Les Réseaux

Les Réseaux

2008

I - Introduction

Les éléments fondateurs

• Support physique

• Codage de l ’information

• Protocole de communication

Ce sont les éléments de la communication moderne

Services

• Téléphonie• Partage de périphériques• Transfert de fichiers (ftp)• Exécution de commandes

à distance (telnet)• Client/serveur

• Courrier électronique (smtp)

• Internet (http)• Vidéo et Audio à la

demande (streaming)• Visioconférence• Accès aux Données• Traitements répartis

Classification

Réseaux Locaux-LAN

Réseaux de « campus  »

Réseaux de grande amplitude: (MAN et WAN)

Réseaux fédérateurs: « Le Backbone » – Internet

– Renater

– R3T2

Les liaisons

• Directe

Correspond aux premiers besoins: – Connection Imprimantes– Terminaux déportés– Transferts de fichier / Sauvegardes

• DistanteUtilisation des réseaux standards:- réseau téléphonique + modem- Ondes hertziennes

Le support des liaisons« Média »

• Le cuivre (coaxial ou paire torsadée) – Boucle locale

– LAN

• La fibre optique– Infrastructure des opérateurs

– Câbles océaniques

– Liens « haut-débit »

– Télévisions

– Situations particulières

• Les ondes hertziennes

Le « sans fils »– Longues distances: téléphonie

– Courtes distances (Wi-fi)

– Satellites

Topologies

• Bus : réservé aux LAN

• Etoile : LAN et MAN

• Anneau : token ring dans les LAN

• Arbre :

• Maillé : pour les réseaux qui n’ont pas d’architecture propre comme INTERNET

• Topologies logiques : liées aux protocoles

II - Un modèle commun

Sur un réseau, pour que 2 ordinateurs communiquent, il faut au moins qu’ils aient un

langage commun

La norme OSI

(Open System Interconnexion)

de l ’ISO

(International Standardisation Organisation)

Pourquoi ? • Répondre aux problèmes posés par l’évolution des

systèmes d’information vers toujours plus hétérogénéité• Besoin d ’abstraction (pour les utilisateurs)

Solution• Formalisme complet• Définir une gamme de services permettant de travailler

en coopérationLa solution est une structure de couches empilées

Structure en couches indépendantes

Structure en couches indépendantes

Structure en couches indépendantes

Principe• Pour la source: Accès au modèle par la partie supérieure

et descente à travers les couches jusqu’au « média »• Pour le destinataire: remonter de l’information du

« média » vers les couches hautes • La communication réelle entre ces 2 couches de niveaux

différents n-1 vers n se fait par offre de service local au terminal

• La communication entre 2 couches de même niveau n de terminaux différents respecte des protocoles qui définissent la norme OSI.

ProtocoleC’est un ensemble de règles qui définissent les

communications

Structure en couches indépendantes Intérêts

• Simplification = regroupement de fonctions homogènes

• Indépendance des couches -> Evolution

• Protocole par couche qui permet une communication directe de la couche n de la source A vers la couche n du destinataire B, sans se préoccuper du trajet réel de l’information.

Les 7 couches du modèle OSI

• Couche Application• Couche Présentation• Couche Session• Couche Transport• Couche Réseau• Couche Liaison• Couche Physique

Le modèle OSI

Le modèle OSI Les couches basses

• Hétérogénéité du média :– Câble, ondes, …

– techniques d’accès au média diverses

– routage...

• Services essentiels : – Accéder au média

– gérer la connexion,

– transférer de l’information de A vers B par routage dans le réseau.

Le modèle OSILa couche physique

• Les données sont sous forme trains de bits• La transmission à distance nécessite de

moduler un signal analogique:- électrique, - optique- hertzien

• A la réception le signal doit être transcrit en train de bits (démodulation)

• Il y a plusieurs types de transmissions…

Le modèle OSILa couche Liaison

• Elle découpe en « trames » le train de bits (données) de la couche physique

• Elle ajoute à chaque trame une détection d’erreurs– Parités, Codes détecteurs d’erreurs, Codes correcteurs– Et souvent un numéro de séquence

• Cette couche se scinde en 2 parties:MAC: contrôle de l’accès au média,LLC: contrôle du lien :

– Etablissement de la connexion– Transfert de données avec ou sans accusé de réception – Libération de la connexion

Le modèle OSI La couche réseau

• Définition :– Constitution de sous réseaux– Interconnexion de ces sous-réseaux

• Fonctionnalités :– Adressage logique– Routage à travers le réseau

Le modèle OSI Les couches hautes

• Fournir des services à l ’utilisateur

• Rendre l’utilisateur indépendant des échanges et des contrôles

• Masquer l’hétérogénéité : par exemple transférer un fichier quels que soient les machines et les réseaux

Le modèle OSI La couche Transport

• Transfert fiable de l’information– Communications de bout en bout

– Fiabilité

– Multiplexage

• Qualité de Service (QoS)– Contrôle des flux

– Gestion de la Bande passante

Le modèle OSI La couche Session

• La synchronisation – Etablissement de la communication– Gestion du dialogue– Reprise après interruption d’un transfert …

La couche session

Le modèle OSI La couche Présentation

• représentation et compréhension des données. – Qu’est ce qu’un entier, une chaîne de caractère

accentuée ou une structure complexe?– Conversion d’alphabet– Cryptage, compression, authentification

Le modèle OSI La couche Application

• Seule en contact avec « l ’utilisateur »– Composée de “ briques applicatives ”– 1 Brique réunit un ensemble indissociable de

fonctionnalités: terminal virtuel, messagerie électronique, processus de communication, …

– Contient toute la richesse applicative du modèle

Résumé des couches OSI

III - L’information et son codage

La couche physique

La couche physique

• Le rôle de la couche physique est d’associer les bits {0,1}du train de données à transmettre à des valeurs d’un signal analogique et réciproquement

• Le nombre de bits que l’on pourra transmettre en même temps dépendra:

- des valeurs possibles du signal- de la qualité du canal de transmission (média)- du bruit

Cette couche associe :information numérique (le bit) et signal

Information numérique et Signal 2 niveaux de quantifications (valeurs)

Temps

Tension

0 V

5 V

Intervallesignificatif 2 niveaux

0 ou 5V de quantification du signal

Information numérique et Signal 4 niveaux de quantifications (valeurs)

Temps

12 V

Tension

5 V

- 12 V

- 5 V

Définitions• Intervalle significatif

C’est un intervalle où le signal est constant

• Rapidité de modulation– Nombre d ’intervalles significatifs par secondeC’est un échantillonnage du signal, exprimé en baudsNB: Une fréquence est un nombre de période par seconde exprimée en Hertz

• Valence d’un signal – Nombre de niveaux de quantification (de valeurs) transportés

dans un intervalle significatifque l’on doit transformer en nombre d’informations binaires transportées dans

ce même intervalle significatif

• Débit (binaire)– Quantité d ’informations binaires par seconde_ s’exprime en bits/s

Relations entre D,V,R

• Relation entre niveaux de quantification et quantité d ’informations binaires transportées par intervalle significatif– V = Valence d ’un signal = nombre de niveaux de

quantifications.

– n = nombre de bits dans un intervalle significatif

– n=log2(V) -> V = 2n

• Relation entre D, R et V– D = R * n ou D = R * log2(V) exprimé en bits/s

Le transport de l’information numérique

• Le Débit dépend de :– la rapidité de modulation (nombre d ’intervalles de

quantification par unité de temps)

– la valence (nombre de niveaux caractéristiques identifiables sur le signal)

• La Rapidité de Modulation dépend de :– l ’étendue de la bande de fréquence exploitable

• La Valence dépend de :– la « qualité » de la liaison (rapport Signal/Bruit)

Fréquence d’échantillonnage d’un signal

• Le signal analogique est porteur de l’information numérique.Il doit être discrétisé.

• Plus un signal a des variations rapide, plus on doit échantillonner finement pour ne pas perdre d’information.

• La fréquence d’échantillonnage Fe doit-être supérieure au double de la fréquence maximale du signal Fmax.

Fe > 2 Fmax

• Dit autrement : si on échantillonne un signal selon une période Te <1/2Fmax, toutes les variations sont prises en compte dans le signal discret obtenu.

• Par exemple pour un signal vocal où les fréquences sont < 4000 hz, il faut échantillonner le signal toutes les 125 s.

Définitions en théorie du signal• La bande passante (BP) est la différence entre la plus

haute et la plus basse fréquence du signal.Elle se mesure en hertz

• On appelle bruit B la différence entre la valeur initiale S0 d’un signal à l’émission et sa valeur de réception S.

B = S – S0 • La qualité de réception d’un signal S par rapport au bruit

B se calcule ainsi: 10 log10(S/B) - appelé rapport signal/bruit noté r[S/N]- exprimé en décibel(dB)Par exemple si la part du bruit dans le signal S est de 1/100, S/B = 100, cela correspond une qualité de réception de 20 dB.

Limite du débit binaire sur un canal de transmission, sans bruit

Théorème de Nyquist (1924)

• Avec une bande passante W, on reconstitue le signal jusqu’à une fréquence d’échantillonnage de 2W.

• Soit une rapidité R=2W bauds.

• Soit D = 2W log2V bits/s

• D appelé « capacité du canal » , souvent confondu avec la bande passante.

• Ainsi en informatique la bande passante est plutôt un débit binaire

Limite du débit binaire sur un canal de transmission, avec du bruit

• Dans la transmission de données numériques à codage binaire,l’intensité du signal reçu S doit être au moins le double de celle du bruit B.

Si ce rapport ne peut être maintenu, on utilise un système de

détection d’erreurs.

• La capacité maximale d’un canal est de : C= W log2 (1+S/B) bits/s (Théorème de Shannon – 1948)

S est la valeur du signal, B celle du bruit et W la bande passante

Le codage de l’information numérique

• Codage par modulation– Modulation d’une onde de référence, la

porteuse– Un état = une modification de cette porteuse

• Codage par bande de base– Le signal binaire est transmis par un potentiel et

son opposé

Bande de base ou Modulation ?

Codage par Bande de Base

• C’est la transmission d’un potentiel et de son opposé• De cette manière le spectre du signal se trouve centré

autour de la fréquence nulle• Les bits sont codés par les transitions et non pas par

niveau pour éviter les déperditions dues à la baisse du potentiel

• Transmission sur de courtes distances:quelques centaines de mètres à quelques kilomètres

• Les signaux ne peuvent être superposés:il y a un signal à la fois sur le média. Pas de multiplexage

Codage Manchester

1 0 0 1 1 0

• Toujours une transition par état

• Le sens de la transition donne la valeur de l ’état

• Sécurité, mais le débit est la moitié de la rapidité de modulation

• Transition vers le haut s=1• Transition vers le bas: s=0

Codage Manchester Différentiel

1 0 0 1 1 0

• Toujours une transition par état

• 0 : changement en début d ’intervalle

• 1 : pas de changement de polarité

• Sécurité, mais le débit est la moitié de la rapidité de modulation

Codage nB/mB (ex. 1B/2B)

1 0 0 1

• nB/mB :Un mot de n bits est codé par un block de m bits

• 1B/2B– Le « 1 » est représenté

alternativement par 2 intervalles s=0 ou s=1

– Le « 0 » est figé (en gras)

Codage par Modulation

• La modulation est le processus par lequel le signal est transformé en une forme adaptée au canal de transmission, en faisant varier les paramètres d'amplitude et d'argument (phase/fréquence) d'une onde sinusoïdale appelé porteuse.

• Information = modification d ’une porteuse• C’est la transmission des longues distances• Autorise le multiplexage avec des spectres de

fréquences différents

Modulation d ’Amplitude

5 V

- 5 V

Exemple, valence 2

12 V

- 12 V

Etat 0 Etat 1

Modulation d ’Amplitude

5 V

- 5 V

12 V

- 12 V0 0 01

Modulation de FréquenceExemple, valence 2

Etat 0 Etat 1

Modulation de Fréquence

0 0 01

Modulation de PhaseExemple, valence 2

Etat 0 Etat 1

Modulation de Phase

0 0 01

Modulation Fréquence/Amplitude

5 V

- 5 V

12 V

- 12 V

Etat 00 Etat 01 Etat 10 Etat 11

Modulation Phase/amplitude

5 V

- 5 V

12 V

- 12 V

Etat 00 Etat 01 Etat 10 Etat 11

IV – Accès au média

La couche liaison

Problème important de la couche 2comment identifier les ordinateurs reliés au média

L’adresse physique ou MACl’identifiant unique de l’ordinateur

Dynamique de l’échange dans un réseau

• Lorsqu'une source envoie des données dans un réseau, ces données transportent l'adresse MAC de leur destination.

• La carte réseau de chaque unité du réseau vérifie si son adresse MAC correspond à l'adresse physique de destination transportée par la trame.

• S'il n'y a pas de correspondance, la carte réseau ignore la trame, qui poursuit son chemin.

• S'il y a correspondance, cependant, la carte réseau effectue une copie de la trame, qu'elle place dans l'ordinateur, au niveau de la couche liaison de données. La trame originale poursuit son chemin dans le réseau.

La trame: protocole de couche2

• La trame est le processus d’encapsulation de la couche 2. • Il rajoute de l'information essentielle qui n’est pas

contenue dans les trains binaires des données : - quel ordinateur communique avec quel autre

- quand la communication entre des ordinateurs individuels commence et quand elle se termine

- quelles erreurs se sont produites pendant la communication

La trame

La trame: protocole de niveau local

– Tout le monde est relié par le même média

– Tout le monde reçoit les informations– Chacun trie et conserve ce qui lui est destiné

Les normes de l’IEEEInstitute of electrical and electronics engineers

L’accès au média dans les LANLes standards de la couche liaison

• 2 méthodes d’accès au support de transmission sont utilisées:

- le CSMA/CD,qui est un accès aléatoire

- l’anneau à jeton (TOKEN RING), qui est déterministe et supervisé

Ces méthodes se placent dans la sous-couche MAC de la couche de liaison

Station 2Station 3

Station 1

L’accès déterministe au média : Système à jeton-norme IEEE 802.5

1 exemple : le jeton(TK Ring)

• Circuit fermé (voie circulaire)

• On fait circuler un jeton, trame particulière qui indique que la voie est libre

• Une station qui veut émettre accroche ses données au jeton, s’il est libre

Sens unique

L’accès déterministe au média :Token Ring 1

• Principes généraux :– Pour qu’une trame d’information arrive à destination,

elle doit être recopiée de station en station; on peut ainsi faire du multicast.

– Le destinataire garde une copie et n’arrête pas la retransmission

– Quand la trame a fait un tour complet, l’émetteur la retire de l’anneau et re-émet le jeton libre

L’accès au média :Token Ring 2

• obligations

– Chaque station est responsable de ses trames : elle doit les retirer !

– Une station re-émet le jeton libre, après avoir retiré sa dernière trame(Une option - Early Token Release - permet de re-émettre le jeton après avoir fini l’émission)

– Horloge commune (synchronie des liens)

– Temps maximum, pour le jeton, de parcours du réseau

– Temps maximum de possession du jeton

L’accès au média :Token Ring 3

• Une station maître : l ’Active Monitor (AM)– gère l ’horloge– Vérifie la présence continue d’un et d’un seul JETON– gère l’insertion de stations– prévient régulièrement les autres stations que tout va

bien ...– (Emission de trames Active Monitor Present toutes les

7s)

L’accès au média :Token Ring 4

• Un procédé d ’élection de l ’Active Monitor (Claim Token)– Si une station considère qu’il n ’y a plus d ’Active

Monitor, Elle émet des trames Claim Token– Si elle reçoit une trame provenant d’une adresse de

priorité supérieure, ellelaisse passer la trame– Sinon, elle la remplace par la sienne– Si une station reçoit ses propres trames : elle est AM– Elle nettoie alors le réseau: Ring Purge = Reset

L’accès au média :Token Ring 5

• Jeton libre

JK0JK000 PPP T JK1JK I EM RRR

1 Octet (SD) 1 Octet (AC) 1 Octet (ED)

Octet de Start Priorité

Réservation dePriorité

Token Bit 0= Jeton libre

Monitor Bit0 = Emission

mis à 1 par l ’AM

Délimiteur de fin

0 = dernière trame1 = intermédiaire

Erreur détectée

L’accès au média :Token Ring 6

• Jeton+trame

SFS FC DA RIF FCS EDFSLLC (Data)SA

Start of Frame Sequence 2 Octets SD+AC du

jeton libre avec le TK Bit à 1

Frame Control:indiquele type de trame00=MAC, 01=LLC

Adresses source et Destination6 Octets chacune

Info Source Routing 0 à 30

Frame Check Seq.4 Octets (CRC)

FC,DA,SA,RI,Info

L’accès au média :Token Ring 7

• Fin de trame

JK1JK r r A C r r

1 Octet (ED) 1 Octet (FS)

EI A C

Accusé de receptionDonnées recopiées

par la station Reserved

Token RingCirculation du jeton

• Une station qui voit passer un jeton libre le capture et lui ajoute des trames à condition que sa priorité > ou = à celle du jeton

• L’acquittement se fait au retour du message à l’émetteur:

- si A=0 et C=0 signifie: aucun destinataire

- si A=1 et C=0 signifie qu’il existe au moins 1 destinataire,mais il n’a pas recopié la donnée

- si A=1 et C=1, tout c’est bien passé

Token Ring Gestion des priorités

• 8 Niveaux de priorité• Une station voulant capter un jeton libre,doit avoir un niveau de

priorité PPP > à celui du jeton • Si ce n’est pas le cas, la station indique dans RRR sa propre

priorité• Si une autre station réserve a son tour, la première n ’aura plus

qu’a recommencer ! • Lorsque la station retenue a terminé son émission, elle re-émet

le jeton libre avec la priorité PPP de RRR• Une station qui augmente la valeur de PPP, mémorise la valeur

initiale et est chargée, dés que possible, de re-émettre un jeton du niveau initial.

Token Ring Blocage et Surveillance

• Surveillance des trames :Si une station qui a émis une trame disparaît,le jeton n’est plus libéré. La station moniteur force le bit M du champ AC à 1et si elle revoie passer une telle trame, elle la supprime

• Surveillance des priorités:identique au précédent mais le blocage est du à une priorité trop élevée.

• Surveillance du jeton :il peut se perdre

Emission• 1 : On regarde si la voie est libre par

détection de la porteuse.• Si oui, on émet !!!• Sinon, on retourne en 1• Si une collision survient

– On attend– On recommence (ou on

abandonne)

L’accès aléatoire au média CSMA/CD 1

Carrier Sense Multiple Access / Colision Detection

Attente !!!

?

C’est la méthode d’accès des produits EthernetD’ou la confusion: ETHERNET=CSMA/CD

Ethernet et la norme IEEE 802.3

Aujourd'hui, le terme Ethernet est souvent utilisé pour faire référence à tous les réseaux à accès multiple avec écoute de porteuse / détection de collision (CSMA/CD) qui sont conforme à la norme IEEE 802.3.

L'architecture de réseau Ethernet a été conçue dans les années 1960 à l'université d'Hawaii, où l'on a développé la méthode d'accès qu'utilise l'Ethernet aujourd'hui. Puis, dans les années 1980, l'IEEE a formé un comité qui a produit la norme IEEE 802.3.

Les normes Ethernet et IEEE 802.3 précisent des technologies semblables; les deux décrivent des réseaux à accès CSMA/CD. Les différences qui existent entre les réseaux Ethernet et IEEE 802.3 sont subtiles.Les spécifications de réseau local Ethernet et IEEE 802.3 sont mises en oeuvre par du matériel informatique. Habituellement, la manifestation physique de ces protocoles est une carte d'interface située dans un ordinateur hôte.

La collision

L’accès aléatoire au média CSMA/CD 2

gestion des collisions• Les stations qui détectent une collision, la renforce en envoyant un jam

• Si la station émettrice:- est encore entrain d’émettre lorsqu’elle reçoit le jam,elle est donc informée de la collision, - a fini d’émettre, elle ne sait pas si cette collision concerne sa trame

• On rajoute donc un paramètre supplémentaire pour la gestion des collisions:

le Round trip delay qui est le temps de propagation aller-retour dans le réseau

• Il faut que le temps d’émission d’une trame > Round trip delay Ainsi s’il y a une collision, la station sera toujours entrain d’émettre

• Cela donne une taille minimun de trame de 64 octets

L’accès aléatoire au média :CSMA/CD 3

• Les grandeurs de CSMA/CD :– Le temps minimal d’émission : Slot Time en s– Le débit nominal du réseau: la Capacité C, en bits/s– La longueur maxi entre 2 stations: le Diamètre D, en

mètres– La vitesse de propagation: VP, en m/s– la fenêtre de vulnérabilité

L’accès aléatoire au média :CSMA/CD 4

• L ’algorithme d’attente aléatoire : Le BEB– Binary Exponential Backoff:retransmission selon une loi exponentielle

binaire

– On attend un multiple du slot time

– la fenêtre de tirage aléatoire augmente en fonction du nombre d’essais tentés pour émettre une trame donnée

– on cherche x dans [0,2n[ et on attend x*ST seconde avec n = nombre d ’essais pour la trame en cours

– 2 contraintes supplémentaires :• A partir du 10ème essai, la fenêtre reste de taille constante

• Au bout de 16 essais -> Echec

– Attention, l ’algorithme est exécuté indépendamment sur chaque station !!!

L’accès aléatoire au média :CSMA/CD 5

• La trame … (4 types de trames)

Préambule (48 bits + 8 bits)1010101 … SFD

DA (6 Octets)Const + ident

Type ou Longuer des données

2 Octets

FCSCRC

4 Octs

Data (46 à 1500 Octs)

SA (6 Octets)Const + ident

Synchro, niveau physique

Start (10101011) Distingués par la valeur :<=1500 Longueur> type !!

Portée du FCS

Longueur totale (64 à 1518 Oct.)

L’accès au média :TK Ring et CSMA/CD

• Réseau peu chargé :– Très bon rendement en CSMA/CD– Faible rendement en TK (+ le nombre de

stations est grand, plus faible est le rendement)

• Réseau chargé :– Limite critique en CSMA/CD– Le rendement approche 1 en TK !!!