Introduction aux Réseaux Architecture des Réseaux A. Quidelleur SRC1 Meaux 2007-2008 M22.1 - Réseaux et Services sur Réseaux Matière – Infrastructure des Réseaux Présentation des services - infrastructure des réseaux Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 - Architecture

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

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 ». Introduction - Architecture

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. t s(t) Le signal issu du téléphone est continu = analogique Réseau France Telecom Introduction - Architecture

Données analogiques vs données numériques 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) t s(t) +V -V 1 1 unité d’information binaire = 1 bit modem Vers le réseau téléphonique Introduction - Architecture

Données analogiques vs données numériques 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 Introduction - Architecture

Données analogiques vs données numériques Exemple : le codage ASCII du mot « hello » : Association (1 caractère  8 bits) H E L L O 01001000 01000101 01001100 01001100 01001111 Introduction - Architecture

Données analogiques vs données numériques 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 Introduction - Architecture

Données analogiques vs données numériques 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) Introduction - Architecture

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 reçus BP = [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 Introduction - Architecture

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 gaine cœur Câble coaxial Câble antenne Signaux électriques Fibre optique Guide d’onde en verre de très haute performance (très haut débit, longue distance) Signaux optiques Introduction - Architecture

Classification des réseaux Plusieurs manières de classer les réseaux Suivant l’environnement Bureautique ou Industriel Selon la couverture géographique Suivant la technique de transmission Introduction - Architecture

Classification des réseaux selon la couverture géographique Réseaux d’entreprise Réseaux d’opérateur LAN (Local Area Network) MAN (Metropolitan Area Network) WAN (Wide Area Network) Réseau local Généralement privé Taille :  qq km Réseau métropolitain Relie des LAN Privé ou public Taille d’une ville, d’un campus Réseau étendu (= longue distance) Taille d’un pays, d’un continent Introduction - Architecture

Classification des réseaux selon la couverture géographique MAN Réseaux métropolitains Structure d’interconnexion Bus LAN Réseaux locaux WAN étendus 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km Introduction - Architecture

Classification des réseaux selon la couverture géographique 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 Réseau d’opérateur Réseau d’entreprise Introduction - Architecture

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… Introduction - Architecture

Introduction - Architecture Un exemple de réseau d’opérateur : Le réseau téléphonique commuté (RTC) L’opérateur de transport se charge de l’acheminement des données vers le destinataire et réalise la facturation. France Télécom Cégétel opérateur de transport Commutateur d’interconnexion Données numériques boucle locale Commutateur de rattachement Données analogiques Introduction - Architecture

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). Point d’Accès VIdéotex Le réseau de transport des données du Minitel Introduction - Architecture

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. Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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. Introduction - Architecture

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). Internet Opérateur La technologie ADSL concerne uniquement la liaison entre l’abonné et l’opérateur Introduction - Architecture

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 Introduction - Architecture

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 Introduction - Architecture

Classification des réseaux selon la topologie   Concentrateur  Terminal Réseau hiérarchique ou arborescent Contrôleur central Topologie en étoile L ’étoile Le bus Bouchon terminaison de bus répéteur Bus bidirectionnel Bus avec répéteur Introduction - Architecture

Classification des réseaux selon la topologie Réseau maillé L ’anneau Nœud Réseau  Terminal Topologie en anneau Anneau secondaire Anneau primaire Anneau doublé Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 Introduction - Architecture

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, Transpac Communication Sortie BA 1 B D 4 CD AB 5 C1 5 1 C3 4 2 3 Table de commutation du commutateur C1 C4 C2 Introduction - Architecture

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). 1 Exemple : B transmet deux paquets vers A, qui ne suivent pas le même chemin. 1 2 2 2 1 1 Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 ». Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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. Introduction - Architecture

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 Récepteur Données Acquittement : « OK » Données Acquittement négatif : retransmission demandée Introduction - Architecture

Architecture logicielle des réseaux La normalisation La structuration en couches Le modèle OSI Le modèle TCP/IP Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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). Introduction - Architecture

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. Introduction - Architecture

Architecture logicielle des réseaux La normalisation La structuration en couches Le modèle OSI Le modèle TCP/IP Introduction - Architecture

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. Introduction - Architecture

La structuration en couches 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 3 Application : transfert de fichier, mail, MSN, etc. … Communication : ouverture/fermeture de connexion ? mode fiable ? Physique : support utilisé, niveaux de tension, débit Application 2 Communication Hôte A 1 Physique Introduction - Architecture

La structuration en couches Les couches communiquent entre elles par des primitives. La couche n échange des informations avec les couches n-1 et n+1 uniquement. Exemple 3 Application Les échanges ne sont possibles qu’entre couches adjacentes !!! 2 Communication Hôte A 1 Physique Communication inter-couches via les primitives : Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 support protocole Introduction - Architecture

Introduction - Architecture Exemple (suite) 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. … Données utiles Données utiles Hôte A Hôte B Application Communication Physique 3 2 1 Application Communication Physique 3 2 1 A A C C Support physique Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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. Introduction - Architecture

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). Introduction - Architecture

Les unités de données : PDU, DSU, PCI (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) Couche N+1 Data Interface Couche N (N) PCI (N) SDU (N) PDU (N-1) SDU Couche N-1 (N-1) PCI (N-1) SDU = Data de niveau N-1 (N-1) PDU Introduction - Architecture

Architecture logicielle des réseaux La normalisation La structuration en couches Le modèle OSI Le modèle TCP/IP Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 Introduction - Architecture

Introduction - Architecture Le modèle OSI Application : interface application de l’utilisateur/réseau Présentation : compatibilité entre les systèmes hétérogènes  représentation intermédiaire universelle Application Session : synchronisation du dialogue Présentation Présentation Transport : acheminement et contrôle de la qualité de la transmission de bout en bout Découpage des données Contrôle de flux Ré-ordonnancement Session Session Transport Transport Réseau : recherche d’un chemin de la source vers la destination Contrôle de congestion Gestion de l’interconnexion des réseaux hétérogènes Réseau Réseau Liaison Liaison 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 Physique Physique : transmission brute des bits Caractéristiques du support Caractéristiques des signaux propagés Introduction - Architecture

Introduction - Architecture Le modèle OSI Les couches moyennes et hautes assurent le dialogue entre les équipements terminaux, indépendamment du réseau utilisé : ce sont des couches de bout en bout. R1 R3 R5 R4 R2 Hôte A Hôte B Les équipements intermédiaires, comme les commutateurs, ne contiennent en général que les couches nécessaires à l’acheminement des informations (couches 1, 2 et 3). Application Présentation Session Transport Réseau Liaison Physique 7 6 5 4 3 2 1 Hôte A Hôte B Routeur 1 Routeur 2 Couches hautes Protocole Couches moyennes Couches basses Introduction - Architecture

Transmission des données Données utiles Hôte A Application Présentation Session Transport Réseau Liaison Physique 7 6 5 4 3 2 1 Hôte B A A P P S S T T R R L L Introduction - Architecture Support physique

Introduction - Architecture 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 Introduction - Architecture

Architecture logicielle des réseaux La normalisation La structuration en couches Le modèle OSI Le modèle TCP/IP Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 (Process) (Host to host) Internet Hôte/réseau (Network access) Modèle OSI Modèle TCP/IP Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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. Introduction - Architecture

Les principaux protocoles du modèle TCP/IP Process Application Telnet FTP SMTP POP3 IMAP HTTP DNS SNMP TFTP NFS Host to Host Transport TCP UDP Internet Réseau IP ICMP RIP OSPF ARP RARP Network Access Hôte Réseaux Ethernet FDDI ARPANET PPP ATM Introduction - Architecture

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… Introduction - Architecture

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. Introduction - Architecture

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. Introduction - Architecture

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 Machine A SYN Machine B SYN ACK ACK Introduction - Architecture

Principes du protocole TCP Fermeture de connexion par segments FIN et ACK Machine A FIN ACK Machine B ACK FIN ACK Introduction - Architecture

Introduction - Architecture 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 Introduction - Architecture