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5. Les Hubs, switchs, routeurs et répétiteurs pour réseaux Ethernet

5.1. Hub (répétiteur) - 5.2. Switch (commutateur) - 5.3. Différence entre un hub et un switch - 5.4. Routeur - 5.5. Répéteur - 5.6. Passage des adresses IP aux adresses MAC - 5.7. Connexion Ethernet

Dans le chapitre précédent, nous avons étudié les types de réseaux Ethernet. Cette fois, nous allons analyser le fonctionnement des concentrateurs utilisés dans ces réseaux Ethernet dans les topologies de type étoile en T Base 10, T base 100, gigahertz, ... (pas les câblages coaxiaux qui utilise une topologie en ligne). Le type de concentrateur utilisée varie suivant l'importance du réseau, son implantation dans la conception et l'inter-connexion de réseaux.

5.1. Hub (répétiteur en français)

Un Hub répète simplement les trames Ethernet reçues en amplifiant le signal pour le transmettre sur tous les autres ports (connecteurs RJ45). Il n'est utilisé que dans les premières normes Ethernet (base 10 et base 100 mais pas gigabits). Les hub's sont donc obsolètes et remplacés par des Switchs. Par son fonctionnement, tous les ordinateurs et périphériques connectés au Hub reçoivent le signal, même s'il ne leur est pas destiné: chacun doit analysé chaque trame reçue pour vérifier si elle lui est destinée, donc petit ralentissement de chaque ordinateur. Le deuxième défaut est qu'ils sont Half Duplex (pas d'émission / réception simultanément) d'où deuxième ralentissement sur le réseau. Un troisième problème est lorsqu'un ordinateur décide d'envoyer: si un autre transmet, il y ce qu'on appelle une collision: les deux signaux se parasitent et ils doivent être retransmis. Toutes ces caractéristiques les désignaient à un nombre limité d'ordinateurs connectés.

Les différents modèles sont différentiés par le nombre de ports RJ45: 4 ou 5, 8, 10, 16, 24, rarement plus. Suivant les types, ils intègrent quelques spécificités:

Hubs Ethernet en base 10: un port dédoublé avec 1 connecteur inverseur (connexion entre deux concentrateurs réseaux, en utilisant un câble droit), un connecteur BNC coaxial pour les anciens Ethernet 10 Base2. Sur la face avant, pour chaque port, une LED affiche une connexion et une led dédiée aux collisions (éventuellement une seule pour l'ensemble des ports).
Hubs base 100: un numéro de port normal ou inverseur (éventuellement un bouton poussoir pour éviter deux connecteurs) mais plus de connecteur BNC pour les connexions en câble coaxial. Les LED utilisées sont identiques aux modèles en base 10 sauf que pour chaque port, une led bi-couleur (ou deux séparées) signale la vitesse de liaison (base 10 et base 100).

Selon le débit, le nombre maximum de HUB mis en cascade (raccordés entre-eux entre deux ordinateurs) est limité à 4 pour la norme en 10 Mb/s et à 2 pour la norme en 100Mb/s. C'est lié au temps de propagation (vitesse) maximum d'une trame avant sa disparition et aux délais de détection des collisions entre deux envois. Le nombre de noeuds maximum n'existent pas pour les switchs: les trames sont enregistrées et analysées avant l'envoi et ne sont transmises que vers le bon port.

5.2. Switch (traduction en français par commutateur).

Un switch intègre une mémoire dans la quelle il enregistre une table de correspondance adresse MAC (physique) de la carte réseau des ordinateurs et le port Ethernet sur lequel il est connecté. Par contre, les ordinateurs et périphériques réseaux reprennent une table de correspondance ARP (MAC - IP), table qui peut être affichée avec la commande DOS ARP (cf. cours sur les systêmes d'exploitation).

En recevant des données sur un de leurs ports, les switch décodent l'en-tête du message (le début) pour récupérer l'adresse IP de destination (ou plutôt l'adresse MAC liée à cette IP). L'ensemble des données reçues est transmis uniquement vers le port lié à l'adresse MAC de destination: pas vers les autres ports. Par rapport aux hubs, ce fonctionnement réduit le trafic et les collisions sur l'ensemble du câblage réseau.

Avant de continuer, petit lexique des réseaux ethernet utilisant le TCP/IP: un port Ethernet est un des connecteur réseau du switch. Un port TCP ou UDP est un numéro dédié spécifique à l'application, il varie entre 0 et 65535. Exemple, la navigation sur Internet en http utilise le port 80.

Les switches travaillent suivant les modèles sur les:

niveau 1 (comme les hubs) mais surtout sur le niveau 2 du modèle OSI. Dans ce cas, ils utilisent une table de correspondance Adresse MAC - port Ethernet qui reprend les adresses Mac des cartes réseaux connectées directement ou par l'intermédiaire d'autres concentrateurs (y compris HUB) ... donc pas d'adresses IP connues.
Niveau 3 (appelés switch de niveau 3 justement) décodent les trames de niveau 2 et donc les adresses IP contenues dedans. Ceci permet d'implanter des services de qualités en fonctions de plages d'adresses IP comme nous le verrons avec un petit labo sur les switch administrables comme par exemple allouer des priorités à des adresses IP pour le transfert de données, mais aussi de vérifier les collisions sur différents noeuds du réseau ou de bloquer des communications entre différents ports de sortie. Les transmissions se font toujours avec une table de correspondance reprenant des adresses MAC. Par contre, ils ne font pas de transitions entre classes d'adresses comme les routeurs.
Les switch de niveau 4 sont encore plus forts. La différence avec les layers 3, c'est qu'ils analysent aussi la couche 3 (transport) liée à TCP et UDP qui reprennent des ports liés aux différentes applications. Ils sont capables de bloquer des ports et donc certaines applications entre leurs différents ports réseaux (y compris en les regroupant).

... mais tous utilisent une correspondance MAC - port Ethernet, les 3 et 4 ne donnent donc que des possibilités de configurations supplémentaires. D'ailleurs, ces deux types sont manageables (configurables).

A la différence des hubs, la majorité des switches peuvent utiliser le mode Full duplex. La communication est alors bi-directionnelle, doublant le taux de transfert maximum. Un Switch vérifie automatiquement si le périphériqueconnecté est compatible full ou half duplex. Cette fonction est souvent reprise sous le terme "Auto Negociation".

Les switchs actuels sont Auto MDI/MDIX. Ceci signifie que le port va détecter automatiquement le croisement des câbles pour la connexion Ethernet. Dans le cas des HUB, un port muni d'un bouton poussoir, reprend la fonction manuellement. Vous pouvez utiliser des câbles croisés pour relier des concentrateurs entre eux.

L'utilisation des switch permet de réduire les collisions sur le câblage réseau. Lorsqu'un périphérique souhaite communiquer, il envoie un message sur le câblage. Si un autre périphérique communique déj�, deux messages se retrouvent en m�me temps sur le r�seau provoquant une collision. Le premier reprend son message au d�but et le deuxi�me attend pour réessayer quelques millisecondes plus tard. Il n'y a (en théorie) pas de limitations du nombre de switches en cascade sur un réseau.

5.3.2. Fonctionnement d'un switch.

Au démarrage, un switch (Layer 2 mais aussi les autres) va construire une table de correspondance adresse MAC - (num�ro de) port Ethernet. Cette table est enregistrée dans une mémoire interne (en RAM). Par exemple pour un D-link DSS-16+ (16 ports), elle est de 8000 entrées (stations). Par contre, pour un modèle de gamme inférieure (D-Link DES -1024D de 24 ports) elle est également de 8000 entrées, pour la majorité des switchs 5 ports, elle varie de 512 à 1000 entrées. Ceci ne pose pas de problèmes pour un petit réseau interne mais bien pour de gros réseaux. J'ai déjà eut le problème dans un réseau de 30 PC. Dès que l'usine démarrait, les vitesses de communications du réseau s'effondraient. De toute façon, le nombre de PC maximum connectés est limité par la classe d'adresse IP utilisée par les ordinateurs. Lorsqu'une nouvelle carte réseau est connectée sur un de ses ports, il va adapter sa table de correspondance.

Voyons maintenant ce qui se passe lorsqu'un ordinateur (PC1) communique vers un autre PC (PC2) connecté sur le même switch. Le message de départ incluant l'adresse de destination, le switch va retrouver directement dans sa table l'adresse du PC2 et va rediriger le message sur le port adéquat. Seul le câblage des 2 ports (PC1 et PC2) vont être utiliser. D'autres PC pourront communiquer en même temps sur les autres ports.

Dans le cas ou le réseau utilise 2 switches. Lors de la prelière communication, le PC1 envoie le message avec l'adresse de destination sur le switch1 sur lequel il est raccordé. Celui-ci va vérifier dans sa table si l'adresse de destination est physiquement raccordé sur un de ses ports. Si ce n'est pas le cas. Le switch va donc envoyer un broadcast (une adresse MAC FF.FF.FF.FF.FF.FF) sur tous ses ports pour déterminer sur quel port se trouve l'ordinateur de destination. Ce broadcast passe généralement sur tout le réseau. En recevant le broadcast, le switch 2 va vérifier dans sa table si l'adresse de destination est dans sa table. Dans notre cas, elle est présente. Il va donc renvoyer un message au switch 1 signifiant que le message est pour lui. Le switch 1 va alors diriger le message vers le port connecté au switch numéro 2. Le switch 1 va mémoriser dans sa table l'adresse du PC2 et le port Ethernet associé. Ceci ne pose pas trop de problèmes tant que la capacité de la table mémoire du premier switch est suffisante.

Voyons maintenant quelques cas plus complexes. Lorsqu'une adresse MAC non connectée en direct est placée dans la table, le switch va la garder pendant un certains temps. Si une nouvelle demande vers cette adresse est reçue, le port de destination est retrouvé dans la table. Par contre, si le délai entre les demandes est trop long (généralement 300 secondes), l'entrée de la table est effacée et le processus de broadcast est de nouveau activé. Si la table est trop petite (cas des Switch avec un faible nombre de ports sur un réseau très important), l'entrée MAC dans la table peut-être effacée prématurément.

5.3.3. Types de switches

La technologie d'un switch est étroitement liée au type de donnée, à la topologie du réseau et aux performances désirées.

Store and Forward: le plus courant, stocke toutes les trames avant de les envoyer sur le port Ethernet adéquat. Avant de stocker l'information, le switch exécute diverses opérations, allant de la détection d'erreur (de type RUNT) ou construction de la table d'adresses jusqu'aux fonctions applicables au niveau 3 du modèle OSI, tel que le filtrage au sein d'un protocole. Ce mode convient bien au mode client/serveur car il ne propage pas d'erreur et accepte le mélange de diverses médias de liaison (environnements mixtes cuivre / fibre par exemple) ou encore dans le mélange de débits. La capacité de la mémoire tampon varie de 256 KB à plus de 8 MB pour les plus gros modèles. Les petits switch de ce type partagent souvent la capacité de mémoire par groupes de ports (par exemple par 8 ports). Par contre, les plus chères utilisent une mémoire dédiée pour chaque port réseau. Le temps d'attente entre la réception et l'envoi d'un message dépend de la taille des données. Ceci ralentit le transfert des gros fichiers.
Le mode Cut Through analyse uniquement l'adresse Mac de destination (placée en en-tête de chaque trame, codée sur 48 bits et spécifique � chaque carte réseau) puis redirige le flot de données sans aucune vérification sur le message proprement dit. Dans le principe, l'adresse de destination doit être préalablement stockée dans la table, sinon on retrouve un mécanisme de broadcast. Ces switch sont uniquement utilisés dans des environnements composés de liaisons point à point (clients - serveur). On exclus toutes applications mixtes de type peer to peer.
Le mode Cut Through Runt Free (également appelé Fragment Free chez CISCO) est dérivé du Cut Through. Lorsqu'une collision se produit sur le réseau, une trame incomplète (moins de 64 octets) appelée Runt est rceptionnée par le switch. Dans ce mode, le commutateur analyse les 64 premiers bytes de trames avant de les envoyer au destinataire. Si la trame est assez longue, elle est envoyée. Dans le cas contraire, elle est ignorée. Les temps de latence sont très bas.
Le mode Adaptive Cut Through se distingue surtout au niveau de la correction des erreurs. Ces commutateurs gardent la trace des trames comportant des erreurs. Lorsque le nombre d'erreur dépasse un certain seuil, le commutateur passe automatiquement en mode Store and Forward. Ce mécanisme évite la propagation des erreurs sur le réseau en isolant certains segments du réseau. Lorsque le taux d'erreur redevient normal, le commutateur revient au mode Cut Through.

5.3.4. Particularités supplémentaires

Un Switch peut être stackable (empilable): un connecteur spécial permet de relier plusieurs switch de même marque entre-eux. Le nombre de commutateurs empilés (du même modêle) est limité. L'ensemble du groupe est vu comme un seul appareil avec une seule table commune, c'est ce qu'on appelle le Meshing. Ceci permet d'augmenter le nombre de ports et de reprendre une table commune plus importante.

Certains switch sont manageables (administrable). Par une interface de type WEB reliée à l'adresse IP ou par RS232 et l'utilisation de Telnet, vous pouvez bloquer certains lignes, empéchant par exemple, un partie de PC de se connecter vers un autre bloc de PC ou de déterminer physiquement quel PC a accàs à quel serveur ou bloquer l'accès internet pour certain PC. Ceci permet également de déterminer des plages d'adresses sur des ports (cas où plusieurs switch - Hub sont chaînés) et ainsi d'augmenter la vitesse. Certains modèles permettent de créer des groupes d'utilisateurs en utilisant le protocole IGMP. Ils sont dits de niveau 2 (layer 2 du modèle OSI) s'ils permettent de déterminer les adresses et de niveau 3 (layer 3 du modèle OSI) s'ils permettent en plus de bloquer par ports (TCP ou UDP). L'utilisation d'un routeur - firewall hardware est néamoins préférable si c'est pour bloquer les accès. Certains modèle sont appelés niveau 4 (terme publicitaire) lorsqu'ils permettent de bloquer l'utilisation du réseau pour des logiciels déterminés en décodant le message.

Via l'interface IP ou Telnet, un switch administrable permet également de vérifier à distance les connexions sur le switch (affichage de la face avant), sauvegarder ou restaurer la configuration, mise à jour du firmware, paramétrer la durée de vie des adresses MAC dans la table, ...

Le Port Trunking permet de réserver un certain nombre de ports pour des liaisons entre 2 commutateurs (jusque 4). Cette fonction partage les communications inter-switchs via ces ports. C'est le seul cas où deux points du réseau peuvent être reliés par plus d'une connexion physique.

5.4. Différence entre un HUB et un Switch

Fonctionnement d'un Hub Fonctionnement d'un switch

HUB	SWITCH
Les données transmissent sont envoyées sur tous les ports aux périphériques qui décodent la trame d'en-tête pour savoir si elles leurs sont destinées.	Les données transmissent d'un ordinateur vers un autre sont uniquement reçues par destinataire. Si un autre ordinateur envoie des données vers l'imprimante, elles sont totalement dissociées, les deux communications peuvent se faire simultanément.
La bande passante totale est limitée à la vitesse du hub. Un hub 100 base-T offre 100 Mbps de bande passante partagée entre tous les PC, quelque soit le nombre de ports	La bande passante est déterminée par le nombre de ports. i.e. Un Switch 100 Mbps 8 ports peut gérer jusqu'à 800 Mbps en half duplex, le double en full duplex.
Pas compatible "half-duplex". Un port 100 Mbps permet juste une liaison a 100 Mbps.	Ils sont compatibles "full-duplex", doublant la vitesse de chaque port, de 100 Mb/s à 200 Mb/s pour un Ethernet 100 Base T.
Le prix par port réseau est équivalent actuellement et les Hub's ne sont plus commercialisés.

5.5. Routeur.

Les hubs et switchs ne gèrent que les transfert entre équipements dans la même classe d'adresse IP d'un même sous-réseau. Chaque équipement du LAN reçoit une adresse unique de type X.X.X.X, par exemple 192.168.1.1. Les valeurs X varient de 0 à 255. L'adresse IPV4 est constituée de 32 bits et d'un masque également codé sur 32 bits. Un routeur analyse les trames pour récupérer l'entêtes (adresses de destination et de départ) et permet de transférer les données entre des réseaux de classes d'adresses différentes. Il d�termine également des routes (le routage) pour communiquer avec d'autres routeurs qui ne sont pas directement connects dessus.

Il travaille sur la couche réseau (couche 3 du modêle OSI) et dissocie deux réseaux entre deux en filtrant les informations pour ne transmettre que ce qui est effectivement destiner au réseau suivant. Les données transitant sur le réseau local (pas Internet) restent à l'intérieur du LAN.

Comme les adresses des sites INTERNET sont dans des classes différentes de votre ordinateur en réseau local, la connexion d'un réseau LAN à INTERNET utilise obligatoirement un routeur.

De plus, les routeurs permettent en partie de masquer les ordinateurs du réseau interne en ne reprenant pour l'extérieur d'un seul équipement. Pour cela, il utilise le NAT (Network adress translation). Ce mécanisme utilise une table (mémoire interne qui mémorise l'adresse de départ (l'ordinateur) et l'adresse de destination (typiquement, l'adresse d'un site Internet). Le site ne revoit le résultat de la recherche que vers l'adresse externe du routeur. Le NAT va retransmettre les données au véritable destinataire. Le PAT (Port Adresse Translation) permet de redirectionner les données au niveau des ports UDP et TCP/IP.

Les routeurs intègrent parfois un firewall hardware paramétrable et permettent notamment de bloquer certaines connexions Ethernet au niveau des ports TCP ou UDP. Ils sont utilisés pour interfacer différents groupes de PC (par exemple les départements) en assurant un semblant de sécurité. Certains switch manageables peuvent en partie être utilisés pour le blocage d'adresses IP dans une même classe d'adresse. La principale utilisation est le partage de connexion Internet. D'autres informations sur les méthodes de partage de connexion Internet sont reprises dans différents chapitres du cours INTERNET (par Windows, routeurs) mais aussi en utilisant des serveurs Windows 2003 - 2008 (cours sur les systèmes d'exploitation).

Les routeurs peuvent également servir de pont (Bridge en anglais) pour interconnecter deux réseaux locaux dans des classes d'adresses différentes.

Il n'est pas possible de relier directement 2 réseaux en branchant 2 cartes réseaux dans un PC central, sauf en utilisant un logiciel de liaison proxy (passerelle) de type Wingate ou les fonctions RRAS (Routing and Remote Access Services) implantées dans Windows serveur 2000 mais surtout en standard en Windows 2003 et 2008.

Un serveur DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) peut �tre implant� de mani�re software (serveurs Windows par exemple) ou dans un routeur. Cette possibilit� permet d'attribuer automatiquement les adresses IP � chaque station dans une plage d'adresse d�termin�e (dans la m�me classe d'adresse).

5.6. R�p�teurs

Le r�p�teur permet de d�passer la longueur maximale de la norme d'un r�seau en amplifiant et en r�g�n�rant le signal �lectrique. Sa principale utilisation actuelle est le passage d'un m�dia � l'autre (par exemple de connexion en cuivre vers la fibre optique) ou d'interconnecter deux c�bles en fibre optique en reg�n�rant le signal.

5.7. Passage des adresses IP aux adresses MAC

Nous savons déjà que les communications se font par les adresses MAC et pas directement par les adresses IP.

Pour une communication, le PC émetteur v�rifie si le PC est dans la même classe d'adresse IP. Si c'est le cas, il va envoyer un ARP pour déterminer l'adresse MAC de destination et envoie directement le packet de données et les en-têtes sur le réseau. Les HUBS laissent le paquet tel quel puisqu'ils sont de simples amplificateurs. Par contre, si le réseau est relié par des switchs, chaque switch va vérifier l'adresse MAC dans sa table, éventuellement envoyer un broadcast.

Par contre, si le PC de destination n'est pas dans la même classe d'adresse, il envoie le paquet au routeur (dont l'adresse MAC est connue) avec l'adresse IP de destination. Le routeur va vérifier s'il est connecté au sous-réseau (classe IP) de destination. S'il est directement connecté, il envoie les informations au destinataire via un ARP. Dans le cas contraire, il va envoyer le paquet au routeur suivant, et ainsi de suite.

5.8. Connexion d'un réseau Ethernet.

Par le chapitre sur les différentes normes Ethernet, nous savons que:

Connecter entre-eux 2 hubs (switch) utilise un câble croisé ou un port croisé de l'équipement (certains modèles intègrent un petit interrupteur poussoir sur un port spécifique). Les switch actuels détectent automatiquement le croisement (MDI/MDIX).
En Ethernet 10 Base T, plus de quatre Hubs en cascade posent un problème au niveau des vitesses de connexion.
En Ethernet 100 Base T, plus deux HUBS en cascade provoquent également des erreurs dans les flux de données, les trames se superposent, dépassant la taille du MTU.
Les distances maximales à respecter sont de 100 mêtres maximum en cuivre. Là aussi, les trames peuvent se superposer en cas de dépassement.
Le câblage doit être stricte: connecteur, proximité des câbles du réseau électrique, ...

Quels choix pour un réseau local Ethernet? Les départements entre-eux doivent être reliés par des switchs, si possible administrables pour bloquer certaines liaisons. Toute connexion extérieure (Internet et liaison inter-réseau) nécessite un routeur. Le partage Internet par Windows est à éviter pour les entreprises (sécurité) et remplacé par un routeur incluant le NAT qui permet masquer les différentes adresses du réseau interne et incluent souvent des firewall hardware même si en standard ces équipements sont plutôt amateurs.

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Révision: 28/02/2020

Le cours "Hardware 1": PC et périphériques, le cours "Hardware 2": Réseau, serveurs et communication.