trafic et performances des réseaux de télécoms

7/25/2019 Trafic Et Performances Des Réseaux de Télécoms

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Trafc et perormances des réseaux de télécoms

Concepts réseaux

La description et l’analyse d’un réseau peuvent se faire à plusieurs niveaux :

l’architecture, les technologies, les services. Nous allons voir qu’en fait la

convergence des réseaux et l’intégration des services atténuent de plus en plus ces

distinctions. Nous allons pour ce faire considérer successivement les principales

structures de réseau du point de vue de leur topologie, puis nous présenterons les

deux grands types de technologie de commutation (circuits et paquets), puis nous

distinguerons quelques grands réseaux du point de vue de leur fonction (téléphone,

données) pour enfin présenter leur convergence dans la nouvelle génération de

réseaux, le NGN.

Les architectures de réseaux

Un réseau quel qu’il soit est fondamentalement constitué de nœuds, chargés

du routage, de la commutation des informations et du pilotage du réseau, et de

liens interconnectant les nœuds entre eux et chargés du transport de l’information.

L’agencement de ces nœuds, leur organisation physique et logique, caractérise

l’architecture du réseau.

Il faudra prendre soin de distinguer l’architecture physique (là où sont

localisés les nœuds et les liaisons, comment sont réalisées les connexions des

câbles) de l’architecture logique, qui décrit le cheminement des informations et les

règles de routage. Une même infrastructure physique pourra se partager entre



réseaux logiques différents (réseau téléphonique, de données, etc.), d’architectures

logiques différentes. Si les architectures sont variées, on peut cependant identifier

des constituants et des structures de base.

Les constituants du réseau

L’évolution des réseaux tend à accentuer la distinction entre les trois grands

sous-ensembles suivants : le cœur du réseau (Core Network), le réseau d’accès

(Access Network) et l’équipement terminal d’usager (Customer Premises

Equipment).

Le Core Network : on l’appelle aussi le Backbone. Le cœur réseau est

l’infrastructure qui permet l’interconnexion de tous les usagers entre eux. Partagé

entre tous les abonnés, il fournit la possibilité de transfert d’informations à grande

vitesse sur de longues distances.

L’AN (Access Network), ou « réseau d’accès » : c’est la partie du réseau

qui permet la connexion de l’usager au réseau cœur. Les réseaux d’accès sont

partagés par un nombre limité d’abonnés.

Le CPE (Customer Premises Equipment), ou équipement terminal

d’usager : c’est l’équipement que détient chez lui l’usager (téléphone, ordinateur,

réseau local, etc.).

Du point de vue de l’utilisateur, on distingue les deux grandes composantes

suivantes : les services réseaux (Network services) et la gestion du réseau (Network

management).

Ce sont ces deux grandes fonctions qui vont engendrer du trafic dans les

éléments physiques des réseaux.



Les services

La première fonction du réseau est bien sûr de supporter des services tels

que le téléphone, la vidéo-conférence, le transfert d’images, d’e-mails, de fichiers de

données, etc. La variété des services est très grande, et leurs exigences au niveau

du transport (bande passante, contraintes de temps réel) très différentes. Plusieurs

technologies de commutation tentent de répondre à ces besoins (commutation de

circuits et commutation de paquets essentiellement).

La gestion

La deuxième fonction associée au réseau est la fonction de gestion. Un

réseau est en perpétuelle évolution. En permanence, de nouveaux abonnés sont à

raccorder, de nouveaux matériels à installer et de nouveaux services à introduire.

Il faut aussi bien sûr garantir le bon fonctionnement du réseau par des opérations

de maintenance, d’observation du trafic et de la qualité de service. Ces opérations

d’extensions, d’évolutions et d’observations du réseau constituent généralement le

rôle d’un exploitant. Elles sont elles-mêmes organisées autour d’équipements et de

fonctions formant un réseau de gestion et d’exploitation.

Les structures réseaux

Le réseau en étoile (Star network)

Les éléments du réseau sont connectés entre eux grâce à un élément central,

ou nœud central. Cette architecture convient à des réseaux connectant un nombre

limité d’usagers. On trouve ce type de topologie dans les réseaux privés (PABX) et

dans le cas de terminaux connectés à un ordinateur central (réseau d’entreprise).

La fiabilité d’un tel réseau est complètement dépendante de celle du nœud central

dont la défaillance met hors service tous les terminaux. A l’inverse, le routage est



simple, ainsi que les opérations d’extension du nombre de terminaux. La

communication nécessite des protocoles appropriés, tels que le CSMA, pour gérer

les conflits d’accès entre terminaux. Nous en donnerons un exemple d’étude de

performance dans cet ouvrage.

Le réseau maillé (Meshed network)

Dans un réseau totalement maillé, chaque nœud est connecté aux autres par

autant de liaisons point à point qu’il y a de relations entre nœuds à établir. Ce

type de topologie implique un grand nombre de liaisons – le nombre de relations

croît comme le carré du nombre total n de nœuds (il y a exactement n(n – 1)/2

liaisons). Le grand avantage d’un tel réseau est sa fiabilité : il existe toujours une

possibilité d’atteindre un autre nœud, même en cas de panne d’une liaison, en

passant par un nœud intermédiaire. Le dimensionnement nécessite par contre une

connaissance précise des flux de trafics entre nœuds. On est souvent conduit à un

fort surdimensionnement.

Dans la pratique, les réseaux seront partiellement maillés, l’ouverture d’une

liaison directe dépendant à la fois de critères d’optimisation et de fiabilité. Là

encore, une connaissance précise des flux permettra un dimensionnement optimisé.

La figure 1.2 montre le cas d’un réseau, ATM ou IP, de nœuds de périphérie



(Provider Edge) complètement maillé. Chaque nœud de périphérie collecte le trafic

de nœuds d’accès usagers (Access GateWays, AGW), ou concentre et reçoit le trafic

VoIP (Voix sur IP) réseau, via une Gateway IP (GW VoIP).

Nous aurions pu tout aussi bien représenter un réseau d’ordinateurs ou de

routeurs IP.

Ce type d’architecture convient bien à des réseaux de taille limitée, devant

assurer une très grande qualité de service (facilité de routage, possibilité de

tunnelling).

Un réseau totalement maillé

Le réseau en anneau (Ring network)

Dans ce réseau, chacun des n nœuds est interconnecté seulement à ses deux

voisins. Le nombre de liens est donc réduit à n. L’ensemble forme ainsi un anneau.

Pour assurer la fiabilité d’un tel réseau, les liens peuvent être doublés

individuellement, ou c’est l’anneau qui est globalement doublé. En outre, les

protocoles de routage peuvent isoler un nœud défaillant, le réseau devient alors

auto-cicatrisant (self-healing).

Ce type d’architecture est la structure de base des réseaux de données



universitaires, des réseaux locaux métropolitains et bien sûr des réseaux de

calculateurs, avec notamment la technologie bien connue du token ring (dont nous

étudierons les performances). On le retrouve aussi comme ossature de « plaques

régionales » de réseaux d’opérateurs.

Un réseau en anneau

Le réseau en arbre (Tree network)

Dans un certain nombre de cas, les dépendances entre les nœuds conduisent

à les organiser en « arbres », chaque nœud ayant une responsabilité (de routage, de

gestion, etc.) sur les nœuds qui lui sont liés. On utilise cette architecture sous cette

forme (arborescence liée à un service de type multicast) ou plus souvent comme

schéma de structure d’organisation de sous-réseaux.

La structure hiérarchisée

Un tel réseau est en fait composé de plusieurs sous-réseaux de niveaux

hiérarchiques différents. Au plus haut niveau, on trouve le Backbone permettant



l’interconnexion des différents réseaux de niveau inférieur (par exemple, en

téléphonie, le réseau international, constitué des centres de transit

internationaux). Puis, au niveau inférieur, se trouvent les réseaux nationaux (avec

par exemple leurs centres de transit principaux et secondaires...) et, enfin, les

réseaux d’accès (centres de raccordement et unités de raccordement d’abonnés).

Les réseaux de téléphonie (fixe et mobile) sont des exemples caractéristiques

de ce type de structure. Les sous-réseaux ainsi interconnectés (réseaux régionaux,

réseaux urbains) présentent un schéma de maillage partiel. La tendance est

d’utiliser un maillage total aux niveaux supérieurs de la hiérarchie. Le nombre de

niveaux hiérarchiques dépend de la taille du réseau (typiquement, trois en Europe,

quatre aux Etats-Unis).

La structure à passerelles

Dans un tel réseau, lui aussi composé de sous-réseaux, la notion de

hiérarchie s’atténue au profit de la notion de « cohabitation ». Les sous-réseaux

communiquent entre voisins via des passerelles. Les informations circulent de

proche en proche. Dans l’un et l’autre de ces réseaux, la fiabilité du transport est

assurée par la multiplicité des acheminements (accès à plusieurs centres de

transit, accès à plusieurs routeurs).

Le réseau Internet est l’exemple type de ce genre de structure. Les

diagrammes de la figure 1.4 schématisent ces deux structures.



Architectures arborescentes pour les grands réseaux

Les technologies de communication : circuits et paquets

On mesure la diversité des profils des trafics émis par les sources que les

réseaux accueillent. On imagine aisément que diverses méthodes ont été proposées

pour assurer le service de communication d’une façon optimale en fonction de ces

profils. Parmi ces méthodes, deux grandes techniques de commutation

prédominent, la commutation de circuits et la commutation de paquets, à partir

desquelles ont été déclinées diverses variantes.

La commutation de circuits

La solution la plus simple pour établir une communication entre un point A

et un point B consiste à les relier par une liaison électrique.



C’est de cette façon qu’ont opéré les premiers systèmes de téléphonie. Les

commutateurs sont, schématiquement, des automates avec n entrées et m sorties,

capables sur demande de relier une entrée à une sortie. Une connexion se

présentera comme une suite de liens réservés et de relations établies dans les

commutateurs entre ces liaisons. La liaison doit être établie préalablement à tout

échange.

Déroulement d’une communication en « commutation circuit »

La caractéristique essentielle du mode circuit est la réservation d’un chemin

et des ressources, de bout en bout, pour toute la durée de l’appel. En réalité, la

connexion d’un circuit électrique réel n’est que la façon la plus simple de réaliser

la liaison. Le plus souvent, on partagera une liaison de débit conséquent entre flux

plus modestes. Ainsi la technologie MIC partage une liaison à 2 Mbit/s entre 32

circuits à 64 kbit/s (1,5 Mbit/s et 24 canaux à 56 kbit/s aux Etats-Unis). La

figure 1.5 donne une représentation du déroulement d’une connexion. On y



distingue les phases d’établissement au travers du réseau (schématisé ici par les

nœuds intermédiaires B et C).

La commutation de paquets

L’information issue d’un équipement informatique présente un caractère

intrinsèquement « sporadique », comme on s’en convaincra en songeant au

déroulement d’une session sur Internet. Le terminal comme la station de travail

fabriquent, à leur vitesse (qui se chiffrera en Mbit/s), des blocs d’information qui

seront séparés par des silences pouvant atteindre plusieurs secondes. Dans ces

conditions, il serait peu économique d’établir une connexion qui immobiliserait

des ressources (lignes de transmission, chemins dans les commutateurs).

La solution permettant une exploitation efficace des ressources du réseau a

été de mettre en place la commutation de paquets. Ainsi plusieurs communications

pourront se partager les mêmes ressources.

En commutation de circuits, on offre à la communication un débit d

constant pendant toute la durée de la connexion. Supposons que l’échange se fasse

avec une sporadicité a (définie comme le rapport du débit instantané au débit

moyen). Le débit alloué d est tel qu’il permet à la communication de transmettre

sans perte les rafales au débit instantané le plus élevé (débit « crête »). Il s’en suit

alors que le taux d’utilisation effectif de la liaison est 1/a. Sachant que a atteint

10 ou plus, de manière courante en transmission de données, la rentabilité du

service est alors problématique.

Dans la commutation de paquets, l’information est fractionnée par



l’équipement d’origine en blocs de taille modérée, qu’on appellera des paquets, qui

seront autonomes (c’est-à-dire capables de se déplacer dans le réseau grâce à une

information d’en-tête qui contient l’adresse de destination). La source émet ses

paquets à son rythme, le réseau multiplexe les paquets de provenances différentes

dans les mêmes ressources, pour en optimiser l’usage (on parle de multiplexage

statistique).

Ce fractionnement permet de raccourcir le délai de transmission de

l’information (voir figure 1.6). Il permet une meilleure utilisation de la ressource

de transmission que la commutation de circuit, où celle-ci est allouée sans

partage. A l’inverse, le multiplexage de connexions différentes sur les mêmes

ressources induit des délais (et peut-être, des pertes) que la commutation de circuit

ne connaît pas. Cette opération nécessite un dimensionnement soigneux et la mise

en place de mécanismes de contrôle de congestion.

Déroulement d’une session en mode « paquets »



Enfin, il faut noter qu’en commutation de paquets on distinguera encore

deux modes de fonctionnement (à ne pas confondre avec le mode de commutation) :

le mode orienté connexion (Connection Oriented) et le mode sans connexion

(Connectionless). Dans le mode orienté connexion, on retrouve l’établissement d’un

chemin, le circuit virtuel. Il y a échangé préalable de premiers paquets de

signalisation pour réserver les ressources et établir le chemin. Dans le mode sans

connexion, les décisions de routage sont prises à partir de l’en-tête de chaque

paquet, à chaque nœud (routing et forwarding).

Le mode orienté connexion a donné lieu à trois grands modes de

fonctionnement : X25 (qui corrige les erreurs, garantit le séquencement des

paquets, qui dispose de contrôle de flux...), Frame Relay (il n’y a plus de contrôle

au niveau paquet) et l’ATM. La technique de commutation ATM (Asynchronous

Transfer Mode) est une technique paquet où l’unité d’information est un paquet de

longueur fixe (53 octets), la cellule, et qui dispose de fonctionnalités de contrôle

importantes. Le mode orienté connexion de l’ATM, associé à l’unité fixe qu’est la

cellule, est utilisé au maximum pour offrir les garanties sur la bande passante

disponible, le taux d’erreurs maximum, les délais, etc., au prix d’une certaine

complexité.

Le mode sans connexion est surtout popularisé par IP (Internet Protocol).

Les paquets IP sont de taille variable : par exemple 20 (ou 40) octets de header (en-

tête) et un pay load (information « utile ») variant entre 0 et 65535 octets. A la

base, un réseau IP ne garantit pas la qualité de service, il travaille selon le mode

best effort (« au mieux »). En effet, IP essaie de transmettre tous les paquets mais

sans éviter ni la remise hors séquence, ni la duplication, ni les délais, ni la perte.

La nécessité d’un transport fiable conduit alors à utiliser les deux modes de

connexions pour une même communication, à des niveaux différents. Ainsi, avec



TCP (Transmission Control Protocol) sur IP, on a un mode connexion au niveau

application, sur un mode sans connexion au niveau paquet. Inversement, avec IP

sur ATM, on a un mode sans connexion sur un mode connexion. Nous détaillerons

un peu plus loin les principaux protocoles de communication sur IP, utilisés par

un grand réseau paquet tel qu’Internet.

Le réseau NGN (Next Generation Network)

C’est l’évolution des réseaux téléphoniques et des réseaux de données vers un

réseau unique à cœur de réseau en technologie paquet, sur lequel passeront les

données correspondant à l’ensemble des services offerts aux usagers (parole, vidéo,

fichiers, messagerie, etc.). La séparation des plans contrôle et transport est un

élément-clé de cette architecture.

La structure de base du réseau NGN

Le NGN introduit la flexibilité qui permet aux opérateurs d’adapter leur

activité et leur réseau à l’évolution des technologies et du marché.

Les opérateurs disposant des deux types de réseaux, téléphonique et



données, pourront les unifier pour à terme n’exploiter qu’un seul réseau

multiservice. La structure du NGN est une structure en couches (terminal, accès,

transport, adaptation, contrôle, application) aux interfaces ouvertes permettant de

combiner des éléments différents. La dissociation entre la partie transport du

réseau et la partie contrôle permet ainsi d’évoluer séparément. La couche transport

peut être modifiée sans impacter les couches contrôle et application. Le transport

paquet peut être IP ou ATM.

L’architecture NGN s’appuie sur deux entités principales : la Media

Gateway (MGW) et le Media Gateway Controller (MGC), appelé aussi Softswitch

(le MGC en devenant alors une fonction). La figure 1.12 donne un exemple

d’architecture où apparaissent ces deux composants.

Le terminal d’abonné téléphonique est raccordé au commutateur d’accès

(couche accès). La Média Gateway (couche adaptation) assure la conversion au

niveau transport entre l’information codée à 64 kbit/s et la mise en paquets IP ou

ATM. La signalisation comme les données sont échangées via le réseau paquet. Le

Média Gateway Controller joue le rôle de serveur d’appel, c’est lui qui contrôle les

MGW pour établir les appels.

L’établissement de la communication entre deux équipements terminaux

d’abonnés s’effectue à travers le réseau IP (ou ATM), sous le contrôle des MGC

d’origine et de destination. Il y a schématiquement échanges d’adresses IP (ou

ATM) entre les Gateways, puis demande d’établissement d’appel circuit aux

extrémités dans les réseaux téléphoniques (nous détaillerons un exemple

d’établissement d’appel NGN dans le chapitre 10). C’est ici qu’on retrouve l’usage

de la signalisation n° 7, portée après conversion dans le réseau IP par une couche

de transport de même niveau que TCP et UDP : SCTP (Stream Control



Transmission Protocol), défini par le groupe SIGTRAN à l’IETF (groupe de

normalisation, voir chapitre 2).

Le protocole de contrôle utilisé par le MGC pour piloter les Media Gateway

est soit MGCP, soit MEGACO/H248. MGCP est un protocole américain, MEGACO

est l’appellation IETF de H248 à l’ITU-T (organisme international de

normalisation, voir chapitre 2).

Lorsque deux MGC doivent dialoguer entre eux, par exemple pour aller

chercher les adresses IP (ou ATM) d’un Media GateWay sous le contrôle d’un autre

MGC, ceux-ci s’échangent de la signalisation au moyen des protocoles SIP (IETF),

Session Initiation Protocol, ou BICC (ITU-T), Bearer Independant Call Control.

L’évaluation de la durée d’établissement d’appel dans ce type de réseau sera

traitée en détail, comme exemple, au chapitre 10

De manière plus générale le NGN vise à desservir tous les types d’accès

téléphoniques : téléphones analogiques, téléphones RNIS, téléphones IP, PC,

réseaux privés, lignes ADSL, etc.

Ces équipements sont alors soit reliés directement à la couche transport, soit

interfacés par le biais d’une Media Gateway qui va réaliser plusieurs fonctions



Le réseau NGN et ses accès

Les commutateurs d’abonnés classiques et les commutateurs de transit sont

quant à eux interfacés par un Trunk Gateway (TGW). La fonction de raccordement

peut aussi évoluer pour devenir la fonction Access Gateway (AGW) qui interface

directement la boucle locale ou, de même, un commutateur privé. Les DSLAM

(DSL Access Multiplexer) regroupant les lignes ADSL portant les données seront

eux aussi interfacés par un AGW. On réalise ici tout l’intérêt de la ligne ADSL qui

permet l’accès à gros débit au réseau de données. Un abonné analogique peut aussi

être directement raccordé à une Residential Gateway (RGW). Par contre, un

téléphone IP se connecte directement à la couche transport IP (le MGC pour ce

faire supporte alors les signalisations H323 ou SIP) et il pourra accéder à des

services multimédias offerts par un serveur d’application tel que le MMAS

(Multimedia Application server), etc.

Enfin, le réseau NGN vise aussi à interfacer aussi bien l’accès fixe que



l’accès mobile. Comme pour le téléphone fixe, les commutateurs de circuit du GSM

sont alors remplacés par les solutions d’accès NGN.

La figure 1.13 illustre quelques-unes ces différentes possibilités, dans le cas

d’un réseau supportant une multiplicité de services.

Pour conclure cette introduction au NGN, attirons l’attention sur le fait que,

dans ce contexte, le cœur réseau IP (ou ATM, ou IP/ATM) supportera les services

les plus divers. Se pose alors le problème de la gestion de trafics paquets de

natures très différentes, et notamment celui du transport simultané de trafics à

forte contrainte temps réel (la parole par exemple) et de trafics à contrainte très

lâche (fichiers de données par exemple). Nous aborderons aussi ce type de

problème dans la suite de cet ouvrage.

trafic et performances des réseaux de télécoms

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