Cours Réseaux. Chapitre 1 - Introduction

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1 Cours Réseaux Chapitre 1 - Introduction Université de Perpignan Page web du cours : Ouvrage de référence: Analyse Structurée des Réseaux, J. Kurose & K. Ross, Pearson Education, 2002

2 Chapter 1: Introduction Objectifs du chapitre: Avoir une idée générale de ce qu'est un réseau informatique. Plus de profondeur, de détails seront présentés plus tard dans le cours. Nous utiliserons Internet comme exemple Grandes lignes du cours: Qu'est ce que l'internet Quesqu'un protocole? Coeur de réseau, réseaux d'accès Accès au réseau et aspects matériels Internet/ISP structure Performance: perte, délai Les couches de protocoles Historique des réseaux Modèle de réseau 2

3 Ouvrages de référence Analyse structurée des réseaux, J. Kurose & K. Ross, Pearson Education, 2002 Unix, Programmation et communication, J-M Rifflet & J-B Yunès, Dunod, 2003 Le Réseau Internet, Des services aux infrastructures, S. Lohier et A. Quidelleur, Dunod, Réseaux, A. Tanenbaum, Pearson Education, 2003.

4 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau, réseaux d'accès 1.4 Accès au réseau et aspects materiels 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, delai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux 4

5 Internet c'est quoi? Des millions d'utilisateurs (clients ou hôtes) Des applications serveur routeur hôte Fournisseur d'internet local ordinateur portable Fournisseur Régional Des moyens de communication important (fibre optique, radio, satellite) Des routeurs qui transmettent l'information sur le réseaux Réseaux d'entreprise

6 Internet c'est quoi? Un réseau de réseaux (intranet, faible hiérarchie, privé et publique) Des protocoles pour envoyer/recevoir des informations (TCP, IP, HTTP, FTP...) serveur routeur hôte Fournisseur d'internet local ordinateur portable Fournisseur Régional Permet la communication entre applications (www, , jeux, partage de fichier...) Réseaux d'entreprise

7 Internet c'est quoi?: point de vue des services Les infrastructures de communication permettent des applications distribuées: Web, , jeux, e-commerce, partage de fichier Services de communication à disposition des applications: Sans connexion et non-fiables Orientés connexion et fiables 7

8 Un protocole c'est quoi? protocoles humains: quelle heure est-t-il? J'ai une question présentations messages spécifiques envoyés actions spécifiques sont effectuées quand un message est reçu protocoles réseaux: machines plutôt que des humains Toute activité de communication Internet est gerée par des protocoles. Les protocoles définissent des formats, des ordres sur les messages envoyés et reçus sur le réseau et sur les actions engendrées. 8

9 Un protocole c'est quoi? Comparaison entre protocole humain et protocole machine: Bonjour Bonjour Vous avez l'heure? Reponse TCP de connexion Requete TCP De connexion Get 2:00 temps <fichier> 9

10 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau 1.4 Accès au réseau et aspects materiels 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, delai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux 10

11 Structure d'un réseau Des feuilles : applications and terminaux Des noeuds: routeurs Des arretes moyen de communication (cable, ondes)

12 Les feuilles Les ordinateurs connectés sont des hôtes ou terminaux, Les serveurs hébergent de l'information Les clients se connectent au serveur pour obtenir de l'information Notion d'application client/serveur Service orienté connexion, avec poignée de main exemple : TCP applications : HTTP, telnet Service sans connexion exemple : UDP applications : téléphonie, streaming

13 Service orienté-connexion But: transfert de données entre terminaux Poignée de main: préparation pour le transfert de données Bonjour, bonjour dans le protocole humain établissement de connexion dans les deux terminaux TCP - Transmission Control Protocol Service orienté connexion d'internet TCP service [RFC 793] fiable, transfert dans l'ordre d'un flux d'octet perte: accuse de reception et retransmissions controle de flux: L'expediteur ne submergera pas de donnees pas son destinataire Controle de congestion : L'expediteur ralentit quand le reseau est embouteille 13

14 Service orienté sans connexion But: transfert de données entre terminaux Pareil que pour le cas precédent! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: sans-connexion Transfert de données non fiable Pas de contrôle de flux Pas de contrôle de congestion Applications utilisant TCP: HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) Applications utilisant UDP: Streaming video ou audio, teleconference, DNS, Telephone internet 14

15 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau 1.4 Accès au réseau et aspect materiel 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, delai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux 15

16 Le coeur du réseau Question : Comment les données sont acheminées d'un point à un autre? Commutation de circuits Commutation par paquets

17 Commutation de circuits Les ressources sont réservées d'un bout à l'autre pour transmettre l'information. Ressources dédiées : pas de partage Avantage : performance garantie Inconvénient : sous-utilisation du réseaux Multiplexage : les ressources sont partagées (ex : bande passante) Partage de fréquence Partage de temps

18 Coeur du réseau: commutation de circuits Resources réseau (e.g., bande passante) divisées en plusieurs tranches : tranches allouées aux appels téléphoniques Tranche de ressource gaspillée si elle n'est pas utilisée par l'appel téléphonique (pas de partage) Division de la bande passante en 'tranches Division par fréquence(fdm) Division par temps (TDM) 18

19 Commutation de circuits: FDM et TDM FDM Exemple: 4 utilisateurs fréquence temps TDM fréquence time 19

20 Exemple numérique Question: combien de temps ca prend pour envoyer un fichier de 640kbits de A à B sur un réseau à commutation de circuit? Toutes les connexions sont de Mbps Chaque connexion utilise un TDM with 24 slots/sec Et il faut 500 msec pour établir le circuit de bout en bout. 20

21 Exemple numérique Question: combien de temps ca prend pour envoyer un fichier de 640kbits de A à B sur un réseau à commutation de circuit? Toutes les connexions sont de Mbps Chaque connexion utilise un TDM with 24 slots/sec Et il faut 500 msec pour établir le circuit de bout en bout. Solution: Nombre de bit transmis durant 1 slot: (1.536 * 10^9)/24 = 6.4 * 10^7 bits Temps de transmission du message: /(6.4 * 10^7) = 0,1 secondes Temps total = temps établissement + temps de transmission = 600 miliseconde 21

22 Commutation par paquets On divise le message en paquets Partage des ressources Chaque paquet utilise toute la bande passante Technique du «reception & retransmission» : le routeur attend d'avoir le paquet complet avant de le retransmettre. Les ressources sont donc pleinement utilisées Problème : la congestion Lorsque la demande de ressource excède l'offre Solution : mise en attente de paquet Parfois rejet de paquet => pas de qualité de service.

23 Commutation par paquets : Exemple A 10 Mbs Ethernet Multiplexage statistique C B Tampon de sortie 1.5 Mbs 45 Mbs D E

24 Commutation par paquets: reception-et-retransmission L R R R Ca prend L/R seconds pour transmettre (push out) un paquet de L bits sur le lien avec un debit de R bps Un paquet entier doit arriver au routeur avant d'être transmit sur le prochain lien: enregistrer et retransmission délai = 3L/R (s'il n'y a aucun délai de propagation) Exemple: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delai = 15 sec 24

25 Commutation par paquet vs commutation de circuits La commutation par paquet permet à plus d'utilisateur d'utiliser le réseau Lien a 1 Mb/s Chaque utilisateur: 100 kb/s si actif actif 10% du temps Commutation de circuit: 10 utilisateurs Commutation par paquet: avec 35 utilisateurs, probabilite > 10 actif est inférieure à.0004 N utilisateurs Lien à 1Mbps 25

26 Commutation par paquet vs commutation de circuits Est ce que la commutation par paquet est le grand vainqueur? Bien pour les données arrivant en rafale Partage de resource Plus simple, pas de phase d'initialisation Congestion excessive: effet de retard et de perte Besoin de protocoles pour fiabiliser le transfert de données et pour controler la congestion Q: Comment obtenir une connexion ressemblant a une commutation de circuit? Bande passante guarantie nécessaire pour des applications audios et vidéo C'est encore un problème non résolu... 26

27 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau 1.4 Accès au réseau et aspects materiels 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, délai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux 27

28 Accès au réseau et matériel réseau Q: Comment on connecte un terminal à un routeur? Réseau résidentiel Acces via des réseaux institutionel (universités, entreprise) Acces au réseau mobile Garder à l'esprit: Bande passante (bits par second) d'un accès au réseau? Partagé ou dedié? 28

29 Acces résidentiel: acces point à point Dialup via un modem Jusqu'à 56Kbps (en général moins que ça) accès direct à un routeur On ne peut pas téléphoner et surfer en même temps: pas de connexion perménante ADSL: asymmetric digital subscriber line Jusqu'à 1 Mbps sortant Jusuqu'à 20 Mbps entrant FDM: 50 khz - 1 MHz entrant 4 khz - 50 khz sortant 0 khz - 4 khz pour le téléphone 29

30 Accès résidentiel: le câble HFC: hybrid fiber coax asymmetrique: jusqu'a 30Mbps entrant, 2 Mbps sortant Le réseau de câble et de fibre relie des routeurs ISP intallés dans les maisons/résidences Les maisons partagent l'accès au routeur déploiement: disponible via les compagnies de Télévision par câble. 30

31 Accès internet dans une entreprise: local area networks (LAN) compagnie/université local area network (LAN) connecte les terminaux aux routeurs d'accès Ethernet: Lien partagé ou dedié connecte les terminaux au routeur 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet LANs: (chapitre couche de liaison) 31

32 Réseau d'accès sans fil Un accès sans fil au réseau connecte les terminaux au routeur Via des stations appellées point d'accès wireless LANs: b/g (WiFi): 11 or 54 Mbps Accès sans fil de large zone routeur Point d'accès Fournies par des opérateurs de téléphonie. 3G ~ 384 kbps GPRS in Europe/US terminaux mobiles 32

33 Reseaux domestiques Composant typique des reseaux domestiques: ADSL ou câble routeur/pare-feu/nat Ethernet Point d'accès sans fil to/from cable headend Modem ADSL/câble routeur/ pare-feu Ethernet Point d' access sans fil Ordi Portable sans-fil 33

34 Media physique Bit: se propage entre des paires transmetteur/destinataire Liaison physique: ce qui se trouve entre le transmetteur et le receveur Média guidé: Le signal se progage dans un medial solie: cuivre, fibre, câble coaxial Média non guidé: Le signal se propage librement, e.g., onde radio Paire torsadée (Twisted Pair - TP) Deux fils de cuivre isolés Catégorie 3: fil téléphonique traditionel, 10 Mbps Ethernet Categorie 5: 100Mbps Ethernet 34

35 Média physique: câble coaxial, fibre optique Câble coaxial: Deux conducteurs en cuivre concentrique bidirectionnel baseband: Une seule plage sur le cable legacy Ethernet broadband: Plusieurs plages sur le câble HFC Fibre optique: fibre optique en verre transpornant des influx de lumière, chaque influx est un bit Transmission très rapide: 10 s-100 s Gps) Peu d'erreur de tansmission: des repéteurs sont placés à grande distance; insensible au bruit électromagnétique 35

36 Media physique: les ondes radios Le signal est transporté par des ondes électromagnétiques Pas de fil ou câble physique Propagation bidirectionelle Effet de la propagation dans l'environnement: réflection obstruction par des objets interférence Types de liaison radio: Micro-onde terrestre e.g. Jusqu'a 45 Mbps LAN (e.g., Wifi) 11Mbps, 54 Mbps wide-area (e.g., cellulaire) e.g. 3G: centaines of Kbps satellite De Kbps à 45Mbps (ou alors de multiples canaux plus petits) Délai de 270 msec de bout en bout géostationnaire versus basse altitude 36

37 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau 1.4 Acces au réseau et aspect materiel 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, delai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux 37

38 Structure d'internet: réseau de réseaux Internet est découpé en ISP (Internet service provider) ou FAI (Fournisseur d'accès à internet). Ces ISP sont structuré de façon plus ou moins hiérarchique. En haut : les ISPs de tier-1 (e.g., MCI, Sprint, AT&T, Cable and Wireless) qui ont une couverture nationale à internationale Les ISPs tier-1 sont connectés à tous autres ISPs tier-1 Les ISPs tier-1 sont connectés à beaucoup d'isp tier-2 Les ISPs tier-1 s'interconnec tent (en tant que pair) de façon privé Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Les ISP Tier-1 s'interconnectent aussi à des point d'accès réseau publique (NAPs) 38

39 Internet, réseau des réseaux

40 Structure d'internet: network of networks ISPs Tier-2 : plus petit (souvent régionaux/nationaux) Connecté à un au moins ISP tier-1 Il est possible qu'il soit connecté à d'autres tier-2 ISPs ISP Tier-2 paie un/des ISP tier-1 ISP pour un accès au reste d' Internet ISP de tier-2 est une client d'un fournisseur de tier-1 Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISPs sont aussi interconnecté entre eux ainsi qu'au NAP Tier-2 ISP 40

41 Internet, réseau des réseaux

42 RENATER RENATER = (Réseau national de télécommunications pour la technologie, l'enseignement et la recherche) vidéo

43 Internet structure: network of networks ISPs de Tier-3, ISPs locaux Dernier saut (le plus près des terminaux) ISPs Locaux et tier- 3 ISPs sont clients d'isp supérieur (tier-2 et tier-3) local ISP Tier 3 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier 1 ISP local ISP Tier-2 ISP NAP local ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP local ISP 43

45 Perte de paquet et délai de livraison: explication Les files d'attente de paquet dans les tampons des routeurs La fréquence d'arrivage de nouveau paquet dépasse la capacité de la liaison de sortie Les paquets dans la file, attendent leur tour paquet transmis (délai) A B Paquet en attente (délai) Tampon libre: les paquets arrivant sont détruits si il n'y a plus d'espace sur tampon 45

46 Quatre sources de délai dans la transmission de paquet 1. Traitement au niveau du noeud: Verification d'erreurs dans le paquet détermine la liaison de sortie 2. Mise en attente Temps d'attente a la liaison de sortie pour une transmission Ca dépend du niveau de congestion du routeur A transmission propagation B Traitement au niveau Mise en attente du noeud 46

47 Délai dans les réseaux par comutation par paquet 3.Délai de transmission: R=bande passante (bit par secondes (bps)) L=longueur du paquet (bits) temps de transmission des bits sur la liaison = L/R 4. Délai de propagation : d = longueur de la liaison s = vitesse de propagation dans la liaison (~2x10 8 m/sec) Délai de propagation = d/s A transmission propagation Note: s et R sont très differents! B Traitement au niveau Mise en attente du noeud 47

48 Analogie de la caravane 100 km 100 km Caravane de 10 voitures péage péage Les voitures se propagent à 100 km/hr Le péage prend 12 sec pour servir une voiture (temps de transmission) Car <-> bit; caravane <-> packet Q: Combien de temps une caravane est en attente avant le 2ème péage? Temps de mettre la caravane entière sur l'autoroute est de = 12*10 = 120 sec Le temps pour que la dernière voiture se propage du 1er péage au 2nd péage : 100km/(100km/hr)= 1 hr Rep: 62 minutes 48

49 Analogie de la caravane (cont.) 100 km 100 km caravane de 10 voitures péage péage Les voitures se propagent maintenant a 1000 km/hr Le peage prend 1 min pour servir une voiture Q: Est ce que des voitures arriveront aux deuxieme peage avant que d'autres voitures ne soient servies au premier? Oui! Après 7 min, la première voiture est au 2ème péage et il reste 3 voiture au premier peage. 1er bit d'un paquet peut arriver au second routeur avant que le paquet ne soit entièrement transmis au premier routeur. 49

50 Delai de noeud. d noeud =d trait + d attente + d trans + d prop d trait = délai de traitement En général quelques microsecondes ou moins d attente = délai d'attente Dépend de la congestion du noeud d dtran s = délai de transmission = L/R, significatif pour des liaisons peu rapides d prop = délai de propagation Quelques microsecondes à quelques centaines de microsecondes 50

52 Couche de protocoles Les réseaux sont complexes! Beaucoup de morceaux : hôtes routeurs liaisons de types variables applications protocoles hardware, software Question: Est il possible d'organiser le réseau? Ou au moins les réseaux vus dans ce cours? 52

53 Organisation d'un voyage en avion tiquet (achat) bagage (check) gates (embarquement) Decolage Trajet en avion tiquet (plainte) baggage (claim) gates (debarquement) Atterrissage Trajet en avion Trajet en avion Une série d'étapes 53

54 Organisation en couche des services d'un voyage en avion tiquet (achat) Tiquet (plainte) ticket baggage (check) baggage (claim baggage gates (embarquement) gates (debarquement) gate decollage atterissage Decollage/atterrissage Trajet en avion Trajet en avion Trajet en avion trajet en avion airplane routing Aeroport De depart centre de controle intermediaire aeroport d'arrive Couches: chaque couche fournit un service via ses propres actions de sa couche Ou en transmettant à des services des couches inférieures 54

55 Pourquoi des couches? Gérer des systèmes complexes: Une structure explicite permet d'identifier et de relier les différentes parties d'un système complexe. Le modèle en couche La modularisation facilite la maintenance et la mise à jour d'un système Le changement de l'implementation d'un servive est transparent pour le reste du système e.g., un changement au niveau de la procédure d'embarquement (couche gates) n'affecte pas le reste du système La séparation en couche considèré comme génante? 55

56 Empilement des protocoles Applications réseaux ftp, smtp, http Transport des messages entre client et serveur tcp, udp Réseau, achemine les datagrammes entre 2 serveurs ip, protocoles de routage Liaison de données entre deux éléments voisin dans le réseau ppp, ethernet Physique, véhicule les bits individuels

57 Modèle OSI vs Modèle IP Modèle OSI Modèle TCP/IP Données Couche Application Couche Présentation Couche Application Segment Couche Session Couche Transport Couche Transport Paquet Couche Réseau Couche Réseau Trame Couche Liaison Couche Liaison Bit Couche Physique Couche Physique

58 Encapsulations et empilements des protocoles HTTP Données (page web) TCP En-tête TCP Données (page web) IP En-tête IP En-tête TCP Données (page web) Liaison (Ethernet,Wifi) En-tête Ethernet En-tête IP En-tête TCP Données (page web)

59 Encapsulation source message segment datagram frame H l H t H n H t H n H t M M M M application transport network link physical link physical switch H l H n H n H t H t H t M M M M destination application transport network link physical H l H n H n H t H t M M network link physical H n H t M router 59

60 Chapitre 1: Plan 1.1 Qu'est ce que l'internet 1.2 Terminaux 1.3 Coeur de réseau 1.4 Acces au réseau et aspect materiel 1.5 Internet/ISP structure 1.6 Performance: perte, delai 1.7 Les couches de protocoles 1.8 Historique des réseaux/internet 60

61 Histoire d'internet : Naissance de la commutation par paquets 1961 : travaux de Kleinrock (MIT) 1964 : travaux de Baran (Rand) 1967 : ARPAnet (Advanced Research Projects Agency) 1969 : 1er noeud de l'arpanet 1972 : ARPAnet fait sa 1ère entrée public (15 noeuds) NCP (Network Control Protocol) entre serveur 1er programme pour envoyer des s (Tomlinson)

62 Histoire d'internet : Réseaux propriétaires et interfonctionnement des réseaux 1970 : ALOHAnet, réseau à haute fréquence pour les universités Hawaiienne 1973 : Metcalfe propose dans sa thèse l'idée d'ethernet 1974 : Cerf et kahn propose une architecture de réseau proche de l'internet actuel 1979 : ARPAnet a plus de 200 noeuds

63 Histoire d'internet : Prolifération des réseaux 1983 : déploiement de TCP/IP 1982 : définition du protocole smtp 1983 : définition du DNS 1985 : définition du protocole ftp 1988 : contrôle de la congestion TCP 1990 : ARPAnet a plus de noeuds ) (confédération de réseaux, BITNET, CSNET, NSFNET 56kbit/s => 1.5Mbit/s) Et en france? 1980 : le début du minitel (accès à des données en réseau) 1990 : plus de services dispo. 20% de la pop.

64 Histoire d'internet aujourd'hui : Explosion d'internet ~1990 : ARPAnet mis hors service 1991 : levée des restrictions (trafic commercial) de NSFNET ~1990 : émergence du World Wide Web WWW hypertext, html, Mosaic (1994) rebaptisée Netscape Communication corp : des milliers d'étudiants se servent de Mosaic pour naviguer sur le Web : Microsoft contre-attaque avec Internet Explorer (IE) Activités stimulées par : des avancées technologiques (réseaux de + en + puissant) l'apparition/développement de nouvelles applications (courrier, web commerce électronique, messagerie instantanée ICQ, partage de fichier MP3...)