Routeur (informatique)

Un routeur est un ordinateur et un périphérique réseau qui transmet des paquets de données entre des réseaux informatiques , y compris des réseaux tels que l' Internet mondial .

Un routeur est connecté à deux ou plusieurs lignes de données provenant de différents réseaux IP . Lorsqu'un paquet de données arrive sur une ligne, le routeur lit les informations d'adresse réseau dans l'en-tête du paquet pour déterminer la destination finale. Ensuite, en utilisant les informations de sa table de routage ou de sa politique de routage , il dirige le paquet vers le prochain réseau sur son trajet. Les paquets de données sont transmis d'un routeur à un autre via un réseau jusqu'à ce qu'ils atteignent leur nœud de destination .

Les routeurs IP les plus courants sont les routeurs domestiques et de petites entreprises qui transmettent les paquets IP entre les ordinateurs domestiques et Internet. Des routeurs plus sophistiqués, tels que les routeurs d'entreprise, connectent les grands réseaux d'entreprise ou de FAI à des routeurs centraux puissants qui transmettent les données à haut débit le long des lignes de fibre optique de la dorsale Internet .

Les routeurs peuvent être construits à partir de composants informatiques standard, mais il s'agit pour la plupart d'ordinateurs spécialisés . Les premiers routeurs utilisaient une transmission basée sur un logiciel , fonctionnant sur un processeur . Les appareils plus sophistiqués utilisent des circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) pour augmenter les performances ou ajouter des fonctionnalités avancées de filtrage et de pare-feu .

Lorsque plusieurs routeurs sont utilisés dans des réseaux interconnectés, les routeurs peuvent échanger des informations sur les adresses de destination à l'aide d'un protocole de routage . Chaque routeur construit une table de routage , une liste de routes, entre deux systèmes informatiques sur les réseaux interconnectés.

Le logiciel qui exécute le routeur est composé de deux unités de traitement fonctionnelles qui fonctionnent simultanément, appelées plans :

• Plan de contrôle : un routeur gère une table de routage qui répertorie les itinéraires à utiliser pour transférer un paquet de données et via quelle connexion d'interface physique. Pour ce faire, il utilise des directives internes préconfigurées, appelées routes statiques , ou en apprenant les itinéraires de manière dynamique à l'aide d'un protocole de routage. Les itinéraires statiques et dynamiques sont stockés dans la table de routage. La logique du plan de contrôle supprime ensuite les directives non essentielles de la table et crée une base d'informations de transfert (FIB) à utiliser par le plan de transfert.
• Plan de transfert : cette unité transmet les paquets de données entre les connexions d'interface entrantes et sortantes. Elle lit l' en-tête de chaque paquet à son arrivée, fait correspondre la destination aux entrées de la FIB fournies par le plan de contrôle et dirige le paquet vers le réseau sortant spécifié dans la FIB.

Un routeur peut avoir des interfaces pour plusieurs types de connexions de couche physique , telles que des câbles en cuivre, des fibres optiques ou une transmission sans fil . Il peut également prendre en charge plusieurs normes de transmission de couche réseau . Chaque interface réseau est utilisée pour permettre la transmission de paquets de données d'un système de transmission à un autre. Les routeurs peuvent également être utilisés pour connecter deux ou plusieurs groupes logiques de périphériques informatiques appelés sous-réseaux , chacun avec un préfixe réseau unique .

Les routeurs peuvent fournir une connectivité au sein des entreprises, entre les entreprises et Internet, ou entre les réseaux des fournisseurs d'accès Internet (FAI). Ils sont également responsables de la direction des données entre différents réseaux. Les plus gros routeurs (tels que le Cisco CRS-1 ou le Juniper PTX) interconnectent les différents FAI ou peuvent être utilisés dans les grands réseaux d'entreprise. Les routeurs plus petits fournissent généralement une connectivité pour les réseaux domestiques et professionnels classiques.

Les entreprises peuvent trouver des routeurs de toutes tailles. Les routeurs les plus puissants se trouvent généralement dans les FAI, les établissements universitaires et de recherche. Les grandes entreprises peuvent également avoir besoin de routeurs plus puissants pour faire face aux demandes toujours croissantes de trafic de données intranet . Un modèle d'interconnexion hiérarchique pour l'interconnexion des routeurs dans les grands réseaux est couramment utilisé. Certains routeurs peuvent se connecter aux unités de service de données pour les connexions T1 via des ports série.

Le modèle de réseau hiérarchique divise les réseaux d’entreprise en trois couches : cœur, distribution et accès.

Les routeurs d'accès, y compris les modèles pour petits bureaux/bureaux à domicile (SOHO), sont situés à domicile et sur les sites des clients, comme les succursales, qui n'ont pas besoin de leur propre routage hiérarchique . En général, ils sont optimisés pour un faible coût. Certains routeurs SOHO sont capables d'exécuter des micrologiciels alternatifs gratuits basés sur Linux comme Tomato , OpenWrt ou DD-WRT .

Les routeurs de distribution regroupent le trafic provenant de plusieurs routeurs d'accès. Les routeurs de distribution sont souvent chargés de faire respecter la qualité de service sur un réseau étendu (WAN). Ils peuvent donc disposer d'une mémoire considérable installée, de plusieurs connexions d'interface WAN et de routines de traitement de données embarquées importantes. Ils peuvent également fournir une connectivité à des groupes de serveurs de fichiers ou à d'autres réseaux externes.

Dans les entreprises, un routeur central peut fournir une dorsale réduite interconnectant les routeurs de niveau de distribution de plusieurs bâtiments d'un campus ou de sites de grandes entreprises. Ils ont tendance à être optimisés pour une bande passante élevée, mais ne disposent pas de certaines des fonctionnalités des routeurs de périphérie.

Les réseaux externes doivent être soigneusement pris en compte dans le cadre de la stratégie de sécurité globale du réseau local. Un routeur peut inclure un pare-feu , une gestion VPN et d'autres fonctions de sécurité, ou être géré par des périphériques distincts. Les routeurs effectuent également généralement une traduction d'adresses réseau qui restreint les connexions initiées à partir de connexions externes, mais qui n'est pas reconnue comme une fonction de sécurité par tous les experts. Certains experts soutiennent que les routeurs open source sont plus sûrs et fiables que les routeurs à source fermée, car les erreurs et les vulnérabilités potentiellement exploitables sont plus susceptibles d'être découvertes et traitées dans un environnement open source.

Les routeurs sont également souvent distingués en fonction du réseau dans lequel ils fonctionnent. Un routeur dans un réseau local (LAN) d'une seule organisation est appelé routeur intérieur . Un routeur qui fonctionne dans le réseau fédérateur Internet est décrit comme routeur extérieur . Tandis qu'un routeur qui connecte un LAN à Internet ou à un réseau étendu (WAN) est appelé routeur de frontière ou routeur de passerelle .

Les routeurs destinés à la connectivité des FAI et des grandes entreprises échangent généralement des informations de routage à l'aide du protocole Border Gateway Protocol (BGP). La RFC 4098 définit les types de routeurs BGP en fonction de leurs fonctions :

• Routeur de périphérie ou routeur de frontière inter-AS : placé à la périphérie d'un réseau ISP, où le routeur est utilisé pour établir un peering avec les fournisseurs de transit IP en amont, les pairs bilatéraux via IXP , le peering privé (ou même le peering sans règlement) via Private Network Interconnect (PNI) via l'utilisation intensive du protocole Exterior Border Gateway Protocol (eBGP).
• Routeur fournisseur (P) : un routeur fournisseur est également appelé routeur de transit , il se trouve dans un réseau MPLS et est responsable de l'établissement de chemins à commutation d'étiquettes entre les routeurs PE.
• Routeur de périphérie du fournisseur (PE) : un routeur spécifique à MPLS dans la couche d'accès du réseau qui s'interconnecte avec les routeurs de périphérie du client pour fournir des services VPN de couche 2 ou de couche 3.
• Routeur de périphérie client (CE) : situé à la périphérie du réseau de l'abonné, il s'interconnecte avec le routeur PE pour les services L2VPN, ou transfert IP direct de couche 3 dans le cas d' un accès Internet dédié , si les services de transit IP sont fournis via un cœur MPLS, le CE communique avec le PE en utilisant eBGP avec les ASN publics de chaque réseau respectif. Dans le cas des services L3VPN, le CE peut échanger des routes avec le PE en utilisant eBGP. Il est couramment utilisé à la fois par les fournisseurs de services et par les entreprises ou les centres de données .
• Routeur principal : réside dans un système autonome en tant qu'épine dorsale pour transporter le trafic entre les routeurs périphériques.
• Au sein d'un FAI : dans le système autonome du FAI, un routeur utilise le protocole BGP interne pour communiquer avec d'autres routeurs périphériques du FAI, d'autres routeurs centraux intranet ou les routeurs périphériques du fournisseur intranet du FAI.
• Réseau fédérateur Internet : contrairement à ses prédécesseurs, Internet n'a plus de réseau fédérateur clairement identifiable. Voir zone sans défaut (DFZ). Les routeurs système des principaux FAI constituent ce que l'on pourrait considérer comme le cœur du réseau fédérateur Internet actuel. Les FAI exploitent les quatre types de routeurs BGP décrits ici. Un routeur central FAI est utilisé pour interconnecter ses routeurs périphériques et de bordure. Les routeurs centraux peuvent également avoir des fonctions spécialisées dans les réseaux privés virtuels basés sur une combinaison de protocoles BGP et de commutation multiprotocole par étiquette .
• Redirection de port : dans certains réseaux qui s'appuient sur IPv4 et NAT hérités, les routeurs (souvent étiquetés comme des boîtes NAT) sont également utilisés pour la configuration de la redirection de port entre l'espace d'adressage RFC1918 et leur adresse IPv4 attribuée publiquement.
• Routeurs de traitement de la voix, des données, des fax et de la vidéo : communément appelés serveurs d'accès ou passerelles , ces appareils sont utilisés pour acheminer et traiter le trafic vocal, de données, de vidéo et de fax sur Internet. Depuis 2005, la plupart des appels téléphoniques longue distance sont traités sous forme de trafic IP ( VOIP ) via une passerelle vocale. L'utilisation de routeurs de type serveur d'accès s'est développée avec l'avènement d'Internet, d'abord avec l'accès par ligne commutée, puis avec le service de téléphonie vocale.
• Les réseaux plus grands utilisent généralement des commutateurs multicouches , avec des périphériques de couche 3 utilisés pour simplement interconnecter plusieurs sous-réseaux au sein de la même zone de sécurité, et des commutateurs de couche supérieure lorsque le filtrage , la traduction , l'équilibrage de charge ou d'autres fonctions de niveau supérieur sont nécessaires, en particulier entre les zones.

Les routeurs Wi-Fi combinent les fonctions d'un routeur avec celles d'un point d'accès sans fil . Il s'agit généralement d'appareils de petite taille, fonctionnant sur l'alimentation électrique standard pour un usage résidentiel. Connectés à Internet comme proposé par un fournisseur d'accès Internet , ils fournissent un accès Internet via un réseau sans fil pour une utilisation à domicile ou au bureau.

Les concepts d'un nœud de commutation utilisant un logiciel et un ordinateur d'interface ont été proposés pour la première fois par Donald Davies pour le réseau NPL en 1966. La même idée a été conçue par Wesley Clark l'année suivante pour une utilisation dans l' ARPANET , qui ont été nommés processeurs de messages d'interface (IMP). Le premier ordinateur d'interface a été mis en œuvre au National Physical Laboratory au Royaume-Uni au début de 1969, suivi plus tard la même année par les IMP à l' Université de Californie à Los Angeles , au Stanford Research Institute , à l' Université de Californie à Santa Barbara et à l' École d'informatique de l'Université de l'Utah aux États-Unis. Tous ont été construits avec le Honeywell 516. Ces ordinateurs avaient fondamentalement les mêmes fonctionnalités qu'un routeur aujourd'hui.

L'idée d'un routeur (appelé passerelle à l'époque) est née au départ d'un groupe international de chercheurs en réseaux informatiques appelé l' International Network Working Group (INWG). Ces dispositifs de passerelle étaient différents de la plupart des schémas de commutation de paquets précédents de deux manières. Tout d'abord, ils connectaient des types de réseaux différents, tels que des lignes série et des réseaux locaux . Ensuite, il s'agissait de dispositifs sans connexion , qui n'avaient aucun rôle à jouer pour garantir la fiabilité du trafic, laissant cette fonction entièrement aux hôtes . Cette idée particulière, le principe de bout en bout , a été mise au point dans le réseau CYCLADES .

L'idée a été explorée plus en détail, avec l'intention de produire un système prototype dans le cadre de deux programmes contemporains. L'un était un programme au PARC de Xerox pour explorer de nouvelles technologies de réseau, qui a produit le système PARC Universal Packet . Quelque temps après le début de 1974, les premiers routeurs Xerox sont devenus opérationnels. En raison de préoccupations de propriété intellectuelle de l'entreprise, il a reçu peu d'attention en dehors de Xerox pendant des années. L'autre était le programme initié par la DARPA , qui a créé l'architecture TCP/IP utilisée aujourd'hui. Le premier véritable routeur IP a été développé par Ginny Travers au BBN , dans le cadre de cet effort initié par la DARPA, en 1975-1976. À la fin de 1976, trois routeurs basés sur PDP-11 étaient en service dans le prototype expérimental d'Internet. Mike Brecia, Ginny Travers et Bob Hinden ont reçu le prix Internet IEEE pour les premiers routeurs IP en 2008.

Les premiers routeurs multiprotocoles ont été créés indépendamment par des chercheurs du MIT et de Stanford en 1981 et tous deux étaient également basés sur des PDP-11. Le programme de routeurs de Stanford était dirigé par William Yeager et celui du MIT par Noel Chiappa . Pratiquement tous les réseaux utilisent désormais TCP/IP, mais des routeurs multiprotocoles sont toujours fabriqués. Ils ont joué un rôle important dans les premières étapes de la croissance des réseaux informatiques lorsque d'autres protocoles que TCP/IP étaient utilisés. Les routeurs modernes qui gèrent à la fois IPv4 et IPv6 sont multiprotocoles mais sont des appareils plus simples que ceux qui traitent les protocoles AppleTalk, DECnet, IPX et Xerox.

À partir du milieu des années 1970 et dans les années 1980, des mini-ordinateurs à usage général ont servi de routeurs. Les routeurs modernes à haut débit sont des processeurs réseau ou des ordinateurs hautement spécialisés avec une accélération matérielle supplémentaire ajoutée pour accélérer à la fois les fonctions de routage courantes, telles que la transmission de paquets, et les fonctions spécialisées telles que le cryptage IPsec . On utilise largement les machines basées sur les logiciels Linux et Unix , exécutant un code de routage open source , pour la recherche et d'autres applications. Le système d'exploitation Cisco IOS a été conçu indépendamment. Les principaux systèmes d'exploitation de routeur, tels que Junos et NX-OS , sont des versions largement modifiées du logiciel Unix.

L'objectif principal d'un routeur est de connecter plusieurs réseaux et de transférer des paquets destinés soit à des réseaux directement connectés, soit à des réseaux plus distants. Un routeur est considéré comme un périphérique de couche 3 car sa décision de transfert principale est basée sur les informations du paquet IP de couche 3, en particulier l'adresse IP de destination. Lorsqu'un routeur reçoit un paquet, il recherche dans sa table de routage la meilleure correspondance entre l'adresse IP de destination du paquet et l'une des adresses de la table de routage. Une fois qu'une correspondance est trouvée, le paquet est encapsulé dans la trame de liaison de données de couche 2 pour l'interface sortante indiquée dans l'entrée de la table. Un routeur ne regarde généralement pas la charge utile du paquet, mais uniquement les adresses de couche 3 pour prendre une décision de transfert, ainsi que éventuellement d'autres informations dans l'en-tête pour des indications sur, par exemple, la qualité de service (QoS). Pour le transfert IP pur, un routeur est conçu pour minimiser les informations d'état associées aux paquets individuels. Une fois qu'un paquet est transféré, le routeur ne conserve aucune information historique sur le paquet.

La table de routage elle-même peut contenir des informations provenant de diverses sources, telles que des routes par défaut ou statiques configurées manuellement, ou des entrées dynamiques provenant de protocoles de routage où le routeur apprend les routes d'autres routeurs. Une route par défaut est une route utilisée pour acheminer tout le trafic dont la destination n'apparaît pas dans la table de routage. Elle est courante, voire nécessaire, dans les petits réseaux, comme ceux d'une maison ou d'une petite entreprise, où la route par défaut envoie simplement tout le trafic non local au fournisseur de services Internet . La route par défaut peut être configurée manuellement (en tant que route statique), apprise par des protocoles de routage dynamiques ou obtenue par DHCP .

Un routeur peut exécuter plusieurs protocoles de routage à la fois, en particulier s'il sert de routeur de frontière de système autonome entre des parties d'un réseau qui exécutent différents protocoles de routage ; si tel est le cas, la redistribution peut être utilisée (généralement de manière sélective) pour partager des informations entre les différents protocoles exécutés sur le même routeur.

Outre le choix de l'interface vers laquelle transférer un paquet, qui est principalement géré via la table de routage, un routeur doit également gérer la congestion lorsque les paquets arrivent à un débit supérieur à celui que le routeur peut traiter. Trois politiques couramment utilisées sont la suppression de queue , la détection précoce aléatoire (RED) et la détection précoce aléatoire pondérée (WRED). La suppression de queue est la plus simple et la plus facile à mettre en œuvre : le routeur supprime simplement les nouveaux paquets entrants une fois que l'espace tampon du routeur est épuisé. La RED supprime de manière probabiliste les datagrammes de manière précoce lorsque la file d'attente dépasse une partie préconfigurée de la mémoire tampon, jusqu'à atteindre un maximum prédéterminé, auquel cas elle supprime tous les paquets entrants, revenant ainsi à la suppression de queue. La WRED peut être configurée pour supprimer les paquets plus facilement en fonction du type de trafic.

Une autre fonction d'un routeur est la classification du trafic et la décision de savoir quel paquet doit être traité en premier. Cela est géré par le biais de la qualité de service , qui est essentielle lorsque la voix sur IP est déployée, afin de ne pas introduire de latence excessive .

Une autre fonction qu'exécute un routeur est appelée routage basé sur des politiques , où des règles spéciales sont construites pour remplacer les règles dérivées de la table de routage lorsqu'une décision de transfert de paquets est prise.

Certaines fonctions peuvent être exécutées via un circuit intégré spécifique à l'application (ASIC) pour éviter la surcharge liée à la planification du temps CPU pour traiter les paquets. D'autres peuvent devoir être exécutées via le CPU car ces paquets nécessitent une attention particulière qui ne peut pas être gérée par un ASIC.