges distribuées » qu'utilise le bus de contrôle Ethercat par exemple. Le choix d'une solution à une telle problématique dépend tout aussi bien du contexte que des besoins. Toutefois, il est à noter que le standard 1588 est une solution éprouvée ( et donc robuste ) qui répond bien aux contraintes imposées aux réseaux Ethernet industriels pour les applications de contrôle et de commande.

Cette présentation commence par expliquer pourquoi l'industrie requière de plus en plus de précision pour la synchronisation des échanges de données. Elle explique ensuite les concepts de base des différentes techniques disponibles, les problèmes liés à la synchronisation d'horloges, et comment ces techniques peuvent être appliquées à Ethernet temps réel. Puis vient une présentation détaillée de la norme IEEE 1588, de ses objectifs, des principes de base sur lesquels elle repose, et des différentes techniques qu'elle utilise. Et pour terminer, les auteurs présentent brièvement d'autres technologies qui ont le même objectif ( SynUTC ou NTP par exemple ).

Manuel Gonzalez, Marcel Seguin

www-master.ufr-info-p6.jussieu.fr

Après un bref historique et des considérations sur l'évolution des réseaux de communication industriels vers des architectures Ethernet, l'auteur explique le besoin croissant de caractéristiques temps réel et déterministes dans les applications de communication industrielle. Il présente ensuite en détail les trois principales approches techniques utilisées pour rendre les systèmes Ethernet temps réel. Et surtout, il liste les réseaux industriels basés sur Ethernet ( Modbus TCP, Ethernet IP, P-Net, ControlNet, Profinet, Ethercat, Powerlink, Sercos ), et il analyse pour chacun les techniques utilisées pour obtenir des caractéristiques temps réel.

Prof. Max Felser - www.felser.ch

Membre de l'IEEE

Le NIST américain est à peu près l'équivalent de l'AFNOR en France. Il présente ici une courte introduction à la norme IEEE 1588 avec un tout ensemble de documents pédagogiques particulièrement instructifs.

Institut National des Technologies Standards ( NIST )

www.nist.gov.

Depuis que la technologie Ethernet est de plus en plus utilisée comme base des réseaux en automatisme, du niveau du terrain jusqu'au niveau de gestion de la société, le nombre de client tentant d'accéder à un même serveur va croissant alors que le volume de données à échanger augmente de plus en plus. En même temps, de plus en plus d'application de contrôle comme le contrôle d'axes ou les systèmes de vision nécessitent des capacités temps réel performantes. Fast Ethernet ( en associant avec Ethernet commuté ) est une solution économique pour répondre à ces contraintes, offrant des performances dix fois plus élevées pour à peu près les mêmes coûts.

Ce répertoire propose des documents techniques et pédagogiques qui portent sur les concepts de base mis en œuvre dans Fast Ethernet. Les thèmes principaux portent sur la couche physique 100 base-X et sur le support de transmission 100 base-TX.

www.iol.unh.edu.

• Vue d'ensemble sur Fast Ethernet : Les technologies Fast Ethernet et Gigabit Ethernet.

  Cette page présente rapidement les concepts fondamentaux mis en œuvre dans les technologies d'Ethernet rapide, quelles sont ces technologies et comment les utiliser, dans l'idée de guider les lecteurs quant à leur migration vers une technologie réseau Fast Ethernet.

  www.lantronix.com

« Gigabit Ethernet » est une des dernières version d'Ethernet ( avec les versions 10 Gbps Ethernet et 100 Gbps Ethernet à l'heure actuelle - 2014 ). Cette technologie fonctionne en utilisant une grande bande passante de 1000 Mbps ( 1 Gbps ), ce qui est cent fois plus rapide que pour la version Ethernet d'origine, vers 1973. Gigabit Ethernet est compatible avec les versions précédentes d'Ethernet, puisqu'il utilise exactement les même technologies de base pour ce qui concerne son noyau. En ce moment, la technologie Gigabit Ethernet est présente dans l'industrie pour des applications réseaux de systèmes de vision comme Gige Vision par exemple.

Chacun de ces documents proposent une bonne synthèse sur les technologies Gigabit Ethernet en quelques pages.

• Gigabit Ethernet - Technologie et solutions. ( )

  La compagnie Intel nous explique rapidement et clairement en quoi consiste cette technologie, pourquoi nous avons besoin de vitesses de communication de plus en plus élevées, et comment déployer les réseaux de communication à grands débits.

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• 10 Gigabit Ethernet - Aperçu technique. ( )

  Pour commencer, cet article d'Intel présente en quoi consiste cette norme, et en quoi elle diffère de la norme standard de base. Ensuite, il définit comment cette technologie se situe dans le marché et quels services elle peut apporter dans des applications telles que les réseaux locaux ( LAN ), les réseaux urbains ( MAN ), ou les réseaux étendus ( WAN ). Finalement, le document décrit rapidement l'usage qui est fait de la fibre optique dans ce standard, et évalue quel pourrait être l'avenir de la technologie 10 gigabit.

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• L'usage de la segmentation améliore les performances réseau. ( )

  Cette note décrit pourquoi et comment la segmentation d'un réseau améliore ses performances, en y ajoutant des ports, des commutateurs et des serveurs. En conclusion, les solutions côté serveurs sont premièrement d'utiliser des réseaux locaux ( LAN ) embarqués sur la carte mère ( LOM ), puis d'utiliser des cartes réseaux à ports multiples ( NIC ).

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• Gigabit Ethernet sur des conducteurs en cuivre. ( )

  Bien qu'un système utilisant cette technologie ait été conçu pour être câblé avec de la fibre optique, Intel nous explique qu'un tel réseau peut très bien être câblé avec des conducteurs en cuivre tout en restant performant, ce qui le rend plus économique. L'éditeur liste par ailleurs quelles considérations importantes doivent être prises en compte pour ce type de déploiement.

• Introduction à l'architecture et à l'organisation du système.

  Ce document porte sur l'architecture du protocole et comment il est organisé. Il décrit aussi l'interface physique, le codage des signaux et la couche de transport.

  [ Archives ]

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• Un aperçu de la technologie Gigabit Ethernet.

  Cette synthèse du système en présente la couche physique et la couche MAC de contrôle d'accès, l'interface Gigabit indépendante, le distributeur bufferisé et la topologie.

  Vijay Moorthy - www1.cse.wustl.edu

  Washington university in St Louis

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• Gigabit Ethernet: Connaissances de base.

  Ce dossier regroupe des vue d'ensemble détaillées et très bien écrites sur les techniques mises en œuvre. Vous y découvrirez des présentations intéressantes sur la technologie 1000 base-T, et d'autres présentations qui portent sur le codage physique, l'auto-négociation et plus encore.

  InterOperability Laboratory - www.iol.unh.edu

Cet analyseur de trafic réseau performant, libre et open source montre comment un réseau IP est utilisé. Il publie les résultats de son analyse en temps réel sur une page Web. Il affiche et il archive le trafic selon les adresses IP, il enregistre et il visualise l'origine géographique des serveurs qui se connectent à vos réseaux, il vous indique qui communique avec qui, et il propose beaucoup d'autres fonctions. Ainsi, vous pouvez apprécier le trafic de votre réseau, la répartition des différents protocoles, quelles sont les sources et les destinations des données échangées etc. Ce programme peut aussi être utilisé comme collecteur de données.

www.ntop.org

« Wireshark » ( anciennement Ethereal ) est un analyseur de protocole très complet, libre et open source qui s'exécute sur les systèmes d'exploitation les plus populaires tels que Linux, Unix ou Windows. Il est utilisé mondialement par les spécialistes des réseaux informatiques pour la détection de défauts, l'analyse, le développement de logiciels et de protocoles, ainsi que pour l'apprentissage. Cet outil est réellement très puissant pour réaliser des tests, pour surveiller des flux de données ou pour résoudre des problèmes, puisqu'il peut détecter et analyser plus de 1000 protocoles de communication ( dans sa version 1.10.2 ), parmi lesquels des protocoles et des réseaux utilisés dans les applications d'automatisation industrielles. Un automaticien y trouvera parmi ceux-ci les protocoles des réseaux Can Bus et CanOpen, CIP, Ethercat, Ethernet IP, Ethernet Powerlink, Foundation Fieldbus, les différents protocoles Modbus ( RTU et TCP ), le protocole Omron « Fins », et les protocoles USB, Wifi et ZigBee. Ce logiciel supporte aussi les protocoles IEEE 1588 et nombre de protocoles dédiés aux communications numériques en temps réel.

• Introduction à Wireshark et présentation de ses caractéristiques principales.
• FAQ - Les questions les plus fréquentes à son sujet, y compris pour ce qui concerne l'aide technique, le système, les fonctionnalités, les réseaux, la programmation et beaucoup plus encore.
• La documentation technique très complète et très détaillée, comprenant le guide utilisateur, le guide pour les développeurs et tout ce qui concerne ce logiciel.

www.wireshark.org