Réseaux et Protocoles 08/11/11

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1 Chapitre 4 La couche réseau et IP adresses A,B,C transport routage transport transport réseau (A) réseau réseau réseau (B) réseau (C) liaison liaison liaison liaison liaison physique physique physique physique physique extrémité 1 lien 1 routeur 1 lien 2 routeur 2 lien 3 extrémité 2 lien 4 lien n 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 1 La couche réseau 1. Service de la couche réseau Permet d acheminer des blocs de données De bout-en-bout (adressage global) À travers des routeurs Routeur = équipement reliant 2 réseaux Trouver un (ou le meilleur) chemin : routage A travers des sous-réseaux différents Adaptation Eventuellement Permettre un contrôle de congestion global du réseau Permettre un contrôle de flux entre 2 machines 2011 Réseaux et Protocoles chap Service de la couche réseau services en mode connecté (Tel., X25, RNIS, ATM) établissement d une connexion Paquets de données utilisent la connexion service fiable transfert de données bidirectionnel et en séquence contrôle de flux possibilité de réservation de ressources complexe (donc moins robuste?) services en mode non connecté ou datagramme (réseau IP : Internet) qualité «best effort» (non fiable) la fiabilisation est assurée par la couche transport chaque paquet comporte l adresse complète de destination simple robuste 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 3 L3 informatique UdS 1

2 2011 Réseaux et Protocoles chap Routage le routage des paquets : Plusieurs phases 1) obtenir des informations sur le réseau topologie, ressources 2) déterminer une route pour atteindre destination calcul de «plus court chemin» => table de routage (RIB : routing Information Base) 3) configurer les routeurs (acheminement) => table de commutation (FIB : Forwarding Information Base) 4) puis commuter les paquets en fonction de la destination choisir le prochain saut 1 à 3 : plan de contrôle (signalisation = protocole de routage) opération complexe effectuée peu fréquemment (ordre seconde) 4 : plan de données commutation : opération simple mais effectuée à chaque paquet à 1 Gb/s : 1 µs 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 5 Algorithmes de routage 2.1. Objectifs du routage permettre construction RIB puis FIB tel que : assurer acheminement paquet à destination sans boucle Boucle de routage = Un paquet traverse plusieurs fois le même routeur Et éventuellement minimiser le délai de transmission maximiser le débit prévenir la congestion assurer l équité entre utilisateurs optimiser utilisation ressources du réseau 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 6 L3 informatique UdS 2

3 2.1. Critères de routage (2) Aspect dynamique gérer les défaillances du réseau s adapter aux modifications du réseau stabilité certains critères peuvent être contradictoires : justice et optimisation minimiser le délai moyen de traversée des paquets et maximiser le flux total du réseau solution de compromis En général on simplifie ex : minimiser le nombre de sauts (routeurs traversés) 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 7 Classification des algorithmes de routage non adaptatifs : les routes sont calculées à l avance puis téléchargées dans les routeurs à l initialisation du réseau routage statique adaptatifs : modifient leurs décisions de routage pour refléter les changements de topologie ou de trafic dans le réseau routage dynamique Les algorithmes adaptatifs diffèrent selon : l endroit où ils se procurent leurs infos de routage le type d informations obtenues l instant où ils changent de route la (ou les) métrique utilisée Métrique : poids attribué à un lien (et à un chemin) Ex1 : délai (poids d un chemin = somme des délais) Ex2 : débit (débit d un chemin = minimum des débits) 2011 Réseaux et Protocoles chap Techniques centralisées Routage fixe (non adaptatif) un nœud spécialisé calcule les chemins entre chaque couple de nœuds puis distribue les tables de routage mal adapté aux pannes et aux changements peut être une solution manuelle Routage adaptatif centralisé le noeud spécialisé recalcule les tables en fonction des informations qui lui parviennent s adapte aux pannes (et parfois congestions) engendre un trafic de signalisation important permet vue cohérente et complète (route server) 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 9 L3 informatique UdS 3

4 2.3. Techniques distribuées Chaque nœud construit sa propre RIB à partir d informations locales ou globales Routage par inondation (non adaptatif local) chaque paquet entrant est émis sur toutes les lignes de sortie sauf sur la ligne d entrée génère un très grand nombre de paquets dupliqués techniques d arrêt de l inondation (ex. TTL) utilisé dans les protocoles de diffusion ou dans les mises à jour de BD réparties (ex. OSPF) trouve le meilleur chemin Routage adaptatif local ligne de sortie choisie en fonction de critères locaux ex. «hot potato routing» 2011 Réseaux et Protocoles chap Techniques distribuées (2) Routage adaptatif global chaque routeur adapte sa table de routage en fonction d information locales, mais aussi globales, => signalisation de routage avec les autres noeuds Routage à vecteur de distance chaque routeur possède une vue partielle du réseau ex RIP : Routing Information Protocol Routage par informations d état des liens chaque routeur possède une vue globale (graphe) du réseau ex OSPF (Open Shortest Path First), IS-IS 2011 Réseaux et Protocoles chap Routage à vecteur de distance chaque routeur dispose d une table de routage précisant, pour chaque destination, la meilleure distance connue et par quelle voisin l atteindre vecteur de distance : sous-ensemble de la table de routage = ensemble des couples (destination, distance) les routeurs s échangent périodiquement leurs vecteurs de distance algorithmes de Bellman-Ford ou de Ford-Fulkerson chaque arête a un poids positif Distance =longueur du + court chemin = somme des poids des arêtes calcul distribué du plus court chemin utilisé par RIP (pour réseaux IP de petite taille) métrique souvent utilisée : nombre de sauts => toutes les arêtes de poids Réseaux et Protocoles chap.4 12 L3 informatique UdS 4

5 Routage à vecteur de distance (2) Algorithme de Bellman-Ford distribué d(i,j) : distance entre deux noeuds adjacents i et j (poids arêtes) D(i,j) : distance (minimale calculée) entre deux nœuds i et j D(i,j) = Min k [ d(i,k) + D(k,j) ] pour i j (principe localité) converge vers une estimation correcte de D(i,j) en un temps fini en l absence de changements topologiques est exécuté par tous les routeurs se déroule de façon asynchrone Chaque routeur i envoie périodiquement son vecteur de distance à tous ses voisins : { (k, d), pour toute destination connue k } où d = D(i,k) est l estimation actuelle calculée par i Chaque routeur i maintient une table (RIB) : une ligne par destination connue k : (k, d, v) où d = D(i,k) et v est le prochain saut calculé vers k 2011 Réseaux et Protocoles chap Routage à vecteur de distance (2) Algorithme de Bellman-Ford (suite) Lorsque le routeur i reçoit un vecteur en provenance d un voisin v : Pour chaque couple (k, d) du vecteur calculer d = d + d(i, v) Longueur plus court chemin vers k en passant par v si la table de i contient une ligne (k, v, d ) alors 1. si v = v et d = d alors pas de changement 2. si v = v et d d alors mise à jour de la distance (qu elle soit inférieure ou supérieure) 3. si v v et d d alors pas de changement (stabilité) 4. si v v et d > d (nouvelle route meilleure) alors remplacer (k, v, d ) par (k, v, d ) sinon (nouvelle destination) ajouter une ligne (k,v,d ) 2011 Réseaux et Protocoles chap Routage à vecteur de distance (2) Exemple de RIP Routing Information Protocol, RFC 1058 RIP utilise UDP sur le port n 520 donc non fiable Message RIP peut se perdre intervalle de transmission des tables : 30 sec perte d un message compensée par le suivant durée du délai de garde (timer) associé à chaque destination : 3 min après ce délai sans rafraîchissement => destination inaccessible (distance = ) Table fonctionne comme un cache de durée 180s Dans RIP = Réseaux et Protocoles chap.4 15 L3 informatique UdS 5

6 RIP : situation stable Les vecteurs sont envoyés toutes les 30s R0 R1 R4 R0,R3,4 R1,R3,3 R2,R3,2 R3,R3,1 R4,local,0 R0,R0,1 R1,local,0 R2,R2,1 R3,R2,2 R4,R2,3 R0,4 R1,3 R2,2 R3,1 R4,0 R0,1 R1,0 R2,1 R3,2 R4,3 R0,2 R1,1 R2,0 R3,1 R4,2 R0,3 R1,2 R2,1 R3,0 R4,1 R0,R1,2 R1,R1,1 R2,local,0 R3,R3,1 R4,R3,2 R3 R0,R2,3 R1,R2,2 R2,R2,1 R3,local,0 R4,R4, Réseaux et Protocoles chap.4 16 R2 R0,3 R1,2 R2,1 R3,0 R4,1 R0,2 R1,1 R2,0 R3,1 R4,2 RIP : Apparition de D puis de R1-R4 dans les tables et vecteurs, seule la partie concernant D est représentée D R0 D,2 R1 D,3 D, R0,3 D,3 D,4 D,R1,4 R2 D,4 D,6 D,4 D,5 R4 D,R1,4 D,4 D,5 R3 D,R2,5 D,R3,6 D, Réseaux et Protocoles chap.4 17 RIP : Coupure D-R1 et comptage à l infini R0 D D,2 X D,7 R1 R4 D,R1,4 D, R2,7 D, -, D, R0,3 D,4 D, D,6 D, D,R3, 6 D,-, D,R1,4 R2 R3 D,5 D,9 D,R2,5 D, Note : routage saut par saut (hop by hop) : chaque routeur ne détermine que le prochain saut D,R1,8 D,8 D,-, vecteurs tournent en rond, +4 par tour D,R4,5 paquets pour D tournent en sens inverse: boucle 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 D,R4,9 18 L3 informatique UdS 6

7 RIP On observe comptage à l infini exemple précédent : +4 par tour limiter la métrique maximum (16 pour RIP) boucle transitoire de routage horizon partagé /retour empoisonné Si pour aller vers D le prochain saut est V On envoie (D, ) à V S il n a plus sa route, V ne passera pas par nous évite au moins les boucles de longueur Réseaux et Protocoles chap.4 19 RIP Remarque problème long à se résorber si échange de vecteurs toutes les 30 secondes Dans le comptage à l infini au moins 30s / tour => mises à jour déclenchées : envoyer vecteur si changement => risque de rafale de messages bonnes nouvelles apprises rapidement, mauvaises nouvelles lentement Remarque pendant boucle temporaire Liens saturés => risque de perdre les messages de routage 2011 Réseaux et Protocoles chap Adressage réseau Permet d identifier globalement les nœuds du réseau doit faciliter le routage => relation entre adresse et position dans le réseau Ex : Numéro de sécu, immatriculation, ou de téléphone mobile identifieur global mais pas d indication de position Ex : adresse IP ou N téléphone fixe => numéro hiérarchique correspondant à un découpage hiérarchique du réseau Tel : XY ZT : France (33), Est (3), Central 688), poste (5XYZT) (=> routage de proche en proche) netmask => réseau (130.79), sous-réseau (200), machine (1) Notation préfixe Ex : /18 Adressage sans classe (CIDR) préfixes plutôt que classe A,B ou C Table de routage destination = réseau ou sous-réseau ou (rarement) machine => diminuer la taille des tables 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 21 L3 informatique UdS 7

8 3. Protocole IP (Internet Protocol) Défini dans le RFC 791 (1981) envoi de datagrammes (paquets IP) de bout en bout à travers des (sous-)réseaux interconnectés (internet) sous réseaux hétérogènes (débit, taille trames, adressage) IP = couche unificatrice IP au dessus de tout protocole LAN, WAN, satellite, connecté ou non, règles d encapsulation du paquet IP dans une trame liaison peu de fonctions complexes (à part fragmentation) pas de retransmission (non fiable) déséquencement possible pas ou peu de contrôle de flux/congestion modèle de service usuel : «best effort» fonctions évoluées dans la couche transport (TCP) 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 22 Format du paquet IP Entête obligatoire (20 octets) + options facultatives + données (total < 2 16 octets : 64K) Entête paquet IPv4 version : n de version courante (4) Lg_ent : longueur de l en-tête (y compris option) en mots de 32 bits (20 octets sans options) type de service : priorité du paquet et type de routage souhaité (par défaut non utilisé). Maintenant utilisé pour le champ DSCP (diffserv) et pour les bits ECN longueur totale : du paquet ou fragment en nombre d octets identification, flags, offset fragment : utilisés par les procédures de fragmentation et réassemblage 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 23 Format entête IP 4 = IPv4 Longueur entête Qualité De service fragmentation version Lg_ent ToS/DSCP, ECN Longueur totale 2 identification Flags (3b), Offset fragment (13 bits) 3 TTL protocole total de contrôle entête 4 Adresse IP source 5 Adresse IP destination 6+ Eventuelles options + bourrage : N * 32 bits, N Réseaux et Protocoles chap.4 24 L3 informatique UdS 8

9 Exemple de paquet IP décripté par wireshark 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 25 Entête IP (suite) durée de vie (TTL) : durée de vie maximale paquet en nombre de secondes (décrémenté dans chaque routeur, en pratique de 1) protocole : n du protocole (de transport) auquel il faut remettre le paquet IP, lorsque la destination est atteinte ex TCP (6), UDP (17), ICMP (1), total de contrôle d en-tête (checksum) : contrôle de redondance sur l en-tête : code détecteur arithmétique adresse IP source (4 octets) adresse IP destination (4 octets) options IP (éventuelles) bourrage : quand il y a des options permet que la longueur de l en-tête soit un multiple de 32 bits 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 26 IP : Type de service ToS priorité : valeurs codées de 0 à 7 6 et 7 pour signalisation réseau (= dans la bande) bits D, T, R : qualité de service d acheminement désirée D = 1 : demande un délai d acheminement court T = 1 : demande un débit de transmission élevé R = 1 : demande une grande fiabilité ces demandes de service d acheminement ne sont pas perçues comme des exigences En standard le champ «type de service» est souvent ignoré dans la plupart des routeurs sauf maintenant par Diffserv le champ DSCP pour la classe de service codé dans ToS Bits 6 et 7 maintenant utilisés pour indication de congestion ECN 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 27 L3 informatique UdS 9

10 Contrôle de congestion et IP Pas de réel CC dans IP Congestion dans un routeur (sortie) => file d attente se remplit => délai augmente => file déborde, paquet éliminé Routeur peut envoyer message ICMP Source quench = ralentir (peu utilisé) Routeur peut marquer paquet (bits ECN) Récepteur TCP marque acquittement (option TCP) Source TCP ralentit 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 28 IP : Fragmentation et réassemblage Un paquet IP est successivement encapsulé dans les trames adaptées aux différents sous-réseaux qu il traverse chaque sous-réseau autorise une taille maximum : MTU (Maximum Transfer Unit) MTU Ethernet : 1500 octets, MTU FDDI : 4470 octets la fragmentation vise à assurer l indépendance entre le paquet IP et le MTU des sous-réseaux traversés MTU minimum : 576 octets Un fragment peut être lui même re-fragmenté Le réassemblage se fait à l arrivée fragmentation et réassemblage diminuent les performances calculs dans les routeurs 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 29 IP : Fragmentation et réassemblage (2) Entête et fragmentation Drapeaux : bit DF «Don t fragment» : si DF = 1 alors le paquet ne doit pas être fragmenté si DF = 0 alors la fragmentation est autorisée bit MF «More fragments» : si MF = 1 alors il y a encore des fragments à suivre => ce n est pas le dernier fragment du paquet si MF = 0 alors c est le dernier fragment Pour un fragment le champ offset (dep_fragment) indique sa position dans le paquet d origine Tous les fragments du même paquet ont le même identificateur remarques : offset = 0 et MF = 0 => paquet non fragmenté champ longueur = longueur du fragment 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 30 L3 informatique UdS 10

11 Réassemblage Arrivée d un paquet si MF=0 ET offset=0 paquet non fragmenté => livrer paquet sinon si premier fragment avec cet ident allouer buffer assemblage, armer timeout finsi insérer fragment dans paquet à position offset si paquet complet /* test? */ livrer paquet, libérer buffer, désarmer timeout finsi finsi Si timeout libérer buffer, envoyer message erreur ICMP finsi 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 31 IP (suite et fin) Eviter la fragmentation découverte du PMTU : «Path MTU discovery» des paquets de taille décroissante sont émis avec DF= 1 un paquet trop gros avec DF = 1 est abandonné par routeur envoi message d erreur ICMP à la source (avec MTU) dès que l on ne reçoit plus d erreur ICMP, on a trouvé le PMTU voir RFC 1191 Options d IP : source routing (indique la liste des routeurs intermédiaires) route recording : enregistre les routeurs intermédiaires limite sur la taille des options options souvent ignorées à cause du coût de traitement les routeurs traitent plus rapidement des paquets IP dont l en-tête est de longueur fixe (sans option) 2011 Réseaux et Protocoles chap Protocoles annexes ARP RFC 826 Address Resolution Protocol correspondance entre adresses de niveau 3 (IP) adresses de niveau 2 (ethernet) ICMP RFC 792 Internet Control Message Protocol messages d erreur network unreachable, TTL dépassé, Ex : traceroute Messages d information requête/réponse Ex : ICMP echo/response (utilisé par ping) 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 33 L3 informatique UdS 11

12 ICMP : exemple de traceroute traceroute to ( ), 64 hops max, 40 byte packets 1 api-rc1-ge ( ) ms ms ms 2 crc-rc1-ge ( ) ms ms ms 3 gi3-3-strasbourg.cssi.renater.fr ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms 8 ge3-0-0-dcr2.par.cw.net ( ) ms ms ms 9 xe xcr1.fra.cw.net ( ) ms xe xcr1.fra.cw.net ( ) ms xe xcr1.fra.cw.net ( ) ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ms ( ) ms ms ( ) ms ( ) ms ( ) ms ms ( ) ms ( ) ms ( ) ms 15 bw-in-f147.google.com ( ) ms ms ms 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 34 Traceroute : capture des paquets À l arrivée 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 35 ICMP : messages d erreur 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 36 L3 informatique UdS 12

13 ICMP : ping 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 37 Routeur IP (avec RIP) configuration Signalisation Message RIP RIB Algo routage Message RIP Données FIB IP destination File d attente A, données Commutation paquet entrée Consultation table sortie 2011 Réseaux et Protocoles chap traitement des paquets paquets classifiés en entrée prioritaires ou non conformes ou non, etc, en fonction de la classification et du routage (FIB) mis dans une file d attente de sortie(parmi n) Généralement FIFO ou éliminés Destination inaccessible, TTL dépassé, etc Plus de place dans la FIFO Si une seule file (classe) / sortie : FIFO Si plusieurs files pour une sortie politique d ordonnancement des paquets priorité (file prioritaire vidée avant d utiliser file moins prioritaire) ordonnancement équitable : files à tour de rôle nombreuses variantes 2011 Réseaux et Protocoles chap.4 39 L3 informatique UdS 13