Composants et Topologies des réseaux locaux

2A-SI - Réseaux :
Composants et Topologies
des réseaux locaux
Stéphane Vialle
[email protected]
http://www.metz.supelec.fr/~vialle
1
Composants et Topologies
des réseaux locaux
1.
2.
3.
4.
5.
Composants conceptuels des réseaux locaux
Composants matériels commercialisés
Topologie de base des réseaux locaux
Topologies hybrides des réseaux locaux
Algorithmique de pontage et de routage
2
1
Réseaux
Composants et Topologies des réseaux
1 - Composants conceptuels
des réseaux locaux
3
composants et topologie de réseaux
Composants conceptuels : Liste
Station
(PC)
Routeurs
B-routeurs
+ Passerelles
(Gateway)
Cartes réseaux
(NIC)
Commutateurs
(Switchs)
Ponts
(Bridges)
Répéteurs et
Amplificateurs
Concentrateurs
(Hub)
+ Supports
4
2
composants et topologie de réseaux
Composants : Cartes réseaux (NIC)
Cartes Réseaux (NIC):
• Une carte réseau connecte physiquement un ordinateur au réseau
• NIC : Network Interface Card
• Théoriquement:
- configuration de la ligne d’interruption (IRQ)
- configuration de l’adresse d’Entrée-Sortie (E/S)
• En pratique : les cartes modernes sont « Plug and Play »
→ installer dans l’emplacement physique prévu, et c’est tout …
On peut connaître les IRQ et les adresses d’E/S utilisées si besoin …
… pour une configuration manuelle (cas exceptionnel)
5
composants et topologie de réseaux
Composants : Cartes réseaux (NIC)
Cartes Réseaux (NIC):
• Aujourd’hui les IRQ peuvent être partagées :
IRQ
Périphérique
9
11
11
11
11
8
13
1
Système compatible ACPI Microsoft
Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
Contrôleur d'hôte universel PCI vers USB Intel 82371AB/EB
Accton EN2242 Series MiniPCI Fast Ethernet Adapter
Horloge système CMOS/temps réel
Coprocesseur arithmétique
Clavier standard 101/102 touches ou clavier Microsoft
Natural Keyboard PS/2
Logitech-compatible Mouse PS/2
Port de communication (COM1)
Contrôleur de lecteur de disquettes standard
Canal IDE principal
Canal IDE secondaire
ESS Allegro PCI Audio (WDM)
ESS ES56CVM-PI Data Fax Voice Modem
6
12
4
6
14
15
5
5
3
composants et topologie de réseaux
Composants : Cartes réseaux (NIC)
Cartes Réseaux (NIC):
• Exemple d’adresses d’E/S utilisées :
Étendue d'adresses
Périphérique État
0x0000-0x0CF7 Bus PCI
OK
… …
0xFE00-0xFEFF Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
0xFD00-0xFDFF Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
0x03E0-0x03E1 Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
0xFC00-0xFCFF Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
0xFA00-0xFAFF Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
0xFFFE-0xFFFF Contrôleur CardBus Texas Instruments PCI-1420
… …
0x1060-0x107F Contrôleur d'hôte universel PCI …
0x1400-0x14FF ESS Allegro PCI Audio (WDM)
0x1800-0x18FF ESS ES56CVM-PI Data Fax Voice Modem
0x1C00-0x1CFF Accton EN2242 Series MiniPCI Fast Ethernet…
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
7
composants et topologie de réseaux
Composants : Répéteur/Ampli.
Répéteurs et Amplificateurs :
• Répéteurs : nettoient et amplifient un signal en bande de base
• Amplificateurs: nettoient et amplifient un signal modulé
• Permettent d’allonger les distances de transmission
• Il existe un nombre maximum de répéteurs/amplificateurs
supportables: le délai de transmission peut devenir perturbant
δt
N répéteurs/amplificateurs → Δt = N. δt
• Ne réduisent pas la congestion des réseaux (voir plus loin)
• Couche OSI – niveau 1 – physique
8
4
composants et topologie de réseaux
Composants : Concentrateur (hub)
Concentrateurs (Hub) :
• Connexion centrale au sein d’un réseau en étoile
Hub passif : point de connexion
Collision!!
Hub actif : point de connexion
& amplification
Hub
Hub intelligents (hub ?):
point de connexion
& amplification
& commutation de paquets,
acheminement trafic, …!!!
• Couche OSI – niveau 1 – physique
9
composants et topologie de réseaux
Composants : Commutateur (switch)
Commutateurs (Switchs) :
• Segmentation d’un réseau en sous-branches d’une étoile
• Les ports d’un commutateurs
sont des domaines de collision
différents
switch
• Les données arrivent sur un port
- si port destinataire libre: retransmission
- sinon: stockage en mémoire
mise en file d’attente
Evite les
collisions
RAM
• Utilisent les adresses MAC (OSI – niveau 2 – liaison)
des destinataires, contenues dans les messages,
pour analyser et « router » les messages
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5
composants et topologie de réseaux
Composants : Commutateur (switch)
Commutateurs (Switchs) :
• Retransmettent un message sur sa branche destinataire:
- Diminuent l’encombrement réseau
- Prennent plus de temps qu’un simple concentrateur (Hub)
• OSI – niveau 2 – liaison (ou niveau 3)
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composants et topologie de réseaux
Composants : Pont (Bridge)
Ponts (Bridges) :
• Relient des réseaux distants au sein d’un même LAN:
→Permet de réaliser des IntraNets sur plusieurs sites
Pont
• Ponts non-filtrant :
- Fonctionnent comme des concentrateurs (hub)
• Ponts filtrant :
- Fonctionnent comme des commutateurs (switch)
- Lisent les adresses MAC (OSI – 2) pour traiter les paquets
- Diminuent les encombrements réseau
- Sont plus longs à traverser (comme les switchs)
12
6
composants et topologie de réseaux
Composants : Pont (Bridge)
Ponts (Bridges) :
• Pont traducteur/passerelle/translation bridge :
- Interconnectent des segments « différents »
ex: Ethernet & Token-Ring
• Ponts auto-apprenant/auto-configurant/learning-bridge :
- mémorisent les positions des machines sur les sous-réseaux
• Les ponts sont transparents au niveau de l’adresse logique :
- deux segments reliés par un pont sont dans le même
espace d’adressage
• Si destinataire inconnu : message ré-émit sur tous les sous-réseaux
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composants et topologie de réseaux
Composants : Routeur
Routeurs :
• Assurent le cheminement des paquets entre les réseaux
• Relient différents réseaux en commutant et filtrant les paquets
• « Routeurs intelligents » : s’adaptent au trafic et au réseau
• Utilisent les adresses logiques (IP – adresses réseaux) :
→ Ont plus de capacités de routage que les ponts
- lecture adresse IP → lecture table de routage →
si adresse connue: retransmission sur la bonne sortie
sinon
: paquet ignoré(l’opposé du pont)
- configurables pour ignorer les broadcast
- utilisent des tables de routage statiques,
construisent leurs tables de routage dynamiques,
- s’échangent (souvent) leurs tables de routage dynamiques
et des infos sur le trafic et l’état des liaisons !
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7
composants et topologie de réseaux
Composants : Routeur
Routeurs :
• Entretiennent une connaissance dynamique du réseau :
- peuvent choisir le « meilleur » chemin pour router un
paquet, fonction du coût de traversé du réseau:
- temps estimé de routage
- nombre de routeurs encore à traverser
- débit des liens suivants
- fiabilité des liens suivants
- engorgement du réseau
-…
→ apprennent et contournent
les engorgements !!
Si tout va bien
Sinon …
Sinon …
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composants et topologie de réseaux
Composants : Routeur
Routeurs :
• Travaillent en OSI – niveau 3 – réseau (adresses logiques):
→ perçoivent les différences d’architectures des réseaux
- intègrent des fonctions de passerelles pour interconnecter
des réseaux différents (IP vers X25,…) : « B-routeurs »
→ technologie plus complexe que les switchs et les ponts:
- coûtent plus cher que les switchs et les ponts
- sont plus difficiles à installer
- ont des débits plus lents (plus de traitements sur les paquets)
- ajoutent du trafic en s’échangeant des tables et des infos
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8
composants et topologie de réseaux
Composants : Routeur
Routeurs :
• Constitution d’un routeur en deux parties :
- Une partie matérielle :
- un ensemble de ports/interfaces
d’émission/réception qui émettent des trames
- une CPU
cpu
- Une partie logicielle :
- possède un petit OS
- permet la configuration du routeur
- extraction des adresses logiques (IP)
- analyse des paquets au niveau « réseau »
- analyse et gestion de tables de routages
- heuristique de routage
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composants et topologie de réseaux
Composants : Routeur
Routeurs :
• Routeurs par matériel spécifique :
• Routeurs à base de PC :
- Un PC + un OS + un logiciel
de traitement des paquets
- Plusieurs cartes réseaux
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composants et topologie de réseaux
Composants : Passerelles
Passerelles (Gateway) :
Réalisent une traduction d’un dialogue réseau vers un autre:
- entre différentes machines (différents OS): MAC-PC
- entre différents protocoles réseaux (Ethernet – Token Ring)
Attention:
- les ponts : ré-encapsulent un protocole dans un autre
- les passerelles : traduisent un protocole en un autre
Niveau de travail des passerelles :
- souvent à un niveau élevé (niveau OSI – 7 – application)
→ ex: conversion d’e-mail (format natif → SMTP)
→ un ordinateur dédié avec un logiciel de traduction
- mais parfois au niveau 3 (routeurs), 2 (switch)… variable!
→ un matériel plus simple
Pratiques, mais parfois coûteuses et lentes (plus que des routeurs)
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Réseaux
Composants et Topologies des réseaux
2 - Composants matériels
commercialisés
des réseaux locaux
Beaucoup de composants multi-fonctions …
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10
Réseaux
Composants et Topologies des réseaux
3 - Topologies de base
des réseaux locaux
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composants et topologie de réseaux
Topologies de base : Liste
Bus à simple diffusion de messages
Etoiles passives
Doubles bus unidirectionnels
Etoiles actives
4 topologies de base
Hybrides
Maillages
Anneaux
Boucle
Souvent les topologies sont liées aux technologies
(câblage et protocoles) utilisées
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composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Bus simple
Bus à simple diffusion de messages
bouchon /
adaptateur
montage en
dérivation
• Un simple câble & des machines montées en « dérivation »
• Chaque machine reçoit et analyse tous les messages
→ ne garde et ne traite que ceux qui lui sont destinés
• Typiquement des réseaux en câble coaxial « 50Ω » (10Base5)
+ Peu de câblage, simple à réaliser
– Souvent des partages de bus purement par collision
– Besoin d’adaptateur (bouchons) en bouts de bus
De moins en moins courant
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composants et topologie de réseaux
Topo. de base : Double bus unidir.
Double bus unidirectionnels
• Double connexion
• Les stations aux extrémités ont un rôle spécifique
• Topologie utilisée dans les réseaux DQDB 802.6 (réseaux MAN) …
Solution peu répandue!
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12
composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Etoile passive
Etoile passive :
Concentrateur
(hub)
• Un concentrateur interconnecte les stations
Rappel : un concentrateur ne gère pas de protocole → collisions
• Solution qui se ramène à un bus logique !!
• Typiquement réalisé avec de la paire torsadée (pour Ethernet)
+ Simple à déployer et bon marché
– Nécessite plus de câblage que les autres topologies
– Si le concentrateur défaille : tout s’arrête !
Fréquemment utilisé en LAN sur de petits segments
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composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Etoile active
Etoile active :
Commutateur
(switch)
• Un commutateur interconnecte les stations
• Le commutateur transmet les messages en évitant les collisions
(il gère les protocoles d’accès)
+ Simple à déployer (le prix dépend du switch …)
– Nécessite plus de câblage que les autres topologies
– Si le commutateur défaille : tout s’arrête !
• Typiquement un Switch Ethernet et de la paire torsadée
ou un switch ATM
Solution répandue sur les LAN
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13
composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Anneau
Anneau :
• Les stations sont reliées par
des liens unidirectionnels
• Chaque station a deux cartes
réseaux
• Chaque station retransmet les données destinées aux autres
• Chaque station est un répéteur actif : pas besoin d’autres répéteurs
• Si une station défaille : tout s’arrête !
• Si une station est arrêtée (maintenance) : tout s’arrête ! (presque)
• Typiquement pour du Token-Ring, ou du FDDI (fibre optique)
Solution « peu » répandue (token-ring : 10% du marché)
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composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Boucle
Boucle :
• Les stations sont reliées par
des liens unidirectionnels
Superviseur
de la
boucle
• Chaque station a deux cartes
réseaux
• Similaire à l’anneau, mais une des stations à un rôle
particulier : elle supervise le réseau
Solution peu répandue
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14
composants et topologie de réseaux
Topologie de base : Maillage
Maillage :
• Un pur réseau « maillé » est un
« crossbar »
• N machines :
- chaque machine à N-1 cartes
réseaux
- chaque machine est reliée directement
aux N autres
+ Très tolérant aux pannes : des chemins de secours existent
+ Communications directes et rapides
– Le réseau utilisant le plus de câbles ! TROP de câbles : N.(N-1)/2
– Réseau cher !! TROP cher
Très peu répandu sous cette forme (voir plus loin)
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Réseaux
Composants et Topologies des réseaux
4 - Topologies hybrides
des réseaux locaux
30
15
composants et topologie de réseaux
Topologie hybride : Bus en étoile
Bus en étoile :
• En fait : Bus + Etoile(s)
Concentrateur
ou commutateur
Concentrateur
ou commutateur
+ Extensible
– Si un segment ou une étoile défaille : le reste continue à fonctionner
Aujourd’hui on réalise cette topologie entièrement en paire torsadée :
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composants et topologie de réseaux
Topologie hybride : Bus en étoile
Bus en étoile :
Bus + Etoile(s) → hub & switch
En paire-torsadée
Concentrateur
(hub)
Concentrateur
(hub)
Commutateur
(switch)
Concentrateur
(hub)
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composants et topologie de réseaux
Topo. hybride : Anneau en étoile
Anneau en étoile/Anneau câblé en étoile/Star ring :
• Même câblage qu’une
étoile (passive)
• Mais le concentrateur
est câblé en interne en
anneau logique
Concentrateur
(hub)
en anneau
• Comme pour les vrais anneaux :
- Peu sensible au pannes des stations
- Si le concentrateur défaille : tout s’arrête !
• Utilisé pour des réseaux Token-Ring :
- plus facile à câbler qu’un véritable anneau
- fournit toujours un mécanisme d’anneau où peut circuler
un « jeton »
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composants et topologie de réseaux
Topo. hybride : Maillage hybride
Maillage hybride :
• Vrai maillage : N.(N-1)/2 câbles !
→ trop de câbles
concentrateur
• On identifie:
- Stations clientes : non-critiques
- Serveurs non-critiques
- Serveurs critiques
• Maillage complet des serveurs critiques
• Autres réseaux pour les autres stations
commutateur
+ Tolérance aux pannes parmi les serveurs (critiques)
+ Maillage supportable !
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Réseaux
Composants et Topologies des réseaux
5 - Algorithmique de
pontage et de routage
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Problème des réseaux contenant beaucoup de ponts :
• Des réseaux peuvent contenir des boucles de pontage :
- pour qu’il existe des chemins directs et rapides entre tous
les segments
- parce que les réseaux de grandes taille deviennent
inévitablement complexes
• Problèmes dus aux
boucles de pontage:
- Risque de réceptions
multiples
- Risque de désorganisation
du réseau de pontage
auto-apprenant
Segment 2
A
Pont 3
Pont 1 A ??
3 msgs!
B
Pont 4
Segment 3
Pont 2
Segment 1
36
18
composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Problème des réseaux contenant beaucoup de ponts :
• Solution statique manuelle :
L’administrateur configure totalement les ponts:
- toutes les adresses MAC sont programmées dans chaque pont
- une table de pontage est programmée dans chaque pont
- le réseau ne doit plus être modifié !
→ Valable uniquement sur de petits réseaux stables !
→ Considère des ponts NON-apprenant
• Solutions dynamiques automatiques :
- algorithme de « spanning tree » pour Ethernet
Les ponts collaborent pour appliquer la théorie
des graphes (!) et trouver les meilleurs chemins.
- algorithme de « source routing » pour Token Ring
Les ponts et les stations collaborent pour trouver
les meilleurs chemins.
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Principe de l’algorithme de « spanning tree » de base (Ethernet):
1 - On associe:
- chaque pont à un numéro unique : @MAC + « priorité »
- chaque port à un « coût de passage » : affecté automatiquement
ou manuellement (optimisation)
2 - Le pont de numéro le plus petit → le pont racine
3 - Un « port racine » est déterminé sur chaque pont
→ chemin de moindre coût vers le pont racine
4 - Sur chaque segments on identifie les ponts et les ports qui
permettent de rejoindre le pont racine à moindre coût
→ ils deviennent les pont et ports « désignés » :
les seuls autorisés à émettre et recevoir sur leur segment
On obtient un réseau en arbre (à moindre coût) au lieu d’un graphe
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Principe de l’algorithme de « spanning tree » de base (Ethernet) :
Segment 2
A
Pont3
Segment 2
A
Pont4
Pont1
Pont3
Pont
Pont4 désigné
Pont1
Segment 3
B
Pont2
Pont
racine
Segment 1
Au début
Segment 3
B
Pont2
Segment 1
A la fin
• Cet algorithme est entièrement distribué
• La construction de l’arbre se fait par échanges de trames MAC
de type multicast entre les ponts
• Elles transportent 34 octets de données appelées BPDU
(Bridge Protocol Data Unit)
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Adaptabilité du « spanning tree » (Ethernet) :
Les ponts créent des LAN :
- toutes les stations sont dans le même espace d’adressage
- on peut déplacer une station sans changer son adresse IP
→ le réseau est susceptible d’évoluer facilement
• Les ponts échangent des messages de configuration toutes
les 1 à 4 secondes!
• Si un pont détecte un changement de topologie, alors un calcul
de « spanning tree » est automatiquement relancé
Même le contrôle de la validité de la solution en cours est un
contrôle distribué.
40
20
composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Autres algorithme de « spanning tree » (Ethernet) :
• Algorithme de base : « 802.1d spanning tree »
• Spanning tree pour VLAN :
- chaque VLAN calcule séparément un spanning tree
- différents ports peuvent être bloqués pour chaque VLAN
→ meilleur équilibrage de charge des composants du réseau
• Multilayer spanning tree :
- à utiliser sur des réseaux Gigabit reliés par des switch Gigabit
- permet de configurer le réseau Gigabit par partie
→ dans un grand réseau la configuration peut durer très
longtemps si elle n’est pas segmentée
• De nombreux algorithmes de spanning tree existent :
- très variés, très optimisés, même des algorithmes génétiques !
Beaucoup de travaux sur ce problème! Algorithmes complexes
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Principe de l’algorithme de « source routing » (Token Ring) :
• Les ponts ne sont pas en charge de la connaissance du réseau
• Chaque station maintient une connaissance des stations avec
lesquelles elle communique
• Quand une station veut envoyer un message à une nouvelle station
elle se charge de déterminer la meilleure route :
« procédure de découverte de chemin à charge de l’émetteur »
• Bilan:
+ adaptatif, dynamique, routeur peu intelligents
– grand nombre de messages émis sur le réseau,
avec beaucoup de données
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21
composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Principe de l’algorithme de « source routing » (Token Ring) :
Procédure de découverte de chemin à charge de l’émetteur :
1 – la source broadcast une requête de spanning tree
2 – les ponts la propagent sur les autres anneaux si la destination
n’est pas sur l’anneau d’où leur parvient la requête, en ajoutant
un couple (#pont, #anneau) dans la trame de la requête
3 – la destination voit arriver autant de requête qu’il y a de
chemins et répond à toutes
4 – les réponses empruntent leurs routes en sens inverse
5 – la source choisit une route parmi les réponses qui lui
parviennent (plusieurs heuristiques de choix existent)
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composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Principe de l’algorithme de « source routing » (Token Ring) :
• La source (X) broadcast
une requête de spanning tree
• 3 requêtes arrivent à la
destination (Y)
• Y répond aux trois, X reçoit
trois réponses : 3 routes
• X en retient une
Des versions optimisées et complexes existent
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22
composants et topologie de réseaux
Algorithmique de pontage
Conclusion :
Les réseaux modernes peuvent être déployés facilement,
sans gros calculs préliminaires, car leurs composants
matériels contiennent des algorithmes auto-adaptatifs
dynamiques et distribués !
Certains composants matériels des réseaux contiennent
donc des algorithmes complexes et optimisés.
La technologie des réseaux fait appel à une
algorithmique de haut niveau.
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23