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DT 19 - Protocoles des réseaux à grande distance (WAN)
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Les Dossiers Technologiques 16 et 17 résument respectivement le rôle joué par le réseau à grande distance WAN (Wide Area Network) et l’organisation des couches du modèle ISO. Le présent DT a pour objectif de synthétiser l’organisation des protocoles de réseau sur les liaisons à grande distance.
1 - Commutation de circuits et modèle OSI 1.1 – La commutation de circuits Les réseaux nationaux de communication classiques sont édifiés sur la base de la commutation de circuits. Les recommandations de la série G.100 de l’UIT-T fournissent à ce sujet tous les éléments propres à la compréhension de ces principes. D’une façon très résumée, un maximum de 12 circuits mis bout à bout par des commutateurs permettent de réunir demandeur et demandé sur la liaison la plus longue que l’on puisse établir (27 500 km). En principe, le réseau national de départ fournit 3 ou 4 circuits et le réseau demandé en fournissant autant, il ne reste donc que 4 circuits pour assurer le transit international. Sur ces bases, on découpe les valeurs maxima tolérables des défauts pouvant affecter chacun des circuits utilisés (analogiques ou numériques) et on fixe les limites auxquelles doivent satisfaire chacun des éléments des réseaux utilisés. Le temps de transit, l’écho, le niveau de bruit, etc. sont évalués sur ces principes de sorte que la qualité de service globale demeure acceptable, même pour la communication la plus longue. On peut ajouter d’autres conditions. Par exemple, pour la télécopie, on peut préciser que la commutation de circuits doit permettre l’échange des signaux des modems des télécopieurs, même si la liaison téléphonique de support emprunte deux bonds satellite, etc.
Dans les réseaux à commutation de circuits, la gestion de réseau a constitué longtemps un problème et ce n’est que vers les années 1980 – 1990, que les premières réalisations du Réseau Intelligent (IN) ont permis de dégager des solutions intéressantes par la réalisation d’un second réseau travaillant en parallèle pour acheminer la signalisation du premier. L’IN permet aussi, en plus de la gestion de réseau, d’assurer la cohérence entre réseaux fixes et réseaux de téléphonie mobile, et la création de nouveaux services (numéros verts, réseaux privés virtuels, itinérance, etc.). En d’autres termes, la technologie d’hier avait pour principe de séparer les messages utiles de la signalisation, ce qui n’est pas le cas sur la Toile Internet.
1.2 - Modèle OSI Lorsque le modèle OSI est apparu dans les années 1980, on a estimé que les sept couches de protocoles pouvaient s’établir de façon continue et linéaire, le dialogue entre demandeur et demandé s’établissant entre les deux parties en mode semi duplex ou en duplex. Ceci est illustré par le fonctionnement de la relation classique appelée "client –serveur". Récemment, on a considéré que le concept des sept couches pouvait être ramené à un modèle comprenant trois ensembles (couches basses, couches moyennes liées à IP et couches applicatives). Le domaine des couches basses et celui des couches attachées à IP sont celles qui nous intéressent ici. L’évolution des technologies a conduit les exploitants à expérimenter des solutions différentes au cours du temps, Internet constituant par ailleurs un modèle expérimental préparant l’émergence d’un réseau plus élaboré, le NGN, en cours d’essais et de tentatives de réalisations.
2 – Les couches basses des WAN 2.1 – La couche physique La couche physique des liaisons à grande distance peut être constituée d’un support analogique sur lequel des modems apportent les constituants nécessaires (liaison par satellite équipée de modems à haute fréquence, support ancien équipé de liaisons MIC/PCM, etc.). Dans les réalisations récentes, la couche physique est réalisée par une fibre optique sur laquelle des lasers procurent des canaux numériques à haut débit. Le niveau 1 de l’OSI est matérialisé ici par l’un des canaux du DWDM, sur lequel les débits sont gérés en hiérarchie numérique synchrone (SDH en Europe et Sonet en Amérique du Nord) ou en G-PON dans les réseaux de distribution. Chaque canal du WDM peut faire l’objet d’un traitement du signal de façon à y introduire un code de détection d’erreurs, ce qui permet une meilleure qualité de service sans être contraint à apporter des modifications de fond aux caractéristiques intrinsèques du support.
L’ATM peut être superposée au SDH si l’exploitant le juge nécessaire, en fonction de l’importance des débits à acheminer et du nombre de clients à desservir. La fonction de l’ATM est de pouvoir commuter les flux grâce à la mise en cellules différenciées qui a été effectuée par l’ATM et de conférer à celles-ci une priorité dans l’acheminement. L’ATM délivre trois types de flux binaires, soit en ATM, soit en IP, soit en plésiochrone (PDH).
On peut remarquer que, les fibres optiques n’ayant aujourd’hui qu’une portée maximum de 3 000 km, peu de liaisons globales peuvent être qualifiées comme étant "sans couture". 2.2 – La couche liaison La couche 2 est celle qui porte l’adresse des stations utilisées sur le parcours de chaque tronçon de la liaison. Elle effectue aussi un contrôle d’erreur sur les trames transmises. Son utilité dans les réseaux peu fiables est évidente. Le modèle de réalisation du niveau 2 est le plus connu est le protocole HDLC, qui est l’une des 40 versions connues des protocoles appelés 7E (du nom de leur drapeau écrit en hexadécimal). SLIP, PPP, ATM niveau 2 (sous couche TC) constituent d’autres réalisations. Mais sur les supports en fibre optique, on peut se demander si cette couche 2 est bien nécessaire. Dans un passé récent, un certain nombre de protocoles de couche 2 ont été développés à l’intention des réseaux d’entreprise (Relais de trame, CBDS, DQDB, interfaces pour réseaux locaux fixes ou radioélectriques, etc.). Or, les réseaux doivent coopérer entre eux, ne serait-ce que de façon temporaire pour effectuer des secours de liaisons voisines et des mesures doivent être prises à cet égard dans la gestion et l’architecture des couches. Les réseaux radioélectriques et les réseaux locaux d’entreprises WLAN disposent d’une couche de protocole complémentaire (IEEE802.2, par exemple) qui permet à leurs propres protocoles (couche PHY et couche MAC) de se trouver fonctionnellement associables et donc compatibles avec une couche 3. C’est le cas par exemple des réseaux Ethernet (voir DT 40). 2.3 - Ethernet C’est un protocole de réseau local (voir DT 40). Ses protocoles sont répartis en deux couches, la couche PHY (couche d’adaptation au support physique) et la couche MAC (Media Access Control). La liaison au réseau général est assurée au-dessus de la couche MAC par l’IEEE802.2 (LLC802.2) et confère à l’ensemble l’équivalence des couches 1 et 2 du modèle ISO. Les couches MAC et LLC assurent le fonctionnement des ponts ainsi que la gestion des échanges. De 1 à 10 Gbit/s les formats de débits en Ethernet et en SDH sont similaires. De 40 à 100 Gbit/s, les trames Ethernet sont différentes de celles de l’OTN et les câblages, les fréquences et les connecteurs ne sont plus compatibles. L’assemblage de l’Ethernet à 100 Gbit/s peut être effectué à partir de liaisons Ethernet à 28 Gbit/s. Les protocoles VPLS permettent d’encapsuler des trames Ethernet sur un réseau WAN d’exploitant en IP MPLS. La fourniture de services Ethernet CGE (de classe exploitant) et de services IP MPLS sur la même infrastructure MPLS est possible. Les entreprises clientes peuvent disposer ainsi de réseau niveau 2 ou de réseau niveau 3 selon leur besoin. 2.4 – La couche réseau, ou couche 3 C’est essentiellement aujourd’hui la couche dévolue à Internet Protocol (IP). Comme on vient de le voir, IP peut reposer soit directement sur du DWDM, soit sur du relais de trame placé sur SDH et sur WDM, soit sur du niveau 2 quelconque exploité sur ATM, SDH et WDM. Tout dépend de l’historicité du réseau et des principes qui guident la stratégie de l’exploitant de réseau. Le protocole MPLS peut être placé ici dans le bloc des fonctions additionnelles représenté sur le schéma ci-dessous.
Architectures possibles du transport d’IP
C’est essentiellement aujourd’hui la couche dévolue à Internet Protocol (IP). Comme on vient de le voir, IP peut reposer soit directement sur du DWDM, soit sur du relais de trame placé sur SDH et sur WDM, soit sur du niveau 2 quelconque exploité sur ATM, SDH et WDM. Tout dépend de l’historicité du réseau et des principes qui guident la stratégie de l’exploitant de réseau. Le protocole MPLS peut être placé ici dans le bloc des fonctions additionnelles représenté sur le schéma ci-dessous.
Deux aspects complémentaires doivent être ajoutés à cette caractéristique de la couche IP. D’abord, IP communique avec les couches supérieures propres aux applications au moyen de l’un des deux protocoles situés en couche 4 : TCP (Transport Control Protocol) pour les données en temps non réel et UDP (User Data Protocol) pour les données en temps réel. Enfin, la gestion du réseau Internet est effectuée au moyen d’un protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) qui utilise les mêmes voies de communication que IP. La description des protocoles de réseau des WAN ne s’arrête pas ici, car la couche médiane des protocoles doit être expliquée par le fonctionnement de plusieurs protocoles qui sont associés à IP. C’est la complexité d’ensemble qui a conduit, à la lumière des premiers résultats obtenus sur Internet, à envisager des applications multimédias et à bâtir, à l’aide de nouveaux protocoles, des esquisses de "réseau de nouvelle génération" (NGN).
2.5 – IPv4 La couche réseau d’IP (version 4) décompose les données à transmettre en datagrammes de 64 Ko au maximum. Chacun des datagrammes est transmis à travers le réseau Internet, fragmenté en datagrammes plus petits, si nécessaire. Il comprend un en-tête (20 octets en partie fixe, plus une partie optionnelle) et les données utiles. L’en-tête d’IPV4 est complexe. Il dispose des fonctionnalités suivantes : possibilité de fragmenter ou non le datagramme, repérage du fragment de datagramme dans le datagramme, durée de vie du datagramme (avec un maximum de 255 s), extension de fonctions, etc. Les différences entre X.25 et IP portent sur le mode de transport (mode connecté ou non) et le routage, le contrôle de flux (inexistant pour IP), la détection d’erreur (qui n’existe qu’au niveau 2 pour X.25) et la longueur des en-têtes (3 octets contre 20 pour IP). Pour un acheminement et un interfonctionnement correct avec les autres réseaux, IP a besoin de protocoles complémentaires au sein de son réseau.
2.6 - IP version 6 L’adressage d’IP en version 6 (IPv6) est étendu de 32 à 128 bits (16 octets), permettant l’interconnexion de 1 000 réseaux à plusieurs centaines de milliers de terminaux chacun. À cette occasion, une meilleure répartition géographique des adresses IP sera effectuée. Un réaménagement des fonctions d’en-têtes facilite les opérations de routage et de mobilité des terminaux (7 champs d’en-tête au lieu de 13), ainsi que l’identification des types de service. Le processus de la connexion à un réseau repose sur la couche 2. IPv6 devrait permettre une réduction sensible des tables d’acheminement des routeurs et par conséquent une réduction du nombre de routes sur le réseau. Des facilités d’autoconfiguration des terminaux devraient être également possibles. L’authentification et la confidentialité constituent les apports majeurs en sécurité d’IPv6. La transition devrait s’effectuer progressivement (voir DT 31). 3 - La couche 4 : TCP et UDP
La couche transport assume au choix deux types de transport différents : l’un avec UDP (transport non fiable et sans connexion), et l’autre avec TCP (transport fiable en mode connexion). UDP et TCP disposent de champs de détection d’erreur dans leurs en-têtes, ce qui leur permet d’assurer l’intégrité des messages. IP offre un service dit "non fiable", de couche réseau, n’offrant aucune garantie (best effort). Les données IP sont donc livrées en couche 3 sans garantie de bonne livraison et sans respect de l’ordre d’envoi. TCP, grâce à un mécanisme particulier de numéros de séquences et de temporisateurs, assure un transfert de données fiables, un peu lent, mais avec un contrôle de congestion qui porte sur l’ensemble des liaisons utilisées. En d’autres termes, TCP améliore les performances intrinsèques d’IP et il évite les ruptures intempestives des liaisons établies au niveau des couches inférieures. TCP permet un partage des ressources en débit entre les utilisateurs grâce à un système de contrôle de congestion et de notification explicite de congestion. Toutefois, ce partage de ressources fait encore l’objet de controverses, puisque pour un même prix, le paramétrage de ces ressources autorise par exemple un utilisateur à occuper 20 à 40 fois plus de débit instantané qu’un autre (exemple de l’emploi du logiciel P2P, tel que Bit Torrent). 4 - Protocoles de réseau associés à IP
Internet Protocol (IP) est une technologie centrale dont les possibilités doivent être confortées par les capacités de protocoles complémentaires nécessaires à l’acheminement et à la qualité de service. Parmi ceux-ci, on relève, outre UDP et TCP, cités ci-dessus, ceux qui ont trait à la qualité de service (DiffServ, RSVP et MPLS). Le protocole G-MPLS permet la mise en œuvre de procédés rapides de restauration des liaisons. Enfin, d’autres protocoles participent à la vie du réseau Internet (SNMP, les protocoles de routage, de messagerie, etc.) qui ne peuvent être détaillés ici. DiffServ - Le protocole DiffServ (Differential Services), conçu par l’IETF, repose sur un mécanisme qui met en jeu les bits des en-têtes des adresses IPv4 et IPv6 pour indiquer le niveau de priorité conféré aux messages transmis. Sur ces définitions, les routeurs IP du réseau central ajustent leurs possibilités au rythme des flux de données qu’ils ont à traiter. A cette fin, l’architecture de réseau doit être flexible et extensible, ce qui n’est pas sans poser des critiques. RSVP - Le protocole RSVP (Resource Reservation Protocol) est un sous ensemble d’un protocole de niveau 3 de l’IETF, appelé INTSERV (Integrated Services project). Il permet d’effectuer une réservation de ressources pour l’acheminement d’un débit particulier entre deux points d’un réseau IP. Le principe est de parvenir à déterminer un certain nombre de bonds à l’intérieur du réseau pour le transfert de données considéré. RSVP permet aux applications multimédias (ou aux routeurs) de réserver la part de débit nécessaire à leur flux de données par l’intermédiaire des serveurs qui les exécutent. MPLS - Le protocole MPLS, "Multiprotocol Label Switching", est un protocole qui est chargé d’améliorer les fonctions d’acheminement du protocole IP par une signalisation interne au réseau. Les acheminements sont préparés sur la couche 2, de sorte que le travail des routeurs de couche 3 soit minimisé et que le temps de latence des paquets soit fortement réduit. MPLS agit sur des routeurs placés à la lisière du cœur de réseau et des routeurs de cœur de réseau. Il crée un parcours entre deux points du réseau. Chaque paquet étant porteur d’une étiquette (label) qui est modifiée à l’entrée de chaque section de parcours (label switching). Le Lambda Switching est une extension de MPLS aux flux de longueurs d’onde transmises sur les fibres optiques afin de faciliter l’agrégation des flux de même destination. MPLS constitue une extension à l’architecture existante du protocole IP. Cet enrichissement vise à améliorer l’ingénierie de trafic, la gestion des VPN en IP et l’intégration du routage IP aux commutations de niveau 2 ou des couches optiques (voir DT 25).
GMPLS (Generalized MPLS) étend les potentialités du protocole IP, sans modifier l’architecture actuelle des réseaux. Il permet d’introduire la notion de redondance et de calculs de fiabilité d’acheminement à partir de la capacité d’adressage et de routage (labels).
L’architecture IMS (IP Multimedia Subsystem) prolonge le modèle ISO, dans le cadre des réseaux de nouvelle génération (NGN) qui associent réseaux fixes et réseaux mobiles en mode IP et avec la signalisation SIP (voir DT 30). Sources : IEEE Communications Review, Réseaux (Andrew Tanebaum), Analyse structurée des réseaux (J. Kurose et K. Ross), etc. Haut de page