2.1 Architecture des réseaux et modèles en couches

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1 2A SI 2 - Architecture des systèmes de communication Architecture des réseaux et modèles en couches Stéphane Vialle Stephane.Vialle@supelec.fr Support de cours élaboré avec l aide de l équipe pédagogique du cours de SI 2.1 Architecture des réseaux et modèles en couches Taxonomie et Normalisation Modes de communication Introduction de la notion de protocole Modèle de référence OSI 2 1

2 Catégories des réseaux Critères de classement des réseaux : Connectivité: point à point ou multipoint Distance (échelle géographique) Topologie Performances 3 Taxonomie des réseaux connectivité: point à point ou multipoint Réseaux Point à Point Ex: PPP (Point-to-Point Protocol), tunnels VPNs Modem PPP Modem internet Réseaux MultiPoints Ex: IP, Ethernet, ATM, Nécessite un adressage unique dans le réseau Réseau Adresse individuelle Adresse individuelle Adresse individuelle 4 2

3 Taxonomie des réseaux Distance WAN Wide Area Networks Réseaux de transport des opérateurs de télécommunications Nationaux ou internationaux (W)MAN (Wireless) Metropolitan Area Network Réseaux d'accès "Boucle locale" Desserte des abonnés sur "le dernier kilomètre" FDDI, et désormais Ethernet (W)LAN (Wireless) Local Area Networks Réseaux locaux d'entreprise Réseaux locaux industriels, "bus de terrain" Wireless LAN: WiFi Home networks (W)PAN (Wireless) Personal Area Networks Interconnexion d'équipements intelligents (GSM, PDA, etc.) Bluetooth 5 Taxonomie des réseaux Distance Ethernet Token-Ring WiFi Infiniband Bluetooth RNIS X25 / Frame Relay ATM Ethernet Boucle Locale FDDI Ethernet 6 3

4 Taxonomie des réseaux Topologie 7 Taxonomie des réseaux Performances Débit Nombre de bits par unités de temps Bandwith, throughput, bit rate Latence Temps entre émission et réception d un bit Delay, latency Temps aller-retour (RTT Roud Trip Time) Fiabilité Taux d erreurs Tolérance aux pannes 8 4

5 Normalisation Nécessité de la normalisation Normalisation : assujettissement à des normes, des types, des règles techniques Norme : principe, règle, type, modèle Des normes multiples et incompatibles coexistent et des passerelles existent entre elles Constructeurs informatiques et Opérateurs de télécommunication 9 Comment naissent les normes? ISO International Standards Organisation Normes internationales (IS) AFNOR Association Française de NORmalisation DIN Deutsches Institut für Normung ANSI American National Standards Institute Etc. ITU International Telecommunications Union ITU-T, secteur Télécoms, ex CCITT ITU-R, secteur Radio, ex CCIR Recommandations (ex avis) IEEE Institute of Electrical & Electronical Engineers ECMA, European Computers Manufacturers Association MAP, Manufacture Automation Protocol 10 5

6 Les enjeux de la normalisation Un domaine difficile Rapidité des avances technologiques Complexité des problèmes Imbrication Informatique, Télécoms et Audiovisuel Importance des enjeux économiques Des situations diverses Norme de droit : GSM Norme de fait : TCP/IP Standard propriétaire : Microsoft Windows Architecture des réseaux et modèles en couches Normalisation Modes de communication Introduction de la notion de protocole Modèle de référence OSI 12 6

7 Modes de communication Les Modes de transmission Le mode circuit (physique) Un circuit physique dédié Avec éventuellement multiplexage fréquentiel Ex: Boucle locale, WDM (Wavelength Division Multiplexing) Le multiplexage temporelle synchrone Au cœur des réseaux Télécom (adapté à la voix) Ex: RNIS, SDH/PDH/SONET Le multiplexage temporelle asynchrone Adapté aux réseaux de données Ex: Ethernet, IP, X25, Frame-Relay, ATM 13 Modes de transmission Mode circuit physique (avec multiplexage fréquentiel) Modem ADSL Fréquence Modem ADSL Réseau données Boucle locale (paire de cuivre) 4kHz A/D 8 khz RTC numérique Exemple de la boucle locale: Un circuit physique dédié (paire cuivre) Multiplexage fréquentiel pour mieux exploiter le lien Transport de la voix (en analogique), bande de 4kHz Transport de données sur la bande restante (1 à 2 MHz) Trop coûteux et peu fiable sur de longues distances 14 7

8 Modes de transmission Mode circuit physique avec multiplexage temporel synchrone CAN boucle locale RTC numérique CAN boucle locale Ch. 1 Ch. 2 Ch. 3 Ch. 4 Ch. 5 Ch. 6 Chs Ch. 31 Chaque signal en entrée est à 64 kbps Mux E trames par Seconde (1 trame toutes les 125 Microsecondes) Ch 1 Ch 2 Ch 3 Ch 4 Ch 5 Ch 6 Chs 7-30 Ch kbps x 32 = Mbits/s Fournit de la «QoS» (Quality of Service) Ch 1 15 Modes de transmission Mode paquet avec multiplexage temporel asynchrone a noeud rattachement c b b a c noeud de transit Réseau de transport Mutualisation des liens physiques Un en-tête permet l acheminement au niveau des nœuds de transit 16 8

9 Modes de transmission Mode paquet avec multiplexage temporel asynchrone Routage de datagrammes : ~ La poste Adapté aux réseaux informatiques Ex: IP 17 Modes de transmission Mode paquet avec multiplexage temporel asynchrone Routage de paquets : à chaque paquet est ajouté Table de routage Dest inter suivant l adresse unique du destinataire Lille s0 R2 Acheminement selon la topologie Rome s1 Florence s1 du réseau Istanbul s2 Indépendance des chemins suivis par les paquets Indépendant des communications s0? en cours IP s1 e0 En cas de panne, le changement de s2 R1 topologie est détecté et les communications continuent en empruntant un autre chemin Comment fournir de la «QoS»? En surdimensionnant 18 9

10 Modes de transmission Mode paquet en circuit virtuel Principes du circuit virtuel : A chaque paquet est ajouté une information locale d acheminement (numéro de voie logique) Acheminement selon une table locale d acheminement prédéfinie, initialisé à la connexion de la communication Un paquet de contrôle fait son chemin et les autres suivent L ensemble des tables locales définit un circuit virtuel que tous les paquets d une même communication suivent 19 Modes de transmission Mode paquet en circuit virtuel Commutation de circuit virtuel : ~ plan de route précalculé avec indication locales (initialisé à la connexion) tourner à droite au rond point au feu, tourner à gauche, Adapté aux réseau d opérateurs télécom Ex: X25, Frame-Relay, ATM On reste en multiplexage temporel asynchrone, mais : Le routage est plus rapide Tous les paquets se suivent dans l ordre sur le chemin On arrive à fournir de la «QoS» 20 10

11 Modes de transmission Mode paquet en circuit virtuel Commutation de circuit virtuel : 4 Entrée Sortie Port Voie Port Voie Paquet # Paquet #4 Entrée Sortie Port Voie Port Voie Entrée Sortie Port Voie Port Voie Paquet #1 1 3 Paquet # Modes de transmission Synthèse A B C MUX temporel s A B C s A B C s A B C s A B C s A B C A A C B A Multiplexage temporel synchrone Multiplexage temporel asynchrone - Paquets de taille variable Routage ou circuit-virtuel C C Multiplexage temporel asynchrone - Petits paquets de taille fixe (cellules) B A C mode circuit mode paquet 22 11

12 Modes de communication Mode connecté Mode connecté Connection Oriented 3 phases Etablissement (négociation) Exploitation (transfert de données) Terminaison Contrôle de la transmission (Détection et correction d'erreur) (Contrôle de flux) Contrôle du séquencement 23 Modes de communication Mode non connecté Mode sans connexion Datagramme Connectionless Envoi d un datagramme Stockage dans une boite à lettres Le destinataire le récupère quand il veut Simplicité de mise en œuvre Pas de contexte de communication Pas ou peu de contrôles 24 12

13 Modes de communication Mode duplex Unidirectionnel Simplex Bidirectionnel à l'alternat Half Duplex Bidirectionnel simultané Full Duplex Simplex Ex: radio diffusion Duplex à l alternat Ex: talkie-walkie Full duplex Ex: téléphone 25 Modes de communication Support de la diffusion Diffusion Broadcast Diffusion Multicast Réseaux multipoints sans diffusion Ex: RNIS, X25, Frame-Relay, ATM Souvent dans les architectures d opérateur télécom Réseaux multipoints avec diffusion Ex: tous les réseaux locaux 26 13

14 2.1 Architecture des réseaux et modèles en couches Normalisation Modes de communication Introduction de la notion de protocole Modèle de référence OSI 27 Introduction de la notion de protocole Convention permettant de transférer de l information entre les entités en relation Format des messages Ex: segment TCP Règles d'échange Ex : états de TCP Port source Port destination Numéro de séquence Numéro d'accusé de réception Hlen Drapeaux Fenêtre Checksum pointeur d'urgence Options Données

15 Introduction de la notion de protocole Dans le modèle client/serveur, le protocole est implémenté dans les 2 acteurs Client Web Serveur proxy Serveur Web «x» HTTP/PROXY Client Web Lien Lien ftp://y Serveur Web Client Web HTTP Serveur Web Client FTP FTP Serveur FTP Serveur FTP «y» 29 Introduction de la notion de protocole Convention permettant de transférer de l information entre les entités en relation Un protocole implémente un ensemble de services nécessaires à la communication Ex: Comment dois-je parler?! 30 15

16 Introduction de la notion de protocole Convention permettant de transférer de l information entre les entités en relation Un protocole implémente un ensemble de services nécessaires à la communication Ex: Contrôle de l accès à un média partagé Identification des entités en communication Détection/Correction d erreurs de transmission Contrôle de flux 31 Notion de protocole Méthode d accès au média partagé Dans les réseaux multipoints utilisant un média partagé, les «protocoles de bas niveau» doivent définir la méthode d accès Règles de prise de la parole (occupation du média) Maître-Esclave Jeton Token Passing A collisions Polling Response 32 16

17 Notion de protocole Détection d erreur Emetteur Entête [Données] Contrôle Récepteur Contrôle = Entête [Données] Contrôle Réception "correcte" Emetteur Entête [Données] Contrôle Récepteur Contrôle Entête [Données] Contrôle Message "erroné" 33 Notion de protocole Correction d erreur Utilisation de code correcteur d erreurs Emetteur Entête [Données] Contrôle Récepteur Contrôle Entête [Données] Contrôle Message "erroné" Récepteur Contrôle Entête [Données] Contrôle Code autocorrecteur Entête [Données] 34 17

18 Notion de protocole Correction d erreur Correction par retransmission systématique Exemple: protocole du bit alterné Perte du paquet 1 et retransmission «Perte» du Ack(1) et duplication de paquet Temporisation Temporisation 35 Notion de protocole Correction d erreur Correction par retransmission avec fenêtre d anticipation Rejet non sélectif Go Back N (TCP/IP) Rejet sélectif 36 18

19 Notion de protocole Contrôle de flux 37 Notion de protocole Pile de protocoles Un protocole est spécialisé dans un ensemble de services nécessaires mais pas toujours suffisant Pour une communication complète d application à application, plusieurs services protocolaires sont souvent requis Ex: client Web et serveur Web implémentent HTTP afin de demander et servir des pages Web Ils ne s occupent pas de la transmission des données (par exemple de la gestion des erreurs de transmission) 38 19

20 Notion de protocole Pile de protocoles Un protocole est spécialisé dans un ensemble de services nécessaires mais pas toujours suffisant Pour une communication complète d application à application, plusieurs services protocolaires sont souvent requis Ex: client Web et serveur Web implémentent HTTP afin de demander et servir des pages Web Ils ne s occupent pas de la transmission des données (par exemple de la gestion des erreurs de transmission) De même ils sont indépendants du type de réseau physique sousjacent Comment réaliser «l empilement» de ces services tout en respectant l indépendance des divers protocoles? 39 Notion de protocole Pile de protocoles Idéalement les protocoles doivent pouvoir être utilisés indépendamment les uns des autres Ex: Utiliser le même client Web sur un réseau Ethernet ou WiFi Exemple: pile de protocoles dans le monde windows OSI TCP Réseau Microsoft (partage de fichiers, d imprimantes, ) UDP NETBIOS SPX Utilisation d un modèle en couches indépendantes Notion de piles de protocoles Formalisé par le modèle de référence en couches OSI Réseau (CLNP) IP IPX Liaison de donnée Physique NETBEUI 40 20

21 2.1 Architecture des réseaux et modèles en couches Normalisation Modes de communication Introduction de la notion de protocole Modèle de référence OSI 41 Modèle de référence OSI Principe du modèle en couches Lorsqu'on doit concevoir un système complexe : Une structure explicite permet l'identification et les relations entre les différentes parties du système un modèle de référence en couches constitue une base de discussion La modularité facilite la maintenance et la mise à jour du système la modification d'une couche reste transparente au reste du système 42 21

22 Modèle de référence OSI Aspect vertical couche (N+1) La couche (N+1) voit la couche (N) uniquement par le service offert couche (N) La couche (N+1) n a aucune vue sur la couche (N-1) couche (N-1) La couche (N) est séparée de la couche (N-1) et de la couche (N+1) par une interface de service bien définie 43 Modèle de référence OSI Aspect horizontal couches supérieures hôte A hôte B couche (N) entité (N) protocole (N) entité (N) couches inférieures Le protocole (N) définit les règles de communication à l intérieur de la couche (N) Les entités (N) représentent les éléments actifs de la couche (N) 44 22

23 Modèle de référence OSI Empilement des couches hôte A hôte B protocole 5 couche 5 couche 5 interface 4/5 protocole 4 couche 4 couche 4 interface 3/4 protocole 3 couche 3 couche 3 interface 2/3 protocole 2 couche 2 couche 2 interface 1/2 protocole 1 couche 1 couche 1 Communication virtuelle Aucune donnée n est passée directement de la couche (N) de A à la couche (N) de B Communication réelle La couche (N) passe les données à la couche (N-1) support de transmission 45 Modèle de référence OSI Exemple des philosophes Les philosophes... Les traducteurs ajoutent de l information qui leur est propre Les secrétaires ajoutent de l information qui leur est propre La transmission a lieu 46 23

24 Modèle de référence OSI Pourquoi faire? Open Systems Interconnection Travaux entrepris à l ISO en 1977 Norme publiée 1978 : IS 7498 Entériné par les grands équipementiers entre 1984 et 1985 Pourquoi faire? Régler les problèmes de l interconnexion de systèmes hétérogènes (logiciel et matériel) Portée du modèle? A donné l exemple en terme d effort de normalisation Le modèle décrit sert de référence même si dans la pratique peu de protocoles sont véritablement conformes 47 Modèles de référence OSI : analogie 48 24

25 Modèle de référence OSI Les 7 couches application présentation session transport réseau liaison de données physique Couches hautes rendent un service d'accès comportent les fonctions de traitement sur les données transportées Couches basses rendent un service de transport comportent les fonctions de transmission de données 49 Modèle de référence OSI Les 7 couches Couches basses 1. Physique (P) Transmission des éléments binaires sur les liaisons 2. Liaison de données (DL) Echange de trames Détection [correction] des erreurs Méthode d accès : partage du droit à la parole en multipoint 3. Réseau (N) Adressage [Détection, correction] Notification d'erreurs Routage et acheminement des paquets Segmentation/Réassemblage Multiplexage 4. Transport (T) Contrôle de bout en bout Couches hautes 1. Session (S) Organisation du dialogue entre applications, synchronisation 2. Présentation (P) Représentation des données entre systèmes hétérogènes 3. Application (A) Transfert de fichiers Courrier électronique Etc

26 Modèle de référence OSI Fonctionnement des 7 couches Chacune des 7 entités prend en charge les fonctions de son niveau en dialoguant avec l'entité distante de même niveau suivant un protocole de couche fournissant un service à l'entité supérieure à travers une interface de service utilisant un service du niveau inférieur But d'un niveau : offrir à la couche supérieur un service plus riche que celui de couche inférieure N+1 N N-1 services services N+1 N N-1 N+1 N N-1 services services 51 Modèle de référence OSI Encapsulation dans le modèle OSI Les entités de niveau N dialoguent entre elles par des PDU(N) Couche N+1 Les PDU(N+1) sont transmises au niveau N sous forme de SDU (N) par l'interface de service SAP(N) On construit la PDU(N) en ajoutant à la SDU(N) les informations PCI(N) Interface de service N PCI (N) PDU (N+1) SDU (N) protocole N+1 SAP (N) PDU : Protocol Data Unit SDU : Service Data Unit PCI : Protocol Control Information SAP : Service Access Point Couche N PDU (N) protocole N 52 26

27 Modèle de référence OSI Encapsulation hôte source hôte destinataire de niveau 7 m7 de niveau 6 H6 m6 H6 m7 de niveau 5 H5 m5 H5 m6 de niveau 4 m4 m5 de niveau 3 H3 m3 H3 m4 de niveau 2 H2 m2 H2 m3 de niveau 1 H1 H1 m2 53 Modèle de référence OSI Encapsulation m7 de niveau 7 m7 H6 m7 de niveau 6 H6 m7 H5 H6 m7 de niveau 5 H5 H6 m7 H5 H6 m7 de niveau 4 H5 H6 m7 H3 H5 H6 m7 de niveau 3 H3 H5 H6 m7 H2 H3 H5 H6 m7 de niveau 2 H2 H3 H5 H6 m7 H1 H2 H3 H5 H6 m7 de niveau 1 H1 H2 H3 H5 H6 m7 hôte source hôte destinataire 54 27

28 Modèle de référence OSI Encapsulation et segmentation m de niveau 7 m M de niveau 6 M M de niveau 5 M M1 M2 de niveau 4 M1 M2 H3 M1 H3 M2 de niveau 3 H3 M1 H3 M2 H2 H3 M1 T2 H2 H3 M2 T2 Prot. de niv. 2 H2 H3 M1 T2 H2 H3 M2 T2 hôte source hôte destinataire 55 Modèle de référence OSI Primitives dans le modèle OSI Requête Confirmation Indication Réponse Entité protocole Entité services sous-jacents 56 28

29 Modèle de référence OSI Primitives dans le modèle OSI 4 types Requête : à l'initiative de (N), provoque une action (N-1) Confirmation : (N-1) rend compte à (N) du résultat de la requête Indication : (N-1) provoque une action dans (N) Réponse : (N) rend compte à (N-1) du résultat de l'indication Nommage : X-xxxxxx-type X : couche xxxxxx : élément de service type : type de requête T-CONNECT-req : requête de connexion de la couche Transport faite par la couche Session 57 Modèle de référence OSI Connexions OSI Mode connecté : plus sûr 1. (N) demande à (N-1) la connexion vers SAP(N-1) 2. Si la connexion est acceptée (après négociation), elle est connue par les 2 CEP(N-1) (Connection End Point) 3 partenaires : 2 entités (N) et service (N-1) 3. Si l'entité (N-2) propose un service de connexion, (N-1) le demande. Sinon, il faut le gérer par le protocole (N-1) - demande/acceptation connexion/déconnexion - acquittement/rejet PDU - PDU numérotées Mode non connecté La SDU est transmise vers SAP sans préalable => aucune garantie de transmission Accusé de réception toutefois possible sur demande 58 29

30 Modèle de référence OSI Connexions OSI 59 Modèle de référence OSI Autres fonctionnalités des couches Multiplexage / Démultiplexage Pour mieux utiliser les connexions (N-1) en cas de coût important ou de sous-utilisation N+1 N N-1 N connexions N-1 connexion Éclatement / Recombinaison Si débit (N-1) insuffisant ou pour des raisons de sûreté de transmission (2 canaux) N+1 N N-1 Remise en ordre des PDU(N) obligatoire 60 30

31 Modèle de référence OSI Autres fonctionnalités des couches Groupage / Dégroupage 1 seule PDU (N) regroupe plusieurs SDU(N) Chaque SDU(N) a son propre entête Couche N PCI(N) SDU(N) PCI(N) SDU(N) PDU (N) 61 Modèle OSI : Open Systems Interconnection 62 31

32 Modèle de référence OSI Interconnexion dans le modèle OSI m M4 m H 3 M4 H3 M3 H3 M4 M 3 H 3 M4 H2 M2 H2 M3 h2 m2 h2 M 3 H1 M1 H1 M2 h1 m1 h1 m2 hôte source Equipement d interconnexion de niveau 3 hôte destinataire 63 Modèle de référence OSI Interconnexion dans le modèle OSI m m m m H3 m H3 m H 3 m H 3 m H2 H3 m H2 H3 m h2 H 3 m h2 H 3 m H1 H2 H3 m H1 H2 H3 m h1 h2 H 3 m h1 h2 H 3 m hôte source Equipement d interconnexion de niveau 3 hôte destinataire 64 32

33 Modélisation d un protocole (1) SDUs Automate A PDUs SDUs Automate B Voir TD 1 Automates Etats-Transitions avec canal parfait Etats : Non connecté En attente de connexion Connecté Transitions : Evénement Réception d un PDU, d une SDU Expiration d un temporisateur Prédicat : condition (optionnelle) Action Emettre un PDU, une SDU Armer/Désarmer un temporisateur 65 Modélisation d un protocole (2) Voir TD 1 SDUs SDUs Automate A PDUs CANAL PDUs Automate B (avec pertes) Environnement Automates Etats-Transitions avec canal imparfait 66 33

34 Bases du modèle TCP/IP : Modèle (de la pile) TCP/IP Modèle en 4 couches seulement Plus réaliste : modèle implanté réellement (!) Application Transport TCP Interconnexion - IP Internetwork Interface avec le réseau Application d accès au réseau : transfert de fichiers, gestion de messages, Transmission de bout en bout Routage des données, masquage des réseaux réels empruntés Matériel et accès au supports A commencé à exister (implanté) avant le modèle OSI A évolué avec le réseau mondial (Internet) 67 34