Les appareils liés aux couches 1, 2 et 3 du modèle OSI

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1 Les appareils liés aux couches 1, 2 et 3 du modèle OSI
Dans un réseau à base de connectique RJ45, il est impossible de relier entre eux plus de deux ordinateurs contenant une seule carte réseau chacun sans passer par ce que l'on appelle un hub ou un concentrateur. Hub = moyeu de roue par analogie avec la topologie en étoile qui résulte de la connexion Pour relier des ordinateurs en RJ45 à un hub, il faut des câbles de catégorie 5 (ces types de câbles sont à la fois compatibles 10 Base T et 100 Base TX) "droits" Un hub peut être compatible 10 Base T ou 100 Base TX, ou avec les deux normes à la fois sur l'ensemble de ses prises, et parfois avec une des normes sur un certain nombre de prises et avec l'autre sur d'autres prises ; dans ce dernier cas, tous les ordinateurs reliés au hub peuvent dialoguer entre eux du moment qu'ils utilisent le type de norme adaptée. Certains hubs possèdent quatre prises, d'autres huit prises, parfois seize, ou encore trente-deux. La vitesse de chaque prise à laquelle est relié un ordinateur est indiquée par un voyant.

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Concentrateurs ou hub Les concentrateurs servent à établir un chemin physique d'un câble à un autre. Bien que leur comportement soit le plus souvent déterminé par une technologie, comme Ethernet ou Token Ring, généralement considérée comme appartenant à la couche 2 du modèle OSI, ils sont en pratique considérés comme faisant partie de la couche 1, la couche Physique. Cela est dû au fait qu'ils agissent comme des répéteurs multiport. En d'autres termes, ils se contentent de regénérer un signal reçu sur un port d'entrée sur un ou plusieurs ports de sortie. Comme un concentrateur se contente de répéter un signal sans le modifier, tous les ports d'un concentrateurs font partie du même segment de réseau ou de la même liaison de données. Cela veut dire que dans un réseau Ethernet tous les ports d'un concentrateur font partie d'un même domaine de collision, et qu'un seul des ordinateurs reliés à ce concentrateur peut émettre à un temps donné. Dans un réseau Token Ring tous les ports d'un concentrateur font partie du même anneau. Le modèle représenté ci-dessus peut recevoir 4 connexions dont une qui peut être sélectionnée en normale ou croisée (uplink) via un bouton poussoir. On utilisera cette facilité pour un raccorder un autre hub ou un routeur via un cable non croisé.

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Exploiter la fonction de chaînage empêche en général d'utiliser l'une des prises du hub de la façon prévue à l'origine. Si vous opérez un chaînage en utilisant la prise Uplink ou "X" du hub, la prise 1 (cas Uplink) ou 8 (cas "X") ne peut pas être reliée à un ordinateur, même si elle semble libre. Un hub huit ports RJ45 chaîné à un autre hub ne laisse donc que sept ports disponibles pour les ordinateurs à relier. Pour un hub à quatre ports chaîné, seuls trois ordinateurs sont susceptibles d'être reliés au hub. Pour mettre en réseau des ordinateurs répartis par groupes éloignés les uns des autres, il est possible de relier chaque groupe à un hub et de passer ensuite un seul câble pour relier tous les hubs entre eux (cela simplifie largement le câblage). La fonction de chaînage qui permet ce montage existe sur la plupart des hubs. En règle générale, la fonction de chaînage est intégrée à tous les hubs. La plupart du temps, elle se matérialise par une prise qui se distingue des autres. Elle peut être marquée en tant que Uplink ou "X" par exemple ; consultez la documentation du hub pour le savoir.

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Avec un câble de catégorie 5, vous pouvez chaîner des hubs ou relier des ordinateurs à un hub sur une distance maximale de cent mètres (la norme spécifie un peu plus, mais il est préférable de garder une marge). Imaginez que cent mètres séparent un ordinateur et le hub auquel il est relié, que cent mètres séparent ce même hub et l'autre hub auquel il est chaîné et que cent mètres encore séparent ce second hub et l'autre ordinateur de la chaîne. Cela donne une distance entre les deux ordinateurs de trois cents mètres! Chaque hub ajouté, c'est donc cent mètres de gagnés. En plus de relier les ordinateurs entre eux en réseau, un hub joue le rôle d'un amplificateur de ligne. Par ailleurs, lorsque vous utilisez la prise Uplink d'un hub pour le relier à un autre hub, c'est sur une prise normalement reliée à un ordinateur que vous devez brancher l'extrémité du câble : il n'est pas question de relier la prise Uplink d'un hub à une prise Uplink d'un autre hub. Considérez que la prise Uplink d'un hub se comporte comme celle de la carte réseau de votre ordinateur : elle doit être reliée à une prise normale d'un autre hub par l'intermédiaire d'un câble "droit"

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Ponts (Bridges) Une fois que le nombre d'utilisateurs commence à approcher les limites d'un segment de réseau unique, il est alors nécessaire de créer un nouveau segment pour relier deux réseaux ensemble. C'est ce que permet un pont. Initialement, les ponts n'avaient que deux ports, un pour chaque réseau. Mais contrairement aux concentrateurs, les ponts inspectent les données qui leur arrivent et doivent décider s'ils les envoient sur l'autre réseau ou pas. Cette décision se fait en fonction de l'adresse MAC dans les réseaux Ethernet et du numéro d'anneau dans les réseaux Token Ring. À cause de ce comportement (et plus particulièrement parce que les ponts lisent et agissent sur les données au niveau des en-têtes de couche 2 de chaque trame), les ponts sont considérés comme des appareils de couche 2. Ils sont capables de détecter une trame non valide (CRC erroné) Les ponts Ethernet écoutent le trafic envoyé par les ordinateurs et les autres appareils réseau puis enregistrent l'adresse MAC de l'ordinateur, qui se trouve dans le champ Adresse source de l'en-tête de trame Ethernet, ainsi que le port sur lequel l'adresse a été apprise. Si le pont reçoit ensuite une trame depuis un autre réseau à destination de l'adresse MAC qu'il vient d'apprendre, il renvoie cette trame vers le premier réseau. Les ponts Token Ring fonctionnent par numéro d'anneau. Chaque pont se voit attribuer un numéro de pont et un numéro d'anneau. Les trames Token Ring contiennent un champ d'informations de routage (RIF, Routing Information Field), constitué d'une liste de numéros d'anneaux et de ponts que la trame devra traverser pour atteindre sa destination. Lorsqu'un pont Token Ring voit sur un anneau une trame destinée à un autre anneau qui lui est également relié, il la transfert du premier vers le second. Il existe des ponts spécialement conçus pour interconnecter des réseaux « Token Ring » et « Ethernet » : ils tiennent alors à jour deux tables d’adresses, l’une pour les stations « Token Ring » et l’autre pour les stations « Ethernet ».

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En résumé, un pont: écoute le trafic, vérifie les adresses sources et de destinations de chaque trame, vérifie si la destination se trouve dans sa table de routage vers le segment concerné sinon, il transmet vers l’ensemble des segments, il met à jour sa table de routage des adresses MAC des postes qui émettent (Adresse MAC = Adresse physique unique de la carte sur 48 bits). Les trames son transmises telles quelles. Aucune conversion n’est effectuée : il ne gère pas les sous-réseaux différents. Les segments interconnectés doivent être dans le même espace d’adressage et doivent donc appartenir au même sous-réseau (TCP/IP, IPX/SPX, etc.). Les ponts laissent passer les broadcasts (trames de diffusion) :

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Commutateurs ou switch Au fur et à mesure que la taille des réseaux s'étend et que la quantité de données transmise par chaque ordinateur augmente, la segmentation des réseaux devient encore plus importante. Les ponts à deux ports ne suffisent plus. C’est ainsi que le commutateur a été inventé par Kalpana. Les commutateurs Kalpana transmettent l’information (trame) à un segment récepteur aussitôt que son adresse a été analysée. Ils sont donc plus rapide au détriment de la sécurité (risque de transmission d’erreurs). Étant donné que l’IEEE interdit dans sa normalisation du pont, qu’un pont transmette qu’une partie de la trame, l’équipement de Kalpana ne pouvait s’appelait pont. Il l’a alors appelé commutateur : ce fut un succès commercial. Ainsi, les autres constructeurs ont aussi appelé leurs ponts multiport : commutateur. En fait, les commutateurs ne sont rien d’autres que des ponts multiports. Les commutateurs sont un savant mélange entre concentrateurs et ponts. Ils permettent de relier que les segments ayant des informations à échanger. A l’arrivée d’une trame, le commutateur analyse en particulier l’adresse de sa destination pour savoir vers quel segment la renvoyer. A chaque trame, le commutateur établit un circuit virtuel entre l’émetteur et le destinataire. Ils transforment une topologie bus en étoile. Les commutateurs peuvent effectuer plusieurs envois de trames simultanés entre les segments.

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Pour mettre en connexion les stations, la plupart des produits actuellement commercialisés intègrent une fonction d'auto-apprentissage. Lors de la réception d'une trame, son contenu est analysé et l'adresse MAC de l'expéditeur est alors mémorisée avec le port sur lequel cet équipement est connecté. Si le destinataire est connu, donc déjà référencé dans la table de routage, le paquet lui est transmis. Dans le cas contraire, la méthode utilisée par la majorité des constructeurs consiste à envoyer ce paquet à tous les ports (Flooding). Lors de la réponse, l'adresse de l'équipement concerné, son adresse et le port auquel il est connecté sont alors mémorisés dans la table de routage. Généralement, lors de la mise sous tension d'un équipement réseau, ce dernier émet une trame de broadcast. Bien qu'ils disposent aujourd'hui de nombreuses fonctionnalités supplémentaires, les commutateurs (switches dans la terminologie anglo-saxonne) n'étaient donc au départ que des ponts multiport et sont considérés comme des appareils de la couche 2. La plupart disposent de 12 ou 24 ports, mais un grand nombre sont également modulaires, ce qui leur permet d'avoir jusqu'à plusieurs centaines de ports.

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Les commutateurs présentent également la particularité de pouvoir gérer plusieurs conversations à la fois. Chaque port 100Base-TX d'un commutateur peut envoyer et recevoir des trames simultanément (on parle de full duplex ou duplex intégral, par oppositions aux appareils half duplex, ou semi duplex, que sont les concentrateurs). Cela veut dire que les commutateurs nécessitent un fond de panier assez complexe qui permette à chaque port de communiquer avec tous les autres. Même si les détails de ces implémentations sont souvent publiés, il ne s'agit pas de standards et ils sont propres à chaque type de commutateur. Les commutateurs utilisent également des tampons, c'est-à-dire de la mémoire où sont stockées les trames avant d'être transmises. Ils sont particulièrement utiles lorsque plusieurs appareils s'adressent à un seul, et envoient collectivement plus de données que la liaison ne peut en supporter. Dans ce cas, les trames attendent dans la mémoire tampon que la bande passante soit suffisante sur la liaison.

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Pour la transmission des trames, il existe plusieurs technologies. La trame doit toujours être analysée par le commutateur pour orienter le paquet vers le port de destination. Lors de la réception du paquet, il est donc nécessaire de mémoriser la trame, d'analyser l'en-tête, et de le transmettre ensuite vers le destinataire. La première approche consiste à mémoriser la totalité de la trame, ce qui permet une analyse complète. Si la trame est incomplète ou si elle contient une erreur (checksum), elle n'est pas retransmise, ce qui évite des encombrements inutiles. Cette technique de mémorisation de la trame complète avant retransmission connue sous le nom de « Store and forward » introduit un temps de retard dans la transmission des informations. Le délai de transmission d'une trame dépend de la longueur de celle-ci. Pour y remédier, une autre technologie a été mise au point appelée « Cut trought » (« On the fly ») : elle mémorise le début du paquet d'information et dès que l'adresse du destinataire est identifiée, la trame est transmise vers le port de destination, avant même la fin de la réception de la trame. Si cette deuxième technologie diminue les temps de transfert, elle rend impossible l'élimination des trames incorrectes, susceptibles d'encombrer le réseau de manière inutile. Certains constructeurs intègrent le meilleur des deux méthodes en utilisant les deux technologies de manière dynamique. Appelée « adaptative », cette technique analyse le taux d'erreur. S'il est faible ou nul, le commutateur travaille en mode « Cut trought ». Par contre, s'il dépasse un certain seuil, le commutateur passe en mode « Store and forward ».

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Diagrammes de distribution des données quand un hub ou un switch sont utilisés. Les hubs ont moins d’intelligence concernant la destination des données qu’ils propagent entre les appareils auxquels ils sont connectés. Toutes les données reçues sur un port sont propagées vers tous les appareils connectés, y compris éventuellement les autres hubs qui à leur tour les envoient à tous les appareils connectés. Dans un environnement de switches, les données transmises d’un appareil vers le switch ne sont distribuées que vers le port utilisé par l’appareil qui est en communication. Il existe bien sûr une exception pour les données utilisées pour gérer le traffic du réseau (comme les données de broadcast, la demande d’adresse vers un serveur DHCP etc.) Un switch permet également de mélanger des appareils ayant des vitesses de communication différentes ou des modes d’exploitation différents (half ou full-duplex)

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Routeurs Bien que la division des segments de réseau soit très utile, tous les appareils attachés aux concentrateurs, ponts et commutateurs restent dans le même domaine de diffusion (broadcast). Pour pouvoir séparer des domaines de diffusion, il a fallu inventer les routeurs. Un routeur fait donc office de frontière entre domaines de diffusion. De la même façon que les ponts et les commutateurs lisent les en-têtes de couche 2 et agissent en fonction, les routeurs prennent des décisions selon les informations de la couche 3, comme les en-têtes TCP/IP ou IPX. Ils sont donc naturellement considérés comme des appareils de couche 3. Les routeurs travaillent au niveau de l’adresse IP contrairement aux appareils vu jusqu’ici qui travaillaient au niveau de l’adresse MAC. Le rôle d'un routeur est d'inspecter chaque paquet envoyé pour déterminer s'il appartient au réseau IP local ou à un réseau distant. S'il est destiné à un réseau distant et que le routeur sait comment atteindre ce réseau, alors il transmet le paquet ; dans le cas contraire, il le rejette. Les routeurs sont également utilisés presque exclusivement pour connecter des réseaux distants par des liaisons WAN, mais cela n'a pas de rapport avec leur fonction de routage. Il est possible d'utiliser des ponts ou d'autres appareils, comme des PC, pour se connecter à une liaison de ce type, mais en pratique, cela reste rare. Les routeurs utilisent des algorithmes sophistiqués et des protocoles de routage pour communiquer entre eux et déterminer le meilleur chemin pour atteindre des réseaux distants. Ce point sera traité en détail plus tard.

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Dans une installation domestique, le routeur joue en general le rôle de hub, de switch, de firewall, de routeur NAT et aussi parfois de serveur DHCP (ce qui évite de devoir allouer manuellement une adresse aux appareils connectés à votre réseau). Ce routeur a en général une connexion directe vers le modem et un certain nombre de ports auxquels on peut connecter les différents postes (PC) via des connecteurs RJ45. Si le routeur fait office de switch vous pouvez y connecter des postes qui communiquent à des vitesses différentes (10Mbits et 100 Mbits par exemple). Souvent la configuration du routeur se fait via une interface web à une adresse non-routable fixe. Les schémas suivants reprennent deux configurations possibles avec ou sans hub supplémentaire.

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Connexion directe des postes au routeur Le nombre de connexion sur le routeur determine le nombre maximum de postes connectables. Chaque PC peut avoir sa propre vitesse de transmission (10M, 100M en Half ou Full Duplex). Si le routeur inclut un serveur DHCP, chaque PC peut être configure pour obtenir automatiquement une adresse IP, l’adresse de passerelle par défaut et celle du serveur DNS.

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Connexion des postes au routeur via un hub Un avantage de ce mode de connexion est que l’on peut connecter plus de postes au routeur via le(s) hub(s), on est plus limité par le nombre de connecteurs du routeur. Pour la délivrance des adresses IP, il n’y a pas grand changement par rapport au mode de connexion précédent. Le routeur et le hub devront sans doute être connectés via le port UPLINK qui émule un câble RJ45 croisé. Parfois il faut activer le port dédicacé à l’uplink via un bouton poussoir.

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