COURS RESEAU INTRODUCTION GENERALE André-Luc BEYLOT INTRODUCTION HISTORIQUE Réseau Informatiques : Connecter des Equipements Informatiques Partager des Ressources Transporter des Fichiers Réseau de Télécommunications : Téléphonie Réseau câbles : Distribution de canau de télévision Convergence 1
INTRODUCTION AUX RESEAUX RESEAUX INFORMATIQUES BUT : faire communiquer des ordinateurs distants Création de Réseau d ordinateurs = {Ordinateurs Autonomes} Interconnectés AVANTAGES Partage des Ressources Fiabilité Réduction des coûts 1er Réseau de données : ARPAnet (1969) Messagerie Transfert de Fichiers Conneion à distance LAN : Local Area Networks < 1 km, débits importants (10 Mbit/s - 1 Gb/s) intérieur d un bâtiment/entreprise WAN : Wide Area Networks à l échelle d un pays, terrestre/satellitaires INTRODUCTION AUX RESEAUX Sous-Réseau de Communication Hôtes lignes de transmission Commutateurs CARACTERISTIQUES Transferts de données numériques = Transport de paquet Acheminement = routage/commutation Normalisation - Besoin d un modèle générique ISO - ITU-T (e : CCITT), TCP-IP Multimedia (voi données images)? 2
INTRODUCTION AUX RESEAUX RESEAUX TELECOMS Opérateurs + équipementiers Application de base : Téléphonie Contraintes Temporelles : synchronisation, temps réel perte peu significative isochronie Commutation de circuits Quelques Références Guy Pujolle : «Les Réseau», Eyrolles, 3ème édition, 2000. Andrew Tanenbaum : «Réseau : Architectures, protocoles et applications» InterEditions, 1996. COURS RESEAU ARCHITECTURE DES RESEAUX 3
ARCHITECTURE DES RESEAUX Interconneion des Systèmes Ouverts Grands constructeurs : annonce d architecture (IBM : SNA System Network Architecture...) Définition d une architecture normalisée internationale ISO faite par l OSI Organisation des Standards Internationau Architecture de Réseau DEFINITION Modèle de Référence pour décrire tous les moyens physiques et logiques de communication ARCHITECTURE DES RESEAUX Modèle OSI : Hiérarchique Pour diminuer la compleité de conception Modèle hiérarchisé en couches ou niveau Modèle OSI : 7 couches Architecture = Spécification d un ensemble de couches Fonctionnalité d une couche N gère la conversation avec la couche N d 1 autre machine Règles et conventions utilisées = PROTOCOLE de niveau N Offre des Services à la couche supérieure (envoi de données ) 4
ARCHITECTURE DES RESEAUX PROTOCOLES Ensembles des règles précisant les échanges valides entre entités paires Unité de données de protocole (PDU) = Message circulant entre entités de même niveau Cheminement d un message Message descend la hiérarchie en respectant les définitions des interfaces Peut être modifié (compression, cryptage), fragmenté, ajout d en-tête et d en-queue Remonte la hiérarchie sur machine distante ARCHITECTURE DES RESEAUX Schéma général en 7 couches 7 Application Application 6 Présentation Présentation 5 Session protocole de session Session 4 Transport Transport 3 Réseau Réseau Réseau Réseau 2 Liaison de données Liaison de données Liaison de données Liaison de données 1 Physique Physique Physique Physique Sous-Réseau de communication 5
ARCHITECTURE DES RESEAUX PROBLEMES COMMUNS Etablissement/Fermeture des conneions Adressage Spécification des paramètres de conneion Négociation de la qualité du service attendu Fragmentation/ Réassemblage Groupage/Dégroupage assembler des messages courts Contrôle de séquencement Contrôle d erreur Contrôle de flu : hétérogénéité des capacités de traitement : asservissement Contrôle de congestion : saturation dans une région du réseau : mécanismes pour prévenir/remédier Routage : acheminement d un point à un autre d un message dans le sous-réseau de communication ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU PHYSIQUE Objectif : Assurer la transmission effective des suites binaires entre calculateurs Pbs : Spécification des méthodes employées Synchronisation de l émetteur et du récepteur sur le début et la fin de l échange Mode d échange des informations binaires Utilisation de niveau tension/intensité, fréquence Durée de l intervalle élémentaire Codage Spécification des interfaces - Connecteurs Forme des prises Utilisation des broches 6
ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU LIAISON DE DONNEES Réseau Liaison Physique 3 2 1 Support physique Réseau Liaison Physique Délimitation de Trames Caractères Spéciau Fanion Transparence Transitions non utilisées par la couche 1 Adressage Local (WAN) de la carte (LAN) ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU LIAISON DE DONNEES Objectif : Gérer le matériel pour assurer la transmission d informations FONCTIONNALITES Découpage des informations de l émetteur en trames Contrôle d erreur (détection - reprise) : Trames perdues ou endommagées Trames dupliquées Acquittement Contrôle de flu (régulation du trafic) 7
PROTECTION CONTRE LES ERREURS INTRODUCTION SUPPORTS Bruit Synchronisation horloge Affaiblissement,... INTRODUCTION D ERREURS TAUX D ERREUR Type de circuit (local, distant) Nombre de répéteurs Support (câble, satellite,...) Débit Codage ou modulation TAUX DE L ORDRE DE 10-3 à 10-12 Détection MECANISMES Correction PROTECTION CONTRE LES ERREURS STRATEGIES DETECTION SIMPLE Envoi d alarmes par le décodeur CORRECTION D ERREUR Correction directe : le décodeur peut corriger lui même Correction par retransmission : le décodeur détecte l erreur et demande une retransmission : retransmission avec arrêt et attente retransmission continue retransmission sélective TAUX D ERREUR RESIDUEL Erreurs qui restent après correction 8
PROTECTION CONTRE LES ERREURS E R E R E R Arrêt et Attente Arrêt et Attente 1 1 2 1 NACK ARRET ET ATTENTE 1 ACK 2 3 2 1 4 3 2 3 2 1 ACK1 4 3 2 ACK4 CONTINUE 3 2 1 5 4 2 3 2 1 5 4 2 REJ2 ACK5 SELECTIF PROTECTION CONTRE LES ERREURS A B Temporisateur Trame 1 Acquittement 1 Temporisateur Trame 2 Trame erronée Retransmission de la trame 2 Temporisateur Trame 2 Acquittement perdu Retransmission de la trame 2 Duplication de trame 9
CONTRÔLE DE FLUX OBJECTIF Ne pas saturer l entité destinataire Capacités de Traitement/Stockage limitées MECANISMES UTILISES Send and Wait - Envoyer et Attendre Mécanismes à fenêtre coulissante ou sautante taille constante ou variable cf. mécanismes de reprise sur erreur Envoi de trames en cas d impossibilité momentanée de recevoir de nouvelles trames ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU RESEAU Objectif : Permettre à 1 hôte de communiquer avec 1 autre au moyen du sous-réseau de communication FONCTIONNALITES Routage Adressage Contrôle de congestion Hétérogénéité (taille des paquets) : Hôte A : Hôte B : Hôte C 10
SERVICE DE LA COUCHE RESEAU Service en mode non connecté (Mode Datagramme) Une seule phase Transfert des données Service non fiable Simple Plusieurs chemins possibles Service en mode connecté (Mode Circuit Virtuel) Trois phases Etablissement d une conneion Transfert des données Libération de la conneion Service fiable Complee Chemin dédié Service en mode non connecté ou datagramme : Hôte A : Hôte B : Hôte C Service en mode connecté ou circuit virtuel (CV) : Hôte A Circuit Virtuel : Hôte B : Hôte C 11
ADRESSAGE RESEAU Identification non ambiguë d un destinataire Adressage hiérarchique Découpage en domaines d un réseau Adresse courrier (pays, ville, rue, numéro, nom) Numéro de téléphone (indicatif, pays, région, commutateur, abonné) Recommandation X.121 de l ITU-T Solution Internet Domaine Sous-domaine_3 Sous-domaine_1 Sous-domaine_2 @ hiérarchique d une station D S-D Station ROUTAGE Déterminer un chemin vers une adresse destinataire Mode datagramme : paquet par paquet Mode CV : à l établissement de la conneion Table de routage (ou table d acheminement) Informations nécessaires pour atteindre le prochain nœud Algorithme de routage Calcul d 1 chemin optimal pour atteindre 1@ destinataire : Hôte A 1 4 1 B 3 2 3 1 2 B 2 3 2 3 1 B 3 2 3 : Hôte B 12
Importance de l algorithme de routage Problème de congestion Des éléments en panne Aucune connaissance de la topologie globale Connaissance de l espace des noms accessibles Compromis compleité/robustesse Attention au volume des informations de contrôle Mécanismes de contrôle de congestion Mécanismes préventifs Allocation de mémoire et/ou réservation de débit Adapté au mode connecté + sur-réservation Jouer sur l algorithme de routage Mécanismes Réactifs Destruction des paquets Contrôle de flu comme contrôle de congestion Ralentir les acquittements Demander au sources de réduire leur débit ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU TRANSPORT Objectif : Niveau de communication de bout en bout de processus à processus (activités) FONCTIONNALITES S assure que les «morceau» arrivent correctement : en particulier pour les réseau routant les unités de données de protocoles (paquets) individuellement Objectifs de performances Contrôle de Flu de bout en bout Compleité liée à celle de la couche réseau! 13
ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU SESSION Objectif : Synchroniser les échanges entre les utilisateurs FONCTIONNALITES Etablissement, maintien et terminaison ordonnée d une conneion Négociation des droits d utilisation des services de synchronisation Capacité de resynchroniser un dialogue interrompu ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU PRESENTATION Raison d être : Lieu de conversion (ASCII,EBCDIC) FONCTIONNALITES Evolution : tous les services relatifs à la transmission des données transmises : Conversions Compression Cryptographie Emetteur Suite de données Récepteur Format interne adaptée à la Format interne codage décodage transmission 14
ARCHITECTURE DES RESEAUX NIVEAU APPLICATION Couche Associée à l utilisateur Comporte de très nombreu protocoles : transferts de fichiers Messagerie Echange de documents Conneion distante Web... On normalise les échanges de données entre «applications» pas les interfaces utilisateurs Internet Introduction : Qu est-ce que l Internet? Architecture protocolaire de l Internet : Les protocoles de transport : TCP - UDP Le protocole de Réseau : IP 15
Qu est-ce que l Internet? Des millions de machines connectées: hôtes Des liens de communication Des routeurs Des protocoles: e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: un réseau de réseau faiblement hiérarchique ISP Local routeur station serveur mobile ISP régional Réseau d entreprise Structure du réseau Etrémités : applications et hôtes Cœur du Réseau : routeurs réseau de réseau Réseau d accès: résidentiels (Téléphone, ADSL, Numéris, Câble) Réseau d accès institutionnels (universités, entreprises) Réseau d accès Mobiles (boucle locale hertzienne, Téléphonie Mobile) 16
Architecture protocolaire Internet application: supporte les applications réseau ftp, smtp, http transport: Transfert de données d hôte à hôte TCP, UDP réseau: acheminement des datagrammes de la source à la destination IP, protocoles de routages liaison: Transfert de données entre des équipements de réseau voisins PPP, Ethernet physique: transmission d infos binaires application transport réseau liaison physique Choi effectués But: coût du transfert de données entre etrémités faible Service Réseau de faible qualité Best Effort rendu par IP (Internet Protocol) Mode Datagramme (sans conneion) 2 types de Service Transport 1 avec conneion rendu par TCP - Transmission Control Protocol 1 sans conneion rendu par UDP - User Data Protocol Choi en fonction des besoins de l application Notion de port = T-SAP Numéro de protocoles Adresse IP 17
Internet Protocol (IP) But: Acheminer des paquets entre des etrémités Très peu de contrôles pas d acquittements pertes, déséquencement Routage Adressage Routage Inter-zone a Hôte h1 C C.b b d A A.a a b A.c c B.a a Routage Intra-zone c B b Hôte h2 Routage Intra-zone Format des datagrammes IP Ver. Long. En-tête Numéro du paquet Durée de vie Type service 32 bits Protocole @ Source @ Destination Long. totale du datagramme Offset Flags de Fragment Checksum de l en-tête Options Données 18
Transmission Control Protocol TCP But: Fiabiliser les échanges entre etrémités fiable, transfert d un flu d octets dans l ordre pertes : acquittements, retransmissions, temporisations contrôle de flu : l émetteur ne doit pas submerger le destinataire, mécanisme à fenêtre contrôle de congestion l émetteur réduit son tau d émission en cas de congestion dans le réseau Applis utilisant TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email) Applis utilisant UDP: diffusion vidéo streaming, Téléconférence, Téléphonie sur Internet, DNS, SNMP Structure du Segment TCP 32 bits Port source Port Destination Numéro de séquence En octets (pas en segments) Numéro d acquittement UAPRSFTaille fen. récep checksum Options (longueur variable) Nombre octets récepteur peut recevoir Données (longueur variable) 19
ARCHITECTURE DES RESEAUX Relation OSI/Modèle IEEE Application Présentation Session Transport Réseau Liaison Physique Interface avec le niveau supérieurs contrôle liaison logique contrôle d accès au médium Signal physique Médium Modèle ISO Médium Modèle IEEE Protocoles d accès Multiple Couche MAC Canal de communication partagé Plusieurs émissions simultanées ne fonctionne que au + 1 émet à la fois protocole d accès multiple: algorithme distribué permettant de savoir comment les stations se partagent le canal, i.e. détermine quand elles peuvent émettre attention : les informations de contrôle utilisent aussi le canal! use channel itself! Compromis à trouver entre Equité Souplesse Robustesse Efficacité 20
Protocoles MAC 3 classes principales: Partitionnement du canal le canal est découpé entre tranches (intervalle de temps, fréquences) on alloue une tranche à 1 station Pas adapté au contete informatique Accès aléatoire prévenir les collisions récupération des collisions Tour de parole coordination entre les stations pour attribuer un tour de parole Accès aléatoire Quand un nœud émet transmet au débit du canal R. Pas de coordination a priori Dès qu au moins 2 nœuds émettent - > collision, protocoles MAC d accès aléatoires spécifient: comment détecter les collisions comment récupérer les collisions (e.g., retransmissions ultérieures) Eemples: ALOHA ALOHA discrétisé CSMA et CSMA/CD 21
Aloha discrétisé Temps divisé en intervalles de même taille (= transmission trame) 1 nœud ayant une trame à transmettre commence sa transmission au début du slot suivant Attendre les acquittements : pas d acquittement, retransmettre ALOHA pur Aloha: + simple, pas de synchronisation Transmission: on envoie sans attendre le début d 1 slot probabilité de collision augmente: trame envoyée à t 0 rentre en collision avec toutes les trames émises dans [t 0-1, t 0 +1] 22
CSMA: (Carrier Sense Multiple Access) CSMA: Ecouter avant d émettre + discrétisation Si le canal paraît libre : émettre toute la trame Si le canal est occupé, retarder la transmission CSMA persistant: rester à l écoute jusqu à ce qu il paraisse libre CSMA non-persistant: recommencer à écouter après un délai tiré aléatoirement CSMA/CD (Collision Detection) CSMA/CD: écoute avant d émettre CSMA on reste à l écoute pendant que l on transmet en cas de collision on tire aléatoirement la durée avant la prochaine tentative n (uniformément entre 0 et 2-1 où n est le rang de la tentative) on recommence à écouter C est la technique retenue dans Ethernet 23
Protocoles MAC avec Tours de Parole Polling: 1 nœud maître invite les nœuds esclaves à transmettre Problèmes overhead induit par le polling (délai) Fiabilité (maître) Jetons: 1 jeton est partagé entre les stations C est 1 trame particulière Problèmes overhead dû au jeton Fiabilité (jeton) Token Ring, FDDI Technologies des réseau locau Erreurs : détection Adressage : absolu, non structuré Couche MAC : Ethernet Topologie : hiérarchie de Hub 24
Interconneion de Réseau Locau Conclusion Réseau Locau Prépondérence d Ethernet Réseau Longue Distance Omniprésence de l Internet Evolutions à venir Mobilité Qualité de Service dans l Internet Applications Multimédia 25