ITC7-2 éseaux OSI et IP Olivier Togni Bibliographie OSI et IP (Olivier Togni) outage (A. Dipanda) TPs: mise en place d'un réseau (A. DaCosta, M. Choisnard) G208 3CM + 2TD Plan: Principes des réseaux Classification, Modélisation OSI, principes généraux Architecture TCP/IP Fonctionnement, Normes et Protocoles associés Les éseaux (édition 2003 ou format poche 2002) Guy Pujolle - yrolles éseaux (4 édition) Andrew Tanenbaum - Pearson ducation - 2003 Analyse structurée des réseaux (2 édition) J. Kurose & K. oss - Pearson ducation - 2003 Principes des réseaux numériques Classifications des différents réseaux Modèle OSI Qu est-ce qu un réseau? nsemble de ressources permettant l échange de données entre systèmes éloignés Classification des réseaux informatiques selon leur taille Bus Structure D intercon nexion LAN éseaux locaux MAN éseaux métropolitains 1 m 1 0m 1 00m 1 km 1 0km 1 00km WAN éseaux étendus éseaux en mode diffusion Le support de transmission est partagé: le message envoyé par un équipement est reçu par tous les équipements, c'est l'adresse contenue dans le message qui permet à chacun de savoir si le message lui est adressé A tout moment, un seul équipement a le droit d 'envoyer un message sur le support => écoute et protocole spécifique éseaux locaux, sattélitaires et radio utilisent le plus souvent ce mode
Topologies en mode diffusion éseaux en mode point-à-point Le support physique relie une paire d équipements => il faut passer par des éléments intermédiaires Topologie des réseaux point-à-point Bus Anneau Arbre Anneau Maillage irrégulier outeur ou commutateur Mode de fonctionnement Mode de fonctionnement Mode de transfert Avec connexion Un canal est créé entre les deux éléments 1. demande d'établissement de la connexion par l'émetteur par envoi d'un bloc de données spécial 2. si le récepteur refuse, la communication n'a pas lieu 3. la connexion est établie par mise en place d'un circuit virtuel 4. transfert des données 5. libération du circuit x: le téléphone Sans connexion Les blocs (appelés datagrammes) sont envoyés sans savoir si le destinataire et les noeuds intermédiaires sont actifs x: le courrier postal Commutation de circuit Commutation de messages Commutation de paquets Commutation de cellules
A B C D A B C D Comparaison commutation de messages/paquets 1 2 3 1 A 2 3 1 B 2 3 C D Commutation de messages Commutation de paquets temps Architecture OSI Différents types de réseaux et médias utilisés => nécessité d utiliser des langages communs Protocole = ensemble de règles nécessaires à la réalisation d un service Transfert de données => architecture matérielle et logicielle Modèle OSI Début des années 70 Open System Interconnection normalisé par l ISO (International Standard Organisation) Système ouvert=ordinateur, terminal, réseau, autre équipement respectant cette norme Découpe l architecture en 7 couches de protocoles Une couche de niveau N utilise un service de la couche inférieure pour fournir un service à la couche supérieure Modèle OSI 7 Application 6 Présentation 5 Session 4 Transport 3 éseau 2 Liaison 1 Physique émetteur A récepteur B application présentation session transport réseau liaison réseau liaison réseau liaison application présentation session transport réseau liaison physique physique physique physique Support physique Support physique Communication entre couches Couche physique Transmission de bits en fonction du support physique Maintien et désactivation des connections physiques Couche Liaison Illusion d une ligne parfaite entre deux machines: Découpage en trames, Détection/Correction d erreurs, eémission si nécessaire
Couche réseau Couche transport Couche session elai et amélioration des services entre entités de réseau: Adressage, routage, Contrôle de flux, Détection/Correction d erreurs non réglées par la couche 2 Découpage des données de la couche session Assurance que tous les paquets arrivent correctement multiplexage Offrir une session de communication à l utilisateur Gérer le droit à la parole Synchroniser Compresser, chiffrer les données Couche présentation S occupe de la syntaxe et de la sémantique de l info => codage, décodage Couche application Définit un terminal de réseau virtuel Transfert de fichiers, courrier électronique Couche Physique Objectif: Transport d un flot de bits d une machine à une autre => Connaître le support Définir la méthode utilisée pour la transmission Transmission basée sur la propagation d une onde électrique (cables, fils) radio (faisceau hertzien, satellite) lumineux (fibre optique, infrarouge) Caractéristiques des supports xtrait de «Transmissions et réseaux», p. 95
Information transmise en modifiant dans le temps les ondes émises: directement par modulation => Opération réalisée par un TCD (adaptateur de ligne) interface ligne TTD TCD TCD TTD TTD= quipement Terminal de Traitement de données x: ordinateur, imprimante, TCD= quipement de Terminaison de Circuit de données X: modem, multiplexeur, adaptateur Transmission du signal numérique Numérique = discontinu (discret), 2 valeurs Analogique = continu 1. n bande de base (sans transfo. en analogique) Distance petite (<1km) Débit important => éseaux locaux TTD TCD Codeur en Bande de base TTD TCD répéteur TTD TCD Codages en bande de base NZ (No eturn to Zero): 0 -> -5V 1 -> +5V Biphase ou Manchester: 1 -> passage de + à - 0 -> passage de à + Différentiel: Changement si 0, pas de transition sinon Miller: Transition en milieu de bit si 1, pas de transition sinon Transition en fin de bit si 0 suivi de 0 Codages classiques 2. Transmission par modulation Conversion numérique -> analogique Utile si grande distance, bruit, TCD = modem (modulateur/démodulateur) Modulation par amplitude Modulation d amplitude saut de fréquence FSK (Frequency Shifting Key) saut de phase PSK (Phase Shift Keying)
Modulation de fréquence Modulation de phase Combinaison Amplitude/Fréquence/Phase Si on peut émettre et détecter plus de deux états (d amplitude, de fréquence ou de phase), alors chaque état peut coder plus d un bit. x: 4 phases combinées à 2 amplitudes = 8 (2 3 ) états différents => 3 bits/état Modems: 2 normes QAM (Quadrature Amplitude Modulation) code 4 bits par état dans la version de base TCM (Treillis Coded Modulation) code 5 bits par état dans la version de base Diagramme spatial Combinaison phase+amplitude peut être représentée par un diagramme dans le plan: 111 011 010 100 000 110 101 001 Ici, il y a 2 amplitudes et 8 phases mais seulement 8 points sur le diagramme => chaque état code 3 bits Vitesse de transmission Vitesse de transmission ou débit binaire=nombre de bits transmis en une seconde (b/s) Vitesse (ou rapidité) de modulation=nombre d états de modulation par seconde (bauds) Si un bit est codé par un état de modulation, les deux unités sont équivalentes Si plusieurs bits codés par un état, alors débit binaire multiple de la vitesse de modulation x: modem V34, TCM 9 bits, 3200 bauds =>? b/s Caractéristique d une voie Loi de Shanon: Capacité C = Wlog 2 (1+S/B) C: débit binaire maximum (bits/s) S/B: rapport Signal/Bruit W: largeur de bande de la voie (Hz) x: réseau téléphonique W=3100Hz S/B=1000 (30dB) C=31000 b/s
Mode de synchronisation Pour transmettre une information sur une ligne, On a besoin de déterminer le moment de changement d état du signal: c est la synchronisation Mode synchrone synchronisation établie au départ, recalée en permanence les caractères se suivent les uns les autres (éventuellement séparés par un multiple entier du cycle d horloge) Mode asynchrone synchronisation établie à chaque caractère envoyé les caractères sont émis à des intervalles quelconques caractère délimité par 1 «bit» STAT et 1 ou plusieurs «bits» STOP em: + le message est long, + la vitesse de modulation est élevée, + c est difficile => l TCD entretien une horloge H H Deux modes possibles: Le mode synchrone et le mode asynchrone Synchro 1er caractère 2ème caract. repos bit start bits de données caract. n bit stop Mode de transmission Multiplexage Couche Liaison unidirectionnel (simplex) bidirectionnel à l alternat (half-duplex) Une liaison unique entre deux sites peut être partagée par plusieurs équipements Multiplexeur Multiplexeur Objectif: assurer une communication fiable et efficace entre deux équipements adjacents, i-e. les données fournies à la couche réseau doivent être dans l ordre, bidirectionnel (full-duplex) Canaux (Voies basses vitesses) Ligne de transmission Canaux sans erreurs, sans pertes, sans duplications / / 3 types de multiplexage: fréquenciel, temporel, statistique
Services Hypothèses sur le canal: les bits sont délivrés dans l ordre, mais certains peuvent changer de valeur, apparaître ou disparaître => Découpage des messages en trames de bits et contrôle des erreurs à l intérieur des trames: codes correcteur/détecteur contrôle des erreurs sur les trames: acquittements, temporisateurs, numérotation des trames contrôle de flux Utilité de la couche liaison Un message provenant des couches hautes est découpé en 10 trames, chacune ayant 80% de chance d arriver intacte. Si la couche liaison n effectue aucun contrôle, combien de fois faudra t il réémettre le message pour qu il arrive entier en bon état? Chances que m soit correct: (80/100) 10 ~ 1/10 => n moyenne, il faudra envoyer 10 fois le message Détection/correction d erreurs Taux d erreur de différents supports: Ligne téléphonique: 10-5 Câble coaxial: 10-7 -10-8 Fibre optique: 10-10 -10-12 Codes correcteurs ou codes détecteurs d erreurs: transformation de la suite de bits à envoyer par ajout d info à base de bits de redondance ou bits de contrôle. Le récepteur utilise cette info ajoutée pour déterminer si une erreur s est produite et pour la corriger si la technique le permet. Les codes Pouvoir Détecteur/Correcteur Les protocoles AQ Code de longueur N: ensemble de séquences de N bits Distance de Hamming entre deux séquences u et v: D h (u,v)= nombre de positions binaires des séquences u et v qui correspondent à des valeurs différentes Distance de Hamming du code: D h (C)=minimum des distances entre deux séquences quelconques du code C x: C={0011,0101,1001,0110,1010,1100} D h (0011,0101)=2 D h (C)=2 Pouvoir détecteur du code C: nombre maximum de bits erronés qui peuvent être détectés = D h (C)-1 Pouvoir correcteur: nombre maximum de bits erronés avec possibilité de reconstruire le message initial = (D h (C)-1)/2 AQ (Automatic epeat equest): l émetteur attend les acquittements positifs ou négatifs; le récepteur détecte les erreurs et selon le cas, ignore la trame ou demande sa retransmission Deux types de protocoles AQ: protocoles «envoyer et attendre» (send and wait) protocoles «continus» (continuous ou pipelined AQ) ou «à fenêtre d anticipation»
Protocoles «envoyer et attendre» AQ: trame erronée AQ: trame perdue But: empêcher l émetteur d envoyer des données plus rapidement que le récepteur ne peut les traiter Solution de ralentir le débit d émission des trames non satisfaisant: quel choix de temporisation? Méthode: obliger le récepteur à informer l émetteur de son état -> acquittements coté émetteur: envoyer et attendre Temps trame1 trame2 N trame2 =Acquittement positif N=Acquittement négatif Temporisateur trame1 trame2 trame2 numérotation des trames numérotation des acquittements Protocoles «à fenêtre d anticipation» Tempo Trame1 Trame1 Tempo Trame(1) Trame(1) Tempo Trame(1) Trame(1) Tempo Trame(1) (1) Trame(1) Données et acquittements dans les deux sens (mode bidirectionnel) nvoi d un certain nombre de trames sans attendre d acquittement (pipelining) Trame(2) Trame(2) (1) Acquittements ajoutés à des trames de données envoyées dans l autre sens (piggypacking) Trame(2) => Besoin de tampons pour trames non encore acquitées
Fenêtre d anticipation Trames ont un numéro de séquence codé sur n bits em: si n=1 => «envoyer et attendre robuste» Fenêtre d émission (coté émetteur): Liste des numéros de séquence des trames autorisées à être émises Fenêtre de réception (coté récepteur): Liste des numéros de séquence des trames autorisées à être reçues Deux familles de protocoles Protocoles basés sur le caractère Trame = suite de caractères x: BSC (Binary Synchronous Communications) d IBM Protocoles basés sur l élément binaire: Trame = suite de bits x: SDLC(Synchronous Data Link Control) d IBM HDLC (High Level Data Link Control) de l ISO PPP (Point-to-Point Protocol) Le protocole HDLC xploitation full-duplex de la liaison Basé sur l élément binaire: -> pas d interprétation du contenu -> transparence / aux codes éventuellement utilisés Protocole synchrone fenêtre d anticipation de taille 8 (sur 3 bits) Protocoles dérivés: LAP (Link Access Protocol) A, B, D HDLC: Format des trames Sortes de trames Trame Information Bits 8 8 8 16 8 0 Fanion Adresse Commande Données Contrôle Fanion 3 sortes identifiées par le champ de commande: Sert à l envoi des données provenant de la couche supérieure. Fanion: 01111110 =>Ajout d un 0 après cinq 1 consécutifs dans les données Adresse: identifie un terminal particulier sur une liaison multipoint Commande: numéro de séquence, acquittement Données: n importe quelle info (longueur arbitraire) Format I Format S Format U 1 2 3 4 5 6 7 8 0 Sequence P/F Suivant 1 0 Type P/F Suivant 1 1 Type P/F Modif Format du champ Commande: N(S) P N() 1 2 3 4 5 6 7 8 0 N(S) P N() = numéro de séquence en émission = invitation ou non à émettre (1=oui) = numéro de séquence en réception Contrôle: code CC modifié pour fanion
Trame Supervision Permet le transport des commandes 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 Type P/F N() Type = 0: 1: ej 2: N 3: Srej P/F = invitation à émettre s il provient d une commande, fin lorsqu il provient d une réponse N() = numéro de séquence en réception Champ «type» (eceive eady): utilisé pour indiquer que le récepteur est prêt à recevoir Accuser réception des trames reçues de numéro de séquence N()-1 N (eceive Not eady): indiquer un état d occupation du récepteur + ack trames N()-1 ej (eject): demande de retransmission des trames à partir de N() Srej (Selective eject): Idem ej mais uniquement pour trame n N() Trame Unnumbered Trame non-numérotée, ou de gestion 1111P100 SABM (mise en mode asynchrone équilibré) 1100P010 DISC (déconnexion) 1100P110 UA (Accusé de réception non numéroté) 1111F000 DM (mode déconnecté) 1110F001 FM (rejet de trame) xemple d échange HDLC SABM I,N(S)=0 I,N(S)=1 I,N(S)=2 I,N(S)=3 I,N(S)=4,N()=0,P=1,N()=0,P=1 I,N(S)=5 A B UA,N()=2 N,N()=5,N()=5,F=1 PPP Liaison d accès au réseau Internet ou liaison entre deux routeurs HDLC+ champ pour spécifier le protocole de niveau supérieur (IPv4, IPv6, IPX, ) Octets 1 1 1 1 ou 2 0 2 ou 4 1 Fanion Adr Cmd Proto Données Ctrl Fanion Trame thernet @DST, @SC= adresses sources et destination physiques (adr MAC) Octets 7 1 6 6 2 46->1500 4 Préambule SFD @DST @SC Type Données +bourrage CC Préambule=7x10101010 SFD=fanion de début=10101011 Type=protocole transporté (800H=IP, 806H=AP, 835H=AP,...) CC=code détecteur d'erreur sur 32 bits
elais Méthodes d'accès pour LANs à support partagé Jeton sur anneau 7 Application 6 Présentation 5 Session 4 Transport 3 éseau 2 Liaison 1 Physique Passerelle d'application elais de transport outeur Pont/commutateur épéteur 7 Application 6 Présentation 5 Session 4 Transport 3 éseau 2 Liaison 1 Physique Méthodes statiques: partage en fréquence ou temporel => mal adapté aux débits très irréguliers Méthodes dynamiques: Préventives (à priori): les collisions sont évitées grace à un jeton géré de façon centralisée ou distribuée À posteriori: des collisions peuvent survenir et doivent être résolues Machines reliées suivant un cycle (unidirectionnel ou bidirectionnel) Jeton = suite de bits particulière qui donne le droit en émission Chaque machine: État répétition: données reçues retransmises en sortie avec petit délai État émission: la machine envoie en sortie une suite de bits, les données reçues ne sont pas retransmises Variantes utilisées dans les réseaux 802.5 et FDDI Méthode CSMA CSMA=Carrier Sense Multiple Access Algorithme d'émission: Si trame à émettre alors Si canal libre alors émettre trame Sinon attendre n général, attente aléatoire pour éviter collisions CSMA/CD (Collision Detect): les émetteurs peuvent détecter que la trame en cours d'émission a subie une collision Méthode utilisée par les réseaux 802.3/thernet