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Introduction - Architecture 1

Introduction aux RéseauxArchitecture des Réseaux

A. QuidelleurSRC1 Meaux 2007-2008

M22.1 - Réseaux et Services sur RéseauxMatière – Infrastructure des Réseaux

Présentation des services - infrastructure des réseaux


Plan

Introduction aux Réseaux

Quelques définitions

Réseaux d’entreprise / réseaux d’opérateurs

Quelques concepts réseaux

Architecture logicielle des réseaux

Le modèle OSI

Le modèle TCP/IP


Introduction

Définition d’un réseau Définition d’une donnée Les supports de transmission Classification des réseaux Quelques concepts réseaux


Définition d’un réseau

On appelle réseau le résultat de l’interconnexion de plusieurs machines entre elles.

Les utilisateurs de ces machines, ou les applications (les « programmes ») qui s’y exécutent, échangent par l’intermédiaire du réseau des informations ou « données ».


Données analogiques vs données numériques

Les données analogiques = signaux de type continu. Variations de grandeurs physiques pouvant prendre n’importe

quelle valeur de façon continue entre deux intervalles de

temps. Typiquement, la voix et le son.

Propriétés : fréquence (nombre d’oscillations par seconde,

exprimé en hertz) et amplitude (taille des oscillations)

Ex. : pour un abonnement « de base », les données sortant du

téléphone vers le réseau de France Telecom.

Réseau France

Telecom

t

s(t)

Le signal issu du téléphone est continu = analogique



Les données numériques = signaux discrets, i.e. ne pouvant prendre qu’un nombre fini de valeurs.

Par exemple, les données manipulées par un ordinateur = informations codées par des « 0 » et des « 1 » (bits).

Les 0 et 1 sont codés en un signal physique (par exemple 0 par une tension positive +V et 1 par une tension négative –V)

modemVers le réseau téléphonique

t

s(t)

+V

0

-V

0 1 0 1 1 0 1 0

1 unité d’information binaire = 1 bit



Les données numériques sont définies par un codage.

Pour les caractères alpha-numériques, le plus utilisé est le code ASCII.

D’autres codes « propriétaires » existent, comme EBCDIC d’IBM.

Extrait de la table du code ASCII



Exemple : le codage ASCII du mot « hello » : Association (1 caractère 8 bits)

H E L L O

01001000 01000101 01001100 01001100 01001111



Pour traiter des données de nature analogique par un ordinateur, il faut les numériser. Ex: CD audio = le son est « enregistré » sous forme de données numériques, remises sous forme analogique avant le haut-parleur.

Principe de la numérisation de la voix



Le numérique roi : pourquoi ?

Plus simple de transporter une représentation binaire d’un signal (2 niveaux : 0 ou 1) que les variations de ce signal possibilité d’utiliser des lignes de transmission de moins bonne qualité

Un même réseau quel que soit le type de signal transmis : voix, images, données

Possibilité d’utiliser les outils de contrôle d’erreurs, compression, cryptage (cf. cours Culture Scientifique et Traitement de l’Information)


Les supports de transmission

Les signaux sont convertis en signaux électriques, en lumière, en ondes électromagnétiques, etc. … pour passer sur le support de transmission : un câble de cuivre, une fibre optique, l’« air »… caractérisée par 2 paramètres.

Bande Passante W (Hz) Caractérise tout support de transmission, c’est la bande de

fréquence dans laquelle les signaux sont correctement reçusBP = [Fmin ; Fmax]

Ex. : Le réseau téléphonique commuté : [300 ; 3400] Hz ; l’oreille humaine est sensible dans la bande [20 ; 20000] Hz

Débit Binaire (Bit/s) C’est la quantité maximale d’information transmissible sur

une voie Ex. : Db = 56 kbit/s avec un modem V90


Les supports de transmission

Supports à propagation guidée

Supports à propagation libre : Liaisons radios, satellites….

Paires torsadées : brins de cuivre torsadés pour se protéger des

perturbations extérieures

Câble téléphonique

blindage

isolant

gainecœur

Câble coaxial

Câble antenneSignaux électriques

Fibre optique

Guide d’onde en verre de très haute performance (très haut débit, longue

distance)

Signaux optiques


Classification des réseaux

Plusieurs manières de classer les réseaux Suivant l’environnement

Bureautique ou Industriel Selon la couverture géographique Suivant la technique de transmission


Classification des réseaux selon la couverture géographique

LAN (Local Area Network)

Réseau local

Généralement privé

Taille : qq km

MAN (Metropolitan Area

Network) Réseau métropolitain

Relie des LAN

Privé ou public

Taille d’une ville, d’un campus

WAN (Wide Area Network)

Réseau étendu (= longue distance)

Taille d’un pays, d’un continent

Réseaux d’entreprise

Réseaux d’opérateur



MANRéseaux

métropolitains

Structured’interconnexionBus

LANRéseaux locaux

WANRéseaux étendus

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



Réseau d’entreprise

interconnecte les équipements d’un site

permet l’échange d’informations entre les applications

Réseau d’opérateur interconnecte des équipements privés sur des sites éloignés transporte les informations d’un point du réseau à un autre

réseaud 'en trep rise

réseaud 'en trep riseRéseau

d’entreprise Réseau d’entreprise

réseau d 'opé ra teu r

Réseau d’opérateur


Quelques exemples de réseaux d’entreprise et de réseaux d’opérateurs

Réseaux d’entreprises et réseaux d’opérateurs font l’objet d’un chapitre de cours spécifique chacun.

Réseaux locaux filaires et sans fil (S1) Réseaux haut débit et longue distance (S2)

Exemple de normes pour les réseaux d’entreprise : Token Ring (obsolète), Ethernet, WiFi

Exemple de réseaux d’opérateurs Le réseau téléphonique commuté (RTC) Le RNIS : transport de la voix et des données informatiques

« en tout numérique » Transpac : Transport des données informatiques uniquement

Remarque : Internet est une collection de réseaux d’opérateurs…


Un exemple de réseau d’opérateur : Le réseau téléphonique commuté (RTC)

bouclelocale

bouclelocale

bouclelocale Commutateur de

rattachement

Données analogiques Données analogiques

France Télécom

Cégétel

opérateur de transportCommutateur d’interconnexion

Données numériques

L’opérateur de transport se charge de l’acheminement des données vers le destinataire et réalise la facturation.


Un exemple de réseau d’opérateur : Transpac

1er réseau tout numérique (années 70). Destiné au transport des données informatiques au niveau national (groupe France Telecom).

Applications : Transmission des données entre les agences bancaires et le centre informatique ; Serveurs télématiques reliés aux terminaux Minitel (depuis 1983).

TranspacMinitel

Minitel

Minitel

RTC

PAVI

serveurtélém atique

serveurtélém atique

Point d’Accès VIdéotex

Le réseau de transport des données du Minitel


Un exemple de réseau d’opérateur : Le RNIS

Réseau Numérique à Intégration de Services Correspond à l’offre Numéris de France Telecom.

Le RNIS assure le transport sur un même support physique des informations relatives à la voix, au texte, aux données informatiques et à l’image.

Les signaux transmis sont numérisés jusqu’à l’abonné.

Il propose des services supplémentaires comme le double appel, la visioconférence, etc. …

Débits multiples de 64kbit/s, jusqu’à 2.048 Mbit/s.


Internet

Origines : Années 1960, guerre froide. Conception d’ARPANET par le DARPA.

Architecture dans laquelle la rupture d’un lien ne coupe pas brutalement les échanges

Découpe des données en paquets suivant des chemins différents, construits suivant la disponibilité des liens.

Extension Années 1970 : Connexion des centres du DoD à l’ARPANET,

puis des centres de recherche et des universités. Fin des années 1980 : connexion des entreprises privées

naissance de l’Internet.

Point commun : Tous ces réseaux fonctionnent selon le modèle TCP/IP.

Internet n’est pas à proprement parler UN réseau, mais une interconnexion de réseaux d’opérateurs, d’architecture TCP/IP.


Remarque : L’ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line)

Ce n’est pas « un réseau » mais une méthode d’accès à Internet !

La voix et les données informatiques haut débit sont transmises simultanément en conservant le support physique du RTC.

La technologie ADSL est basée sur l’utilisation de modulations évoluées (cf. cours Culture Scientifique et Traitement de l’Information).

La technologie ADSL concerne uniquement la liaison entre l’abonné et l’opérateur

InternetOpérateur


Classification selon la technique de transmission

Mode diffusion : tous les équipements reçoivent les données, et seul le destinataire les utilise

Ex. : Ethernet, WiFi

Mode point à point : les données transitent d’un équipement à son successeur sur le chemin vers la destination

Ex. : réseau téléphonique


Classification des réseaux selon les modes de transmission

Liaison unilatérale ou simplex

Liaison à l’alternat ou half duplex

Liaison bidirectionnelle intégrale ou full duplex

liaison simplex

liaison half-duplex

liaison full-duplex


Classification des réseaux selon la topologie

Concentrateur Terminal

Réseau hiérarchique ou arborescent

Contrôleur central

Topologie en étoile

L ’é

toile

Le b

us

Bouchon terminaison de

bus

répéteur

Bus bidirectionnel

Bus avec répéteur


Classification des réseaux selon la topologie

Réseau maillé

L ’a

nnea

u

Nœud

RéseauTerminal

Topologie en anneau

Anneau secondaire

Anneau primaire

Anneau doublé


Concepts réseaux

Sur un réseau, les données sont découpées et regroupées en unités appelées trames, paquets ou segments

Ex. : lorsqu’on envoie un mail, il est découpé en plusieurs paquets pour être acheminés sur Internet

Ex. : au cœur du réseau de France Telecom, la voix numérisée est découpée en échantillons


Concept de commutation et routage

Sur un réseau commuté Les données d’une même communication suivent toutes

le même chemin à travers le réseau. Ce chemin est actif pendant toute la durée de la

communication ; lorsque la communication est terminée, le chemin est libéré.

Les équipements qui relaient les données sont des commutateurs. Ils associent une communication à une de leur sortie, statiquement, dans une table de commutation.

Ex. : RTC, RNIS, TranspacCommutateur

CommutateurCommutateur

Commutateur

Station A

Station B

Station C

Station D

Table de commutation du commutateur C1

C1

C2

C3

C4

12

3

Communication Sortie

BA 1

B D 4

CD 4

AB 5

4

5


Concept de commutation et routage

Physiquement, un réseau routé se présente comme un réseau commuté. Mais

Les commutateurs établissent un chemin pour la durée d’un échange

Les routeurs calculent ponctuellement et pour chaque paquet la route à suivre en fonction d’une adresse de destination.

Les routeurs peuvent être utilisés pour interconnecter des réseaux commutés (réseau Internet).Routeur

RouteurRouteur

Routeur

Station A

Station B

Station C

Station D

1

11

1

2 2 2

Exemple : B transmet deux paquets vers A, qui ne suivent pas le même chemin.


Concept de connexion

Dans le mode connecté, ou orienté connexion La source contacte le destinataire avant d’émettre. Si le destinataire l’accepte, une « connexion est

ouverte ». La source émet les données. Une fois la transmission terminée, émetteur et

destinataire « ferment la connexion ».


Concept de connexion

Dans le mode non connecté ou mode datagramme La source émet les données sans aucune entente

préalable avec le destinataire. C’est le principe du courrier en envoi simple :

Le client poste une lettre dans une boîte aux lettres. Chaque lettre porte le nom et l’adresse du destinataire. Le réseau (la poste) achemine la lettre et la dépose dans

la boîte du récepteur.

Le destinataire ignore qu’il doit recevoir des données avant leur réception.

Avant d’émettre, la source n’a aucune garantie sur l’aptitude du récepteur à recevoir correctement ses données.


Concept de fiabilité

Dans le mode fiable, le récepteur envoie des acquittements à l’émetteur pour l’informer de la bonne réception des données ou non.

En cas de mauvaise réception, le destinataire demande une retransmission

Emetteur RécepteurDonnées

Acquittement : « OK »

Données

Acquittement négatif : retransmission demandée



La normalisation La structuration en couches Le modèle OSI Le modèle TCP/IP


La normalisation

Pourquoi normaliser ? Faciliter l’interconnexion et la communication entre

différents utilisateurs Assurer l’interopérabilité des différents

équipements

Deux organismes de normalisation pour les réseaux informatiques essentiellement

l’ISO (International Standardization Organisation) l’UIT-T (Union Internationale des Télécommunications)

Pour l’Internet, l’IETF (Internet Engineering Task Force) propose des RFC (Request For Comment).


Que doit-on normaliser ???

Les caractéristiques des réseaux touchent des domaines très divers, de la représentation physique des signaux aux protocoles de communication entre les machines. Ex. :

Le type de support de transmission : paire torsadée ? Fibre optique ? Liaison satellite ?

La représentation physique des signaux (niveaux de tension, modulation, débit…) ?

Mode connecté ou datagramme ? Routage ou commutation ? Mode fiable ou non ? Codage des bits ? Etc. …

Pour structurer la normalisation, on a défini un modèle en couches.


La structuration en couches

Idée : regrouper dans une même « couche » (layer) toutes les fonctions touchant à un même domaine. Par exemple

Une couche définira les aspects physiques du signal : nature du signal (électrique, lumière) ; niveaux de tension utilisés ou puissance d’émission ; support de transmission choisi (câble coaxial, paire torsadée, fibre optique, propagation libre) ; débit binaire ; codage des informations ; gamme de fréquence ; etc. …

D’autres couches traiteront la recherche du chemin pour les paquets, la détection des erreurs, la gestion de la connexion et de la fiabilité, etc. …

Une couche définit donc des caractéristiques matérielles ou logicielles.



Pour faciliter la maintenance, les couches sont construites de manière à ce qu’un changement dans une couche n’affecte pas le fonctionnement des autres couches.

Ex. : si l’on change notre réseau filaire en sans fil, on n’aura pas à modifier les programmes traitant de la fiabilité, des connexions, du routage, etc. …

Exemple simplifié, purement théorique

Hôte A

Application

Communication

Physique

3

2

1

Application : transfert de fichier, mail, MSN, etc. …

Communication : ouverture/fermeture de connexion ? mode fiable ?

Physique : support utilisé, niveaux de tension, débit



Les couches communiquent entre elles par des primitives.

La couche n échange des informations avec les couches n-1 et n+1 uniquement.

Exemple

Hôte A

Application

Communication

Physique

3

2

1

Communication inter-couches via les primitives :

Les échanges ne sont possibles qu’entre couches adjacentes !!!


Exemple (suite)

Pour pouvoir communiquer, deux machines doivent avoir la même architecture en couches.

Les couches de même niveau de chaque machine correspondent entre elles suivant un protocole. Ex. :

Physique : câble coaxial, niveaux 0/5V, 10Mbit/s Communication : protocole spécifiant le mode connecté et

fiable Application : protocole de transfert de fichier FTP

Hôte A

Application

Communication

Physique

3

2

1

Hôte B

Application

Communication

Physique

3

2

1

support

protocole

protocole

protocole


Données utiles

Exemple (suite)

Application

Communication

Physique

3

2

1

Application

Communication

Physique

3

2

1

Hôte B

Support physique

A

C C

A

Données utilesHôte A

A l’émission, encapsulation : chaque couche rajoute aux données de la couche supérieure des bits de contrôle dans un entête ou un suffixe.

Ils sont utilisés par la couche distante de même niveau pour le traitement du paquet suivant le protocole.

Les couches inférieures ignorent le contenu de l’entête. A la réception, décapsulation : les entêtes sont enlevés

progressivement par chaque couche. Ex. d’entête : adresse, bits de détection d’erreur, n° de

paquet, etc. …


Synthèse

Les réseaux sont organisés en couches pour réduire la complexité de l’architecture.

La machine source et la machine destinataire doivent impérativement implémenter les mêmes couches pour communiquer.

Les couches de même niveau des deux machines communiquent suivant un protocole qui définit toutes les règles de communication.

Avantage : Si l’on veut modifier le contenu d’une couche, aucune répercussion sur les autres couches.


Comment construire le modèle en couches ?

Chaque couche assure un ensemble de fonctions spécifiques. Chaque couche est constituée d’éléments matériels et

logiciels.

Le choix des frontières entre chaque couche (=l’interface) doit limiter la quantité de données échangées pour ne pas ralentir le système.

Le nombre de couches doit être suffisant pour éviter de faire cohabiter dans une même couche des fonctions trop différentes.

On doit pouvoir modifier une couche sans avoir à modifier les couches adjacentes (transparence).


Les unités de données : PDU, DSU, PCI

Couche N+1

Couche N

Data

(N) PCI

Interface

(N) SDU

(N) PDU

Couche N-1 (N-1) SDU

(N-1) SDU = Data de niveau N-1

(N-1) PCI

(N-1) PDU

(N) SDU : Unité de données de service de niveau N (Service Data Unit)

PCI : Information de contrôle protocole (Protocol Control Information)

(N) PDU : Unité de données de protocole de niveau N (Packet Data Unit)


Le modèle OSI

Le modèle de référence OSI (Open Systems Interconnection) a été proposé par l’ISO dans les années 1980 dans le but de tendre vers une normalisation des différents protocoles de communication.

Modèle en 7 couches : Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Couches basses

Couches moyennes

Couches hautes


Le modèle OSI Application : interface application de l’utilisateur/réseau

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

Présentation : compatibilité entre les systèmes hétérogènes représentation intermédiaire universelle

Session : synchronisation du dialogue Transport : acheminement et contrôle de la qualité de la

transmission de bout en bout Découpage des données Contrôle de flux Ré-ordonnancement

Réseau : recherche d’un chemin de la source vers la destination Contrôle de congestion Gestion de l’interconnexion des réseaux hétérogènes Liaison : acheminement sans erreur de blocs d’information sur

la liaison physique Fractionnement en trames Acquittement / Séquencement Gestion des trames endommagées, perdues, dupliquées –

Retransmission Régulation de flux Physique : transmission brute des bits Caractéristiques du support Caractéristiques des signaux propagés


Le modèle OSI

Les équipements intermédiaires, comme les commutateurs, ne contiennent en général que les couches nécessaires à l’acheminement des informations (couches 1, 2 et 3).

R1

R3

R5

R4

R2

Hôte A Hôte B

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Réseau

Liaison

Physique

Réseau

Liaison

PhysiqueHôte A Hôte BRouteur

1Routeur

2

Couches basses

Couches moyennes

Couches hautes

Protocole

Les couches moyennes et hautes assurent le dialogue entre les équipements terminaux, indépendamment du réseau utilisé : ce sont des couches de bout en bout.


Données utiles

Transmission des données

Hôte A

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Hôte B

Support physique

A

P

S

T

R

L L

R

T

S

P

A


Critique du modèle OSI

Le modèle OSI ne s’est jamais réellement imposé car à l’époque de son élaboration, le modèle TCP/IP était déjà implanté.

Parmi les 7 couches proposées, plusieurs ne sont pas vraiment utiles ni utilisées.

Exemples : Les couches session et présentation sont presque vides.

Il existe une certaine redondance entre les couches. Exemple : Le contrôle de flux et le contrôle d’erreur sont

réalisés dans les couches 2 et 4.

Il reste néanmoins le modèle de référence. Les autres modèles lui ont juste apporté des modifications. Ex :

Modèle IEEE : Découpage de la couche liaison en 2 sous-couches Modèle TCP/IP : Suppression des couche Session et Présentation

; Fusion des couches Physique et Liaison


Le modèle TCP/IP Il s’agit du modèle de référence du réseau ARPANET et de

son successeur Internet. Il est ainsi nommé en raison de ses deux principaux

protocoles : TCP (Transmission Control Protocol) et IP (Internet Protocol).

Le modèle TCP/IP propose une architecture en 4 couches.Application

Présentation

Session

Transport

Réseau

Liaison

Physique

7

6

5

4

3

2

1

Couches basses

Couches moyennes

Couches hautes

Application(Process)

Transport(Host to host)

Internet

Hôte/réseau(Network access)

Modèle OSI Modèle TCP/IP


Le modèle TCP/IP

Caractéristiques : Aucun protocole explicitement défini pour la couche

hôte/réseau. Couche Internet en mode sans connexion. Définit le

format des paquets et plusieurs protocoles de routage, dont IP.

La couche transport spécifie deux protocoles. Le protocole TCP est un protocole de transmission en

mode connecté, fiable (acquittements), qui réalise la fragmentation des paquets et assure un contrôle de flux et de séquencement.

Le protocole UDP, par contre, est un protocole de transport non fiable en mode datagramme ; il ne réalise aucun contrôle de flux ni de séquencement.Contrôle de flux : contrôle de la vitesse d’émission

Contrôle de séquencement : contrôle de l’ordre des paquets


Le modèle TCP/IP

Critiques : Absence de délimitation couche physique/couche

liaison, alors qu’il s’agit de couches particulièrement chargées.

Certains protocoles proposés dans le modèle sont plutôt bricolés qu’élaborés.

Ce modèle a été décrit après la mise au point des protocoles qu’il propose.


Les principaux protocoles du modèle TCP/IP

Process

Application

Telnet FTP SMTP

POP3 IMAP HTTP

DNS SNMP TFTP NFS

Host to HostTransport

TCP UDP

InternetRéseau

IP ICMP RIP OSPF ARP RARP

Network AccessHôte Réseaux

Ethernet FDDI ARPANET PPP ATM


Les principaux protocoles du modèle TCP/IP

Telnet : Emulation d’une connexion de terminal à un hôte distant FTP et TFTP : Transfert de fichier SMTP : Envoi de courrier POP3 et IMAP : Réception de courrier HTTP : Consultation de page web DNS : Résolution du nom de domaine en @IP SNMP : Gestion du réseau NFS : Export de systèmes de fichiers

IP : Routage des paquets ICMP : Messages d’alerte et de diagnostic RIP / OSPF : Construction des tables de routage ARP : Résolution d’@IP en @MAC RARP : Résolution d’@MAC en @IP

Etude de la plupart de ces protocoles en cours d’année…


Principes du protocoles IP

Il appartient à la couche réseau.

Il définit un adressage des machines. Ex. : 217.146.186.221 est l’@ d’un serveur yahoo.fr

Il assure le routage des paquets. Le routeur examine l’@ IP de destination Il consulte sa table de routage qui contient les routes

possibles Il envoie le paquet au prochain routeur sur la route

Il travaille en mode sans connexion et non fiable.


Principes du protocole UDP

Il appartient à la couche transport.

Il assure le transport des paquets En mode datagramme En mode non fiable Sans contrôle de flux ni de séquencement

Il est notamment utilisé pour les applications temps réel.


Principes du protocole TCP

Il appartient à la couche transport.

Il assure le transport des paquets en mode fiable et orienté connexion avec contrôle de flux et de séquencement

Ouverture de connexion par segments SYN et ACK

SYN

SYN ACK

ACK

Machine A Machine B


Principes du protocole TCP

Fermeture de connexion par segments FIN et ACK

FIN ACK

ACK

ACK

Machine A Machine B

FIN


Bibliographie

Les Réseaux, A. Tanenbaum Transmissions et Réseaux, D. Présent et S. Lohier Présentation powerpoint « Présentation des Réseaux » 2001-2002, D. Présent, SRC Champs Présentation powerpoint « Présentation des Réseaux » 2003-2004, C. Bernard, SRC Avon

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