RES 203 Applications Internet dario.rossi Introduction Dario Rossi http://www.enst.fr/~drossi RES203 v10/2012

Plan Definition d’Internet Histoire d’Internet Architecture d’Internet Couches protocolaires Reseaux datagrammes Transport, acheminement, routage Structure d’Internet References 2

Objectif Objectif de cette introduction Panorama sur Internet au dela de RES224 Internet et le réseaux TCP/IP Principes fondamentaux des réseaux de données IP Problématique du transport des données TCP L’architecture d’Internet Remarque Internet n’est pas le seul réseau à étendue mondiale existant D’autres reseaux: GSM, PSN (=RTC), … Dans ce cours, on se focalisera sur TCP/IP A la limite, on fera quelque comparison

Internet Definition d’Internet ? Internet en 2001, http://www.caida.org/

Internet Internet = ses composants Des millions de hôtes PCs, stations de travail, serveurs PDAs, téléphones, grille-pain (!) Equippés de dispositifs de communication Nombreux liens de communication fibre optique, cuivre, wireless, … transferent des trames de bits Des routeurs (IP) Interconnectent les hotes, et transfèrent des données L’echange de segments (TCP) l'émission et la réception des donnés sont controlés par des protocoles de transport L’echange de messages Entre hotes pour la definition de services applicatif http://www.livinginternet.com/i/ia_myths_toast.htm

Internet Internet = applications + usager IP/TCP/SNMP http://www.livinginternet.com/i/ia_myths_toast.htm Internet = applications + usager La liste ne cesse de s’allonger… Login distant, transfert de fichiers, e-mail, WWW, e-commerce, streaming audio et vidéo, visioconférences, jeux en réseau, social networking Le nombre d’usagers ne cesse d’augmenter… ~ 2 milliards d’usagers (03/2011) ht tp://www.internetworldstats.com/stats.htm IP/TCP/SNMP

Internet Internet = ses normes Internet Engineering Task Force (IETF) http://www.ietf.org IETF Request For Comments (RFC ) Documents techniques détaillés définissant les protocoles tels que HTTP, TCP, IP… Au départ: informel; aujourd'hui, normes de facto Plus de 6000 RFCs (08/2011) Autres formus existent W3C pour WWW, BEP pour BitTorrent … Pas de norme pour certain protocoles Protocoles proprietaires: KaZaa, Skype, etc. http://javvin.com/map.html

Internet Internet = architecture Offre des services applicatifs… Controlant le transport l’information…. Acheminée de bout-en-bout… Utilisant plusieurs liens point à point… Bout-en-bout (end-2-end) Application, transport des info, acheminement des paquets Point-à-point (point-2-point) Communication sur lien et physique V. Cerf and R. Kahn, “A protocol for packet network intercommunication“ IEEE Transactions on Communications , May 1974

Historique Quelque dates et chiffres

Historique 1961-1972: Principe des réseaux de paquets 1961: L. Kleinrock théorie des files d’attentes (efficacité des réseaux de paquets) 1964: P. Baran packet-switching dans les réseaux militaires 1967: Advanced Research Projects Agency (ARPAnet) 1969: premier noeud de ARPAnet 1972: ARPAnet démontré publiquement NCP (Network Control Protocol) premier protocole host to hot Premier programme d’email ARPAnet: 15 noeuds 10

Historique 1970: ALOHAnet réseau CSMA à Hawaii 1972-1980: Nouveaux réseaux et réseaux propriétaires 1970: ALOHAnet réseau CSMA à Hawaii 1973: B. Metcalfe Ethernet 1974: V.Cerf et R. Kahn architecture pour l’inter-connexion de réseaux Fin 70’s: architectures propriétaires: DECnet, SNA, XNA 1979: ARPAnet a 200 noeuds Principes de Cerf and Kahn’s : Minimalisme, autonomie Modèle best effort Routeurs stateless Contrôle décentralisé C’est l’architecture actuelle d’Internet 11

Historique 1983: deploiement de TCP/IP 1980-1990: Nouveaux protocoles, prolifération des réseaux 1983: deploiement de TCP/IP 1983: SMTP (e-mail) 1983: P. Mockapetris defini DNS pour le nommage 1985: FTP 1988: contrôle de congestion TCP Réseaux nationaux: Csnet, BITnet, NSFnet, Cyclades 100 000 hôtes interconnextés 12

Historique 2010’s Début 1990’s: Fin d’ARPAnet 1990s: Web hypertext 1990-2010’s: Commercialisation, Web, P2P, VoD et Social networks Début 1990’s: Fin d’ARPAnet 1990s: Web hypertext HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, puis Netscape Fin 1990’s: commercialisation du Web Environ 50 millions d’hôtes, plus de 100 millions d’utilisateurs 2000s killer apps: messagerie instantanée, peer-2-peer (P2P) gnutella, eDonkey, Skype, BitTorrent, … Environ 1 milliard d’usagers Backbones > Gbps 2010’s Video : YouTube 2nd search engine apres Google http://www.tgdaily.com/trendwatch-features/39777-youtube-surpasses-yahoo-as-world%E2%80%99s-2-search-engine Social networking: Facebook 3eme pays du monde avec plus de 400 million d’usagers http://www.techxav.com/2010/03/19/if-facebook-were-a-country/ 13

Les couches protocolaires Chaqun son role!

Les couches protocolaires Les réseaux sont complexes et hétérogènes: hôtes routeurs médias différents applications protocoles hardware, software Donc Comment organiser la structure du réseaux ? Comment organiser les communication entre hotes ? 16

Les couches protocolaires Different necessités Les deux end-points d’un application doivent s’echanger des messages Chaque echanges de type end-2-end (globale) est composé par plusieurs echabges point-2-point (locales) La communication globale (end-to-end) a besoin de garanties, celle locale (point-2-point) doit etre optimisé Une architecture à couches Chacun fait son boulot: separation de roles Deplacer la complexité vers le bord du reseau Maintenir le coeur aussi simple, scalable et generale que possible

Les 7-Couches du Modèle OSI } Application L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1 Applications RES240/RES224 Presentation Session } Transport End-to-end RES240/RES223 Network } Link Point-to-point Physical

TCP/IP: un sous-ensemble de OSI } Application Applications RES240/RES224 L7 L4 L3 L2 } Transport Internet End-to-end RES240/RES223 } Host-to-network Point-to-point

TCP/IP: un sous-ensemble de OSI Application L7 L4 L3 L2 Message Segment Datagramme Remarque Un “paquet” Internet prends plusieurs noms A chaque niveau, le “paquet” a un nom bien precis ! Transport Internet Host-to-network Frame (trame)

TCP/IP: un sous-ensemble de OSI HTTP, FTP, SMTP, POP, IMAP, DNS, RIP, BitTorrent, Skype,etc. TCP, UDP, SCTP, RTP, DCCP, etc. IP, ICMP, IGMP, OSPF, BGP, etc. PPP, Ethernet, WiFi, etc. Application L7 L4 L3 L2 Transport Internet Host-to-network

Communications entre couches Une couche (layer) communique logiquement avec une couche du meme niveau en utilisant les services de la couche en bas pour offrir un service à la couche en haut Application Application Presentation Presentation Session Session Transport Transport Network Network Link Link Physical Physical

Communication logique vs physique application transport réseau lien physique application transport réseau lien physique transport réseau lien physique application transport réseau lien physique transport Logique, de bout en bout Physique, point à point, 23

Couches proches à l’usager Application Application layer requete de pages Web, reponse avec le contenu, voix, video et interaction (pause, play), securité Presentation layer Codage des donnés, securité, compression, ... Session layer Synchronisation entre applications, connexion logiques, recuperation d'erreur Presentation Session Transport Network Link Physical

Couches de bout en bout Transport layer Network layer Application Transport layer fiabilité end-to-end Controle de congestion end-to-end Multiplexage / demultiplexage des applications Network layer Routing end-to-end Addressing globale Multiplexage / demultiplexage des protocoles de transport Presentation Session Transport Network Link Physical

Couches point à point Link layer Physical layer Partages du medium Application Link layer Partages du medium Detection des bornes de trames Detection d'erreur, correction et retransmission Physical layer Transmission et codage du signal Presentation Session Transport Network Link Physical

Mise en couche Encapsulation/decapsulation pour gerer les different couches source destination application transport network link physical application transport network link physical M message M H t H t M segment M H n H t datagram H n H t M M H l H t n H l H t n M frame M 27

Mise en couche: encapsulation Chaque couche n recoit des données (protocol data unit PDU(n+1)) de la couche supérieure n+1, qui est une service data unit SDU(n) au niveau n Ajoute un header (PCI(n), protocol control information), avec information de control propre de son niveau Passe la nouvelle unité de données PDU(n) à la couche inférieure source destination application transport network link physical application transport network link physical M message M H t H t M segment M H n H t datagram H n H t M M H l H t n H l H t n M frame M 28

Mise en couche: decapsulation Chaque couche n recoit une unité données (PDU(n), protocol data unit) de la couche inferieure n-1 Interprete le header (PCI(n), Protocol control information), et les information de control propre de son niveau Passe la nouvelle unité de données (SDU(n), service data unit) à la couche superieure source destination application transport network link physical application transport network link physical M message M H t H t M segment M H n H t datagram H n H t M M H l H t n H l H t n M frame M 29

Remarque Couches protocolaires: en principe Repartition de taches, eviter duplication des fonctionnalités Offre des fonctions bien definies aux couches en haut (en utilisant les fonctions des couches en bas) Couches protocolaires: en pratique Replication des fonctionnalités possiblé: Controle d’integrité aux niveaux 2 (DataLink), 3 (Network) et 4 (Transport) Violation de niveau courant (cross-layer): TCP checksum est effectué sur header IP, Checksum IP computé par la carte Ethernet, Violation de codage PHY pour delimiter les trames, …

Internet: Quel type de réseau ? Réseaux Internet Commutation de circuits FDM TDM Commutation de paquets Réseaux avec VC Datagramme Network IP Transport TCP UDP 31

Internet: Quel type de réseau ? Definitions: Signalisation Echange d’information concernant le controle et la gestion d’un réseau de telecommunication Commutation Le proces d’interconnexion de ressources pour le temps necessaire à la communication Transmission Le proces de transfer d’information depuis un point du réseau vers un (ou plusieurs) autre(s) point(s)

Commutation de circuit La communication necessite d’une phase préliminaire de signalisation (etablissement du circuit par signalisation) Dans cette phase, des ressources (frequence, slot temporels, etc.) sont allouées dans tous les equipement traversé par le flux de donnés La commutation est la meme pendant toute la transmission, et est effectué sur la base d’un identifiant de circuit Les données suivent le meme parcours (le circuit) fixé en phase d’etablissement de la connexion pendant toute la communication Les ressources sont utilisés exclusivement par les deux partenaires jusqu’à la cessation du service (liberation du circuit par signalisation) Example Acces du Global System for Mobile communication (GSM) Public Switched Telephone Network (PSTN), connu en France comme Réseau Telephonique Commuté (RTC) ISDN, SONET/SDH application transport network data link physical 6. Receive data application transport network data link physical 5. Data flow begins 4. Call connected 3. Accept call 1. Initiate call 2. incoming call

Commutation de circuit La communication necessite d’une phase préliminaire de signalisation (etablissement du circuit par signalisation) Dans cette phase, des ressources (frequence, slot temporels, etc.) sont allouées dans tous les equipement traversé par le flux de donnés La commutation est la meme pendant toute la transmission, et est effectué sur la base d’un identifiant de circuit Les données suivent le meme parcours (le circuit) fixé en phase d’etablissement de la connexion pendant toute la communication Les ressources sont utilisés exclusivement par les deux partenaires jusqu’à la cessation du service (liberation du circuit par signalisation) Example Acces du Global System for Mobile communication (GSM) Public Switched Telephone Network (PSTN), connu en France comme Réseau Telephonique Commuté (RTC) ISDN, SONET/SDH

Commutation de paquet Examples Mode datagramme Chaque paquet porte information de controle necessaire pour son acheminement La fonction de commutation est instantanée pour chaque paquet, Aucune ressource n’est reservée, ni la signalation necessaire En revanche, aucune performance n’est garantie Mode circuit virtuel Transmission orienté connexion dans reseaux à paquets Examples mode datagramme au niveau reseau IP et transport UDP mode circuit virtuel au niveau transport TCP et link-layer X.25, FrameRelay, ATM, MPLS application transport network data link physical application transport network data link physical 1. Send data 2. Receive data

Commutation de paquet Mode datagramme Chaque paquet porte information de controle necessaire pour son acheminement La fonction de commutation est instantanée pour chaque paquet, Aucune ressource n’est reservée, ni la signalation necessaire En revanche, aucune performance n’est garantie Mode circuit virtuel Transmission orienté connexion dans reseaux à paquets Examples mode datagramme Couche reseau IP et couche transport UDP mode circuit virtuel Couche transport TCP, link-layer X.25, FrameRelay, ATM, MPLS

Commutation de paquets: delai Les paquet subissent du delai à chaque saut Quatre sources de delai: Processement (<ms) - Transmission = P/C (ms – ms) File d’attente (ms – s) - Propagation = D/V (LAN < ms, WAN >10ms) Processement Transmission P=taille de paquet C=capacité du lien D=distance V=vitesse du signal File d’attente Propagation

Recap: Circuits vs paquets Commutation de circuits: la function de commutation alloue des ressources aux usagers qui souhaitent etre mis en communication un (ou plus) circuit pour le sont mis en place avec une phase de signalisation la liberation des ressources necessite d’une signalisation explicite Garantie de performance Pas de file d’attente Gachis de ressource potentiel Commutation de paquets: la function de commutation n’alloue aucune ressource toutes les ressources sont toujours disponibles pour la transmission des paquets les paquets attendendent dans des files que les ressources se libèrent Pas de garanties, délai variable Utilisation plus efficace et flexible des ressources

Recap: Circuit vs circuits virtuels Similitudes Modalité de transmission orienté connexion Dans les deux cas, les données sont transferés dans le meme ordre avec lequel ont été transmis Signalisation necessaire pendant l’etablissement et la liberation de la connexion Differences La commutation de circuit garantie les performance (e.g., debit, delai) car les ressources ont été alloués en usage exclusif Le circuit virtuel ne garantie pas les performances, car les ressources sont partagés pour benefier du statistical multiplexing

Internet: qui fait quoi ? application transport network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical Applications: à partir du prochain cours de RES224 Transport et réseau: apercu ici, details dans RES223, RES343…

Couches transport et réseau Protocoles de Routage Choix du chemin Plusieurs niveaux RIP, OSPF, GP Couche Transport TCP, UDP, SCTP, DCCP, … Protocole IP Adressage, acheminement Format des datagrammes Traitement des paquets Couche Réseau Table de routage Protocole ICMP Rapport d’erreur signalisation 41

Transport: TCP et UDP UDP TCP Service datagram, non fiable, non orienté connexion Flexibilité dans le bitrate et la taille des messages à envoyés (limité par le MTU de la couche IP) TCP Service à circuit virtuel, orienté connexion, remise fiable et dans l’ordre, Impose la vitesse d’emission (cfr slide suivant) et la taille des messages (de preference MSS + header TCP = MTU) Introduit un délai supplementaire initiale lié à l’etablissement du circuit (3 way handshake) TCP SYN Etablissement de connexion Round Trip Time (RTT) SYN+ACK ACK + GET Transfert de données RTT Data + FIN Fermeture connexion FINACK temps

Transport: TCP et UDP TCP Transfer de données TCP A tout moment, vitesse d’emission lié à la fenetre coulisante (sliding window) w = min(cwnd,rwnd) Rwnd = receiver window, controle de flux (eviter de transmettre plus que le recepteur n’est capable de stoquer) Cwnd = congestion window, controle de congestion (eviter de transmettre plus que le reseau ne peut supporter) Dynamique de cwnd Algos: slow-start, congestion avoidance, fast-recovery, fast-retransmit, timeout,etc. Slow-start: croissance exponentielle, à partir de 1 segment par RTT(jusqu’à un seuil sstrhesh), cwnd++ à chaque ACK Congestion avoidance: croissance lineaire, à partir de ssthresh, cwnd+=1/cwnd à chaque ACK TCP TCP RTT Transfert de données RTT RTT temps cwnd Packet losses Congestion avoidance Fast-recovery Slow start Timeout 1 2 3 … Temps (RTT)

Acheminement IP Pour chaque paquet Decider sur quel lien il doit etre acheminé Exclusivement en fonction de l’adresse de destination Lookup dans des tables de routage Longest prefix matching Ternary Content Addressable Memory (TCAM)

Routage IP Echange d’information entre routeurs But: construction des tables de routage Taxonomie: Link state: propagation d’information topologique locale à tous les noeuds du reseau Distance vector: propagation d’information globale seulement aux voisins Distance vector Link state

Routage Inter-AS et Intra-AS C.b B.a Passerelles : Exécutent le routage inter-AS entre elles Exécutent le routage intra-AS avec les autres routeurs de l’AS A.a b A.c c a a C b a B d c A b AS = Autonomous System (cfr. Structure d’Internet) Couche réseau Couche liaison Couche physique 46

Structure d’Internet Taxonomie par etendue geographique des reseaux Réseaux étendus (WAN, Wide Area Network) Pays, continents Réseaux métropolitains (MAN, Metropolitan Area Network) Ville, collectivités locales Réseau locaux (LAN, Local Area Network), De la salle au campus Réseaux personnels (PAN, Personal Area Network) Autour de l’individu (dans sa sphere d’action), capteurs (communication limité) Taxonomie par hierarchie d’Interconnexion Entités = Internet Service Providers (ISP) 3-tiered architecture (unofficielle mais courante) Tier-1 ISP: se connectent avec tous les autres Tier-1 ISPs (topologie maillée) Tier-2 ISP: se connectent (typiquement) à plusieurs Tier-2 ISP Tier-3 ISP: se connectent à un Tier-2 ISP

Structure d’Internet NSP B NAP NAP NSP A Tier-3 (ISP locaux) Se connectent aux ISPs régionaux Tier-2 (ISPs régionaux) Se connectent aux NSPs Tier-1 (National/International Service providers NSPs) aka NBP (National Backbone Provider) e.g. BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM, UUNet Échangent du trafic d'égal à égal (peering relationship, sans generer des couts de transmission) Connectent les réseaux ensemble de façon privée ou via un réseau public Les NSPs doivent être connectés entre eux par des NAPs (Network Access Points) local ISP regional ISP NSP B NAP NAP NSP A regional ISP local ISP

Structure d’Internet Les Tier-2 se connectent aux Tier-1 ISP Customer-provider relationship, engendre des couts d’acheminement Les Tier-2 font aussi du peering Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP Le Tier-2 paie pour accéder à l'Internet via le Tier-1 NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Structure d’Internet …et ainsi de suite Tier 1 ISP Tier 1 ISP local ISP Virtual Tier 3 Clients des ISP de plus haut niveau pour la connectivité à l'Internet Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Structure d’Internet Dans son voyage de bout en bout, un paquet va donc traverser plusieurs AS, et plusieurs routeurs dans chaqun des AS local ISP Virtual Tier 3 Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

References Organismes http://www.ietf.org http://www.isoc.org IETF (Internet Engineering Task Force) http://www.isoc.org Internet Society http://www.w3c.org World Wide Web Consortium http://www.ieee.org IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) http://www.acm.org ACM (Association for Computing Machinery) Optional reading « A brief history of the Internet », by those who made the history http://www.isoc.org/internet/history/brief.shtml

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