Les Réseaux 2008

I - Introduction

Les éléments fondateurs Support physique Codage de l ’information Protocole de communication Ce sont les éléments de la communication moderne

Services Courrier électronique (smtp) Téléphonie Internet (http) Vidéo et Audio à la demande (streaming) Visioconférence Accès aux Données Traitements répartis Téléphonie Partage de périphériques Transfert de fichiers (ftp) Exécution de commandes à distance (telnet) Client/serveur

Classification Réseaux Locaux-LAN Réseaux de « campus » Réseaux de grande amplitude: (MAN et WAN) Réseaux fédérateurs: « Le Backbone » Internet Renater R3T2

Les liaisons Directe Distante Correspond aux premiers besoins: Connection Imprimantes Terminaux déportés Transferts de fichier / Sauvegardes Distante Utilisation des réseaux standards: réseau téléphonique + modem Ondes hertziennes

Le support des liaisons « Média » Le cuivre (coaxial ou paire torsadée) Boucle locale LAN La fibre optique Infrastructure des opérateurs Câbles océaniques Liens « haut-débit » Télévisions Situations particulières Les ondes hertziennes Le « sans fils » Longues distances: téléphonie Courtes distances (Wi-fi) Satellites

Topologies Bus : réservé aux LAN Etoile : LAN et MAN Anneau : token ring dans les LAN Arbre : Maillé : pour les réseaux qui n’ont pas d’architecture propre comme INTERNET Topologies logiques : liées aux protocoles

II - Un modèle commun Sur un réseau, pour que 2 ordinateurs communiquent, il faut au moins qu’ils aient un langage commun La norme OSI (Open System Interconnexion) de l ’ISO (International Standardisation Organisation)

Pourquoi ? Répondre aux problèmes posés par l’évolution des systèmes d’information vers toujours plus hétérogénéité Besoin d ’abstraction (pour les utilisateurs) Solution Formalisme complet Définir une gamme de services permettant de travailler en coopération La solution est une structure de couches empilées

Structure en couches indépendantes

Structure en couches indépendantes

Structure en couches indépendantes Principe Pour la source: Accès au modèle par la partie supérieure et descente à travers les couches jusqu’au « média » Pour le destinataire: remonter de l’information du « média » vers les couches hautes La communication réelle entre ces 2 couches de niveaux différents n-1 vers n se fait par offre de service local au terminal La communication entre 2 couches de même niveau n de terminaux différents respecte des protocoles qui définissent la norme OSI.

Protocole C’est un ensemble de règles qui définissent les communications

Structure en couches indépendantes Intérêts Simplification = regroupement de fonctions homogènes Indépendance des couches -> Evolution Protocole par couche qui permet une communication directe de la couche n de la source A vers la couche n du destinataire B, sans se préoccuper du trajet réel de l’information.

Les 7 couches du modèle OSI Couche Application Couche Présentation Couche Session Couche Transport Couche Réseau Couche Liaison Couche Physique

Le modèle OSI

Le modèle OSI Les couches basses Hétérogénéité du média : Câble, ondes, … techniques d’accès au média diverses routage... Services essentiels : Accéder au média gérer la connexion, transférer de l’information de A vers B par routage dans le réseau.

Le modèle OSI La couche physique Les données sont sous forme trains de bits La transmission à distance nécessite de moduler un signal analogique: - électrique, - optique - hertzien A la réception le signal doit être transcrit en train de bits (démodulation) Il y a plusieurs types de transmissions…

Le modèle OSI La couche Liaison Elle découpe en « trames » le train de bits (données) de la couche physique Elle ajoute à chaque trame une détection d’erreurs Parités, Codes détecteurs d’erreurs, Codes correcteurs Et souvent un numéro de séquence Cette couche se scinde en 2 parties: MAC: contrôle de l’accès au média, LLC: contrôle du lien : Etablissement de la connexion Transfert de données avec ou sans accusé de réception Libération de la connexion

Le modèle OSI La couche réseau Définition : Constitution de sous réseaux Interconnexion de ces sous-réseaux Fonctionnalités : Adressage logique Routage à travers le réseau

Le modèle OSI Les couches hautes Fournir des services à l ’utilisateur Rendre l’utilisateur indépendant des échanges et des contrôles Masquer l’hétérogénéité : par exemple transférer un fichier quels que soient les machines et les réseaux

Le modèle OSI La couche Transport Transfert fiable de l’information Communications de bout en bout Fiabilité Multiplexage Qualité de Service (QoS) Contrôle des flux Gestion de la Bande passante

Le modèle OSI La couche Session La synchronisation Etablissement de la communication Gestion du dialogue Reprise après interruption d’un transfert …

La couche session

Le modèle OSI La couche Présentation représentation et compréhension des données. Qu’est ce qu’un entier, une chaîne de caractère accentuée ou une structure complexe? Conversion d’alphabet Cryptage, compression, authentification

Le modèle OSI La couche Application Seule en contact avec « l ’utilisateur » Composée de “ briques applicatives ” 1 Brique réunit un ensemble indissociable de fonctionnalités: terminal virtuel, messagerie électronique, processus de communication, … Contient toute la richesse applicative du modèle

Résumé des couches OSI

III - L’information et son codage La couche physique

La couche physique Le rôle de la couche physique est d’associer les bits {0,1}du train de données à transmettre à des valeurs d’un signal analogique et réciproquement Le nombre de bits que l’on pourra transmettre en même temps dépendra: - des valeurs possibles du signal - de la qualité du canal de transmission (média) - du bruit Cette couche associe : information numérique (le bit) et signal

Information numérique et Signal 2 niveaux de quantifications (valeurs) Tension 5 V 0 V Temps Intervalle significatif 2 niveaux 0 ou 5V de quantification du signal

Information numérique et Signal 4 niveaux de quantifications (valeurs) Tension 12 V 5 V Temps - 5 V - 12 V

Définitions Intervalle significatif C’est un intervalle où le signal est constant Rapidité de modulation Nombre d ’intervalles significatifs par seconde C’est un échantillonnage du signal, exprimé en bauds NB: Une fréquence est un nombre de période par seconde exprimée en Hertz Valence d’un signal Nombre de niveaux de quantification (de valeurs) transportés dans un intervalle significatif que l’on doit transformer en nombre d’informations binaires transportées dans ce même intervalle significatif Débit (binaire) Quantité d ’informations binaires par seconde _ s’exprime en bits/s

Relations entre D,V,R Relation entre niveaux de quantification et quantité d ’informations binaires transportées par intervalle significatif V = Valence d ’un signal = nombre de niveaux de quantifications. n = nombre de bits dans un intervalle significatif n=log2(V) -> V = 2n Relation entre D, R et V D = R * n ou D = R * log2(V) exprimé en bits/s

Le transport de l’information numérique Le Débit dépend de : la rapidité de modulation (nombre d ’intervalles de quantification par unité de temps) la valence (nombre de niveaux caractéristiques identifiables sur le signal) La Rapidité de Modulation dépend de : l ’étendue de la bande de fréquence exploitable La Valence dépend de : la « qualité » de la liaison (rapport Signal/Bruit)

Fréquence d’échantillonnage d’un signal Le signal analogique est porteur de l’information numérique. Il doit être discrétisé. Plus un signal a des variations rapide, plus on doit échantillonner finement pour ne pas perdre d’information. La fréquence d’échantillonnage Fe doit-être supérieure au double de la fréquence maximale du signal Fmax. Fe > 2 Fmax Dit autrement : si on échantillonne un signal selon une période Te <1/2Fmax, toutes les variations sont prises en compte dans le signal discret obtenu. Par exemple pour un signal vocal où les fréquences sont < 4000 hz, il faut échantillonner le signal toutes les 125 ms.

Définitions en théorie du signal La bande passante (BP) est la différence entre la plus haute et la plus basse fréquence du signal. Elle se mesure en hertz On appelle bruit B la différence entre la valeur initiale S0 d’un signal à l’émission et sa valeur de réception S. B = S – S0 La qualité de réception d’un signal S par rapport au bruit B se calcule ainsi: 10 log10(S/B) - appelé rapport signal/bruit noté r[S/N] - exprimé en décibel(dB) Par exemple si la part du bruit dans le signal S est de 1/100, S/B = 100, cela correspond une qualité de réception de 20 dB.

Limite du débit binaire sur un canal de transmission, sans bruit Théorème de Nyquist (1924) Avec une bande passante W, on reconstitue le signal jusqu’à une fréquence d’échantillonnage de 2W. Soit une rapidité R=2W bauds. Soit D = 2W log2V bits/s D appelé « capacité du canal » , souvent confondu avec la bande passante. Ainsi en informatique la bande passante est plutôt un débit binaire

Limite du débit binaire sur un canal de transmission, avec du bruit Dans la transmission de données numériques à codage binaire,l’intensité du signal reçu S doit être au moins le double de celle du bruit B. Si ce rapport ne peut être maintenu, on utilise un système de détection d’erreurs. La capacité maximale d’un canal est de : C= W log2 (1+S/B) bits/s (Théorème de Shannon – 1948) S est la valeur du signal, B celle du bruit et W la bande passante

Le codage de l’information numérique Bande de base ou Modulation ? Codage par modulation Modulation d’une onde de référence, la porteuse Un état = une modification de cette porteuse Codage par bande de base Le signal binaire est transmis par un potentiel et son opposé

Codage par Bande de Base C’est la transmission d’un potentiel et de son opposé De cette manière le spectre du signal se trouve centré autour de la fréquence nulle Les bits sont codés par les transitions et non pas par niveau pour éviter les déperditions dues à la baisse du potentiel Transmission sur de courtes distances: quelques centaines de mètres à quelques kilomètres Les signaux ne peuvent être superposés: il y a un signal à la fois sur le média. Pas de multiplexage

Codage Manchester Toujours une transition par état 1 1 1 Toujours une transition par état Le sens de la transition donne la valeur de l ’état Sécurité, mais le débit est la moitié de la rapidité de modulation Transition vers le haut s=1 Transition vers le bas: s=0

Codage Manchester Différentiel 1 1 1 Toujours une transition par état 0 : changement en début d ’intervalle 1 : pas de changement de polarité Sécurité, mais le débit est la moitié de la rapidité de modulation

Codage nB/mB (ex. 1B/2B) 1 1 nB/mB : Un mot de n bits est codé par un block de m bits 1B/2B Le « 1 » est représenté alternativement par 2 intervalles s=0 ou s=1 Le « 0 » est figé (en gras)

Codage par Modulation La modulation est le processus par lequel le signal est transformé en une forme adaptée au canal de transmission, en faisant varier les paramètres d'amplitude et d'argument (phase/fréquence) d'une onde sinusoïdale appelé porteuse. Information = modification d ’une porteuse C’est la transmission des longues distances Autorise le multiplexage avec des spectres de fréquences différents

Modulation d ’Amplitude Exemple, valence 2 Etat 0 Etat 1 12 V 5 V - 5 V - 12 V

Modulation d ’Amplitude 12 V 5 V - 5 V - 12 V 1

Modulation de Fréquence Exemple, valence 2 Etat 0 Etat 1

Modulation de Fréquence 1

Modulation de Phase Exemple, valence 2 Etat 0 Etat 1

Modulation de Phase 1

Modulation Fréquence/Amplitude Etat 00 Etat 01 Etat 10 Etat 11 12 V 5 V - 5 V - 12 V

Modulation Phase/amplitude Etat 00 Etat 01 Etat 10 Etat 11 12 V 5 V - 5 V - 12 V

IV – Accès au média La couche liaison

Problème important de la couche 2 comment identifier les ordinateurs reliés au média

L’adresse physique ou MAC l’identifiant unique de l’ordinateur

Dynamique de l’échange dans un réseau Lorsqu'une source envoie des données dans un réseau, ces données transportent l'adresse MAC de leur destination. La carte réseau de chaque unité du réseau vérifie si son adresse MAC correspond à l'adresse physique de destination transportée par la trame. S'il n'y a pas de correspondance, la carte réseau ignore la trame, qui poursuit son chemin. S'il y a correspondance, cependant, la carte réseau effectue une copie de la trame, qu'elle place dans l'ordinateur, au niveau de la couche liaison de données. La trame originale poursuit son chemin dans le réseau.

La trame: protocole de couche2 La trame est le processus d’encapsulation de la couche 2. Il rajoute de l'information essentielle qui n’est pas contenue dans les trains binaires des données : - quel ordinateur communique avec quel autre - quand la communication entre des ordinateurs individuels commence et quand elle se termine - quelles erreurs se sont produites pendant la communication

La trame

La trame: protocole de niveau local Tout le monde est relié par le même média Tout le monde reçoit les informations Chacun trie et conserve ce qui lui est destiné

Les normes de l’IEEE Institute of electrical and electronics engineers

L’accès au média dans les LAN Les standards de la couche liaison 2 méthodes d’accès au support de transmission sont utilisées: - le CSMA/CD,qui est un accès aléatoire - l’anneau à jeton (TOKEN RING), qui est déterministe et supervisé Ces méthodes se placent dans la sous-couche MAC de la couche de liaison

L’accès déterministe au média : Système à jeton-norme IEEE 802.5 1 exemple : le jeton (TK Ring) Station 2 Station 3 Circuit fermé (voie circulaire) On fait circuler un jeton, trame particulière qui indique que la voie est libre Une station qui veut émettre accroche ses données au jeton, s’il est libre Station 1 Sens unique

L’accès déterministe au média : Token Ring 1 Principes généraux : Pour qu’une trame d’information arrive à destination, elle doit être recopiée de station en station; on peut ainsi faire du multicast. Le destinataire garde une copie et n’arrête pas la retransmission Quand la trame a fait un tour complet, l’émetteur la retire de l’anneau et re-émet le jeton libre

L’accès au média : Token Ring 2 obligations Chaque station est responsable de ses trames : elle doit les retirer ! Une station re-émet le jeton libre, après avoir retiré sa dernière trame (Une option - Early Token Release - permet de re-émettre le jeton après avoir fini l’émission) Horloge commune (synchronie des liens) Temps maximum, pour le jeton, de parcours du réseau Temps maximum de possession du jeton

L’accès au média : Token Ring 3 Une station maître : l ’Active Monitor (AM) gère l ’horloge Vérifie la présence continue d’un et d’un seul JETON gère l’insertion de stations prévient régulièrement les autres stations que tout va bien ... (Emission de trames Active Monitor Present toutes les 7s)

L’accès au média : Token Ring 4 Un procédé d ’élection de l ’Active Monitor (Claim Token) Si une station considère qu’il n ’y a plus d ’Active Monitor, Elle émet des trames Claim Token Si elle reçoit une trame provenant d’une adresse de priorité supérieure, ellelaisse passer la trame Sinon, elle la remplace par la sienne Si une station reçoit ses propres trames : elle est AM Elle nettoie alors le réseau: Ring Purge = Reset

L’accès au média : Token Ring 5 Réservation de Priorité Jeton libre Erreur détectée 1 Octet (SD) 1 Octet (AC) 1 Octet (ED) JK0JK000 PPP T M RRR JK1JK I E Octet de Start Priorité Délimiteur de fin 0 = dernière trame 1 = intermédiaire Monitor Bit 0 = Emission mis à 1 par l ’AM Token Bit 0= Jeton libre

L’accès au média : Token Ring 6 Jeton+trame Adresses source et Destination 6 Octets chacune SFS FC DA SA RIF LLC (Data) FCS EDFS Info Source Routing 0 à 30 Start of Frame Sequence 2 Octets SD+AC du jeton libre avec le TK Bit à 1 Frame Control:indique le type de trame 00=MAC, 01=LLC Frame Check Seq. 4 Octets (CRC) FC,DA,SA,RI,Info

L’accès au média : Token Ring 7 Fin de trame 1 Octet (ED) 1 Octet (FS) JK1JK I E A C r r A C r r Accusé de reception Données recopiées par la station Reserved

Token Ring Circulation du jeton Une station qui voit passer un jeton libre le capture et lui ajoute des trames à condition que sa priorité > ou = à celle du jeton L’acquittement se fait au retour du message à l’émetteur: - si A=0 et C=0 signifie: aucun destinataire - si A=1 et C=0 signifie qu’il existe au moins 1 destinataire,mais il n’a pas recopié la donnée - si A=1 et C=1, tout c’est bien passé

Token Ring Gestion des priorités 8 Niveaux de priorité Une station voulant capter un jeton libre,doit avoir un niveau de priorité PPP > à celui du jeton Si ce n’est pas le cas, la station indique dans RRR sa propre priorité Si une autre station réserve a son tour, la première n ’aura plus qu’a recommencer ! Lorsque la station retenue a terminé son émission, elle re-émet le jeton libre avec la priorité PPP de RRR Une station qui augmente la valeur de PPP, mémorise la valeur initiale et est chargée, dés que possible, de re-émettre un jeton du niveau initial.

Token Ring Blocage et Surveillance Surveillance des trames : Si une station qui a émis une trame disparaît,le jeton n’est plus libéré. La station moniteur force le bit M du champ AC à 1et si elle revoie passer une telle trame, elle la supprime Surveillance des priorités: identique au précédent mais le blocage est du à une priorité trop élevée. Surveillance du jeton :il peut se perdre

L’accès aléatoire au média CSMA/CD 1 Carrier Sense Multiple Access / Colision Detection Emission 1 : On regarde si la voie est libre par détection de la porteuse. Si oui, on émet !!! Sinon, on retourne en 1 Si une collision survient On attend On recommence (ou on abandonne) ? Attente !!! C’est la méthode d’accès des produits Ethernet D’ou la confusion: ETHERNET=CSMA/CD

Ethernet et la norme IEEE 802.3 Aujourd'hui, le terme Ethernet est souvent utilisé pour faire référence à tous les réseaux à accès multiple avec écoute de porteuse / détection de collision (CSMA/CD) qui sont conforme à la norme IEEE 802.3. L'architecture de réseau Ethernet a été conçue dans les années 1960 à l'université d'Hawaii, où l'on a développé la méthode d'accès qu'utilise l'Ethernet aujourd'hui. Puis, dans les années 1980, l'IEEE a formé un comité qui a produit la norme IEEE 802.3. Les normes Ethernet et IEEE 802.3 précisent des technologies semblables; les deux décrivent des réseaux à accès CSMA/CD. Les différences qui existent entre les réseaux Ethernet et IEEE 802.3 sont subtiles.Les spécifications de réseau local Ethernet et IEEE 802.3 sont mises en oeuvre par du matériel informatique. Habituellement, la manifestation physique de ces protocoles est une carte d'interface située dans un ordinateur hôte.                        Ethernet et la norme IEEE 802.3

La collision

L’accès aléatoire au média CSMA/CD 2 gestion des collisions Les stations qui détectent une collision, la renforce en envoyant un jam Si la station émettrice: - est encore entrain d’émettre lorsqu’elle reçoit le jam,elle est donc informée de la collision, - a fini d’émettre, elle ne sait pas si cette collision concerne sa trame On rajoute donc un paramètre supplémentaire pour la gestion des collisions: le Round trip delay qui est le temps de propagation aller-retour dans le réseau Il faut que le temps d’émission d’une trame > Round trip delay Ainsi s’il y a une collision, la station sera toujours entrain d’émettre Cela donne une taille minimun de trame de 64 octets

L’accès aléatoire au média : CSMA/CD 3 Les grandeurs de CSMA/CD : Le temps minimal d’émission : Slot Time en s Le débit nominal du réseau: la Capacité C, en bits/s La longueur maxi entre 2 stations: le Diamètre D, en mètres La vitesse de propagation: VP, en m/s la fenêtre de vulnérabilité

L’accès aléatoire au média : CSMA/CD 4 L ’algorithme d’attente aléatoire : Le BEB Binary Exponential Backoff:retransmission selon une loi exponentielle binaire On attend un multiple du slot time la fenêtre de tirage aléatoire augmente en fonction du nombre d’essais tentés pour émettre une trame donnée on cherche x dans [0,2n[ et on attend x*ST seconde avec n = nombre d ’essais pour la trame en cours 2 contraintes supplémentaires : A partir du 10ème essai, la fenêtre reste de taille constante Au bout de 16 essais -> Echec Attention, l ’algorithme est exécuté indépendamment sur chaque station !!!

L’accès aléatoire au média : CSMA/CD 5 La trame … (4 types de trames) Longueur totale (64 à 1518 Oct.) Portée du FCS Préambule (48 bits + 8 bits) 1010101 … SFD DA (6 Octets) Const + ident SA (6 Octets) Const + ident Type ou Longuer des données 2 Octets Data (46 à 1500 Octs) FCS CRC 4 Octs Start (10101011) Distingués par la valeur : <=1500 Longueur > type !! Synchro, niveau physique

L’accès au média : TK Ring et CSMA/CD Réseau peu chargé : Très bon rendement en CSMA/CD Faible rendement en TK (+ le nombre de stations est grand, plus faible est le rendement) Réseau chargé : Limite critique en CSMA/CD Le rendement approche 1 en TK !!!