Comment fonctionnent les switchs et routeurs ?

Guy Grave

Souvent, les cours de réseau montrent comment fonctionnent les réseaux d'un point de vue conceptuel, sans vraiment indiquer comment cela se passe au niveau du matériel. Mais ce tutoriel va renverser la tendance : vous saurez tout sur votre matériel réseau.

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- Titre : Comment fonctionnent les switchs et routeurs ?

- Auteur : Guy Grave

- Parution : 19 août 2016

- Mise à jour : 1 avril 2020

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Sommaire

- I. Micro-architecture des switchs

- I-A. Introduction

- I-B. Switching

- I-C. Arbitrage

- I-C-1. Output Buffering

- I-C-2. Input Buffering

- I-C-3. Input-output Buffering

- I-C-4. Buffering interne à la switch fabric

- I-D. Routage

- II. Switchs fabric

- II-A. Introduction

- II-B. Switchs fabric à base de bus ou de multiplexeurs

- II-B-1. Switchs à base de multiplexeurs

- II-B-2. Switchs à base de bus

- II-B-2-a. Avec partage de temps

- II-B-2-b. Switchs totalement interconnectés

- II-B-2-c. Switch Knockout

- II-C. Switchs fabric à mémoire partagée

- II-C-1. Linked-list switch

- II-C-2. FIFO switch

- II-C-3. CAM switch

- II-D. Switchs à base de réseau d'interconnexions

- II-D-1. Switch crossbar

- II-D-1-a. Switch CLOS

- II-D-2. Switch de Banyan

- II-D-2-a. Briques de base

- II-D-2-b. Switch de Banyan

- II-D-2-c. Switch Batcher-Banyan

- II-D-2-d. Switch Sunshine

I - Micro-architecture des switchs

I-A - Introduction

Un switch est un matériel qui relie plusieurs composants électroniques ou informatiques entre eux, les interconnexions étant configurables. Il contient plusieurs ports d'entrées, sur lesquels on peut recevoir des paquets de données, et plusieurs ports de sorties, sur lesquels on peut envoyer des données. Dans certains cas, les ports d'entrée et de sortie sont confondus : un même port peut servir alternativement d'entrée et de sortie.

I-B - Switching

Le rôle du switch, est de faire en sorte que les informations en provenance d'un port soient envoyées sur un autre port, défini par la configuration du switch. Dans le cas le plus simple, on peut voir un switch comme un ensemble de connexions point à point configurables : le switch associe un port de sortie à chaque port d'entrée. Le composant qui relie ports d'entrée et ports de sortie est appelé la switch fabric.

Cette switch fabric peut s'implémenter de plusieurs manières, en utilisant :

- un réseau d'interconnexions configurable selon les besoins ;

- une mémoire ;

- un bus.

Les techniques de broadcast ou de multicast permettent d'envoyer une donnée présentée sur un port d'entrée sur plusieurs sorties : on peut envoyer un message identique à plusieurs ordinateurs en même temps, sans devoir envoyer plusieurs copies. Certains switchs permettent de gérer cela directement dans le matériel, soit en dupliquant les paquets, soit en connectant une entrée sur plusieurs sorties.

I-C - Arbitrage

Il arrive d'envoyer plusieurs paquets en même temps sur le même port de sortie, ces paquets provenant d'entrées différentes. Dans ce cas, le switch essaye d'envoyer les paquets les uns après les autres, certains étant mis en attente (il arrive cependant que certains paquets soient perdus). De même, il arrive que la switch fabric soit relativement lente comparée au temps d'envoi et de réception d'un paquet : ceux-ci doivent être mis en attente.

Dans les deux cas, qui dit mise en attente dit : utilisation de mémoires tampons pour stocker les paquets non traités. Dans le cas d'un switch/routeur, les mémoires tampons sont des mémoires de type FIFO, afin de conserver l'ordre d'arrivée et d'envoi des paquets. Si les tampons sont remplis, les paquets en trop sont perdus et n'arrivent pas à destination : on laisse la situation entre les « mains » du logiciel.

I-C-1 - Output Buffering

Si on met plus de temps à envoyer des paquets sur le réseau qu'à les router via la switch fabric, on risque de perdre des paquets : certains paquets arriveront sur les ports de sortie alors que l'envoi du paquet précédent n'est pas terminé. On peut éviter cela en mettant les tampons FIFO entre la switch fabric et les ports de sortie : on parle d'output buffering.

Output buffering

I-C-2 - Input Buffering

Il arrive que l'on se trouve face à la situation inverse : le temps de router un paquet, plusieurs paquets sont arrivés sur les ports d'entrée. Pour éviter cela, il faut mettre les tampons FIFO sur les entrées : on parle d'input buffering. Avec cette organisation, on est obligé d'utiliser un algorithme d'ordonnancement pour décider quel tampon FIFO traiter en priorité. La taille optimale des mémoires dépend de la qualité de l'algorithme d'ordonnancement.

Input buffering

Mais si une requête est en attente, elle va bloquer les requêtes suivantes sur le port d'entrée, même si celles-ci ont un port de sortie différent : on parle d'head of line blocking.

Head of line blocking

Pour éliminer l'head of line blocking, certains switchs utilisent une variante de l'input buffering : Virtual output queing. Avec cette méthode, chaque tampon FIFO est découpé en sous-tampons, chacun prenant en charge les paquets destinés à un port de sortie précis. Avec cette technique, on peut traiter les requêtes dans le désordre, afin de profiter au maximum des ports libres.

I-C-3 - Input-output Buffering

Et enfin, dernière solution : mettre des tampons FIFO aussi bien sur les ports d'entrée que sur les ports de sortie. Il est même possible d'utiliser le virtual output queuing. Dans tous les cas, les algorithmes d'ordonnancement de ces switchs sont particulièrement complexes.

Input-Output Buffering

I-C-4 - Buffering interne à la switch fabric

Certains switchs intègrent les tampons FIFO dans la switch fabric.

I-D - Routage

Une switch fabric ne suffit pas à créer un switch ou un routeur. En effet, l'un ou l'autre doit déterminer le port de destination en fonction de l'adresse MAC ou IP du paquet. La switch fabric doit être secondée par deux circuits :

- un circuit qui va détecter les en-têtes IP ou ARP, et les interpréter : c'est l'interpréteur de paquets ;

- un circuit qui va déterminer le port de destination : le forwarding engine.

L'intérieur d'un switch ressemble donc à ceci (les tampons FIFO d'arbitrage sont intégrés au réseau d'interconnexion) :

Micro-architecture complète d'un switch/routeur

Le switch est un matériel qui utilise des adresses MAC, qui servent à identifier des cartes/équipements réseau (et non des ordinateurs, comme les adresses IP) : chaque paquet indique l'adresse MAC du destinataire et de l'émetteur. Pour les routeurs, le routage utilise des adresses IP.

À l'intérieur du forwarding engine, on trouve des tables de correspondance qui associent chaque adresse à un port : la CAM table pour les adresses MAC et la table de routage pour les IP. Cette table de correspondance peut être implémentée de deux manières :

- avec un automate, une machine à états finis matérielle ;

- avec une mémoire RAM ou associative.

La dernière solution est la plus utilisée, même si des solutions hybrides sont aussi relativement courantes (on peut notamment citer l'algorithme de routage nommé Logic-Based Distributed Routing).

Pour résumer, un switch ou routeur est composé de plusieurs circuits :

- des circuits pour mettre en attente les paquets reçus et gérer l'arbitrage (mémoire FIFO et circuits de sérialisation/désérialisation) ;

- un circuit qui extrait les informations utiles des paquets à transmettre et qui prend en charge l'extraction de l'adresse de destination ;

- un circuit dédié au routage : le forwarding engine ;

- une switch fabric.

Il faut noter que le switch peut être pipeliné, pour gagner en performance : il suffit d'insérer des mémoires tampons entre les différents circuits cités au-dessus.

Switch/routeur pipeliné

II - Switchs fabric

II-A - Introduction

Les switchs fabric peuvent s'implémenter de diverses manières :

- un réseau d'interconnexions configurable selon les besoins ;

- une mémoire ;

- un bus.

Certains switchs traitent les ports d'entrée à tour de rôle, l'un après l'autre : on parle de switchs à partage de temps, aussi appelés time-sharing switch chez les anglo-saxons. D'autres switchs permettent de gérer tous les ports d'entrée à la fois : on parle de switchs à partage d'espace, ou space-sharing switchs chez les Anglo-saxons.

II-B - Switchs fabric à base de bus ou de multiplexeurs

II-B-1 - Switchs à base de multiplexeurs

Certains switchs sont créés avec des multiplexeurs et des démultiplexeurs commandés par la CAM table ou la table de routage :

Exemple avec un switch à quatre entrées et trois sorties

II-B-2 - Switchs à base de bus

Pour faciliter l'implémentation du multicast et du broadcast, certains switchs émulent les liaisons point à point entre ports à partir d'un bus ou d'un réseau en anneau : ce sont les switchs à média partagés.

II-B-2-a - Avec partage de temps

L'architecture la plus simple pour ce genre de switch est celle-ci :

Switch à partage de temps conçu avec des multiplexeurs

Avec cette architecture, implémenter le multicast ou le broadcast est relativement complexe. Pour résoudre ce problème, il suffit de relier chaque port de sortie sur le bus interne directement, sans démultiplexeur. En faisant cela, chaque port de sortie doit filtrer les paquets qui ne lui sont pas destinés. Pour cela, on ajoute un filtre d'adresse pour comparer l'adresse MAC/IP associée au port (CAM table) et l'adresse MAC de destination : s'il y a égalité, alors on peut recopier la donnée sur le port de sortie. Dit autrement, la CAM table est distribuée dans les différents filtres d'adresse (ce qui rend sa mise à jour relativement malaisée, au passage).

Switch à média partagé

II-B-2-b - Switchs totalement interconnectés

Les switchs vus plus haut sont des switchs à partage de temps (sauf le tout premier). Pour éviter cela, il suffit d'utiliser un bus par port d'entrée, chaque bus ayant ses propres filtres d'adresse : on obtient alors un switch totalement interconnecté.

Avec ces switchs, il se peut que plusieurs paquets soient destinés à un seul port de sortie. Dans ce cas, ces paquets sont accumulés dans une mémoire tampon en sortie des filtres d'adresse : ces switchs utilisent l'output buffering. Les sorties des différents filtres d'adresse sont donc directement reliés à cette mémoire, et peuvent écrire dedans sans problème. Cela signifie que la mémoire tampon est donc multiport.

II-B-2-c - Switch Knockout

Utiliser une mémoire multiport reliée à autant de filtres d'adresse est clairement un challenge quand le nombre de ports de sortie est trop grand. De plus, ce n'est utile que quand tous les paquets reçus sur les ports d'entrée doivent être routés sur un seul port de sortie. Dans la majorité des cas, seule une faible quantité de ports d'entrée veulent router un paquet sur le même port de sortie.

Dans ces conditions, certains switchs ne permettent de router qu'un nombre limité de paquets sur le même port en même temps pour économiser du circuit. On obtient alors un Knockout switch. Le principe est très simple : les filtres d'adresse associés à un port de sortie sont suivis par un concentrateur, qui sélectionne L paquets parmi les N filtres d'adresse. Seuls ces N paquets sont envoyés dans les tampons FIFO du port de sortie. Si jamais le nombre de paquets destinés au port de sortie dépasse la limite L, seuls L paquets seront conservés et les autres seront perdus.

II-C - Switchs fabric à mémoire partagée

Certains switchs remplacent le bus interne par une mémoire RAM : ce sont les switchs à mémoire partagée. Ces switchs permettent de gérer l'arbitrage directement dans la switch fabric : la mémoire centrale stocke les données des tampons FIFO d'arbitrage des ports d'entrée.

Switch à mémoire partagée

Le switch présenté dans le schéma ci-dessus peut être transformé en switch sans partage de temps avec une mémoire multiport : il suffit d'avoir autant de ports d'écriture que de ports d'entrée, et d'adapter les circuits de gestion de la mémoire. Dans ce qui va suivre, mes schémas utiliseront un switch à partage de temps.

II-C-1 - Linked-list switch

Reste que ces tampons FIFO peuvent s'implémenter de différentes manières. Une première méthode mémorise les données dans des listes doublement chaînées dans la RAM. Les circuits qui gèrent la mémoire partagée doivent gérer eux-mêmes les listes chaînées, ce qui fait qu'ils contiennent deux registres par liste : un pour l'adresse en tête de liste et un pour le dernier élément. Il y a un circuit pour l'ajout et un autre pour le retrait des paquets.

En plus de cela, les circuits de gestion de la mémoire doivent allouer dynamiquement les nœuds de la liste et libérer la mémoire. La mémoire utilise des Bytes démesurément grands, capables de mémoriser un paquet de plusieurs centaines de bits sans problèmes. Ainsi, le switch a juste besoin de mémoriser quels sont les Bytes libres et les Bytes occupés dans une mémoire annexe : la free list, souvent implémentée avec une mémoire FIFO.

Linked-list switch

II-C-2 - FIFO switch

La deuxième méthode :

- réserve la mémoire centrale pour le stockage des paquets ;

- maintient l'ordre d'envoi des paquets dans des tampons FIFO, qui mémorisent les adresses des paquets dans la mémoire centrale.

FIFO switch

La taille fixe des mémoires FIFO ne permet pas d'allouer toute la mémoire pour seulement quelques ports. Mais cette organisation permet de gérer facilement le multicast et le broadcast : on peut facilement ajouter un paquet dans toutes les mémoires FIFO, simultanément avec un circuit d'ajout conçu pour.

II-C-3 - CAM switch

Une autre solution, nettement plus simple, consiste à remplacer la mémoire RAM du switch par un cache (une mémoire associative, plus précisément). Chaque ligne de cache mémorise :

- un paquet ;

- le numéro de port de sortie ;

- l'ordre d'envoi du paquet, afin de simuler une mémoire FIFO.

Pour mémoriser l'ordre d'envoi, le switch attribue un numéro de séquence à chaque paquet : plus ce numéro est grand, plus le paquet est ancien.

II-D - Switchs à base de réseau d'interconnexions

II-D-1 - Switch crossbar

Le switch crossbar utilise un réseau d'interconnexion dont les fils sont organisés en lignes et en colonnes. À l'intersection de chaque ligne et de colonne, on trouve :

- soit un interrupteur qui relie la ligne et la colonne ;

- soit des tampons FIFO d'arbitrage pour gérer l'Head-Of-Line Blocking.

Switch Crossbar avec arbitrage intégré

Le nombre d'interrupteurs/tampons FIFO est de N * M pour un switch à N ports d'entrée et M ports de sortie : pour les switchs qui ont un grand nombre de ports d'entrée et de sortie, cela devient rapidement impraticable. Pour éviter cela, les switchs à haute performance réduisent la taille des mémoires FIFO intégrées dans le crossbar, mais rajoutent de grosses mémoires FIFO sur les ports d'entrée : les simulations montrent que le rapport entre performance et nombre de portes logiques utilisées est meilleur avec cette technique.

II-D-1-a - Switch CLOS

On peut utiliser plusieurs switchs crossbar pour former un switch plus gros. Cette méthode donne ce que l'on appelle un réseau CLOS. Un réseau CLOS est conçu à partir de trois couches de réseaux crossbar : une couche d'entrée, une couche intermédiaire et une couche de sortie.

Switch CLOS

Il est aussi possible d'utiliser plus de trois couches. Par exemple, on peut créer un switch CLOS à partir de plusieurs couches de crossbar 2 - 2 : on parle alors d'un réseau de Benes.

Switch de Benes

II-D-2 - Switch de Banyan

Dans ce qui va suivre, nous allons nous intéresser aux switchs de Banyan.

II-D-2-a - Briques de base

Les versions les plus simples des switchs de Banyan sont conçues à partir de switchs à deux entrées et deux sorties, qui ressemblent à ceci :

Switch de Banyan à deux entrées et deux sorties

On peut adapter les switchs de Banyan pour qu'ils n'utilisent pas des switchs 2 - 2, mais 3 - 3, ou 4 - 4, voire plus : on parle alors de switchs de Banyan augmentés. Qui plus est, ces briques de base peuvent contenir des mémoires FIFO et de la logique de traitement, comme pour les switch Crossbar.

II-D-2-b - Switch de Banyan

Ces switchs sont empilés pour former des couches, chaque couche possédant autant de sorties et d'entrées qu'il y en a dans le switch de Banyan final : si un switch a huit entrées et huit sorties, alors chaque couche aura huit sorties et huit entrées (et cela marche aussi avec quatre, seize, etc.). Le nombre de couches est égal au logarithme du nombre de ports d'entrée/sortie N, ce qui fait que le nombre de switchs de base utilisé est proportionnel à  : on économise donc des portes logiques en comparaison d'un crossbar.

Le switch de Banyan le plus simple est composé de deux couches, et possède donc quatre entrées et quatre sorties. Il ressemble à ceci :

Premier exemple

Pour un switch à huit entrées et huit sorties, voici ce que cela donne :

Deuxième exemple

Et ainsi de suite…

En guise d'exercice, regardez bien les schémas, et essayez d'en déduire la logique de construction. Vous verrez, rien de bien sorcier. Et non, je ne pose pas cet exercice parce que j'ai la flemme de vous l'expliquer…

Blague à part, il existe différents types de réseaux de Banyan, qui portent les doux noms d'Omega, d'Alpha, etc. Ces réseaux se construisent simplement : si on prend un switch à N entrées (et autant de sorties), alors chaque couche doit réaliser une permutation des entrées et sorties, permutation qui doit respecter certaines propriétés pour tenir compte du fait que les switchs de base ont deux entrées et deux sorties. Le principe de création dépend donc des permutations utilisées sur chaque couche.

Mais ces switchs ne sont pas sans défauts. En effet, ces switchs sont dits bloquants : il se peut que deux paquets destinés à des ports de destination différents ne puissent pas voir leurs demandes assouvies simultanément. Cela arrive quand deux paquets veulent sortir sur le même port d'un des switch 2 - 2, d'où conflit.

II-D-2-c - Switch Batcher-Banyan

Cependant, on peut éviter ces conflits internes en triant les paquets suivant leur port de destination avec un algorithme bien précis. En conséquence, certains switchs de Banyan sont précédés d'un circuit de tri conçu avec des switchs 2 - 2, empilés en couches, ainsi qu'avec de la logique de configuration composée de comparateurs : l'ensemble forme un switch Batcher-Banyan.

II-D-2-d - Switch Sunshine

Le switch de Banyan et ses dérivés ont un défaut : il ne peuvent router qu'un seul paquet à la fois sur une sortie. Pour router plusieurs paquets sur une seule sortie, on est obligé d'utiliser plusieurs réseaux de Banyan. Plus exactement, il faut utiliser autant de réseaux de Banyan qu'il y a de ports d'entrée/sortie. Chaque réseau est alors relié à la mémoire FIFO utilisée pour l'output buffering.

Mais, encore une fois, il est rare que tous les ports d'entrée doivent transmettre un paquet sur un unique port de sortie. Dans cette situation, il vaut mieux concevoir un switch capable de gérer un nombre de paquets concurrents sur le même port plus petit. Ce nombre sera noté L. Ainsi, on peut alors se contenter d'utiliser seulement L réseaux de Banyan, chacun étant couplé à un tampon de sortie pour l'output buffering.

Fait intéressant, cela peut aussi s'appliquer avec un switch Batcher-Banyan : le réseau de Banyan et les tampons de sortie sont dupliqués en L exemplaires, mais le circuit de tri n'a pas besoin de l'être. Dans ces conditions, le circuit de tri est relié à un répartiteur qui attribue les paquets sur les réseaux de Banyan adéquats en fonction de leur adresse de destination.

Mais que faire des paquets en trop ? On pourrait les oublier et les jeter une bonne fois pour toutes. Les switch Sunshine décident de simplement mettre en attente ces paquets, afin de les renvoyer une fois que les réseaux de Banyan le permettent. Ces paquets sont mis en attente dans une mémoire FIFO, et sont renvoyés au cycle suivant en entrée du trieur de paquet.