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Architecture et Fonctionnement des Réseaux

Université Paris Est Marne-la-Vallée Master Informatique

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Equipe pédagogique

o  Responsable de l’UE n  Rami Langar

o  Chargé de cours/TDs n  Rami Langar

o  Email n  rami.langar@u-pem.fr

n  Slides du cours disponibles : n  http://perso.u-pem.fr/~langar

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Organisation

o  Programme n  6 séances de cours de 2h n  3 séances de TDs/TPs de 4h

o  Contrôle n  Examen réparti: 40% n  Examen final: 60%

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Programme

o  Techniques de transfert et principes de base des réseaux télécoms o  Réseaux d’accès et boucle locale o  Réseaux ATM o  Réseaux MPLS o  Réseaux sans-fil o  Réseaux mobiles de nouvelles génération

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Bibliographie

o  Guy Pujolle, « Les réseaux », Edition 2015, Eyrolles o  Computer Networking, James Kurose and Keith Ross, o  Data and Computer Communications, William Stallings o  High Speed Networks TCP/IP and ATM design principles,

William Stallings o  Connection-oriented networks – SONET/SDH, ATM, MPLS,

and Optical Networks, Harry G. Perros, Wiley 2005 o  The Web o  …

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Technique de transfert et principes de base des réseaux télécoms

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Directions o  Télécoms

n  Réseaux Téléphonique (RTC: Réseaux Téléphonique Commuté – PSTN : Public Switched Telephone Network)

n  ISDN (Integrated Services Digital Network) n  Multimédia

o  Réseaux informatiques n  Réseaux IP n  Internet n  Voix et vidéo

o  Réseaux ont évolués de simple câbles connectant les téléphones vers câbles connectant téléphones et ordinateurs, vers l’usage d’équipements sans-fil…

o  Plusieurs services ont été ajoutés: VoIP, Video-streaming, IPTV, navigation web….

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Réseaux cœurs et réseaux d’accès

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Trame - paquet o  Une trame est un paquet avec des éléments permettant de déterminer

le début et la fin du paquet au milieu d’une série de bits ou d’octets o  Une trame peut être envoyée directement sur le support physique o  Un paquet nécessite d’être encapsulé dans une trame

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Taille des réseaux

o  PAN Personal Area Network o  LAN Local Area Network o  MAN Metropolitan Area Network o  RAN Regional Area Network o  WAN Wide Area Networks

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

MAN PAN LAN RAN WAN

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Technologies réseaux

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WAN o  Implémentée utilisant une de ces technologies:

n  Commutations de circuit (e.g. réseaux téléphonique) : o  Un circuit corresponds à une ligne constituée des liaisons (i.e. les

circuits élémentaires) dédiée à la communication entre deux entités o  Dans chaque liaison, un canal logique est dédié à la communication. o  Données transmis immédiatement.

n  Commutations de paquets : o  Pas de ressources dédiées à une connexion o  Données transmis en séquence de paquets o  Dans chaque nœud du réseau, le paquet est reçu en entier, enregistré

brièvement avant d’être transmis (store and forward mechanism)

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Réseau à commutation de circuit

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Commutation de circuit (e.g., RTC) o  Source établie une connexion vers le destinataire

n  Nœuds intermédiaires enregistrent les informations liées à la connexion, et peuvent réserver des ressources pour la connexion o  Signalisation dans la bande:

n  La commande d’ouverture du circuit emprunte le même circuit en cours de construction pour la communication

o  Signalisation hors bande: n  La commande de signalisation passe sur un circuit dédié à la signalisation

qui n’est pas le circuit en cours de construction pour la communication

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Délai dans la commutation de circuit

Information

Circuit Establishment

Transfer

Circuit Teardown

Host 1 Host 2 Switch 1 Switch 2

propagation delay between Host 1 and Switch1

propagation delay between Host 1 and Host 2

Transmission delay

time

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Commutation de Circuit: Multiplexage d’un lien

o  Pour utiliser efficacement les liaisons de télécommunications haut débit (e.g., fibre optique, cable coaxial, liens microwave), le multiplexage est utilisé.

o  Multiplexage permet à plusieurs sources de partager le même support de transmission.

o  Deux formes de multiplexage: Frequentiel (FDM) et Temporel (TDM).

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Frequency Division Multiplexing (FDM) o  Peut être utilisé pour les signaux analogiques (bande passante du

support physique dépasse celle du canal) o  Chaque signal est modulé à une fréquence pilote différente :

déplacer chaque signal vers la bande de fréquence correspondante. o  Fréquences pilote séparées par des bandes de garde => pas de

chevauchement des signaux o  Signal composite transmis le long du medium est analogique. o  Signaux d’entrée peuvent être analogiques/numériques.

n  Cas numérique: les signaux d’entrée doivent être convertis en analogique par l’intermédiaire de modems.

n  e.g. broadcast radio

o  Les canaux sont alloués même en absence de données!

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FDM Diagram

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Synchronous Time Division Multiplexing (TDM)

o  Utilisée pour des signaux numériques ou analogiques transportant des données numériques.

o  Signaux numériques entrelacés en temps. o  Données en termes de bits ou bloc d’octets (typiquement

1 octet). o  Séquence de slots dédiés à une seule source est appelée:

canal o  TDM est appelée synchrone:

n  Time slots assignés aux sources sont fixes. n  Time slots d’une source sont transmis même si la source n’a

pas de données à envoyer. o  E.g., RTC

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TDM Diagram

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Téléphonie numérique o  La téléphonie numérique est apparue au début des années 70, pour

mieux utiliser l’infrastructure existante afin de pouvoir: n  Répondre rapidement à la très forte demande de raccordement au réseau

téléphonique en utilisant l’infrastructure existante. n  Etendre l’application des techniques informatiques aux télécommunications.

o  La téléphonie numérique repose sur 2 techniques: la modulation par impulsion et codage (MIC, PCM en anglais) et le multiplexage temporel synchrone (TDM).

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Système de transport numérique o  Hiérarchie de TDM o  USA/Canada/Japan utilise un seul système, ITU-T (Europe) utilise

un système similaire. o  US system basé sur le format DS-1

n  Multiplexage de 24 canaux n  Chaque trame contient 8 bits par canal plus un framing bit: 193 bits par trame.

o  Pour la voix, chaque canal contient un mot de données numériques (MIC, 8000 échantillons/s) n  Débit total de 8000*193=1.544Mbps n  5 sur 6 trames successives transportent 8 bits de données MIC/canal n  6eme trame comporte un mot de 7 bit MIC plus signaling bit n  Signaling bits représentent des données de contrôle ou des informations de

routage.

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Système de transport numérique o  Pour le trafic data:

n  23 canaux pour les data n  24eme canal est pour sync

o  DS-1 peut transporter un mixte des signaux voix et data. o  Peut entrelacer plusieurs canaux DS1

n  DS-2 = 4 DS-1 offrant un débit de 6.312Mbps

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DS1 Transmission format

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Hiérarchie TDM o  Digital Service lines: DS-n

n  Implemented as telephone lines: T-n

Service Phone line Data rate # of voice channels

(DS-0) standard phone line

64 Kb/s 1

DS-1 T-1 1.544 Mb/s 24 DS-2 T-2 6.312 Mb/s 96 DS-3 T-3 44.736 Mb/s 672 DS-4 T-4 274.176 Mb/s 4032

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Avantages de commutation de circuit o  Bande passante garantie

n  Communications avec des performance prédictibles n  No “best-effort”

o  Simple abstraction n  Communication fiable des canaux entre les deux entités. n  Pas de problème de paquets désordonnées ou perdus.

o  Forwarding simple n  Forwarding basé sur time slot ou fréquences n  Pas d’inspection d’en-tête de paquet

o  Faible overhead par paquet. n  No IP (et TCP/UDP) en-tête dans chaque paquet!

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Inconvénients de commutation de circuit o  Bande passante perdue

n  Trafic en rafale entraine connexion inactive pendant une période OFF (silencieuse)

n  TDM: slot transmis même s’il n’y a pas de données à envoyer!! n  Pas de gains tangible comme le multiplexage statistique

o  Connexions bloquées n  Refus de connexion lorsque les ressources disponible sont

insuffisante! o  Délai d’établissement de connexion

n  Pas de communications jusqu’à ce que la connexion est établie. o  Etat du réseau

n  Nœuds du réseau doivent enregistrer les informations liées à une connexion.

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Commutation de paquet o  Commutation de circuit est bien adaptée à la voix

n  Ressources dédiées à une connexion. n  La plupart du temps, la connexion est inactive! n  Débit des données est fixée!

o  Les deux extrémités doivent opérer avec le même débit!

o  Solution: commutation de paquet.

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Commutation de paquets: opérations de base o  Trafic data divisé en paquets

n  Data transmis en paquet de petite taille (typiquement 1000 octets) n  Les messages plus long sont divisés en une série de paquets n  Chaque paquet contient une portion de données utilisateurs + données de contrôle

o  Données de contrôle n  Infos de routage (addressage)

o  Paquets circulent indépendamment dans le réseau n  Transfert des paquets basé sur l’en-tête :

o  Utilisation d’une adresse IP complète pour le forwarding (pas de signalisation) => routage avec des datagramme IP (e.g., Internet)

o  Utilisation d’une référence ou label contenue dans l’en-tête : trace un “Circuit Virtuel” en utilisant des messages de signalisation (e.g., ATM),

n  Nœuds du réseau peuvent enregistrer les paquets temporairement: Store and Forward

o  Destination reconstruits le message

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Technique de commutation: TDM statistique

o  TDM statistique alloue time slots d’une manière dynamique, sur demande

o  Multiplexeur scanne les lignes d’entrée et collecte data jusqu’à la trame soit pleine

o  Overhead par slot pour TDM statistique parce que chaque slot doit contenir une adresse en plus des données.

o  Problèmes peuvent survenir pendant périodes crêtes n  Doit buffériser les

inputs

o  Dans TDM plusieurs slots sont inutilisés (période OFF d’une source)

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Datagramme: Réseaux à routage o  Chaque nœud a une adresse unique dans le réseau o  L’adresse destination est transportée dans l’en-tête du paquet o  A chaque nœud, une table de routage indique l’interface de sortie

pour aller vers l’adresse destination

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Circuit Virtuel: Réseaux à commutation o  Chaque nœud a une adresse unique dans le réseau o  Un circuit virtuel doit être établi avant d’envoyer des données utilisateurs o  Les paquets ne contiennent pas l’adresse destination mais une référence qui

a une valeur uniquement locale sur une liaison entre deux nœuds o  A chaque nœud, une table de commutation indique l’interface de sortie et la

référence de sortie selon l’interface d’entrée et la référence d’entrée

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Circuit Virtuel (VC) o  Un circuit virtuel est l’itinéraire déterminé par les références dans un réseau à

commutation. o  Les paquets transitent toujours par le même chemin les uns derrière les autres,

comme sur un circuit. o  Le circuit est dit virtuel car les liaisons ne sont pas dédiées à la communication

mais sont empruntées aussi par d’autres communications.

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Signalisation dans un VC o  Une signalisation est nécessaire pour établir et libérer le circuit

virtuel o  Etablissement de circuit

n  Les paquets de contrôle contiennent l’adresse du destination et la demande d’ouverture d’un circuit

n  Chaque nœud consulte la table de routage pour trouver le chemin vers la destination

n  Une référence est attribuée à chaque nœud où traverse le circuit n  Une ligne dans la table de commutation est crée

o  Libération de circuit n  Les paquets de contrôle demandent une libération du circuit n  Chaque nœud où traverse le circuit enlève une ligne dans sa table de

commutation n  Le numéro de référence devient libre à utiliser pour un autre circuit à venir

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Signalisation dans un VC

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VC Similaire à Datagramme IP o  Data divisés en paquets

n  Source divise les messages en paquets n  Paquet possède une adresse (e.g., @ IP ou VC ID)

o  Transmission Store-and-forward n  Plusieurs paquets peuvent arriver en même temps n  Besoin de buffériser temporairement les paquets

o  Multiplexage dans un lien n  Pas de réservations: multiplexage statistique n  Réservations possible: ressources pour un groupe de paquets

o  Garantie d’avoir un certain nombre de “slots”

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VC Diffère de Datagramme IP o  Forwarding look-up

n  Circuit virtuel: id de taille fixe n  Datagramme IP: adresse de destination IP

o  Initialisation de la transmission des données n  Circuit Virtuel: signalisation nécessaire pour établir le chemin n  Datagramme IP: pas de signalisation, envoie immédiat des

paquets o  Etat du nœud de transfert (Routeur ou commutateur)

n  Circuit virtuel: mémorise l’état des connexions n  Datagramme IP: pas d’état (plus facile sur reprise d’incident)

o  Qualité de service n  Circuit virtuel: ressources et ordonnancement par VC n  Datagramme IP: difficile de supporter la QoS

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Event Timing

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Une architecture hybride o  Les nœuds sont à la fois commutateurs et routeurs