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Introduction à la modélisation des protocoles

Azza Ouled Zaid

Institut Supérieur d’Informatique

2ème année Cycle Ingénieur

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Motivation

Les système de communication sont de plus en plus

complexes– de plus en plus distribués, à temps réel et à processus multiples

Le nombre des produits informatique a accru d’une manière

exponentielle

Les systèmes sont exécutés dans un environnement hétérogène• Les équipements conçus par différent constructeurs doivent être capables de

communiquer ensemble.

• Les standards de télécommunication ont largement augmenté

Le système de communication est diversifié• Internet, communication de données, communication mobile

• Convergence des réseaux, interconnections & interopérabilité

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Motivation

La vérification et validation des systèmes est devenue un défi Pour assurer des produits logiciel avec une haute disponibilité, performance,

coût optimal, portabilité, changement et mise à jour. Contrainte du temps

• Les nouveaux services et systèmes doivent être disponibles très rapidement• Comment réduire le temps de vérification ?

Contrainte de qualité• Comment peut on améliorer la qualité de vérification ?• Les techniques informelles telle que l’apprentissage pour les tests de protocole sont

inadéquates La génération et l’exécution d’un case study sont très coûteuses du

point de vue temps• Nous tendons de rendre le processus de vérification moins coûteux et réutilisable

Conclusion: Conception formelle & vérification est une nécessité

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Objectif du cours

Les principes de base de l’ingénierie des protocoles

Modélisation et vérification des protocoles basées sur les

machines à états finis MEF

Tests théoriques et pratiques des protocoles

Maîtrise du système de télécommunication

Technique de test de conformité

Le bon langage de spécification

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Prérequis

Protocoles et réseaux informatiques Connaissance de

L’architecture des 7 couches du modèle OSI et les concepts telles que service, interfaces..

Concepts de base des protocoles • contrôle de flux,

• contrôle de l’erreur

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Introduction générale

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Système de télécommunication

Télécommunication(s) : la science de transmission de l’information (mots, voix, images) à travers de longue distance, sous forme de signaux éléctromagnetiques (télégraphe, téléphone, radio, TV)

communication à distance

Système : l’ajout permettant à l’implémentation matérielle de déclencher la révolution informatique

Système de télécommunication : est la manière d’assurer la communication à distance

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Réseaux Définition

Ensemble de systèmes informatiques autonomes

(noeuds) interconnectés

Les ressources et l’information sont accessibles,

indépendamment de leur localisation physique

Avantages partage des ressources

traitements parallèles ou distribués

améliorer la fiabilité, disponibilité, et performance

Compromis

Complexité accrue

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Réseaux de base

Forme basique des communications :

mémoire partagée l’échange des messages

Les réseaux sont couplés librement

pas de mémoire partagée applications effectuées sur chaque noeud ne coopèrent que s’ils

échangent des messages

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Réseaux de base

Les réseaux se constituent de : supports de transmission les connecteurs e.g. hub/switch/routeur

• Interconnecter les supports de transmission, contrôler la transmission

le logiciel de protocole se charge de

1. encoder et formater les données

2. corriger les problèmes

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Réseaux de communication Offrir une communication

fiable

sûre

efficace

d’une application à une autre

Détecter et corriger automatiquement la corruption des données

perte des données

duplication

livraison non ordonnée

Trouver le chemin optimal de la source vers le destinataire techniques de raccordement ou routage (Switching)

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Systèmes de communication

Pour transférer les messages d’une manière transparente, des systèmes de communication point à point à travers le réseau sont offerts

Système de communication

applicationapplication

réseau

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Systèmes de communication & protocoles

Un systèmes de communication regroupe un ensemble de protocoles afin d’offrir des services de communication

Le terme “Protocole” s’est fût utilisé par R. A. Scantlebury et K. A. Baretlett en Angleterre en 1967 (pour une procédure de communication de données)

C’est un accord sur l’échange de l’information dans un système distribué.

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Services, Protocoles, &Services de communication

Service activé par un fournisseur de service et appliqué par un ou plusieurs

utilisateurs

défini par un ensemble d’utilisateurs et de primitives (opérations)

chaque primitive est une interaction entre l’utilisateur et le fournisseur

Protocole un ensemble de règles, format des données, et fonctions faisant

implanter un ensemble de services

l’utilisation du protocole est transparente pour l’utilisateur

Services de communication = une facilité de communication

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Protocoles de communication

Protocole langage : Définit un format précis pour les messages valides : une

syntaxe,

Définit les règles de procédure pour l’échange de données: une grammaire,

Définit un vocabulaire pour les messages valides qui peuvent être échangés, avec leur signification: une sémantique.

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Protocoles de communication

Dans toutes les circonstances les règles doivent indiquer sans ambiguïté ce qui est permit et ce qui est interdit

C’est une exigence difficile à réaliser dans la pratique

Nécessité de créer un accord entre l’émetteur et le récepteur à propos des règles des échanges

Établissement des organismes standards internationaux pour la conception, spécification et implémentation des protocoles

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Protocoles de communication

les standards des protocoles de communication établissent des règles pour la communication entre des entités de la même couche.

Les standards des protocoles de communication ne mettent aucune contrainte sur les aspects locaux de communication.

La communication entre les entités issues des couches adjacentes, définit le service de communication.

Distinction typique entre les services et les protocoles du fait que le protocole est normalisé alors que le service ne l’est pas.

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Conception et description à couches

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Conception à couches des protocoles

Un protocole contient un grand nombre de fonctionnalités

Un protocole pourrait être défini comme un seul programme, mais ceci serait excessivement complexe

Le manque de modularité rendrait aussi difficile l’échange de modules préfabriqués entre compagnies

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Communication entre paires Un manager de la compagnie A veut établir une

transaction avec le manager de la compagnie B:

Je veux acheter X pièces du produit P. Négociation des prix, …doit être mise en place :

Manager A Manager B

Négociationprotocole

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Fournisseur de service Du moment que A et B ne sont pas dans la même place,

ils doivent être relier à un mécanisme de transport pour transférer les PDUs (Protocol Data Unis) entre eux

Manager A Manager B

Service Provider

PDUsService Data Units

SDUsService Data Units

SDUs

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Couches• Le FS lui même est implémenté en communicant certaines entités entre elles

(SDU)…Il est relié à l’assistant du manager qui écrit des lettres.

• Ces lettres contiennent le texte simple fourni par les managers, incorporé dans un autre texte comme : Date… Cher Monsieur…Cordialement.

• Le message final passera par la suite au fournisseur de service messagerie

Manager A Manager B

PDUs Service Data UnitsService Data Units

Assistant A Assistant B

Fournisseur de service

Service Data Units Service Data Units

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Et encore des couches L’interface de l’assistant est directement reliée avec les secrétaires. Ces

dernières insèrent la lettre dans une enveloppe sur laquelle est marqué l’adresse et la passe au niveau inférieur qui est le fournisseur de service

Manager A Manager B

PDUs Service Data UnitsService Data Units

Assistant A Assistant B

Secrétaire A Secrétaire B

Fournisseur de service

SDU SDU

SDU SDU

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Ajout d’en-têtes (encapsulation)

Manager A

PDUs

Assistant A

Secrétaire A

Fournisseur de service

en-têtes1Payload

en-têtes1Payload

en-têtes1Payload

en-têtes 2

en-têtes 2en-têtes 3

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Comment choisir les couches?

Plusieurs critères du génie logiciel peuvent nous aider à trouver la bonne façon de décomposer un protocole complexe en couches

De point de vue de la vérification, le critère le plus important est que les interfaces de service puissent être décrites de façon beaucoup plus simple que la somme des protocoles sous-jacents

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Modèle OSI

27

Modèle OSI

Modèle de référence standardisé pour la spécification et implémentation des protocoles, conçu par l’ISO en 1983

1. Modèle de référence de base• une base commune pour le développement des standards OSI

• fonctionnalités : modèle de base, architecture de la sécurité,

nommage et adressage,

2. Spécification des services• définir les services offerts par les systèmes OSI d’une manière abstraite

3. Spécification des protocoles• définir les fonctionnalités requises pour fournir un service OSI particulier

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Modèle de référence OSI

Le modèle OSI introduit 3 concepts1. Services : ce que la couche réalise

2. Interface : indique comment accéder aux services

(communication des couches)

3. Protocoles : moyens d’achever les services

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Modèle du système OSI

Système OSI -> interconnections des systèmes ouverts compatibles,

divise les communications en éléments plus petits et plus agréables à comprendre

uniformise les éléments du réseau afin de permettre le développement multiconstructeur.

modifications apportées à une couche n'affectent pas les autres couches.

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Modèle de référence OSI

OSI : Open System Interconnection

Physique

Application

Session

Présentation

Transport

Réseaux

Liaison de données

Les services d’applicationsont fournis par l’infrastructure en couches supérieure

Les services d’égal à égalsont fournis par l’infrastructure en couches inférieure

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Modèle de référence OSI

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Couches OSI

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Modèle de référence OSI

Chaque couche dépend du service fourni par la

couche OSI inférieure.

Pour fournir un service, la couche inférieure utilise

l’encapsulation pour placer les PDU de la couche

supérieure dans son champ de données.

Elle ajoute ensuite les en-têtes et les en-queues de

PDU nécessaires à l’exécution de sa fonction.

Par la suite, à mesure que les données traversent

les couches du modèle OSI, d’autres en-têtes et

en-queues sont ajoutés.

Dès que les couches 7, 6 et 5 ont ajouté leurs

informations, la couche 4 en ajoute d’autres. Ce

regroupement des données, ou unité de données

de protocole de couche 4, est appelé segment.

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Modèle de référence OSI

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Modèle de référence Open Systems Interconnection

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Modèle de référence Open Systems Interconnection

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Entités OSI

N+1-Protocol Entity N+1-Protocol Entity

N-Service Provider

N+1-PDUsN-SDUsN-SDUs

N-SAP N-SAP

SAP: Service Access Point

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Entités et unité de données OSI

N+1Protocol Entity N+1Protocol Entity

N+1 PDUsN SDUsN SDUs

N Protocol Entity N Protocol Entity

Service Provider

N-1 SDUs N-1SDUs

N PDUs

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Hiérarchie des protocoles : principe

N-1 Fournisseur de service global

(N) Entité = local (N) Fournisseur de service=(N-1) utilisateur

(N) Entité = local (N) Fournisseur de service=(N-1) utilisateur

(N+1) Entité locale (N) utilisateur

(N+1) Entité locale (N) utilisateur

(N-1) SAP

(N) SAP

(N) Service de spécificationdes protocoles

N Fournisseur de service global

(N) SDUs (N) SDUs

(N-1) SDUs (N-1) SDUs

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Primitive – service - hiérarchie des protocoles

Un service est formellement spécifié par un ensemble de primitives (opérations) disponibles à l’utilisateur sous forme de messages entre les couches

adjacentes.

Primitive significationDemande Une entité réclame le service pour

assurer certains travaux

Indication Une entité est informée sur une action

Réponse Une entité veut répondre à une action

Confirmation La réponse à une demande antérieure est retournée1. Service.demande

2. Service.indication3. Service.réponse 4. Service.confirmationService=connecter/données/deconnecter

Couche N Couche N

Couche N+1 Couche N+1

1 24 3

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Service Data Units (SDUs)

Request : Une entité sollicite un service Indication : Une entité est informée d'une demande de service Reponse : Une entité a rendu le service, si possible Confirmation : Une entité est informée que le service a été rendu

Serviceconfirmé

REQUEST INDICATION

CONFIRMATION REPONSE

Servicenon confirmé

SAP SAP

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Exemple: Service de la couche Transport

T-ConReq

T-ConConf

T-ConIndT-ConResp

A B

Connexion avec Succès AB

T-ConReq

T-DiscInd

T-ConIndT-DiscReq

A B

Connexion refusée par B

A B

Tentative de connexion de A refusée par le fourniss. de service

T-ConReq

T-DiscInd

T-DatReqT-DatInd

A B

Transfert DonnéesAB

A et B sont les SAPs des entités de protocoles A et B

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Service couche transport: déconnection

T-DiscReqT-DiscInd

A B

A décide dedéconnecter

T-DiscReqT-DiscReq

A B

Les deux décidentde déconnecter(collision)

T-DiscIndT-DiscInd

A B

Le fournisseur deService décide dedéconnecter

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Protocoles et interfaces Il y a une interface logique entre la couche N et la

couche N-1

SAP N

SAP N-1

Protocole Couche N

Interface entre couche N et couche N-1

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Protocoles et interfaces

L’interface Prend les unités de protocoles (PDUs)

générées par le protocole N et les encapsule pour former des unités de service(SDUs) dirigées au SAP N-1

Prend les unités de service générées (SDUs) par le protocole N-1 et les décapsule pour générer des unités de protocole (PDUs) dirigées au protocole N

SAP N

SAP N-1

Protocole Couche N

Interface entre couche N et couche N-1

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Protocoles et interfaces

Le protocole de couche N génère et répond aux unités de service (SDUs) allant au provenant de SAP N

Il génère et répond aussi aux unités de protocoles (PDUs) allant au provenant de l’interface avec SAP N-1

Dans quelques cas, il peut aussi traiter directement des unités de service P.ex. si une couche N trouve qu’il n’y a pas de

connexion à travers la couche N-1, alors le protocole N peut déclencher directement le service d’ouverture de connexion N-1

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Exemple: unités traitées par le protocole transport, phase connexion

T Service Primitives(T-SDU)

T Protocol Primitives(T-PDUs)

N Service Primitives(N-SDUs)

T-ConReq

incoming

CR

incoming/outgoing

N-ConReq, outgoing

If N-Connection must be established

T-ConInd

outgoing

N-DatReq

Incoming, outgoing

T-ConResp

incoming

T-ConConf

outgoing

CC

incoming/outgoing

N-ConConf, incoming

If N-Connection must be established

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La couche transport et ses unités de données pour la phase connexion

T-SAP

N-SAP

Protocole Couche T

Interface Avec couche réseau:

Encapsulation, décapsulation

T-ConReq, T-ConResp,

T-ConInd, T-ConConf

CR, CC

N-ConReq

N-ConConf

Unités de service couche Réseau

N=Network=Réseau

Unités service couche transport:Ce schéma s’applique à toutes les couches

CR et CC sont transmis vers des couches inférieures encapsulés dans N-DatReq¸ N-DatInd, p.ex. N-DatReq(CR)

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Idéalement, la transmission des PDU est directe

ProtocoleTransport

ProtocoleTransport

T-SAP T-SAPCR

T-ConReq T-ConInd

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En réalité, elle passe à travers le service sous-jacent

ProtocoleTransport

Interface Interface

Protocole Transport

Service Réseau (Network)

T-SAP T-SAP

T-ConReq T-ConInd

N-SAP N-SAP

CR CR

N-DatReq(CR) N-DatReq(CR)

Il est important d’observer que les primitives d’un protocole sont transmises comme données au niveau sous-jacent

51

Connexion Réseau

Dans la couche Transport, nous pouvons avoir plusieurs connexions

Les demandes de connexion Transport sont normalement reliées à la couche Réseau encapsulées comme données comme suit:

N-DatReq(CR(params) params)

Mais à fin que ceci soit possible, il faut qu’il y ait une connexion au niveau Réseau…

Donc la 1ère fois le protocole transport doit créer une connexion Réseau en invoquant directement une N-ConReq

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Relation entre SDU et PDU

Dans le cas le plus simple, une couche transmet les données telles quelles à la couche adjacente, après avoir ajouté ou enlevé ses propres informations.

Mais souvent nous avons : Segmentation/réassemblage Groupage/dégroupage Concaténation/séparation

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Pourquoi segmentation, groupage, etc.

Les entités de données doivent être organisées selon les besoins des protocoles dans les différentes couches

P.ex. dans les premières 3 couches, il est pratique d’avoir des courtes unités d’information (paquets, trames…) car les

protocoles se préoccupent de Détection et correction d’erreurs : pour pouvoir localiser

l’erreur et au besoin retransmettre seulement l’information qui a été touchée par l’erreur

Multiplexage des canaux : plusieurs connexions partagent les canaux, donc on le donne à chaque connexion pour un court instant seulement

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Pourquoi segmentation, groupage, etc.

Après la couche transport, il est plus convenable de travailler avec des unités d’information qui ont une signification logique La couche transport elle même transmet aux niveaux

supérieurs des chaînes d’octets de longueur arbitraire, mais ayant une valeur logique

• Une commande de transaction, un message électronique, une interrogation SQL…

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Encapsulation simple

SAP = Service Access Point IDU = Interface Data Unit SDU = Service Data Unit ICI = Interface Control Information PDU = Protocol Data Unit PCI = Protocol Control Information i.e. Header

Les entités de la couche Néchangent NPDUs dans leur protocole de la couche N

ICI SDU SDUPCI

N-PDU

ICI SDU

IDU

Couche N+1

Interface

Couche N

SDU

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Segmentation/réassemblage

Fonction d'une couche(N) mettant en correspondance une SDU(N) avec plusieurs PDU(N)

Adaptation de la taille des données (N-SDU) aux caractéristiques de transmission (N-PDU)

Problème : identification des PDU transportant les données constituant la SDU.

Exemple : le TCP offre à la couche supérieure une chaîne de données qui lui est livrée sous forme de datagrammes par la couche IP

Exemple pareil dans la couche transport OSI

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Segmentation/réassemblage

58

Groupage/dégroupage

Fonction d'une couche(N) mettant en correspondance plusieurs SDU(N) avec une seule PDU(N)

Adaptation de la taille des données (N-SDU) aux caractéristiques de la transmission (N-PDU)

Diminution du surcoût (overhead)

Problème : identification des SDU transportées.

Exemple : le tamponnage des données sous TCP

59

Groupage/dégroupage

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Concaténation/séparation

Fonction d'une couche (N) mettant en correspondance plusieurs PDU(N) avec une seule SDU(N) Adaptation de la taille des données aux

caractéristiques du service (N-SDU)

Diminution du surcoût (overhead)

Problème : identification des PDU transportées

Exemple : La couche Session OSI divise les unités de transport en sessions, qui sont les unités de temps que l’usager décide de dédier à une connexion

61

Concaténation/séparation

62

Modèle de service et protocole A chaque couche, un ou plusieurs services sont offerts

un service permet au niveau supérieur adjacent de communiquer ou à l’utilisateur d’émettre et recevoir les données à travers le réseau

Pour des mesures de protection, les entités d’une couche forment un protocole qui défini les règles/formats pour la collaboration entre les entités défini l’interopérabilité entre les entités en utilisant le service

offert par la couche inférieure à l’exception de la couche physique

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Modèle de service et protocole

Service visible uniquement à la couche supérieure adjacente

Service d’implémentation du protocole est cachée Avantage: le protocole peut être remplacer par un

autre sans pour autant affecter la couche au-dessus

s’il fournit le même service

La structure de l’OSI a séparé les spécifications des services de celles des protocoles

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Services en mode connecté et non connecté

Service en mode connecté fonctionne comme le téléphone connexion établie : réserver le chemin avant d’émettre le message

échange de données : pas besoin d’une adresse

connexion terminée

Service en mode non connecté est similaire au système postal un message est confié au système : adresse complète sur chaque paquet

il navigue à travers des chemins afin d’atteindre la destination

référé par service datagramme

Autres services fiables en mode non connecté : Service datagramme avec accusés de réception

Service demande/réponse

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Types de services

Non fiable

Séquencede messages

Services

Mode connecté Datagramme

Fiable Non fiable

Flux binaire

Messages limités

Messages non limités

Login à distance

(voix numérisée)Fiable

Accusé de réception

Demande/réponse

Retourner un accusé de réception

Modèle client/serveurRequête BD

(EMAIL)

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Comparaison Le mode non connecté est beaucoup plus simple à

programmer et gérer, il est beaucoup plus efficace.

Il laisse beaucoup de responsabilités aux couches supérieures et à l’usager

Sur mediums très fiables (p.ex. Fibres optiques) avec commutation très efficace, en pratique le mode sans connexion peut fournir une QoS très semblable à celle du mode connecté

Pour quelques apps, p.ex. multimédia, il n’est pas essentiel que tous les paquets soient reçus

D’où la popularité du protocole IP

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Modèle à couche en OSI et en TCP/IP

En TCP/IP les couches Présentation et Session sont absentes (laissées à l’application d’usager)

Le modèle OSI met l’accent sur les deux concepts de service et protocole La description du service étant souvent beaucoup plus

simple que la description des protocoles

Le modèle TCP/IP met l’accent sur le concept de protocole Les primitives de services ne sont pas précisément

décrites Il y a seulement le concept de PDUs En OSI la déf du modèle a précédé la déf du protocole,

pour TCP/IP c’est le contraire

68

Organisations des standards

69

Organisations des standards

Plusieurs corps de standardisation sont actifs dans le domaine de la communication

Exemples NIST : National Institute of Science and Technology FTSC : the Federal Telecommunications Standards

Committee IEEE : Institute of Electrical and Electronics

Engineers Les deux standards les plus importants sont l’ISO et

CCITT.

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ISO : International Standards Organization

L’ISO est organisé en comités techniques (TC) Chaque TC est organisé en sous comités (SC) et groupe

de travails (WG). Exemple :

TC97: standards pour les ordinateurs, TC97/SC6 concerne la télécommunication TC97/SC6/WG1 : porte sur les standards des protocoles

de liaison de données.

Contrairement à CCITT, l’ISO n’est pas une organisation conventionnelle, les membres intervenants sont bénévoles

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CCITT CCITT : Comité Consultatif International Télégraphique et

Téléphonique

C’est une partie de l’ITU International Télécommunications Union. une organisation qui a été formée en 1956 par l’union de deux

entités séparées : CCIT (telegraph systems) et le CCIF (telephone systems).

La CCITT est organisée en groupes d’études (SG) et réunions de

travails (working parties WP) SGVII, travail sur les réseaux de communication des données SGVII/WP2 travail sur les interfaces. Les meilleurs recommandations des protocoles publiées par

CCITT sont X.21 et X.25. X.21 a eu l’honneur d’être le premier protocole de référence

validé par l’analyse d’atteignabilité exhaustive

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IFIP :International Federation for Information Processing

• Parmi ses fonctionnalités : pont reliant les travaux développés par CCITT et ISO

IFIP est organisé en comités techniques (TC) Chaque TC est divisée en groupes de travail (WG).

TC6, communication des données WG 6.1 Études de l’Architecture et protocoles pour les réseaux

informatiques

La standardisation des protocoles n’a pas résolu le problème de conception de ces derniers

Quel est l’intérêt d’utiliser un standard international incomplet avec des défauts

Les standards rencontrent le même problème que les autres concepteurs de protocoles

La conception par une comité ne garanti pas forcement le meilleur résultat