Couche réseau Sommaire : Objectifs : Services de couche réseau Principes du routage Routage hiérarchique IP Protocole de routage dans Internet intra-domaine inter-domaine Architecture de routeur ? Objectifs : Comprendre les principes sous-jacents de la couche réseau : routage (choix du chemin) Passage à l’échelle Comment fonctionne un routeur Description du routage dans Internet 4 : Network Layer

Fonctionnalités de la couche réseau Transporter des paquets de l’émetteur vers le récepteur Les protocoles de couche réseau s’exécutent dans dans chaque hôte et routeur. Trois fonctions principales : Choix du chemin : route suivie par les paquets de la source à la dest. Algorithmes de routage Commutation : transporter les paquets du port d’ entrée vers le bon port de sortie. Mise en place de l’appel : Dans les réseaux à commutation de circuits, la mise en place du circuit est effectuée par la couche réseau. application transport network data link physical network data link physical 4 : Network Layer

Modèle de service de la couche réseau Q : Quel est le modèle de service pour les canaux transportant des paquets de la source à la destination ? Bande passante garantie ? Préservation du délai inter-paquet (pas de gigue) ? Transmission sans pertes ? Réception dans l’ordre ? Annoncer une indication de congestion à l’émetteur ? L’abstraction que donne la couche réseau : ? Circuit virtuel ou datagramme ? ? ? service abstraction 4 : Network Layer

Circuits virtuels Le « chemin » de la source à la destination se comporte comme un circuit téléphonique Avant d’émettre des données, le circuit doit être mis en place Chaque paquet contient un identificateur de VC (et non pas l’adresse de la destination) Chaque routeur maintient un « état » pour chaque connexion qui traverse le routeur Les connexions dans la couche transport ne mettent en jeu que les systèmes terminaux Des ressources du lien (bande passante) ou du routeur (mémoire) peuvent être allouées au VC Pour garantir des performances 4 : Network Layer

Circuits virtuels : protocoles de signalisation Utilisés pour mettre en place et gérer un VC Utilisés dans ATM, frame-relay et X.25 Ne sont pas utilisés (du moins de façon visible) dans l’Internet actuel application transport network data link physical application transport network data link physical 5. Data flow begins 6. Receive data 4. Call connected 3. Accept call 1. Initiate call 2. incoming call 4 : Network Layer

Réseaux Datagramme : le modèle Internet Pas de mise en place de circuit routeurs : aucun état mémorisé au sujet des connexions Pas de notion de connexion au niveau réseau Les paquets sont typiquement routés en fonction de l’adresse de destination Des paquets avec la même source et destination peuvent suivre des trajets différents application transport network data link physical application transport network data link physical 1. Send data 2. Receive data 4 : Network Layer

Modèle de service de la couche réseau Garanties ? Architecture Réseau Internet ATM Modèle de Service Au mieux CBR VBR ABR UBR Feedback de Congestion non (inférence par les pertes) Pas de congestion oui non Bande Passante aucun Constante Débit garantie Minimum Aucun pertes non oui Ordre non oui Délai non oui Extension au modèle Internet : Intserv, Diffserv 4 : Network Layer

Datagramme ou VC ? Internet ATM Échange de données entre ordinateurs Service “élastique”, pas de contrainte de délai stricte Systèmes terminaux intelligents Pouvant s’adapter, contrôler leur émission et faire de la compensation de pertes Réseau simple, complexité aux extrémités ATM Évolution de la téléphonie Parole humaine : Contrainte de délai stricte Besoin de qualité de services garanties Systèmes terminaux “simplistes” téléphones La complexité est interne au réseau 4 : Network Layer

Routage Abstraction du réseau en graphe Les nœuds sont des routeurs Protocole de routage Objectif : choisir un « bon chemin » (suite de routeurs) dans le réseau de la source à la destination. A E D C B F 2 1 3 5 Abstraction du réseau en graphe Les nœuds sont des routeurs Les liens sont les liaisons physiques Coût du lien : délai, prix du lien ou niveau de congestion «Bon chemin» : Typiquement un chemin de coût minimal Autres définitions possibles 4 : Network Layer

Classification des algorithmes de routage Information globale ou locale ? Globale : Chaque routeur connaît toutes les informations de topologie, de coût des liens, etc. Algorithme “link state (LS)” Locale : Le routeur ne connaît que le côut des liens vers les voisins. Calcul itératif et échange régulier d’infos avec les voisins Algorithmes “distance vector (DS)” Statique ou dynamique ? Statique : Les routes ne changent pas dans le temps Dynamique : Les routes changent régulièrement Mise à jour régulière En réponse aux changement de coût des liens 4 : Network Layer

Un Algorithme de routage Link-State Algorithme de Dijkstra La topologie et le coût des liens sont connus de tous les nœuds accompli avec une diffusion de l’état des liens Tout les nœuds ont la même info Calculer le plus court chemin (le chemin le moins coûteux) d’un nœud à tout les autres Génère la table de routage du noeud De façon itérative : après k itérations, on connaît le chemin le plus cours vers K destinations Notation : c(i,j) : coût du lien de i à j. Est infini si i et j ne sont pas voisins D(v) : Valeur courante du coût du chemin de la source à la destination V p(v) : noeud précédant v dans le chemin de la source à v N : Ensemble des nœuds dont on connaît le coût minimal 4 : Network Layer

Algorithme de Dijksra 1 Initialisation : 2 N = {A} 3 Pour tout noeud v 4 si v est adjacent à A 5 alors D(v) = c(A,v) 6 Sinon D(v) = infinity 7 boucle 8 Trouver w  N tel que D(w) est minimal 10 ajouter w à N Mettre à jour D(v) pour tout les nœuds v  N adjacents à w 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 jusqu’à la fin des nœuds de N 4 : Network Layer

Algorithme de Dijkstra : exemple étapes 1 2 3 4 5 start N A AD ADE ADEB ADEBC ADEBCF D(B),p(B) 2,A D(C),p(C) 5,A 4,D 3,E D(D),p(D) 1,A D(E),p(E) inf 2,D D(F),p(F) inf 4,E A E D C B F 2 1 3 5 4 : Network Layer

Discussion Complexité de l’algorithme : n noeuds n*(n+1)/2 comparaisons : O(n**2) implémentation plus efficace possible : O(nlogn) Oscillations possibles : Ex : coût du lien = niveau de trafic A A D C B 2+e 1+e 1 A A D C B 2+e e 1+e 1 1 1+e 2+e D B D B e 1 C 1+e C 1 1 e … recalculer le routage … recalcul … recalcul initialement 4 : Network Layer

Algorithme de routage DV itératif : Continue jusqu’à ce que les nœuds ne s’échangent plus d’info Auto-terminaison : pas de «signal» d’arrêt asynchrone : L’échange des infos ne nécessite pas d’horloge distribué : Chaque nœud ne communique qu’avec ses voisins Structure de la Table de distance Propre à chaque nœud Une ligne par destination possible Une colonne par voisin exemple : dans le noeud X, pour la dest. Y via le voisin Z : D (Y,Z) X distance de X à Y, via Z c(X,Z) + min {D (Y,w)} Z w = 4 : Network Layer

Table de distance : exemple 7 8 1 2 D () A B C D 1 7 6 4 14 8 9 11 5 2 E coût destination via destination D (C,D) E c(E,D) + min {D (C,w)} D w = 2+2 = 4 D (A,D) E c(E,D) + min {D (A,w)} D w = 2+3 = 5 boucle! D (A,B) E c(E,B) + min {D (A,w)} B w = 8+6 = 14 boucle! 4 : Network Layer

Table de routage D () A B C D 1 7 6 4 14 8 9 11 5 2 A B C D A,1 D,5 coût destination via destination Lien sortant , coût A B C D A,1 D,5 D,4 destination Table de distance Table de routage 4 : Network Layer

Algorithme de routage DV Itératif, asynchrone : chaque itération locale est causée par : Changement de coût d’un lien adjacent Message d’un voisin du au changement de sa table de distance Distribué : Chaque nœud annonce à ces voisins seulement quand sa table de distance change Chaque noeud : attend (un changement dans le coût local ou un msg du voisin) Recalcule la table de distance Si la table de distance change, annonce aux voisins 4 : Network Layer

Algorithme de routage DV Dans chaque nœud, X : 1 Initialisation : 2 Pour tout nœud adjacent v : 3 D (*,v) = inf 4 D (v,v) = c(X,v) 5 pour toute destination y 6 envoyer min D (y,w) à tous les voisins w X X X w 4 : Network Layer

Algorithme de routage DV : exemple Z 1 2 7 Y 4 : Network Layer

Algorithme de routage DV : exemple Z 1 2 7 Y D (Y,Z) X c(X,Z) + min {D (Y,w)} w = 7+1 = 8 Z D (Z,Y) X c(X,Y) + min {D (Z,w)} w = 2+1 = 3 Y 4 : Network Layer

Comparaison des algorithmes LS et DV complexité LS : avec n noeuds, E liens, O(nE) msgs sont envoyés DV : échange entre les voisins seulement Le temps de convergence varie Vitesse de Convergence LS : O(n**2) Peut osciller DV : Le temps de convergence varie Boucle possible Comptage à l’infini possible Robustesse : Qu’arrive t’il si le routeur tombe en panne ? LS : Le nœud peut annoncer un coût erroné Chaque nœud ne calcule que sa propre table de routage DV : Tout les nœuds utilisent la table des autres nœuds L’erreur se propage dans le réseau 4 : Network Layer

Routage Hiérarchique Jusqu’ici nous avons étudié un réseau idéal Tous les routeurs sont identiques Un seul réseau … pas vrai en pratique Facteur d’échelle : avec 50 millions de destinations : On ne peut enregistrer toutes les destinations dans la table de routage! autonomie administrative internet = réseau des réseaux Chaque administrateur de réseau veut contrôler le routage dans son réseau 4 : Network Layer

Routage Hiérarchique Agréger les routeurs en régions autonomes, “autonomous systems” (AS) Les routeurs d’un même AS exécutent le même protocole de routage protocole de routage “intra-AS” routeurs de passerelle Routeurs spéciaux dans un AS Exécutent les protocoles de routage intra-AS Responsables du routage à des destinations extérieurs à l’AS exécutent des protocoles de routage inter-AS avec d’autres routeurs de passerelle 4 : Network Layer

Routage Intra-AS et Inter-AS C.b Passerelles : Exécutent le routage inter-AS entre elles Exécutent le routage intra-AS avec les autres routeurs de l’AS B.a A.a b A.c c a a C b a B d c A b Couche réseau Routage inter-AS, intra-AS dans la passerelle A.c Couche liaison Couche physique 4 : Network Layer

Routage Intra-AS et Inter-AS Routage Inter-AS entre A et B a b C A B d c A.a A.c C.b B.a Host h2 Host h1 Routage Intra-AS Dans l’AS B Routage Intra-AS dans l’AS A 4 : Network Layer

Couche réseau dans Internet Couche Transport : TCP, UDP Protocoles de Routage Choix du chemin RIP, OSPF, BGP Protocole IP Adressage Format des datagrammes Traitement des paquets Couche Réseau Table de routage Protocole ICMP Rapport d’erreur signalisation Couche de liaison Couche Physique 4 : Network Layer

Routage Intra-AS Plus connus sous le nom de Interior Gateway Protocols (IGP) IGPs les plus utilisés : RIP : Routing Information Protocol OSPF : Open Shortest Path First IGRP : Interior Gateway Routing Protocol (Cisco propr.) 4 : Network Layer

RIP Algorithme Distance vector Inclu dans BSD-UNIX depuis 1982 métrique de coût : # de hops (max = 15 hops) Vecteurs de Distance : échangés toutes les 30 sec via des advertisements Chaque advertisement est envoyé à au plus 25 réseaux 4 : Network Layer

OSPF “open” : dans le domaine public Algorithme Link State Utilise l’ algorithme de Dijkstra’s Les advertisement OSPF sont envoyés à tout l’AS par inondation (flooding) 4 : Network Layer

Fonctionnalités avancées d’OSPF Sécurité : tous les messages OSPF sont authentifiés ; des connexions TCP sont utilisées Multipath est autorisé (pas dans RIP) Pour chaque lien, plusieurs métriques de coût en fonction des TOS peuvent être définies Support intégré de l’unicast et du multicast : Multicast OSPF (MOSPF) utilise la même topologie qu’OSPF OSPF Hiérarchique dans les grands domaines. 4 : Network Layer

OSPF hiérarchique 4 : Network Layer

Routage inter-AS : BGP BGP (Border Gateway Protocol) : standard de facto Protocole Path Vector : similaire au protocole Distance Vector Chaque Border Gateway diffuse à ces voisins la totalité du chemin entire path (I.e, la suite des ASs) jusqu’à la destination Ex : la passerelle X envoie son chemin à la dest. Z : Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,…,Z 4 : Network Layer

Routage inter-AS : BGP Hypothèse : la passerelle X envoie son chemin à la passerelle W W peut choisir ou ne pas choisir le chemin offert par X coût, politique (ne pas router via les autres ISPs) Si W choisit le chemin annoncé par X, alors : Path (W,Z) = w, Path (X,Z) Note : X peut contrôler le trafic entrant en contrôlant ces advertisements Ex : nous ne voulons pas router le trafic de Z -> ne rien annoncer à Z 4 : Network Layer

Adresse IP : introduction Addresse IP : identificateur sur 32 bits identifie pour chaque interface hôte et routeur interface : connexion entre un hôte ou routeur et la couche physique Les routeurs ont typiquement plusieurs interfaces Les hôtes peuvent avoir plusieurs interfaces Les adresses IP sont associées à une interface 223.1.1.1 223.1.2.1 223.1.1.2 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.1.3 223.1.3.27 223.1.3.1 223.1.3.2 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001 223 1 1 1 4 : Network Layer

Adresse IP Réseau ? Adresse IP Partie réseau (bits de poids forts) Partie hôte (bits de poids faible) Réseau ? (du point de vue IP) Les interfaces avec la même partie réseau de l’adresse IP Et qui peuvent communiquer sans avoir besoin d’un routeur de passerelle 223.1.1.1 223.1.2.1 223.1.1.2 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.1.3 223.1.3.27 LAN 223.1.3.1 223.1.3.2 Le réseau est constitué de 3 réseaux IP (Les 24 premiers bits sont l’adresse réseau) 4 : Network Layer

Adresse IP “classe” d’adressage : classe A B C D 32 bits réseau hôte 1.0.0.0 to 127.255.255.255 réseau hôte B 128.0.0.0 to 191.255.255.255 10 réseau hôte 192.0.0.0 to 223.255.255.255 C 110 réseau hôte 224.0.0.0 to 239.255.255.255 D 1110 Adresse multicast 32 bits 4 : Network Layer

Adresse IP : CIDR Adressage par classe : utilisation inefficace de l’espace d’adressage Ex : une adresse de classe B a assez de place pour pour 65K hôtes, même si il n’y a que 2K hôtes dans ce réseau CIDR : Classless InterDomain Routing La taille de la partie réseau est arbitraire Format de l’adresse : a.b.c.d/x, où x est le # de bits dans la partie réseau de l’adresse 11001000 00010111 00010000 00000000 network part host 200.23.16.0/23 4 : Network Layer

Adresse IP : the last word... Q : Comment un ISP récupère-t-il un bloc d’adresses IP ? R : ICANN : Internet Corporation for Assigned Names and Numbers alloue les adresses Gère le DNS Assigne les noms de domaines 4 : Network Layer

Adressage hiérarchique : agrégation de route Organisation 0 200.23.16.0/23 Organisation 1 200.23.18.0/23 “Envoie-moi tout ce dont l’adresse commence par 200.23.16.0/20” Organisation 2 200.23.20.0/23 . Fly-By-Night-ISP . Internet Organisation 7 200.23.30.0/23 “Envoie-moi tout ce dont l’adresse commence par 199.31.0.0/16” ISPs-R-Us 4 : Network Layer

Envoyer un datagramme de la source à la dest. table de routage de A Dest. Ner. next router Nhops 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 Datagramme IP : Champs divers addr IP source dest data 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2 223.1.3.1 223.1.3.27 A B E Le datagramme reste inchangé durant sa traversé du réseau 4 : Network Layer

Envoyer un datagramme de la source à la dest. Champs divers Dest. Net. next router Nhops 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 223.1.1.1 223.1.1.3 data Regarder la partie réseau de l’adresse de B Vérifier si B est sur le même réseau que A La couche liaison envoie directement le datagramme à B B et A sont directement connectés 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2 223.1.3.1 223.1.3.27 A B E 4 : Network Layer

Envoyer un datagramme de la source à la dest. Champs divers Dest. Net. next router Nhops 223.1.1 1 223.1.2 223.1.1.4 2 223.1.3 223.1.1.4 2 223.1.1.1 223.1.2.3 data Regarder la partie réseau de l’adresse de E E est sur un réseau différent A et E ne sont pas directement attachés Regarder dans la table de routage : le routeur suivant pour le réseau de E est 223.1.1.4 La couche liaison envoie le datagramme au routeur 223.1.1.4 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2 223.1.3.1 223.1.3.27 A B E 4 : Network Layer

Envoyer un datagramme de la source à la dest. network router Nhops interface 223.1.1 - 1 223.1.1.4 223.1.2 - 1 223.1.2.9 223.1.3 - 1 223.1.3.27 Dest. next Champs divers 223.1.1.1 223.1.2.3 data Arrivée à 223.1..1.4 d’un paquet destiné à 223.1.2.2 Regarde la partie réseau de l’adresse de E E est sur le même réseau que l’interface routeur 223.1.2.9 Envoyer le paquet à ce routeur La couche liaison envoie le datagramme à 223.1.2.2 via l’interface 223.1.2.9 Le datagramme arrive à 223.1.2.2!!! 223.1.1.1 223.1.1.2 223.1.1.3 223.1.1.4 223.1.2.9 223.1.2.2 223.1.2.1 223.1.3.2 223.1.3.1 223.1.3.27 A B E 4 : Network Layer

Format de datagramme IP IP protocol version number 32 bits total datagram length (bytes) header length (bytes) head. len type of service ver length for fragmentation/ reassembly “type” of data fragment offset 16-bit identifier flgs max number remaining hops (decremented at each router) time to live upper layer Internet checksum 32 bit source IP address 32 bit destination IP address upper layer protocol to deliver payload to Options (if any) E.g. timestamp, record route taken, pecify list of routers to visit. data (variable length, typically a TCP or UDP segment) 4 : Network Layer