Réseaux opérateurs

Introduction aux réseaux opérateurs

Format du module

• 3 h de cours, 3 × 2 h de TD, 1 h d'examen. Enseignant : J. Toussaint (IUT Clermont Auvergne, département R&T).
• Objectif du cours : étudier ce qu'est un réseau opérateur.

Qu'est-ce qu'un réseau opérateur ?

Entre la box ou le smartphone de M. Dupond et le serveur (web, vidéo, téléphonie, datacenter…), il y a une infrastructure de transport de l'information. On y distingue classiquement :

• ce qui relie l'équipement de l'usager (box, téléphone) : le réseau d'accès ;
• tout le reste : le réseau opérateur.

Place du cours dans le programme

• Technologies de réseaux opérateurs : réseaux de collecte et de transport (ce module).
• Technologies d'accès : réseau d'accès filaire.
• Réseaux cellulaires : réseau d'accès et de collecte radio.
• Ensemble, ces modules couvrent : les architectures supports et protocoles, les réseaux de transmission (PDH, SDH, OTN, WDM…) et la signalisation dans les WAN.

Services vs infrastructure

Points d'attention

• La technologie évolue vite, les besoins en débit encore plus.
• Le matériel coûte cher et sa durée de vie se compte en dizaine(s) d'années.
• Il faut une compatibilité entre les technos.
• D'où des empilements protocolaires parfois complexes (ex. IP/MPLS/Ethernet/OTN).

Plan du cours

1. Infrastructure physique.
2. Techniques de multiplexage utilisées : protocoles et signalisation.

Insisté en cours : le travail complémentaire sur Colt (en binôme) est signalé par une flèche dans le poly. Étude des solutions « Colt » sous les 2 angles réseau opérateur / réseau d'accès : quels services pour quels clients ? quelles solutions techniques ? Document écrit de 5 pages (+ présentation orale dans la version PDF). Ce travail fera l'objet de questions à l'examen. Consulter le site web et télécharger les fiches techniques.

Infrastructure physique : exemples d'opérateurs

Présentation au travers d'exemples : Orange, Renater, Adista – Covage (Covage seul dans la version 2023), puis travail personnel sur Colt.

Orange : architecture globale (document de référence 2012 France Télécom)

De gauche à droite :

• Accès : mobiles et antennes, box en xDSL et FFTH, DSLAM (xDSL).
• Collecte :
  • backhaul mobile (SDH/PDH…) et transmission Ethernet pour les antennes ;
  • IP/MPLS / Gigabit Ethernet pour xDSL et FFTH ;
  • Collecte ATM pour les anciens DSLAM, reliée au BRAS.
• Cœur : réseau cœur IP/MPLS, relié aux plates-formes de service (derrière pare-feu) et à Internet.
• Note : le service ATM a été définitivement fermé au 31 décembre 2022.

Insisté en cours : sur le schéma Orange, l'OLT est ajouté à la main au point d'arrivée de la FFTH (équipement côté opérateur de la fibre).

Orange : réseau national et international

• Carte WELDON 2014 : les PLD / POP (points de présence) reliés par des liens Weldon (France, Londres, Francfort, Zurich, Genève/CERN…).
• Carte européenne : points de présence, points techniques, liaisons VDM (Paris, Londres, Francfort, Berlin, Varsovie, Madrid, Marseille…). Câbles sous-marins : TAT14, ACE, SMW3, SMW4, IMEWE.
• Transatlantique : TAT14 (Manasquan, N.J., USA ↔ Europe), CBUS (Bermudes – Tortola), ECFS, Americas 2.

Renater (réseau national de la recherche)

• Maillage national centré sur Paris, Lyon, Marseille ; liens vers SFINX, GÉANT (réseau paneuropéen), l'internet généraliste, l'Outre-Mer ; liaisons transfrontalières (RESTENA, BELNET, DFN).
• Chiffres (version 2026) :
  • 10 000 km de fibres noires ;
  • équipements DWDM, 50 longueurs d'onde de 10 à n×100 Gbit/s ;
  • 10 Gbit Ethernet généralisé ;
  • 48 points de présence ;
  • 1 Tbit/s vers les réseaux académiques européens et mondiaux.
• Une météo du réseau (weathermap) en ligne montre la charge des liens (IPv4, IPv6, VPN).

Renater – Lothaire – StanNET (Lorraine)

• Lothaire = réseau régional lorrain : POP optiques (Nancy, Metz, Thionville, Épinal, Longwy, Luxembourg), réseaux métropolitains optiques (Nancy, Metz), fibre optique entre les POP, liens plus faibles vers les villes secondaires (30, 10 et 8 Mb/s).
• Interconnexion au backbone Renater (Paris, Reims, Strasbourg) : extraction de longueurs d'onde à 10 Gb/s, extraction de liens Ethernet 10 Gb/s pour GRID 5000 ; connexions internes à 40 Gb/s et 10 Gb/s.
• StanNET = réseau métropolitain de Nancy : 4 nœuds cœur en boucle (Montet, Manufacture, Sciences, Lionnois) desservant en étoile campus, CROUS, hôpitaux, rectorat…

Covage et Adista

Définitions : accès, collecte, transport

Boucle locale (= réseau d'accès)

Ensemble constitué de :

• l'équipement actif de l'usager ;
• l'équipement actif de l'opérateur de télécommunication ;
• les équipements situés entre les deux (support de communication…).

Exemples :

• ligne téléphonique exploitée avec le téléphone, le modem/routeur ADSL (= la box) et le commutateur téléphonique, le DSLAM ;
• fibre optique exploitée avec l'ONT (la box) et l'OLT.

Caractéristiques : capillarité forte / pas de maillage / jusqu'à quelques km, échelle : ville, quartier.

Boucle locale = réseau d'accès = « dernier km » (last mile) = desserte.

Insisté en cours : double adduction = le client est relié par 2 fibres optiques distinctes (vers des réseaux distincts), pour la redondance.

Réseau de collecte

• Collecte et transmet le trafic à l'échelle d'une (grosse) agglomération, d'un département, d'une région.
• Un réseau de collecte par type de service (ex. un pour la téléphonie mobile, un autre pour les box internet).
• Constitué de fibres optiques, faisceaux hertziens, équipements actifs de grosses capacités.
• Capillarité faible / maillage faible / plusieurs dizaines de km.
• = backhaul quand on parle de la collecte des réseaux mobiles.

Réseau de transport

• Transmet le trafic à l'échelle nationale et internationale.
• Acheminement mutualisé du trafic venant des réseaux de collecte.
• Constitué de fibres optiques et d'équipements actifs de très grosses capacités.
• Capillarité faible / maillage fort / plusieurs centaines ou milliers de km.
• = backbone = cœur de réseau.

Tableau comparatif

POP / IXP / GIX

• POP = Point of Presence.
• IXP = Internet eXchange Point.
• GIX = Global Internet eXchange point.

Pourquoi et comment multiplexer

Les flux à transporter

• flux IP (sortie d'un routeur IP) – MPLS ;
• flux MIC, PDH (sortie d'un commutateur téléphonique) ;
• flux Ethernet (VPN) ;
• flux SDH ;
• flux OTN ;
• etc.

Tous dans le support disponible : la fibre optique.

Pourquoi multiplexer ?

Une fibre a une très grosse capacité : plusieurs (dizaines de) Terabits/s. Elle est donc forcément exploitée pour transporter en même temps de nombreux flux différents, qui sont multiplexés.

À retenir : record expérimental d'avril 2023 : 1 604 300 Gbit/s sur 25 km.

Infrastructure générale (vue en couches)

• Au centre : l'infrastructure optique (commutateurs optiques / MIO optiques, en rouge).
• Autour : l'infrastructure SDH ou OTN (commutateurs OTN, en bleu).
• En périphérie, les affluents : routeurs IP, commutateurs Ethernet, commutateurs téléphoniques.

Insisté en cours : les nœuds rouges du cœur sont des multiplexeurs optiques.

Logique de l'infrastructure globale

Chaque couche demande des ressources à la couche du dessous : IP/MPLS → OTN → DWDM. La suite du cours commence par le cœur optique.

Cœur optique : WDM et OADM

Exploitation de base de la fibre

• À la base : un faisceau lumineux par fibre.
• Chaque rayon lumineux transporte un multiplex temporel.
• Chaîne : laser (λ1) → fibre → AO (amplificateurs optiques) → photodiode.
• Problèmes : fibres installées encombrées ; déploiement de nouvelles fibres très coûteux (génie civil).

Insisté en cours : λ = longueur d'onde ; AO = amplificateur optique.

WDM (Wavelength Division Multiplexing)

• But : augmenter la capacité d'une fibre sans la changer.
• Principe : ex. 4 rayons lumineux de longueurs d'onde différentes, chacun transporte un multiplex temporel à 2,5 Gbit/s ⇒ 10 Gbit/s au total.
• Chaîne : λ1…λ4 → MUX → AO → AO → AO → DEMUX → λ1…λ4.
• Technologie permise par :
  • multiplexeurs/démultiplexeurs optiques ;
  • amplificateurs optiques, qui amplifient en même temps plusieurs faisceaux de longueurs d'onde différentes.
• Débits par λ courants aujourd'hui : 10 Gbit/s, 100 Gbit/s, voire 400 Gbit/s.

Variantes de WDM (xWDM)

• Jusqu'à ~1000 longueurs d'onde sur une même fibre.
• Certains débits sont encore indisponibles car très coûteux (même pour un opérateur), « mais pas que pour ça ».

Commutation

• Commutation : sur un routeur ou un commutateur, action de diriger l'information vers la bonne sortie.
• Deux familles :

Commutation optique : FOADM et ROADM

• FOADM / ROADM = Fixed / Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer.
• OADM = MIEO = Multiplexeur à Insertion/Extraction Optique.
• Un OADM, entre des MUX/DEMUX, insère et extrait des longueurs d'onde sur des fibres WDM ; les autres λ passent.
• « Reconfigurable » : le ROADM est reconfigurable sans interrompre le trafic et à distance.

À retenir : exemple de cœur optique en boucle : 4 OADM (Clermont, Lyon, Valence, Issoire) reliés par des liens (x)WDM. Une λ insérée à Clermont peut être extraite à Lyon ou à Issoire, les autres traversent les OADM intermédiaires.

• Le cœur optique = commutateurs optiques ou MIO optiques reliés par fibre optique, chaque lien portant des faisceaux lumineux.
• Suite du cours : exploiter chaque faisceau (chaque λ) pour y multiplexer des flux binaires.

SDH et OTN

Multiplexage des flux binaires sur une longueur d'onde

• Un opérateur peut mettre à disposition d'un client une ou plusieurs longueurs d'onde entre 2 points de son réseau longue distance : on parle d'exploiter (louer…) une lambda.
• Une λ est souvent exploitée avec SDH (+/- obsolète).
• Les λ disponibles sont exploitées par OTN.
• SDH et OTN récupèrent un flux binaire et le transforment en flux optique (= une λ modulée).

SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

• Concepts issus de SONET (Synchronous Optical NETwork), développé en 1985.
• Recommandations G.707, G.708, G.709… de l'UIT-T (1988).
• Prévu pour exploiter une longueur d'onde sur fibre optique, mais aussi des faisceaux hertziens.
• STM-x = Synchronous Transport Module – level x :

SDH : limitations et évolutions

• SDH exploite une seule longueur d'onde à la fois ⇒ impossible de répartir un même flux (très gros débit) sur plusieurs λ.
• Limité à 40 Gbit/s.
• SDH de plus en plus remplacé par OTN (+ Ethernet) pour exploiter les λ.
• Pas question de supprimer d'un coup tous les équipements SDH (€€€) ⇒ OTN sait transporter des flux SDH.

OTN (Optical Transport Network)

• Standards ITU : G.872 (1999, dernière version 2017), G.709/Y.1331 (2001 – 2016), G.798 (2002 – 2012), etc.
• Exploite des ROADM et des liens (x)WDM (gère la commutation).
• Gère plusieurs λ simultanément, jusqu'à 400 Gbps/λ, 1 Tbps/λ en projet.
• Transporte des trames Ethernet, IP/MPLS, SDH, MPLS-TP, ATM…
• Implémente un puissant mécanisme de FEC.
• Déployé par Orange, Renater… pour leur cœur de réseau optique.
• Matériels : Ciena 6500 et 5400 Packet-Optical Platform, Nokia 1830 PSS, Huawei OSN 1800, 8800 et 9800.

Insisté en cours : FEC est développé à la main dans les notes (« Forward Error … »). Le sens standard : Forward Error Correction, correction d'erreurs à la réception grâce à de la redondance ajoutée à l'émission.

Conteneurs ODU (client → conteneur)

Chaîne OTN : Mapping (client → ODU) → Muxing / switching / protecting → Transporting (OTUCn, N × 100G par onde).

OTN : principe simplifié

Cas 1 : flux Ethernet de la ville A vers la ville B, deux clients (client 1 : 1G, client 2 : 10G).

1. Les commutateurs OTN demandent aux OADM la réservation d'un faisceau λ1 de A à B.
2. Les données reçues des commutateurs Ethernet sont insérées dans une trame OTN, elle-même modulée sur λ1.

• Trame OTN : en-tête, slots de temps (emplacements pour insérer les données des clients), FEC en fin de trame.
• À l'arrivée (B) : démodulation du faisceau reçu de l'OADM, puis extraction des données des slots vers chaque client.

Cas 2 : nouveau flux (client 3 : 10G) de A vers C : réservation d'un nouveau faisceau λ2 de A à C, les données vont dans une nouvelle trame OTN modulée sur λ2.

Synthèse de l'infrastructure et convergence IP/optique

Le noyau de base

• Infrastructure optique (commutateurs optiques ou MIO optiques) entourée de l'infrastructure SDH ou OTN (commutateurs OTN).
• Liens : fibre optique et faisceaux lumineux.

Insisté en cours : dans la légende du noyau de base, « MIE SDH » est barré : on ne garde que commutateur OTN (SDH en voie d'abandon).

Le noyau exploité par différents services (affluents)

Évolution : convergence IP/optique (version 2026)

Plusieurs noms :

• RON – Routed Optical Network ;
• CORA – Converged Optical Routing Architecture ;
• IP-Optical Coordination ;
• désagrégation entre le routage et le transport.

Principes :

• les transpondeurs sont intégrés dans les modules des routeurs ;
• il n'y a plus de couche OTN spécifique ;
• seule la couche photonique reste nécessaire (amplis + mux/demux).

Exemple Renater : modèle actuel

• Couche Ethernet et IP/MPLS avec équipements de niveaux 2 et 3 : commutateurs Ethernet, routeurs IP/MPLS.
• Couche transport : partie OTN (transpondeurs, commutateurs), éventuellement avec des fonctions Ethernet ; couche purement photonique (amplis, mux/demux).

MPLS

Transport efficace de l'IP sur WAN

• Sur SDH : encapsulation, ex. IP/MPLS/SDH.
• Sur OTN : encapsulation, ex. IP/MPLS/Ethernet/OTN.
• MPLS = MultiProtocol Label Switching.
• Intérêts : multi-protocole ; permet la QoS, les VPN, l'ingénierie de trafic.

Vocabulaire du domaine MPLS

À retenir : en MPLS, FEC = Forwarding Equivalence Class. En OTN, FEC = correction d'erreurs. Même sigle, deux sens différents.

Rôle de chaque routeur

Routeur périphérique d'entrée (I-LSR)

• classification du paquet entrant : détermination de sa FEC, ajout du label correspondant ;
• les paquets d'une même FEC suivent le même chemin (LSP) ;
• exemples de classes : toutes les trames vers le même sous-réseau destination ; tous les trafics d'un certain type vers une destination donnée…
• la classification utilise une base d'information (ex. routage IP unicast sur l'adresse du sous-réseau destination) ;
• transmission vers le routeur suivant.

Routeur d'infrastructure (Core LSR)

• lecture du label du paquet entrant ;
• consultation de la table de commutation (entrée : interface + label → sortie : interface + label) ;
• échange / modification du label (swap) ;
• émission vers le routeur suivant.

Avant-dernier routeur

• consultation du label ;
• retrait du label (pop) ;
• mise à jour du TTL de l'en-tête IP ;
• émission vers le routeur suivant.

Routeur périphérique de sortie (E-LSR)

• consultation de la table de routage IP (routage IP classique) ;
• transmission vers le routeur externe indiqué.

En-tête MPLS (ajouté par l'I-LSR)

Total : 32 bits. En couche 2 (PPP), le type 0x8847 signale un en-tête MPLS ; 0x0800 = paquet IP classique.

Exemple de parcours (IP dest 192.168.27.32)

Constitution des tables de commutation : 4 alternatives

• LDP : Label Distribution Protocol ;
• MBGP : MPLS BGP ;
• CR-LDP : Constraint Routing – Label Distribution Protocol ;
• RSVP-TE : ReSerVation Protocol – Traffic Engineering.

MPLS et Cisco

• Appellation obsolète des labels : Tag.
• LIB (Label Information Base) : tous les labels générés localement et appris des voisins par LDP.
• LFIB (Label Forwarding Information Base) : table de commutation extraite de la LIB, c'est elle qui sert à la commutation.

Constitution des LFIB (schéma Herbert Haas)

Étape 1 : construction des tables de routage avec OSPF (ex. R2 : 20/8 via R3, 20/8 via R6).

Étape 2 : construction des LFIB avec LDP, depuis la destination vers la source :

• R5 débute (messages 1 et 1bis) : les avant-derniers routeurs apprennent qu'ils doivent supprimer l'en-tête MPLS pour 20/8 (do POP).
• R6 (resp. R4) annonce à ses voisins le label attendu (messages 2 / 2bis) :
  • flux venant de R2 : label 12 (FIB : 20/8 via R5 do POP ; LFIB : In 12 / Out pop) ;
  • flux venant de R5 : label 7.
• Sur réception du message 2, R2 annonce son label : ex. il dit à R1 d'utiliser le label 41.
• La meilleure route OSPF choisit le label retenu dans la FIB puis dans la LFIB : R2 a LFIB In 41 / Out 12 (via R6).
• LDP s'exécute aussi en sens inverse, mais sans information IGP sur ces chemins, donc normalement inutilisé.

À retenir : LDP distribue les labels de l'aval vers l'amont (de la destination vers la source). Le choix du label de sortie suit la meilleure route de l'IGP (OSPF).