Fonctions essentielles

Les fonctions de la couche réseau sont essentielles pour le fonctionnement des réseaux qui vont au-delà des réseaux locaux. Parmi ces fonctions on a notamment la commutation, le routage, le multiplexage et le forwarding.

Commutation

La commutation est une fonction indispensable dans les réseaux de toutes les tailles. Quand le nombre d’abonnés (respectivement d’appareils) et l’étendue géographique deviennent importants, il devient impossible de créer des liaisons directes entre les partenaires de communication. La solution trouvée à ce problème consiste à construire une infrastructure comprenant des stations intermédiaires pour relayer les communications d’une source

quelconque à une destination quelconque. Les nœuds intermédiaires ou nœuds de transit qui jouent ce rôle de relais réalisent plusieurs fonctions parmi lesquelles on a la commutation. Au niveau d’un nœud de transit la commutation consiste à recevoir une communication entrante sur une ligne d’arrivée et à la faire ressortir une ligne appropriée qui conduit vers la destination.

Les nœuds qui effectuent la commutation sont appelés commutateurs. Ainsi, une liaison entre une source A et une destination B s’établit au moment où les deux désirent communiquer et transite par un certain nombre de commutateurs.

On distingue deux types de commutation (Figure): La commutation de circuits et la commutation de paquets. Les réseaux téléphoniques filaires, qui ont été les premiers

réseaux de télécommunications à atteindre un grand niveau de déploiement, ont introduit la commutation de circuits. Ici, pour créer une liaison entre une source A et une destination B, les commutateurs branchent une série de lignes directes entre les deux appareils. La figure montre une liaison entre les nœuds A et E: Elle passe par les trois commutateurs I, III et IV et comprend quatre lignes directes ou segments de liaison. La figure montre également une liaison entre les nœuds B et F: Cette dernière comprend quatre segments de liaison également et passe par les commutateurs II, III et V. Une propriété caractéristique de la commutation de circuits c’est que les liaisons établies pour la communication utilisent les ressources allouées de façon dédiée pendant toute la durée de la communication.

Commutation de circuits

La commutation de paquets est née à la fin des années 1960. Elle représente la base de fonctionnement des réseaux d’ordinateurs. Comme la Figure 7 le montre, les données échangées entre une source et une destination sont découpées en morceaux et encapsulés pour donner des unités appelées paquets. Ceux-ci sont injectés individuellement dans le réseau. Parmi les informations ajoutées pendant l’encapsulation on a notamment les adresses de la source et de la destination. Des indications relatives à la route à emprunter à travers le réseau peuvent également être insérées dans les paquets.

On distingue deux types de commutation de paquets: Selon qu’une connexion logique est établie entre la source et la destination avant circulation des paquets ou non, on parle de la commutation de circuits virtuels ou de la commutation de datagrammes. Dans le premier cas la source S et la destination D échangent des paquets d’établissement de connexion au début de la communication, ce qui permet aux nœuds intermédiaires sur la route entre les deux d’enregistrer des informations sur la ligne d’entrée et la ligne de sortie. Dans la suite, tout paquet qui est identifié par le nœud comme appartenant au flux entre S et D est automatiquement basculé entre les deux lignes. Contrairement à la commutation de circuits, les lignes physiques ne sont pas allouées de façon dédiée dans la commutation de paquets:

Les paquets appartenant à plusieurs communications se partagent une ligne physique. C’est pourquoi on parle de circuit virtuel.

Commutation de paquets

Dans le cas du datagramme, il n’y a pas d’établissement de circuit virtuel avant l’échange de paquets. Chaque paquet (qu’on appelle dans ce cas datagramme) reçoit les adresses complètes de la source et de la destination et est routé indépendamment dans le réseau. C’est pour cette raison que des datagrammes appartenant au même flux de communication peuvent emprunter des routes différentes à l’intérieur du réseau. C’est ce qui est bien illustré par le Figure 7.

Comme les dernières figures le montrent les commutateurs des réseaux modernes sont des preuves de ce dont la technologie (digitale surtout) est capable. Ils impressionnent par leur taille, leur capacité d’interconnexion et leur capacité de transfert de données.

Commutateur de dorsale réseau

(Source: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Cisco-rs1.jpg)

Commutateur des réseaux de télécommunications

(Source: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Lucent_5ESS_GSM_Mobile_

Switching_Centre.jpg)

Routage

Le routage est peut-être la fonction la plus importante ou la plus connue de la couche réseau.

Il consiste à déterminer les routes qui relient des réseaux donnés dans une infrastructure. En effet, lorsque la taille d’un réseau devient importante, notamment quand on a interconnecté plusieurs réseau pour créer une seule infrastructure, alors il existe plusieurs chemins possibles à l’intérieur du réseau pour la communication entre un réseau A et un réseau B. Le rôle du routage c’est donc de déterminer toutes les routes existantes entre deux réseaux et de choisir la route la plus favorable (route optimale) selon les critères d’évalution pour acheminer les paquets entre deux réseaux. Le routage est effectué par des équipements réseau spécialisés appelés routeurs. On distingue deux grands types de routage:

• Le routage statique,

• Le routage dynamique.

Dans le routage statique les routes sont fixées à l’avance: Les routes sont configurés avec les informations qui leur indiquent sur quelle route acheminer un paquet en fonction des adresses qu’il porte. Ainsi, le routeur n’aura pas à rechercher plusieurs routes ou à choisir des routes pendant son fonctionnement. A bien regarder le routage statique n’est pas du routage à proprement parler. La configuration statique n’est faisable que lorsque le réseau concerné est de petite taille.

Le routage dynamique correspond au routage dans le sens de la définition donnée plus haut.

Les routeurs doivent déterminer les routes pendant le fonctionnement et choisir la route optimale lorsqu’il faut acheminer un paquet vers sa destination. Ceci permet de prendre en compte les changements dans l’état du réseau: Les lignes de transmission ou des routeurs qui tombent en panne ou deviennent surchargés. La base de la détermination de routes c’est les informations de routage que les routeurs voisins échangent entre eux. Un routeur apprend sur les réseaux distants de routeurs voisins. Le routeur construit ensuite une table de routage dans laquelle il place les informations de routage reçues. Si le réseau est directement connecté, le routeur sait déjà comment obtenir au réseau. La table de routage permet à un routeur de savoir à quels réseaux il est attachés et à travers quelles interfaces physiques. Ce qui lui permet de livrer directement les paquets destinés à ces réseaux. Mais, la table de routage contient aussi des indications sur des réseaux distants, c’est-à-dire qui ne sont pas directement attachés au routage. Dans ce cas il est indiqué pour chaque réseau distant le routeur voisin à qui le routeur doit envoyer les paquets afin qu’ils continuent leur route vers la destination. La figure nous montre la table de routage de la machine de l’auteur (PC sous Windows 7) au moment de la rédaction de texte. Elle permet de voir les différentes informations contenues dans une tableau:

• Destination: Adresse du réseau à atteindre,

• Masque réseau: Masque associé à l’adresse du réseau à atteindre,

• Passerelle: L’adresse du routeur voisin à qui il faut envoyer les paquets destinés à un réseau distant. Dans le cas présent On-link veut dire qu’il s’agit d’un réseau directement attaché.

• Interface: Adresse de l’interface physique de la machine par laquelle il faut faire sortir le paquet.

• Métrique: Métrique ou critère ou paramètre de routage. C’est la mesure quantitative qui permet de comparer plusieurs routes vers la même destination.

Comme métriques de routage on peut utiliser le coût (réel ou non), la vitesse de transmission, le niveau de retard, etc.

Les routeurs échangent les informations de routage entre eux et chaque routeur les traitent pour construire sa table de routage. Les informations sont échangées à l’aide des protocoles de routage. Les algorithmes qui permettent aux routeurs de calculer les routes sont appelés algorithmes de routage.

Table de routage d’un poste de travail connecté à un réseau

Les protocoles de routage implémentent les algorithmes de routage. Ils ont évolué au fil des ans pour répondre aux exigences de l’évolution des besoins du réseau. Bien que de nombreuses organisations ont migré vers des protocoles plus de routage récents tels que Enhanced Interior Gateway Protocol Routing (EIGRP) et Open Shortest Path First (OSPF), la plupart des protocoles de routage antérieurs, tels que Routing Information Protocol (RIP), sont encore en usage aujourd’hui. Les protocoles de routage sont classés selon les types de routage:

• Routage par vecteur de distance (Distance Vector Routing)

• Routage à état de liaison (Link State Routing)

• Routage hybride (Hybrid Routing)

La charge que représente l’utilisation de protocoles de routage dynamique est consistente.

C’est ainsi qu’une partie des ressources d’un routeur pour le fonctionnement du protocole, y compris le temps CPU et la bande passante de liaison réseau. C’est pourquoi les routeurs sont

des équipements à la pointe de la technologie. La figure montre un routeur de dorsale. On les appelle aussi des “usines de routage”.

Un routeur de dorsale

(Source: http://www.backbone-news.com/wp-content/uploads/2008/03/mx960_right_low.png)

Forwarding

Le routage permet de découvrir les routes. La commutation se sert de ces routes (portées dans la table de routage) pour savoir à quel port de sortie O un paquet reçu à un port d’entrée I doit être envoyé. Le forwarding ou transfert exécute ce passage du port d’entrée au port de sortie identifié, en ajustant les étiquettes de transfert (forwarding labels). Les paquets sont transférés entre une interface source et une interface de destination. L’interface avec l’adresse IP de destination qui est spécifiée dans les en-têtes de paquets récupère ensuite les paquets à partir du réseau local. La figure montre un exemple avec un paquet qui arrive au port I du routeur R1 avec l’adresse de destination 1.1.1.1 et l’étiquette 8. Le paquet fait l’objet de plusieurs transferts sur le quatre routeurs avec chaque fois un ajustement d’étiquette. Le routage dispose d’une table d’étiquettes (déduite de la table de routage) qui permet d’établir les correspondance entre les couples .

Forwarding et labels de transfert

(Source: http://www.iptut.com/images/CCIP_Knowledge/Basic_MPLS/MPLS_Example.jpg)

Multiplexage

A côté de la commutation et du routage, le multiplexage représente une autre fonction centrale à l’intérieur du réseau. C’est le multiplexage qui permet le partage des lignes de transmission par plusieurs communications, aussi bien dans les réseaux à commutation de circuits que dans les réseaux à commutation de paquets. Le principe général du multiplexage est illustré sur la Figure 8: Plusieurs flux de communication différents sont regroupés

(multiplexés) à l’entrée de la ligne de transmission et circulent comme un seul signal (ou une seule trame) jusqu’à la sortie de la ligne où le groupe est dissocié (démultiplexé) et chaque flux dirigé vers sa destination.

De nos jours le multiplexage est implémenté dans des équipements réseau tels les

commutateurs et les routeurs. Le groupe fonctionnel qui réalise le multiplexage est appelé multiplexeur (MUX) et celui qui réalise le démultiplexeur est appelé démultiplexeur (DEMUX).

La communication étant bidirectionnelle dans la plupart des cas, on rencontre toujours les deux groupes fonctionnels là où il y a implémentation du multiplexage.

Principe général du multiplexage

Plusieurs techniques de multiplexage ont été développées au fil du développement des réseaux et des systèmes de télécommunications. Elles peuvent être regroupées en deux grandes catégories: