Composants conceptuels des réseaux locaux
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Composants conceptuels des réseaux locaux
Réseaux – S. Vialle 3 – Composants et Topologies des réseaux locaux • 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 1 Réseaux Composants et Topologies des réseaux Composants conceptuels des réseaux locaux 2 1 composants et topologie de réseaux Composants conceptuels : Liste Station (PC) Cartes réseaux (NIC) Répéteurs et Amplificateurs Commutateurs (Switchs) Routeurs B-routeurs Concentrateurs (Hub) Ponts (Bridges) + Passerelles (Gateway) + Supports 3 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) 4 2 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 5 12 4 6 14 15 5 5 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 6 3 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 dt N répéteurs/amplificateurs → Dt = N.dt • Ne réduisent pas la congestion des réseaux (voir plus loin) • Couche OSI – niveau 1 – physique (voir plus loin) 7 composants et topologie de réseaux Composants : Commutateur (hub) Concentrateurs (Hub) : • Connexion centrale au sein d’un réseau en étoile Hub passif : point de connexion Hub actif : point de connexion & amplification Collision!! Hub Hub intelligents (hub ?): point de connexion & amplification & commutation de paquets, acheminement trafic, …!!! • Couche OSI – niveau 1 – physique (voir plus loin) 8 4 composants et topologie de réseaux Composants : Concentrateur (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 9 composants et topologie de réseaux Composants : Concentrateur (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) 10 5 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) 11 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 12 6 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 ! 13 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 … 14 7 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 15 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 16 8 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 17 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) 18 9 Réseaux Composants et Topologies des réseaux Composants matériels commercialisés des réseaux locaux 19 Réseaux Composants et Topologies des réseaux Topologies de base des réseaux locaux 20 10 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 21 composants et topologie de réseaux Topologie de base : Bus simple Bus à simple diffusion de messages montage en dérivation bouchon / adaptateur • 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 « 50 W» (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 22 11 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! 23 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 24 12 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 25 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) 26 13 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 27 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) 28 14 Réseaux Composants et Topologies des réseaux Topologies hybrides des réseaux locaux 29 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 : 30 15 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) 31 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 » 32 16 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 ! 33 Réseaux Composants et Topologies des réseaux Algorithmique de pontage et de routage 34 17 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 4 Pont 1 A ?? 3 msgs! B Segment 3 Pont 2 Segment 1 35 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. 36 18 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 37 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 Segment 3 B Pont2 Segment 1 • 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) 38 19 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. 39 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 40 20 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 41 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) 42 21 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 43 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. 44 22