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Architecture et Fonctionnement des Réseaux
Université Paris Est Marne-la-Vallée Master Informatique
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Equipe pédagogique
o Responsable de l’UE n Rami Langar
o Chargé de cours/TDs n Rami Langar
o Email n [email protected]
n Slides du cours disponibles : n http://perso.u-pem.fr/~langar
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Organisation
o Programme n 6 séances de cours de 2h n 3 séances de TDs/TPs de 4h
o Contrôle n Examen réparti: 40% n Examen final: 60%
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Programme
o Techniques de transfert et principes de base des réseaux télécoms o Réseaux d’accès et boucle locale o Réseaux ATM o Réseaux MPLS o Réseaux sans-fil o Réseaux mobiles de nouvelles génération
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Bibliographie
o Guy Pujolle, « Les réseaux », Edition 2015, Eyrolles o Computer Networking, James Kurose and Keith Ross, o Data and Computer Communications, William Stallings o High Speed Networks TCP/IP and ATM design principles,
William Stallings o Connection-oriented networks – SONET/SDH, ATM, MPLS,
and Optical Networks, Harry G. Perros, Wiley 2005 o The Web o …
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Technique de transfert et principes de base des réseaux télécoms
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Directions o Télécoms
n Réseaux Téléphonique (RTC: Réseaux Téléphonique Commuté – PSTN : Public Switched Telephone Network)
n ISDN (Integrated Services Digital Network) n Multimédia
o Réseaux informatiques n Réseaux IP n Internet n Voix et vidéo
o Réseaux ont évolués de simple câbles connectant les téléphones vers câbles connectant téléphones et ordinateurs, vers l’usage d’équipements sans-fil…
o Plusieurs services ont été ajoutés: VoIP, Video-streaming, IPTV, navigation web….
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Réseaux cœurs et réseaux d’accès
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Trame - paquet o Une trame est un paquet avec des éléments permettant de déterminer
le début et la fin du paquet au milieu d’une série de bits ou d’octets o Une trame peut être envoyée directement sur le support physique o Un paquet nécessite d’être encapsulé dans une trame
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Taille des réseaux
o PAN Personal Area Network o LAN Local Area Network o MAN Metropolitan Area Network o RAN Regional Area Network o WAN Wide Area Networks
1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km
MAN PAN LAN RAN WAN
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Technologies réseaux
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WAN o Implémentée utilisant une de ces technologies:
n Commutations de circuit (e.g. réseaux téléphonique) : o Un circuit corresponds à une ligne constituée des liaisons (i.e. les
circuits élémentaires) dédiée à la communication entre deux entités o Dans chaque liaison, un canal logique est dédié à la communication. o Données transmis immédiatement.
n Commutations de paquets : o Pas de ressources dédiées à une connexion o Données transmis en séquence de paquets o Dans chaque nœud du réseau, le paquet est reçu en entier, enregistré
brièvement avant d’être transmis (store and forward mechanism)
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Réseau à commutation de circuit
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Commutation de circuit (e.g., RTC) o Source établie une connexion vers le destinataire
n Nœuds intermédiaires enregistrent les informations liées à la connexion, et peuvent réserver des ressources pour la connexion o Signalisation dans la bande:
n La commande d’ouverture du circuit emprunte le même circuit en cours de construction pour la communication
o Signalisation hors bande: n La commande de signalisation passe sur un circuit dédié à la signalisation
qui n’est pas le circuit en cours de construction pour la communication
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Délai dans la commutation de circuit
Information
Circuit Establishment
Transfer
Circuit Teardown
Host 1 Host 2 Switch 1 Switch 2
propagation delay between Host 1 and Switch1
propagation delay between Host 1 and Host 2
Transmission delay
time
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Commutation de Circuit: Multiplexage d’un lien
o Pour utiliser efficacement les liaisons de télécommunications haut débit (e.g., fibre optique, cable coaxial, liens microwave), le multiplexage est utilisé.
o Multiplexage permet à plusieurs sources de partager le même support de transmission.
o Deux formes de multiplexage: Frequentiel (FDM) et Temporel (TDM).
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Frequency Division Multiplexing (FDM) o Peut être utilisé pour les signaux analogiques (bande passante du
support physique dépasse celle du canal) o Chaque signal est modulé à une fréquence pilote différente :
déplacer chaque signal vers la bande de fréquence correspondante. o Fréquences pilote séparées par des bandes de garde => pas de
chevauchement des signaux o Signal composite transmis le long du medium est analogique. o Signaux d’entrée peuvent être analogiques/numériques.
n Cas numérique: les signaux d’entrée doivent être convertis en analogique par l’intermédiaire de modems.
n e.g. broadcast radio
o Les canaux sont alloués même en absence de données!
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FDM Diagram
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Synchronous Time Division Multiplexing (TDM)
o Utilisée pour des signaux numériques ou analogiques transportant des données numériques.
o Signaux numériques entrelacés en temps. o Données en termes de bits ou bloc d’octets (typiquement
1 octet). o Séquence de slots dédiés à une seule source est appelée:
canal o TDM est appelée synchrone:
n Time slots assignés aux sources sont fixes. n Time slots d’une source sont transmis même si la source n’a
pas de données à envoyer. o E.g., RTC
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TDM Diagram
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Téléphonie numérique o La téléphonie numérique est apparue au début des années 70, pour
mieux utiliser l’infrastructure existante afin de pouvoir: n Répondre rapidement à la très forte demande de raccordement au réseau
téléphonique en utilisant l’infrastructure existante. n Etendre l’application des techniques informatiques aux télécommunications.
o La téléphonie numérique repose sur 2 techniques: la modulation par impulsion et codage (MIC, PCM en anglais) et le multiplexage temporel synchrone (TDM).
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Système de transport numérique o Hiérarchie de TDM o USA/Canada/Japan utilise un seul système, ITU-T (Europe) utilise
un système similaire. o US system basé sur le format DS-1
n Multiplexage de 24 canaux n Chaque trame contient 8 bits par canal plus un framing bit: 193 bits par trame.
o Pour la voix, chaque canal contient un mot de données numériques (MIC, 8000 échantillons/s) n Débit total de 8000*193=1.544Mbps n 5 sur 6 trames successives transportent 8 bits de données MIC/canal n 6eme trame comporte un mot de 7 bit MIC plus signaling bit n Signaling bits représentent des données de contrôle ou des informations de
routage.
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Système de transport numérique o Pour le trafic data:
n 23 canaux pour les data n 24eme canal est pour sync
o DS-1 peut transporter un mixte des signaux voix et data. o Peut entrelacer plusieurs canaux DS1
n DS-2 = 4 DS-1 offrant un débit de 6.312Mbps
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DS1 Transmission format
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Hiérarchie TDM o Digital Service lines: DS-n
n Implemented as telephone lines: T-n
Service Phone line Data rate # of voice channels
(DS-0) standard phone line
64 Kb/s 1
DS-1 T-1 1.544 Mb/s 24 DS-2 T-2 6.312 Mb/s 96 DS-3 T-3 44.736 Mb/s 672 DS-4 T-4 274.176 Mb/s 4032
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Avantages de commutation de circuit o Bande passante garantie
n Communications avec des performance prédictibles n No “best-effort”
o Simple abstraction n Communication fiable des canaux entre les deux entités. n Pas de problème de paquets désordonnées ou perdus.
o Forwarding simple n Forwarding basé sur time slot ou fréquences n Pas d’inspection d’en-tête de paquet
o Faible overhead par paquet. n No IP (et TCP/UDP) en-tête dans chaque paquet!
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Inconvénients de commutation de circuit o Bande passante perdue
n Trafic en rafale entraine connexion inactive pendant une période OFF (silencieuse)
n TDM: slot transmis même s’il n’y a pas de données à envoyer!! n Pas de gains tangible comme le multiplexage statistique
o Connexions bloquées n Refus de connexion lorsque les ressources disponible sont
insuffisante! o Délai d’établissement de connexion
n Pas de communications jusqu’à ce que la connexion est établie. o Etat du réseau
n Nœuds du réseau doivent enregistrer les informations liées à une connexion.
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Commutation de paquet o Commutation de circuit est bien adaptée à la voix
n Ressources dédiées à une connexion. n La plupart du temps, la connexion est inactive! n Débit des données est fixée!
o Les deux extrémités doivent opérer avec le même débit!
o Solution: commutation de paquet.
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Commutation de paquets: opérations de base o Trafic data divisé en paquets
n Data transmis en paquet de petite taille (typiquement 1000 octets) n Les messages plus long sont divisés en une série de paquets n Chaque paquet contient une portion de données utilisateurs + données de contrôle
o Données de contrôle n Infos de routage (addressage)
o Paquets circulent indépendamment dans le réseau n Transfert des paquets basé sur l’en-tête :
o Utilisation d’une adresse IP complète pour le forwarding (pas de signalisation) => routage avec des datagramme IP (e.g., Internet)
o Utilisation d’une référence ou label contenue dans l’en-tête : trace un “Circuit Virtuel” en utilisant des messages de signalisation (e.g., ATM),
n Nœuds du réseau peuvent enregistrer les paquets temporairement: Store and Forward
o Destination reconstruits le message
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Technique de commutation: TDM statistique
o TDM statistique alloue time slots d’une manière dynamique, sur demande
o Multiplexeur scanne les lignes d’entrée et collecte data jusqu’à la trame soit pleine
o Overhead par slot pour TDM statistique parce que chaque slot doit contenir une adresse en plus des données.
o Problèmes peuvent survenir pendant périodes crêtes n Doit buffériser les
inputs
o Dans TDM plusieurs slots sont inutilisés (période OFF d’une source)
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Datagramme: Réseaux à routage o Chaque nœud a une adresse unique dans le réseau o L’adresse destination est transportée dans l’en-tête du paquet o A chaque nœud, une table de routage indique l’interface de sortie
pour aller vers l’adresse destination
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Circuit Virtuel: Réseaux à commutation o Chaque nœud a une adresse unique dans le réseau o Un circuit virtuel doit être établi avant d’envoyer des données utilisateurs o Les paquets ne contiennent pas l’adresse destination mais une référence qui
a une valeur uniquement locale sur une liaison entre deux nœuds o A chaque nœud, une table de commutation indique l’interface de sortie et la
référence de sortie selon l’interface d’entrée et la référence d’entrée
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Circuit Virtuel (VC) o Un circuit virtuel est l’itinéraire déterminé par les références dans un réseau à
commutation. o Les paquets transitent toujours par le même chemin les uns derrière les autres,
comme sur un circuit. o Le circuit est dit virtuel car les liaisons ne sont pas dédiées à la communication
mais sont empruntées aussi par d’autres communications.
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Signalisation dans un VC o Une signalisation est nécessaire pour établir et libérer le circuit
virtuel o Etablissement de circuit
n Les paquets de contrôle contiennent l’adresse du destination et la demande d’ouverture d’un circuit
n Chaque nœud consulte la table de routage pour trouver le chemin vers la destination
n Une référence est attribuée à chaque nœud où traverse le circuit n Une ligne dans la table de commutation est crée
o Libération de circuit n Les paquets de contrôle demandent une libération du circuit n Chaque nœud où traverse le circuit enlève une ligne dans sa table de
commutation n Le numéro de référence devient libre à utiliser pour un autre circuit à venir
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Signalisation dans un VC
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VC Similaire à Datagramme IP o Data divisés en paquets
n Source divise les messages en paquets n Paquet possède une adresse (e.g., @ IP ou VC ID)
o Transmission Store-and-forward n Plusieurs paquets peuvent arriver en même temps n Besoin de buffériser temporairement les paquets
o Multiplexage dans un lien n Pas de réservations: multiplexage statistique n Réservations possible: ressources pour un groupe de paquets
o Garantie d’avoir un certain nombre de “slots”
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VC Diffère de Datagramme IP o Forwarding look-up
n Circuit virtuel: id de taille fixe n Datagramme IP: adresse de destination IP
o Initialisation de la transmission des données n Circuit Virtuel: signalisation nécessaire pour établir le chemin n Datagramme IP: pas de signalisation, envoie immédiat des
paquets o Etat du nœud de transfert (Routeur ou commutateur)
n Circuit virtuel: mémorise l’état des connexions n Datagramme IP: pas d’état (plus facile sur reprise d’incident)
o Qualité de service n Circuit virtuel: ressources et ordonnancement par VC n Datagramme IP: difficile de supporter la QoS
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Event Timing
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Une architecture hybride o Les nœuds sont à la fois commutateurs et routeurs