Commutation de paquets et performances des réseaux

Une requête web part d’une application et aboutit dans une autre. Internet fournit les liaisons et les équipements de commutation entre les deux, tandis que des règles communes permettent à des appareils conçus séparément d’échanger des messages utiles.

Hôtes, liaisons et commutateurs

Un hôte, ou système terminal, exécute des applications. Les téléphones, les ordinateurs portables, les capteurs et les serveurs sont tous des hôtes ; de nombreux serveurs sont regroupés dans des centres de données. Un client demande un service, comme un navigateur qui demande une page. Un serveur le fournit. Ces noms décrivent des rôles dans une communication, et non deux types physiques d’ordinateurs.

Les liaisons de communication transportent des signaux sur du cuivre, du câble coaxial, de la fibre optique ou par radio. Les commutateurs de paquets font passer les données d’une liaison à une autre. Les routeurs relient les réseaux et constituent une grande partie du cœur du réseau ; les commutateurs de la couche liaison connectent les appareils surtout au sein des réseaux locaux et des réseaux d’accès. La suite de liaisons et de commutateurs traversés par un paquet est son chemin, ou sa route.

La périphérie du réseau comprend les systèmes terminaux et les réseaux d’accès qui les raccordent. Le cœur du réseau est le maillage de commutateurs et de liaisons qui interconnecte ces réseaux d’accès. Lors d’un téléchargement à domicile, l’ordinateur portable appartient à la périphérie même si le serveur se trouve à des milliers de kilomètres : la distance géographique ne transforme pas un système terminal en routeur du cœur.

Le service et les règles

Considéré comme un service, Internet transporte des données entre des applications distribuées : navigateurs et serveurs web, applications d’appel, jeux et logiciels de messagerie. Un programme transmet les données au système d’exploitation par une interface de socket. Le réseau achemine ensuite ces données vers le programme récepteur.

Un protocole définit les formats et l’ordre des messages ainsi que les actions effectuées lors de leur envoi ou de leur réception. HTTP régit les échanges web, tandis que TCP et IP remplissent d’autres fonctions dans la pile TCP/IP. Il ne suffit pas de s’accorder sur un câble : les systèmes qui communiquent doivent aussi interpréter les messages et y réagir de manière cohérente.

Convertir les tailles avant de calculer la durée

Un émetteur découpe les données d’une application en blocs et ajoute des en-têtes, ce qui produit des paquets. Le débit d’une liaison indique combien de bits elle peut placer sur le support chaque seconde. Les préfixes décimaux s’appliquent : 1 kbps correspond à 1 000 bit/s, 1 Mbps à un million de bit/s et 1 Gbps à un milliard de bit/s.

La taille des fichiers est souvent exprimée en octets. Un octet contient 8 bits ; 1 kB correspond à 1 000 octets et 1 MB à un million d’octets. Un MiB est une quantité différente : 1 048 576 octets, soit environ 5 % de plus qu’un MB.

Pour placer un fichier de 1 MB sur une liaison à 20 Mbps :

1. Convertis la taille : $1\text{ MB}=8\times {10}^6\text{ bits}$.
2. Exprime le débit : $20\text{ Mbps}=20\times {10}^6\text{ bit/s}$.
3. Divise la taille par le débit : $8\times {10}^6\mathrm{/}(20\times {10}^6)=\mathrm{0,4}\text{ s}$.

C’est le temps nécessaire pour placer les bits sur cette liaison. Le temps de parcours et les attentes ailleurs sont des délais distincts. À 100 Mbps, le débit maximal correspondant en octets est de $100\mathrm{/}8=\mathrm{12,5}$ MB/s. Lire Mbps comme MB/s conduit à sous-estimer le temps de transfert d’un facteur huit.

Une connexion résidentielle comporte deux tronçons : un réseau local entre tes appareils et le routeur domestique, puis une connexion d’accès au FAI. Une connexion Wi-Fi locale rapide ne peut pas supprimer une limite sur ce second tronçon.

Lignes téléphoniques en cuivre et réseaux câblés

Un routeur domestique combine souvent un routeur, un point d’accès Wi-Fi et un petit commutateur Ethernet. Un modem distinct peut le relier au support d’accès. Cette connexion mène au réseau du FAI et à son premier routeur, dit de périphérie.

Le DSL réutilise une paire téléphonique en cuivre. Le modem DSL du logement communique avec un DSLAM situé dans le central du fournisseur. En ADSL, des bandes de fréquences séparent la voix, les données montantes et les données descendantes. La bande vocale occupe 0–4 kHz ; la bande descendante est plus large que la bande montante. Chaque logement possède sa propre paire de cuivre jusqu’au central.

Les services DSL résidentiels offrent généralement une capacité descendante supérieure à la capacité montante. La famille DSL comprend aussi des formes symétriques utilisées surtout par les entreprises. Les lignes de cuivre plus longues affaiblissent le signal et captent davantage de bruit, ce qui réduit le débit disponible. La fibre jusqu’à une armoire de rue raccourcit le tronçon en cuivre ; le VDSL utilise souvent moins d’un kilomètre de cuivre.

L’accès par câble utilise un réseau hybride fibre-coaxial, ou HFC. La fibre atteint les nœuds des quartiers ; le câble coaxial dessert ensuite généralement plusieurs centaines de logements. Le modem câble d’un logement échange des données avec un CMTS situé à la tête de réseau. DOCSIS 4.0, publiée en 2020, prévoit une capacité allant jusqu’à 10 Gbps en débit descendant et 6 Gbps en débit montant pour le canal partagé. Ces chiffres décrivent la capacité du canal, et non un débit réservé à chaque logement.

Quelle capacité est partagée ?

Les signaux descendants du câble atteignent tous les logements raccordés au nœud. Les utilisateurs doivent transmettre à tour de rôle en voie montante. La FTTH amène la fibre jusqu’au logement ; dans un réseau optique passif (PON), un répartiteur sans alimentation dessert généralement 32 ou 64 logements. Le fournisseur possède un OLT, et chaque logement un ONT. Chaque ONT sélectionne les données descendantes qui lui sont destinées. La FTTH permet des débits d’accès très élevés, souvent de 1 Gbps ou plus, et les services symétriques sont courants.

Accès sans nouveau câble

L’accès fixe sans fil 5G utilise un modem domestique fixe et une station de base cellulaire proche. L’accès par satellite peut desservir des logements isolés. Un satellite GEO orbite à 35 786 km : le trajet sol-satellite-sol le plus court est donc de 71 572 km. À $3\times {10}^8$ m/s, cela ajoute environ 0,24 s pour un aller et 0,48 s pour une requête et sa réponse, avant les autres délais.

Un satellite LEO à environ 550 km donne une distance minimale de montée et de descente d’environ 1 100 km, soit 3,7 ms. Les chemins réels dépendent aussi de la géométrie et des connexions au sol. Le seul débit d’accès annoncé ne permet donc pas de prévoir un téléchargement : le partage, une longue ligne DSL ou une liaison plus lente plus loin sur le chemin peuvent réduire le débit obtenu.

Dans un bureau, un paquet peut partir sur du cuivre ou par radio et quitter le bâtiment sur de la fibre. Un paquet mobile entre lui aussi dans le même cœur d’Internet après son tronçon d’accès sans fil. Chaque liaison possède son propre support et ses propres limites.

Accès local et sur une vaste zone

Un réseau local (LAN) relie des appareils proches à un routeur de périphérie. Avec Ethernet, un ordinateur se connecte généralement par une paire torsadée en cuivre à un commutateur à 1 Gbps. Les serveurs se connectent souvent à 10 Gbps ou plus. Les liaisons entre les commutateurs et le routeur relient ces connexions locales pour former un chemin utilisable.

Le Wi-Fi, fondé sur IEEE 802.11, permet aux appareils d’échanger des paquets par radio avec un point d’accès connecté au réseau local. Il couvre des distances de plusieurs dizaines de mètres. Les appareils qui partagent son canal radio se disputent le temps de transmission : l’ajout d’utilisateurs actifs réduit donc la capacité disponible pour chacun.

L’accès cellulaire couvre une zone plus vaste. Un téléphone échange des paquets avec une station de base d’un opérateur, parfois située à plusieurs kilomètres. La 4G LTE et la 5G fournissent cet accès ; la 5G permet des débits plus élevés et un délai plus faible, les bandes de fréquences plus élevées offrant davantage de capacité sur des portées plus courtes. Le débit obtenu par un téléphone dépend toujours des conditions du signal et de la charge de la cellule.

La connexion radio ne mène pas à un Internet sans fil distinct. Au-delà du point d’accès ou de la station de base, les paquets traversent des réseaux interconnectés ordinaires. La liaison de collecte cellulaire, qui relie une station de base au réseau de l’opérateur, peut elle-même utiliser des faisceaux hertziens ainsi que des supports filaires.

Adapter le support à l’usage

Un support de transmission guidé confine un signal à un trajet physique. Un support non guidé le laisse se propager dans l’air ou dans l’espace.

La paire torsadée non blindée est courante dans les réseaux locaux. La catégorie 6A prend en charge Ethernet à 10 Gbps sur une distance allant jusqu’à 100 m. La fibre transporte de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de Gbps sur une liaison, avec une capacité supérieure possible grâce à plusieurs longueurs d’onde. Sa faible atténuation du signal convient aux liaisons longue distance du réseau dorsal et aux liaisons sous-marines. L’équipement optique peut coûter plus cher que l’équipement en cuivre sur les liaisons courtes, et la mise sur écoute d’une fibre est difficile mais possible.

La radio subit un affaiblissement de propagation lorsque les signaux faiblissent avec la distance et à travers les obstacles. La propagation par trajets multiples se produit lorsque des réflexions arrivent par différents chemins à différents moments. D’autres émetteurs ajoutent du brouillage. Ces effets rendent les débits et les erreurs des liaisons sans fil moins prévisibles que ceux des liaisons filaires.

Choisir selon l’installation

Un lecteur d’inventaire mobile doit pouvoir se déplacer librement : la radio est donc utile même là où Ethernet est plus rapide. Pour une liaison fixe entre des bâtiments éloignés, la fibre peut être préférable en raison de sa portée et de son immunité au brouillage électrique. La main-d’œuvre d’installation coûte souvent plus cher que le câble lui-même : les bâtiments neufs reçoivent donc couramment de la fibre et des câbles de réserve en même temps. Une comparaison utile prend en compte le débit, la distance, le coût d’installation, le brouillage et la mobilité, et pas seulement le débit maximal d’une technologie.

La commutation de paquets divise un message en paquets transférés indépendamment. Chaque liaison sortante envoie un paquet au plein débit de la liaison, tandis que d’autres paquets peuvent traverser d’autres liaisons simultanément.

Attendre le paquet entier

Avec le stockage et la retransmission, un commutateur reçoit le paquet complet avant d’envoyer son premier bit sur la liaison suivante. Pour un paquet de longueur $L$ bits et un débit de $R$ bit/s, une transmission prend $L\mathrm{/}R$ secondes.

Un paquet de 1 500 octets contient 12 000 bits. Sur une liaison à 10 Mbps :

Sur trois liaisons de même débit, le paquet est transmis trois fois. Sans compter les délais de propagation, de traitement et d’attente en file, il arrive après $3\times \mathrm{1,2}=\mathrm{3,6}$ ms. Trois liaisons impliquent deux routeurs intermédiaires : compte les connexions, y compris celles de la source et de la destination.

Construire une transmission des paquets en pipeline

Envoie maintenant cinq paquets identiques à la suite sur ces trois liaisons. La source envoie le paquet 2 tandis que le premier routeur transfère le paquet 1. Une fois que le premier paquet a rempli le chemin, les paquets suivants arrivent à intervalles d’un temps de transmission.

Pour $P$ paquets identiques sur $N$ liaisons de même débit, sans autre délai, le dernier arrive après :

Le premier paquet nécessite les $N$ transmissions ; chaque paquet restant ajoute un intervalle de transmission. Le calcul $P\times N\times L\mathrm{/}R$ obligerait chaque liaison à attendre que le paquet précédent atteigne sa destination, supprimant le travail en parallèle que le réseau peut effectuer.

Les cinq paquets contiennent 60 000 bits au total. L’envoi de ces bits sous forme d’un seul message non découpé prendrait 6 ms par liaison et 18 ms sur trois liaisons avec stockage et retransmission. Le transfert en paquets de 8,4 ms est plus rapide parce que le transfert commence avant l’arrivée du message entier. Les en-têtes supplémentaires des paquets utilisent aussi de la capacité ; ils ne sont pas inclus dans cette comparaison portant sur des quantités totales de données égales.

Déterminer où va le paquet

Un routeur examine l’adresse IP de destination dans l’en-tête d’un paquet. Sa table de transfert associe les plages d’adresses de destination aux liaisons sortantes. Les protocoles de routage remplissent ces tables ; le transfert est l’action locale qui consiste à consulter une table et à envoyer ce paquet par l’interface choisie.

Chaque liaison sortante possède un tampon de sortie, ou file d’attente. Si cette liaison est occupée, les paquets nouvellement arrivés y attendent. Leur temps d’attente est le délai d’attente en file, qui varie selon le trafic arrivant à cette sortie. Une entrée peu chargée n’empêche pas la congestion si plusieurs autres entrées alimentent la même sortie.

La capacité des tampons est finie. Lorsqu’un tampon se remplit, le routeur rejette un paquet entrant ou déjà en attente, selon sa politique. C’est une perte de paquet. Le stockage et la retransmission expliquent quand le transfert peut commencer ; ils ne garantissent pas que la liaison sortante ou le tampon sera disponible.

La commutation de circuits réserve des ressources sur un chemin entier pour une session de communication. L’émetteur établit d’abord un circuit, puis utilise le débit réservé jusqu’à la fin de la session. Les réseaux téléphoniques traditionnels illustrent ce principe.

Une réservation sur des liaisons partagées

Un circuit est une part réservée de la capacité des liaisons et des commutateurs. Il ne s’agit pas nécessairement d’un fil physique distinct. Plusieurs circuits peuvent partager le même câble tout en conservant séparément leurs ressources réservées. Une fois le circuit établi, les données des autres utilisateurs ne créent pas de files d’attente de sortie pour sa part réservée : l’émetteur obtient donc un débit constant et un délai prévisible.

Le multiplexage permet à plusieurs circuits d’occuper une même liaison physique. Deux méthodes courantes les séparent selon la fréquence ou selon le temps.

En FDM, plusieurs bandes existent simultanément. Les stations de radio FM en fournissent un exemple familier. Les liaisons téléphoniques analogiques attribuaient aux appels des bandes d’environ 4 kHz. La largeur de bande est une largeur de fréquences mesurée en hertz. Un débit binaire se mesure en bit/s : les deux unités décrivent des grandeurs différentes.

En TDM, le temps est découpé en trames répétées, contenant chacune des créneaux fixes. Un circuit reçoit un créneau à chaque trame. Pour des créneaux égaux sans surcharge de trame, divise le débit de la liaison par le nombre de créneaux pour obtenir le débit du circuit. Un circuit transmet pendant son propre créneau et attend le suivant ; son débit moyen est sa part réservée de la liaison.

Calculer d’abord le débit du circuit

Une liaison à 2,048 Mbps comporte 32 créneaux égaux par trame. L’établissement du circuit prend 400 ms et l’émetteur dispose d’un fichier de 960 000 bits.

1. Convertis le débit total de la liaison en 2 048 000 bit/s.
2. Divise entre les créneaux : $2048000\mathrm{/}32=64000\text{ bit/s}$.
3. Divise la taille du fichier par le débit du circuit : $960000\mathrm{/}64000=15\text{ s}$.
4. Ajoute l’établissement : $15+\mathrm{0,4}=\mathrm{15,4}\text{ s}$, sans compter la propagation.

L’émetteur n’obtient pas 2,048 Mbps simplement parce que les autres utilisateurs sont silencieux. Son circuit conserve un créneau dans chaque trame. De plus, le temps de transmission du fichier n’est pas multiplié par le nombre de liaisons du chemin. Le circuit réservé transporte un flux continu de bits ; le fichier entier n’est pas stocké puis retransmis comme un seul paquet à chaque commutateur. Ajoute la propagation séparément lorsqu’un exercice la prend en compte.

Tenir compte des réservations inutilisées

La garantie a un coût. Lorsqu’une personne se tait pendant un appel ou qu’un utilisateur s’arrête pour lire une page chargée, la part du circuit reste inactive. Un autre utilisateur ne peut pas prendre cette part à la demande. Si tous les circuits sont attribués, une nouvelle connexion peut être bloquée même si certaines connexions existantes n’envoient aucune donnée. C’est une limite à l’admission des sessions, distincte du rejet de paquets par un tampon plein.

Le trafic web alterne souvent entre de courts téléchargements et de longues pauses. Une réservation dimensionnée pour les moments d’activité de chaque utilisateur laisse de la capacité inutilisée pendant les pauses. La commutation de paquets permet aux autres utilisateurs d’employer cette capacité à mesure que leurs paquets arrivent.

Partager la capacité lorsque la demande se présente

Le multiplexage statistique est le partage à la demande d’une liaison entre les paquets de différents utilisateurs. Un paquet en attente peut utiliser la prochaine occasion de transmission disponible : le silence d’un utilisateur ne réserve donc pas de capacité inutilisée. Ce mécanisme fonctionne particulièrement bien pour le trafic en rafales, dont les périodes actives sont séparées par des périodes calmes.

Prenons dix utilisateurs qui partagent une liaison à 10 Mbps. L’un envoie 2 000 paquets de 1 000 bits tandis que les neuf autres sont silencieux. Le total est de $2000\times 1000=2\times {10}^6$ bits. Avec dix réservations TDM égales, son circuit à 1 Mbps prend 2 s. Avec la commutation de paquets, la liaison entière à 10 Mbps envoie la rafale en 0,2 s, sans compter les autres délais.

Comparer la demande maximale à la demande moyenne

Supposons que chaque utilisateur actif ait besoin de 1 Mbps et soit actif 20 % du temps, indépendamment des autres. Une liaison à commutation de circuits de 10 Mbps peut garantir ce débit à dix utilisateurs au maximum. La commutation de paquets peut desservir 20 utilisateurs avec une faible probabilité que la demande simultanée dépasse la capacité.

Soit $X$ le nombre d’utilisateurs actifs. Il suit une loi binomiale : 20 utilisateurs indépendants, chacun actif avec une probabilité de 0,2. La probabilité qu’exactement $k$ utilisateurs soient actifs est :

Le coefficient binomial compte les choix possibles des utilisateurs actifs. La surcharge commence à 11 utilisateurs actifs, car dix utilisent exactement toute la capacité. Additionne les probabilités de 11 à 20 :

Cela représente environ 0,06 % du temps. La demande moyenne n’est que de 4 Mbps, mais cette moyenne seule ne permettrait pas de connaître la probabilité de surcharge. L’indépendance compte : des utilisateurs qui deviennent actifs ensemble produisent des rafales simultanées plus importantes que ne le prévoit ce calcul.

Adapter le système au trafic

La commutation de paquets permet une utilisation efficace de la capacité et des équipements de commutation relativement simples. L’attente variable et les pertes sont ses principaux coûts pour le service. Les applications en temps réel peuvent utiliser des tampons de lecture pour régulariser les instants d’arrivée, tandis que la retransmission peut récupérer les données manquantes au prix d’un délai supplémentaire.

Pour un trafic régulier qui exige un débit garanti, un circuit peut fournir un meilleur service après son établissement. La commutation de paquets n’est pas toujours plus rapide : une sortie fortement chargée peut ajouter une longue attente. Internet utilise la commutation de paquets et les services téléphoniques sont passés de plus en plus des circuits à la voix sur IP.

La connexion à un fournisseur d’accès à Internet (FAI) donne à un hôte un premier réseau à utiliser. Pour atteindre des hôtes situés ailleurs, des accords entre réseaux sont nécessaires. Ces réseaux exploités indépendamment forment ensemble Internet.

Pourquoi s’interconnecter par l’intermédiaire de fournisseurs ?

Relier directement chaque FAI à tous les autres nécessiterait $n(n-1)\mathrm{/}2$ liaisons pour $n$ FAI. Avec 10 000 FAI, cela représente 49 995 000 liaisons distinctes. Entretenir autant de relations et de connexions physiques passerait difficilement à l’échelle.

Les FAI achètent donc du transit auprès de fournisseurs plus importants. Un client paie un fournisseur pour acheminer le trafic entre son réseau et le reste d’Internet, les frais dépendant généralement du trafic échangé. Les fournisseurs régionaux peuvent acheter du transit auprès de fournisseurs encore plus importants. Certains FAI se connectent directement au niveau supérieur.

Un FAI de rang 1 atteint toutes les destinations d’Internet sans acheter de transit. Environ une douzaine de grands réseaux internationaux sont généralement décrits ainsi, et ils sont interconnectés. Le rang 1 décrit une capacité d’accès et une position commerciale ; cela ne signifie pas que chaque paquet doit traverser un tel réseau.

Distinguer le transit de l’appairage

Un pair ne fournit pas, par le seul appairage, du transit vers tous les autres réseaux qu’il peut atteindre. Cette distinction compte lorsqu’on suit les chemins possibles. Les réseaux s’appairent souvent dans un point d’échange Internet (IXP), une infrastructure de commutation partagée où se rencontrent de nombreux FAI et fournisseurs de contenu. De grands points d’échange dans des villes comme Francfort, Amsterdam et Londres connectent des centaines de réseaux.

Un point de présence (PoP) est un site d’un fournisseur qui contient des routeurs auxquels les clients peuvent se connecter. Un IXP réunit de nombreux réseaux pour échanger du trafic ; un PoP est un site au sein du réseau d’un fournisseur. Un réseau peut aussi être multiraccordé, c’est-à-dire connecté à au moins deux fournisseurs pour améliorer sa résilience. Si un fournisseur tombe en panne, une autre connexion peut maintenir le réseau accessible, à condition que le chemin restant et les équipements du client fonctionnent.

Suivre un chemin et les paiements

Ana utilise le FAI câblé A. A paie le FAI régional R, qui paie T1, un fournisseur de rang 1. Ben utilise l’opérateur mobile B, qui paie T2, un fournisseur de rang 1. T1 et T2 sont appairés. Un paquet peut suivre ce chemin :

A → R → T1 → T2 → B.

Les paiements suivent les liaisons client-fournisseur, et non chaque sens dans lequel un paquet circule. B paie T2 pour sa connexion même lorsque ce paquet arrive chez B. T1 et T2 échangent généralement leur trafic sans compensation financière.

Si A et B rejoignent un IXP et conviennent de s’appairer, le trafic de leurs clients peut alors passer directement entre A et B. Ils évitent le transit en amont pour ce trafic et raccourcissent souvent le chemin. Les connexions de transit restent utiles pour les destinations situées hors des réseaux et de la clientèle des pairs.

Un système autonome (AS) est un réseau, ou une partie de réseau, exploité indépendamment et doté de sa propre politique de routage et d’un numéro d’AS. Un FAI peut exploiter plusieurs AS. Cela donne une unité administrative au réseau de réseaux : des AS gérés séparément s’interconnectent par les relations commerciales qui viennent d’être décrites.

Un service vidéo peut diffuser ses données plus efficacement lorsqu’il contrôle un réseau proche de son public. Les grandes entreprises de contenu combinent des réseaux dorsaux privés, des connexions directes aux FAI et des copies proches de fichiers populaires.

Les entreprises de contenu construisent aussi des réseaux

Des entreprises comme Google, Microsoft, Amazon et Meta exploitent des réseaux de fournisseurs de contenu qui relient leurs centres de données. Ces réseaux privés mondiaux leur permettent de mieux contrôler la route empruntée par leurs services et de moins dépendre du transit acheté.

Un réseau de contenu peut s’appairer directement avec un FAI ou un fournisseur régional dans un IXP ou par une connexion privée. Le trafic entre alors dans ce réseau sans remonter d’abord toute la hiérarchie des fournisseurs. Pour les destinations que ces accords ne permettent pas d’atteindre, le réseau de contenu peut acheter du transit auprès d’un fournisseur en amont. Ce fournisseur n’est pas nécessairement de rang 1 ; certains grands réseaux de contenu reposent principalement sur des connexions directes.

La raison économique et la raison liée aux performances se renforcent mutuellement. L’échange direct peut éviter les frais de transit pour ce trafic, et un chemin plus court traverse généralement moins de liaisons. Cependant, posséder un réseau dorsal et s’appairer ne revient pas à conserver une copie de chaque fichier près de chaque utilisateur. Le placement des serveurs est un aspect distinct de la diffusion.

Placer le contenu près du lieu de la requête

Un réseau de diffusion de contenu (CDN) place des serveurs contenant des copies de contenus populaires dans les réseaux d’accès ou à proximité, ainsi que dans les points d’échange. Les vidéos, fichiers web et mises à jour logicielles peuvent alors provenir d’un serveur proche plutôt que d’un centre de données d’origine distant. Cela réduit le trafic longue distance et la composante de propagation du délai.

Une personne située en ville qui demande une vidéo en cache peut ne traverser que quelques sauts dans le réseau de son FAI. Comparons avec un centre de données situé à 8 000 km. Même une liaison idéale en fibre de cette longueur ajoute :

dans un sens. Une requête et sa réponse ajoutent au moins $2\times \mathrm{0,04}=\mathrm{0,08}$ s, soit 80 ms, pour la seule propagation. L’attente en file, la transmission, les équipements et un trajet réel de câble plus long peuvent ajouter du délai. Augmenter le débit de la liaison ne supprime pas cette distance ; utiliser une copie plus proche du contenu la réduit.

Lire la structure plus plate du réseau

Ces organisations coexistent. Les fournisseurs d’accès, régionaux et de rang 1 forment toujours une hiérarchie souple, mais les connexions directes de contenu transportent une grande partie du trafic. Le multiraccordement, l’appairage privé et les IXP ajoutent d’autres liaisons entre les niveaux.

Aucune organisation ne possède ou n’exploite seule tout ce système. Une route reflète les interconnexions disponibles entre des réseaux gérés indépendamment. Lorsque tu suis un téléchargement, demande-toi d’abord où se trouve la copie du contenu qui le fournit et quels réseaux ont conclu des accords directs. Un CDN situé chez le FAI de l’utilisateur peut expliquer un chemin court sans aucun saut par un fournisseur de rang 1.

La contribution d’un routeur au délai n’est pas une pause indivisible. Distinguer ses quatre composantes montre si une amélioration proposée peut agir sur le délai observé.

Les quatre composantes du délai nodal

Le délai nodal est :

Le traitement comprend l’examen de l’en-tête, la vérification des erreurs de bits et la sélection d’une liaison sortante. Il prend généralement quelques microsecondes ou moins dans un routeur à haut débit. L’attente en file est le temps passé à attendre les paquets précédents à la sortie. Elle peut être nulle si la liaison est inactive et la file vide, ou atteindre plusieurs millisecondes sous charge. Contrairement aux composantes fixes pour un paquet et une liaison donnés, elle varie avec le reste du trafic.

Les deux dernières composantes sont souvent confondues :

La transmission consiste à placer le paquet sur le support. La propagation est le parcours d’un bit dans ce support. Dans la fibre et le cuivre, la vitesse du signal est d’environ $2\times {10}^8$ m/s ; pour la radio dans l’air ou l’espace, elle est proche de $3\times {10}^8$ m/s. Dans la fibre, chaque kilomètre ajoute environ 5 µs de propagation.

Une longue liaison

Envoie un paquet de 1 500 octets sur une liaison en fibre de 2 000 km à 100 Mbps.

1. Convertis la taille du paquet : $1500\times 8=12000$ bits.
2. Divise par le débit : $12000\mathrm{/}{10}^8=\mathrm{0,00012}$ s, soit 0,12 ms de transmission.
3. Convertis la distance : 2 000 km correspondent à 2 000 000 m.
4. Divise par la vitesse de propagation : $2\times {10}^6\mathrm{/}(2\times {10}^8)=\mathrm{0,01}$ s, soit 10 ms.

La propagation domine. Lorsque l’émetteur finit de placer le paquet sur la liaison après 0,12 ms, son premier bit n’a parcouru que $\mathrm{0,00012}\times 2\times {10}^8=24000$ m, soit 24 km. Le paquet peut donc se trouver entièrement sur la liaison avant l’arrivée de son premier bit.

Une courte liaison au même débit

Sur 10 m de câble, la propagation prend $10\mathrm{/}(2\times {10}^8)=50$ ns. Le paquet nécessite toujours 0,12 ms pour entrer sur la liaison. Lorsque son premier bit arrive, seuls $50\times {10}^{-9}\times {10}^8=5$ bits ont quitté l’émetteur. Ici, la transmission domine.

Faire passer la longue liaison à 1 Gbps réduit son temps de transmission à 0,012 ms. La propagation reste à 10 ms. Un débit binaire plus élevé permet de transmettre plus de bits chaque seconde ; il ne fait pas voyager un bit plus vite dans la fibre.

Utilise des unités cohérentes avant de remplacer les variables : multiplie les octets par 8, les kilomètres par 1 000 et les Mbps par un million. Diviser directement des octets par des bit/s fait perdre le facteur huit, tandis qu’utiliser des kilomètres avec des m/s fait perdre un facteur de 1 000.

Pour un paquet, le stockage et la retransmission font du chemin une suite de transmissions. Additionne la contribution de chaque liaison et le travail de chaque routeur pour déterminer quand le dernier bit atteint la destination.

Additionner séparément les liaisons et les routeurs

Pour $N$ liaisons identiques et $N-1$ routeurs intermédiaires, avec des files vides :

Ajoute séparément tout traitement aux extrémités. Pour des liaisons différentes, calcule chaque terme de transmission et de propagation à partir du débit et de la distance de la liaison correspondante. Ajoute l’attente en file partout où elle se produit ; elle n’est pas nécessairement la même à chaque routeur.

Prenons hôte → R1 → R2 → serveur. Un paquet de 12 000 bits traverse une liaison à 100 Mbps sur 10 km, une liaison à 1 Gbps sur 1 000 km, puis une liaison à 50 Mbps sur 5 km. La vitesse du signal est de $2\times {10}^8$ m/s. Chaque routeur traite le paquet pendant 20 µs et les files sont vides.

Deux routeurs ajoutent $2\times \mathrm{0,02}=\mathrm{0,04}$ ms. Le dernier bit arrive après $\mathrm{0,372}+\mathrm{5,075}+\mathrm{0,04}=\mathrm{5,487}$ ms. La seule propagation sur la liaison du milieu représente plus de 90 % de ce total. Ne compter la transmission que sur la liaison la plus lente donnerait un délai incomplet pour un paquet.

Distinguer temps d’arrivée et temps aller-retour

Sur une seule liaison, le dernier bit d’un message de $F$ bits arrive après $F\mathrm{/}R+d\mathrm{/}s$. Le dernier bit doit d’abord quitter l’émetteur, puis aller jusqu’au récepteur. Les premiers bits se propagent pendant que les derniers sont encore transmis.

Le temps aller-retour (RTT) va de l’envoi d’une sonde au retour de sa réponse. Il comprend les délais aller et retour ainsi que le temps de réponse de la destination. La commande ping le mesure. Doubler une estimation du temps aller ne fonctionne que si les hypothèses sur le chemin de retour et la réponse le permettent.

Compter les bits en transit

Le produit débit-délai d’une liaison est $R\times d_{\text{prop}}$. Une liaison à 1 Gbps qui transmet en continu et dont le délai de propagation est de 10 ms peut contenir ${10}^9\times \mathrm{0,01}={10}^7$ bits, soit 1,25 MB, en transit. Un bit occupe $s\mathrm{/}R=\mathrm{0,2}$ m de cette liaison. Le produit est une quantité de données, pas un délai.

Inclure les délais avant la transmission

Une source vocale qui produit 64 kbps met du temps à remplir une charge utile de 160 octets. Elle doit recueillir $160\times 8=1280$ bits, ce qui nécessite $1280\mathrm{/}64000=20$ ms. C’est le délai de paquétisation, subi avant que le paquet puisse être envoyé. Un accès partagé comme le Wi-Fi peut aussi ajouter une attente pour accéder au canal.

Sur les chemins courts des réseaux locaux, la transmission et le traitement peuvent dominer ; sur les longs chemins, c’est la propagation ; sur les chemins congestionnés, ce sont les files d’attente. Rapprocher une copie de contenu fournie par un CDN réduit le terme de distance ; augmenter le débit d’une liaison agit surtout sur la transmission et, lorsque la demande est inchangée, sur l’attente en file.

Une file d’attente de sortie s’allonge chaque fois que les arrivées demandent temporairement plus de travail que la liaison ne peut en accomplir. La charge moyenne et les instants d’arrivée comptent toutes deux, surtout lorsque l’espace du tampon est limité.

Comparer la charge à l’arrivée à la capacité de service

L’intensité du trafic est :

$I=La\mathrm{/}R$,

où $a$ est le nombre moyen d’arrivées de paquets par seconde, $L$ la longueur des paquets en bits, ou leur longueur moyenne si elle varie, et $R$ le débit de la liaison. Le numérateur est le débit entrant en bit/s ; l’intensité est donc un rapport sans unité.

Lorsque $I>1$ persiste, les arrivées dépassent la capacité de service. Une file illimitée s’allongerait sans limite ; un tampon réel de capacité finie se remplit et rejette des paquets. Maintenir l’intensité moyenne sous 1 est une règle élémentaire de conception, mais cela n’élimine pas les rafales.

Une même moyenne peut créer des attentes différentes

En partant d’une file vide et d’une liaison inactive, une arrivée toutes les $L\mathrm{/}R$ secondes permet à chaque paquet de trouver la liaison prête. Pour des groupes de $N$ paquets toutes les $NL\mathrm{/}R$ secondes, le débit moyen reste compatible avec la même capacité, mais les paquets du groupe s’attendent les uns les autres. Le paquet $n$ attend $(n-1)L\mathrm{/}R$, ce qui donne une attente moyenne de $(N-1)L\mathrm{/}(2R)$.

Pour cinq paquets et un temps de service de 1,2 ms, les attentes sont de 0, 1,2, 2,4, 3,6 et 4,8 ms. Leur total est de 12 ms, soit une moyenne de 2,4 ms. L’attente ne comprend pas le temps de transmission propre à chaque paquet.

Arrivées aléatoires près de la pleine charge

Les arrivées aléatoires produisent des files irrégulières. Un modèle, M/M/1, suppose des arrivées de Poisson indépendantes, des longueurs de paquets indépendantes suivant une loi exponentielle de moyenne $L$, un serveur et un tampon illimité. Pour une charge stable inférieure à 1, son attente moyenne en file est :

Avec un temps de service moyen de 1,2 ms, faire passer l’intensité de 0,5 à 0,8 augmente l’attente moyenne de 1,2 ms à 4,8 ms. À 0,9, elle est de 10,8 ms ; à 0,96, elle est de 28,8 ms. La diminution de la capacité libre fait fortement augmenter les délais près de la pleine charge.

Pour 800 paquets/s, une longueur moyenne de 12 000 bits et une liaison à 10 Mbps, l’intensité est de $12000\times 800\mathrm{/}{10}^7=\mathrm{0,96}$. Le modèle donne $\mathrm{0,96}\mathrm{/}\mathrm{0,04}\times \mathrm{1,2}=\mathrm{28,8}$ ms. Passer à 20 Mbps donne une intensité de 0,48 et un temps de service moyen de 0,6 ms. La nouvelle attente moyenne est de $\mathrm{0,48}\mathrm{/}\mathrm{0,52}\times \mathrm{0,6}\approx \mathrm{0,55}$ ms. Les deux facteurs changent : le temps d’attente diminue donc bien plus que de moitié.

Les tampons finis imposent un compromis entre pertes et délai

Un tampon plein ne peut pas contenir tous les paquets entrants. Un routeur rejette alors un paquet, ce qui produit une perte ; les erreurs de bits sur une liaison sans fil peuvent aussi provoquer des pertes. Des rafales peuvent remplir un tampon même lorsque l’intensité moyenne est inférieure à 1. Un tampon plus grand absorbe une plus grande part d’une rafale, mais des files longues et persistantes créent du bufferbloat : un délai élevé malgré moins de rejets.

Le routeur ne renvoie pas un paquet qu’il a rejeté faute d’espace. TCP peut détecter les données manquantes et demander à la source de les retransmettre de bout en bout. UDP ne fournit aucune retransmission à la couche transport : l’application doit donc gérer les données manquantes, qui peuvent par exemple provoquer un bref défaut d’image.

Le débit binaire reçu par un récepteur est son débit effectif. Il décrit la quantité reçue par seconde, tandis que le délai décrit le temps nécessaire à un paquet ou à un échange particulier.

Mesurer le débit obtenu

Le débit effectif instantané est le débit à un instant donné. Le débit effectif moyen est la quantité reçue divisée par le temps de transfert écoulé :

Un appel vocal nécessite un faible délai avec un débit binaire modeste ; un gros téléchargement profite surtout d’un débit effectif soutenu. Une liaison distante de grande capacité peut permettre un téléchargement rapide tout en produisant un délai perceptible dans une conversation.

Trouver le goulot d’étranglement

Pour un long transfert sur un chemin par ailleurs inutilisé, la liaison la plus lente limite le débit soutenu :

Les débits des liaisons sont des capacités en série, et non des nombres à additionner ou dont il faut calculer la moyenne. Une liaison en amont peut envoyer plus vite brièvement, mais ses paquets excédentaires doivent attendre à la sortie plus lente. Cette file ne peut pas faire recevoir les données plus vite que la liaison lente ne les transmet.

La liaison d’accès d’un serveur fonctionne à 100 Mbps et celle d’un client à 25 Mbps. Leur chemin permet 25 Mbps lorsqu’aucune autre liaison n’impose une limite inférieure. Un fichier de 500 MB contient $500\times 8=4000$ Mbit ; l’estimation fondée sur la capacité est donc de $4000\mathrm{/}25=160$ s, sans compter le démarrage, la propagation et la surcharge des protocoles.

Si le client passe à 1 Gbps, la liaison du serveur à 100 Mbps devient le goulot d’étranglement. L’estimation devient $4000\mathrm{/}100=40$ s. Améliorer encore la connexion du client n’augmenterait pas la capacité de ce chemin.

Inclure la capacité partagée

Le débit total d’une liaison du cœur du réseau n’est pas nécessairement disponible pour un seul transfert. Si $M$ transferts partagent équitablement une liaison, chacun reçoit une part $R\mathrm{/}M$. Combine cette part avec les liaisons aux extrémités :

Cinquante transferts qui se partagent équitablement 1 Gbps reçoivent chacun 20 Mbps. Pour le serveur initial à 100 Mbps et le client à 25 Mbps, la liaison partagée du cœur devient le goulot d’étranglement à 20 Mbps. Le fichier de 500 MB prend alors environ $4000\mathrm{/}20=200$ s.

Les liaisons d’accès limitent souvent le débit effectif, mais les goulots d’étranglement peuvent se trouver partout et se déplacer lorsque la demande change. Les en-têtes des paquets consomment de la capacité, les pertes nécessitent une récupération et les protocoles de transport peuvent réduire les débits d’émission pendant une congestion. Le débit effectif d’une application peut donc être inférieur à l’estimation fondée sur le débit brut des liaisons.

Choisir le bon calcul du temps de transfert

Lorsque le débit effectif moyen a déjà été mesuré sur un transfert complet, $T=F\mathrm{/}\text{d}\acute{\text{e}}\text{bit effectif moyen}$ donne directement le temps écoulé. Ajouter à nouveau le temps aller-retour compterait le délai deux fois.

Pour une estimation à partir de la capacité du goulot d’étranglement, $F\mathrm{/}{R}_{\text{goulot}}$ omet les délais de démarrage et de parcours. Ces ajouts comptent surtout pour les petits objets. Un objet de 10 kB ne nécessite que 3,2 ms de transmission à 25 Mbps : un aller-retour de plusieurs dizaines de millisecondes peut donc dominer le temps nécessaire pour le récupérer. Pour un gros fichier, la quantité de données divisée par le débit soutenu domine généralement.

traceroute découvre les routeurs qui répondent sur un chemin vers une destination et enregistre un temps aller-retour vers chacun. Sous Windows, la commande s’appelle tracert. Les deux exploitent un champ qui empêche normalement les paquets de circuler indéfiniment.

Faire expirer les sondes à des routeurs successifs

La durée de vie (TTL) d’IPv4 est un nombre de sauts ; IPv6 appelle le champ correspondant limite de sauts. Un routeur diminue cette valeur avant de transférer le paquet. Si la valeur atteint zéro, le routeur rejette le paquet et renvoie un message ICMP de dépassement de délai lorsque sa configuration et le filtrage le permettent.

Traceroute envoie des sondes en commençant avec un TTL de 1. Le premier routeur fait expirer ces sondes et peut s’identifier par sa réponse. Les sondes avec un TTL de 2 peuvent passer ce routeur et expirer au suivant. L’augmentation de la valeur révèle les sauts successifs qui répondent. Par défaut, trois sondes sont envoyées par TTL, ce qui produit trois mesures de temps aller-retour à chaque saut.

Pour hôte → R1 → R2 → R3 → serveur :

Si toutes les réponses sont reçues, ce tracé de quatre sauts envoie douze sondes. Chaque temps aller-retour commence lorsque la sonde correspondante quitte la source et se termine au retour de sa réponse. Cette valeur n’est pas le temps nécessaire pour traverser uniquement la liaison depuis le saut affiché précédent.

Reconnaître la réponse de la destination

La méthode par défaut sous Linux et macOS envoie des sondes UDP vers un port de destination improbable, en commençant à 33434 et en augmentant le numéro de port à chaque sonde. Une destination sans programme à l’écoute renvoie un message ICMP de port inaccessible. Malgré son nom qui évoque une erreur, cette réponse indique à traceroute que la sonde a atteint la destination.

Sous Windows, tracert envoie des requêtes d’écho ICMP ; la destination renvoie une réponse d’écho lorsqu’elle est atteinte. Les sondes qui expirent aux étapes intermédiaires produisent toujours des messages de dépassement de délai. Sous Linux, traceroute, et sous Windows, tracert, utilisent par défaut un maximum de 30 sauts. Un tracé se termine lorsque la destination répond ou que la limite est atteinte.

Exécuter la commande et reconnaître les résultats

Utilise traceroute example.org sous Linux ou macOS, ou tracert example.org sous Windows. L’adresse source d’une réponse identifie une interface de routeur. Les recherches DNS peuvent ajouter des noms lisibles. Utilise traceroute -n example.org ou tracert -d example.org pour éviter ces recherches et voir les adresses numériques sans attendre la résolution des noms.

Les noms de routeurs choisis par les opérateurs contiennent parfois un code de ville ou d’aéroport, mais un nom est un indice, pas une mesure géographique. Un routeur possède aussi plusieurs interfaces : différents tracés peuvent donc afficher différentes adresses pour un même équipement.

Le relevé obtenu enregistre les réponses à ces sondes à cet instant. Les routes peuvent changer entre deux exécutions et la répartition de charge peut envoyer les sondes sur des chemins différents. Les sondes se dirigent vers la destination, tandis que chaque temps aller-retour mesuré comprend aussi un trajet de retour que le relevé ne révèle pas.

Lis un tracé comme un ensemble de réponses chronométrées. Une ligne indique le numéro du saut, les noms ou adresses des interfaces qui répondent et les temps aller-retour de ses sondes. Les silences et les variations doivent être interprétés avant de poser un diagnostic.

Lire un tracé complet

Ce tracé utilise des adresses privées et des adresses réservées à la documentation :

1 gw.home.example (192.168.1.1)              1.9 ms  1.6 ms  1.7 ms
2 10.20.0.1                               8.4 ms  8.9 ms  8.1 ms
3 core1.city-a.isp.example (198.51.100.17)   9.6 ms 10.2 ms  9.8 ms
4 * * *
5 ix1.city-b.transit.example (203.0.113.40) 21.5 ms 21.1 ms 22.0 ms
6 sub1.ocean.transit.example (203.0.113.73) 84.3 ms 83.9 ms 84.6 ms
7 www.example.org (192.0.2.80)             85.2 ms 85.0 ms 86.1 ms

Le routeur domestique répond à environ 1,7 ms, le saut suivant à environ 8,4 ms et la destination à environ 85 ms. Ce sont des temps aller-retour entre la source et le saut concerné. Les trois nombres d’une ligne correspondent à des sondes distinctes, et non à trois parties du délai d’un même paquet.

Interpréter les réponses manquantes

Un astérisque signifie qu’une réponse n’est pas arrivée avant l’expiration du délai d’attente : normalement 4 s sous Windows et jusqu’à 5 s sous Linux avec les réglages par défaut. Un routeur peut supprimer les réponses ICMP ou en limiter le débit ; un pare-feu peut les filtrer ; une sonde ou sa réponse peut être perdue.

Le saut 5 répond après le saut 4 silencieux. Le tracé montre donc que les sondes peuvent aller au-delà de ce point. Il n’établit pas que le trafic ordinaire est rejeté au saut 4. Des astérisques à la fin peuvent signifier que la destination ou un pare-feu proche ne répond pas aux sondes, mais un véritable problème d’accessibilité est aussi possible. Vérifie d’autres indices avant de retenir une cause.

Chercher un changement durable

Le temps aller-retour minimal passe de 21,1 ms au saut 5 à 83,9 ms au saut 6 : une hausse de 62,8 ms qui persiste au saut 7. Cela suggère un délai supplémentaire sur le chemin près de cette partie de la route.

Si toute la hausse provenait de la propagation sur une liaison en fibre supplémentaire utilisée dans les deux sens, le temps aller supplémentaire serait de $\mathrm{62,8}\mathrm{/}2=\mathrm{31,4}$ ms. À $2\times {10}^8$ m/s, cela correspond à $\mathrm{0,0314}\times 2\times {10}^8=6280000$ m, soit 6 280 km. Cette estimation dépend du modèle de chemin indiqué. Des routes de réponse différentes, les files d’attente et les temps de réponse des routeurs peuvent modifier la hausse ; le tracé n’identifie pas le type de câble et ne mesure pas la longueur de la liaison.

Distinguer le transfert de la réponse

Un routeur peut répondre lentement tout en transférant les paquets rapidement. Son traitement ICMP peut avoir une faible priorité et sa réponse peut emprunter un chemin de retour différent. Un temps aller-retour élevé qui disparaît aux sauts suivants indique généralement une réponse lente, tandis qu’une hausse persistante mérite une recherche plus approfondie.

Les minimums obtenus lors de mesures répétées aident à estimer le délai fixe, tandis que la dispersion des temps aller-retour peut révéler une attente en file variable. Aucun des deux ne permet une séparation parfaite : le traitement des réponses et les changements de chemin peuvent aussi varier. Compare les exécutions à différents moments et utilise des mesures ping répétées pour vérifier la destination au fil du temps.

La répartition de charge peut afficher plusieurs adresses à un même saut. Paris traceroute maintient constants les champs d’en-tête qui identifient le flux afin de réduire les changements de chemin dus à la répartition par flux, mais la répartition par paquet peut encore séparer les sondes. Les tunnels MPLS peuvent masquer des routeurs internes : les sauts affichés ne révèlent donc pas nécessairement chaque routeur physique.