Chapitre XIII

La couche réseau(1)

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Sommaire1.Introduction2.Services de la couche Réseau offerts3.Fonctions assumées par la couche

Réseau1. Commutation2. notion d'adressage et de nommage 3. Adaptation de la taille des unités de données

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1.Introduction

Cette couche est chargée de transmettre les données de la couche supérieure (Transport) en utilisant un système de communication (un réseau) composé de systèmes intermédiaires (généralement homogènes) interconnectées par des liaisons de données.

assure un transfert de données entre deux systèmes d’extrémité à travers un ou plusieurs sous-réseaux physiques (systèmes relais) Elle fournit les fonctions de routage et garantit aux entités de transport un service réseau uniforme indépendamment des technologies utiliséesLocalisation des systèmes, adaptation de la taille des unités de données aux capacités des différents sous-réseau traversés. 3

Lorsque l’émetteur et le destinataire ne partagent pas la même liaison de données ou le même réseau local, la couche 3 est nécessaire. Des routeurs reliés par des liens ou faisant partie des réseaux locaux assurent l'acheminement des paquets de données (envoi au destinataire ou à un autre routeur). Les stations clientes sont raccordées à des routeurs par des liens ou des réseaux locaux Dans tous les cas, les données échangées sont découpées en paquets: C’est l’unité de données d’un protocole de niveau Réseau (N-PDU : “Network PDU”)

Résumé

Acheminement des messages dans un réseau constitué :

● soit de noeuds et équipements terminaux reliés par des liaisons de données

● soit d'une interconnexion de réseaux locaux reliés par des routeurs.

Couche réseau : utilise les liaisons ou réseaux locaux Selon le cas :

● Noeuds d'interconnexion reliés entre eux par des liaisons point à point (avec protocole HDLC par ex.)

● Routeurs faisant partie de 2 ou plusieurs réseaux physiques (Ethernet ou Wi-Fi ou autre) et assurant le passage des données entre ces réseaux

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2.Services de la couche Réseau offerts

Suivant le type de réseau, le service de la couche réseau peut être :• Fiable (sans perte, ni duplication, ni dé-séquencement)• Nonfiable

Les protocoles de la couche réseau peuvent fonctionner selon deux modes :

• Mode non connecté: réseau non fiable Utilisation de paquets appelés datagrammes1 seule phase : Transfert des données Chaque paquet est acheminé indépendamment des autres Routage du paquet grâce à une table contenant la ligne de sortie à

utiliser pour toute destinationExemple: IP

• Mode connecté: réseau fiable Utilisation de circuits virtuels (CV) 3 phases :

– Etablissement d’une connexion– transfert des données– Libération de la connexion

Tous les paquets suivent un chemin identique Routage à l’aide d’une table contenant une entrée par CVExemple: X25

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3. Fonctions assumées par la couche Réseau

Pour échanger des informations entre 2 entités communicantes quelconques à travers un ou plusieurs réseaux :

les deux correspondants doivent être mis en relation (notion de commutation)

chaque correspondant doit être identifié et localisé de manière unique sur le réseau (notions d'adressage et de nommage)

le réseau doit acheminer les blocs d'information vers le destinataire (notion de routage)

la taille des unités de données transférées doit être adaptée aux capacités du réseau (notion de segmentation)

le trafic admis dans le réseau ne doit pas conduire à l'effondrement de celui-ci (notion de contrôle de congestion)6

Commutation et multiplexage

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Pourquoi multiplexer et commuter ?

Quel est le problème ? Comment mettre en relation deux entités communicantes du réseau ?

• interconnexion totale de N stations = N(N-1)/2 liens physiques Comment répartir la charge du réseau et être résistant aux pannes ?

•résistance aux pannes : plusieurs chemins pour aller de A à B•si plusieurs chemins, lequel choisir ?

Réseau maillé : deux stations clientes du réseau peuvent être mises en relation par différents chemins

Minimiser le coût de l'infrastructure du réseau multiplexage de plusieurs communications sur un même lien physique minimisation du nombre de liens au sein du réseau

Optimiser l'infrastructure du réseau le nombre de communications potentielles peut être très supérieur au nombre de liens du réseau de commutationoptimiser l'utilisation des ressources du réseau : si chaque abonné désire joindre un autre abonné, il faut optimiser le partage des ressources 8

Principe du multiplexage

Acheminement simultané de plusieurs communications sur un même lien physique

Multiplexage : regroupement de plusieurs voies incidentes sur un même support Démultiplexage : restitution à chaque destinataire des données des différentes voies 9

Principe de la commutation

Aiguillage de la communication d'un canal en entrée vers un canal de sortie

Diverses techniques

commutation de circuits

commutation de messages

commutation de paquets

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La commutation de circuits

La commutation la plus simple

Un chemin physique est constitué de bout en bout entre une source et une destination juxtaposition de différents supports physiques => circuit établi entre les deux abonnés la mise en relation est réalisée par les commutateurs avant tout échange de données (phase de connexion) le circuit est bloqué (phase de transfert) tant que les deux abonnés ne le restituent pas explicitement (phase de libération)

Caractéristiques garantit le bon ordonnancement des données pas de stockage intermédiaire des données débits source/destinataire identiques les abonnés monopolisent la ressource durant toute la connexion facturation à la minute

Inconvénients s'il n'y a plus de ressource disponible de bout en bout, la connexion est refusée mauvaise utilisation des ressources : les deux abonnés consomment rarement toute la bande passante Exemple : le Réseau Téléphonique Commuté

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La commutation de messages Principe pas d'établissement préalable de la communication (aucun lien physique entre la source et le destinataire) un message constitue une unité de transfert qui est acheminée individuellement dans le réseau (exemple : un fichier) sur chaque noeud du réseau, un message est

• reçu en entier• stocké si nécessaire (occupation des lignes)• analysé (contrôle des erreurs)• transmis au noeud suivant, etc…

facturation en fonction de la quantité de données Avantages

meilleure utilisation des liens qu'avec la commutation de circuit meilleur dimensionnement du réseau en cas de fort trafic, il n'y a pas de blocage lié au réseau empêchant l’émission : le message est simplement ralenti possibilité de faire de la diffusion d'un même message à plusieurs correspondants possibilité de faire du contrôle d'erreurs entre deux commutateurs voisins fiabilité

Inconvénients nécessite une mémoire de masse importante dans les commutateurs temps d'acheminement non maîtrisé si un message est corrompu, il devra être retransmis intégralement

Exemple d'application : systèmes de messagerie

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La commutation de paquets (1)

Principe : + de souplesse le message est découpé en paquets (fragments) de petite taille chaque paquet est acheminé dans le réseau indépendamment du précédent (et des autres) pas de stockage d'information dans les nœuds intermédiaires (réémission immédiate sur le lien optimal) le séquencement des paquets n'est plus garanti reconstitution du message à l’arrivée avec éventuellement un réordonnancement des paquets multiplexage des paquets de différentes sources sur un même lien

Avantages optimisation de l'utilisation des ressources, plus grande équité entre les utilisateurs transmission plus rapide que dans la commutation de messages retransmission uniquement du paquet erroné en cas d'erreurs

Inconvénients il peut être nécessaire de réordonner les paquets pour reconstituer le message chaque paquet doit contenir les informations nécessaires à son acheminement 13

La commutation de paquets (2)

Acheminement en mode datagramme ou mode non connecté exemple : Internet les paquets peuvent emprunter des chemins différents ordre d’arrivée différent, reconstitution à l’arrivée risque de perte de paquets si un noeud est engorgé (pas de contrôle de flux possible de bout en bout) simplicité de mise en oeuvre (la complexité est reportée dans les extrémités qui doivent reconstruire le message) routage différent de chaque paquet permet de répartir la charge du réseau (routage adaptatif)

Acheminement en mode circuit virtuel ou mode connecté un chemin est établi à l’avance (le Circuit Virtuel) les paquets sont reçus dans l’ordre (même chemin pour tous) décision d'acheminement plus rapide (la route est connue) réalisation plus difficile compromis entre la commutation de circuits et la commutation de paquets en mode datagramme

• optimisation des ressources • garantie de séquencement

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Circuit virtuel vs. Datagramme Le mode Circuit Virtuel (ATM, Frame Relay) avantages :

• séquencement des paquets garanti• court en-tête, acheminement plus rapide

inconvénients :• chaque connexion ouverte consomme des ressources même si aucun paquet ne circule• une seule route possible• pas de contournement des zones congestionnées•perte de tous les circuits en cas de défaillance d'un routeur

Le mode Datagramme (Internet) avantages :

• plus robuste (plusieurs routes possibles)o résistance aux défaillances de routeuro en cas de crash d'un routeur, perte uniquement des paquets en cours de traitemento adaptabilité aux congestions

• répartition de la charge inconvénients :

• risque accru de congestion• arrivée désordonnée des paquets• décision d'acheminement sur chaque paquet

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Adressage et Nommage

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Adressage– définitions

Adressage = moyen d'identifier de manière unique deux entités communicantes la source doit pouvoir fournir au réseau l'adresse du destinataire le destinataire doit pouvoir identifier l'adresse de son correspondant (adresse source)

Adressage physique et adressage logique adressage physique : désigne le point de raccordement au réseau (localisation des extrémités) adressage logique ou nommage : identifie un processus ou une machine indépendamment de sa localisation (désigne l'objet de la communication : ex. (@IP, port))

Les types d'adressage

Adressage hiérarchique : l'adresse est décomposée en différentes parties qui permettent d'identifier le réseau auquel l'utilisateur est rattaché le point d'accès par lequel il est raccordé au réseau l'utilisateur dans l'installation localeexemple : numérotation téléphonique

Adressage à plat le format de l'adresse n'a aucune signification particulière quant à la localisation de l'entité communicante exemple : adresse MAC

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Nommage-définitions

La notion de nommage est complémentaire de celle d’adressage, l’un désigne l’objet, l’autre précise sa localisation

dissocie l'objet de sa localisation géographique Le déplacement de l’objet nommé est transparent à l’utilisateur

Le nommage utilise deux modes de représentation Nommage hiérarchique ou arborescent: le nommage est organisé en domaines• exemple : Internet (domaine .fr, .edu, .com, .gouv.fr, .education.gouv.fr, …)

Nommage à plat: il faut garantir l'unicité du nom sur l'ensemble du réseau exemple : NetBios (Network Basic Input/Output System)

Notion d’annuaire: Pour localiser un objet, il faut un annuaire qui fasse la correspondance nom/adresse : résolution de nom

L’association nom/adresse est résolue selon deux techniques• consultation d'un fichier local (Cette correspondance entre nom et adresse se trouve dans un fichier particulier : le fichier HOSTS), le nommage est alors dit local• consultation d’une base de données centralisée ou répartie sur un système local ou des systèmes distants, le nommage est, alors, dit décentralisé

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L’adressage ISO

L’adressage définit par L’ISO dit adressage NSAP(Network Service Access point) définit plusieurs champs:

28 ½ octets

X.121

AFI: (Autority Format Identifier), désigne l’autorité gestionnaire du domaine d’adressage et le format de représentation de l’adresse. La valeur 37 indique que l’adresse qui suit est au format X.121 et est codée en DCB.IDI: (Initial Domain Identification), identifie le domaine d’adressage. Dans la norme X.121 (AFI=37), les numéro (208-212) est affecté à la France, le 2 représentant l’Europe, (310-329) état-UnisDSP: (Domain Specific Part), correspond à l’adresse effective de l’abbonné. Cette adresse peut éventuellement être complétée par l’adresse du terminal dans l’installation d’abonné,

la norme X.121 divise l’adresse en deux champs: DNIC Data network Identification Code: numéro de réseau, identifie le pays et le réseau dans le paysNUA Network User Address: correspond au numéro de l’abonné dans le réseau

IEEEDSPIDIAFI

3 7 2 0 8 0 9 2 0 2 0 3 6 2 x x

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Adresse IP (Internet Protocol)

IPv4

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L'Internet du point de vue utilisateur

L'Internet du point de vue réel

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Format de l'adresse IP

L'internet se décompose en plusieurs réseaux logiques IP

L’IANA (Internet Assigned Number Authority) gère l’attribution d’adresses IP, puis décentralisé au niveau de chaque pays

L'adresse IP est composée de deux champs NET_ID : identifiant du réseau IP (utilisé pour le routage), assigné par une autorité, identifie le réseau

HOST_ID : identifiant de la machine dans le réseau IP, assigné par l’administrateur de réseau, identifie la machine

Adresse IP = 32 bits = 4 octets (représentée par 4 valeurs décimales [0-255] séparées par un .) le découpage précis dépend de la classe d’adresses :– classe A : N.H.H.H, – classe B : N.N.H.H,– classe C : N.N.N.H, – classe D : pas de distinction network/host,– classe E : réservée

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Les classes d'adressage

Classe A: 8 bits pour le numéro de réseau : 1.0.0.0 à 127.0.0.0 24 bits pour l’adresse locale : 2563 – 2 @ locales (plus de 16 millions de machines)

Classe B: 16 bits pour le numéro de réseau : 128.0.0.0 à 191.255.0.0 (plus de 16000 réseaux); 16 bits pour l’adresse locale : 2562 – 2 @ locales (65534 machines)

Classe C: 24 bits pour le numéro de réseau : 192.0.0.0 à 223.255.255.0 (plus de 2 millions réseaux); 8 bits pour l’adresse locale : 254 @ locales

Classe D: réseau 224.0.0.0 à 239.255.255.255 choisies de façon arbitraire: dédiée au Multicast.

Classe E: réservées aux expérimentations

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Adresses IP particulières

Diffusions locale et distante

255.255.255.255 : adresse de broadcast sur le réseau IP local (Les machines du même segment de réseau), ne passe pas le routeur, traduit en broadcast ARP:Adress Resolution Protocol.

<NET_ID><111…111> : adresse de broadcast dirigée vers le réseau de numéro NET_ID (exemple : 132.227.255.255 = diffusion dans le réseau 132.227.0.0 traduit en broadcast ARP par le routeur destination)

Rebouclage local:127.x.x.x (loopback ou 127.0.0.1 localhost)

permet de tester la pile TCP/IP locale sans passer par une interface matérielle

test logiciels, communication inter-processus sur la station

l'adresse 0.0.0.0

utilisée par le protocole RARP(Reverse Adresse Resolution Protocol permet l’attribution d’une adresse IP à une machine) (@IP de démarrage)

adresse de la route par défaut dans les routeurs 24

Les adresses privées

Adresses privées (RFC 1918): des adresses qui ne seront jamais attribuées (adresses illégales) et qui ne sont pas routables sur l'Internet

classe A : de 10.0.0.0 à 10.255.255.255 classe B : de 172.16.0.0 à 172.31.255.255 classe C : de 192.168.0.0 à 192.168.255.255

Si une entreprise qui utilise des adresses privées souhaitent tout de même disposer d'une connexion à l'Internet, il faut

demander une adresse publique(renuméroter toutes les stations avec des adresses publiques ) faire des conversions adresse privée <--> adresse publique (NAT: Network Address Translator)

• mise en correspondance d'une adresse privée et d'une adresse publique• traduction statique ou dynamique (lors de la connexion)

Fonctionnement du NAT une table stockée dans le NAT fait la correspondance entre (@IP_src privée, port_src) et une @IP_publique quand le paquet part : @IP_src devient @IP_publique, port_src devient la référence de l'entrée dans la table quand la réponse revient : port_dest du paquet

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Exemple de requête sortanteExemple de requête entrante

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Les sous-réseaux

Une organisation dispose généralement d'une seule adresse de réseau IP mais est composée de plusieurs sites/départements diviser un réseau IP en plusieurs sous-réseaux prendre quelques bits de la partie <HOST_ID> de l'adresse IP pour distinguer les sous-réseaux transparent vis à vis de l'extérieur

Masque de sous-réseau (Netmask) l'acheminement se fait en fonction de <NET_ID> et <SUBNET_ID> mais taille de <SUBNET_ID> inconnue -> information donnée par le netmask : tous les bits à 1 correspondent à <NET_ID><SUBNET_ID> Exemple :134.214.0.0

divisée en 62 sous-réseaux : 134.214.4.0, 134.214.8.0, 134.214.12.0, …, 134.214.248.0 netmask = 255.255.252.0

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Le découpage passe par l’utilisation d’un masque de sous réseau ou subnet mask

même notation que l’@ IP• bits de la partie réseau à 1• bits de la partie sous réseau à 1• bits de partie locale à 0

Exemple : 130.190.0.0 un réseau de classe B• masque par défaut : 255.255.0.0 (si pas de subnet)• masque 255.255.255.0 (si présence de subnet - 3ème octet)

Le choix du découpage dépend des perspectives d’évolution du site inconnu de l’extérieur

Exemple Classe B :8 bits pour l’@ sous réseau et 8 bits pour l’@ locale donnent un potentiel de 254 sous-réseaux et 254 machines par sous-réseau, 3 bits pour l’@ sous réseau et 13 bits pour l’@ locale permettent 6 sous réseaux de 8190 machines chacun.

Exemple Classe C : 4 bits pour l’@ sous réseau et 4 bits pour l’@ locale permettent 14 sous réseaux de 14 machines chacun.

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Détermination du sous-réseau : ET logique avec le netmask

le netmask permet de savoir si la machine source et destination sont sur le même sous-réseau la classe d'adressage permet de savoir si elles sont sur le même réseauPour une machine d'extrémité, il suffit d'indiquer

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L'adressage géographique - CIDR

Routage Internet sans classe Problème :

• Adresses de classe B quasiment épuisées (vers 1992)• La croissance du nombre de réseaux => saturation des routeurs

Solution : des classes C contiguës : blocs de numéros (supernet) une adresse notée « /22 » désigne un bloc de 4 @ classes C consécutives.

Allège les tables Pour se faire :Des adresses IP multiples doivent avoir les mêmes bits de poids fort

Les tables de routage doivent prendre en compte un masque de 32 bits

Les protocoles de routage doivent ajouter un masque de 32 bits /@IP 30

Une entreprise a besoin d’un nombre d’adresse < 2048 Nombre d’@ de classe C = 8 Adresse de début : 192.24.0, adresse de fin 192.24.7 Correspond :

• Adresse de début : 192.24.0• Netmask : 255.255.248.0 (255.255. 111 1000.0)

Une entreprise a besoin d’un nombre d’adresse < 1024 Nombre d’@ de classe C = 4 Adresse de début : 192.24.8, adresse de fin 192.24.11 Correspond :

• Adresse de début : 192.24.8• Netmask : 255.255.252.0 (255.255. 111 1100.0)

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Adaptation de la taille des unités de données

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Notion de MTU

MTU - Maximum Transfer Unit Taille maximale des paquets admis dans le réseau (en-tête compris) Cette taille varie d'un réseau à l'autre et d'une couche à l'autre Si un paquet a une taille supérieure à la MTU, il doit être fragmenté en plusieurs blocs à l'entrée du réseau et réassemblé à la sortie

Pourquoi imposer une taille maximale ?

stockage des paquets dans les files d'attente des routeurs/commutateurs (mémoire limitée) au matériel (ex. taille des trames Ethernet) au protocole (nombre de bits réservés au champ longueur du paquet) limiter les retransmissions en cas d'erreurs limiter le risque de congestion (temps d'occupation du canal par un paquet)

Quelques MTU en octets

Ethernet (1500), Frame Relay (1600), Token Ring (4464 en 4Mbps, 17914 en 16Mbps)

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Fragmentation et réassemblage

La fragmentation est réalisée par le routeur d'entrée qui doit reconstruire un en-tête d'acheminement pour chaque fragment

Mode non connecté les différents fragments peuvent arrivés dans le désordre les fragments doivent être numérotés et comptés le réassemblage ne peut se faire que sur le destinataire qui doit connaître le nombre de fragments attendus

Mode connecté le routeur de sortie peut reconstituer le paquet fragmenté chaque fragment contient uniquement un bit (bit More) d'information indiquant s'il s'agit du dernier fragment

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