En Une :

Ethernet et commutation

La technologie Ethernet et les commutateurs Ethernet (switch) ont révolutionné les réseaux locaux (LAN). En voici une brève description sur le plan physique et logique.

1. Technologie Ethernet

Nom commercial Ethernet
Portée Locale (LAN)
Norme IEEE 802.3
Supports paire torsadée ou fibre optique

1.1. Norme EIA 568A/568B

On utilise ce câble en catégories récentes avec une prise modulaire RJ45 (8P8C). Les schémas de brochage répondent aux normes de câblage structuré T568A et T568B.

Les commutateurs (switches) et concentrateurs (hubs) sont identifiés comme étant des DCE (Data Connexion Equipement) alors que les stations terminales et les routeurs sont des périphériques DTE (Data Terminal Equipment). Les équipement identique DTE/DTE ou DCE/DCE se connectent avec un câble croisé (qui croise les paires d'émission et de réception). Les équipements de type différents se connectent avec un câble droit car la position émission réception sur leur interfaces est déjà inversée.

  • Câble droit (straight)
  • Câble croisé (cross-over)

  • Câble inversé (roll-over), console
  • Catégorie de câbles, normes, standards
  • Interférences, câblage structuré

Outre le fait que les nouvelles gammes de matériel actif s'adaptent automatiquement aux câbles en reconnaissant les positions du signal, on utilisera soit du câble croisé ou droit selon le type de matériel que l'on connecte :

Câbles droits :

  • PC à Hub
  • PC à Switch
  • Switch à Routeur

Câbles croisés :

  • Switch à Switch
  • Hub à Hub
  • Routeur à Routeur
  • PC à PC
  • Hub à Switch
  • PC à Routeur

Règles d'or du câblage à paire torsadée

Respecter les règles du câblage structuré pour le câblage horizontal sur des connexions T568A/T568B:

  • 6 mètres de la station terminale à la prise murale.
  • 90 mètres en câblage horizontal jusqu'au panneau de brassage.
  • 3 mètres jusqu'au commutateur.
  • éloigner le câble de tout élément de puissance.

Aussi, on aura une préférence pour les câbles préfabriqués et certifiés sans blindage, des choix de couleurs, des solutions d'étiquetage, etc.

1.2. Technologies Ethernet

Nom commercial Vitesse Dénomination physique Standard Support, longueur
Ethernet 10 Mbps 10BASE-T IEEE 802.3 Cuivre, 100 m
Fast Ethernet 100 Mbps 100BASE-TX IEEE 802.3u Cuivre, 100 m
Gigabit Ethernet 1 Gbps 1000BASE-SX, 1000BASE-LX IEEE 802.3z Fibre, 550 m, 5 Km
Gigabit Ethernet 1 Gbps 1000BASE-T IEEE 802.3ab Cuivre, 100 m
10Gigabit Ethernet 10 Gbps 10GBASE-SR, 10GBASE-LR IEEE 802.3ae Fibre, 300 m, 25 Km
10Gigabit Ethernet 10 Gbps 10GBASE-T IEEE 802.3an Cuivre, 100 m

1.3. Trame Ethernet 802.3

Exercice, quelle est la différence entre :

1.4. Ethertypes

Ethertype Protocole
0x0800 Internet Protocol version 4 (IPv4)
0x0806 Address Resolution Protocol (ARP)
0x8100 VLAN-tagged frame (IEEE 802.1Q)
0x86DD Internet Protocol Version 6 (IPv6)
0x8863 PPPoE Discovery Stage
0x8864 PPPoE Session Stage
0x8870 Jumbo Frames
0x888E EAP over LAN (IEEE 802.1X)
0x9100 Q-in-Q

1.5. Adressage MAC 802

  • fondée dans la carte
  • 48 bits notés en hexa : AA:BB:CC:DD:EE:FF
  • 24 premiers bits : Organizationaly Unique Identifier (OUI) identifient le constructeur de l'interface réseau.
  • 24 derniers bits : laissés à la discrétion du constructeur
  • Adressage MAC-EUI64 : étendu, AA:BB:CC:FF:FE:DD:EE:FF

  • Adressage Unicast
  • Adresse de (diffusion) Broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  • Adressage Multicast (CDP/VTP, STP, IPv4, IPv6)
  • CDP/VTP : 01:00:0C:CC:CC:CC
  • STP : 01:80:C2:00:00:00
  • Multicast IPv4 : 01:00:5E:00:00:00 - 01:00:5E:7F:FF:FF
  • Multicast IPv6 : 33:33:xx:xx:xx:xx

2. Ethernet (CSMA/CD) IEEE 802.3

  • Ethernet est une Technologie à support partagé. L'accès au support est donc concurrentiel.
  • La technologie Ethernet répond au principe "premier arrivé, premier servi" et se propose de gérer le phénomène intrinsèque des collisions.
  • Ethernet ne met en oeuvre aucun mécanisme de fiabilité ou de connexion. Tout au plus, une interface (destination finale ou commutateur intermédiaire) va vérifier la trame reçue. En cas de trame corrompue, le trafic est abandonné, sans plus.

2.1. Topologie logique et topologie physique

La topologie logique est la méthode d’accès (MAC) au support physique.

On distingue :

  • Les méthodes stochastiques, premier arrivé premier servi (Ethernet, Wi-Fi).
  • Les méthodes déterministes, par passage de jeton, contrôlé (Token-Ring).

2.2. CSMA/CD

La méthode d'accès MAC est appelée : Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) :

  • Principe premier arrivé premier servi.
  • Si le canal est libre, la station place son trafic.
  • Si ce n'est pas le cas, elle attend.
  • Le protocole se propose de gérer les collisions.
  • Pas de fonction de fiabilité (ACK), pas de fonctions de gestions d'erreur, de contrôle de flux, etc.
  • CSMA/CD = Ethernet Legacy (10BASE2, 10BASE5, 10BASE-T)

2.3. Principe CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

  1. Une interface qui tente de placer une trame écoute le support.
  • En cas de porteuse, elle retarde le placement de la trame.
  • En l'absence de porteuse (support libre), elle attend encore quelques instants (96 Bit Time) et commence à placer le trafic.
  • Elle va rester attentive à d'éventuelles collisions pendant un certain délai appelé le "slot time" (512 Bit Time).
  • Après expiration de ce délai, l'interface n'est plus attentive à d'éventuelles collisions. Elle considère le canal acquis. Elle continue à émettre sans plus rien attendre (pas de ACK).
  • Sur un média partagé, quelle que soit la topologie physique, toutes les interfaces reçoivent ce trafic. Elles examinent toutes l'en-tête Ethernet du trafic reçu, ce qui suscite de la charge en CPU et en bande passante.
  • Seule l'interface qui reconnaît son adresse MAC dans le champ destination livre la trame à la couche supérieure.

2.4. Gestion des collisions (CD)

Sur un support partagé, une collision peut survenir lorsque deux ou plusieurs interfaces tentent de placer une trame en même temps alors qu'elles ont constaté un support libre (absence de porteuse).

Parce qu'il faut un certain délai pour qu'une trame arrive d'une extrémité à l'autre du support, l'interface émettrice va rester attentive pendant ce temps à d'éventuelles collisions. Les standards 802.3 définissent précisément ce temps. Il est appelé le slot time. Jusqu’en 100 Mbps, il s'agit du temps de placement de 512 bits ou 64 octets.

  • En cas de collision, les stations impliquées la renforcent en envoyant un signal de bourrage afin que toutes les interfaces du réseau l'entende.
  • Elles attendent alors de reprendre la procédure de placement de la trame dans un délai aléatoire. C'est ce qu'on appelle le mécanisme de Backoff prévu par le protocole.
    • Précisément, les stations impliquées reprendront aléatoirement dans une fourchette variant de 0 à un multiple du slot time.

Le support partagé par du matériel de couche 1 (Hub, concentrateur, câble en bus) est appelé domaine de collision. La bande passante est partagée dans un domaine de collision.

2.5. Délais

Les délais dans la technologie Ethernet dépendant de la qualité de l'infrastructure : on comprendra comment est déterminée la taille maximale d'un segment Ethernet seulement avec une répétition de signal ou un câblage incorrect.

3. Le 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 comme 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.

  • Table CAM (Content Addressable Memory) : Le commutateur entretient 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

  • 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.
  • Si le trafic dispose d'une destination
  • inconnue (trafic unicast inconnu du commutateur),
  • broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  • multicast
  • il le transfère par tous les ports sauf le port d'origine

3.1. Mode commutation

  • Store and Forward
  • Fast-Forward
    • Cut-Trough
    • Fragment Free

3.2. Domaine de collision

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

3.3. 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.

4. Protocoles 802.1

4.1. VLANs

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.

Cette technologie 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 des commutateurs LAN. On parle alors de routage inter-vlan.

4.2. Redondance dans le LAN

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

4.3. 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
  • Redondance de passerelle : HSRP, GLBP, VRRP, CARP
  • Alimentation par le câble : PoE IEEE 802.1af
Author image
Francois Goffinet est formateur Cisco Systems depuis 2002. Passionné des technologies des réseaux, de virtualisation et en nuage, Web et de cybersécurité souvent en Open Source ou Unix-Like, devops.