Réseaux étendus et Réseaux hauts débits Structure de Internet

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1 Ecole Nationale de l Aviation Civile et Réseaux hauts débits Structure de Internet Alain PIROVANO 1 Plan général Introduction Généralités Modes de communications Mode connecté Structure de l Internet Généralités un exemple d AS : RENATER Principales technologies sur backbones et AS de transit X25 Frame Relay Ethernet pour les MAN. La boucle d accès 2

2 Introduction Généralités Rappel : La couche réseau Objectif initial Permettre l interconnexion de réseaux hétérogènes et la communication entre machines qui ne sont pas connectées directement au niveau Physique Concerne principalement les réseaux étendus, l utilisation de la couche Réseau n étant pas toujours nécessaire dans les réseaux locaux 3 Routage / Commutation Rappel : Routage, Commutation, mode connecté, mode non connecté????? 4

3 Routage / Commutation Le routage C est la fonctionnalité principale de la couche réseau. Elle permet de déterminer le chemin qui doit être utilisé par les paquets pour arriver à destination. Chaque nœud intermédiaire doit choisir vers quel nœud il doit envoyer un paquet entrant pour qu il arrive à destination. En mode datagramme (non connecté), le choix est effectué indépendamment pour chaque paquet En mode circuit virtuel (connecté), le choix fixé à l établissement de la connexion est effectif pour toute la durée de la connexion. Utilisation de : Table de routage dans chaque nœud : informations nécessaires pour atteindre le prochain nœud vers le destinataire Algorithme de routage : calcul d un chemin optimal pour atteindre un destinataire 5 Routage / Commutation On distingue donc deux techniques d acheminement des paquets : Mode non connecté, les paquets sont traités indépendamment les uns des autres (procédé par datagramme). Dans ce cas il n y a généralement pas de fiabilité assurée. La protection contre les erreurs, de contrôle de flux, et de ré-ordonnancement des datagrammes sont éventuellement reportés dans les couches supérieures. Le routage des paquets est effectué grâce à l adresse destinataire (dans l en-tête). Ils peuvent être deséquencés. Mode connecté, les paquets sont délivrés dans l ordre où ils ont été reçus par les entités réseau (procédé par circuit virtuel). Généralement, contrôle de flux et d erreur associé. Le «routage» des paquets est effectué grâce à un identificateur de circuit virtuel (dans l en-tête). Une phase d établissement de la connexion permet de déterminer le CV (grâce aux tables de routage) et éventuellement de réserver des ressources. Les paquets ne sont pas deséquencés. 6

4 Routage / Commutation le mode connecté un chemin suivi par un CV est identifié par une suite de n de voie logique (VL) (chaque tronçon de CV est identifié par un nº de voie logique (NVL). La durée de l association VL/CV est celle de la connexion. Les numéros de VL sont réservés lors de l'établissement de la connexion. Ils sont rendus lors de la libération de la connexion. Actions effectuées lors de la réception d'un paquet : extraction du NVL, recherche dans la table de circuit virtuel (accès direct), échange du NVL, retransmission du paquet 7 La commutation Routage / Commutation NVL Exemple, mode connecté : A 1 7 B 6 G C F Table de commutation de C 2 Entrées Sorties Origine NVL Prochain NVL D E a b 1 1 b a 7 1 b 2 d 1 Ecrire la table de commutation de B d d 1 2 b b 2 4 e 4 d 2 8

5 Le routage Routage / Commutation Chemin suivi par un datagramme Exemple, mode non connecté : A B G Extrait de la table de routage de C C Dest. vers F g e D E f b Ecrire la table de routage de C Remarques : il existe toujours une route par défaut («toutes directions»). Possibilité de paquets «errants» (d où durée de vie) 9 Routage / Commutation Le routage Comparaison des deux modes : Fonctionnalités Mode non connecté Mode connecté Etablissement/Initialisation Adresse destinataire Utilisation de NVL Séquencement des paquets Contrôle d erreur/contrôle de flux Négociation QoS Non Dans chaque paquet Non Non assuré Non (couches supérieures) Difficile Oui Dans le paquet d initialisation Oui, dans tous les paquets Assuré Généralement, oui Possible 10

6 Plan général Introduction Généralités Modes de communications Mode connecté Structure de l Internet Généralités un exemple d AS : RENATER Principales technologies sur backbones et AS de transit LS RNIS X25 Frame Relay Ethernet pour les MAN. La boucle d accès 11 Structure de l Internet Rappel : l Internet est principalement constitué d AS interconnectés (AS clients et AS de transit) Système autonome (AS) Définition : un AS est un ensemble de routeurs et de réseaux connexes qui utilisent un protocole de routage commun sous une administration unique. AS 1 AS 2 AS 3 12

7 Structure de l Internet Exemple : AS client 13 Structure de l Internet Internet : un réseau d AS sources : 14

8 Structure de l Internet Infrastructure Internet AS ISP1 Backbone AS ISP2 Residential Enterprise/ISP access, Campus networks Access Backbone transmission Ethernet,,... Modem x25 Internet Service Providers ASes DSL (vs. SDH, vs. WDM) access, regional, backbone Cable modem... Satellite Point of Presence (POP)... Network Access Point (NAP) 15 Structure de l Internet POP (Point Of Presence) : un site où se trouvent les équipements actifs d'un opérateur Internet (commutateurs, routeurs, serveurs, etc). C'est généralement une salle machines où les clients sont authentifiés. NAP (Network Access Point) : Un point d'échange permettant d'interconnecter des opérateurs Internet différents. C'est typiquement un ensemble de commutateurs (Ethernet ou ), situé dans un "data center", où tous les participants branchent leur routeur, avant de s'entendre pour échanger des paquets IP. On parle maintenant de IX ou IXP (pour Internet exchange Point) ou plus généralement de point de peering (point d'appairage). 16

9 Structure de l Internet Récapitulons... On distingue successivement le poste client (PC et périphériques), avec l'interface réseau (modem ou carte réseau), la boucle locale de l'opérateur local (ADSL, câble...) ou le réseau privé (Ex : Ethernet), le point de présence (PoP) du fournisseur d'accès Internet (ISP), les serveurs du fournisseur d'accès (DNS, messagerie...), les backbones (autoroutes de l'information à très haut débit, fibre optique ou satellite...) ou AS interconnectés par des points d'échange de trafic (NAP), les serveurs distants (plate-formes d'hébergement) et les contenus mis en ligne (audio, vidéo...). 17 Structure de l Internet Et pour les plus curieux, visitez :

10 Structure de l Internet AS : L exemple de RENATER (source : Un bon exemple : Le Réseau National de Télécommunications pour la Technologie, l'enseignement et la Recherche Aujourd hui plus de 600 établissements ayant une activité dans les domaines de la Recherche, la Technologie, l Enseignement et la Culture sont raccordés à RENATER. Ce réseau leur permet de communiquer entre eux, d accéder aux centres de recherche, aux établissements d enseignement du monde entier et à l Internet. De plus, par l intermédiaire des rectorats, la plupart des lycées et collèges bénéficient également du réseau. Remarque : Renater est un Groupement d Intêret Général (GIP) 19 Structure de l Internet L exemple de RENATER REMIP 20

11 Structure de l Internet L exemple de RENATER En Île-de-France une architecture spécifique a été développée ce qui correspond au fort potentiel de cette région en établissements d enseignement supérieur et de recherche. 21 Plan général Introduction Généralités Modes de communications Mode connecté Structure de l Internet Généralités un exemple d AS : RENATER Principales technologies sur backbones et AS de transit X25 Frame Relay Ethernet pour les MAN. La boucle d accès 22

12 Backbones et AS de transit X25 X25 est une architecture en mode connecté (CV) sur de longues distances avec un plan de numérotation international mis en place par le CCITT (1976). On parle de WAN ou de réseau de transport par paquets en mode connecté. Transpac est une société de transport de l information basé sur X25. X25 a beaucoup était utilisé dans les années 80 (Minitel) mais le fait qu il ne soit pas adapté aux hauts débits et à la fibre optique fait qu il arrive à bout de souffle. Réseau X25.3 (PLP) Liaison Physique OSI X25.2 (LAP-B) X25.1 (X21) X25 23 Backbones et AS de transit X25 CV Rem : il existe des CVC et des CVP 24

13 Backbones et AS de transit Frame Relay Le Frame Relay est une évolution de la commutation par paquets X25 (années 90). Alors que les réseaux X25 travaillent avec des longueurs des trames de données fixes, le protocole de commutation de trames utilise des trames de taille variable afin d'utiliser au mieux la bande passante du réseau. FR établit, en mode connecté, une liaison virtuelle entre les deux extrémités. Cette liaison est soit permanente (PVC : Permanent Virtual Circuit), soit établie à la demande (SVC : Switched Virtual Circuit). Le Frame Relay couvre les couches 1 et 2 du modèle OSI mais n est pas conforme à ce dernier. Les normes relatives au Frame Relay sont les suivantes 25 Backbones et AS de transit et Ethernet? Depuis 2002 : Standardisation IEEE 802.3ae Mbit/s = 10 Gbit/s: Ethernet 10 Gigabit Mode de fonctionnement Full Duplex uniquement Objectifs Fournir 10 Gigabit/s à l'interface XGMII (10 Gigabit Media Independent Interface), i.e. Interface entre la couche MAC et la couche PHY dans 802.3ae. Supporter des implantations de couche physiques à 10Gb/s Être capable d'atteindre des tailles de réseaux jusqu'à 40 km 26

14 Backbones et AS de transit et Ethernet? Après avoir affirmé sa domination dans les réseaux locaux, Ethernet commence à s'imposer également dans les réseaux étendus (ex : Câblage 10BaseF : Ethernet sur fibre optique) 27 Introduction Les objectifs Les services La cellule Gestion du traffic 28

15 Principes de conception de l : Asynchronous Tranfer Mode Multiplexage asynchrone Commutation de cellules Mode de transfert orienté connexion Prise en charge de classes de qualité de service (QoS : Quality of Service) 29 Qu est-ce que l asynchronisme? Au niveau de la couche d accès au support Multiplexage synchrone : les circuits se définissent par référence temporelle! un circuit utilise toujours la même voie temporelle Multiplexage asynchrone : les circuits se définissent par ressource! un circuit utilise la ressource immédiatement disponible A B C D Multiplexage synchrone (STM) A1 B1 B2 C2 Multiplexage asynchrone () A1 B1 B2 C2 30

16 est réseau de file d attente. Vue simplifiée : 31 L' - Objectifs! Un réseau unique supporte tous les services! Bande passante importante! Services à débits constants ou variables V o i x A u t r e r é s e a u! Faible retard! Routage statique/dynamique D o n n é e s! Unicast et multicast R é s e a u A T M! Utilisation optimisée des ressources! Gestion de la QoS V i d é o T V / V i d é o 32

17 Les catégories de services Catégories de services Guaranteed Best Effort CBR GFR UBR ABR rt-vbr nrt-vbr 33 Les catégories de services CBR : Constant Bit Rate " données à débit constant, avec contraintes de délai et de gigue rt-vbr : real-time Variable Bit Rate " débit variable, avec contraintes de délai et de gigue nrt-vbr : non-real-time Variable Bit Rate " débit variable, contrainte sur le taux de perte de cellule, tolérance délai et gigue UBR : Unspecified Bit Rate " aucune garantie («best-effort») 34

18 ABR : Available Bit Rate " contrôle de flux sur la source et contrainte forte sur le taux de perte cellule " tolérance sur le délai et la gigue GFR : Guaranteed Frame Rate " Amélioration + récente du service ABR. Trafic véhiculé par trames (type Frame Relay). "Débit minimum nécessaire (ex : Trafic IP sans contrainte de synchronisation, ni garanties, ni délai, ni gigue) 35 Ressource Répartition de la bande passante entre catégories de services VBR PCR UBR ABR VBR SCR VBR CBR Temps 36

19 37 Commutation - VPI et VCI Virtual Channels (VC) Physical Link Virtual Channel Connection (VCC) Virtual Path (VP) Virtual Path (VP) Virtual Channels (VC) Virtual Channel Connection (VCC) Contains Multiple VPs Virtual Path (VP) Contains Multiple VCs Virtual Channel (VC) Logical Path Between End Points Connection Identifier = VPI/VCI 38

20 La cellule repose sur l utilisation d un PDU de petite taille : la cellule # paquets de données de petite taille : 48 octets (...pourquoi 48 octets?) # en-tête de signalisation : 5 octets Objectifs de l utilisation de cellules # la taille limitée des en-têtes permet un traitement rapide (commutation) # remplissage optimisée par les applications # temps de conversion réduits pour la phonie # réduction des tailles de file d attente, donc réduction des retards # allocation fine de la ressource entre utilisateurs En-tête (5 octets) Charge utile (48 octets) 39 Format de la cellule VPI VCI P T I C L P HEC Payload (48 octets) En-tête Charge utile 40

21 VPI : VCI : Format de la cellule Virtual Path Identifier Virtual Channel Identifier PTI : Payload Type Identifier, ces bits donnent diverses informations: sur la nature des données d'une cellule (données utilisateurs ou données de gestion d', sur l'état de congestion du réseau, sur l'état des ressources réseau, ) CLP : Cell Loss Priority (1 : la cellule peut être détruite en cas de besoin) HEC : Header Error Control (code correcteur) 41 Architecture des réseaux UNI Réseau UNI AAL AAL 2/ 3 PHY PHY 1 PHY : Physical Layer UNI : User Network Interface AAL : Adaptation Layer 42

22 Gestion du trafic dans les réseaux Applications supportées par les réseaux Voix Vidéo (distribution, interactive) Téléconférence Transfert de données Objectifs des réseaux Normes Les mêmes éléments du réseau transportent tout le trafic Utilisation optimisée de la ressource Prise en compte des besoins en terme de qualité de service ITU-T : Recommendation I.371 Forum : AF-TM version 4.1 (mars 1999) 43 Objectif : fournir la qualité de service demandée La gestion de la QoS suppose que le réseau alloue les ressources de façon à éviter les congestions $ quelle ressource doit-on allouer à chaque appel? $ Combien de canaux virtuels faut-il allouer à chaque liaison? Gestion du trafic Traffic contract : spécification des caractéristiques et des besoins de chaque nouvelle connexion Admission Control : allocation de ressources sur tout le chemin, rejet d appel si la ressource n est pas disponible Traffic Policing : surveillance des utilisateurs, marquage de toutes les cellules en violation du contrat de trafic 44

23 (MultiProtocol Label Switching), contraintes la réponse à de nouvelles Problème : Dans un monde IP, les routeurs deviennent des goulets d étranglement et aucune QoS ne peut être ainsi garantie Solution : Pourquoi ne pas exploiter ou «imiter» les technologies à commutation de label (, Frame Relay) pour accélérer les transferts et offrir une QoS? 45 Routage IP conventionnel Routeur x Routeur y Nous avons vu qu un routeur doit exécuter une décision d expédition (forwarding) pour chaque IP reçu : 1. Réception du paquet dans la file d entrée 2. Analyse de l en-tête du paquet 3. Contrôle d accés 4. Parcours de la table de routage (séquentiel) 5. «Commutation» du paquet vers la file de sortie D où : un important goulet d étranglement 46

24 Routage IP conventionnel Avantages : Mode non connecté Routage adaptatif Simplicité (pas d information d état à conserver) Inconvénients Faible performance Pas de gestion de la qualité de service 47 Commutation Avantages Utilise des informations protocolaires de niveau 2 Performances élevées Négociation de la QoS Table de commutation réduite Inconvénients Latence à l établissement de la connexion Routage plus «rigide» Signalisation requise D où la recherche d une solution du type : Combiner le routage IP et la commutation 48

25 Deux approches techniques IP over : Faire fonctionner IP sur (solution la plus ancienne) LAN Emulation ( Forum) MPOA (MultiProtocol Over ) ( Forum) IPOA (IP Over ) (IETF) NHRP (Next Hop Resolution Protocol)(IETF) Commutation IP : Adapter la commutation de label à IP IP Switching TAG Switching ARIS Fast IP... (propriétaire, Nokia) (propriétaire, Cisco) (propriétaire, IBM) (propriétaire, 3Com) (IETF) Compte-tenu de son importance, seul est exposé dans ce cours au titre d une implémentation de la commutation IP. 49 Niveau 3 (IPv4, IPv6, ) Niveau 3 (IPv4, IPv6, ) Niveau 2 (Ethernet, PPP, ) Niveau 2 (Ethernet, PPP, ) Rem : on parle de «shim header» (...une «cale») 50

26 Etiquetage des datagrammes IP En utilisant un en-tête ajouté entre l en-tête de niveau 2 et les entêtes des niveaux 3 et supérieurs. L2 L3-L7 Données L2 L3-L7 Données Rem : dans le cas d Ethernet au niveau 2, le champs type qui est généralement égal à 0800 lorsque la trame transporte un datagramme IP, prend la valeur 8847 pour. 51 Dans les réseaux «Routage» des paquets IP En fonction d une information de label insérée entre les informations de niveau 2 et les informations de niveau 3 puis en recherchant le prochain saut (hop) à effectuer dans les tables de commutation de labels des routeurs Problèmes posés Comment attribuer un label à chaque datagramme IP entrant dans un domaine? Par classification des paquets IP dans des FEC (Forwarding Equivalence Class) Comment construire les tables de commutation de labels des routeurs? A partir des tables de routage des routeurs Par distribution de labels entre routeurs 52

27 Principe et définition d un label Le datagramme IP reçoit un label dés son entrée dans le domaine. Il est ensuite acheminé en fonction de ce label. Le label est changé à chaque saut (hop) Le label est déterminé par le premier routeur en fonction de différents paramètres (champs TCP, adresse IP destinataire, etc )! Utilisation de ce label par les routeurs intermédiaires comme index dans la table de commutation 53 Equipements On distingue deux types de routeurs LER (Label Edge Router) Situés en bordure des domaines, ces routeurs «labelisent» les flux IP Ils sont aussi appelés :. Ingress Edge Router, routeur d entrée qui ajoute l en-tête (push). Egress Edge Router, routeur de sortie qui supprime l en-tête (pop) Il s agit souvent de PE (Provider Edge router) LSR (Label Switching Router) Situés à l intérieur des domaines, ces routeurs possèdent des tables de routage et des tables de commutation leur permettant de commuter les PDUs en fonction de leur en-tête 54

28 FEC La notion de classe dans un réseau est destinée à rassembler des trafics ayant, par exemple : comme destination le même sous-réseau les mêmes exigences de QoS (messagerie, Voix su IP, ) 55 Définition de FEC Un label identifie un flot ou «classe d équivalence à la commutation», la FEC (Forwarding equivalence Class), i.e. ensemble de paquets ayant les mêmes caractéristiques d expédition et qui subiront le même traitement au cours de leur acheminement (ex : politique de traitement en file d attente). Identifie un ensemble de datagrammes IP qui suivront le même chemin appelé LSP (Label Switching Path). Un LSP est unidirectionnel. Il existe plusieurs types de FEC, en fonction de leur mode de définition. Le plus simple, Deux datagrammes appartiennent à une même FEC si destination appartiennent à un même sous-réseau. Autres paramètres possibles no de port source et destination TCP ou UDP QoS requise 56

29 Exemple LER4 LER1 LSRb LSRd LSRa LSRe LER2 LER3 LSP x (pour une FEC F1) LSP y (pour une FEC F2) 57 Avantages Calcul unique à l entrée du réseau Rapidité dans le cœur du réseau L intelligence se trouve aux extrémités du réseau 58

30 Distribution de labels Problème : Comment coordonner les tables de commutation des LSR? Solution : par distribution d associations entre FEC découvertes et labels (FEC-Label mappings) à l'aide d'un protocole dédié Un protocole de distribution des labels est un ensemble de procédures par lesquelles un LSR en informe un autre des affectations label/fec qu il a faite. Exemple : LDP a été mis en place pour exclusivement dans le but de distribuer les labels entre les différents LSR CR-LDP 59 Conclusions apporte des solutions à plusieurs problèmes rencontrés sur les réseaux IP (débits, latence, QoS, sécurité) est adapté aux besoins du moment ( VPN, QoS, TE ) Il est supporté par la plupart des acteurs majeurs du monde d Internet se base sur l existant (protocoles) et permet les évolutions futures possibles (IPv6) Les opérateurs temporise son déploiement (poids de l existant : ) Le rapprochement IP-optique est une des évolutions majeures en cours. G semble s imposer dans l évolution vers les NGN. 60

31 La boucle locale Différentes technologies (non exhaustif) : Modem RTC ADSL Boucle Locale Radio Le câble Les Satellites... 62

32 La boucle locale ADSL, principe % La bande passante de la boucle locale est limitée à 4 khz par des filtres alors que la bande réelle de la BL dépasse le MHz lorsque la paire de cuivre est en bon état et que la distance ne dépasse pas quelques kilomètres (5 à 6 km). % L'ADSL continue à réserver la bande 0 à 4kHz pour la transmission vocale, par contre les données sont transmises dans la bande située de 25kHz à 1,1MHz %L'ADSL décompose la BP disponible en 256 canaux de 4 khz (code DMT, Discrete Multi Tone). Si un canal permet de faire passer 33,6 kbps (Modem analogique classique), on obtient un débit global de 8,4 Mbps. %La bande de transmission de données est en fait séparée en deux bandes, une bande de 25KHz à 200KHz (soit 175kHz) appelé canal montant (abonné vers réseau) et une autre bande de 200kHz à 1,1MHz (soit 925kHz) appelé canal descendant (réseau vers abonné). 63 La boucle locale ADSL, principe % Le spectre de fréquence ADSL est découpé en 3 flux : La téléphonie 1 canal montant (divisé en sous-canaux) 1 canal descendant (divisé en sous-canaux) Exemple de bandes non utilisées : dégradation variation 3 db 4 khz 20 khz 1,1 MHz Canal montant Canal descendant 64

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34 La boucle locale Exemple : Infrastructure et équipements (suite) % DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexor) : équipement assurant le multiplexage des flux des différentes lignes d abonnés vers le réseau de transport et généralement situé dans le central téléphonique le plus prés. % BAS (Broadband Access Server) : noeud intermédiaire connecté au réseau d un ISP. C est avec ce noeud que se font l authentification à l ouverture d une session et la transmission des paramètres IP (serveur RADIUS, généralement). On établit ainsi un lien PPP (voir plus loin). % Routeur : C'est l'équipement qui va assurer la liaison entre le BAS et le réseau du fournisseur d'accès. 67 La boucle locale ADSL, exemple d architecture TCP/UDP IP IP PPPoE PPPoE AAL5 AAL5 Ethernet Ethernet ADSL DSLAM SDH SDH Hôte abonné Modem ADSL DSLAM BAS C est quoi PPP?!!?! 68