Notions de base sur la commutation, le routage et sans fil – Modules 2 : Concepts de Commutation

Mis à jour le 07/04/2023

2.0 Introduction

2.0.1 Pourquoi devrais-je suivre ce module?

Bienvenue aux concepts de commutation!

Vous pouvez connecter et configurer des commutateurs, c’est génial! Mais même un réseau avec la technologie la plus récente développe ses propres problèmes finalement. Si vous devez dépanner votre réseau, vous devez savoir comment fonctionnent les commutateurs. Ce module vous donne les bases des commutateurs et du fonctionnement du commutateur. Heureusement, le fonctionnement du commutateur est facile à comprendre!

2.0.2 Qu’est-ce que je vais apprendre dans ce module?

Titre du module: Concepts de Commutation

Objectif du module: Expliquer comment les commutateurs de couche 2 transfèrent les données.

2.1 Transfert de trame

2.1.1 Commutation dans la mise en réseau

Le concept de commutation et de transfert de trames est universel dans les réseaux et les télécommunications. Différents types de commutateurs sont utilisés dans les LAN, les WAN et dans le réseau téléphonique public commuté (RTPC).

La décision sur la manière dont un commutateur transmet le trafic est prise en fonction du flux de ce trafic. Il existe deux termes associés aux trames qui entrent et sortent d’une interface :

• Entrée (Ingress) – Ceci est utilisé pour décrire le port par lequel une trame entre dans l’appareil.
• Sortie (Egress) -Ceci est utilisé pour décrire le port que les trames utiliseront lorsqu’elles quitteront l’appareil.

Un commutateur LAN maintient un tableau qui est référencé lors de l’acheminement du trafic par le commutateur. La seule intelligence d’un commutateur LAN est sa capacité à utiliser sa table pour transférer le trafic. Un commutateur LAN transmet le trafic en fonction du port d’entrée et de l’adresse MAC de destination d’une trame Ethernet. Avec un commutateur LAN, il n’existe qu’une seule table de commutation maître qui décrit une association stricte entre les adresses MAC et les ports ; par conséquent, une trame Ethernet avec une adresse de destination donnée sort toujours du même port de sortie, quel que soit le port d’entrée dans lequel elle entre.

Remarque: Une trame Ethernet ne sera jamais transférée sur le même port que celui sur lequel elle a été reçue.

Cliquez sur Lecture pour voir une animation du processus de commutation.

2.1.2 Table d’adresse MAC du commutateur

Un commutateur est constitué de circuits intégrés et du logiciel associé qui contrôle les chemins de données dans le commutateur. Les commutateurs utilisent les adresses MAC de destination pour diriger les communications du réseau à travers le commutateur, hors du port approprié, vers la destination.

Pour qu’un commutateur sache vers quel port transférer une trame, il doit tout d’abord apprendre quels périphériques existent sur chaque port. À mesure que le commutateur apprend la relation entre les ports et les dispositifs, il construit une table appelée table d’adresses MAC. Ce tableau est stocké dans la mémoire adressable de contenu (CAM) qui est un type particulier de mémoire utilisé dans les applications de recherche à haute vitesse. Pour cette raison, la table d’adresses MAC est parfois aussi appelée table CAM.

Les commutateurs LAN déterminent comment traiter les trames de données entrantes en gérant la table d’adresses MAC. Un commutateur établit sa table d’adresses MAC en enregistrant l’adresse MAC de chaque périphérique connecté à chacun de ses ports. Le commutateur utilise les informations de la table d’adresses MAC pour envoyer des trames destinées à un périphérique donné au port qui a été attribué à ce périphérique.

2.1.3 La méthode “Switch Learn and Forward”

Le processus en deux étapes suivant est effectué sur chaque trame Ethernet qui entre dans un commutateur.

Étape 1. Découverte – Examen de l’adresse MAC source

Le commutateur vérifie si de nouvelles informations sont disponibles sur chacune des trames entrantes. Il le fait en examinant l’adresse MAC source de la trame et le numéro de port où la trame est entrée dans le commutateur :

• Si l’adresse MAC source n’existe pas dans la table des adresses MAC, l’adresse MAC et le numéro de port entrant sont ajoutés à la table.
• Si l’adresse MAC source existe, le commutateur réinitialise le compteur d’obsolescence de cette entrée. Par défaut, la plupart des commutateurs Ethernet conservent les entrées dans la table pendant cinq minutes. Si l’adresse MAC source existe dans le tableau mais sur un port différent, le commutateur la traite comme une nouvelle entrée. L’entrée est remplacée en utilisant la même adresse MAC, mais avec le numéro de port le plus récent.

Étape 2. Transfert – Examen de l’adresse MAC de destination

Si l’adresse MAC de destination est une adresse monodiffusion, le commutateur cherchera une correspondance entre l’adresse MAC de destination de la trame et une entrée dans sa table d’adresses MAC :

• Si l’adresse MAC de destination se trouve dans la table, le commutateur transfère la trame par le port spécifié.
• Si l’adresse MAC de destination ne se trouve pas dans la table, le commutateur transfère la trame sur tous les ports sauf celui d’entrée. Cela s’appelle une monodiffusion inconnue. Si l’adresse MAC de destination est une diffusion ou une multidiffusion, la trame est également envoyée sur tous les ports à l’exception du port entrant.

2.1.5 Méthodes de transmission par commutateur

Les commutateurs prennent très rapidement les décisions de transfert de couche 2. Cela est dû aux logiciels sur les circuits intégrés spécifiques aux applications (ASIC). Les ASIC réduisent le temps de traitement des images dans l’appareil et permettent à ce dernier de gérer un nombre accru d’images sans dégradation des performances.

Les commutateurs de couche 2 utilisent l’une des deux méthodes suivantes pour changer de trame :

• Commutation de stockage et de retransmission – Cette méthode prend une décision de retransmission sur une trame après avoir reçu la trame entière et vérifié la présence d’erreurs dans la trame à l’aide d’un mécanisme mathématique de vérification des erreurs appelé contrôle de redondance cyclique (CRC). La commutation par stockage et retransmission est la méthode de commutation LAN principale de Cisco.
• Commutation par coupure – Cette méthode lance le processus de transfert après que l’adresse MAC de destination d’une trame entrante et le port de sortie ont été déterminés.

2.1.6 Commutation par stockage et retransmission (store and forward)

La commutation Store-and-forward, par opposition à la commutation par coupure, présente les deux caractéristiques principales suivantes:

• Vérification des erreurs – Après avoir reçu la trame complète sur le port d’entrée, le commutateur compare la valeur de la séquence de vérification de la trame (FCS) dans le dernier champ du datagramme à ses propres calculs FCS. La FCS est un processus de contrôle des erreurs permettant de vérifier que la trame est exempte d’erreurs physiques et de liaison de données. Si la trame est exempte d’erreurs, le commutateur transfère la trame. Sinon, la trame est abandonné.
• Mise en mémoire tampon automatique – Le processus de mise en mémoire tampon du port d’entrée utilisé par les commutateurs de stockage et de transfert offre la souplesse nécessaire pour prendre en charge toute combinaison de vitesses Ethernet. Par exemple, le traitement d’une trame entrante voyageant dans un port Ethernet de 100 Mbps qui doit être envoyée par une interface de 1 Gbps nécessiterait l’utilisation de la méthode de stockage et de retransmission. Dès que les vitesses du port d’entrée et de sortie ne correspondent pas, le commutateur enregistre la trame complète dans une mémoire tampon, calcule le contrôle FCS, puis transmet la trame au port de sortie et l’envoie.

La figure illustre comment store-and-forward prend une décision basée sur la trame Ethernet.

2.1.7 Commutation par coupure (cut-through)

La méthode de commutation store-and-forward supprime les trames qui ne réussissent pas la vérification FCS. Par conséquent, il ne transmet pas de trames non valides.

En revanche, la méthode de commutation par coupure peut transmettre des trames non valides parce qu’aucun contrôle FCS n’est effectué. Cependant, la commutation par coupure a la capacité d’effectuer une commutation de trame rapide. Cela signifie que le commutateur peut prendre une décision de transfert dès qu’il a recherché l’adresse MAC de destination de la trame dans son tableau d’adresses MAC, comme le montre la figure.

Il n’a pas besoin d’attendre que le reste de la trame soit arrivé au port d’entrée pour prendre une décision.

La commutation sans fragment est une forme modifiée de commutation coupée dans laquelle le commutateur ne commence à transférer la trame qu’après avoir lu le champ Type. La commutation sans fragment offre une meilleure vérification des erreurs que la coupure, avec pratiquement aucune augmentation de la latence.

La faible latence de la commutation cut-through la rend mieux adaptée aux applications HPC (high-performance computing) extrêmement exigeantes, qui nécessitent des latences de processus à processus de 10 microsecondes au plus.

La méthode de commutation par coupure peut transmettre des images avec des erreurs. S’il y a un taux d’erreur élevé (trames non valides) sur le réseau, la commutation par coupure peut avoir un impact négatif sur la largeur de bande, ce qui encombre la bande passante avec des trames endommagées et non valides.

2.2 Domaines de commutation

2.2.1 Domaines de collision

Dans la rubrique précédente, vous avez acquis une meilleure compréhension de ce qu’est un commutateur et de son fonctionnement. Cette rubrique explique comment les commutateurs fonctionnent les uns avec les autres et avec d’autres périphériques pour éliminer les collisions et réduire la congestion du réseau. Les termes collisions et congestion sont utilisés ici de la même manière que vous les utilisez dans la circulation routière.

Dans les segments Ethernet traditionnels basés sur le concentrateur, les périphériques réseau étaient en concurrence pour le support partagé. Les segments de réseau qui partagent la même bande passante entre les périphériques sont appelés domaines de collision. Lorsque deux ou plusieurs dispositifs dans le même domaine de collision tentent de communiquer en même temps, une collision se produit.

Si un port de commutateur Ethernet fonctionne en mode bidirectionnel non simultané, chaque segment est dans son propre domaine de collision. Il n’y a pas de domaine de collision lorsque les ports de commutateur fonctionnent en duplex intégral. Toutefois, il peut y avoir un domaine de collision si un port de commutateur fonctionne en semi-duplex.

Par défaut, les ports des commutateurs Ethernet s’auto-négocient en duplex intégral lorsque le dispositif adjacent peut également fonctionner en duplex intégral. Si le port du commutateur est connecté à un dispositif fonctionnant en semi-duplex, tel qu’un ancien concentrateur, alors le port du commutateur fonctionnera en semi-duplex. Dans le cas du mode bidirectionnel non simultané, le port de commutateur appartient à un domaine de collision.

Comme le montre la figure, le duplex intégral est choisi si les deux appareils ont la capacité ainsi que leur plus grande largeur de bande commune.

2.2.2 Domaines de diffusion

Un ensemble de commutateurs interconnectés constitue un domaine de diffusion unique. Seul un périphérique de couche réseau, tel qu’un routeur, peut diviser un domaine de diffusion de couche 2. Les routeurs sont utilisés pour segmenter les domaines de diffusion, mais ils segmentent également les domaines de collision.

Lorsqu’un périphérique envoie une diffusion de couche 2, l’adresse MAC de destination de la trame est remplie de 1 binaires.

Le domaine de diffusion de couche 2 est appelé domaine de diffusion MAC. Le domaine de diffusion MAC est constitué de tous les périphériques du réseau local qui reçoivent les trames de diffusion provenant d’un hôte.

Dans la figure, cliquez sur Lire pour le constater dans la première partie de l’animation.

Lorsqu’un commutateur reçoit une trame de diffusion, il la transfère à tous ses ports, sauf au port d’entrée où elle a été reçue. Chaque périphérique connecté au commutateur reçoit un exemplaire de la trame de diffusion et la traite.

Les diffusions sont parfois nécessaires pour localiser initialement d’autres équipements et services réseau, mais elles réduisent l’efficacité du réseau. La bande passante du réseau est utilisée pour transmettre le trafic de diffusion. Un nombre de diffusions et une charge de trafic trop élevés sur un réseau peuvent entraîner un encombrement qui ralentit les performances réseau.

Lorsque deux commutateurs sont interconnectés, le domaine de diffusion augmente, comme l’illustre la deuxième partie de l’animation. Dans cet exemple, une trame de diffusion est transférée à tous les ports connectés sur le commutateur S1. Le commutateur S1 est connecté au commutateur S2. La trame est alors également propagée à tous les périphériques connectés au commutateur S2.

2.2.3 Réduire la congestion du réseau

Les commutateurs LAN ont des caractéristiques particulières qui les aident à réduire la congestion du réseau. Par défaut, les ports de commutation interconnectés tentent d’établir une liaison en duplex intégral, éliminant ainsi les domaines de collision. Chaque port full-duplex du commutateur fournit la totalité de la bande passante à l’appareil ou aux appareils qui sont connectés à ce port. Les connexions en duplex intégral (full-duplex) ont considérablement augmenté les performances du réseau local et sont requises pour des vitesses Ethernet de 1 Gbps et plus.

Les commutateurs interconnectent les segments de réseau local, utilisent une table d’adresses MAC pour déterminer les ports de sortie et peuvent réduire ou éliminer entièrement les collisions. Les caractéristiques des commutateurs qui atténuent la congestion du réseau sont notamment les suivantes

• Vitesses de port rapides – Les vitesses de port des commutateurs Ethernet varient selon le modèle et l’objectif. Par exemple, la plupart des commutateurs de la couche d’accès supportent des vitesses de port de 100 Mbps et 1 Gbps. Les commutateurs de la couche distribution prennent en charge des vitesses de port de 100 Mbps, 1 Gbps et 10 Gbps. Les commutateurs de la couche centrale et des centres de données peuvent prendre en charge des vitesses de port de 100 Gbps, 40 Gbps et 10 Gbps. Les commutateurs avec des vitesses de port plus élevées coûtent plus cher, mais peuvent réduire la congestion.
• Commutation interne rapide – Les commutateurs utilisent un bus interne rapide ou une mémoire partagée pour fournir des performances élevées.
• Grandes mémoires tampons de trames – Les commutateurs utilisent de grandes mémoires tampons pour stocker temporairement plus d’images reçues avant de devoir commencer à les déposer. Cela permet de transférer le trafic d’entrée à partir d’un port plus rapide (par exemple, 1 Gbit/s) vers un port de sortie plus lent (par exemple, 100 Mbit/s) sans perdre de trames.
• Haute densité de port – Un commutateur à haute densité de port réduit les coûts globaux car il réduit le nombre de commutateurs requis. Par exemple, si 96 ports d’accès étaient nécessaires, il serait moins coûteux d’acheter deux commutateurs 48 ports au lieu de quatre commutateurs 24 ports. Les commutateurs haute densité de port aident également à maintenir le trafic local, ce qui contribue à réduire la congestion.

2.3 Module pratique et questionnaire

2.3.1 Qu’est-ce que j’ai appris dans ce module?

Retransmission de trame

La décision sur la manière dont un commutateur transmet le trafic est basée sur le flux de ce trafic. Le terme “ingress” décrit le port par lequel une trame entre dans un appareil. Le terme “egress” décrit le port que les cadres utiliseront lorsqu’ils quitteront l’appareil. Une trame Ethernet ne sera jamais transférée hors du port où elle est entrée. Pour qu’un commutateur sache vers quel port transférer une trame, il doit tout d’abord apprendre quels périphériques existent sur chaque port. À mesure que le commutateur apprend la relation entre les ports et les dispositifs, il construit une table appelée table d’adresses MAC. Chaque trame qui entre dans un commutateur est vérifiée pour connaître de nouvelles informations en examinant l’adresse MAC source de la trame et le numéro de port où la trame est entrée dans le commutateur. Si l’adresse MAC de destination est une adresse monodiffusion, le commutateur recherche une correspondance entre l’adresse MAC de destination de la trame et une entrée dans sa table d’adresses MAC. Les méthodes de transfert comprennent le stockage et la transmission ainsi que la coupure. Le système de stockage et de transmission utilise la vérification des erreurs et la mise en mémoire tampon automatique. Le cut-through ne vérifie pas les erreurs. Au lieu de cela, il effectue une commutation rapide de trame. Cela signifie que le commutateur peut prendre une décision de transfert dès qu’il a recherché l’adresse MAC de destination de la trame dans sa table d’adresses MAC.

Changement de domaine

Si un port de commutateur Ethernet fonctionne en mode bidirectionnel non simultané, chaque segment est dans son propre domaine de collision. Il n’y a pas de domaine de collision lorsque les ports de commutateur fonctionnent en duplex intégral. Par défaut, les ports des commutateurs Ethernet s’auto-négocient en duplex intégral lorsque le dispositif adjacent peut également fonctionner en duplex intégral. Un ensemble de commutateurs interconnectés constitue un domaine de diffusion unique. Seul un périphérique de couche réseau, tel qu’un routeur, peut diviser un domaine de diffusion de couche 2. Le domaine de diffusion de couche 2 est appelé domaine de diffusion MAC. Le domaine de diffusion MAC est constitué de tous les périphériques du réseau local qui reçoivent les trames de diffusion provenant d’un hôte. Lorsqu’un commutateur reçoit une trame de diffusion, il la transfère à tous ses ports, sauf au port d’entrée où elle a été reçue. Chaque périphérique connecté au commutateur reçoit un exemplaire de la trame de diffusion et la traite. Les commutateurs peuvent : interconnecter des segments de LAN, utiliser une table d’adresses MAC pour déterminer les ports de sortie, et peuvent réduire ou éliminer entièrement les collisions. Les caractéristiques des commutateurs qui atténuent la congestion du réseau sont des vitesses de port rapides, une commutation interne rapide, des tampons de trame volumineux et une densité de port élevée.