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Veille technologique : Topologie des réseaux
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I - TOPOLOGIE DES RESEAUX :
La disposition géométrique des différents composants du réseau (ressources informatiques, dispositifs éloignés, liaisons de communications) porte le nom de topologie du réseau. Plus précisément un réseau est constitué de noeuds et d’arcs.
On définit un noeud comme l’extrémité de toute liaison du réseau. Ce noeud peut représenter un ordinateur, un équipement terminal, un poste de travail, un équipement quelconque ou encore un dispositif d’interconnexion.
On appelle arc toute voie de communication entre deux noeuds. On parle aussi de canal, de circuit, de liaison ou de ligne.
Lors de la conception, la topologie du réseau est fonction de plusieurs paramètres. Citons essentiellement : les fonctions souhaitées, la fiabilité, les coûts opérationnels. A l’inverse des réseaux longue distance qui n’ont aucune contrainte topologique, la plupart des réseaux locaux possèdent leur propre topologie qui définit et délimite le champ d’action du réseau local.
On distingue deux types de réseaux normalisés : les réseaux à liaison point à point et les réseaux à liaison multipoint. Dans une liaison point à point, deux noeuds sont reliés par une unique voie de communication. Aussi, à une telle liaison correspond un seul canal de transmission. Dans une liaison multipoint, plusieurs noeuds partagent la même voie de communication mais un seul des noeuds peut émettre à un instant donné. La plupart des réseaux mettent en oeuvre une technologie de topologie « diffusée » basée sur le multi-adressage, sans pour autant renoncer aux notions de liaison point à point et multipoint. Dans ce cas chaque message est physiquement transmis à tous les noeuds du réseau mais seule la station à qui est adressé le message prend en considération les informations qui lui parviennent.
Cette technique diffère des notions de liaison point à point et multipoint pour lesquelles un noeud central dessert une station à la fois et où un message n’est transmis qu’à son seul destinataire. Les topologies de réseau les plus usuelles sont en anneau, en étoile, en bus ou en mailles (topologie maillée).
Différentes topologies possibles
1) Topologie en anneau (Token Ring ou Ethernet) :
La caractéristique essentielle d’une topologie en anneau réside dans le fait que les noeuds, reliés entre eux par des liaisons point à point, forment une figure circulaire et fermée. Généralement ces topologies sont unidirectionnelles, les messages circulant dans un seul sens. Quand un message est émis d’un noeud, il se transmet de noeud en noeud tout le long de l’anneau jusqu’à ce qu’il parvienne à son destinataire ou qu’il retourne au noeud émetteur. Chaque noeud doit donc être en mesure de reconnaître sa propre adresse afin d’accepter les messages qui lui sont destinés. De plus chaque noeud joue un rôle de répéteur actif qui retransmet les messages qui ne lui sont pas destinés.
Si les liaisons sont en duplex intégral (full duplex), alors les réceptions et les transmissions peuvent s’effectuer dans les deux sens. Les messages doivent toujours transiter par tous les noeuds entre émetteur et récepteurs mais l’utilisateur peut choisir le chemin le plus court. Les topologies unidirectionnelles en anneau offrent les avantages suivants :
- L’acheminement des messages est considérablement simplifié dans la mesure où dans la majeure partie des cas, il n’existe qu’un unique chemin entre émetteur et récepteur.
- A l’émission, un noeud n’a besoin de connaître que l’adresse du noeud destinataire, sans avoir à tenir compte de son emplacement géographique.
- La mise en oeuvre de la technique de topologie diffusée est aisée. En effet, chaque noeud est capable de recevoir un message pourvu que les noeuds précédents n’aient pas été retirés de l’anneau.
- L’investissement peut être modéré : le coût est proportionnel au nombre d’utilisateurs ou d’interfaces.
- Ce type de conception permet de hauts débits. Plusieurs messages peuvent en effet circuler sur des liaisons différentes au même instant.
Les topologies en anneau se distinguent les unes des autres selon le mécanisme de transmission des messages utilisé.
Citons par exemple :
- a) Passage circulaire (noeud à noeud) non sélectif d’un jeton de contrôle : seul le noeud en possession du jeton peut émettre un message (de taille quelconque).
- b) Partage de l’anneau en trames. Des trames d’information de longueur fixe circulent tout le long de l’anneau de noeud en noeud. Un bit de trame indique à chaque noeud si la trame reçue contient de l’information ou non. Le noeud peut remplir une trame s’il en émet le besoin (multiplexage à la demande), mais on peut aussi lui assigner une ou plusieurs trames fixes (multiplexage synchrone).
Quelle que soit la technique utilisée, un élément de contrôle (jeton de contrôle ou signal véhiculé sur un fil à part) doit circuler d’un noeud à l’autre afin de déterminer le noeud autorisé à émettre à l’instant considéré. Il faut tenir compte d’une éventuelle perte de cet élément de contrôle. Après une telle erreur, la circulation de cet élément doit repartir d’elle même.
Cette opération s’effectue en régénérant l’élément de contrôle et en l’attribuant à l’un des noeuds. Il est parfois difficile de savoir avec certitude si l’élément de contrôle est effectivement perdu ou de déterminer quel noeud doit prendre l’initiative de relancer sa circulation, mais des solutions existent. Ces solutions font en général appel à des techniques de résolution de conflits d’utilisation.
Les erreurs de transmission et de traitement ne sont pas négligeables. Ainsi supposons par exemple, que l’adresse d’un message soit pour une raison ou une autre, modifiée. Si l’adresse erronée existe, un noeud recevra un message qui ne lui était pas destiné. Si l’adresse invalide ne correspond à aucun noeud, le message continuera de circuler inutilement. Pour traiter correctement ce genre d’erreurs, divers schémas de contrôle sont implantés dans les systèmes pour surveiller et éliminer ces messages parasites.
Les performances d’un réseau en anneau dépendent essentiellement du mécanisme de transmission des messages. Une technique simpliste peut consister, pour chaque noeud, à charger les messages dans une mémoire tampon afin de consulter une zone d’adresse. Si le trafic s’intensifie, les messages vont devoir attendre à chaque noeud dans une longue file d’attente pour l’entrée et/ou la sortie. Le retard est une fonction fixe qui dépend du nombre de noeuds et de la durée de traitement de chaque noeud.
La défaillance d’un ou plusieurs noeuds peut, elle aussi, causer une impossibilité d’accès à l’anneau voire une panne totale du système. On peut compenser cette fiabilité moyenne par une haute technologie de conception.
Les extensions à de tels réseaux se font simplement. Elles ne nécessitent que l’insertion électrique des nouveaux noeuds et la prise en compte par les noeuds préexistants des nouvelles adresses de ces nouveaux noeuds. Les réseaux en anneau semblent particulièrement efficaces dans les situations où un petit nombre de noeuds opèrent à grande vitesse sur de courtes distances. La technique de passage d’un jeton donne en général de bons résultats tant que son implantation induit de faibles retards à chaque poste. On peut alors atteindre des débits binaires de 100 Mbit/s.
2) Topologie en étoile :
La topologie en étoile est la seule, commercialement disponible, à ne pas utiliser la technique de topologie diffusée. Ce type de topologie est constitué d’un noeud central auquel sont reliés par des liaisons point à point tous les autres noeuds. Ce noeud central contrôle et achemine la totalité du trafic du réseau. Lors d’une transmission d’un noeud à un autre, le noeud émetteur fait une demande au noeud central. En réponse, ce dernier établit la communication avec le noeud appelé.
Il y a deux types de réseaux à topologie en étoile : les réseaux à commutation de circuits et les réseaux à commutation de messages. En commutation de circuits, la liaison entre noeud émetteur et noeud récepteur est exclusivement établie pour la communication entre ces deux noeuds tant qu’il n’y a pas d’interruption. Les autocommutateurs privés modernes (Private Activate Branch eXchange : PABX) sont conçus sur ce modèle de commutation de circuits.
En commutation de messages, le message est d’abord transmis à un noeud intermédiaire (ordinateur de commutation), stocké pendant une période généralement courte puis retransmis vers son destinataire. La destination du message est alors indiquée dans une zone d’adresse contenue dans ce même message. La technique de transmission exposée précédemment porte le nom de « technique de stockage et retransmission ». Elle est typique de ces réseaux modernes à commutation de messages. Certains systèmes modernes de traitement distribué sont constitués d’un ensemble d’étoiles reliées entre elles par leur noeud central.
La défaillance d’un noeud externe de l’étoile a une incidence nulle sur le reste du réseau. C’est là un avantage de ce type de topologie. En revanche, à moins d’un équipement double de secours, une panne du noeud central bloque l’intégralité du réseau. Pour un réseau constitué d’une unique étoile, les possibilités de croissance sont uniquement dictées par la puissance du noeud central de commutation.
La possibilité de croissance du réseau s’évalue grâce à la capacité de commutation (nombre de commutations possibles pendant une durée donnée), le nombre de circuits pouvant être simultanément maintenus, et le nombre total de noeuds desservis. La capacité de commutation dépend elle-même de la vitesse des messages, du temps message et de la durée de traitement requise pour chaque message. Dans une topologie en étoile on appelle temps message le temps nécessaire à l’unité centrale pour traiter et aiguiller un message. Le temps de traitement dépend du nombre de noeuds desservis et de la longueur des messages. Le débit est défini comme l’inverse de la somme du temps de traitement et de la durée de stockage en mémoire tampon lors d’une entrée/sortie. Lorsque l’on utilise des logiciels de commutation, les autocommutateurs privés normaux peuvent en général maintenir de 2000 à 4000 circuits simultanés, avec une vitesse effective de transmission entre les dispositifs qui peut atteindre les 56 Kbit/s.
3) Topologie en bus :
Ce type de topologie est beaucoup plus connu que la topologie en anneau. Cela est sans doute dû à l’influence du réseau Ethernet de chez Xerox ainsi qu’à la reconnaissance généralisée du câble comme moyen de transmission. Dans une topologie en bus, les noeuds du réseau sont tous reliés à un même câble appelé bus. La liaison se fait par des dispositifs d’interface. Chacune de ces unités d’interface possède une adresse qu’elle utilise pour la réception des messages.
Il existe de nombreuses techniques pour arbitrer l’utilisation du bus. On distingue néanmoins les deux classes suivantes :
- a) le contrôle centralisé qui fait appel à un noeud privilégié (appelé arbitre ou maître). Ce type de gestion est assez rare pour les réseaux locaux.
- b) le contrôle réparti. On utilise dans ce cas un bus spécial dit « bus de contrôle ». La logique de commande est alors distribuée le long du câble à tous les noeuds. Cette technique est la plus courante.
Lors de la transmission d’un message qui ne lui est pas destiné, un noeud joue un rôle passif. Ceci permet de minimiser les conséquences de la défaillance éventuelle d’un noeud sur le reste du réseau. En cas de panne d’un noeud, les conséquences sont pratiquement nulles. La fiabilité d’un tel réseau tient à sa topologie et à ses stratégies de contrôle. Lorsqu’on utilise des techniques de contrôle d’encombrement, pratiquement toutes les défaillances ont les mêmes effets qu’une simple collision, qui est alors automatiquement traitée par le réseau (selon les systèmes de gestion implantés).
Les performances d’un réseau en bus dépendent essentiellement de la largeur de bande du bus, du nombre de noeuds, des protocoles d’accès ainsi que des données relatives au trafic (type, débits maximaux et moyens).
Les possibilités d’extension d’une structure en bus sont en général fixées par les moyens de transmission. Il faut parfois recourir à des amplificateurs ou répéteurs. Il faut aussi tenir compte des caractéristiques tant matérielles que logicielles mais en règle générale, les extensions et reconfigurations se font sur un réseau en bus sans problème majeur.
Une variante à cette topologie consiste à séparer le bus principal en plusieurs tronçons : on parle alors de topologie en arbre. La jonction entre tronçons se fait par des dispositifs de passerelles. Les performances et la fiabilité de ce type de réseau sont en tous points semblables à celle du réseau en bus.
4) Topologie en mailles (ou maillée) :
Ce type de topologie recouvre l’ensemble des réseaux dont la configuration n’est pas nécessairement remarquable. Ce sont l’emplacement et l’agencement de ses noeuds qui définissent la forme géométrique du réseau qui varie donc selon les cas. La configuration adoptée est celle qui se révèle la plus économique. On parle alors de topologie sans contrainte ou hybride (par opposition à une topologie de forme prédéterminée).
Les liaisons sur de tels réseaux peuvent être tant point à point que multipoint (on dispose dans ce dernier cas de plusieurs mêmes voies de communications). Les noeuds peuvent être passifs ou actifs selon qu’ils jouent un rôle ou non dans l’acheminement des messages.
Il est difficile de prédire les performances d’un réseau maillé car il utilise alors nécessairement des techniques d’aiguillage qui lui sont propres. Cela nécessite souvent des modèles de simulation très complexes. Les capacités de croissance sont à priori fixées par la capacité des noeuds existants à traiter un trafic supplémentaire. Cette topologie est en fait assez peu utilisée dans les réseaux locaux. On la trouve par contre dans les réseaux longue distance à commutation de paquets. On trouvera dans le tableau ci-dessous un résumé des caractéristiques de chacune de ces topologies.
II - CONTROLE ET ACCES :
Les techniques de contrôle et d’accès, utilisées conjointement à une topologie judicieuse, permettent de réaliser les fonctions requises et le performances souhaitées par l’utilisateur du réseau.
Le contrôle du réseau peut être soit centralisé en un unique noeud de contrôle, soit distribué à l’ensemble des noeuds du réseau.
On entend par accès l’ensemble des techniques utilisées pour qu’un noeud obtienne le bénéfice d’un canal commun afin de transmettre des données. Il existe principalement deux techniques : les méthodes de compétition (contention-oriented) et les méthodes d’élection. On parle aussi respectivement accès aléatoire (ou statistique) et de permis à émettre.
1) L’invitation à émettre (Polling) :
Cette technique entre dans la catégorie des méthodes d’élection. Chaque noeud a alors accès au canal selon un ordre déterminé. Les collisions directes sont ainsi totalement évitées. Souvent, un noeud central interroge successivement tous les autres noeuds. Si un noeud veut émettre un message, il ne peut le faire que lorsque «c’est son tour», sinon le noeud central questionne le noeud suivant. Cette technique porte le nom de «consultation». L’ordre suivant lequel sont interrogés les noeuds peut être arbitraire ou fonction de l’emplacement physique. Cet ordre peut aussi être déterminé par une échelle de propriétés, on parle alors de sélection.
Les techniques qui utilisent un noeud central d’appel peuvent être implantées sur toutes les topologies vues précédemment. On peut aussi utiliser un appel distribué. C’est alors le noeud qui définit son accès au canal. On utilise souvent dans les réseaux locaux la technique de passage d’un jeton.
2) Passage du jeton (Token Passing) :
Cette technique peut être considérée comme une forme d’appel distribué. On la retrouve principalement dans les réseaux en anneau mais on l’utilise aussi de plus en plus dans les réseaux en bus.
Le passage du jeton consiste en un bit spécial (appelé jeton) qui voyage circulairement de noeud en noeud tout le long de l’anneau. Lorsque un noeud doit effectuer une opération, il dispose, lorsqu’il obtient le jeton, d’un certain temps pour s’emparer du jeton, accepter un message ou en émettre un. Pendant ce temps tous les autres noeuds ne peuvent que « écouter » le réseau. Le jeton est ainsi passé de noeud en noeud jusqu’à ce que le noeud émetteur en reprenne possession. Celui-ci s’assure alors de la bonne réception du message par son destinataire.
Cette technique de passage de jeton garantit un accès au réseau pendant un temps prédéterminé. Elle s’adapte mieux que les techniques de compétition au contrôle des commandes, au traitement et à toutes les applications en temps réel.
3) Techniques de compétition :
Par cette méthode accès des noeuds au réseau se fait de manière statistique. Une des techniques les plus utilisées est la détection de signal avec accès multiple et détection de collision (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection : CSMA/CD). Avec ce système, le noeud « écoute » le silence sur la voie avant d’émettre. Si un autre poste émet, le noeud peut soit se mettre en état passif pendant un intervalle de temps prédéterminé, soit surveiller continuellement la ligne pour émettre dès qu’elle se libère.
En cas de collision (deux postes ont émis simultanément), chacun des noeuds émetteurs retransmet son message au bout d’un intervalle de temps aléatoire. La distribution des temps d’attente dépend de facteurs tels que le volume du trafic sur le réseau, la longueur des messages ou la longueur effective des liaisons physiques. Cette méthode permet de traiter tous les postes sans privilégier l’un d’eux.
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