Comprendre le rôle d'un commutateur réseau : des routeurs aux concentrateurs Ethernet

Jusqu'à la fin des années 1990, beaucoup pensaient naïvement que les micro-ondes cuisaient les aliments en quelques secondes, que tout le monde souhaitait aveuglément qu'Internet soit aussi rapide qu'aujourd'hui, et que la transmission de données était considérée comme un processus manuel. La transmission de données est une fonction essentielle des réseaux modernes, actifs ou passifs, qu'ils desservent les infrastructures d'une entreprise ou les installations domestiques d'un particulier. Au cœur de tout dispositif de transfert de données ou de tout système se trouve un commutateur de réseau informatique – un composant essentiel, mais souvent sous-estimé, des réseaux informatiques. Mais quelle est la différence fondamentale entre un commutateur, un routeur et un concentrateur ? Quel est son objectif principal et pourquoi est-il important d'assurer la fluidité du flux de données ? Dans ce contexte, le terme « commutateurs » sera élargi pour inclure commutateurs de réseau, et leurs caractéristiques sous-jacentes seront évaluées avec d'autres composants matériels de commutation, ainsi que leur rôle essentiel dans l'acheminement des données vers les utilisateurs finaux. Pour les professionnels du secteur, les passionnés de technologie et les curieux de nature, cet article s'efforce d'expliquer comment et quels sont les points les plus importants à prendre en compte concernant les commutateurs réseau.

Comment fonctionne un commutateur réseau ?

Qu'est-ce qu'un interrupteur et comment fonctionne-t-il ?

Les commutateurs permettent de connecter et de communiquer efficacement entre les périphériques d'un réseau local (LAN). Le commutateur gère les données, les stocke, les traite, puis les envoie au périphérique destinataire. Il existe une distinction entre un concentrateur et un commutateur : avec un concentrateur, toutes les données sont envoyées à tout périphérique connecté, tandis qu'un commutateur cible les données spécifiquement vers le périphérique approprié grâce à son adresse MAC (Media Access Control). Ce mode de communication assisté le transfert de données réduit le trafic réseau tout en améliorant les performances, ce qui rend les commutateurs réseau très importants dans les environnements LAN modernes.

Comment un commutateur réseau transmet-il les données ?

Grâce à la commutation par paquets, un commutateur réseau gère la transmission des données. Lorsqu'un paquet de données atteint un commutateur réseau, celui-ci analyse son en-tête pour identifier son adresse MAC de destination. Ce processus lui indique son fonctionnement. Ce processus est rendu possible grâce à la table d'adresses MAC du commutateur, qui corrèle les adresses MAC des périphériques à leurs ports spécifiques. Si l'adresse MAC de destination figure dans la table, le commutateur envoie le paquet de données au port approprié, garantissant ainsi une distribution efficace au lieu de le diffuser à tous les périphériques connectés. 

Les commutateurs modernes intègrent également des VLAN (réseaux locaux virtuels) et des fonctionnalités de qualité de service (QoS). Ces fonctionnalités avancées permettent une meilleure segmentation du trafic réseau, une sécurité renforcée et une réduction de la congestion. Différents types de trafic reconnus au niveau national, comme la voix sur IP et le streaming vidéo, bénéficient d'une qualité et d'une fiabilité garanties, même aux heures de pointe.

Les statistiques confirment également les avantages des commutateurs réseau. Par exemple, une étude Cisco a révélé que l'utilisation de commutateurs dotés de fonctionnalités de couche 3 permet de réduire la latence des réseaux d'entreprise jusqu'à 80 %, tout en prenant en charge des connexions simultanées sur des infrastructures tentaculaires. De plus, l'adoption de commutateurs modernes dotés de la technologie Power over Ethernet (PoE) facilite les déploiements, car des appareils tels que des caméras IP et des points d'accès peuvent désormais être alimentés et alimentés en données via un seul câble Ethernet.  

Ce processus de transfert de données rapide et ciblé rend les commutateurs fondamentaux pour une connectivité à faible latence et hautement évolutive dans les réseaux hautes performances, qu'il s'agisse de petites ou de grandes structures.  

Le rôle de l'adresse MAC dans la fonctionnalité du commutateur :  

Les commutateurs identifient et acheminent les datagrammes grâce aux adresses MAC (Media Access Control). Chaque périphérique connecté à un réseau reçoit une adresse MAC, que le commutateur enregistre dans une table d'adresses MAC. Cette table relie les adresses MAC aux ports, ce qui permet aux commutateurs de minimiser la diffusion tout en garantissant la bonne récupération des données. L'utilisation des adresses MAC permet commutateurs réseau pour optimiser la communication au sein du réseau à une échelle plus précise et plus sécurisée.

Quels sont les types de commutateurs dans les réseaux ?

Commutateur géré et commutateur non géré explorés

Commutateurs gérés : Grâce à un commutateur géré, les utilisateurs bénéficient d'un contrôle accru sur le réseau sur lequel ils évoluent. Les administrateurs peuvent ainsi modifier des configurations telles que les VLAN, la qualité de service (QoS) et la vitesse des ports afin d'offrir davantage d'options de personnalisation et d'améliorer la sécurité du réseau. Ces commutateurs sont particulièrement adaptés aux réseaux plus vastes et plus complexes, nécessitant surveillance, dépannage et optimisation. 

Commutateur non géré : un commutateur non géré est pratiquement l'opposé d'un commutateur géré Le commutateur fonctionne mieux avec un modèle plug-and-play qui ne nécessite aucune configuration préalable. Ce commutateur connecte l'appareil à un réseau et transfère automatiquement les données sans supervision. Il est préférable de l'utiliser dans les petits réseaux ou les environnements plus informels où la supervision est minimale. 

Qu'est-ce qu'un commutateur de couche 3 ?

Les commutateurs de couche 3 fonctionnent comme des commutateurs hautes performances, à mi-chemin entre un commutateur de couche 3 et un routeur, car ils assurent la commutation et le routage. La couche XNUMX du modèle OSI utilise les commutateurs de couche XNUMX de manière plus complexe, car ils sont nécessaires au routage entre les VLAN et à l'exécution de fonctions d'ordre supérieur. Contrairement aux commutateurs à deux couches traditionnels, qui se contentent de transférer les paquets en fonction des adresses MAC, les commutateurs de couche XNUMX utilisent désormais l'adresse IP du paquet de données pour déterminer le chemin le plus adapté aux données et permettre à toutes les cellules du réseau de fonctionner harmonieusement.

Les commutateurs de couche 3 sont fréquemment utilisés dans les entreprises qui ont besoin d'un transfert de données rapide et d'une faible latence. De nombreux commutateurs de couche 3 modernes prennent en charge les protocoles de routage statique et dynamique comme OSPF et BGP, ainsi que le routage multicast et la qualité de service (QoS) pour la priorisation du trafic. De plus, ils sont plus évolutifs que les commutateurs de couche 3 traditionnels dans les réseaux complexes et de grande taille. 

Des benchmarks récents suggèrent que les commutateurs de couche 3 peuvent désormais traiter des millions de paquets par seconde (PPS), surpassant ainsi les routeurs traditionnels en termes de performances. Comme les autres types de commutateurs de couche 3, ces appareils sont dotés d'une commutation matérielle qui réduit considérablement les délais et accélère le transfert des données. Ces appareils gagnent en popularité dans les centres de données, les réseaux de campus et les entreprises, car ils s'intègrent aux systèmes existants pour éliminer les goulots d'étranglement, rationaliser les opérations réseau et accroître l'efficacité.

Différence entre un commutateur et un routeur

En technologie des communications, un commutateur et un routeur sont utilisés au sein d'un système décrit dans un réseau. Par conséquent, selon ma compréhension, la fonction fondamentale d'un commutateur se situe au niveau de la couche 2 du modèle OSI, où il permet la transmission de données au sein d'un même réseau grâce aux adresses MAC. En revanche, un routeur opère au niveau de la couche 3 et est responsable de l'interconnexion de réseaux disparates, ainsi que de la transmission d'informations entre eux grâce aux adresses IP, contrairement à un commutateur confiné à un réseau local pour un seul réseau. Un commutateur est particulièrement efficace pour gérer les problèmes de trafic interne d'un réseau en maintenant les routes internes ouvertes. De son côté, un routeur décide de la route à emprunter pour obtenir les informations dans un réseau, garantissant ainsi la connectivité et un routage optimal des données. La fonction de chaque appareil est fondamentalement différente, mais leur collaboration permet une intégration transparente dans les environnements réseau modernes.

Où dans un réseau un commutateur est-il utilisé ?

Connexion d'appareils dans un réseau local

Dans un réseau local (LAN), les commutateurs connectent plusieurs appareils, tels que des serveurs, des imprimantes et des ordinateurs, afin qu'ils puissent communiquer entre eux. Ils agissent comme des concentrateurs centraux qui contrôlent le trafic de données : les informations sont envoyées directement à l'appareil concerné, évitant ainsi de les diffuser à tous les autres appareils. Cela améliore la vitesse du réseau, minimise la congestion et permet une communication fiable et sécurisée entre les appareils connectés.

Rôle d'un commutateur dans un réseau d'entreprise

Les commutateurs améliorent considérablement les réseaux d'entreprise modernes en étant des composants fondamentaux pour la connectivité et la gestion efficace des données. Au sein d'une entreprise, ils facilitent l'interconnexion de nombreux appareils, tels que serveurs, postes de travail, points d'accès et objets connectés, pour créer une infrastructure réseau bien définie et évolutive. Ils utilisent les adresses MAC (Media Access Control) pour diriger les informations vers le bon appareil, ce qui améliore l'efficacité et réduit le trafic.

Un commutateur managé hautes performances est essentiel pour la segmentation VLAN, la qualité de service (QoS) et la redondance du réseau. Les VLAN créent des segments réseau pour restreindre le trafic et renforcer la sécurité. La QoS intègre le trafic sensible à la latence, comme la VoIP et les appels vidéo. Dans le secteur des réseaux informatiques, les commutateurs contribuent également à la résilience des réseaux grâce à l'agrégation de liens, au TAG et aux protocoles de secours redondants tels que le STP, qui interrompt les boucles réseau à l'origine des pannes et assure un fonctionnement fluide en cas de panne d'un lien ou d'un périphérique.

Des études montrent que de nombreuses organisations s'appuient davantage sur les commutateurs d'entreprise. Les dépenses mondiales en commutateurs Ethernet, qui ont atteint 35.8 milliards de dollars en 2022, témoignent déjà de la nécessité d'accroître l'infrastructure réseau. De plus, les applications cloud et le travail hybride ont fait évoluer l'accent vers les commutateurs à débits de 10 GbE et 40 GbE, qui constituent la base d'une gamme d'applications nécessitant une bande passante élevée et des transferts de données importants.

Dans l’ensemble, les commutateurs d’entreprise ne sont pas seulement un ajout au réseau ; ils représentent un bond en avant substantiel en termes de performances, de sécurité et d’évolutivité de l’infrastructure numérique et de la connectivité d’une organisation.

Connexion de périphériques au sein d'un réseau à l'aide de commutateurs réseau

Un commutateur identifie les données des paquets grâce à leur adresse MAC de destination et réduit le trafic vers le destinataire prévu. Cette fonction est peu chronophage, car seules les données utilisateur de la trame doivent être traitées. Une fois les données traitées, un commutateur, qui est un périphérique de couche 2, les transmet au port correspondant.

Le commutateur inclut une table d'adresses MAC contenant les adresses MAC des périphériques qui s'y connectent. Ainsi, lorsqu'un périphérique envoie une trame de données au commutateur pour la première fois, celui-ci apprend son adresse MAC, la stocke dans sa table et permet des communications sans collisions au sein d'un réseau local.

Grâce à l'intégration de fonctionnalités de routage, les commutateurs avancés comme les commutateurs de couche 3 peuvent offrir bien plus. Ces commutateurs permettent le transfert de données entre différents VLAN, ou sous-réseaux, permettant ainsi un transfert complet des données au sein de réseaux vastes et complexes. Les commutateurs réseau contribuent à minimiser la congestion et à optimiser le flux de données, ce qui est essentiel à la performance et à la fiabilité des infrastructures réseau modernes.

Choisir un commutateur Ethernet : points à prendre en compte

Éléments qui affectent les performances du réseau

1. Nombre de ports et leur vitesseL'appareil doit disposer du nombre de ports requis, compatible avec les appareils actuels et futurs. Pour un transfert de données rapide, il est conseillé d'opter pour des commutateurs capables d'atteindre des débits de l'ordre du Gigabit ou supérieur.
2. Commutateurs gérés/non gérés : Si le réseau nécessite des fonctionnalités plus sophistiquées, comme des VLAN ou la priorisation de certains trafics, un commutateur géré conviendra. Pour les réseaux moins complexes, des commutateurs non gérés devraient faire l'affaire.
3. Alimentation par Ethernet: Si les caméras IP et les téléphones de votre réseau ont besoin d'être alimentés via le câble Ethernet, vous devez opter pour des commutateurs dotés de capacités PoE.
4. Capacité d'extension:Évaluez si le commutateur peut accepter les exigences de croissance du réseau en termes de ports supplémentaires et de bande passante plus importante.
5. Confiance dans la marque : Pour garantir la fiabilité et réduire les temps d'arrêt dus aux pannes matérielles, optez pour des commutateurs de fabricants réputés.
6. Coût de fonctionnement : Procurez-vous des commutateurs qui consomment moins d’énergie, car cela contribuera à réduire les dépenses opérationnelles.

La prise en compte de ces aspects aidera à sélectionner un commutateur Ethernet qui répondra aux exigences de performances du réseau.

Importance du pendentif sur les périphériques réseau utilisant la fonction Power over Ethernet

Grâce à l'alimentation par Ethernet (PoE), un seul câble Ethernet permet d'alimenter et de transmettre les données à un périphérique réseau. Il n'est donc plus nécessaire d'avoir une alimentation électrique pour chaque poste de travail, ce qui réduit l'encombrement et les coûts d'installation. Cette technologie est très utile pour les appareils tels que les caméras IP, les points d'accès sans fil ou les téléphones VoIP, car ils peuvent être placés à distance des prises de courant. De plus, le PoE permet de surveiller et de contrôler à distance les appareils alimentés, améliorant ainsi l'efficacité et la gestion du réseau. Les réseaux et autres configurations d'appareils bénéficieront de cette polyvalence supplémentaire, car sans le boîtier de commande, les opérations sont réduites. L'utilisation de l'alimentation par Ethernet simplifie donc les opérations réseau et offre une plus grande flexibilité de déploiement.

Examen approfondi des ports de commutation et de leurs connexions réseau

Les ports de commutation sont des connecteurs essentiels permettant de connecter différents appareils à un réseau pour l'échange de données. Ils sont ajoutés aux commutateurs des ordinateurs et des serveurs afin de faciliter la connexion aux appareils existants. Les connexions réseau établies via les ports de commutation optimisent la productivité des appareils, car ils communiquent entre eux et échangent des informations avec le réseau mondial, y compris Internet. Pour optimiser les fonctionnalités des commutateurs, ces appareils doivent être équipés de ports à débits variables (1 Gbit/s ou 10 Gbit/s) pour répondre aux multiples besoins du réseau. C'est pourquoi la gestion de ces ports est essentielle au bon fonctionnement et à l'efficacité de votre réseau.

Quel est l’impact des commutateurs sur l’infrastructure d’un réseau ?

Améliorer les performances d'un réseau grâce à la commutation

L'utilisation judicieuse des commutateurs réseau améliore considérablement les performances du réseau en réduisant la congestion et en améliorant le flux de données. Les commutateurs divisent les réseaux en unités plus petites et plus faciles à gérer, ce qui permet aux appareils de communiquer sans interférence. Les commutateurs disposent également de fonctionnalités de qualité de service (QoS) leur permettant de canaliser le trafic critique pour le bon fonctionnement des applications hautes performances. De plus, les commutateurs dotés de ports plus rapides et prenant en charge des protocoles modernes peuvent répondre aux besoins croissants en bande passante. Une surveillance et une configuration continues des commutateurs par les utilisateurs sont nécessaires pour optimiser les performances, la stabilité et la sécurité de l'infrastructure réseau.

Rationalisation de la congestion du réseau grâce au déploiement de commutateurs

En segmentant le trafic, le déploiement de commutateurs permet d'éliminer les congestions inutiles qui ralentissent la communication des appareils au sein d'un réseau donné. Les commutateurs améliorent la communication entre les appareils grâce à une transmission intelligente des paquets vers certains d'entre eux. Ces techniques avancées minimisent la diffusion sur l'ensemble du réseau, ce qui réduit considérablement les collisions entre appareils essayant de communiquer simultanément. Cette approche optimise le trafic et garantit des fentes plus larges pour une évolutivité accrue. Ceci est garanti par le déploiement de commutateurs dotés d'une capacité de ports suffisante et par l'utilisation de VLAN (réseaux locaux virtuels). Ces stratégies minimisent l'utilisation de la bande passante tout en maximisant les performances du réseau.

Comment fonctionnent les commutateurs dans l'administration d'un réseau

L'utilisation de commutateurs simplifie le transfert de données et l'exploitation du réseau, ce qui en fait des outils essentiels pour la gestion réseau. Les commutateurs sont des équipements de connexion centraux ; ils permettent donc d'interconnecter différents appareils, de recevoir les informations de chaque source et de les transférer aux destinataires concernés. La segmentation du trafic minimise la congestion du réseau et les commutateurs améliorent l'efficacité. De plus, ils renforcent la sécurité en prenant en charge des politiques réseau telles que l'isolation des communications et le contrôle d'accès. Les commutateurs modernisés peuvent également intégrer la priorisation du trafic, la surveillance de l'état du réseau et la prise en charge de configurations avancées, ce qui en fait des éléments essentiels de réseaux fiables et évolutifs.

Foire Aux Questions (FAQ) 

Q : Expliquez ce qu’est un commutateur réseau et comparez-le à un hub.

R : Un commutateur réseau est un point de connexion central pour les différents appareils d'un réseau. Alors qu'un concentrateur envoie des informations à tous les appareils, un commutateur n'envoie les données qu'au destinataire prévu, ce qui assure sécurité et efficacité du réseau. 

Q : Dans quel type de réseau un commutateur fonctionne-t-il généralement ?

R : Un commutateur réseau fonctionne principalement dans les réseaux locaux (LAN). Dans les réseaux locaux Ethernet, il est essentiel pour connecter différents appareils, tels que des ordinateurs et des imprimantes, à un seul commutateur ou à plusieurs commutateurs sur des réseaux plus vastes. 

Q : Comment un commutateur réseau gère-t-il les adresses IP ? 

R : Les commutateurs réseau fonctionnent selon la couche 2 du modèle OSI. Ils n'utilisent pas directement les adresses IP, mais transmettent les paquets de données via les adresses MAC. Certains commutateurs ont des capacités limitées en couche 3, ce qui signifie qu'ils peuvent également utiliser les adresses IP pour acheminer le trafic dans certaines situations.

Q : Qu’est-ce qu’un commutateur empilable et comment fonctionne-t-il dans les grands réseaux ?

R : Les commutateurs empilables sont des appareils qui peuvent former une seule unité lorsqu'ils sont connectés à des appareils similaires. C'est pourquoi il est plus facile de gérer et de faire évoluer la pile de commutateurs, ce qui est particulièrement utile dans les grands réseaux ou les réseaux de centres de données.

Q : De quelles manières un commutateur peut-il être utilisé pour la surveillance du réseau ? 

R : Presque tous les commutateurs modernes disposent de fonctionnalités telles que la mise en miroir des ports et SNMP, qui permettent la surveillance du réseau. Grâce à la mise en miroir des ports, les informations d'un ou plusieurs ports peuvent être envoyées vers un autre port pour un examen plus approfondi. En revanche, SNMP permet à l'administrateur réseau d'observer et de contrôler le fonctionnement général et l'état du réseau, et de résoudre proactivement les problèmes tout en collectant des données. 

Q : Quelle est la contribution de la carte d’interface réseau (NIC) à un utilisateur de commutateur unique ? 

R : Les appareils équipés de commutateurs réseau doivent être équipés d'une carte d'interface réseau (NIC). Celle-ci sert de point de contact et de protocole de communication avec l'appareil. La carte d'interface réseau intègre une adresse MAC distincte qui permet au commutateur d'identifier l'appareil et d'acheminer correctement les données vers et depuis celui-ci.

Sources de référence

1. Hipernetch : commutateur réseau FPGA hautes performances

• Auteurs: Philippos Papaphilippou et al.
• Journal: Transactions ACM sur les technologies et systèmes reconfigurables
• Date de publication: 31 mars 2022
• Principales constatations:
  • Le document présente Hipernetch, une nouvelle conception basée sur FPGA pour la commutation de réseaux à large bande passante.
  • Il remplace les structures de barres transversales classiques par un « arbitre circulaire parallèle combiné » qui améliore les performances du pipeline et réduit les délais.
  • L'implémentation obtient un débit supérieur à 100 Gbps par port pour des commutateurs jusqu'à 16 ports.
• Méthodologie:
  • Les auteurs ont créé l'architecture d'Hipernetch et analysé les performances des architectures de commutation traditionnelles, révélant les avantages en termes de débit et de latence.

Citation: (Papaphilippou et al., 2022, p. 3:1-3:31)

2. Évolution de l'architecture des commutateurs pour prendre en charge l'intelligence du réseau

• Auteurs: Shuangwu Chen et al.
• Journal: Magazine de communication IEEE
• Date de publication: 1 janvier 2020
• Principales constatations:
  • Nous nous concentrons ici sur les améliorations apportées à l’architecture du commutateur grâce à l’incorporation d’un plan d’intelligence qui permet la prise de décision au sein du réseau ainsi que le traitement.
  • La conception suggérée permet de fournir des performances robustes et un débit d'application élevé, permettant à l'IA d'être facilement intégrée dans les opérations réseau.
• Méthodologie:
  • Les auteurs proposent un cadre conceptuel pour l'architecture de commutation évoluée et démontrent son déploiement dans un réseau de campus. La mise en œuvre est vérifiée par des résultats expérimentaux relatifs à ses fonctionnalités.

Citation: (Chen et al., 2020, pp. 33-39)

3. Architecture de commutation à mémoire déclenchée par le temps pour les commutateurs réseau sensibles au temps

• Auteurs: Zonghui Li et al.
• Journal: Transactions IEEE sur la conception assistée par ordinateur de circuits et systèmes intégrés
• Date de publication: 1 janvier 2020
• Principales constatations:
  • Le document présente l'architecture de commutation à mémoire à terminaison temporelle (SMS) visant à obtenir une faible empreinte mémoire dans les réseaux sensibles au temps (TSN).
  • Cela permet la planification statique de l'allocation de mémoire, ce qui améliore à la fois l'utilisation des ressources et la tolérance aux pannes.
• Méthodologie:
  • Les auteurs ont mis en œuvre le cadre SMS et exécuté des simulations pour tester son efficacité en ce qui concerne l’utilisation de la mémoire et l’efficacité de la planification.

Citation: (Li et al., 2020, p. 185-198)

4. Déploiement progressif de commutateurs programmables pour la détection des gros frappeurs à l'échelle du réseau

• Auteurs: Damu Ding et al.
• Journal: Conférence IEEE 2019 sur la softwarisation des réseaux
• Date de publication: Le 1 juin 2019
• Principales constatations:
  • Ce document vise à introduire une méthode de mise en œuvre progressive de commutateurs programmables dans un réseau de fournisseur de services Internet à des fins de surveillance de flux réseau uniques.
  • Cette méthode réduit la quantité d’informations nécessaires au plan de données tout en garantissant une détection précise des flux importants.
• Méthodologie:
  • Les auteurs ont conçu deux modèles de programmation linéaire en nombres entiers (ILP) pour l'allocation de commutateurs programmables et ont vérifié leur méthode avec des simulations sur des topologies ISP réelles.

Citation: (Ding et al., 2019, p. 160-168)

5. Poséidon : Atténuer les attaques DDoS volumétriques grâce à des commutateurs programmables

• Auteurs: Menghao Zhang et al.
• Journal: Actes du Symposium 2020 sur la sécurité des réseaux et des systèmes distribués
• Date de publication: 2020
• Principales constatations:
  • L'article présente Poséidon, qui utilise des commutateurs programmables pour se protéger contre les attaques DDoS volumétriques.
  • Il permet aux utilisateurs de définir des stratégies de défense modulaires qui peuvent être modifiées de manière flexible en fonction des modèles d'attaque en développement.
• Méthodologie:
  • Les auteurs ont déployé Poseidon sur des commutateurs programmables et ont effectué des tests pour valider son efficacité dans la détection et l'atténuation des attaques DDoS avec une dépense de ressources minimale, garantissant un trafic stable sur le réseau.

Citation: (Zhang et al., 2020)

6. Commutateur de réseau

7. Réseau informatique