Objectifs de certification

ICND1 100-105

  • 2.1. Décrire et vérifier les concepts de commutation switching MAC learning and aging, Frame switching, Frame flooding, MAC address table
  • 2.2. Interpréter le format d'une trame Ethernet
  • 1.7. Sélectionner le câblage approprié en se basant sur des exigences d'implémentation
  • 2.3. Dépanner des problèmes d'interface et de câblage collisions, erreurs, duplex, vitesse

CCNA R&S 200-125

  • 2.1 Décrire et vérifier les concepts de commutation switching (MAC learning and aging, Frame switching, Frame flooding MAC address table)
  • 2.2 Interpréter le format d'une trame Ethernet
  • 1.7 Sélectionner le câblage approprié en se basant sur des exigences d'implémentation
  • 2.3 Dépanner des problèmes d'interface et de câblage collisions, erreurs, duplex, vitesse

Commutation Ethernet

1. Le commutateur

Les commutateurs ont révolutionné la connectivité et les architectures des réseaux en optimisant les tâches de transferts.

Au sein du réseau local, le commutateur est central car c’est lui qui se charge de transférer rapidement le trafic d’une interface à l’autre. Il est capable de :

  • de prendre en charge des pics de trafic
  • d’éviter la congestion du réseau
  • de qualifier et classer le trafic (QoS)
  • d’améliorer la sécurité locale

Typiquement les commutateurs sont identifiés comme étant du matériel de couche 2 (L2).

Un commutateur multi-couche (multilayer switch) ou encore commutateur de couche 3 (L3 switch) embarque la technologie des commutateurs Ethernet de couche 2 mais avec des fonctions avancées de routage et de prise en charge du trafic.

2. Fonctionnement du commutateur

Le commutateur prend ses décisions de transfert du trafic sur base des adresses MAC de destination (apprises dynamiquement). Ce sont des composants matériels comme des puces spécialisées, des ASIC, qui prennent en charge la décision de transfert.

  • Apprentissage dynamique : le commutateur apprend la ou les adresses MAC attachées à chacun de ses ports par écoute de trafic.
  • Transfert rapide : le commutateur transfère rapidement le trafic d’une interface à une autre.

Pour le transfert rapide, il utilise une table CAM (Content Addressable Memory) : une table de correspondance entre les ports et leurs adresses attachées.

On peut vérifier la table de commutation d’un commutateur Cisco avec la commande suivante :

# show mac address-table
Transfert de trafic par les commutateurs

Dans le premier diagramme (à gauche), la station A livre du trafic Unicast à la station B. Le commutateur qui reçoit ce trafic enregistre l’adresse MAC de la station et l’associe au port d’entrée dans une table de commutation. Le commutateur transfert le trafic sur le port qui connecte la station B car il a déjà pris connaissance de la présence de son adresse MAC sur ce port.

Donc, si l’adresse MAC de destination du trafic est connue du commutateur, il le transfère sur le bon port de sortie aussi rapidement que si les deux partenaires de communication étaient directement connectés au même fil.

Par contre comme dans le second diagramme (à droite), si le trafic dispose d’une destination :

  • inconnue (trafic unicast inconnu du commutateur),
  • Broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  • multicast

le commutateur le transfère par tous les ports sauf le port d’origine

3. Mode commutation

Les commutateurs Cisco connaissant deux modes de commutation :

  • Store and Forward
  • Fast-Forward
    • Cut-Trough
    • Fragment Free
Modes de commutation

Aucun de ces modes ne se configurent ; ils s’enclenchent dynamiquement sur les grosses plateformes Cisco (de type C6500).

Le mode “Store and Forward” est le mode par défaut et le plus lent. On le trouvera sur tout commutateur. Dans ce mode, le commutateur transfert la trame après l’avoir entièrement reçue : il vérifie la somme d’intégrité (champs FCS) et place ensuite la trame sur un ou des ports de sortie.

Avec un mode “Fast-Forward” et ses variantes “Cut-Trough” et “Fragment Free”, les trames sont transférées avant d’être entièrement reçues : soit dès que la destination est apprise, soit dès que les 512 premiers bits ou 64 octets sont reçus. Dans ces modes, les trames ne sont pas vérifiées par le commutateur.

4. Domaine de collision

Un domaine de collision est un domaine physique dans lequel des collisions peuvent survenir.

Quelle est l’étendue des domaines de collision sur les périphériques du réseau ?

  • Un domaine de collision par port de commutateur.
  • Le commutateur divise un domaine de collision par port.
  • Un concentrateur (hub) ou un répéteur étend le domaine de collision.
Topologie physique en bus

Au XXe siècle on trouvait des topologies en bus. Un câble coaxial fin en Ethernet 10BASE2 par exemple, partageait la connectivité. Le nombre de postes poste de travail connectés divisait la bande passante marginale par poste de travail. L’infrastructure physique en câblage coaxial était difficile à gérer car toute déconnexion interrompait la disponibilité du réseau. Les architectures évoluaient mal sans point de concentration.

Topologie logique en bus

En remplaçant un câblage à paires torsadées plus souples et en créant des points de concentration avec des Hubs, les architectures se sont améliorées mais le domaine de collision augmentait avec le nombre de clients connectés et diminuait les performances du réseau.

Topologie commutée

Au début du XXIème siècle, les Hubs ont été progressivement remplacés par des commutateurs. Un accès concurrentiel au réseau n’entamait plus nécessairement les performance du réseau. Si les domaines de collision sont dédiés par port de commutateur et qu’aucune collision locale ne peut plus survenir quand ce port connecte une seule station de travail, un commutateur transfert le trafic de diffusion (Broadcast) par tous ses ports (sauf celui d’origine). Seuls un “routeur”, élément de couche 3, peut arrêter ce trafic.

5. Domaine de diffusion (Broadcast)

  • Un domaine de diffusion (Broadcast) est un domaine physique dans lequel du trafic de diffusion peut se propager.
  • Un commutateur étend un domaine de diffusion
  • Un routeur arrête la diffusion
  • Un domaine de diffusion correspond à un domaine IP sur le plan logique.
Domaine de diffusion

6. Protocoles IEEE 802.1

Les protocoles de “pontage” (bridging) viennent en compléments des technologies de transport IEEE 802 comme Ethernet (IEEE 802.3) ou encore Wi-Fi (IEEE 802.11). Mais un acteur du marché comme Cisco Systems n’attend pas un consensus avec la concurrence pour proposer ses propres solutions et protocoles de support au infrastructure IEEE 802.3. Justement, sur le plan historique jusqu’à aujourd’hui, Cisco Systems agit en tant que “Leader” du marché des infrastructures LAN en répondant aux besoins des clients avec ses solutions. Mieux, il va au devant des besoins du marché et ses solutions peuvent inspirer des standards auprès d’organismes comme l’IEEE ou l’IETF.

Le support de protocoles de pontage standardisés ou propriété peut ête déterminant dans le choix des commutateurs et dans la conception de l’infrastructure.

7. Standards IEEE 802.1

Parmi les standards IEEE 802.1 les plus populaires, on trouvera :

  • 802.1D : “MAC Bridges” qui consacre le rôle des “ponts” et “commutateurs”.
  • 802.1Q : “Virtual LANs” qui virtualise le commutateur.
  • 802.1X : “Port Based Network Access Control” qui permet d’authentifier les utilisateurs et leur périphérique à partir d’un commutateur.
  • 802.1AB : “Station and Media Access Control Connectivity Discovery (LLDP)” qui est une alternative standardisée au protocole Cisco CDP.
  • 802.1AE : “MAC Security” qui contrôle les adresses MAC attachées au ports de commutateur.
  • 802.1AX : “Link Aggregation”, version ouverte d’Etherchannel.

Sources : http://fr.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1, http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.1#802.1D

8. VLANs (IEEE 802.1q)

On peut “virtualiser” un LAN en plusieurs VLANs. En quelque sorte, on “virtualise” un seule infrastructure LAN physique en plusieurs LANs virtuels. Cette technologie est désormais partie intégrante de tout type de réseau domestique, opérateur, entreprise, etc.

La technologie VLAN facilite et améliore les configurations et la gestion des réseaux locaux. Elle divise le réseau en domaines IP distincts dont la communication est assurée par des routeurs avec les performances de transfert semblables aux commutateurs LAN. On parle alors de “routage inter-vlan”.

Lab VLANs simple

En créant des infrastructures commutées virtuelles, la technologie VLAN permet :

  • D’améliorer la gestion des réseaux
  • D’améliorer les politiques de sécurité
  • D’améliorer la qualité de service (QoS)
  • Contribue à l’évolutivité et à la robustesse du LAN
Conception LAN avec VLANs

9. Redondance dans le LAN

La disponibilité dans le LAN consiste essentiellement à multiplier les liaisons entre les commutateurs

Dans les infrastructures LAN (réseau de stations de travail, centre de données, etc.), on peut assurer la redondance des liaisons sans créer de bouclage grâce à l’implémentation de protocoles de couche 2 (l2) comme Etherchannel au niveau physique et Spanning-Tree sur le plan logique.

Aussi, cette disponibilité pourrait être assurée par des fonctionnalités de couche 3 (L3) comme un FHRP (“First Hop Redundancy Protocol”), acronyme qui désigne HRSP, GLPB tous deux propriétaires Cisco et VRRP standardisé IETF. Enfin, à condition que les conditions d’implémentation soient réunies, les protocoles de routage supportent la répartition de charge sur des liens redondants sans boucle.

  • L2 : Etherchannel et Spanning-Tree
  • L3 : FHRP et protocoles de routage

10. Protocoles L2

  • Protocole de voisinage : Cisco Discovery Protocol (CDP), Link Layer Discovery Protocol (LLDP) IEEE 802.1AB
  • Agrégation de liens : Etherchannel, Link Aggregation Control Protocol (LACP)
  • Unidirectional Link Detection (UDLD)
  • Gestion des VLANs : Trunking VLAN (IEEE 802.1q) VLAN Trunking Protocol (VTP), Dynamic Trunking Protocol (DTP), Multiple VLAN Registration Protocol (MVRP) IEEE 802.1ak
  • Alimentation par le câble : PoE IEEE 802.1af

11. Conclusion

Chaque matériel d’interconnexion du réseau dispose de ses critères quant au transfert du trafic qui lui arrive sur ses ports.

Un commutateur prendra sa décision de transfert sur un bon de sortie en fonction de l’adresse MAC destination de la trame. On parle de commutation (LAN switching).

Un routeur prendra sa décision de transfert sur un bon de sortie en fonction de l’adresse IP de destination du paquet

Un concentrateur (Hub) ou un bus, le câble lui-même, se contente de propager le signal par tous ses ports. Il ne prend donc aucune décision sur le transfert ; il n’y a rien à configurer dans un Hub. On ne trouve plus ce type de matériel en technologie Ethernet depuis très longtemps. Par contre, la connaissance du Hub Ethernet permet se trouver des similitude dans la gestion des accès au support et dans le rôle des répetéeurs en technologie radio comme IEEE 802.11.

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