Réseaux d’entreprises

Ce document couvre les notions fondamentales des réseaux d’entreprises, incluant les rappels sur les réseaux, la pile protocolaire TCP/IP, les réseaux locaux filaires et sans-fil, ainsi que leurs composants, topologies et méthodes d’accès. Il s’adresse aux étudiants en informatique et aux professionnels souhaitant comprendre les bases des infrastructures réseau en entreprise.

Contexte et rappels sur les réseaux

Un réseau est un ensemble d’objets ou de personnes connectés ou maintenus en liaison pour échanger des informations. Le terme vient du latin retiolus, diminutif de retis, signifiant filet. Un réseau de communication se compose d’équipements appelés nœuds, reliés par des liaisons de communication.

Les réseaux d’entreprises sont caractérisés par une grande hétérogénéité des liaisons (Bluetooth, fibre optique, Wi-Fi, Ethernet, LTE-4G, câble sous-marin, liaison satellitaire, CPL) ainsi que des nœuds variés.

Solution : la pile protocolaire TCP/IP

Pour gérer la complexité des réseaux informatiques, la pile TCP/IP est utilisée. Elle repose sur une démarche analytique (recensement des fonctions nécessaires), synthétique (classement des fonctions) et simplificatrice (regroupement en sous-ensembles et décomposition hiérarchique en couches).

Les principes de base de la décomposition en couches sont :

• Chaque couche doit avoir une fonction bien définie et un niveau d’abstraction précis.
• Les fonctions doivent être normalisées internationalement.
• Les interfaces entre couches doivent minimiser le flux d’informations.
• Le nombre de couches doit être équilibré pour éviter la complexité excessive ou la surcharge fonctionnelle.

La pile TCP/IP comprend notamment :

• Couche application : Telnet, FTP, SMTP
• Couche transport : TCP, UDP
• Couche routage : IP
• Couche liaison : LLC (Logical Link Control), MAC (Medium Access Control)

Chaque couche fournit des services à la couche immédiatement supérieure via une interface. Les entités actives de chaque couche communiquent entre elles selon un protocole qui définit les règles, formats et signification des échanges.

Encapsulation des données

L’encapsulation est le processus par lequel les données d’un protocole sont incluses dans un autre protocole, permettant la transmission hiérarchique des informations à travers les couches.

Choix de réseau et topologie

Le choix d’un réseau et de sa topologie est fondamental. Les réseaux locaux filaires utilisent différents supports : câbles cuivre (coaxial, paires torsadées), fibre optique et supports hertziens. Le câble coaxial a été longtemps utilisé mais est aujourd’hui remplacé par la paire torsadée, plus économique et facile à installer. La fibre optique est réservée aux réseaux haut débit et à l’interconnexion.

Pré-câblage d’immeuble

Les réseaux locaux ont généralement une topologie physique en étoile, ce qui conduit à la réalisation d’un pré-câblage dans les immeubles de bureaux. Ce pré-câblage doit :

• Assurer que chaque poste de travail soit à quelques mètres d’une prise informatique ou téléphonique.
• Être indépendant du type de réseau et de la topologie choisie.

Le pré-câblage comprend :

• Un local technique (local de brassage) avec une armoire technique accueillant les éléments actifs (hub, switch) et les panneaux de brassage.
• Des câbles tirés entre le panneau de brassage et les prises murales.
• Des cordons de raccordement pour connecter les stations aux prises murales.
• Des jarretières reliant les prises murales aux ports des éléments actifs.

Composants du câblage

• Baie de brassage : rack au sol ou mural, avec marquage coloré et numérique des contacts.
• Chemins de câbles : respecter les distances de séparation des courants forts (longitudinale ≥ 30 cm, croisement perpendiculaire ≥ 10 cm) et mise à la masse.
• Goulottes : organiser la cohabitation des courants faibles et forts avec des distances spécifiques (ex. 1 cm/1 mètre).
• Concentrateurs : hubs et switches, en formats "stand alone" ou empilables (stackable) pour moins de 100 postes, ou en châssis modulaires pour plus de 100 postes.
• Répéteurs, ponts (bridge) : utilisés pour étendre ou relier des segments, notamment entre Wi-Fi et Ethernet.
• Transceivers et convertisseurs de média : permettent d’adapter les supports physiques (ex. 10/100BASE T, GBIC, Mini GBIC, adaptateurs USB).
• Cartes réseaux : avec auto-négociation, pilotes OS, connecteurs PCI, fonctionnalités avancées comme Wake-On-LAN et agrégation de liens (IEEE 802.3ad).

Les paires torsadées

Catégorie	Classe	Fréquence	Utilisation typique
5 UTP/FTP	C, D	100 MHz	Fast Ethernet
5e UTP/FTP	C, D, E	100 MHz	Fast/Gigabit Ethernet
SSTP	6 U/F/SFTP	250 MHz / 500 MHz	Giga/10 Giga Ethernet à 55 m / 10 Giga à 100 m
6a	7 SSTP UTP	600 MHz	Giga/10 Giga Ethernet

Appareils de test et validation

• Echomètre : localise les défauts sur un câble.
• Certificateur de câbles : mesure longueur, temps de propagation, atténuation, impédance.
• Qualificateur LAN : évalue la capacité du réseau à supporter des applications comme voix sur IP ou vidéo sur IP.
• Testeur WiFi : mesure la qualité du signal sans fil.

Topologies Ethernet

Ethernet épais (IEEE 802.3 10 base 5)

Utilise un câble coaxial épais (couleur jaune) en bande de base à 10 Mbit/s, avec un segment maximal de 500 m. Chaque station est connectée via un transceiver (MAU) au câble principal par une prise vampire, permettant le raccordement sans interruption du trafic.

Le drop cable (câble de liaison) est une paire torsadée de 5 paires, limitée à 50 m. Jusqu’à 100 stations peuvent être connectées sur 5 segments (2,5 km maximum). Il est recommandé d’utiliser des segments dont la longueur est un multiple impair de 23,4 m (longueur d’onde du signal à 10 MHz).

Ethernet fin (IEEE 802.3 10 base 2)

Version économique utilisant un câble coaxial fin. Le transceiver est intégré à la carte réseau, et le câble est connecté directement via un connecteur BNC. La longueur maximale d’un segment est de 185 m, avec un maximum de 30 stations par segment.

Ethernet sur paires torsadées (IEEE 802.3 10 base T)

Basé sur la réutilisation du câblage téléphonique en topologie étoile. Les stations sont connectées à des hubs qui assurent la diffusion des messages et la détection des collisions. Le débit est de 10 Mbit/s, avec une distance maximale de 100 m entre hub et station (150 m si atténuation faible). Le nombre de niveaux est limité à trois.

Un signal particulier, le link status, permet de contrôler la continuité du lien via des LED. En l’absence de données, des impulsions de test sont envoyées toutes les 8 secondes. Si le lien est défectueux, le port est inhibé.

Méthodes d’accès au support

Le support physique est une ressource partagée, nécessitant un protocole d’accès pour éviter les conflits.

Collisions et durée d’émission

Pour détecter une collision, la durée d’émission d’une trame doit être au moins égale à deux fois le temps de propagation maximal du signal entre deux stations. Si la trame est trop courte, des bits de bourrage sont ajoutés.

Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

• CSMA non persistant : si le canal est occupé, la station attend un temps aléatoire avant de réécouter.
• CSMA persistant : la station écoute continuellement le canal et émet dès qu’il est libre. En cas de collision, elle attend un temps aléatoire avant de réémettre. Cette méthode réduit les temps d’attente mais augmente la probabilité de collision.
• CSMA P-persistant : le temps est divisé en intervalles. La station émet avec une probabilité p si le canal est libre, sinon elle attend l’intervalle suivant.

CSMA/CD (Collision Detection)

La méthode la plus utilisée. La station écoute le canal avant et pendant l’émission pour détecter une collision. Si une collision est détectée :

• La station abandonne l’émission et envoie une séquence de brouillage pour signaler la collision.
• L’émission est reprise après un temps d’attente aléatoire.

Cette méthode évite d’attendre un acquittement et permet d’interrompre rapidement une émission conflictuelle.

Condition de détection de collision

La station doit écouter le canal pendant au moins deux fois le temps maximal de propagation du signal. Cela garantit que toute collision sera détectée.

Algorithme de retransmission : Binary Exponential Backoff (BEB)

Début : n = 0
Lorsqu’une collision survient :
  n = n + 1
  Si n < 16 alors
    Attendre K × (2 × τ) secondes, où K est un entier aléatoire dans {0, 1, ..., min(2^n - 1, 210 - 1)}
    Réessayer l’émission
  Sinon
    Informer la couche supérieure de l’échec
    Abandonner

Réseaux locaux sans-fil (WLAN) : composants et topologies

Le sans-fil couvre de nombreuses applications : radio, télévision, téléphone, transmission de données. La portée d’un réseau sans-fil est appelée cellule, définissant la distance maximale entre émetteur et récepteur.

Norme IEEE 802.11

Norme	Débit
802.11b	11 Mbit/s
802.11a	54 Mbit/s
802.11g	54 Mbit/s
802.11n	300 Mbit/s

Modes de fonctionnement

• Mode infrastructure : présence d’un point d’accès (AP) par lequel passent toutes les communications. C’est le mode par défaut.
• Mode ad hoc : réseau distribué sans point d’accès, les stations communiquent directement.
• Extension de la zone de couverture : plusieurs points d’accès reliés par un système de distribution (souvent Ethernet) forment un ESS (Extended Service Set).

Services IEEE 802.11

• Services de base : authentification, sécurité, acheminement des paquets.
• Services du système de distribution : association/désassociation, distribution, intégration.

Processus d’association

1. Trames balises (beacon frames) : émises régulièrement par les points d’accès, elles contiennent les informations du réseau (débits, SSID).
2. Détection des réseaux : par écoute passive des balises ou requêtes actives (Probe Request/Response).
3. Authentification : peut être ouverte (sans sécurité) ou sécurisée par clé WEP. Dans ce dernier cas, un défi aléatoire est envoyé, chiffré par la station et vérifié par le point d’accès.
4. Association : après authentification réussie, la station envoie une requête d’association et reçoit une réponse positive.

Sécurité WPA et 802.11i

• WPA est un sous-ensemble de 802.11i, ne nécessitant pas de mise à jour matérielle.
• Utilise EAP (Extensible Authentication Protocol) normalisé 802.1x pour l’authentification via serveur Radius.
• TKIP renforce la sécurité du protocole WEP.
• Avant authentification, la station ne peut communiquer qu’avec le serveur d’authentification.

Les WLAN en entreprise

Les bornes (points d’accès) permettent de relier le réseau sans fil au réseau Ethernet en jouant le rôle de pont (bridge). L’ensemble des BSS connectés à un système de distribution (DS) forme un ESS.

Deux applications :

• Création de hot-spots avec zones de couverture disjointes (ex. salles de réunion).
• Réseau étendu avec zones de couverture chevauchantes permettant le roaming (mobilité sans perte de connexion). Les bornes doivent être dans le même domaine de diffusion MAC et sous-réseau IP.

La mise en place d’un réseau étendu nécessite une étude de couverture, en identifiant les environnements types, en installant des bornes test et en mesurant la puissance du signal pour ajuster la configuration.

La connexion de deux immeubles par WLAN peut remplacer un câblage, en utilisant des antennes unidirectionnelles pour canaliser les ondes.

La portée peut être augmentée par cascade de bornes en mode répéteur, mais le débit global est divisé par deux car les bornes partagent le même canal.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Procédure de backoff :

Si timeout :
  CW ← CW * 2
Sinon :
  Attendre que le canal soit libre
  Attendre DIFS
  cw ← aléatoire entre 1 et CW
  Tant que canal libre :
    cw ← cw - 1
    Si cw = 0 alors émettre

Les temps d’inter-frame sont :

• SIFS (Short Inter Frame Space) : 10 µs
• Slot Time : 20 µs
• DIFS (Distributed Inter Frame Space) : 50 µs (DIFS = SIFS + 2 × Slot Time)

Le mécanisme évite les collisions en réservant le canal avant émission.

Problème de la station cachée (hidden node)

Une collision peut survenir si deux stations (A et C) envoient simultanément à une station B, alors qu’elles ne s’entendent pas entre elles.

Solution RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send)

Avant d’émettre des données, les stations échangent des messages RTS/CTS pour réserver le canal et éviter les collisions dues aux stations cachées.

Le mécanisme RTS/CTS est utilisé si la taille des données dépasse un seuil RTSthreshold.

Virtual Carrier Sense

Les trames RTS/CTS contiennent une information sur la durée de la transmission, permettant aux stations voisines de maintenir un temporisateur (NAV : Network Allocation Vector) et de ne pas émettre tant que le canal est réservé.

Glossaire des termes clés

• Couche : Niveau d’abstraction dans une architecture réseau, spécialisé dans un ensemble de fonctions.
• Protocole : Ensemble de règles et formats régissant la communication entre entités de même couche.
• Service : Fonctionnalités fournies par une couche à la couche supérieure.
• Encapsulation : Inclusion des données d’un protocole dans un autre protocole.
• Hub : Concentrateur réseau diffusant les messages à toutes les stations connectées.
• Switch : Concentrateur intelligent qui filtre et achemine les trames vers la destination.
• Transceiver (MAU) : Émetteur-récepteur intercalé entre la station et le support physique.
• CSMA/CD : Méthode d’accès au support avec détection de collision.
• Binary Exponential Backoff : Algorithme de gestion des retransmissions après collision.
• WLAN : Réseau local sans-fil.
• Point d’accès (AP) : Station relais dans un réseau sans-fil en mode infrastructure.
• RTS/CTS : Mécanisme de réservation du canal pour éviter les collisions.
• Station cachée : Station qui ne peut pas détecter une autre station émettant sur le même canal, causant des collisions.
• ESS (Extended Service Set) : Ensemble de BSS connectés formant un réseau sans-fil étendu.
• Beacon frame : Trame balise émise par un point d’accès pour annoncer sa présence.
• WEP : Protocole de sécurité obsolète pour le chiffrement des réseaux sans-fil.
• WPA / 802.11i : Protocoles de sécurité améliorés pour les réseaux sans-fil.

Points clés à retenir

• La pile TCP/IP organise les fonctions réseau en couches pour simplifier la conception et la gestion.
• Les réseaux locaux filaires utilisent principalement des paires torsadées et la fibre optique, avec une topologie en étoile facilitée par le pré-câblage.
• Les méthodes d’accès au support, notamment CSMA/CD, permettent de gérer les collisions sur un média partagé.
• Les réseaux sans-fil IEEE 802.11 fonctionnent en mode infrastructure ou ad hoc, avec des mécanismes d’authentification et d’association.
• Le problème des stations cachées est résolu par le mécanisme RTS/CTS et le Virtual Carrier Sense.
• La planification de la couverture WLAN en entreprise est essentielle pour garantir la qualité du service et la mobilité des utilisateurs.