Jean Seguin la couche réseau et les principes de routage cours réseaux chapitre 4

Jean Seguin

la couche réseau et les principes de routage

cours réseaux chapitre 4

2Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Couche réseau

application

présentation

session

transport

réseau

liaison

physique

7

6

5

4

3

2

1

ISO 10022 & UIT X211

X25.3 IP

• connexions de réseau entre systèmes ouverts• établissement, maintien, libération des connexions• gestion du sous-réseau• acheminement des paquets source destination

• fonctionnalités :• adressage• routage• contrôle de flux

• modes connecté / non connecté

ATM

quels servicesofferts ?

3Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Réseau et routage

F

réseau local (LAN)

A

D

B

E

C

routeur

ordinateur

sous-réseau?

?

?

4Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Réseau et routeurs

application

présentation

session

transport

réseau

liaison

physique

7

6

5

4

3

2

1

application

présentation

session

transport

réseau

liaison

physique

réseau

liaison

physique

réseau

liaison

physique

système intermédiaire

système extrémité système extrémité

système intermédiaire

routeurrouteur

5Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Nœud de commutation- table de routage

V 3

V 1

V 2 1,2,74,5

voie physiqueroutage d’une voie logique

message pour 1

message pour 4

message pour 7

destination

nœud n°3 etsa table de

commutation

V3V2

voie sortie

6,8 V1

6Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Principe d’un routeur

File de sortie

Algorithme de routage

Table de routage

File d’entrée

File de sortie File de sortie

7Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Divers types de commutation

• Commutation de circuits (virtuels)• établissement d’une connexion (mode circuit virtuel)

• transfert des données : le chemin est identique pour toutes les données

• libération des ressources

• circuit virtuel : couple voie physique / identificateur logique

• table de commutation / routage par la source

• Commutation de paquets/cellules• pas de chemin pré-établi

• décision en fonction d’information du PDU [@]

• tenir compte de problèmes de congestion, pannes, ...

• réseau de files d’attente / store-and-forward

• mode connecté / non-connecté (datagrammes)

8Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Comparaison des sous-réseaux en mode datagrammes et circuits virtuels

caractéristiques s/réseau datagramme s/réseau circuit virtuel (CV)

adressage adresses complètes source& destination paquet

chaque paquet contientle N° de CV

informationsde routage

infos de routage despaquets non mémorisées

chaque CV établi prend de laplace dans les tables de routage

routage chaque paquet aun routage indépendant

chaque paquet suit la routeétablie à l’initialisation du CV

conséquences d’unepanne de routeur

seuls paquets perdus : ceuxdans le routeur en panne

tous les CV(s) qui traversent lerouteur en panne sont détruits

contrôle decongestion difficile & complexe facile si ressource mémoire

suffisante à l’établissement du CV

établissement du circuit pas nécessaire nécessaire

qualité de service difficile à garantir facile si ressources suffisantesallouables par avance à chaque CV

9Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

L’adressage

• SAP ISO– information désignant de manière unique et non ambiguë un

abonné du service.

• Problématique– @ impose un peu de topologie du réseau, manque de sens pour les

utilisateurs

– @ libre, plus simple pour l’utilisateur mais gestion plus complexe [ex. plaque minéralogique]

• Adressage hiérarchique– si l’@ comprend une structure hiérarchique, le routage est plus

simple, mais il faut vérifier la bonne composition des adresses

• Adressage logique– si l’@ est unique et universelle, elle peut être choisie par

l’utilisateur : l’accès est plus facile mais la complexité du routage est masquée.

10Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme de routage (1)

• Objectif– Définir le contenu des tables de routage des nœuds de

commutation selon divers critères

– Sélection du « meilleur » chemin de A à B

• Critères de « meilleur » chemin :– le moins cher (argent)

– le plus rapide (délai)

– le plus sûr (sécurité)

– le moins de nœuds (simplicité)

– le plus court (distance)

– le plus utilisé (débit) ?Quels compromis ?

11Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme de routage (2)

• Critères de « bonne gestion du réseau » :– le maximum de trafic

– le plus de clients

– le bon usage des ressources

– l’équité entre les clients

– l’évitement des congestions

– l’adaptabilité aux évolutions

?Quels compromis ?

12Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Efficacité d’un routage

• Congestion– un « bouchon » local peut paralyser l’écoulement global d’un

réseau.

• Pannes– il faut être capable de contourner des liens ou des commutateurs

hors fonctionnement.

• Topologie globale– une administration globale est impossible pour une interconnexion

de réseaux

• Inaccessibilité– solutions pour des @ non valides

13Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Exemple de congestion

V3(4Mbits à écouler)

V1

V2

3435

voie logiqueentrée (LCN)

V1V3

voiesortie

V1=V2=V3=2Mbit/s

4521

voie logiquesortie (LCN)

1213

V2V3

voiesortie

40520

voie logiquesortie (LCN)

voie logiqueentrée (LCN)

LCN 13 : rafale2Mbits 2s

LCN 35 : rafale2Mbits 2s

voie physiqueroutage d’une voie logique

14Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Exemple de conflit entre équité et optimisation

A Y

BX

E

F

G

H

si Σ trafics (A-B, E-F, G-H) saturent les liaisons horizontalesalors si on privilégie l’efficacité globale alors on arrête le trafic X-Y

sinon on respecte l’équité

15Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Représentation matricielle du maillage

1

3

52

4

6

7

8

v3 v2 v1

v3 v4 v6 v11

v4 v5 v9

v2 v5 v8

v8 v7

v6 v7 v10

v1 v11

v9 v10

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7 8

v3

v2

v1v4

v6

v11

v5v9

v8

v7

v10A

B

7

4

16Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage centralisé

• Principe– Election d’un centre de gestion CG (nœud 2)

– Demande de connexion de A vers B [A-CG]

– CG détermine le chemin optimal selon son algorithme de routage

– CG informe les nœuds sur le chemin de la réservation de ressources

– CG informe A qu’il peut émettre ses informations

• Intérêt– la matrice est toujours à jour…

– utile si liens permanents ou semi-permaments

17Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (1)

• Principe – Dijkstra (1959)

– tout sous-chemin du chemin optimal est lui-même optimal

• Algorithme– soient 1 et n, les nœuds source et destination

– P : étiquette du nœud prédécesseur sur le chemin

– Ci : cumul du coût du chemin depuis l’origine

– Mij : coût d’une voie « i-j » = « distance » init – Oj : indice du nœud précédent le nœud courant

18Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (2)

faire pour i := 1 à n-1

faire pour j := 1 à n

/* calcul du coût pour aller vers les voisins en passant par i */

si (Mij fini) et ((Ci + Mij) < Cj) alors

Cj := Ci + Mij ; Oj := i

fsi ;

fin faire

fin faire ;

faire pour j := 1 à n

/* regarde si un coût moindre pour venir en i à partir des voisins */

si (Mnj fini) et ((Cj + Mnj) < Cn) alors

Cn := Cj + Mnj ; On := j

fsi ;

fin faire ;

19Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (3)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

3

5

2

1

12

3

4

2(., )

(., 0)

(., )

(., )

(., )

(., )

(., )(., )

État initial

(n° du nœud précédent,coût ou distance depuis l’origine)

1 = nœud source

8 = nœud destination

20Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (4)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1, 3)

(., 0)

Itération 1

(1, 2)

(1, 3)

(., )

(., )

(., )

(., )

21Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1, 3)

(., 0)

Itération 2

(1, 2)

(2, 5)

(2, 8)(1, 3)

Algorithme du plus court chemin (5)

(., )

(., )

22Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (6)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1, 3)

(., 0)

Itération 3

(3, 10)

(1, 2)

(., .)

(2, 5)

(2, 8)(1, 3)

23Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (7)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

Itération 4

(3,10)

(1,2)

(4,5)

(2,5)

(4,3)(1,3)

24Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (8)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

Itération 5

(3,10)

(1,2)

(4,5)

(2,5)

(4,3)(1,3)

25Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (9)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

Itération 6

(6,7)

(1,2)

(4,5)

(2,5)

(4,3)(1,3)

26Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (10)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

Itération 7

(6,7)

(1,2)

(4,5)

(2,5)

(4,3)(1,3)

27Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithme du plus court chemin (11)

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

Itération 8

(3,5)

(1,2)

(2,5)

(4,3)(1,3)

(4,5)

28Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Chemin optimal par «backtracking»

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

3

4

2(1,3)

(.,0)

(3,5)

(1,2)

(4,3)(1,3)

(4,5)

(2,5)

29Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Table de routage - CG

2 4 4 4 2 7 4

1 3 1 6 6 7 6

4 2 4 4 8 2/4 8

1 1 3 5 3 1 3

4 6 4 4 6 4 4/6

2 2 8 8 5 2 8

1 2 2 1 2 2 2

3 6 3 3 6/3 6 6

1 2 3 4 5 6 7 8

1

2

3

4

5

6

7

8

vecteur de routage

1

3

2

6

7

1,-,3,1,6,6,7,6

- diffusion des vecteurs de routage vers les nœuds.- problème de cohérence lors de la mise à jour des informations

30Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Algorithmes distribués

• Routage dit « la patate chaude » – chaque nœud de commutation cherche à se débarrasser au plus vite

de son message

– choix de la file d’attente la plus rapide

• Routage par inondation– on teste tous les chemins possibles

– le message est recopié sur toutes les sorties

– l’un de ces chemins s’avérera le meilleur

• Inconvénient du « centralisé »– le centre de gestion est vulnérable

• Routage adaptatif– « la patate chaude » + vecteur de routage

31Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par inondation (flooding)

• Idée– recherche du chemin optimal, non plus par calcul, mais de manière

expérimentale

• Principe de fonctionnement d’un nœud– à la réception d’un paquet, le nœud ajoute son nom + information

de coût dans le corps du message

– le paquet est envoyé sur toutes les voies de sortie dont les @ ne sont pas contenues dans la liste des nœuds visités (pour éviter les boucles)

– si le nœud est destinataire, le paquet contient la route cherchée -

– « source routing » : chemin mémorisé dans l’en tête de paquet.

32Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage adaptatif (1) : vecteur et matrice

1

3

52

4

6

7

8

3

2

35

2

1

12

32

V2+(2,2,2,2,2,-,2,2)1 2 3 4 5 6 7 8

258

V5+(4,4,4,4,4,-,4, 4)V8+(2,2,2,2,2,-,2,2)

V2+(5,5,5,5,5,-,5,5)1 2 3 4 5 6 7 8

248

V4+(1,1,1,1,1,-,1, 1)V8+(2,2,2,2,2,-,2,2)

vecteur des coûts du nœud 23, - , 5, 5, 6, 2, 1, 4

vecteur des coûts du nœud 42, 5, 1, -, 3, 7, 5, 3

vecteur des coûts du nœud 87, 4, 2 ,3, 6, 2, 5, -

4

33Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage adaptatif (2) : évaluation des coûts

• Mise à jour des coûts des nœuds adjacents

– Pour un nœud i, si un delta de coût sur une ligne de sortie, on modifie la ligne entière de la matrice des coûts (+c, -c, infini).

– Le nœud i vérifie si son vecteur minimal change, si oui informe ses voisins par un message

– Un nœud j, adjacent à i, réitère l’étape précédente.

• Famille d’algorithmes

– adaptée aux réseaux datagramme ; sur IP :

• Distant vector

• Link State

34Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par vecteur de distance (1)

• Distant vector• Bellman, Ford, Fulkerson

• chaque routeur envoie un vecteur de coûts à ses voisins

• le vecteur contient les coûts vers chaque nœud du réseau

A B C D

EF

I J K L

G H

vers A I H K depuis J ligneA 0 24 20 21 8 AB 12 36 31 28 20 AC 25 18 19 36 28 ID 40 27 8 24 20 HE 14 7 30 22 17 IF 23 20 19 40 30 IG 18 31 6 31 18 HH 17 20 0 19 12 HI 21 0 14 22 10 IJ 9 11 7 10 0K 24 22 22 0 6 KL 29 33 9 9 15 K

délai JA de 8

délai JI de 10

délai JH de12

délai JK de 6

nouveaux délais

nouvelle table de routage de J

vecteurs reçus des 4 voisins de J

35Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par vecteur de distance (2)

• Distant vector• un peu dépassé…problème de la valeur infinie

A B C D E A B C D E

1

1 2

1 2 3

1 2 43

1 2 43

3 2 43

3 4 43

5 4 45

7 6 67

7 8 87

5 6 65

.

.

.

initialement

après 1 échange

après 2 échanges

après 3 échanges

après 4 échanges

après 5 échanges

après 6 échanges

initialement

après 1 échange

après 2 échanges

après 3 échanges

après 4 échanges

passif

actif

.

.

.

.

.

.

actif

passif

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Les bonnes nouvelles se propagent vite, pas les mauvaises ...

36Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par informations d’état de lien (1)

• Link State en 5 points :

• 1 - découvrir les routeurs voisins et leur adresse réseau• 2 - pour atteindre chaque voisin : quel coût ? ou quel délai d’acheminement ?• 3 - construire le paquet spécial contenant les informations découvertes• 4 - envoyer ce paquet à tous les autres routeurs• 5 - calculer le plus court chemin vers chaque routeur

• méthode récente• déployée sur les réseaux actuels : OSPF, IS-IS

37Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par informations d’état de lien (2)

• 1- la découverte des voisins : modèle de graphe de réseau

D

C

A

BE

G

F

H

I D

C

A

BE

G

F

H

I

N

LAN

modèle de L

AN

nœud de routage artificiel

38Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage par informations d’état de lien (3)

• 2 - mesure du coût de la ligne : prise en compte du trafic ?

D

CA

B E G

F

H

I

• 3 - élaboration des paquets d’état de lien : gérer les incohérences et les duplications de paquets.

D

C

A

B

E

1

32

67

8

4B 4 A 4 B 2 C 3 A 2 D 6E 5 C 2 D 3 F 7 C 1 D 7

F 6 E 1 F 8 E 8

Fséquence séquence

âge âge

Dséquence

âge

EBséquence

âge

Cséquence

âge

Aséquence

âge

paquet

39Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Routage hiérarchique

• routeurs répartis en régions

• système hiérarchique à plusieurs niveaux

région 1 région 2

région 3région 4 région 5

5C4A

3A

2D2C

2B2A

1C

1B

1A

5B5A

4C4B

3B

5E 5D

dest. ligne sauts dest. ligne sauts

1A / / 1A / /1B 1B 1 1B 1B 11C 1C 1 1C 1C 12A 1B 2 2 1B 22B 1B 3 3 1C 22C 1B 3 4 1C 32D 1B 4 5 1C 43A 1C 33B 1C 24A 1C 34B 1C 44C 1C 45A 1C 45B 1C 55C 1B 55D 1C 65E 1C 5

pour 1A table table complète hiérarchique

40Jean

Seg

uin

EN

SS

AT

Autres formes de routage

• Broadcast :– par diffusion générale

– par inondation

– par routage multidestination

– par diffusion sur un arbre recouvrant

• Multicast– par diffusion multidestinataire sur un arbre recouvrant

• Routage pour hôtes mobiles et routeurs fixes

• Routage pour routeurs mobiles

• Routage pour réseaux peer-to-peer - (d’égal à égal)