Introduction aux réseaux et Modèle TCP/IP Partie 1 : Introduction

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1 Introduction aux réseaux et Modèle TCP/IP Partie 1 : Introduction

2 Introduction Architecture des calculateurs Pourquoi et Comment? Architecture de communication ("réseau")

3 Introduction Pourquoi? Evolution technologie et besoins accès à des ressources matérielles partagées (imprimante rapide par ex.) accès à des ressources logicielles partagées (BD, messagerie,..) partage nécessaire car : ressources chères, lourdes en ressources (CPU ou mémoire, etc..)... échange de données entre postes (fichiers, dessins, courrier électronique, etc.)... accès à des services (achats, annuaire, transactions, vidéo à la demande, etc.) commande des systèmes à distance

4 Introduction Comment? La communication entre systèmes informatiques est possible par le biais : d'une liaison série (ex: liaison classique RS232) d'une liaison parallèle (ex: connexion classique des imprimantes, scanners, etc.) Un réseau... c'est quoi? Un réseau est un médium dont le but est de permettre un échange (sériel) d informations entre des correspondants. Cependant pour organiser cette échange, il faut se mettre d accord sur un ensemble de protocoles. A titre d'illustration faisons l'analogie avec le service postal.

5 Introduction Analogie avec le service postal! On veut échanger des idées avec un correspondant dans un domaine donné [niveau 7] On choisit une langue, un cryptage éventuel et on établit des feuillets [niveau 6] On place les feuillets dans une enveloppe [niveau 5] L enveloppe contient l adresse de destination [niveau 4], L acheminement est assuré par le sous réseau postal [niveau 3] qui va indiquer que l envoi s effectue : - sans accusé de réception [mode sans connexion] - avec accusé de réception [mode avec connexion] On choisit un support d expédition : [niveau 2] - si l'expédition est «locale» le facteur se charge de délivrer la lettre - si l'expédition est «lointaine» on choisit un médium : train, bateau, avion,... Le transporteur assure la gestion de l acheminement [niveau 1] - avec garantie de livraison sans délai fixé - sans garantie de livraison - sans erreur de livraison - avec contrainte de date de livraison [analogie avec le modèle OSI] possible d'établir un schéma de protocoles

6 Introduction un schéma de protocoles Protocole du langage Protocole du langage Protocole de mise en page Protocole de mise en page Protocole de postage Protocole de postage Rem : ce schéma repose sur l idée que les 2 interlocuteurs possèdent les mêmes protocoles

7 Illustrations de réseaux WEB

8 Illustrations de réseaux WEB Services classiques accessibles : Consultation d information (Visite du Louvre 1000km) Dialogue (texte, image, voix,..) Courrier électronique, Exécution à distance (ex: Robot Mars (sur l site de la NASA) x.1000 km) Etc. Nombreux services usuels déjà accessibles par le WEB : - pages blanches, pages jaunes, - mutuelle (ex: MGEN - adhésion, décomptes, remboursements, etc.) - démarches administratives (ex: MENRT, Impôts, etc ) - catalogues, ventes, transactions boursières, -etc.

9 Illustrations de réseaux WEB Utilisation d'internet en décembre 2004 (internautes français) source : IPSOS Téléchargement de vidéo Téléchargement de jeux Jeux en direct en réseau Consultation de vidéo en ligne Téléchargement de musique mp3 Partage de fichiers avec d'autres internautes Participation à un forum Participation à un chat Visualisation de bandes annonces de cinéma Téléchargement de logiciels Echange de photos avec d'autres internautes Ecoute de radio en ligne Messagerie instantanée Opérations ou consultations bancaires Recherche d'info liées à l'actualité

10 Illustrations de réseaux Les Réseaux Locaux Industriels Extrait de document Schneider 5 Services accessibles : 3 4 Echange d états (capteurs-1,états de sous-systèmes-2) Transfert de commandes (Ordres -1, paramètres -2, Programmes ou O.F -3) Transfert de données (statistiques d exploitation 2,3,4) Echange avec la Gestion (Gestion Stock -5) 1 2 Réseaux de communication : numérotés de 1 à 5

11 Illustrations de réseaux Les réseaux «sans-fil» Communication par ondes radioélectriques (radio et infrarouges) ou hertziennes => bornes et zones de couverture Les technologies sans fil se distinguent par la fréquence d'émission utilisée ainsi que le débit et la portée des transmissions. Avantage : plus de problème d aménagement lié au passage des fils. Avantage : simplicité des connexions (déplacement, visiteurs..) Inconvénient : réglementation nécessaire afin de définir les plages de fréquence et les puissances d émission pour chaque catégorie d'utilisation (militaires, scientifiques, amateurs,...) pour éviter les interférences. Inconvénient : piratage facilité (pas de confinement des ondes à une zone précise)

12 Introduction conclusion Sous l appellation de Réseau se cachent des besoins et des services très différents. Nécessité de mettre un peu d ordre Classification Nécessité de rendre tous ces réseaux compatibles Normalisation

13 Classification

14 Classification La classification dépend du critère retenu. Critères possibles : le débit faible débit jusqu'à très haut débit, le modèle d'architecture (OSI, X.25, TCP/IP, etc.) la gestion (public, privé) la distance (LAN, WAN,...) la topologie (étoile, anneau,...), la nature de l'information (bureautique, informatique, temps-réel), etc. Nous retiendrons : la distance entre les entités communicantes, la topologie, le comportement temporel (réseau probabiliste ou réseau déterministe).

15 Classification selon la distance Réseaux «filaires» Environnement local : RLE (Réseau Local Entreprise) ou LAN (Local Area Network). Exemple : Réseau Bureautique d une Entreprise (PME ou Gde) Distance plus grande : RLD (Réseau Longue Distance) ou WAN (Wide Area Network). Exemple : Réseau RENATER (inter-régions) La séparation LAN/WAN est affinée par : DAN (Departemental Area Network), au sens de département d'une université laboratoire, centre, institut; et MAN (Metropolitan Area Network), par exemple un réseau de ville. Exemple : Réseau HDMON de Montpellier

16 Classification selon la distance Réseaux «filaires» DAN comportant des LAN (interconnectés par routeurs ) MAN WAN (source renater 2002)

17 Classification selon la zone de couverture Catégories des réseaux sans-fil

18 Classification selon l information Informations de type bureautique informatique - catégorie : fichiers texte, fichiers de programme, fichiers graphiques, ou images numérisées. - volume : quelques kilos à plusieurs centaines de méga-octets => délai d'acheminement très variable, transmission «sûre» (i.e. garantie d'acheminement) Informations de type «temps-réel» - catégorie : voix, image, commande de processus - voix (8KHz 8bits) = 64 Kbits/s trafic isochrone donc difficile à respecter sous forme numérisée sur réseaux. - image numérisée (500*500pixels*16bits*50/s)=200Mibts/s nécessaire méthodes de compression d'images réduisant à qqes Mbits/s trafic isochrone nécessaire pour visioconférence ou images animées - commandes périodiques et échanges sporadiques dans les systèmes automatisés délai d'acheminement inférieur à 10ms, couvert par les réseaux locaux industriels

19 Classification selon la topologie La topologie est la forme que prend le réseau, sur la base des éléments de communication et des nœuds mis en service, mais aussi sur la base du type de connections effectué. Il existe plusieurs modèles de topologie typiques, que l'on pourrait classer selon les réseaux point à point et les réseaux à diffusion. L'information est diffusée de nœud en nœud L'information est diffusée simultanément à tous les nœuds

20 Classification selon la topologie Les réseaux Point à Point Structure en anneau (Ring) - permet de relier en cascade tous les nœuds du réseau. - entre un nœud et le suivant la communication est unidirectionnelle. - le nœud suivant répète le signal reçu en entrée ou ajoute ses propres informations au moment approprié. Avantages : signal régénéré à chaque nœud, donc couverture de distances plus grandes Inconvénients : - pas possible d étendre le réseau en fonction (car anneau alors interrompu). - si un composant du circuit ne fonctionne plus ou un segment de réseau est interrompu, tout le réseau ne fonctionne plus! Remarque : souvent utilisé dans les LAN ou les bus de terrain

21 Classification selon la topologie Les réseaux Point à Point Structure en étoile - structure basée sur un point central du réseau d où partent autant de liaisons bidirectionnelles que le nombre de nœuds décentralisés (généralement nœud ayant des fonctions spéciales telles que le rôle de maître ou de serveur) N3 N4 N2 N5 N7 N1 N8 Avantages : - configuration permettant d ajouter N10 sans interruption de service un nouveau nœud au réseau - défaillance d un composant sans rupture réseau pour les autres nœuds. Inconvénients : - grande quantité de câbles donc couverture de petite distance. N6 N9 N11 Remarque : Souvent utilisé dans les bus de terrain (Atelier, Automates,.).

22 Classification selon la topologie Les réseaux Point à Point Structure maillée Intérêt d'une multiplicité de chemins N3 N4 entre 2 nœuds du réseau. N2 N5 N7 N1 Avantages : - configuration généralement moins sensible aux pannes, puisque plusieurs chemins possibles et défaillance d un composant sans rupture pour les autres nœuds. Remarque : exemple classique le Web (Web = Réseau Internet dans un pays, World Wide Web (www) = Réseau Internet Mondial). N6 N8 N10 N9 N11

23 Classification selon la topologie Les réseaux à diffusion Structure en arbre ou Structure à bus commun - structure en arbre permettant des bifurcations, donc des structures semblables à celles à étoile, mais à chaque branche plusieurs nœuds peuvent être reliés. Avantages/Inconvénients : - la ligne arborescente idéale est celle à une seule branche, semblable à la configuration en anneau, où les nœuds, contrairement à la structure en anneau, sont reliés en parallèle au lieu d'être reliés en série. -défaillance d un nœud sans interruption de la communication avec les autres. - possibilité ajout nouveau segment de réseau (moins de connexions, facile à implanter). Remarque : topologie diffusée surtout dans le domaine des bus de terrain.

24 Classification selon la topologie Les réseaux à diffusion Réseau à Faisceaux Hertziens Ex: échanges par satellite (source urec)

25 Classification selon la topologie Les réseaux à diffusion Réseau à Faisceaux Hertziens Ex : bateau hôpital MV ANASTASIS télécharge le courrier électronique via satellite à une station terrestre située à Lindale au Texas (liaison à 9600 Bits/s, donc à faible vitesse) Source : Jean-François L'HAIRE - Université de Genève

26 Classification selon la topologie Les réseaux à diffusion Réseau à Faisceaux Hertziens Permet de relier deux segments dont le distance à vue ne dépasse pas 80 à 100m. Système utilisé pour liaisons provisoires : chantiers, conférences, etc. Source : Jean-François L'HAIRE - Université de Genève

27 Classification selon la topologie Les réseaux à diffusion (cellulaires) Réseau à Faisceaux Hertziens mode infrastructure mode adhoc Source : Jean-François L'HAIRE - Université de Genève

28 Classification selon le comportement temporel Le comportement temporel d'un réseau est un aspect essentiel dans le choix d'un réseau, dépendant de l'exploitation prévue de ce réseau : - un réseau dédié à la bureautique (pour le partage d'imprimantes, de logiciels, de données, etc.) n a pas vraiment de contraintes de temps - un réseau local industriel (transfert des informations issues/vers des capteurs et des actionneurs) présente de fortes contraintes temporelles. Cohérence spatio-temporelle Cohérence spatiale : vue cohérente du procédé dans tout le système de cde (image identique dans toutes les entités de cde) Cohérence temporelle de production : données produites dans même fenêtre de temps Cohérence temporelle de transmission : fréquence adaptée à la dynamique du système

29 Classification selon le comportement temporel Comportement temporel, induit entre autres par la méthode d'accès au réseau (cf. étude des couches du modèle OSI), pouvant donner une classification : réseau probabiliste Délai d'acheminement non garanti - (ex: bureautique) et réseau déterministe. Délai d'acheminement garanti (borné) pour une quantité d'information donnée Rem : les réseaux locaux industriels se doivent d'être déterministes afin de garantir le respect des contraintes temporelles nécessaire au Contrôle de procédé.

30 Norme ISO et modèle OSI Journée mondiale de la normalisation 14 octobre 2004

31 Norme ISO et modèle OSI diversité des réseaux et besoins d interconnexion normalisation de leurs architectures à travers une norme censée traiter TOUS les réseaux. International Standard Organization (I.S.O.) a défini le modèle O.S.I. dans un objectif d'unification de cette variété de besoins et de caractéristiques. O.S.I. : Open System Interconnection Le modèle OSI constitue un cadre de référence pour l'interconnexion de systèmes ouverts hétérogènes. Il s'agit d'un modèle pour élaborer des normes d'interconnexion et de coopération entre systèmes répartis (i.e. applications distantes). Le modèle est normalement applicables à toutes les catégories de réseaux (non propriétaires, i.e. ouverts).

32 Modèle structuré en 7 couches admettant chacune un ensemble de protocoles Couches Le modèle OSI Fonctions 7 Application Donne le moyen d'accès à l'environnement de communication, aux processus d'applications. 6 Présentation Représentation et sécurité des données applicatives échangées. 5 Session Organisation et synchronisation des échanges entre utilisateurs. Gestion des dialogues (interruption, reprise, morcellement). 4 Transport Contrôle de bout en bout, charnière avec les couches supérieures : contrôle de flux/congestion, segmentation, retransmission,... 3 Réseau Acheminement des informations de l émetteur vers le destinataire. 2 Liaison sous-couche LLC Liaison sous-couche MAC Détection et correction des erreurs de transmission; (contrôle de flux) Gestion des liaisons logiques entre entités physiquement connectées Accès au médium. Utilisateur : entités applicatives entités physiques 1 Transfert réel de l information sur le médium; Adaptation des signaux Physique physiques; Interfaces mécaniques et électriques; Mode connecté ou non Traitement de l information Transport de l information

33 Couches, Protocoles et Services Chaque COUCHE est définie par 2 éléments : Le PROTOCOLE et le SERVICE Site A Site B Couche N+1 PROCEDURES N+1 de A PROCEDURES N+1 de B SERVICE(S) Couche N PROCEDURES N de A PROTOCOLE(S) PROCEDURES N de B

34 Couches, Protocoles et Services Protocoles - Règles de dialogue entre les entités communicantes dans la même couche. - Un protocole définit les règles d'échange et de coopération entre les entités de niveau N - Les blocs d'informations échangés sont appelés les (N)-PDU (Protocole Data Unit, de niveau N). Services - Règles de dialogue entre la couche considérée et la couche adjacente supérieure de la même unité. - Un service de niveau N est une fonction offerte par la couche N à la couche N+1. - Les unités de données associées à une demande de service par la couche N+1 et reçues par la couche N, sont appelées unités de service (SDU=Service Data Unit). Le SDU peut contenir un ou plusieurs PDU. - 4 Primitives de Service : - Demande de Service - Transmission de Données - Réponse à la Transmission - Réponse à la Demande de Service

35 Couches, Protocoles et Services Messages Segment Unités d'échanges

36 Couches, Protocoles et Services Conceptuellement, chaque couche peut-être considérée seulement en fonction de la couche supérieure et indépendamment des couches inférieures. Exemple de la couche session Sur l'hôte A, la couche présentation demande l'ouverture d'une session avec son homologue sur l'hôte B. La couche session de l'hôte A entre en "communication" avec la couche session de l'hôte B. La communication entre les 2 couches de session s'établit sur la base du protocole qui leur est propre. Les 2 couches session vont s'échanger des PDU. Hôte A Hôte B Circuit Présentation Virtuel Communication «virtuelle» dans le sens où la communication effective transite par les couches inférieures. Session Présentation Session Circuit Réel

37 La traversée des couches La traversée des couches... Encapsulation Lors de l'encapsulation, chaque couche ajoute une entête (Header) dont la signification est : AH : Entête Application définit le type du message : Fichier, Travail. PH : Entête Présentation définit le cryptage : crypte et décrypte. SH : Entête Session définit le type de l échange entre les utilisateurs. TH : Entête Transport définit la décomposition du message au départ et permet la reconstitution à l arrivée (nombre et taille des paquets). NH : Entête Réseau définit le routage : l origine, la destination, le chemin, SD : Délimiteur définissant le début de la trame. ED : Délimiteur définissant la fin de trame.

38 La traversée des couches... Encapsulation Processus d émission Données Processus de réception Application Header Couche 7 Application Protocole Application AH Données Couche Application Presentation Header Couche 6 Présentation Protocole Présentation PH AH-Donnée Couche Présentation Session Header Couche 5 Session Protocole de Session SH PH-AH-Donnée Couche Session Transport Header Couche 4 Transport Protocole de Transport et Paquets TH SH-PH-AH-Donnée Couche Transport Network Header Couche 3 Réseau Protocole de Réseau NH TH-SH-PH-AH-Donnée Couche Réseau Start Delimiter End Delimiter Couche 2 Liaison Protocoles Liaison (MAC + LLC)² SD NH-TH-SH-PH-AH-Donnée ED Couche Liaison Couche 1 Physique Bits Couche Physique Médium

39 FIN

40 Quelques illustrations de réseaux Réseaux Embarqués (bus de terrain) Services mis en jeu : essentiellement l'échange d états (capteurs) et de commandes (ordres). Bus CAN dans une voiture Volvo (source : Les problèmes sont différents selon les réseaux, par exemple en terme de distance, de vitesse, de charge ou suivant les contraintes liées à l environnement.

41 Classification selon la zone de couverture Réseaux personnels sans fils Réseaux «sans-fil» WPAN (Wireless Personal Area Network) Exemples : ZigBee (IEEE ) (IEEE ) 1 Mbps 10 Mbps zone < 30m zone < 100m Réseaux locaux sans fils WLAN (Wireless Local Area Network) Exemples : (IEEE b) (IEEE a/g) (ETSI) 11 Mbps (2.4 GHz) 54 Mbps (5 GHz) 54 Mbps (5 GHz) zone < 300m zone < 100m

42 Classification selon la zone de couverture Réseaux «sans-fil» Réseaux métropolitains sans fils WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Exemple : Boucle Locale Radio (BLR). (IEEE ) ; 1 à 10 Mbit/s ; zone 4 à 10 kilomètres. Réseaux étendus sans fils WWAN (Wireless Wide Area Network) Exemple : réseaux cellulaires mobiles ; GSM, GPRS, UMTS.