guy pujolle guy.pujolle@lip6.fr réseaux: la synthèse les architectures

Guy PujolleGuy.Pujolle@lip6.fr

Réseaux: La synthèse

Les architectures

2

Trafic total

1 000 000

10 000 000

100 000 000

1 000 000 000

100 000 000 000

1998 1999 2000 2001 2002

Téléphone

Internet

Gbit/jour

Données

3

Les catégories de réseaux

PAN Personal Area Network• LAN Local Area Network• MAN Metropolitan Area Network• WAN Wide Area Network

1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km

réseaux

métropolitain

Réseau personnel

Réseauxlocaux

Réseauxétendus

Le paysage technique

5

Les grandes directions

• Télécom– Le réseau téléphonique– Le RNIS

• Intégration téléphone et donnée: 2B+D16

– Le multimédia

• Informatique– L ’interconnexion d ’ordinateurs– L ’interconnexion de réseaux (Inter Net)– L ’Internet– La parole et la vidéo

• Câblo-opérateur– La vidéo de type télévision– Intégration canaux téléphoniques et d ’accès à Internet

6

Télécommunication

• But: mettre à la disposition de l'utilisateur un réseau de communication pour interconnecter divers équipements terminaux.

• Intelligence à l ’intérieur du réseau pour pouvoir prendre en compte des terminaux « sans intelligence ».

• Application de base : la parole téléphonique temps réel.• Applications: téléphone, intégration de services.

– Parole téléphonique: 1 octet toutes les 125 µs,

– Temps réel (phénomène d'écho).

– Caractéristiques:

» synchrone et isochrone,

» contrainte temporelle.

7

Extrémitéanalogique

Téléphonie

• Interactivité – 600 ms de temps aller-retour

• Problème des échos– 56 ms de temps aller-retour

8

Vision télécom

• Solution 1980: commutation de circuits

– Débit continu bien adapté pour la synchronisation et les contraintes temporelles

– Solution simple et efficace mais avec une mauvaise utilisation pour le transport des données

9

Coût

1980 2000

Prévuen 1980

Réel

Commutation de circuits

• Passage au transfert de paquets en 1988

10

Opérateurs télécom

– Multiplexage en longueur d’ondes WDM (Wavelength Division Multiplexing)

• Aujourd’hui 16 x 2,5 Gbit/s = 40 Gbit/s• sous peu 32x10 Gbit/s = 320 Gbit/s

– DWDM (Dense WDM)• Multiplication par 2 tous les 6 mois pendant 5 ans• 2005: 1000 longueurs d’onde

– Commutateur optique• circuit sur une longueur d’onde• paquet en longueur d’onde

11

ISP (Internet Service Provider) Opérateurs informatiques

• But: relier les clients et des serveurs.• Applications: transactions, navigation,

transfert de fichier, ...• Asynchrone, temps de réponse variable.• Solution: transfert de paquets.

– Solution IP– Les réseaux partagés: Ethernet, Token ring,...

12

Transfert de paquets

• Paquets de longueur variable ou constante• Store and forward et cut through• Routeur et commutateur

13

Message

Paquet

Trame

Les entités de transports

Segment

14

Les entités de transports

Message

Trame

Segment

15

Trame ou paquet

• Une trame est un paquet dont on sait reconnaître le début et la fin– transfert de niveau 2– HDLC, LAP-B, LAP-F, ATM, Ethernet

• Un paquet est une trame dont on ne sait pas reconnaître le début et la fin– transfert de niveau 3– IP, X.25– besoin d ’une trame pour le transport

• Trame IP en WDM• paquet IP sur SONET (encapsulation dans PPP ou LAP-B)

16

Transfert de paquets (niveau 3)

17

Transfert de trames (niveau 2)

18

Transfert niveau 2 et niveau 3

19

Transfert de paquets

• Nœud de commutation/Nœud de routage– Routeur (adresse complète du destinataire)– Commutateur (utilisation d’une référence)

• Performance Commutateur/Routeur• Les routeurs-commutateurs

20

Routage

• Table de routage– 157, 51, 35, 43 sortie 1– 157, 51, 44, 251 sortie 3– 158, 2, 208, 23 sortie 2– 158, 3, 123, 132 sortie 2

21

Commutation

• Table de commutation– 13 sortie 2 avec référence 47– 15 sortie 3 avec référence 23– 19 sortie 3 avec référence 170– 23 sortie 1 avec référence 47– 132 sortie 2 avec référence 89

22

i

i

mm

Liaison/circuit virtuel = association de i, j, k, l, m

j

k

l

A

B

C

D

E

F

Niveau trame/Niveau paquet

• Liaison virtuelle/Circuits virtuels.– table de commutation, exemple Ai Cj– Bj Dk

23

Commutation et routage

• En général – un transfert de niveau 2 est une commutation

• ATM, Ethernet, relais de trames

– un transfert de niveau 3 est un routage• IP

• mais tout est possible– Routage

• Ethernet avec l ’adresse IEEE 802.1q

– commutation• X.25

24

Transfert de paquets : futur

• Mettre en place un chemin pour effectuer des réservations partielles ou complètes de ressources pour permettre une qualité de service– Liaison/Circuit virtuel en commutation

• « hard state »• utilisation d’une signalisation de mise en place et de destruction• modification du chemin complexe

– Route fixe dans les réseaux routés• « soft state »• utilisation du premier paquet du flot• rafraîchissement obligatoire• modification du chemin simple

25

Mode connecté et non connecté

• En général– un mode connecté va avec une commutation

• ATM, relais de trames

– Un mode non connecté va avec un routage• IP

• Mais:– un mode connecté peut avoir un routage

• ?

– Un mode non connecté peut être en commutation• Ethernet commuté

26

Adressage

• Référence– Référence simple

• X.25, relais de trames (commutation)

– Adressage plat ou référence simple• Ethernet (commutation)

– Référence hiérarchique• ATM: 2 niveaux (commutation)

• Adresse– Adressage hiérarchique

• IPv4: 2 niveaux de hiérarchie (routage)• IPv6: 8 niveaux de hiérarchie (routage)

n° de constructeur n° de série

27

Contrôle de flux

• Pour réseaux commutés et routés• But: empêcher que les nœuds soient

congestionnés – contrôle par le terminal intelligent

• exemple: slow start et collision avoidance

– contrôle par le réseau• contrôle d ’accès : CAC (Connection Admission Control)• espaceur• priorité

28

Contrôle de flux Internet

8

16

12

4

29

Contrôle de flux télécom

• Contrôle d ’accès : CAC (Connection Admission Control)– Signalisation permettant de réserver des ressources sur une

route

• Espaceur

• Priorité– 3 priorités

• Classe avec garantie complète (priorité 1)• Classe avec garantie partielle (priorité 2)• Sans garantie (priorité 3)

30

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Délai maximumde traversée

Application isochrone

31

Architecture de type Internet

– Caractéristiques• Réseau de réseaux• Intelligence au niveau des machines terminales• Best effort• Simplicité

– Inconvénients• Pas de gestion globale• Techniques de routage parfois lourde• Difficultés de supporter des applications isochrone• Pas de qualité de service

32

Architecture Internet

• Solutions– Possibilité de distinguer les paquets – Introduction d’une signalisation– Service avec garantie de qualité de service

• Protocoles– IPv6– RSVP– IntServ– DiffServ– MPLS

33

Les câblo-opérateurs

• Réseaux câblés pour la vidéo (plusieurs dizaines de canaux de télévision couleur)

• Applications: vidéo,...– Caractéristiques: très haut débit numérique– 200 Mbit/s........35 Mbit/s........2Mbit/s........64 Kbit/s

• MPEG (Moving Pictures Experts Group)– MPEG 2 MPEG4 MPEG7

MPEG12

• Compromis débit/taux d'erreur• Réseaux câblés CATV et fibre optique

– Utilisation de canaux analogiques et numériques

34

MPEG 2

35

MPEG 4

• Video à la demande en utilisant MPEG 4 – décomposition en approximativement 10 objets– 11 niveaux de hiérarchie

110 flots

La boucle locale

37

La boucle locale

– La fibre optique• jusqu’au quartier FTTQ

• jusqu’au trottoir FTTC

• jusqu ’au bâtiment FTTB

• jusqu’à la prise FTTH

– Le CATV• le modem câble

• le multimédia

• problème de la voie d’accès montante (utilisateur vers terminal)

• technique d’accès IEEE 802.15

38

Boucle locale

• Les techniques HFC (Hybrid Fiber Coax)

Fibre optique

CATV

39

Réseau d’accès

• Les paires métalliques + modem xDSL (x Data Subscriber Line)– ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

• 1,5 Mbit/s pour 6 km, 2 Mbit/s pour 5 km, 6 Mbit/s pour 4 km, 9 Mbit/s pour 3 km, 13 Mbit/s pour 1,5 km, 26 Mbit/s pour 1km, 52 Mbit/s pour 300 mètres.

– RADSL (Rate Adaptive DSL), SDSL (Symmetrical DSL)

HDSL (High-bit-rate DSL) et VDSL (Very-high-bit-rate DSL)

40

Multiplexage: DSLAM

Paires métalliques

Fibre optique

Modem + ATM

DSLAM

DSLAM : DSL ATM Multiplexer

41

PCS

ADSL

ADSL

F

F

F

F

Modem34

STB

modem1

DSLAM

STB

ADSL

ADSL

F

F

F

F

Modem34

STB

modem1

DSLAM

STB

ADSL

ADSL

F

F

F

F

Modem34

STB

modem1

DSLAM

STB

ADSL

ADSL

F

F

F

F

Modem34

STB

modem1

DSLAM

STB

Serveurvidéo

Acquisi-tion

vidéo

Réseaulargebande

42

Réseaux d’accès

– Les ondes hertziennes terrestres– de la pico cellule à la cellule parapluie

• IMT 2000 (International Mobile Telecommunication for the year 2000)

– débit jusqu’à 2 Mbit/s

• UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) et IS-95B– faible mobilité: 2 Mbit/s– forte mobilité: 64 Kbit/s

• GPRS: extension du GSM en n . 9,6 Kbit/s

– Les ondes hertziennes satellite• Constellations de satellites

– LEOS Low Earth Orbit Satellite– MEOS Medium Earth Orbit Satellite– GEOS Geostationary Earth Orbit Satellite

Les applications

44

Services

VidéoVidéoon Demandon Demand

FileFiletransferttransfert

CriticalCriticalapplicationsapplications

E-MailE-MailIntranetIntranet

VoiceVoice

Bande passanteBande passante

Niveau de Niveau de serviceservice VideoVideo

ConferenceConference

45

Les applications

• Les applications “stream” ou rigide– Fort temps réel: interactivité ou problème d’écho

• interactivité entre humains ou temps réel industriel– téléphonie– visioconférence

– Temps contraint• interactivité homme machine

– émulation de magnétoscope

• Les applications élastiques– Temps non contraint

• Problème: radio, VoD, télévision diffusée, etc• 2005: applications stream 10%, élastiques 90%

Évolution des architectures

47

Relais de trames

Commutation Ethernet

Routage IPFast packet

Améliorationde l’OSICommutationde paquets

Commutationde cellules

Commutation ATM

MAN/DQDB

Evolution

48

I.441 noyau

I.441 ou spécifié par l'utilisateur

2

1

3

Le relais de trames (Frame relay)

• Dans les nœuds intermédiaires on commute les trames sans tenir compte des reprises sur erreurs, du séquencement, de temporisateurs de reprise,... ceci est laissé à un niveau supérieur.

49

RéseaulocalEthernet

RéseaulocalEthernet

Trames Ethernet

La commutation Ethernet

• Effectuer une commutation directement sur la trame Ethernet

• Adressage – adresse absolue– référence (shim address)– adresse VLAN (Virtual LAN)

50

IP (Internet Protocol)

TCP (Transmission Control Protocol) UDP

Telnet FTP Rlogin SMTP TFTP

RARP ARP

NFS

Architecture Internet et routeur IP

51

Architecture Internet et routeur IP

Routeur

Routeur

Routeur

Sous-réseauouLIS

LIS : Logical IP Subnet

52

Réseau IP de 2e génération

Routeur

Routeur

Routeur

53

RNIS - Réseau Numérique à Intégration de Services

• Technique intermédiaire pour satisfaire à la fois aux contraintes de l’informatique et des télécom

• RNIS Bande Etroite• Superposition de réseaux à commutation de paquets

et à commutation de circuits.– Canaux B : circuits à 64 Kbit/s– Canaux D16 : canaux paquets de 16 Kbit/s.– 2B + D16

• Le RNIS Bande Etroite est orienté circuit.

54

X.25

X.21

réseau téléphonique

relais de trames

équipement terminal

comm

utateu

r com

mu

tate

ur

réseau de distribution ou réseau local de distribution

interface réseau de transport réseau privé

réseau sémaphorepassage des commandes

RNIS - Réseau Numérique à Intégration de Services

55

X.25

X.21

réseau téléphonique

réseau satellite

équipement terminal

comm

utateu

r com

mu

tate

ur

réseau de distribution ou réseau local de distribution

interface réseau de transport réseau privé

réseau sémaphorepassage

des commandesRéseau large bande

RNIS - Réseau Numérique à Intégration de Services

56

équipement terminal

comm

utateu

r com

mu

tate

ur

réseau de distribution ou réseau local de distribution

interface réseau de transport réseau privé

réseau sémaphore

réseau large bande

Le RNIS

57

RNIS Large Bande

• L'objectif du RNIS large bande est d'atteindre des capacités de transport qui se chiffrent en Gbit/s.

• 2 possibilités:– la technique temporelle synchrone ou STM

(Synchronous Transfer Mode),– la technique temporelle asynchrone ou ATM

(Asynchronous Transfer Mode).

• La technique de transfert ATM• Normalisée par le CCITT à partir de 1988• Commutation de cellules

58

Octet

HEADER INFORMATION

5 48

La commutation de cellules

• Technique destinée à remplacer à la fois la commutation de circuits et la commutation de paquets.

• Paquet de longueur fixe = 53 octets

59

Réseau

cellule cellule48 octets

6 ms 6 ms

28 ms

La commutation de cellules

60

paquet 1

paquet 1

paquet 1

cell 1 cell4

cell 1 cell 4

propagationde la cellule propagation

du paquet

Commutation de cellules

61

Protocoles et Fonctions

Plan de contrôle Plan utilisateur

Couche d'adaptation

Couches ATM

Couche Dépendant du Support Physique

Plan de gestion

des couches supérieures

Architecture ATM

• Modèle de référence UIT-T• Composé de 3 plans

62

Normalisation

CS Convergent Sublayer

SAR Segmentting And Reassembly

Physical

Dependent

Medium

TC Transmission Convergence

PM Physical Medium

AAL

ATM

PDM

ATM

Adaptation

Layer

Asynchronous Transfer Mode

SONET SDH

64

SONET

– SONET (Synchronous Optical Network) est à l'origine une recommandation du CCITT pour l'interconnexion des réseaux longue distance des opérateurs.

– SONET : proposition de BELLCORE (Bell Communication Research)

• compromis entre les intérêts américains, européens et japonais, pour permettre l'interconnexion des réseaux des opérateurs.

65

N x 90 octets

9 rangées

octet octet octet 87 octets

octets de contrôle3 octets

810 octetsx 8x 8000= 51,84 Mbit/s

PDM Physical Dependent Medium

• Les interfaces utilisateur de 155,520 et de 622,080 Mbit/s sont basées sur les interfaces SONET et SDH.

• SONET (Synchronous Optical Network)• La trame SONET STS-N

66

SONET/Optical Carrier

– OC-1 51,84 Mbit/s– OC-3 155,52 Mbit/s– OC-9 466,56 Mbit/s– OC-12 622,08 Mbit/s– OC-18 933,12 Mbit/s– OC-24 1 244,16 Mbit/s– OC-36 1 866,24 Mbit/s– OC-48 2 488,32 Mbit/s– OC-192 10 Gbit/s

67

9 octets 261 octets

SOH Section Overhead

SDH

• SDH (Synchronous Digital Hierarchy), a été normalisée par le CCITT (G.707, G.708, G.709).

• Les niveaux 155, 622 et 2488 Mbit/s de SONET.

68

SDH

• STM-n : Synchronous Transport Module niveau n

– STM-1 155,52 Mbit/s– STM-4 622,08 Mbit/s– STM-8 1 244,16 Mbit/s– STM-12 1 866,24 Mbit/s– STM-16 2 488,32 Mbit/s– STM-32 4.976,64 Mbit/s– STM-64 9.953,28 Mbit/s

69

UNINNI

UNI = User Network InterfaceNNI = Node Network Interface

NNI

UNI

Interface

70

Cellule ATM

GFC= Generic Flow Control

VCI= Virtual Channel Identifier

Octet

HEADER INFORMATION

5 48

GFC VPI

Bits

VCI

4 12 12 3 1 8

UNI interface

VPI

Bits

VCI

PT CLP HEC

12 16 3 1 8

NNI interface

VPI= Virtual Path Identifier

PT = PayloadType

CLP = Cell Loss Priority

HEC = Header Error Control

PT CLP HEC

71

Commutateur

de cellules

A B

C D

X

Y

L M

N O

T

U

X X Y Y .....

A B C D

T U T U

L N M O

Ligne d'entrée

Etiquette d'entrée

Ligne de sortie

Etiquette de sortie

ATM

• Mode avec connexion• Après la mise en place d'un chemin virtuel, les cellules suivent

toujours le même chemin.

72

Couche ATM

• VCI : Virtual Channel Identifier (voie virtuelle)• VPI : Virtual Path Identifier (conduit virtuel)

VPVC VC VC

VP VP VP

Terminal Commutateur VP

Brasseur Cross-connect

Commutateur VC/VP

Commutateur ATM ATM Switch

Terminal

VC 1

VC 2VC 3

VC 4

VC 1

VC 2VC 3

VC 4

VP 1

73

Utilisateur

SSCS-PDU

CPCS-PDU

Cellule

Couche AAL et ATM

74

Classe A Classe B Classe C Classe D

Synchro. source récepteur

Forte Faible

Flux Constant Variable

Type de connexion

Orienté connexion Sans connexion

AAL - ATM Adaptation Layer

• 4 classes de service dans le niveau AAL définies en 1990– Classe A : Emulation de circuit - AAL1

– Classe B : Vidéo à flux variable - AAL2

– Classe C : Flot de données avec connexion AAL3 et AAL5

– Classe D : Transfert de données sans connexion AAL4

75

47 octets

AAL 2 : Service VBR (Variable Bit Rate)

• Adapté pour le transport de la voix compressée ou de la vidéo fortement compressée

• Technique choisie par les opérateurs de mobiles

1 octet

Début de la première micro-cellules

Micro-cellule (inférieur à 64 octets)

CID (Channel identifier)

CID

LI

LI (Length Indicator)UUI (User to User Indication)HEC (Header Error Control)

UUI

HEC

Classes de service et contrôles de flux

77

Service ATM

• CBR (Constant bit rate) : bande passante fixe. • VBR (Variable bit rate) : trafic variable dans le temps.

(version RT et NRT)

• ABR (Available bit rate) : applications qui sont sensibles aux pertes.

• GFR (Guaranteed Frame Rate) : applications qui sont sensibles aux pertes.

• UBR (Unspecified bit rate) : meilleur effort (best effort). Il n'y a aucune garantie.

78

VBR + CBR

Somme des réservations

Somme réellementutilisée

Utilisation potentiellepar le trafic ABR et GFR

Services ATM

Les architectures

80

TCP

IP

Applications

?

AAL

ATM

High-speed medium

?

Ethernet

Architectures

• ?

81

TCP

IP

AAL

ATM

Architectures

TCP

IP

Ethernet

82

Architecture de réseau actif

TCP

IP

AAL

ATM

83

IP

Ethernet

AAL

ATM

TCP

IP

TCP

Ethernet

Relais detrames

Architectures

84

TCP

IP

AAL

ATM

IP

AAL

ATM

TCP

IP

AAL

ATM

TCP/IP sur ATM ou sur Ethernet

85

AAL

ATM ATM

AAL

ATM

SONET/SDH

Architecture ATM native

86

TCP

IP IP

TCP

IP

SONET ou ...

Gigarouteur oucommutation

Architecture IP native

87

Ethernet Ethernet

SONET ou ...

CommutationEthernetou GigarouteurEthernet

Ethernet

InterfacenativeEthernet

InterfacenativeEthernet

Architecture Ethernet native

88

MPLS

• Multiprotocol Label Switching– Association d’IP et d’ATM et Ethernet

• Références (VPI/VCI et Shim Address)

TCP

IP

AAL

ATM

IP

AAL

ATM

TCP

IP

Eth

erne

t

IP

Eth

erne

tAAL

ATM

89

équipement terminal

comm

utateu

r com

mu

tate

ur

réseau de distribution ou réseau local de distribution

interface réseau de transport réseau privé

réseau sémaphore

réseau large bande

Réseau téléphonique

Réseau Intranet

RNIS large bande

90

Conclusion

Native ATM

QoS

Native IP

IP over Ethernet IP over ATM