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L.A. Steffenel Master 2 Professionnel STIC-Informatique 1

Les WANs et ATM


Rappel : LAN, MAN, WAN

● Les LAN, MAN et WAN sont des exemples de réseaux de communication

– LAN : Local Area Network, distance entre 10m et 500m

● Traditionnel : débit entre 1Mb/s et 10Mb/s,● Haut débit : débit > 100Mb/s

– MAN : Metropolitan Area Network, distance entre 100m et 10km

● Débit > 50Mb/s– WAN : Wide Area Network

● Traditionnel : débit entre 10 kb/s et 1Mb/s, distance > 1km● Haut débit : débit > 1 Mb/s, distance > 50 km


Réseaux Longue Distance

● Les WAN couvre des zones géographiques étendues et utilisent généralement le réseau d'un opérateur

● Un WAN typique est constitué de plusieurs noeuds de commutation interconnectés

● Il offrait une capacité relativement modeste aux abonnés, inférieur à 64 kb/s (années 90)

● Les entreprises pouvaient obtenir des débits supérieurs

– E1 en Europe : 2,048 Mb/s

– T1 aux USA et Japon : 1,544 Mb/s

● Avec le développement de la fibre optique nous obtenons des débits bien supérieur

– Débit atteignant jusque 100Mb/s grâce à la technologie ATM


Les Réseaux Locaux

● Les LAN se distinguent des WAN de plusieurs manières

– L'étendue d'un LAN est réduite

– Un LAN appartient généralement à l'entreprise qui possède l'équipement d'interconnexion

● La gestion du réseau est donc à faire par l'entreprise● L'acquisition du matériel peut être coûteux

– Les débits bruts sont bien supérieurs à ceux des WAN

● On atteint maintenant le 10 Gb/s sur les LAN actuels. La moyenne étant au 100 Mb/s sur les stations et le 1 Gb/s sur les serveurs et entre le matériel d'interconnexion


Les Réseaux Métropolitains

● Les MAN sont apparus quand les entreprises ont eu besoin de débit supérieur à ceux offert par les WAN et sur des distances supérieures à celles offertes par les LAN

– ex : liaison entre le service comptable et le service technique, chacun situé dans une partie différente de la ville

● Un MAN est censé fournir la capacité requise pour un coût moindre et plus efficacement qu'un service d'un opérateur téléphonique

● D'un coté il existe la technologie ATM en mesure de répondre aux exigences du débit et de la distance, de l'autre l'approche du support partagé des LANs à étendre au MAN


Les WANs et ATM

Les Motivations


De Nouveaux Services

● Le haut débit sur les WAN permet de développer de nouveaux services et produits

– La voix sur IP (VoIP) et la téléphonie sur IP (ToIP)

– La vidéo sur IP

– La diffusion d'informations multi-points

● Nous nous dirigeons de plus en plus vers du temps réel dans les communications sur IP

– Vidéo à la demande

– Vidéo-conférences et visiophonie

– Émission télé avec canaux multi-langues

– Télé-travail

– Enseignement à distance


La Situation (90's)

● Le souhait : une convergence de tous les services vers IP

– Plus de PABX et de commutateurs

● Une seul équipement qui gère à la fois la voix et les données● Plus de distinction entre réseaux LAN et WAN

– Les débits atteints sur les WAN sont maintenant suffisants pour supporter la convergence totale

InformatiqueLocaux Réseaux locaux PABX

FDDIPublic Réseau WAN Réseaux Téléphoniques

Internet

Telecom

EthernetToken Ring

Transpac


Les WANs et ATM

Les Techniques


La Commutation

● Technique historique des réseaux télécom

● Pour acheminer des informations de la source à la destination, il faut définir une route entre les 2 parties

● Nous appelons noeud un équipement de commutation dont le rôle est d'assurer la communication

● Chaque station est raccordé à un noeud et l'ensemble des noeuds forme un réseau de communication

● 2 technologies sont utilisées sur les réseaux longues distances

– La commutation de circuits

– La commutation de paquets


La Commutation de Circuits

● La technologie dominante pour la transmission de la voix et des données à longtemps été la commutation de circuits

● La commutation de circuits implique l'existence d'un chemin dédié entre 2 stations

● Sur chaque lien physique, un canal est consacré à la connexion


La Commutation de Circuits

● Fonctionnement

– Établissement du circuit

– Transfert des informations

– Déconnexion du circuit

● Le circuit est établi avant la transmission des informations donc des canaux sont réservés même en l'absence de données transférées, souvent le cas en informatique, contrairement au transport de la voix

– Exemple : le RTC, réseaux téléphonique commuté, et le PABX (Private Automatic Branch Exchange)


Le Réseau de Communication Public

● Il est formé des quatre composants architecturaux génériques :

– Équipement d'abonnés

● Équipement utilisateur connecté au réseau– Lignes d'abonnés

● Les lignes qui relient les abonnés au réseau, chacune d'elles étant qualifiée de boucle locale

– Centres de commutation

● Ils comprennent les centraux téléphoniques locaux et les centres de transit intermédiaires

– Artères

● Ce sont les liaisons entre les centres de commutation. Elles transportent généralement de nombreux circuits voix à l'aide du multiplexage


Établissement de la Communication

● Entre 2 abonnés connecté au même centre local, un circuit est fait directement au sein du centre local

● Entre 2 abonnés connecté à des centres locaux différents, un circuit est fait entre les 2 centres locaux, par l'intermédiaire du centre de transit

● Le débit doit être maintenu entre les 2 stations afin d'éviter tout décalage entre l'émetteur et le récepteur


Voix versus Données

● La commutation de circuit est adaptée pour le transit de la voix

– chaque canal a besoin d'un débit relativement réduit

● Par contre, pour les données :

– La ligne reste inutilisée pendant la majorité du temps

– Le trafic n'a pas besoin d'être à débit identique de bout en bout, surtout pour l'interconnexion de matériel hétérogène

– les besoins de débit sont parfois bien plus importantes que ceux attribués à la transmission de la voix


La Commutation de Paquets

● Technique courante pour la transmission de données

● Dans la commutation de paquet, les données sont découpés en paquets souvent d'environ 1000 octets

● Chaque paquet est composé des données à transmettre et d'informations de contrôle

● Ils vont ensuite prendre une route pour atteindre la destination finale

● Chaque paquet peut prendre des routes différentes


Avantages

● Les lignes de transmission sont exploitées plus efficacement puisqu'un lien entre 2 noeuds peut être partagé dynamiquement par de nombreux paquets

● Il est possible d'assurer la conversion entre les débits différents

● Lorsque le débit s'intensifie sur un réseau à commutation de circuit, certains appels peuvent être bloqués (pas de lignes disponibles).

● Sur un réseau à commutation de paquets, les paquets sont toujours acceptés mais le délai de transmission augmente

● Des priorités peuvent être utilisées pour certains paquets par rapport à d'autres


Inconvénients

● Les noeuds introduisent un délai de transmission additionnel pour chaque paquet qu'ils traitent

– Temps passé par la paquet dans un tampon interne

● Suivant l'itinéraire et la taille, le délai de traitement par commutateur peut grandement varier

● Ajout à chaque paquet des informations de service, ce qui réduit la taille des données utilisateurs dans chaque trame

● Le transfert des données implique un traitement plus important au niveau de chaque noeud

– ex : TCP/IP


Commutation de Paquets

● Principe de fonctionnement

● Lorsque le message à transporter est trop grand

– Fabrication de plusieurs paquets

– ex. : segmentation des datagrammes IP (<=64ko) en trames Ethernet (1500 octets)

● L'acheminement se fait ensuite

– Soit par datagramme

– Soit par circuit virtuel


Le mode Datagramme

● Chaque paquet va être routé sans dépendance avec les précédents

● Plusieurs paquets peuvent donc prendre des routes différentes en fonction des politiques de routage de chaque noeud

● Les paquets peuvent donc arriver dans le désordre sur la station destination

– surcoût supplémentaire pour traiter les données

● Certain paquet peuvent aussi disparaître lors de leur transport


Les Avantages

● Dans le mode datagramme

– L'absence d'établissement d'appel favorise les émissions de datagramme composé que de quelques paquets

– En cas de saturation d'un noeud, les datagrammes peuvent le contourner (tolérance aux fautes)

– Possibilité d'agrégation des débits


Le mode Circuit Virtuel

● Une route spécifique est établie entre les 2 parties communicantes avant d'envoyer les paquets

● De manière similaire à la commutation de circuit, tous les paquets vont emprunter la même route

● Les principales caractéristiques du mode circuit virtuel est l'établissement préalable d'une route (circuit) : ce que l'on nomme établissement de l'appel

● Attention : ce n'est pas une circuit dédié qui est créé. La différence avec la commutation de paquet, c'est que la route est précalculé une fois pour toute.


Les Avantages

● Dans le mode circuit virtuel

– Le réseau peut offrir des services associés au circuit virtuel, tels que le séquencement et le contrôle d'erreur

● Le séquencement se réfère au fait que les paquets arrivent dans l'ordre dans lequel ils ont été émis car ils suivent tous la même route

● Le contrôle d'erreur participe aussi à ce que les paquets arrivent en séquence en plus de garantir leur intégrité. Ainsi un noeud intermédiaire peut demander la réexpédition d'un paquet au noeud précédent

● Les paquets traversent le réseau de manière plus rapide car toutes les décisions de routage ont déjà été faites


Les WAN et ATM

La technologie ATM


Définition

● ATM : Asynchronous Transfer Mode, appelé également réseaux de cellules

– Procède par fractionnement des données à transporter

– La grande différence avec la commutation de paquet est la taille des paquets

● Avec ATM, le trafic est transporté en unités de transmission de taille fixe appelées cellules

– ATM possède des fonctions de gestion d'erreur et de contrôle de flux très simples

● Permet d'avoir un allègement du traitement de chaque cellule● Réduit le nombre de bits d'informations de service ajoutés à

chaque cellule● Permet d'obtenir des débits élevés


Connexions Logiques

● Les connexions logiques sont appelés des canaux virtuels, ou VCC (Virtual Channel Connection)

● Comparables aux circuits virtuels sur les réseaux à commutation de paquets

– Elles représentent l'élément fondamental du processus de commutation par cellules

● Dès établissement de la connexion entre les 2 utilisateurs, les cellules sont échangées en duplex dans les 2 directions

● Une connexion peut aussi servir à un échange utilisateur-réseau (signalisation de contrôle) ou réseau-réseau (gestion du réseau et routage)


La Pile des Protocoles ATM


Chemin Virtuel

● ATM introduit une seconde sous-couche de traitement pour la gestion d'un chemin virtuel, ou VPC (Virtual Path Connection)

● Il représente un faisceau de connexions individuelles destinées au même équipement

– Une VPC est donc une agrégation de plusieurs VCC

● Ainsi toutes les cellules transportées sur les connexions d'un seul chemin sont commutées ensemble

● Sur les réseaux à haut débit, la fonction de contrôle compte pour une part sans cesse croissante dans le coût globale

– La notion de chemin virtuel a été créé pour répondre à cette tendance, en permettant le groupement de connexions qui suivent le même itinéraire en une seule entité logique


La Cellule ATM

● 2 formats d'en-tête en fonction de son rôle

– Une en-tête Interface utilisateur-réseau

– Une en-tête Interface réseau-réseau

● La différence réside dans les 12 premier bits et sur la taille du champ Identifiant de chemin virtuel (Virtual Path Identier ou VPI)

– 4 bits pour le contrôle générique de flux + 8 bits pour le VPI dans l'en-tête Interface utilisateur-réseau ou

– 12 bits dans l'en-tête Interface réseau-réseau (donc pas de contrôle générique de flux)

● Chaque cellule est de 5 octets d'en-tête et de 48 octets de charge utile (données utilisateurs)


Les Champs des Cellules ATM

● Contrôle générique de flux (GFC Generic Flow Control), 4 bits

– Employé au niveau de l'interface locale utilisateur-réseau

– Peut être utilisé en tant qu'indicateur de niveau de priorité

● Identifiant de chemin virtuel (ou VPI Virtual Path Identifier)

– Exploité dans le cadre du routage

– Permet l'emploi d'un nombre supérieur de chemins virtuels dans le cas réseau-réseau (champ sur 12 bits) par rapport au cas utilisateur-réseau (champ sur 8 bits)

● Identifiant de canal virtuel (VCI Virtual Canal Identifier), 16 bits

– Sert au routage en direction ou en provenance de l'utilisateur final

● Type de charge utile (ou PT Payload Type), 3 bits


Type de Charge Utile

● Cellule de données utilisateur

– Données provenant de la couche immédiatement supérieure

● Le 3ème bit distingue 2 type de données de service ( SDU : Service Data Unit selon ATM Forum ou AAU ATM-user-to-ATM-user selon UIT-T)

– Bit à 1 : la cellule transporte des informations de gestion ou de maintenance du réseau

– Ainsi, il est possible d'insérer des cellules de service dans le flux de données utilisateur


Les différents cas : type de charge utile

● 000 : cellule de données utilisateur, aucune saturation (congestion) rencontrée, SDU de type 0

● 001 : cellule de données utilisateur, aucune saturation (congestion) rencontrée, SDU de type 1

● 010 : cellule de données utilisateur, saturation (congestion) rencontrée, SDU de type 0

● 011 : cellule de données utilisateur, saturation (congestion) rencontrée, SDU de type 1

● 100 : cellule OAM (Opération, Administration et Maintenance) de segment

● 101 : cellule OAM de bout en bout

● 110 : Cellule de gestion de ressource

● 111 : réservé pour une fonctionnalité future


Priorité de suppression (CLP)

● CLP : Cell Loss Priority

● Permet aux équipements de prendre certaines décisions lors des opérations de congestion

– Valeur 0 - indique une cellule de haute priorité qui ne doit être supprimé qu'en dernier recours

– Valeur 1 - signale au contraire une cellule qui peut être rejetée si nécessaire

● L'utilisateur peut donc envoyer des données avec ce champ à la valeur 1. Ces données n'arriveront à destination qu'en l'absence de congestion

● Les commutateurs peuvent mettre cette valeur à 1 si ils se rend compte qu'une cellule excède les caractéristiques de trafic prévues tout en ayant les ressources nécessaires pour la traiter


Contrôle d'erreur d'en-tête ou HEC

● HEC : Header Error Control

● Code de 8 bits qui peut être utiliser pour corriger les erreurs sur 1 bit dans l'en-tête et détecter celles sur 2 bits

– CRC avec polynôme générateur x**8 + x**2 + x + 1


Catégorie de Services

● L'architecture ATM autorise la gestion simultanée de nombreux types de trafic, y compris de celle d'applications temps réel

● Le traitement effectif qu'ils reçoivent sur le réseau dépend de leurs caractéristiques et des besoins de l'application source en terme de qualité de service (QoS)

– Exemple : un flux vidéo temps réel doit être acheminé avec des variations minimales dans le délai de transmission

● Les différentes catégories de services ATM auxquelles les systèmes utilisateurs peuvent recourir


Les Catégories

● Service temps réel

– Débit binaire constant : CBR (Constant Bit Rate)

– Débit binaire variable pur le trafix temps réel : rt-VBR (Real-Time Variable Bit Rate)

● Service non temps réel

– Débit variable pour le trafic non temps réel : nrt-VBR (Non Real-Time Variable Bit Rate)

– Débit binaire disponible : ABR (Available Bit Rate)

– Débit binaire non spécifique : UBR (Unspecified Bit Rate)

– Débit de trames garanti : GRF (Guaranteed Frame Rate)


Service Temps Réel

● Se distingue par les variations des délais de transmission, appelées gigues, que le service tolère

● La catégorie CBR est la plus simple à définir

– Application qui nécessite un débit constant disponible en permanence pendant la durée d'une connexion, avec des exigences strictes dans le délai de transmission

– Exemple : vidéo-conférence, audio interactive, ...

● La catégorie rt-VBR est destinée aux applications qui sont sensibles à la gigue sur la livraison des données

– Exemple : la compression vidéo produit des séquences contenant des trames d'image de taille variable. Le débit brute réel varie afin d'avoir en livraison une vidéo temps réel

– Le réseau est plus souple en rt-VBR qu'en CBR


Services Non-Temps Réel

● Service nrt-VBR : le système utilisateur spécifie un débit de cellule maximal, soutenu ou moyen

● Service ABR (Available Bit Rate) : pour gérer des envois sporadiques de trafic

– Dans ce cas, une application annonce un débit de cellules crête, le PCR (Peak Cell Rate), ainsi que le débit minimal qu'elle utilisera, le MCR (Minimum Cell Rate)


Services Non-Temps Réel (cont.)

● Service UBR (Unspecified Bit Rate) : pour les applications qui tolèrent des variations dans le délai de transmission et la perte de quelques cellules, comme c'est le cas du trafic TCP

● Service GFR (Guaranteed Frame Rate) débit de trames garanti

– Utilisé pour fournir les réseaux fédérateurs, ou backbones

– Plus approprié que le service UBR pour la gestion du trafic véhiculé par trames

– Vu la tendance à recourir à ATM comme support pour IP, GFR peut être la solution la plus intéressante


L'ATM en Pratique

● Les fonctions de routage de cellule est directement implantées en hardware, contrairement à la plupart des routeurs IP

● Chaque circuit virtuel peut atteindre aujourd'hui jusqu'à 622 Mb/s. L'aggregation de circuits virtuels et les indications de QoS permettent à certaines liaisons ATM d'atteindre 10 Gb/s sur quasiment n'importe quelle distance

● Les liaisons ATM sont indépendantes du type de support réseau (câble réseau torsadé, coaxial ou fibre optique)

● Technologie complémentaire à IP

● La technologie ATM n'a pas dans sa structure des adresses de destinations et d'émissions. Elle régit uniquement les couches basses du modèles OSI chargées du transport


Le modèle de Référence ATM


Les différents Plans

● Le modèle OSI suppose que les mécanismes de gestion et de contrôle utilisent le réseau de façon identique aux données de l'usager

● ATM considère que la gestion est traité d'une façon différente des données de l'utilisateur

– introduction de la notion de plans

● Plan Utilisateur – transfert des données, prise en charge des erreurs de transfert et la surveillance du flux émis

● Plan de contrôle - est responsable de l'établissement, de la libération et de la surveillance des connexions.

● Le plan de gestion assure des opérations de contrôle et de maintenance (tolérance aux fautes, gestion de performances, etc.)


Les Couches ATM

● Les couches ATM se localisent majoritairement au niveau des couches physique et liaison du modèle OSI

● Modèle établi en quatre couches (et plusieurs sous-couches) :

– La couche de transport des cellules sur un support physique (couche physique)

– La couche ATM proprement dite, chargée du transport des cellules de bout en bout selon le principe de commutation

– La couche réalisant l'adaptation à ATM des couches supérieures (couche AAL : ATM Adaptation Layer)

– Les couches supérieures représentant les applications utilisant ATM (ex : TCP/IP)


La Couche Physique

● La couche physique est composée de deux sous-couches :

– TC (Transmission Convergence) concerne l'adaptation des cellules ATM aux trames de transmission du réseau de transport choisi et la génération du checksum sur l'en-tête de la cellule

– PHY (physique) concerne l'adaptation physique du signal sur les différents médias utilisables : câble cuivre, fibre optique ou câble coaxial

● Les principales fonctions assurées sont les suivantes :

– Le contrôle générique de flux

– Le multiplexage/démultiplexage des cellules

– L'ajout/retrait de l'en-tête de la cellule

– La translation VPI/VCI assurée à l'intérieur du réseau par le processus d'acheminement des cellules dans les commutateurs.

●


La couche ATM

● La couche ATM est responsable de l'acheminement des données

– voir le début du cours (trame ATM, etc.)


La couche AAL

● Le rôle de la couche AAL (ATM Adaptation Layer) est de segmenter le flux d'information en provenance des applications en unités d'information de 48 octets et de réassembler les unités d'information chez le destinataire.

● Les fonctions de la couche AAL dépendent des caractéristiques des applications. Ainsi quatre AAL (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) sont normalisées selon les classes de service.


Résumé des fonctions des couches ATM


Conclusions

● Les standards ATM ont été crées par les télécoms. Un immense travail a été réalisé pour intégrer dans ATM le plus possible de technologies et conventions existantes en télécommunications

– résultat : ATM est une technologie assez (trop) complexe

● Plusieurs télécoms ont mis en place de grands réseaux ATM et beaucoup d'implémentations DSL utilisent ATM

– ATM a échoué à être largement répandu en tant que technologie LAN à cause de sa grande complexité

● La plupart des bonnes idées d'ATM ont été reprises dans MPLS, un protocole de niveau 2 de commutation de paquets

– MPLS a la possibilité de transmettre des paquets de longueur variable, mais il n'atteint pas le même niveau de définition et de garantie de qualité de service (QoS) que l'ATM

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