Réseau hiérarchique : couche de base, de distribution et d'accès

Conception de réseau hiérarchique

Concept

La conception de réseau hiérarchique est une approche d'architecture de réseau permettant de créer des systèmes de réseau informatique fiables, évolutifs et efficaces. La méthodologie de conception permet d'améliorer la gestion, les performances et la sécurité en divisant le réseau en différentes couches, chacune avec des fonctions et des responsabilités spécifiques. Initialement introduite par Cisco en 2002, la conception de réseau hiérarchique est devenue une pratique standard dans de nombreuses conceptions de réseaux.

Dans les conceptions traditionnelles de réseaux plats, les réseaux sont connectés à l'aide de hubs et de commutateurs, qui deviennent difficiles à gérer et à entretenir à mesure qu'ils évoluent. L'introduction d'une conception de réseau hiérarchique répond à ces défis en divisant le réseau en différentes couches pour mieux contrôler le trafic, améliorer les temps de réponse et optimiser les performances du réseau.

Hiérarchie

Une conception de réseau hiérarchique se compose généralement des couches principales suivantes :

1. Couche d'accès : Il s'agit du point d'entrée permettant aux appareils des utilisateurs (par exemple, les ordinateurs, les téléphones portables, les imprimantes, etc.) d'accéder au réseau. La couche d'accès est chargée de fournir l'accès des utilisateurs, l'authentification, les politiques de sécurité et d'autres fonctions, mais effectue également le traitement du trafic local. Les commutateurs jouent un rôle clé dans cette couche, connectant les appareils des utilisateurs au réseau.

2. Couche de distribution : La couche de distribution est située entre la couche d'accès et la couche principale et est responsable de la connexion des différents sous-réseaux de la couche d'accès. Au niveau de la couche de distribution, le trafic est agrégé et filtré, ainsi que séparé entre les secteurs (via la technologie LAN virtuel ou VLAN).

3. Couche centrale : La couche centrale constitue l'épine dorsale du réseau et est responsable de la transmission de données et de l'échange de trafic à haut débit. Il connecte les différentes couches d'agrégation et offre une disponibilité et une redondance élevées du réseau. La couche centrale doit être caractérisée par une bande passante élevée, une faible latence et une haute disponibilité.

Avantages

Les avantages de la conception de réseau hiérarchique incluent :

• Évolutivité : la conception hiérarchique facilite la mise à l'échelle du réseau horizontalement, à mesure que le nombre d'utilisateurs et d'appareils augmente.
• Facile à gérer : chaque couche a des fonctions et des responsabilités clairement définies, ce qui rend la gestion du réseau plus facile et plus contrôlable.
• Optimisation des performances : la conception hiérarchique permet le contrôle et l'optimisation du trafic à différents niveaux pour offrir de meilleures performances réseau et de meilleurs temps de réponse.
• Sécurité : la conception hiérarchique prend en charge la mise en œuvre de politiques de sécurité et permet le contrôle d'accès aux couches d'accès et d'agrégation pour améliorer la sécurité du réseau.

Couche de base

La couche centrale est l'épine dorsale du réseau, chargée de transmettre les données entre les différentes parties du réseau à grande vitesse et avec une grande efficacité. La couche centrale est généralement constituée d'un certain nombre de périphériques à haut débit et de grande capacité, tels que des routeurs et des commutateurs. À ce niveau, la tâche principale est de transférer les données d'un point à un autre aussi rapidement que possible sans traitement ni prise de décision complexes. Par conséquent, la conception et la gestion de la couche centrale doivent se concentrer sur les performances et la bande passante des appareils, ainsi que sur la fiabilité et la redondance du réseau.

Fonctionnalités:

Points de connexion clés : La couche centrale connecte différents composants du réseau tels que la couche d'agrégation et la couche d'accès. Il s'agit du principal canal de transmission des données à travers le réseau et doit donc être caractérisé par une bande passante élevée et une faible latence pour garantir que les données puissent être transmises rapidement et efficacement.

Haute vitesse et efficacité : La tâche principale de la couche principale est de transmettre rapidement de grandes quantités de données. Par conséquent, la couche centrale doit utiliser un équipement de commutation à haut débit pour prendre en charge la transmission de données à haut débit dans le réseau.

Redondance et haute disponibilité : En raison de l'importance de la couche centrale, la conception du réseau doit prendre en compte la redondance pour éviter un point de défaillance unique. Utilisez des technologies telles que des liaisons redondantes et des périphériques de sauvegarde à chaud pour garantir que le réseau reste disponible en cas de panne.

Récupération rapide: En cas de défaillance de la couche centrale, le réseau doit pouvoir récupérer rapidement. Des mécanismes de détection et de commutation rapides des pannes peuvent réduire l’impact des interruptions du réseau et garantir la continuité des activités.

Évitez la complexité : La couche centrale doit rester aussi simple que possible, en évitant les opérations complexes sur les paquets. Cela contribue à augmenter l’efficacité de la transmission des données et à réduire les points de défaillance potentiels.

Tolérance aux pannes : L'équipement de la couche centrale doit avoir une bonne tolérance aux pannes et être capable de gérer des charges élevées et des conditions anormales pour garantir la stabilité du réseau.

Évolutivité: Même si le nombre de périphériques dans la couche centrale est relativement faible, ils doivent néanmoins être évolutifs. En utilisant un équipement de haute qualité, la couche centrale peut être étendue sans sacrifier les performances.

Appareils typiques

Commutateur haute performance : La couche centrale nécessite une bande passante élevée et une faible latence pour prendre en charge de grandes quantités de transmission de données sur le réseau. Les commutateurs hautes performances ont généralement un débit élevé et des capacités d'avance rapide pour répondre aux besoins de la couche principale.

Les routeurs: Dans certains réseaux, la couche centrale peut inclure des routeurs pour gérer le routage et le transfert de paquets entre différents sous-réseaux. Ces routeurs doivent disposer de capacités de routage et de transfert à grande vitesse pour garantir une transmission rapide des données.

Commutateur de couche 3 : Les commutateurs de couche 3 peuvent jouer un double rôle dans les fonctions de commutation et de routage dans la couche principale. Ils peuvent prendre en charge le transfert de données à haut débit et les politiques réseau complexes.

Commutateur haute disponibilité : Afin de garantir la fiabilité de la couche centrale, les commutateurs haute disponibilité sont généralement équipés de liaisons redondantes, de sauvegardes à chaud et de capacités de basculement rapide. Ces fonctionnalités garantissent une récupération rapide en cas de panne.

Commutateur modulaire : Les commutateurs modulaires permettent d'ajouter différents types de modules selon les besoins pour répondre aux différentes exigences du réseau. Ces commutateurs ont souvent la flexibilité de configurer les ports et les fonctionnalités.

Commutateur de centre de données : Dans les réseaux de centres de données à grande échelle, la couche centrale peut inclure des commutateurs de centre de données spécialement conçus pour prendre en charge les transferts de données à grande échelle, la virtualisation et le cloud computing.

Couche de distribution

La couche de distribution (également appelée couche d'agrégation ou de convergence) est située au niveau intermédiaire du réseau et est responsable du traitement et de la distribution des données de la couche d'accès à la couche centrale. Les appareils de la couche d'agrégation doivent généralement disposer d'une puissance de traitement plus élevée, car ils doivent prendre des décisions plus complexes, telles que le routage basé sur les politiques réseau. De plus, la couche de convergence est l'endroit où les politiques de sécurité et les contrôles de qualité de service (QoS) sont appliqués.

Caractéristiques

Agrégation et distribution du trafic : La principale responsabilité de la couche de convergence est de regrouper le trafic entrant en provenance de la couche d'accès et de le distribuer au reste du réseau. Cela permet d'éviter de surcharger la couche centrale tout en optimisant les performances de l'ensemble du réseau.

Plusieurs commutateurs et routeurs : La couche d'agrégation se compose généralement de plusieurs commutateurs et routeurs (ou commutateurs de couche 3), dont chacun se connecte à plusieurs périphériques dans la couche d'accès. Les connexions entre ces appareils permettent au trafic de circuler entre différents sous-réseaux.

Limites et blocs de distribution : La couche de distribution elle-même fait office de limite du réseau, créant un bloc relativement distinct du réseau. Ces blocs de distribution permettent d'acheminer le trafic d'un bloc à un autre via la couche centrale. L'avantage des blocs de distribution est que les problèmes d'un bloc ne se répercutent pas sur le reste du réseau, augmentant ainsi la disponibilité et la maintenabilité du réseau.

Application des politiques réseau : La couche d'agrégation est l'endroit où les politiques réseau sont appliquées et où le contrôle d'accès, la restriction du trafic et d'autres politiques de sécurité peuvent être appliqués. Cela permet de protéger le réseau contre les accès non autorisés et les comportements malveillants.

Couche de sécurité supplémentaire : La couche de distribution connecte non seulement la couche d'accès à la couche centrale, mais agit également comme une couche de sécurité supplémentaire entre la couche d'accès et l'ensemble du réseau. En mettant en œuvre un contrôle d'accès et d'autres mesures de sécurité, la couche d'agrégation améliore la sécurité globale du réseau.

Ségrégation et isolement : La couche d'agrégation permet la ségrégation entre différents départements, fonctions ou groupes d'utilisateurs grâce à des méthodes telles que la technologie VLAN. Cela permet de minimiser les interférences et les conflits potentiels et d'améliorer la gérabilité du réseau.

Appareils typiques

Commutateurs de couche 3 : Les commutateurs de couche 3 sont équipés de capacités de commutation et de routage qui permettent une livraison et un routage rapides du trafic dans un réseau. Ils sont souvent capables de gérer des politiques réseau plus complexes telles que la ségrégation VLAN, le routage inter-sous-réseaux, etc.

Routeur de distribution : Dans certaines architectures de réseau, la couche d'agrégation peut inclure des routeurs de distribution pour gérer l'agrégation et le routage du trafic. Ces routeurs sont capables de connecter plusieurs sous-réseaux de couche d'accès et de diriger le trafic vers la couche principale ou d'autres destinations.

Commutateurs d'agrégation: Les commutateurs d'agrégation sont spécifiquement conçus pour connecter plusieurs commutateurs ou périphériques de couche d'accès, en regroupant et en dirigeant leur trafic vers la couche principale. Ces commutateurs disposent généralement de capacités de commutation à grande vitesse et d'un grand nombre de ports.

Commutateurs de routage : Les commutateurs de routage intègrent des fonctions de commutation et de routage, permettant des décisions d'avance et de routage rapides entre les couches réseau et liaison. Ils peuvent gérer des topologies de réseau et des tables de routage complexes.

Commutateur multicouche: les commutateurs multicouches combinent des fonctions de commutation et de routage et sont généralement utilisés pour gérer les tâches de couche d'agrégation, prenant en charge la segmentation, le routage et l'équilibrage de charge VLAN.

Couche d'accès

La couche d'accès (également appelée couche périphérique) est la couche la plus externe du réseau et est responsable de la connexion des appareils des utilisateurs finaux tels que les ordinateurs, les téléphones portables et autres appareils réseau. Au niveau de la couche d'accès, les appareils doivent généralement gérer un grand nombre de connexions à faible débit et à faible volume et fournir divers services tels que le protocole de configuration dynamique d'hôte (DHCP) et la traduction d'adresses réseau (NAT). La conception et la gestion de la couche d'accès doivent prendre en compte les besoins et l'expérience de l'utilisateur, ainsi que le nombre et le type d'appareils.

Caractéristiques

Point de connexion de la machine utilisateur : La couche d'accès est le point d'entrée permettant aux appareils des utilisateurs (par exemple, ordinateurs portables, smartphones, tablettes, imprimantes, etc.) de se connecter au réseau. L'utilisateur final réalise l'accès aux ressources du réseau via la couche d'accès.

Densité du commutateur : En raison du grand nombre de périphériques utilisateur connectés, la couche d'accès nécessite généralement le déploiement de commutateurs haute densité. Ces commutateurs doivent avoir une densité de ports élevée pour prendre en charge la connexion de plusieurs appareils utilisateur.

Abondance de fonctions : Les commutateurs de couche d'accès doivent être équipés d'un riche ensemble de fonctions pour répondre aux besoins des différents appareils utilisateur. Ces fonctionnalités peuvent inclure la découverte et la configuration, l'authentification de sécurité, le marquage QoS, les protocoles de routage, les protocoles Spanning Tree, etc.

Sécurité :  La couche d'accès constitue la première limite du réseau et doit être hautement sécurisée. En utilisant des technologies telles que l'authentification 802.1X, la sécurité des ports et l'isolation VLAN, il est possible d'empêcher les appareils non autorisés d'accéder au réseau.

Identification du réseau : Grâce au DHCP, à l'authentification 802.1X et à d'autres mécanismes, la couche d'accès peut identifier et contrôler les appareils connectés au réseau pour garantir que seuls les appareils légitimes peuvent accéder au réseau.

Prise en charge de la qualité de service : La couche d'accès doit prendre en charge la qualité de service (QoS) pour garantir que les ressources réseau sont allouées de manière appropriée. L'étiquetage, le contrôle et la mise en file d'attente du trafic garantissent que les applications critiques reçoivent une bande passante adéquate.

Soutien à l'infrastructure physique : Les commutateurs de couche d'accès prennent généralement en charge PoE (Power over Ethernet), qui alimente certains appareils (par exemple, les téléphones IP, les caméras) et simplifie les exigences de câblage.

Connexion à la couche d'agrégation : L'alimentation de la couche d'accès vers la couche d'agrégation signifie que les appareils utilisateur établissent une connexion au niveau du commutateur de la couche d'accès. La couche d'agrégation achemine ensuite les données vers la couche centrale, permettant ainsi le flux de données entre les différentes couches du réseau.

Équipement typique

Commutateur d'accès : Les commutateurs d'accès sont des dispositifs clés pour connecter les appareils des utilisateurs. Ils ont généralement une densité de ports élevée et prennent en charge la connexion de plusieurs appareils utilisateur. Les commutateurs de couche d'accès fournissent des fonctions de connectivité réseau et de commutation de base.

Points d'accès sans fil (WAP) : Dans un environnement de réseau sans fil, les WAP sont des appareils clés qui connectent les appareils sans fil (par exemple, les ordinateurs portables, les smartphones) au réseau. Ils fournissent une connectivité Wi-Fi et permettent aux appareils mobiles d'accéder aux ressources du réseau.

Commutateurs réseau : En plus des commutateurs de couche d'accès, des commutateurs réseau classiques peuvent être utilisés dans certains scénarios. Ils peuvent être connectés au commutateur de couche d'accès pour réaliser la connexion de plusieurs appareils utilisateur.

Serveur d'authentification 802.1X : La couche d'accès doit mettre en œuvre une authentification de sécurité pour garantir que seuls les appareils autorisés peuvent accéder au réseau. Les serveurs d'authentification 802.1X sont utilisés pour vérifier l'identité des appareils des utilisateurs et mettre en œuvre le contrôle d'accès.

Périphériques de gestion VLAN : La couche d'accès devra peut-être implémenter la ségrégation VLAN (Virtual LAN) pour isoler différents périphériques utilisateur dans différents réseaux virtuels ; Les périphériques de gestion VLAN sont utilisés pour configurer et gérer différents VLAN.

Commutateur d'alimentation via Ethernet : Pour simplifier l'alimentation des appareils, la couche d'accès peut utiliser des commutateurs PoE, capables d'alimenter un certain nombre d'appareils (par exemple, des téléphones IP, des caméras).

Serveur de contrôle d'accès réseau : Un serveur NAC est utilisé pour appliquer le contrôle d'accès au réseau et garantir que les appareils connectés au réseau répondent aux politiques de sécurité et aux exigences de conformité.

Comparaison

Aspect	Couche centrale	Couche de distribution	Couche d'accès
Les fonctions	– Transfert de données à grande vitesse pour prendre en charge un débit élevé – Redondance et haute disponibilité – Récupération rapide et équilibrage de charge	– Agrégation et distribution du trafic, connectant différents sous-réseaux – Appliquer les politiques réseau, le marquage QoS – Mise à l’échelle horizontale et redondance	– Connexion des appareils des utilisateurs finaux – Prise en charge d’un grand nombre d’appareils connectés, densité de ports élevée – Authentification sécurisée, identité réseau, prise en charge QoS
Configuration matérielle requise	– Équipement de commutation à large bande passante et à faible latence – Liaisons redondantes et hot stand-by – Haute fiabilité et tolérance aux pannes	– Équipement de commutation à grande vitesse avec prise en charge de l'agrégation du trafic – Plusieurs commutateurs et routeurs – Liaisons de secours et redondantes	– Switch haute densité pour prendre en charge un grand nombre de connexions utilisateur – Prise en charge PoE pour l'approvisionnement en énergie – Fonctionnalités de sécurité et prise en charge de la QoS
Sécurité	– Sécurité des limites pour restreindre l’accès externe – Protège le réseau central contre les accès non autorisés	– Appliquer la politique réseau, le contrôle d’accès – Séparer les différents départements, groupes d’utilisateurs – Empêcher l'accès non autorisé	– Première frontière, un haut niveau de sécurité requis – Authentification 802.1X, sécurité des ports – Empêcher l’accès non autorisé aux appareils
Évolutivité	– Mise à l’échelle de la qualité (meilleur appareil) – Évite les opérations gourmandes en CPU	– Prend en charge la mise à l’échelle de la qualité plutôt que de la quantité – Très évolutif	– Prend en charge un grand nombre de connexions d’appareils, hautement évolutif – Simplifie l’ajout et la gestion des appareils – Augmenter le nombre d’appareils
Gestion et maintenance	– Conception simplifiée avec moins de points de défaillance – Conception redondante pour réduire les points de défaillance uniques – Haute disponibilité et récupération rapide	– Gestion des blocs distribués, les problèmes n’affectent pas les autres parties – Haute disponibilité et maintenabilité	– Diversité des appareils et complexité de gestion – Nécessité de maintenir un grand nombre d’appareils connectés – Défis liés à la gestion des appareils, au dépannage et à l’application des politiques de sécurité

Conclusion

La cartographie de la hiérarchie du réseau est une tâche complexe mais importante. Cela nécessite que l'ingénieur réseau réfléchisse aux besoins et aux ressources du réseau et qu'il conçoive une architecture efficace, fiable et gérable pour l'ensemble du réseau. Comprendre les fonctions et les exigences des couches principales, de distribution et d’accès est essentiel pour accomplir cette tâche.