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Notions de switching

Cet article a pour objectif de présenter une vue globale de la commutation (switching) en exposant les notions de latence, de full-duplex, de segmentation par du matériel de couche 2 et de couche 3, de modes de commutation.

 

1. Latence


 

Définition

La latence, parfois appelée délai, est le temps que prend une trame (ou un paquet) pour voyager entre la station d'origine (nœud) et la destination finale sur le réseau.

Causes :

Délai carte réseau

Premièrement, il y a le temps nécessaire à la carte réseau d'origine pour placer des impulsions électriques sur le fil et le temps nécessaire à la carte réseau réceptrice pour interpréter ces impulsions. On parle parfois, dans ce cas, de délai de carte réseau (il s'agit généralement d'un délai de 1 microseconde pour les cartes réseau 10BaseT).

Délai propagation

Vient ensuite le délai de propagation proprement dit, qui se produit lorsque le signal prend le temps, quoique très court, nécessaire à son déplacement sur le fil (environ 0,556 microseconde par 100 mètres pour du câble UTP de catégorie 5). Plus le câble est long, plus le délai de propagation est important. De même, plus la vitesse de propagation nominale, ou NVP, du câble est faible, plus le délai de propagation est important.

Délais unités couches 1, 2 ou 3

Enfin, du temps de latence est ajouté en fonction des unités réseau (qu'elles soient de couche 1, 2 ou 3) ajoutées sur la voie entre deux hôtes en communication, ainsi que de leur configuration. Il convient également de tenir compte du temps de transmission réel (période pendant laquelle l'hôte transmet effectivement des bits) pour bien comprendre la notion de synchronisation dans le domaine des réseaux.

Durée d'un bit

= l'unité de base au cours de laquelle UN bit est envoyé.
Pour que les dispositifs électroniques ou optiques soient en mesure de reconnaître un 1 ou un 0 binaire, il doit y avoir une période minimale durant laquelle le bit est " ouvert " ou " fermé ".

Si la durée d'un bit est de 100ns (Ethernet 10 Mbits/s) alors pour

Taille d'un trame (Octet) Temps de transmission (microseconde)
64 51,2
512 410
1000 800
1518 1214

(trame X 8 X 100ns)/1000 = temps de transmission en microsecondes

2. Les répéteurs


Les répéteurs sont des éléments de couche 1 qui régénèrent le signal avant de le transmettre.
Les répéteurs autorisent des distances de bout en bout supérieures
Les répéteurs augmentent le domaine de collision
Les répéteurs augmentent le domaine de broadcast

 

3. Full-Duplex


Le commutateur Ethernet full duplex tire parti des deux paires de fils du câble grâce à l'établissement d'une connexion directe entre l'émetteur (TX) à une extrémité du circuit et le récepteur (RX) à l'autre extrémité. Lorsque les deux stations sont connectées de cette façon, un domaine sans collision est créé, car la transmission et la réception des données s'effectuent sur deux circuits non concurrents.
En règle générale, Ethernet utilise seulement entre 50 et 60 % de la bande passante de 10 Mbits/s disponible en raison des collisions et de la latence. Le mode Ethernet full duplex offre 100 % de la bande passante dans les deux directions. Cela produit un débit potentiel de 20 Mbits/s : 10 Mbits/s en transmission et 10 Mbits/s en réception.

4. Pourquoi segmenter un LAN ?


La segmentation permet d'isoler le trafic ente les segments
Elle augmente la bande passante disponible pour chaque utilisateur en créant des domaines de collisions plus petits.

5. Le matériel


Les ponts

 

Les ponts sont des unités de couche 2 qui acheminent des trames de données en fonction des adresses MAC contenues dans les trames. De plus, les ponts sont transparents pour les autres unités du réseau.

Les ponts " apprennent " la segmentation d'un réseau en créant des tables d'adresses qui renferment l'adresse de chacune des unités du réseau, ainsi que le segment à utiliser pour atteindre cette unité. à moins d'utilisateurs par segment
Un pont est considéré comme une unité de type " Store and Forward " parce qu'il doit examiner le champ adresse de destination et calculer le code de redondance cyclique (CRC) dans le champ de séquence de contrôle de trame avant de transmettre ladite trame vers tous les ports. à Ils augmentent la latence de 10 à 30%

Les routeurs

Un routeur fonctionne au niveau de la couche réseau et fonde toutes ses décisions en matière d'acheminement des données entre les segments sur l'adresse de niveau protocole de la couche réseau.

Les commutateurs

Un commutateur peut segmenter un LAN en microsegments, qui sont des segments à hôte unique. Cela a pour effet de créer des domaines sans collision à partir d'un grand domaine de collision. ( ! domaine de broadcast identique). + Latence faible

Dans une implémentation Ethernet commutée, la bande passante disponible peut atteindre près de 100 %. Chaque ordinateur branché sur port dispose d'une bande passante maximale de point à point.

L'un des inconvénients des commutateurs est leur prix, plus élevé que celui des concentrateurs.

6. La commutation


Deux activités de base

 

- La commutation de trames de données - Cette opération se produit lorsqu'une trame qui est parvenue au niveau d'un média d'entrée est transmise à un média de sortie.
- La gestion des opérations de commutation - Un commutateur crée et gère des tables de commutation.
En règle générale, les ponts assurent la commutation au niveau logiciel, les commutateurs au niveau matériel.
La commutation de couche 2 et de couche 3

La commutation est un processus qui consiste à prendre une trame entrante sur une interface et à l'acheminer par une autre interface. Les routeurs utilisent la commutation de couche 3 pour acheminer un paquet ; les commutateurs (unités de couche 2) utilisent la commutation de couche 2 pour acheminer les trames

Dans le cas de la commutation de couche 2, les trames sont commutées en fonction des adresses MAC. Dans le cas de la commutation de couche 3, les trames sont commutées selon les informations de couche réseau.
Contrairement à la commutation de couche 3, la commutation de couche 2 ne regarde pas à l'intérieur d'un paquet pour y trouver les informations de couche réseau. La commutation de couche 2 regarde l'adresse MAC de destination contenue dans une trame. Elle envoie les informations à la bonne interface, si elle connaît l'emplacement de l'adresse de destination. La commutation de couche 2 crée et met à jour une table de commutation qui consigne les adresses MAC associées à chaque port ou interface.
Si le commutateur de couche 2 ne sait pas où envoyer la trame, il l'envoie par tous ses ports au réseau pour connaître la bonne destination. Lorsque la réponse est renvoyée, le commutateur prend connaissance de l'emplacement de la nouvelle adresse et ajoute les informations à la table de commutation.

Comment un commutateur prend-il connaissance des adresses ?

Apprend l'emplacement d'une station en examinant l'adresse d'origine.
Envoie par tous les ports (sauf sur le port d'origine) lorsque l'adresse de destination est un broadcast, un multicast ou inconnue.
Achemine les données lorsque la destination est située sur une interface différente.
Filtre les données lorsque la destination est située sur la même interface.

Les avantages de la commutation LAN

Réduction du nombre de collision
Plusieurs communications simultanées
Liaisons montantes (Uplink) simultanées
Amélioration des réponses du réseau
Hausse de la productivité de l'utilisateur
Economie et souplesse de gestion

Deux modes de commutation

Store and Forward

La trame entière doit être reçue avant de pouvoir être acheminée. Les adresses de destination et/ou d'origine sont lues et des filtres sont appliqués avant que la trame ne soit acheminée. De la latence se produit pendant la réception de la trame ; la latence est plus élevée dans le cas des grandes trames, car la trame entière est plus longue à lire. La détection d'erreurs est élevée, car le commutateur dispose de beaucoup de temps pour vérifier les erreurs en attendant de recevoir toute la trame.

Cut-through

Le commutateur lit l'adresse de destination avant d'avoir reçu toute la trame. La trame est ensuite acheminée avant d'avoir été entièrement reçue. Ce mode réduit la latence de la transmission et détecte peu d'erreurs de commutation LAN. " FastForward " et " Fragment Free " sont deux types de commutation " Cut-through ".

Mode de commutation " FastForward "

Ce mode de commutation offre le plus faible niveau de latence en acheminant un paquet dès réception de l'adresse de destination. Comme le mode de commutation " FastForward " commence l'acheminement avant que le paquet entier n'ait été reçu, il peut arriver que des paquets relayés comportent des erreurs. Bien que cela ne se produise qu'occasionnellement et que l'adaptateur réseau de la destination rejette le paquet défectueux lors de sa réception, le trafic superflu peut être jugé inacceptable dans certains environnements. Utilisez le mode Fragment Free pour réduire le nombre de paquets qui sont acheminés avec des erreurs. En mode FastForward, la latence est mesurée à partir du premier bit reçu jusqu'au premier bit transmis (c'est la méthode du premier entré, premier sorti).

Mode de commutation Fragment Free

Ce mode de commutation filtre les fragments de collision, qui constituent la majorité des erreurs de paquet, avant que l'acheminement ne puisse commencer. Dans le cas d'un réseau qui fonctionne correctement, les fragments de collision doivent être d'une taille inférieure à 64 octets. Tout fragment d'une taille supérieure à 64 octets constitue un paquet valide et est habituellement reçu sans erreur. En mode de commutation Fragment Free, le paquet reçu doit être jugé comme n'étant pas un fragment de collision pour être acheminé. Selon ce mode, la latence est mesurée en fonction du premier entré, premier sorti.

7. STP (Spanning Tree Protocol)

 

 

1. Assure la commutation des trames de broadcast
2. Empêche les boucles
3. Permet les liaisons redondantes
4. Elague (pruning) la topologie à un arbre d'acheminement (spanning tree) minimal
5. Supporte les changements topologique et les pannes d'unité

Les 5 états du STP


1. Blocage
- Aucune trame acheminée, unités BPDU entendues
2. Écoute - Aucune trame acheminée, écoute des trames
3. Apprentissage - Aucune trame acheminée, apprentissage des adresses
4. Acheminement - Trames acheminées, apprentissage d'adresses
5. Désactivation - Aucune trame acheminée, aucune unité BPDU entendue

 

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