Un aperçu sur le routeur, son origine, l’évolution de son architecture et les actuels défis à relever.

1. Généralités sur le Routeur
Mwamba Bakajika Stany
mwambastany@gmail.com
10 avril 2020
Résumé
L’industrie internet, telle que l’hébergement, le fournisseur de service internet, le centre
de données (data center), etc transfère des térabits des données. L’évolution des perfor-
mances de réseaux auxquels appartiennent et sont connectées ces industries internet est
étroitement liée à l’évolution du routeur considéré comme le nœud d’un réseau TCP/IP.
Ce document donne un aperçu sur le routeur, son origine, l’évolution de son architec-
ture et les actuels défis à relever.
Table des matières
1 Introduction 2
2 Définition du routeur 3
3 Types de routeurs 4
4 Technologie de routeur 4
4.1 Architecture du routeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4.1.1 1ère Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.1.2 2ème Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.1.3 3ème Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.1.4 4ème Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2 Quelques Fabricants des routeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5 Conclusion 10
1

2. 1 Introduction
De nos jours, l’internet est indispensable. Les échanges d’informations ne font que
croître. L’intérêt que nous portons à la transmission de nos informations sur internet ou
au travers d’un réseau local nous pousse davantage à nous focaliser sur le temps, la vitesse
ou le débit de transmission de ces dernières. Nous nous demandons rarement, peut-être
même pas, par quelles voies les informations nous parviennent ou nous sont transmises ;
tout simplement parce que cette préoccupation est à la charge d’un organe du réseau que
nous ignorons généralement, et ce dit organe s’appelle «routeur».
Comme l’Internet, le routeur tire également son origine du réseau ARPANET 1. Il
possède un ancêtre nommé «Interface Message Processor (IMP)» qui opérait dans
ARPANET [Was70]. Dans le souci de palier aux problèmes dans le réseau ARPANET, no-
tamment les problèmes de synchronisation, d’erreur de contrôle et autres. ARPA décida
de construire un autre type de communication digitale disposant d’une bande passante,
de possibilité de permutation de ligne et dont les chemins des paquets n’étaient pas éta-
blis d’avance et la porteuse des messages devrait posséder une adresse. C’est en 1969 que
BOLT BERANEK AND NEWMAN Inc (BBN), une entreprise informatique amé-
ricaine, proposa l’IMP et ce dernier fut installé dans quatres (4) sites d’ARPA [HKO+70].
En 1970, elle l’améliore, et le réseau ARPANET pouvait suppporter jusqu’à 67 domaines
(groupes). Enfin en 1980, des nouvelles améliorations furent apportées, et l’IMP fut doté
des ports d’extension du réseau et ARPANET pouvait dès lors supporter les protocoles
TCP/IP [NMLE80].
Figure 1 – Interface Message Processor | Source :[HKO+70]
La fonction de base de l’IMP était de permettre en un temps record le transfert des
messages entre ordinateurs et entre différents systèmes de télécommunication. Dans ce
réseau (ARPANET), chaque IMP avait la possibilité d’adapter le chemin du message
aux conditions de la partie du réseau (domaine) dans laquelle il était connecté. Nous
remarquons qu’en ce temps-là, il y avait déjà l’usage du routage adaptatif.
ARPANET n’existe plus il y a de cela un siècle, il est devenu INTERNET. Qu’en
est-il de l’IMP ? Plutôt, du routeur, puisqu’il s’agit de l’Internet aujourd’hui.
1. L’ARPANET : précurseur d’Internet, était conçu en 1960 par l’Agence des projets de recherche avancés
du département de sécurité des Etats unis d’Amérique en anglais Advanced Research Projects Agency (ARPA)
qui deviendra plus tard DARPA (Department of Defense’s Advanced Research Projects Agency). La mission
d’ARPA était de créer une connection entre ordinateurs distants, d’y avoir un accès à distance, afin de faciliter
les échanges des données ; projet qui donna naissance aux réseaux ARPANET. Retenons qu’en ce temps-là,
ARPANET réalisait déjà la commutation des paquets et utilisait les nœuds et circuits du réseau téléphonique.
2

3. 2 Définition du routeur
Souvent confondu au Commutateur (Switch en anglais) et au Concentrateur
(Hub en anglais), nous estimons qu’il est préférable d’établir ou de rappeler pour cer-
tains la différence entre ces équipements du réseau (switch et Hub) et le routeur (router
en anglais).
Le routeur opère au niveau 3 (couche réseau) du modèle OSI [Puj06], c’est un dispositif
ou élément du réseau qui assure le calcul du meilleur chemin et l’acheminement des paquets
dans un réseau en s’appuyant sur des protocoles et algorithmes de routage ; il peut gérer
à la fois les échanges entre les éléments de types de réseaux différents tels que l’internet
et le réseau local Ethernet et trouver ainsi les meilleurs chemins des paquets [Inf05].
Figure 2 – Routeur Home Nighthawk X4 (NETGEAR) | Source :[NET15]
Quant au commutateur (switch), il est limité au réseau local Ethernet c’est-à-dire
il intervient au niveau 2 (couche liaison : Ethernet) du modèle OSI [Puj06] ; il permet de
connecter des appareils faisant partie d’une même classe d’adresse en IP ou d’un même
sous- réseau [Inf05]. C’est un composant à n entrées, n sorties qui achemine de manière
intelligente (création d’un circuit virtuel) les paquets des entrées vers leurs destinations
de sorties en se basant sur la table de commutation contenant des références[SC02].
Figure 3 – Commutateur DES-108(D-link switch) | Source :[Dl12]
Contrairement aux deux éléments précités, le concentrateur (Hub) est moins intel-
ligent c’est-à-dire qu’il ne dispose pas de mécanisme intelligent de gestion des échanges
d’informations. Il permet également de connecter des appareils faisant partie d’une même
classe d’adresse en IP ou d’un même sous-réseau[Inf05]. Les données envoyées par un ordi-
nateur ou un autre dispositif du réseau sont renvoyées à tous les ordinateurs ou dispositifs
connectés à celui-ci (Hub) qu’ils en aient besoin ou non[SC02].
Figure 4 – Concentrateur CISCO Serie 3000 | Source :[Cis15]
3

4. 3 Types de routeurs
Nous distinguons [Tie] :
• Le Home routeur : tel que le routeur wifi et modem routeur ; ce type de routeur
est utlisé pour améliorer la qualité du réseau. Il joue le rôle de routeur de distribution
et/ou de routeur d’accès, le mode de partage est filaire (câble RJ45) et/ou sans fil
(wifi).
• Le Routeur cœur (core Router) : composé en rack 2 , ce type de routeur est celui
qui compose le cœur de l’internet et les réseaux backbones 3.
Selon le rôle que peut jouer un routeur dans le réseau, nous avons [PS] :
— Les Routeurs principaux : comme source de connection sous-domaine de réseau,
ils sont caractérisés par une haute vitesse.
— Les Routeurs de distribution et routeurs d’accès : densité de ports élevée, ils
sont utilisés pour le partage dans un système autonome (sous-domaine réseau)
— Les Routeurs frontières : utilisés pour des connections entre systèmes autonomes.
— Les Routeurs de services : utilisés pour l’hébergement et serveurs, nous les trouvons
dans les réseaux backbones.
4 Technologie de routeur
Après les IMP (Interface Message Processor), les ordinateurs standards furent utilisés
comme routeur. En mi-1980, la première génération des routeurs apparaît avec une archi-
tecture semblable aux ordinateurs standards. Quelques années plus tard la deuxième, en
suite la troisième, et enfin la quatrième génération (les gigarouteurs ou terarouteurs)[JA].
4.1 Architecture du routeur
L’architecture globale du routeur est composée d’un processeur réseau (processeur de
routage), d’un circuit d’interconnexion et des ports d’entrée et sortie (figure 5) [RAB].
Figure 5 – Architecture globale du routeur
2. le rack est une forme casier destiné à l’ajout des composants tel que memoire(raid), carte reseau, extenseur
de port, etc.
3. Aussi appélé Dorsale internet, nous trouvons le backbone dans les industries internet telles que le four-
nisseur internet, les centrales de données (data centers), les hebergeurs (Hosting services). C’est un ensemble
de supports internet et une station telecom, supportant un grand trafic ; le but de ce dernier est de fournir les
services internets aux entreprises, à la population, etc [AST11].
4

5. Le processeur de routage est le siège de la configuration, maintenance et du routage
dynamique. Sur base des RIB 4, il recalcule les tables de routage, compile les paquets en
FIB 5 et les distribue aux ports de sortie via le circuit d’interconnexion.
Le Port d’entrée, Il est reparti en trois (3) parties, à savoir :
— la terminaison de ligne : c’est la couche physique, elle interface avec le medium physique
(port Ethernet, antenne, etc...). La réception des données à ce stade est au niveau
binaire.
— la partie liaison de données : nous voyons la couche liaison, utilisation des protocoles
Ethernet, désencapsulation, etc..
— un système de commutation décentralisé : son rôle est de vérifier le paquet à trans-
mettre à l’aide de la table de transfert, d’acheminer les paquets vers le circuit d’inter-
connexion (swich fabric), créer une file d’attente (queuing en anglais) si la vitesse des
paquets est supérieure à la vitesse de transmission (au débit de transfert).
Figure 6 – Port d’entrée
Le port de sortie est presque semblable à celui d’entrée. Mais en lieu et place d’un
système de commutation décentralisé, celui-ci est seulement doté d’un système de mise en
attente (queuing) et d’une mémoire cache (buffering) 6.
Figure 7 – Port de Sortie
4. RIB (Routing Information Base, en francais, Information de base de routage) : contient les protocoles de
routage (RIB,OSPF,IS-IS,BGP,etc), les sauts, la métrique, la qualité de service, les adresse IP, les identifiants
des sous-réseaux, etc...
5. FIB (Forwarding Information Base) : information de base de transfert (en francais), contient les RIB mises
à jours et compilés dans un format spécifique aux materiels (ASIC, FPGA, module Ethernet, ect...) qui gèrent
les ports de sortie.
6. L’objectif des buffers est de stocker temporairement les paquets si le débit de transfert est inférieur à celui
du circuit d’interconnexion, car ce débit de transfert dépend du matériel connecté à ce port tel que la carte
réseau.
5

6. Le circuit d’interconnexion, c’est le support de commutation.
Son rôle est de transférer les paquets de l’entrée à la sortie appropriée. Il existe trois
(3) types de support de commutation, à savoir : la mémoire, le bus et la matrice de
commutation (switch fabric). Ce fait entraîne trois (3) types de commutation dont la
commutation à memoire partagée, la commutation à bus partagé et la commutation par
réseau bayan ou crossbar.
Résumons dans le tableau suivant ces commutations et leurs supports appropriés.
Support de
commutation
Type de
commutation
Illustration Niveau de
routeur
Memoire Commutation à
mémoire
partagée
PC, routeur bas
de gamme
Bus Commutation à
Bus partagé
Routeur
Moyenne gamme
Matrice de
commutation
(Switch Fabric)
Commutation
point par point
(Cross bar) ou
par réseau
Bayan
Routeur haut de
gamme
TABLEAU 1 – Support de commutation et type de commutation correspondant
Chaque type de commutation a donné naissance à nouveau type de routeur dont
l’architecture correspond à une génération de routeur. Ci-dessous les détails sur chacune
des générations.
4.1.1 1ère
Génération
Jusqu’en 1980, les routeurs étaient essentiellement les ordinateurs standard. Avec une
architecture des ordinateurs standards, cette dernière (architecture) a été longuement
utilisée.
Le circuit d’interconnexion est la memoire [JA] ; les paquets reçus sont copiés dans la
mémoire centrale via la mémoire à accès direct(DMA : Direct Memory Access)(figure
8).
Toutes les fonctions de transfert de paquet sont exécutées par le processeur central.
un de mécanisme d’accélération est l’utilisation de la mémoire cache pour consulter la
table de routage.
Comme incovenients dans cette architecture[jor] :
— les performances de transfert sont limitées par le CPU
6

7. — la capacité de bus d’échange limite le nombre de cartes d’interfaçage (cartes réseau)
pouvant être connectées.
Figure 8 – Architecture du routeur 1ère
génération
4.1.2 2ème
Génération
En 1990 la deuxième génération apparait, tout est joué sur les interfaces (circuit d’in-
terfaçage) de ports d’entrée et de sortie. Ces dernières (interfaces) sont dotées d’un CPU,
d’une cache et d’une mémoire de stockage additionnelle [JA].
Les paquets sont en partie traités au niveau des ports d’entrée , en suite stoqués dans
la mémoire puis transferés dans la mémoire du processeur central, enfin envoyés dans la
mémoire de port de sortie pour être traités et transférés.
Le circuit d’interconnexion est le bus. Il y en a 3 type[jor] :
• le bus de contrôle : pour contrôler les ports d’entrée et de sortie,
• le bus de transfert des données : pour transférer le contenu des paquets,
• le bus de transferts d’entête : pour le transfert d’entêtes des paquets
Figure 9 – Architecture du routeur 2ème
génération
L’inconvénient de cette architecture est la limitation de vitesse de commutation par
la bande passante du circuit d’interconnexion (bus). A titre d’exemple, le routeur cisco
5600, a pour bande passante 32 Gb/s.
7

8. 4.1.3 3ème
Génération
Le circuit d’interconnexion semblable à une matrice de commutation (switch fabric)[Hid06].
Il dispose de N entrées et N sorties. Comme matrice de commutation nous pouvons citer :
le crossbar et le reseau bayan[NM]. Le processus de transfert d’IP n’est pas centralisé,
il est distribué. Chaque interface opère indépendamment. La sortie est calculée dans les
interfaces d’entrée.
Cette génération de routeur peut avoir une capacité de traitement supérieure à 1
Tbit/seconde. Exemple : CISCO 12000, commute à 60 Gb/s.
Figure 10 – Architecture du routeur 3ème
génération
4.1.4 4ème
Génération
Communement appélé «superrouteur», «giga routeur» ou «tera routeur» [Puj06]. Cette
génération de routeur possède un grand nombre de ports de connection, tous connectés à
un même coeur (processeur central qui gère le routage) par le biais des circuits optiques
(fibre optique) ; voir la figure 11 [NM].
Cette séparation physique du processeur de commutation et des circuits d’interfaçage
permet au niveau de ces derniers (circuits d’interfaçage) de :
— réduire la puissance,
— placer un temporisateur complexe,
— gérer les caches, etc.
Dans cette architecture, la matrice de commutation est optique. Son fonctionnement
est basé sur des réalisations optiques (la diffraction, le laser et equipement holographique).
Son système de traitement de paquets se fait à plusieurs étages et le routeur est capable
d’assembler des paquets (clustering), la table de routage est distribuée et un traitement
anticipé de paquets dans les interfaces d’entrée avant le processeur central [Tie]. A l’excep-
tion des circuits optiques, ces mécanismes : clustering et traitement anticipé permettent
également de réduire la puissance consommée par le processeur et augmenter vitesse de
routage.
Les routeurs de cette génération peuvent atteindre 160 Gb/s par ligne et une capacité
de transmission de 100 Tb/s [Hid06].
8

9. Figure 11 – Architecture du routeur 4ème
génération | Source :[N.McKeown,P.Gupta] Routers technologies
and evolution (Standford University)
4.2 Quelques Fabricants des routeurs
Quelle qu’en soit l’architecture, les paramètres de mesures des performances restent
les mêmes.
Les fabricants observent plus [RAB] :
— QoS 7
— Le débit (Élevé)
— Méthode de cryptographie, Pare-feux, authentification
— Basse consommation
— Coût financier réduit
— la Flexibilité :
• Passage à l’échelle (empilement),
• Adaptabilité aux standards (ATM 8,UMTS 9,IPv6 10)
• Possibilité d’ajouter des fonctionnalités (Firmware)
Il existe plusieurs fabricants des routeurs, parmi les plus connus nous pouvons citer :
— pour les routeurs core [Tie] :
• Cisco CRS (Carrier Router Series)
• Juniper T-series
• Nokia XRS (Extensible Routing System)
7. QoS (Quality of Service)[Jua] : C’est la capacité d’un réseau à transporter les trafics de manière satisfai-
sante vis à vis des exigences des Applications (Bande passante, Délai de bout en bout,etc.)
8. ATM (Asynchronous Transfer Mode)[dedro, Ser03] : Est un mode de transfert de données basé sur la
transmission et commutation de paquets caractérisé par des connexions virtuelles et le multiplexage asynchrone
des données sur un ou plusieurs supports physiques.
9. UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)[BCH10]-p26 : Est un système de communication
sans fil mobile exploitant une large bande passante, et utilisant un protocole de transfert de données en paquet,
ce qui lui permet de prendre en charge beaucoup de services multimédias. UMTS est une amélioration des
standards GSM et GPRS, Il est perçu comme réseaux multimédias de la troisième génération offrant des débits
allant jusqu’à 2 Mbit/s[Ser03]-p545
10. IPv6[Ser03] : Nouveau protocole Internet permettant d’augmenter l’espace d’adressage (128 bits au lieu
de 32 bits) tout en conservant les grands principes de IPv4 (classes d’adresses, affectation géographique des
adresses, routage, etc.)
9

10. • Huawei Netengine
— pour les routeurs home [Sna] :
• NETGEAR (nighthawk x4)
• ASUS (RT-AC880)
• DLINK (AMOR Z2)
• D-link (AC3150)
5 Conclusion
Le réseau IP fournit une grande flexibilité par sa possibilité d’extension, le travail de
routeur dans ce dernier est d’optimiser la transmission des données. Nous avons présenté,
dans ce document, l’origine du routeur dans un réseau informatique. Nous avons également
montré l’évolution de sa technologie (étroitement liée au circuit d’interconnexion utilisé),
partant de l’architecture de la première génération à celle de la quatrième génération.
Le routeur reste un des élément clés de performance d’un réseau IP, autrefois sous forme
des IMP (Interface Message Processor : ancêtre du routeur), plus tard des ordinateurs
standard ont été utilisés comme routeur, ensuite il apparaît avec sa propre architecture
qui n’a fait qu’évoluer.
Aujourd’hui le routeur intègre des accélerateurs matériels tels que les ASIC (Appli-
cation Specific Integrated Circuit) au nivau des circuits d’interfaçage (cartes réseau), et
des élements optiques dans le circuit d’interconnexion, les constructeurs de ce dernier ne
cessent de l’optimiser ; c’est ainsi que Nick McKeown et Pankaj Gupta de l’université
Standford, voyant la fibre optique comme support de transmission optimal pour l’instant,
expriment leurs previsions dans [NM] disant que les futurs routeurs cores augmenteront le
nombre de circuits optiques dans le but de diminuer en puissance et augmenter en vitesse.
Tout comme dans les temps anciens, l’architecture optimale du routeur reste un sujet
de recherche, Markus Hidell dans [Hid06] souligne deux problèmes majeurs qui étant
ou pouvant être pour certains un objet de recherche ; le premier est le stockage (buffering)
dans la commutation optique enfin le second est le problème de flexibilité de routeur dans
la prise en charge des nouveaux services, tel a été le cas de nombreux routeurs à l’arrivée
de IPv6, VPN (Virtual Private Networks).
Références
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