Linterconnexion niveau 3 : Les routeurs et le routage

Objectif: Comprendre les fonctions de base des appareils niveau 3.

I- La couche reseau et Les routeurs :

1/ Rappel :

Routeur : Un routeur est un équipement de couche 3 du modèle OSI qui permet de choisir la meilleure voie possible et de commuter des paquets de données entre deux réseaux différents. Les routeurs peuvent servir à segmenter un réseau local, ainsi qu'à créer de plus petits domaines de diffusion ou de collision. Cependant, l'utilisation la plus importante des routeurs est de servir d'équipement fédérateur pour les réseaux longues distances.

→ Principe : si les ponts connaissent ladresse de tous les ordinateurs du réseau situé de chaque côté. Un routeur connaît non seulement ladresse de tous les ordinateurs mais aussi des autres routeurs de façon à pouvoir choisir la meilleure route denvoi dun message. Les routeurs remplissent leurs fonctions en créant des tables de routage, qui sont habituellement tenues de manière dynamique par un protocole de routage, et en échangeant de l'information sur le réseau avec d'autres routeurs.

Mode	Datagramme	Circuit virtuel
Connexion	Pas de connexion préalable	Nécessite une connexion préalable
Routage	Chaque paquet a un routage indépendant	La route est établie à linitialisation du circuit virtuel; chaque paquet suit cette route
Adressage	Chaque paquet contient ladresse de la source et de la destination	Chaque paquet contient le numéro de circuit virtuel
Contrôle de congestion	Difficile et complexe	Facile lorsquil est possible dallouer les ressources nécessaires (mémoires, bande passante, etc.) lors de létablissement de circuit
Qualité de service	Ni contrôle derreurs, ni contrôle de flux (travail fait par lutilisateur : couche transport) → alléger la tâche du réseau	garantie
Analogie	Le service postal	conversation téléphonique

 

2/ Réseau IP avec aiguilleur (Routeur):

·   Routeur (Router)?:

cest un ordinateur ayant au moins 2 interfaces réseau et un logiciel daiguillage qui traverse les paquets selon sa table des routes. (travaille au niveau 3 du modèle OSI). Il peut être soit:

                   - un produit commercial (CISCO, Nortel, 3COM, …)

                   - un ordinateur avec UNIX ou NT avec le logiciel daiguillage

  Utilités: - séparer 2 groupes dordinateurs ayant des vocations différentes

              - séparer un réseau contenant un nombre important dordinateurs

              - pour des raisons de sécurité

.

 

 

II- Routage des paquets :

But : acheminer un paquet vers sa destination finale en traversant un ensemble de réseaux.

 

1/ Principe de routage :

Lorsquun paquet doit être envoyé à une adresse IP donnée, lordinateur vérifie dabord si ladresse de destination est situé sur le même réseau local :

masque & @local = même partie réseau ?

·   Si ladresse destination est sur le même réseau local → envoie du paquet directement à lordinateur destinataire. Sinon, lordinateur consulte sa table de routes pour identifier vers quel aiguilleur il enverra le paquet (généralement un seul). 

 

·   Lorsquun ordinateur envoie un paquet sur Internet à un autre ordinateur (plusieurs aiguilleurs), le chemin du paquet nest pas déterminé davance → chaque aiguilleur dans le parcours décide vers quel autre aiguilleur il envoie ce paquet.

 

2/ Redirection des routes:

Vu du PC:

• Le routeur 192.168.2.1 sert le réseau 192.168.1.X
• Le routeur 192.168.2.5 sert les autres réseaux

·     Si on configure notre PC en pointant le routeur 192.168.2.5 comme défaut et quon envoie un paquet à destination de 192.168.1.6, le routeur 192.168.2.5 ne sera pas en mesure dacheminer les paquets vers le réseau 192.168.1.X

·     Dans ce cas, il renverra un message REDIRECT du protocole ICMP vers notre PC lui disant que pour le 192.168.1.X, le paquet doit être acheminé à lautre routeur 192.168.2.1

·     Notre PC conservera cette information et enverra les prochains paquets au bon routeur

→ Chaque ordinateur se construit une table partielle des routes selon les informations renvoyées par les routeurs.

3/ Configuration simple dun routeur CISCO :

Exemple dun routeur avec 2 réseaux et Internet

III- Les Algorithmes et les protocoles de routage :

But → Décider sur quelle ligne de sortie un paquet entrant doit être retransmis.

 

 

Comment ?         : Généralement, les routeurs doivent collaborer pour trouver les meilleurs chemins.

Exemple : Toutes les routes optimales dun nœud A vers les autres nœuds forment un arbre collecteur (construire larbre collecteur pour chaque nœud).

Classification :

- Statiques: Les routes sont pré-calculées et téléchargées dans les routeurs lors de linitialisation du réseau.

- Dynamiques : Les routes changent selon les changements de la topologie du réseau (ajout et/ou élimination des liens et/ou des routeurs) et le trafic.

- Centralisés: Les routes sont calculées par un centre qui possède les informations nécessaires.

- Distribués: Collaboration entre les routeurs afin de déterminer les meilleures routes.

 

1- Le concept dAutonomous System (AS) :

→ Cest un domaine de routage (réseaux+routeurs) sous la responsabilité dune autorité unique (un réseau de société  multinationale ou un fournisseur Internet). Il représente une architecture de routage indépendante des autres systèmes autonomes et identifié par un numéro unique (16 Bits) attribué par le NIC.

→ Un routeur dans un AS est dit «internal gateway», il implémente un protocole de routage appelé «Interior gateway Protocol»; Exemple de IGPs: RIP, OSPF, IGRP.

→ Le protocole de routage entre «internal gateways» est appelé «Border Gateway Protocol», il sert à distribuer des informations de routage entre les providers.

 

2- Les algorithmes de routage statique :

è Le plus court chemin (Dijkstra) :

- Principe: À chaque étape: Choisir un nouveau nœud atteignable avec le coût minimal et ajouter larc, permettant de latteindre, à larbre.

→ Inondation (Flooding):

- Principe : Chaque paquet entrant est retransmis sur toutes les lignes de sortie, excepté sur la ligne darrivée. Les paquets dupliqués seront éliminés à larrivée.

- Avantages : → Lalgorithme trouve toujours le meilleur chemin.

→ Lalgorithme est robuste: la disparition de quelques nœuds intermédiaires est tolérée.

- Inconvénients : → Augmentation de la charge du réseau

→ Des paquets peuvent être dupliqués et circuler infiniment

Que faire pour les paquets dupliqués infiniment ? : Insérer un compteur dans chaque paquet (TTL) indiquant le nombre maximal de nœuds quil peut traverser. Ce compteur est décrémenté par chaque routeur traversé. Le paquet est éliminé lorsque le compteur devient nul.

3- Les algorithmes de routage dynamique :

→ Routage à vecteur de distance de Bellman-Ford : (Routage distribué)

- Principe : Chaque routeur connaît les distances qui le séparent de ses voisins. Toutes les T secondes, chaque routeur transmet à tous ses voisins son vecteur de routage, c'est-à-dire les routes quil connaît.

Une route est composée dune adresse destination, dune adresse de passerelle et dune métrique indiquant le nombre de sauts nécessaires pour atteindre la destination. Une passerelle qui reçoit ces informations compare les routes reçues avec ses propres routes connues et met à jour sa propre table ou vecteur de routage: → si une route reçue comprend un plus court chemin,

             → si une route reçue est inconnue.

A, B et C : Routeurs @1 et @2 : Adresses 0, 1, 2  : Métriques L             : Local

 - Exemple dutilisation: les protocoles RIPv1 et IGRP.

 

→ Initialisation :

→ Premier échange :

 

→ Second échange :

 

- Amélioration apportée par RIP Version 2 :

→ Gestion de sous-réseaux et super-réseaux (CIDR et VLSM)

→ Utilisation de Multicast IP (ladresse 224.0.0.9) au lieu de Broadcast IP.

M = F x k1 et k2 sont des facteurs de pondération fixés par ladministrateur ou modifiés dynamiquement par la valeur du champ TOS.

- Différence entre RIP et IGRP : La différence la plus évidente se rapporte à la métrique. Si RIP compte seulement le nombre de sauts, IGRP annoncent jusquà cinq paramètres qui décrivent la métrique pour chaque route, calculée au moyen dune formule mathématique :

   → La bande passante ou le débit « D »

   → Le délai « T »

   → La fiabilité « F »

   → La charge « C »

   → Lunité maximale de transmission.

- Inconvénients : → La taille des informations de routage est proportionnelle au nombre de routeurs du domaine,

→ Métrique difficilement utilisable : lenteur de convergence,

→ Bouclage, éventuellement à linfini,

→ Pas de chemins multiples,

→ Coût des routes externes arbitraire.

→ Routage par information détat de liens : lalgorithme Shortest Path First (SPF) :

- Principe : Périodiquement, chaque routeur fait les étapes suivantes:

→ Découvrir ses voisins: Envoyer un paquet spécial (HELLO) sur chaque ligne de sortie. Les routeurs qui recevront ce paquet doivent répondre en donnant leur nom, adresse réseau, etc.

→ Mesurer le temps dacheminement vers ses voisins. Une solution consiste à envoyer un paquet spécial ECHO qui sera retourné par le nœud voisin. Comme temps dacheminement, on prendra la moitié du temps aller retour du paquet ECHO.

→ Diffuser les informations collectées: Construire un paquet détat de lien contenant les informations collectées (voisin, état up ou down, distance, etc.) et le diffuser à tous les nœuds du réseau en utilisant lalgorithme dinondation.

→ Lorsque un message parvient à  une passerelle, celle-ci met  à  jour la carte de liens et recalcule localement pour chaque lien modifié, la nouvelle route selon lalgorithme de Dijkstra qui détermine le plus court chemin pour toutes les destinations à  partir dune même source.

→ Les passerelles maintiennent une carte complète du réseau et calculent les meilleurs chemins localement en utilisant cette topologie.

- Exemple dutilisation : les protocoles OSPF et integrated IS-IS.

- Avantages : → OSPF utilise la fonctionnalité “type de service” offerte par IP qui permet dinstaller plusieurs routes pour une même destination, selon des critères différents (ex : délai court, débit important).

→ Si plusieurs routes vers une même destination sont de coûts équivalents, OSPF répartit la charge équitablement entre ces routes.

→ OSPF supporte ladressage en sous-réseaux (subnets).

→ Découpe dun système autonome en aréas.

→ Les liens extérieurs avec dautres systèmes autonomes (via BGP par exemple) sont pris en compte.

→ Routage Hiérarchique :

- Problèmes des autres algorithmes de routage:

→ Augmentation de la charge de réseau (inondation)

→ Chaque routeur est obligé à connaître tous les autres

→ Table de routage assez volumineuse

→ Demande beaucoup despace et la recherche prend beaucoup de temps.

- Solution:

→ Découper le réseau en régions

→ Chaque routeur connaît les autres routeurs dans sa région (intra-routage)

→ Chaque routeur connaît les chemins vers les autres régions (inter-routage)

- Exemple dutilisation : le protocole OSPF.

→ Routage Hybrides et lalgorithme DUAL (Diffusing Update Algorithm) :

- Principe : lalgorithme DUAL permet au routeur de calculer le meilleur chemin vers chaque sous-réseau et aussi de trouver des chemins alternatifs au cas où la route courante deviendrait inutilisable.

- Avantage : convergence rapide.

- Exemple dutilisation : Le protocole EIGRP (Enhanced IGRP).

IV- Les Algorithmes de contrôle de congestion :

→ Problème : Quand le nombre de paquets qui circulent dans le réseau devient très grand (plus que sa capacité), les performances de ce dernier se dégradent.

→ Solutions :

- Préventives: Contrôler le nombre de paquets qui rentrent dans le réseau par unité de temps.

-  Correctives: Envoyer des messages aux nœuds pour quils diminuent leurs trafics.

Cas dun Circuit virtuel : Avant détablir un circuit, sassurer quil ny aura pas de congestion puis essayer de choisir des routes non congestionnées et refuser létablissement de circuit, si cela nest pas possible.

Bibliographie :

-      TCP/IP simplifié → MARC BLANCHET / Les éditions LOGIQUES

-      Réseaux et télécoms → Claude Servin / DUNOD

-      INTRO CCNA → Wendell Odom / CISCO SYSTEMS PRESS

-      TCP/IP – Le routage dynamique → Ph. Gautier et F. Playe / CentralWeb

-      La couche Réseau → IFT n° 14165 / Document Internet

-      Cours CCNA2 v3.1 : Théorie et pratique du routage