Réseaux Informatique

Ce matériel couvre les concepts fondamentaux des réseaux informatiques, en particulier les techniques de commutation, les architectures protocolaires et le modèle OSI. Il s'adresse aux étudiants en informatique ou en télécommunications souhaitant comprendre les principes de fonctionnement des réseaux et leur organisation en couches.

Le concept de commutation dans les réseaux

La commutation est une opération essentielle en télécommunications qui permet de connecter deux utilisateurs sur un réseau. Elle assure la mise en relation entre un utilisateur et n'importe quel autre, ce qui est fondamental pour la communication dans un réseau.

Dans un réseau de N stations, pour relier chaque station aux autres, il faudrait théoriquement N(N − 1) liens. Cependant, en comptant chaque lien deux fois (A vers B et B vers A), on obtient le nombre réel de liens nécessaires :

Nombre de liens = N(N − 1) / 2

Cette formule évite la redondance dans le calcul des connexions nécessaires pour une interconnexion totale.

Techniques de commutation

Pour optimiser le partage des ressources dans un réseau où la demande peut dépasser la capacité, plusieurs techniques de commutation existent :

• Commutation de circuits : un lien physique est établi de bout en bout entre deux utilisateurs avant l'échange de données. Ce lien est maintenu tant que la communication dure.
• Commutation de messages : aucun lien physique n'est établi. Le message est transféré de nœud en nœud et mis en attente si un lien est occupé.
• Commutation de paquets : similaire à la commutation de messages, mais le message est découpé en petits paquets envoyés indépendamment les uns des autres. Chaque nœud réémet immédiatement les paquets sans stockage.

Commutation de circuits

Un exemple classique est le réseau téléphonique. Avant de parler, une connexion physique est établie par des autocommutateurs qui relient les segments de circuits pour former un chemin continu. Cette connexion est libérée à la fin de la communication.

Commutation de messages

Dans ce mode, la régulation du trafic se fait en cours de transmission. Si un lien est occupé, le message est mis en attente dans les nœuds intermédiaires. Cela évite de surdimensionner le réseau mais peut introduire des délais.

Commutation de paquets

Le message est fragmenté en paquets de petite taille. Chaque paquet est acheminé indépendamment, sans stockage dans les nœuds intermédiaires, qui les réémettent immédiatement. Le séquencement des paquets n'est pas garanti, ce qui nécessite un réordonnancement au niveau du destinataire.

Exemple : Un message de 1000 octets est découpé en paquets de 100 octets. Chaque paquet suit une route indépendante. Le destinataire doit réassembler les paquets dans le bon ordre pour reconstituer le message.

Modes de communication : connecté vs non connecté

• Mode connecté : une connexion est établie avant l'échange (exemple : téléphone). On compose, on établit la connexion, on communique, puis on raccroche.
• Mode non connecté : les données sont envoyées sans établir de connexion préalable (exemple : courrier postal). Chaque message est indépendant et peut être perdu si le destinataire n'est pas à l'écoute.

Mode non connecté (CLNS) « Datagramme »

Les informations transitent indépendamment les unes des autres. Les routes empruntées peuvent varier, et le séquencement n'est pas garanti. La complexité est déplacée vers les extrémités qui doivent gérer le réordonnancement.

Mode orienté connexion (CONS) « Circuit Virtuel »

Une liaison virtuelle est établie avant l'échange, avec réservation des ressources nécessaires. Tous les messages suivent la même route, garantissant le séquencement. Une phase de déconnexion libère les ressources à la fin.

Différence entre circuit virtuel commuté et permanent

• Circuit virtuel commuté : liaison établie à la demande, connectivité ouverte vers n'importe quel abonné.
• Circuit virtuel permanent : liaison configurée une fois pour toutes, connectivité limitée.

Les architectures protocolaires

Avec la diversité des systèmes et des besoins, il est nécessaire de définir des architectures normalisées pour assurer l'interopérabilité. L'ISO a proposé le modèle OSI (Open Systems Interconnection), une architecture en couches qui facilite la conception et la compréhension des réseaux.

Principes de l'architecture en couches

• Un système est divisé en n sous-systèmes ordonnés, appelés couches.
• Chaque couche communique avec la couche immédiatement supérieure et inférieure via des interfaces précises.
• Les entités de même couche sur des machines différentes communiquent via un protocole.
• Cette organisation permet un développement séparé des couches et une meilleure gestion de la complexité.

Fonctionnement de l'encapsulation

Les données d'une couche (N+1) sont encapsulées dans une unité de données de la couche N, qui ajoute son propre en-tête. Cette encapsulation forme un tunnel permettant le transport des données à travers les couches inférieures.

Point d'accès au service (SAP)

Chaque couche fournit un service accessible via des points d'accès aux services (Service Access Point - SAP), identifiés par une adresse unique. La couche N est fournisseur de service pour la couche N+1, qui en est utilisatrice.

Le modèle OSI

Le modèle OSI est composé de 7 couches, chacune avec des fonctions spécifiques :

1. Couche Physique : transmission des informations brutes sur un média (impulsions électriques, radio, lumière).
2. Couche Liaison de données : transmission entre systèmes adjacents, gestion des erreurs, échanges sous forme de trames.
3. Couche Réseau : acheminement des informations à travers le réseau, gestion de la topologie, échanges sous forme de paquets.
4. Couche Transport : transmission de bout en bout, contrôle de flux, qualité de service, échanges sous forme de messages.
5. Couche Session : établissement, maintien et libération des connexions.
6. Couche Présentation : traduction des données, établissement d'une syntaxe commune, masque l'hétérogénéité des codages.
7. Couche Application : interface avec les processus applicatifs pour accéder au réseau.

Exemple d'utilisation

Lorsqu'une application cliente souhaite envoyer des données, elle les transmet à la couche supérieure (exemple : couche 7 Application). Chaque couche inférieure encapsule les données reçues avec ses propres informations de contrôle avant de les transmettre au réseau.

Critiques du modèle OSI

• Le modèle OSI est arrivé tardivement, alors que TCP/IP était déjà largement utilisé.
• Il est parfois considéré comme trop complet et complexe, notamment les couches Session et Présentation peu utilisées.
• Les premières implémentations OSI étaient lourdes et lentes, contrairement à TCP/IP qui était plus efficace et gratuit.
• La forte normalisation du modèle OSI a freiné son adoption, alors que TCP/IP s'est imposé grâce à son utilisation dans les universités et centres de recherche.

Grandeurs caractéristiques des réseaux

Débit (Throughput)

• Unité : bit/s
• Débit nominal : vitesse brute du support (exemple : 19,2 Kbit/s pour une ligne asynchrone)
• Débit utile : débit nominal moins le débit utilisé pour le contrôle de liaison
• Évolution actuelle vers Mbit/s et Gbit/s

Délai (Delay)

Le délai total est composé de plusieurs éléments :

• Délai de propagation (Dp) : temps pour que le signal parcoure la distance L à la vitesse V, plus les délais dans les équipements intermédiaires (∑Di)
• Durée de transmission (Dt) : temps nécessaire pour transmettre une quantité Q de données à un débit D
• Temps d’aller-retour : environ deux fois la somme des durées de transmission, propagation et traitement si symétriques

Formules :

Dp = L / V + ∑Di
Dt = Q / D

Glossaire des termes clés

• Commutation : opération permettant de connecter deux utilisateurs dans un réseau.
• Commutation de circuits : établissement d'un lien physique dédié entre deux points.
• Commutation de messages : transfert de messages entiers de nœud en nœud sans lien physique dédié.
• Commutation de paquets : découpage des messages en paquets envoyés indépendamment.
• Mode connecté : communication avec établissement préalable d'une connexion.
• Mode non connecté : communication sans connexion préalable, chaque message est indépendant.
• Point d'accès au service (SAP) : interface par laquelle une couche offre ses services à la couche supérieure.
• Modèle OSI : architecture en 7 couches normalisée pour les réseaux de communication.
• Encapsulation : processus par lequel une couche ajoute ses informations de contrôle aux données reçues de la couche supérieure.
• Débit nominal : vitesse brute de transmission d'un support.
• Débit utile : débit effectif disponible pour les données utilisateur.
• Délai de propagation : temps nécessaire pour qu'un signal traverse un support.
• Durée de transmission : temps nécessaire pour transmettre une quantité donnée de données.

Points clés à retenir

• La commutation permet la mise en relation entre utilisateurs dans un réseau, avec différents modes selon la technique utilisée (circuits, messages, paquets).
• Le modèle OSI organise les fonctions réseau en 7 couches, facilitant la conception et l'interopérabilité.
• Chaque couche offre des services à la couche supérieure et communique avec ses homologues via des protocoles.
• La commutation de paquets est la technique dominante dans les réseaux modernes, bien que le séquencement des paquets doive être géré.
• Le choix entre mode connecté et non connecté dépend des besoins en fiabilité, séquencement et qualité de service.
• Les performances d'un réseau se mesurent notamment par le débit et le délai, qui dépendent des caractéristiques physiques et des équipements.