Master 1 SIGLIS Ingénierie des réseaux Stéphane Tallard Chapitre 1 - Généralités

Master 1 SIGLIS

Ingénierie des réseauxStéphane Tallard

Chapitre 1 - Généralités

2Ingénierie des réseaux - Chapitre 1 GénéralitésMaster 1 SIGLIS

C’est quoi Internet ?

• Des millions de périphériques connectés : hôtes (système finaux)

•Des applications réseau

•Des liens de communication: • fibre optique, fils de

cuivre, radio, satellite • débit de transmission =

bande passante

•Des routeurs: reçoivent et envoient des paquets de données

ISP = Internet Service Provider



• Des protocoles qui contrôlent l’envoi et la réception des messages• ex : TCP, IP, HTTP, PPP

• Un réseau de réseaux• Organisés hiérarchiquement

(en gros)

• Des standards Internet • RFC: Request for Comments• IETF: Internet Engineering

Task Force

ISP = Internet Service Provider



•Des infrastructures de communication qui

supportent des applications distribuées:

• Web, VoIp, email, jeux, e-commerce,

partage de fichiers

•Des services de communication fournis aux

applications qui prennent en charge le

transport de données de la source à la

destination:

• garanti (fiable) ou

• au meilleur effort (non garanti).

Ce sont aussi des services


Qu’est ce qu’un protocole ?

•Des messages envoyés •Des actions effectuées quand certains messages sont reçus ou quand d’autres évènements surviennent

Toute l’activité de communication sur Internet est gouvernée par des protocoles

Les protocoles définissent le format, l’ordre des messages envoyés et reçus entre les entités du réseau ainsi que les action prises sur la transmission et la réception des messages.


•Un protocole entre les humains ou entre les ordinateur d’un réseau

Qu’est ce qu’un protocole ?


Un vue plus détaillée de la structure d’un réseau

• A la périphérie du réseau : des application et des hôtes

• Des réseaux d’accès et des media physiques: • liens de communication câblés ou

sans fils

•Le cœur du réseau: • Des routeurs interconnectés • Des réseaux de réseaux


La périphérie du réseau

•Les systèmes finaux (hôtes) à la périphérie du réseau : • exécutent des applications :

Web, , eMail …




Web, , eMail …

•Le modèle client-serveur• Les clients envoient des requêtes

et reçoivent des réponses d’un serveur.

• ex : Navigateur Web/Serveur , eMail




Web, , eMail …

•Le modèle client-serveur• Les clients envoient des requêtes

et reçoivent des réponses d’un serveur.

• ex : Navigateur Web/Serveur , eMail

•Le modèle point-à-point (peer to peer)• utilisation minimale de serveurs

(ou pas de serveur du tout) • Ex : Skype, BitTorrent


Classification des réseaux

Distance entre machines

Machine situées dans le(a) même

Type du réseau

1 m m2 Personal Area Network

10 m SalleLocal Area Network

100 m Immeuble

1 km Campus

10 km Cité Metropolitan Area Network

100 km PaysWide Area Network

1000 km Continent

10 000 km Planet The Internet


Réseaux locaux - Local area Networks (LAN)

• Les LAN sont restreints en taille : le temps de transmission dans le cas le plus défavorable est limité et connu à l’avance. Ceci permet d’utiliser des formes de conception particulières.

•Deux types principaux de topologie • topologie en bus (a)• topologie en anneau (b)


Local area Networks (LAN) – Topologie en bus

• Dans le cas de la topologie en bus, à un instant t, une seule machine est autorisée à transmettre.

• Un mécanisme d’arbitrage centralisé ou distribué résout les conflits en émission.

•La Norme IEEE 802.3, « Ethernet »:

• réseau basée sur la topologie en bus avec un algorithme de contrôle décentralisé.

• Les ordinateurs connectés peuvent émettre quand ils le veulent.

• Si deux paquets sont émis en même temps, chaque ordinateur attend un temps choisi au hasard avant de réémettre.


Metropolitan Area Network (MAN)

•Exemple : Réseaux de télévision câblés

•Les signaux de télévision et Internet sont groupés dans un dispositif centralisé et distribués dans les foyers


Wide Area Network (WAN)

• Des réseaux locaux (LAN) relient des postes clients (ou hôtes)

• Les réseaux locaux sont reliés à des sous-réseaux (subnet) gérés par des opérateurs (fournisseur internet, … ).

•Le routeur connecte le réseau local au sous-réseau.

•Le routeur est un ordinateur qui choisit pour chaque paquet entrant une ligne sortante.


Wide Area Network (WAN)

Un message doit être envoyé d’un hôte émetteur vers un hôte récepteur:

• Il est scindé en paquets portant chacun leur numéro d’ordre

• Les paquets sont injectés dans le réseau

• Les paquets sont transportés par le réseau jusqu’à l’hôte récepteur.

• Chaque routeur choisit la route que va prendre le paquet entrant : il est possible que deux paquets du même message suivent une route différente.

• L’hôte récepteur utilise le numéro d’ordre porté par les paquets pour réassembler le message initial


Technologies de transmission

Diffusion: • Le message est transmis à tous les ordinateurs du

réseau.• Le message contient l’identification du destinataire ou

d’un groupe de destinataires.• Chaque ordinateur examine le destinataire du message

et ne le traite que si le message le concerne.

Point à point: • Le réseau est constitué de connections entre ordinateurs

relié deux à deux.• Pour parvenir à destination, un message passe par une

ou plus machines intermédiaires.


Réseaux sans fil

• Connexion inter-système: relie des composants électroniques en utilisant des ondes radio courte portée. • exemple : les réseaux Bluetooth

• Les réseaux locaux sans fil basés sur la norme IEEE 802.11

• Réseaux étendus sans fil (Wireless WAN) • Exemple : Réseaux Radio pour la téléphonie

mobile


Le service de transfert de données fiable d’internet

Objectif: Transfert de données entre les hôtes

• Handshaking : préparer le transfert de données à l’avance (connection)

• TCP : Transmission Control Protocol • Le service de transfert de

données fiable d’Internet.

Service TCP [RFC 793]

•Transfert de données fiable « dans l’ordre »: • Pour gérer la perte:

acquittements et ré-émissions

•Contrôle de flux: l’émetteur ne va pas submerger le receveur

•Contrôle de la congestion: l’émetteur ralentit l’emission quand le réseau est lent


Le service de données peu fiable d’Internet

Objectif: le transfert de données entres les hôtes

(toujours !)

UDP : User Datagram Protocol [RFC 768]• Sans connection• peu fiable • Pas de contrôle de flux • Pas de contrôle de congestion

Les applications utilisant TCP:• HTTP (Web), FTP

(transfert de fichiers), Telnet (login distant), SMTP (eMail)

Les applications utilisant UDP: • streaming,

téléconférence, DNS, téléphonie internet


Le cœur du réseau

• Le cœur du réseau est constitué par un maillage

de routeurs interconnectés

• Comment les données sont elles transférées à

travers le réseau ?

• Réseau téléphonique: avant de mettre les

deux parties en communication, on réserve

des ressources qui vont stocker l’état de la

connexion entre les parties.

(commutation de circuit)

• Internet: l’émetteur injecte des paquets dans

le réseau sans qu’il y ait eu au préalable

d’allocation d’un circuit.

(packet-switching)


Commutation de circuits

Des ressources sont réservées pour l’appel

• les ressources allouées sont dédiées: il n’y

a pas de partage

• la performance est constante tout au long

de l’appel et elle est garantie

• une préparation avant l’appel est

nécessaire

• Si une ressource allouée n’est pas utilisée

par l’appel prioritaire, elle est « idle »

• Pour optimiser l’utilisation des liens physiques

on utilise la Frequency Division Multiplexing

(FDM) et la Time Division Multiplexing (TDM).


Commutation de circuit : FDM et TDM

Le spectre de fréquence

admissible par le lien est

partagé entre les connexions

On définit des intervalles de

temps que l’on associe à des

connexions:

Intervalle 4k : user 1

Intervalle 4(k+1): user 2

Intervalle 4(k+2): user 3

Intervalle 4(K+3): user 4

Frequency Division Multiplexing (FDM)

Time Division multiplexing (TDM)


Commutation de paquets

• Le flux de données est divisé en paquets

•Les paquets envoyés par A et par B partagent les mêmes ressources réseau

•Chaque paquet utilise à plein la bande passante

•Les ressources sont utilisées au fil des l’eau selon les besoins

Utilisation des ressources

•La demande de ressource globale peut excéder le volume total de ressource disponible

•Congestion: les paquets sont mis en queue en attendant que les liens soient disponibles

•« Store-and-forward »:• Si le lien en sortie est occupé le

paquet est stocké dans un buffer de sortie

• Si le buffer de sortie est plein, il y a perte du paquet.


Commutation de paquets : multiplexage statistique

• A et B envoient des paquets

• En sortie du routeur, les paquets de A et de B sont entrelacés : la bande passante du lien physique entre les routeurs R1 et R2 est partagé entre A et B proportionnellement à leur débit d’envoi.

On parle de multiplexage statistique

R1 R2


Commutation de paquets: store-and-forward

• Il faut L/R secondes pour transmettre un paquet de L bits sur un lien de R bps. • Store-and-forward : Le paquet complet doit arriver au routeur avant d’être transmis sur le lien suivant.• Pour la configuration en exemple, le temps d’attente total est de 3L/R (en supposant que le temps de stockage dans les buffers de sortie est toujours nul).

Exemple:• L = 7.5 Mbits• R = 1,5 Mbps • délai de transmission = (3 * 7,5) / 1,5 = 15 s


Commutation de paquets / commutation de circuits

•En effet, les utilisateurs ne gênèrent pas des données constamment

• Si on suppose qu’un utilisateur est actif 10% du temps •Avec la commutation par circuit, 100 Kbps doivent être réservés pour chaque utilisateur constamment

Un lien de 1Mbps ne peut supporter que 10 utilisateurs

•Avec la commutation par paquet, si on a plus de 10 utilisateurs générant des données en même temps, les buffers de sortie vont commencer à se remplir jusqu’à ce qu’on ait moins de 10 utilisateurs actifs

•si on a 35 utilisateurs, la probabilité pour que dix utilisateurs soient actifs à un moment donné est de 0,004

•Comme cette probabilité est très faible, la commutation par paquet permet à davantage d’utilisateurs d’utiliser le réseau. .


Comparaison commutation par paquet / commutation par circuit

• La commutation par paquet est bien adaptée aux données générées en rafales • on partage les ressources• plus simple à mettre en œuvre : pas de préparation

avant l’appel

•La communication par paquet souffre de problèmes de congestion: temps d’attente et perte • On a besoin de protocoles pour obtenir des transferts de

données fiables et pour gérer le contrôle de la congestion.

•Comment fournir un comportement proche de celui de la commutation par circuit ?

• on en a besoin pour les applications audio/vidéo• Cela reste un problème ouvert.


Perte et délai

Lorsque le débit d’arrivée est supérieur au débit de

sortie, le routeur met les paquets sont mis dans une

file d’attente en attendant d’être émis.

Paquets en cours de transmission.

Paquets en attente

Buffer disponible: les paquets entrants sont jetés si il n’y a pas de buffer disponible

Routeurs


Quatre sources de délai (1/2)

1. Les traitements au niveau de nœud• Vérification des erreurs de transmission des bits• Détermination du support de sortie

2. Dans la file d’attente• Attendre la transmission sur le support de sortie• Ce retard est fonction de la charge du routeur (qui est

elle-même dépendante du trafic réseau).

transmission

propagation

File d’attenteTraitement du nœud


Quatre sources de retard (1/2)

3. Délai de transmission: • R = bande passante du lien en bps• L = taille du paquet (bits) • Temps d’envoi du paquet sur le lien : L/R 4. Délai de propagation• d = longueur du lien physique• s = vitesse de propagation sur le media (~

2x108 m/sec) • Délai de propagation = d/s

transmission

propagation

File d’attenteTraitement du noeud

Le temps qu’il faut au routeur pour mettre le paquet sur le fil

Le temps qu’il faut au support physique pour faire parvenir le paquet à sa destination


Analogie avec un convoi de voitures

• Les voitures se déplacent à 100km/h : propagation • Le péage prend 12 secondes pour traiter une voiture : temps de transmission • une voiture : un bit – le convoi : le paquet

Question: Combien de temps avant que le convoi soit arrivé au second péage ?

100 km

Péage PéageConvoi de 10 voitures

•Temps pour que le convoi ait passé le péage : 12 * 10 = 120 s = 2 mn •Temps pour que la dernière voiture se déplace du premier péage au second : 1heure

Réponse: 62 minutes.


• Les voitures se déplacent maintenant à 1000km/h • Le péage met maintenant 1mn pour traiter une voiture

Question: Est-ce des voitures passeront le second péage avant que toutes les voitures aient passées le premier péage ?

Analogie avec un convoi de voitures (2)

100 km

Péage PéageConvoi de 10 voitures

Réponse: Oui. Après 7 mn, la première voiture passe le second péage

Le premier bit d’un paquet peut arriver au second routeur avant que le paquet ait été complètement transmis


Délai d’un nœud

D nœud = d traitement + d queue + d Transmission + d Propagation

•d traitement = temps de traitement • Quelques microsecondes ou moins

• d queue = délai de mise en attente • dépend du trafic

•d Transmission = délai de transmission • L/R, significatif pour des liaisons lentes

•d Propagation = délai de propagation• Quelques microsecondes à quelques centaines de

millisecondes.


Délai de mise en attente

• R = bande passante de la liaison (bps)• L = longueur du paquet (bits) • a = débit d’arrivée moyen

Intensité du trafic = La/R

•Si La/R ~0 le délai de mise en attente est faible

•Si La/R ~1 : le temps d’attente devient important

•Si La/R > 1 : on ne peut pas traiter les paquets entrants, le délai moyen devient théoriquement infini (si on suppose que les buffers sont de taille infinie)

Délai de mise en attente moyen


Les délai et les routes d’Internet

Traceroute permet de calculer la route de localhost vers une cible et d’afficher les temps de transmissions entre chaque routeur.

Numéro d’ordre Trois temps de transmission sont mesurés.

Liste des routeurs rencontrés


Traceroute : comment ça marche ?

• traceroute s’appuie sur le champ TTL (Time to Live) des paquets IP.

•Quand un routeur reçoit un paquet avec un champ TTL à 0, il considère que le paquet tourne en boucle et renvoie un message d’erreur au destinataire contenant son adresse et les temps de propagation.

•Quand un routeur envoie un paquet IP à un autre routeur il décrémente le champ TTL.

•traceroute envoie à la cible des paquets IP sonde avec des TTL débutant à 0 et de plus en plus en grands.

•traceroute va recevoir des paquets IP d’erreur avec l’adresse de tous les routeurs rencontrés.


Perte de paquet

• Un buffer de sortie a une capacité finie

•Quand le buffer de sortie est plein, le paquet est jeté (et donc perdu).

•Les paquets perdus peuvent être retransmis par le nœud précédent, par la source ou pas du tout.


Structuration des applications réseau

•Un réseau c’est complexe : • des ordinateurs hôtes, des routeurs, des

liaisons physiques variées, des applications, des protocoles, du hardware, du logiciel.

Questions : •Est il possible d’organiser la structure d’un réseau ? •Est il possible au moins d’organiser ce cours ?

Nb: Être complexe c’est être composé


Le modèle OSI de L’ISO

•OSI : Open System Interconnection

•ISO : International Standards Organization

•Le modèle OSI est organisé en couches :

• A chaque couche on associe des responsabilités bien définies

• On décrit comment chaque couche coopère avec les couches de niveaux supérieur et inférieur.


Le modèle OSI de l’ISO

Pourquoi une architecture en couche ?

•Pour appréhender plus facilement un système complexe:• Une structure explicite permet l’identification des

parties du système • Une structure explicite permet de définir les

relations entre les parties du système

•La modularisation facilite la maintenance et l’évolutivité du système: • Changer l’implémentation d’un sous-ensemble du

système n’impacte pas le reste du système.


Couche application

Elle offre un certains nombre de protocoles

qui peuvent être utilisés par les applications

réseau :

FTP , SMTP , HTTP

Couche application

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique


Couche transport

LA couche transport prend en charge le

transport des messages de la couche

application entre le client et le serveur.

Elle s’assure notamment que les

paquet arrivent dans le bon ordre.

Internet offre deux protocoles de

transport : TCP et UDP.

Couche application

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique


Couche réseau

La couche réseau assure :

•le routage d’une hôte à l’autre.

•La gestion des problèmes de congestion

La couche réseau d’Internet est basée sur

le protocole IP.

Couche application

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique


Couche Liaison

La couche liaison de fournit les services

de transport des paquets d’un hôte à

l’autre.

• Gestion des erreurs : détection,

correction, signalisation

• Supervision de la transmission:

structure des messages, suivi du

protocole d’échange.

Couche application

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique


Couche Physique

Couche application

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique

La couche physique fournit les moyens

mécaniques, électriques, fonctionnels

et procéduraux nécessaires à

l'activation, au maintien et à la

désactivation des connexions physiques

destinées

à la transmission de bits entre deux

entités de liaison de données.



•OSI : Open System Interconnection

•ISO : International Standards Organization

•Le modèle OSI de l’ISO a été proposé en 1983 et révisé en 1995.

•Il traite de la communication entre système ouverts.



Couche application

Couche présentation

Couche session

Couche transport

Couche réseau

Couche Liaison

Couche physique

• La couche présentation permet aux applications d’interpréter la signification des données: encryptage, compression, conventions spécifiques.

•Le couche session prend en charge la synchronisation,

•La pile Internet ne contient pas ces couches: ces services si ils sont nécessaires doivent être implémentées par les applications.


Le flux d’information

Le niveau 2 rajoute une entête aux paquets ainsi que des informations additionnelles

Un message M part du niveau 5

Le niveau 4 rajoute une entête

M est trop long: le message est coupé en paquets plus petits. Le niveau 3 rajoute à chaque paquet une entête : un numéro d’ordre).

Les paquets arrivent côté récepteur.

Les paquets sont réassemblés pour former le message initial

Les paquets envoyés par le niveau 3 sont extraits.

Le message initial est extrait et est prêt à être traité.


Le flux d’information pour Internet

Message M

Ht M

Hn Ht M

Hl Hn Ht M

Segment

Datagramme

Frame

Hl Hn Ht M

Hn Ht M

Les niveaux réseau, transport et application ne sont pas implémentées sur les équipements réseau.


Histoire d’Internet

1961-1973 : Les principes de la commutation par paquet

• 1961 : Kleinrock. La théorie de la mise en attente montre l’efficience de la commutation par paquet. •1964: Baran. Utilisation de la commutation par paquets dans les réseaux militaires. •1967. ARPAnet est conçu par Advanced Research Projects Agency. •1969 : le premier nœud ARPAnet est opérationnel. •1972: • démonstration publique d’ARPAnet • NCP (Network Control Protocol) premier protocole host-host• Premier programme email • ARPAnet a 15 nœuds.



• 1970: ALOHAnet un réseau radio basé à Hawaii . • 1974 : Cerf et Kahn Une architecture pour interconnecter les réseaux •1976: Ethernet au Xerox parc. •Fin des années 70:• architectures propriétaires DECnet,

SNA, XNA. • Commutation par paquets de longueur

fixe (précurseur d’ATM) •1979: ARPAnet a 200 nœuds.

1972-1980: Interconnexion de réseaux

•Minimalisme, autonomie: pour interconnecter des réseaux, on ne doit pas faire de changements internes• Modèle de service best-effort•Routeurs sans états •Control décentralisé

Ces principes définissent l’architecture actuelle d’Internet.



•1983: déploiement de TCP/IP

•1982: le protocole SMTP est défini.

•1983: Définition du concept de DNS : Traduction d’un nom en une adresse IP.

•1985: Le protocole FTP est défini.

•1988 : Le protocole TCP traite du contrôle de congestion

•De nouveaux réseaux nationaux: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel. •100000 hôtes connectés à une confédération de réseaux.

1980-1990: De nouveaux protocoles, une prolifération de réseaux



•Début des années 1990: ARPAnet est déclassé

•1991: NSF lève les restrictions sur l’utilisation commerciale de NSFnet . Déclassement en 1995.

•Début des années 1990 : le WEB• Hypertext (Bush 1945, Nelson 1960)• HTML HTTP: Berners-lee • 1994: Mosaic, plus tard Netscape.

•Fin des années 1990: commercialisation du Web

1990-2000: commercialisation, le Web, nouvelles applications

•Fin des années 1990 – 2000 :• davantage

d’applications « qui comptent » : P2P, Messagerie instantanée

• La sécurité des réseaux sur la sellette

• 50 millions d’hôtes, plus de 100 millions d’utilisateurs

• des liaisons backbone à des vitesses de l’ordre du Gps.


!Histoire d’Internet

2007: • ~500 millions d’hôtes

• Voix, vidéo sur IP

• Application P2P : BitTorrent (partage de fichiers), Skype (VOIp), PPLive (vidéo)

• Plus d’applications : YouTube, jeux • Sans fil,mobilité.

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