Architecture des Réseaux

1. Emmanuel BESSON emmanuel.besson@francetelecom.com Architecture des Réseaux

2. Architecture des RéseauxInterconnexion de réseaux

3. Agenda (deuxième journée) • Interconnexion de réseaux • Principes de l'interconnexion • Commutation & routage • Le modèle Internet & ses évolutions • Mise en oeuvre des réseaux IP • Architectures étendues

4. Interconnexion de réseaux • Objectifs • Saisir les enjeux et la problématique de l’interconnexion de réseaux • Comprendre les principes essentiels du routage et du contrôle de flux • Décrire les grands modèles actuels d’interconnexion • Plan • Principes de l'interconnexion • Commutation & routage • Le modèle Internet & ses évolutions • Mise en oeuvre des réseaux IP Principes de l'interconnexion

5. La couche réseau (1) • Objectif de la couche réseau • Transporter les paquets sur un chemin source  destinataire • Outils nécessaires • Connaître la topologie du sous-réseau • Choisir le chemin approprié • en assurant une répartition équilibrée de la charge • en optimisant le routage • … éventuellement assurer l’interconnexion de sous-réseaux

6. La couche réseau (2) • La couche réseau appartient à l’opérateur • Elle est l’interface avec le client, donc ses services doivent… • … assurer l ’indépendance du client vis-à-vis des techniques implantées dans les sous-réseaux • … assurer l ’indépendance du client vis-à-vis de la topologie des sous-réseaux supports • … utiliser un plan uniforme de numérotation au niveau local et/ou global

7. Europe US B France A Californie La couche réseau (3) • … au réseau dorsal US … • … au réseau régional Californien • … au réseau local (campus de Berkeley). • Du réseau local (réseau Campus Aix) … • … au réseau régional (réseau Renater) … • … au réseau dorsal Européen …

8. La couche réseau (4) • Elle définit les procédures et les moyens fonctionnels nécessaires à l’échange de données par la couche transport • C’est un service de bout en bout responsable de l’acheminement des paquets de données qui peuvent traverser plusieurs nœuds du réseau • Elle assure l’intégrité du transport des paquets

9. La couche réseau (5) • Mode datagramme • Le datagramme est un paquet remis par la couche transport et que la couche réseau transmet d’une manière autonome. • Le paquet ne comporte pas d’information définissant à quel message il appartient • Les paquets appartenant à une même communication peuvent emprunter dans le réseau des chemins différents • C’est un mode orienté sans connexion • Exemple typique : la couche réseau de l’Internet avec Internet Protocol (IP)

10. La couche réseau (6) • Mode circuit virtuel • Les protocoles de type circuit virtuel demandent une connexion explicite entre la source et la destination • Une route est créée par laquelle transiteront tous les paquets de données • Il inclut explicitement un contrôle de flux, des techniques de détection et de reprise sur erreurs • Exemple typique : le protocole normalisé X.25 utilisé dans le réseau TRANSPAC

11. La couche réseau (7) • Pour assurer l’acheminement de l’information d’une entité réseau jusqu’à une entité réseau distante, trois grandes fonctionnalités doivent être rendues par la couche réseau : • Contrôle de flux • Routage • Adressage • Deux modes sont disponibles : • Mode connecté (circuit virtuel) • Mode non connecté (datagramme)

12. La couche réseau (8) • Mode connecté • Avantages : • Sécurité de la transmission • Séquencement garanti des paquets • Réglage facile des paramètres du protocole • Inconvénients : • Lourdeur du protocole, surtout pour des petits transferts • Difficulté de mise en œuvre du multicast ou broadcast • une connexion par paire source/destinataire • Débit relativement faible

13. La couche réseau (9) • Mode non connecté • Avantages : • Diffusion ou multipoint facilités • Simplicité du protocole • Performances meilleures • Inconvénients : • Faibles garanties de sécurité • Réglage des paramètres plus complexe

14. Contrôle de flux et de congestion (1) • Missions du contrôle de flux et de congestion • Gérer les paquets pour un acheminement au plus court délai • Éviter les pertes • Régler les flux pour éviter les engorgements dans les nœuds de routage • Principes du contrôle de flux • Contrôle de flux par crédits (~ jetons) • Contrôle de flux par seuils (systèmes de fenêtre) • Contrôle de flux par allocation de ressources (réservation de ressources)

15. Contrôle de flux et de congestion (2) • Contrôle de flux par crédits • Crédits banalisés : • Soit N le nombre de crédits qui circulent dans le réseau • Pour qu’un paquet puisse entrer, il doit acquérir un crédit libre • Un paquet arrivé à destination relâche le crédit • Très difficile de redistribuer les crédits aux « portes d’entrée » • Crédits dédiés : • Par nœud d’entrée dans le réseau • Le crédit libéré est ré-acheminé vers l’émetteur (avec un acquittement) • Contrôle local et non global • Par utilisateur, ou circuit virtuel • Fenêtre de contrôle de flux

16. Contrôle de flux et de congestion (3) • Contrôle de flux par seuils • Ouverture ou fermeture des « vannes » à l’entrée en fonction des indications fournies par le réseau • A l’aide de paquets de gestion • Envoie des informations explicites au nœud d’entrée sur l’état du réseau (« tu peux envoyer x paquets ») • Performante mais soumise également à la congestion • un réseau chargé ralentira les paquets de contrôle • Contrôle par fenêtre • On attend l’acquittement des paquets précédents pour élargir la fenêtre d’émission • Si les acquittements ne reviennent pas, l’émetteur est bloqué

17. Contrôle de flux et de congestion (4) • Contrôle de flux par allocation de ressources • Adapté au mode avec connexion • Un paquet « d’appel » réserve les ressources intermédiaires sur le chemin qui va être utilisé • Très coûteuse en ressources • Exemple : si on réserve de la place pour les P paquets qui vont être émis sur l’ensemble des N nœuds sur le chemin, on a NP places en mémoire d’allouées • Possibilité de pratiquer le « surbooking » mais risque d’effondrement • Globalement, tous les contrôles de flux ont au moins un cas de figure de dysfonctionnement : la congestionest toujours susceptible d’arriver

18. Contrôle de flux et de congestion (4) • Contrôle de congestion • Contrôle assez élémentaire au niveau de la couche réseau • Mission parfois assignée à la couche transport (ex.: TCP/IP) • Réserver des places mémoires supplémentaires : • Non distribuées en cas de pré-allocation • Traite des congestions ponctuelles et « faibles » • TTL : durée de vie dans le réseau • Tout paquet qui a résidé trop longtemps dans le réseau est considéré comme obsolète • Destruction des paquets obsolètes : libération de ressources • Fondé sur des temporisateurs difficiles à mettre en œuvre • Simplifications : durée de vie = nombre maximal de nœuds à traverser (IP)

19. Interconnexion de réseaux • Objectifs • Saisir les enjeux et la problématique de l’interconnexion de réseaux • Comprendre les principes essentiels du routage et du contrôle de flux • Décrire les grands modèles actuels d’interconnexion • Plan • Principes de l'interconnexion • Commutation & routage • Le modèle Internet & ses évolutions • Mise en oeuvre des réseaux IP Commutation & routage

20. Composantes du routage (1) • Avec l’expansion et l’augmentation de complexité des WAN, le contrôle de trafic devient important • Existence de multiples routes depuis une source vers une destination • Gestion des congestions et assignation de la bande passante disponibles effectués par des équipements spécifiques : les routeurs • Fonctions principales des routeurs • Relayer les paquets d ’un réseau à un autre • Ne pas confondre avec les commutateurs ! • Commutation = couche 2 / routage = couche 3 ! • Informations différentes, donc accomplissement différent des tâches • Détermination du chemin • Commutation

21. Composantes du routage (2) • Détermination du chemin • Évaluer les chemins disponibles pour atteindre une destination donnée • Déterminer celui à utiliser (en évitant par exemple les chelins engorgés) • Utilisation d’algorithmes de routage • Construction de tables de routage : • informations de routage spécifiques à l’algorithme • ex.: association destination/prochain saut • Maintien des tables de routage : • communication entre routeurs • mises à jour via l’échange de portions ou de la totalité des tables • … le routeur en déduit une connaissance de la topologie

22. Composantes du routage (3) • Détermination du chemin : • Algorithmes de routage basés sur le principe du « moindre coût », ou de la « moindre distance » (i.e. « plus court chemin ») • Utilisation de métriques : • longueur du chemin • robustesse • délais • tics d ’horloge • nombre de sauts • bande passante • charge • coût de la communication

23. Composantes du routage (4) • Métriques classiques • la longueur du chemin selon l ’algorithme de routage utilisé • somme de coûts des liens assignés par le protocole • nombre total de sauts • la qualité ou robustesse des liens selon une valeur arbitraire fixée par l ’administrateur • taux d ’erreur bits des liens • taux de pannes • temps de remise en route • le délai mesure le temps entre l ’émission et la réception, et dépend de... • la bande passante sur les liens intermédiaires • les files d ’attente sur les ports des routeurs sur le chemin • la distance physique à parcourir

24. Composantes du routage (5) • Métriques classiques • lestics d ’horloge sont utilisés par certains algorithmes pour NetWare ou IP • délai sur les liens comptés en tics d’horloge • le nombre de sauts représente le nombre de passages par un port de sortie d ’un routeur • nombre de nœuds intermédiaires à traverser • la bande passante résiduelle (i.e. disponible à l ’instant) • la charge calcule le taux d ’occupation des ressources (ex. : routeur) • taux d ’utilisation CPU • nombre de paquets par seconde • le coût de la communication est une autre métrique importante • possibilité de choisir ses propres lignes que des lignes publiques payantes

25. Composantes du routage (6) • Croisement des métriques : • interdépendance évidente (délai, bande passante, nombre de sauts, etc.) • des algorithmes sophistiqués utilisent des métriques hybrides : • formule de combinaison des valeurs individuelles

26. Commutation & routage • Fonction de commutation • accepter un paquet sur une interface • le transférer sur une autre interface • algorithmes de commutation simples, et partagés par la plupart des protocoles de routage • un paquet entrant porte : • l ’adresse MAC du routeur • l ’adresse réseau de la destination • le routeur examine l ’adresse réseau de destination • s ’il ne sait pas atteindre cette destination, il ignore le paquet • s ’il sait l ’atteindre, il modifie l ’adresse MAC pour marquer celle du prochain nœud sur le chemin • le routeur transmet alors le paquet

27. Commutation ou routage ? (1) • Les routeurs sont des équipements... • ... puissants et flexibles • ... lents et chers ! • Les commutateurs sont des équipements rapides et économiques • Le trafic Internet double chaque année • Croissance du trafic des réseaux backbone: • environ 100% par an de 1990 à 1994 • environ 1,000% par an de 1995 à 1996 • environ 100% par an de 1997 à 2000 • Croissance globale: • environ 20 à 30% par an dans les années1980s • 30 à 40% par an de 1990 à 1998 • Accélérant jusqu’à 100% par an

28. Commutation ou routage ? (2) • Des routeurs rapides? • Gigabit/Terabits routeurs • Associer IP et la commutation • A l’origine (1996) IP switching, Tag Switching • Puis MPLS (IETF) • Aussi mais disparu, MPOA (ATM Forum) • Un moyen pour accélérer les routeurs

29. Le "Table look-up"

30. Commutation & routage

31. Commutation de trames

32. Routage pur

33. Commutation/routage de labels (LSR)

34. Exemple Label Switching

35. Association niveau 2 & niveau 3

36. Exemples (1) • Circuits virtuels X.25 : mode avec connexion • Table de commutation : Ai Bj  Ck  Dl  Em

37. Exemples (2) • Acheminement ATM • Mode connecté

38. Exemples (3) • Commutation de labels

39. Exemples (4) • Commutation de labels (suite)

40. Exemples (5) • Commutation de labels (fin)

41. Algorithmes de routage • Les algorithmes de routage varient selon leurs objectifs propres • optimalité • capacité de l’algorithme à sélectionner la meilleure route • selon les métriques utilisées • selon les poids affectés aux différentes métriques • simplicité • efficacité de l’implémentation • minimaliser le taux d ’utilisation CPU • robustesse • comportement stable face à des conditions extrêmes : fortes charges, pannes, bugs • résistance aux pannes (les routeurs sont des nœuds critiques) • convergence rapide • cohérence des informations de mises à jour • flexibilité • capacité d’adaptation aux changements dans le réseau : pannes, modification de la bande passante disponible

42. Routage statique et dynamique (1) • Le routage statique n ’est pas algorithmique • les routes sont établies manuellement par l ’administrateur du réseau • elles doivent être modifiées manuellement à chaque changement de topologie du réseau d ’interconnexion • bon fonctionnement : • sur des topologies simples • pour du trafic prévisible • inadapté aux réseaux de grande échelle • les tables de routage statiques sont privées et ne s ’échangent pas • avantage en matière de sécurité • contrôle de publication d ’informations sur certaines parties d ’un réseau

43. Routage statique et dynamique (2) • Les algorithmes de routage dynamique s’ajustent en temps réel • diffusion des mises à jour des tables de routage contrôlée par le protocole de routage • méthode d’envoi • contenu de la connaissance diffusée • dates de diffusion • localisation des destinataires des mises à jour • analyse des mises à jour entrantes • si modification : • les routes sont recalculées • un message de mise à jour est envoyé, entraînant d ’autres mises à jour chez les voisins

44. Routage statique et dynamique (3) • Statique vs. dynamique • une machine X veut envoyer des paquets vers une machine Y • Statique : • A - D - C - Y • si panne lien A - D, les paquets sont jetés par A • Dynamique : • A - D - C - Y • si panne lien A - D, les paquets sont routés sur la route alternative A - B - C - Y • Solution mixte dans les grands réseaux d ’interconnexion • les routeurs ne peuvent connaître toutes les destinations possibles • la table de routage dynamique est agrémentée d’une route statique par défaut pour les destinations inconnues

45. Protocoles de routage intégrés (1) • Routage à vecteur de distance (algorithmes Bellman-Ford) • détermine la direction (vecteur) et la distance de tout lien du réseau d ’interconnexion • envoi périodique d’une portion ou de la totalité des tables de routage par un routeur à ses voisins • cumul des distances • pas de connaissance exacte de la topologie • exemples de protocoles : • Routing Information Protocol (RIP) • Interior Gateway Routing Protocol (IGRP) Cisco

46. Protocoles de routage intégrés (2) • Approche « état des liens » (Shortest Path First) • maintient une base de données complexe des informations de topologie • inondation du réseau par les informations de routage • un routeur transmet la description de ses liens • recrée la topologie exacte du réseau ou de la partition du réseau où se situe le routeur • exemple de protocole : • Open Shortest Path First (OSPF)

47. État des liens Mises à jour réduites transmises à tous les nœuds Convergence rapide Complexité consommateur de CPU et mémoire fort coût d’implémentation et maintenance Vecteur de distance Mises à jour volumineuses transmises aux seuls voisins Convergence risques de boucles temporaires Complexité faible économique Comparaison des approches de routage

48. Protocoles de routage intégrés • Routage hybride équilibré • troisième approche • combinaison des deux précédentes approches : • détermination du chemin sur la base des vecteurs de distance • déclenchement des mises à jour sur changements de topologie • convergence rapide • plus économique que l ’approche « état des liens » en termes de : • CPU • mémoire • bande passante (overhead) • exemples de protocoles : • Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) de l ’OSI • Enhanced IGRP (EIGRP) de Cisco

49. Adressage (1) • Pour router, il faut savoir localiser • chaque nœud doit posséder une adresse unique le caractérisant • sinon, un conflit d ’adresse intervient • de manière similaire, chaque réseau interconnecté doit posséder un identifiant réseau unique • Adresses des nœuds • se réfère à un port spécifique de l ’équipement connecté au réseau • pour la plupart des technologies LAN, gravés dans le matériel • structure d ’adressage plate • utilisées seulement quand le paquet est sur le réseau source ou destination • exemple : adresse MAC • généralement une par nœud (car une connexion au réseau) • parfois plusieurs pour un nœud d ’interconnexion (routeur)

50. Adressage (2) • Identifiants réseau • adressage logique ou virtuel de niveau 3 dans le modèle OSI • utilisés pour identifier le réseau source ou destination du paquet • l ’assignation peut être : • statique selon un plan d ’adressage • partiellement ou entièrement dynamique • formats différents selon le protocole réseau • introduction de hiérarchies logiques : • par portion de réseau (segment, sous-réseau)