1.7.les réseaux

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Plan du chapitre:

1. Les topologies physiques des réseaux d'ordinateurs

 
2. Liaisons entre réseaux

 
3. Internet et le protocole TCP/IP

Nous nous proposons dans ce chapitre, d'étudier les définitions théoriques nécessaires à la compréhension des notions fondamentales de réseau numérique informatique. L’objectif principal d’un réseau d’ordinateurs est de relier et de permettre l’exploitation à distance de systèmes informatiques à l’aide des télécommunications dans le cadre de réseaux à grande distance (les réseaux locaux emploient une technologie de câblage interne à l’entreprise).

Nous classons les réseaux informatiques en deux grandes catégories :

• Les réseaux locaux LAN (Local Area Network) de quelques centaines de mètres d'étendue au maximum, élaborés soit avec des fils, soit sans fil.
• Le grand réseau international Internet concernant toute la planète.

Les raisons principales pour la mise en place d'un réseau informatique, sont de pouvoir partager des données entre plusieurs ordinateurs et si possible partager le même traitement sur plusieurs ordinateurs.

Dans ce chapitre, après avoir énoncé les principes fondateurs des réseaux, nous concentrerons notre attention sur un réseau mondial incontournable de nos jours : Internet et son architecture logicielle fondée sur l'environnement logiciel TCP/IP mondialement utilisé et présent dans les OS Unix et Window

1. Les topologies physiques des réseaux d'ordinateurs

Il existe différentes manières d’interconnecter des systèmes informatiques à distance. On les nomme topologies physiques de réseaux. 

1.1 Les différentes topologies de réseaux
 

A) Le point à point simple
 

• n liaisons pour n systèmes S_i interconnectés,
• 1 seul point de connexion.

Architecture étoile

B)Le point à point en boucle
 
• n liaisons pour n systèmes S_i interconnectés,
• Chaque S_i passe l’information au S_i suivant.

Architecture anneau
 

C) Le point à point complet
 

• n(n-1)/2 liaisons pour n systèmes S_i interconnectés,
• tous les S_i sont reliés entre eux.

Architecture maillée
  D) Le point à point arborescent
 
• n liaisons pour n systèmes S_i interconnectés à un même noeud,
• 1 liaison pour chaque noeud vers ses descendants,(topologie étoile à chaque noeud).
 
Architecture hiérarchique
E) Le multipoint
 
• n liaisons pour n systèmes S_i interconnectés à un même noeud,
• les points de connexion sont reliés par une même voie.
 
Architecture en bus


Il existe aussi des réseaux construits selon des combinaisons de ces topologies entre elles.
 

1.2 Réseau local

C’est un réseau dont les distances de liaison sont très faibles(entreprise, établissement scolaire, une salle,...).

Les réseaux locaux peuvent comporter ou non des serveurs (système informatique assurant la répartition et la gestion de ressources communes aux utilisateurs) et utiliser l’une des cinq architectures précédentes.

Ils sont composés de liaisons hertziennes ou établies par câble. Lorsqu’il y a plusieurs serveurs, chaque serveur peut être un poste de travail comme les autres ou bien être un serveur dédié (ne faisant office que de serveur). Signalons que la partie réseau des micro-ordinateurs dotés d’un OS comme windows ne nécessite aucun serveur dédié.
 

Les deux principaux standards qui se partagent l’essentiel du marché des réseaux locaux sont Ethernet (topologie en bus) et token-ring (topologie en anneau). Les protocoles (loi d’échange d’information entre les systèmes informatiques) sont très nombreux. Le plus utilisé quantitativement dans le monde est TCP/IP (Transfert Control Protocol/Internet Protocol) qui est un protocole synchrone orienté bit (les informations sont des suites de bits).
  

L'Ethernet comme moyen de transport et d'accès

• Le câblage Ethernet est le plus utilisé dans le monde, il est fondé sur la méthode "détection de porteuse à accès multiple et détection de collisions".
• Ethernet permet de raccorder entre eux au plus 2¹⁰ = 1024 ordinateurs.
• Il est supporté physiquement selon le débit souhaité soit par du câble coaxial, soit de la paire de fils torsadés, soit de la fibre optique; ces différents supports peuvent coexister dans un même réseau.

Quelques exemples de débits délivrés par un câblage Ethernet :

L'Ethernet classique (10 BaseT) transportant l'information à la vitesse de 10 Mbits/s ( 10 millions de bits par seconde ). Avec l'Ethernet classique, la distance maximale théorique d'éloignement de deux machines avec un même câble est de 5 Km. La pose de Hub (sorte de prise multiple régénérant le signal entrant) est nécessaire : au maximum 2 Hub qui sont séparés par une distance théorique maximale de 500 m.

Cette contrainte ramène la distance maximale d'éloignement entre deux machines connectées grâce à des Hub à 1,5 Km, des techniques particulières permettent malgré tout d'atteindre les 5 Km avec des Hub en utilisant de la fibre optique.

 

Le Fast Ethernet (100 BaseT) est une extension du 10 BaseT, il permet de transporter de l'information à la vitesse de 100 Mbits/s ( 100 millions de bits par seconde ) avec un même câble sur une distance maximale de 500 m qui correspond à la limitation imposée par la vitesse de transmission du signal physique dans le conducteur. Dans la pratique selon le nombre de Hub, la distance théorique maximale d'éloignement entre deux machines est réduite d'environ la moitié.

 

Le Gigabit Ethernet (1000 BaseT) qui permet de transporter de l'information à la vitesse de 1000 Mbits/s ( 1000 millions de bits par seconde ) par câble ou fibre optique, est une évolution récente de l'Ethernet, l'augmentation de la vitesse de transmission réduit drastiquement la distance maximale théorique d'éloignement de deux machines avec un même câble à environ 50 m et à quelques mètres si elles sont connectées par des Hub.

Les chiffres qui sont donnés sur les figures précédentes concernant les distances, ne sont pas à prendre au pied de la lettre, car ils peuvent varier selon les technologies ou les combinaisons de techniques utilisées. Ce qu'il est bon de retenir, c'est le fait que dans cette technique Ethernet, la longueur des connexions diminue avec la vitesse du débit.
 

2. Liaisons entre réseaux d'ordinateurs
 

Il existe diverses techniques d’interconnexion de réseaux entre eux. Nous renvoyons le lecteur à des ouvrages spécialisés sur les réseaux. Nous allons brosser un tableau simple et général du réseau mondial le plus connu de nos jours au niveau du grand public, le réseau Internet. Nous verrons ensuite comment il est adapté par les spécialistes à des architectures locales sous la forme d’Intranet. En premier lieu donnons quelques explications techniques sur un mode classique de transmission de l’information utilisé par de nombreux réseaux.
 

Vocabulaire de base employé

Dans un réseau informatique on distingue trois niveaux de description :

• La topologie physique
• La topologie logique
• Les protocoles de transmission

La topologie physique décrit l'infrastructure d'interconnexion des systèmes informatiques.

La topologie logique est une architecture logicielle normalisant les critères de qualité et les modalités "d'emballage" et de transmission des informations par la topologie physique.

Un protocole est un ensemble de règles décrivant l'émission et la réception de données sur un réseau ainsi que la liaison entre une application externe et la topologie logique du réseau.

 
Nous avons déjà examiné au paragraphe précédent les différentes topologies physiques (on dit aussi architecture physique), nous proposons maintenant, la description du modèle de référence le plus répandu d'une architecture (topologie) logique, mis en place depuis les années 1980 par l'organisation internationale de standardisation ( ISO ). Ce modèle logique est appelé Open System Interconnection ( OSI ).

 

2.1 Topologie OSI à 7 couches

Le modèle OSI sert de base à la théorie générale des réseaux, c'est un modèle théorique présentant la circulation des données dans un réseau, il est décrit en 7 couches : les plus hautes sont abstraites et les plus basses sont concrètes.

Ce modèle décrit très précisément la liaison qui existe entre deux nœuds successifs d'un réseau (deux ordinateurs, par exemple) d'un manière descendante et décomposée :

 

Modèle OSI à 7 couches numérotées

Chaque couche rend un service décrit dans la documentation de l'ISO et géré par un protocole permettant de réaliser ce service lorsque la couche est abstraite. Lorsque la couche est matérielle la documentation décrit comment le service est rendu par le composant matériel.

Chaque couche de niveau n communique avec la couche immédiatement supérieure n+1 (lorsqu'elle existe) et la couche immédiatement inférieure n-1 (lorsqu'elle existe).

La couche physique la plus basse est la plus concrète elle est numérotée 1, la couche application la plus haute est la plus abstraite, elle est numérotée 7.

Cette organisation en couche d'abstractions descendantes va se retrouver aussi dans la notion de programmation structurée par abstractions descendantes, il s'agit donc d'un fonctionnement constant de l'esprit des informaticiens.

Nous décrivons brièvement chacune des 7 couches du modèle OSI :

Nom de la couche	Description du service rendu par la couche
7 - Application	Transfert des fichiers des applications s'exécutant sur l'ordinateur.
6 - Présentation	Codage des données selon un mode approprié.
5 - Session	Gestion des connexions entre les ordinateurs.
4 - Transport	Gestion du transfert des données vers le destinataire.
3 - Réseau	Schéma général d'interconnection (adressage) afin d'assurer le repérage physique du destinataire.
2 - Liaison	Règles permettant d'effectuer le réassemblage et l'acheminement des données vers le matériel physique de la couche 1.
1 - Physique	Description physique du transport des données à travers des câbles, des hubs…

 

2.2 Réseau à commutation de paquets

Dans un tel type de réseau nous avons besoin de définir au moins trois éléments :

• le message : l’information échangée entre deux systèmes informatiques.
• les paquets : des petites suites de bits constituant une partie d’un message, (le message est découpé en plusieurs paquets).
• le routage : c’est l’action (effectuée par le routeur) qui permet la transmission, l’aiguillage et la redirection des informations circulant sur le réseau à un instant donné.

 
Un tel réseau est architecturé selon une topologie plus ou moins fortement maillée, entre les divers concentrateurs. Les utilisateurs S_i se connectent selon leur proximité géographique au concentrateur le plus proche.

Dans le schéma suivant, représentant une maille du réseau, nous supposons que l’utilisateur S₃ veuille envoyer un message M(image, fichier, son, etc...) à S₁₀. Nous allons suivre le chemin parcouru par les paquets p_i du message M pour aller de S₃ à S₁₀.
 
 

S₃ est directement connecté au concentrateur [A], S₁₀ est directement connecté au concentrateur [D]. Supposons aussi que le message M soit composé de 4 paquets : M =(p₁ ,p₂ ,p₃, p₄).

Le routage de départ s’effectue à partir du concentrateur [A] et de la charge et de l’encombrement actuels du réseau. Ce sont ces deux critères qui permettent au routeur de prendre la décision d’émission des paquets.
 
 

Principe du routage :

Les paquets dans un tel réseau sont envoyés dans n’importe quel ordre et indépendamment les uns des autres vers des destinations diverses ; chaque paquet voyage bien sûr, avec l’adresse du destinataire du message.

 

  a) Supposons que p₁ aille directement vers [D], puis que l’encombrement oblige d’envoyer p₂ à [B] puis p₃, p₄ à [C].

b) Puis [C] peut router directement p₃, p₄ vers [D] (qui a déjà reçu p₁).

c) Enfin [B] envoie p₂à [C] et celui-ci le redirige vers [D] (qui avait déjà reçu p₁,p₃ et p₄).

d) Lorsque p₂ arrive au concentrateur [D], le message M est complet, il peut être reconstitué M =(p₁ ,p₂ ,p₃, p₄)et expédié à son destinataire S₁₀.

3. Internet et le protocole TCP/IP

• C’est un réseau à commutation de paquets.
• Il est basé sur le protocole TCP/IP.
• Il permet à des milliers d’autres réseaux locaux ou non de se connecter entre eux à distance.

 

Le protocole de communication TCP/IP utilisé par Internet, est fondé sur le modèle OSI, il intervient essentiellement sur 4 couches du modèle OSI : application, transport, réseau et interface.

On dénomme adresse IP un tel identifiant.Une adresse IP se présente sous la forme de 4 nombres (entre 0 et 255) que l'on sépare par des points pour des raisons de lisibilité , exemple : 163.85.210.8.

 

 

Le routage sur Internet est l'opération qui consiste à trouver le chemin le plus court entre deux points du réseau en fonction en particulier de l'encombrement et de l'état du réseau.

Cette opération est effectuée par un routeur qui peut être soit un matériel spécifique raccordé à un ordinateur, soit un ordinateur équipé d'un logiciel de routage. Chaque routeur dispose d'une table l'informant sur l'état du réseau, sur le routeur suivant en fonction de la destination et sur le nombre de routeurs nécessaires pour aller vers la destination.

Informations collectées au moment de l'envoi du 1er paquet à partir de Moscou : Ankara (état : en réparation) Helsinki (état : disponible) Berlin (état : disponible) Bucarest (état : saturé)

Routeur	Destination	Nombre de routeurs	Routeur suivant	Etat
Moscou	Ankara	5	Helsinki	libre
Moscou	Ankara	2	Bucarest	saturé
Moscou	Ankara	3	Berlin	libre
Moscou	Ankara	1	Ankara	indisponible

  

Carte : Le voyage des paquets

• Le paquet n°1 "Bonjour" , voyage vers le routeur de Bucarest.
• Le paquet n°2 "cher ami" , voyage vers le routeur de Londres.
• Le paquet n°3 "comment" , voyage vers le routeur d'Ankara.
• Le paquet n°4 "allez-vous ?" , voyage vers le routeur d'Athènes.

 

 

Le protocole TCP/IP est en fait un vocable pour un ensemble de protocoles de transport des données sur Internet (passerelles, routage, réseau), fondés sur deux protocoles pères IP et TCP.

IP = Internet Protocol

TCP = Transmission Control Protocol

3.3 Le protocole IP :

permet à des ordinateurs reliés à un réseau géré par IP de dialoguer grâce à la notion d'adresse actuellement avec la norme IPv4 sous la forme de 4 nombres (entre 0 et 255) d'un total de 32 bits, ce numéro permet d'identifier de manière unique une machine sur le réseau, comme une adresse postale avec un numéro de rue (la nouvelle norme IPv6 étend le nombre d'adresses possibles).

 

Le protocole IP génère donc des paquet nommés des datagrammes contenant une en-tête (l'adresse IP) et des données :

Ces datagrammes sont remis à une passerelle (opération de routage) à destination d'un hôte.

Toutefois, si une adresse postale permet d'atteindre son destinataire précisément c'est parce qu'elle contient en plus du nom et du numéro de la rue, le nom de la personne à qui elle est adressée. Il en est de même pour une transmission sur Internet :

Action externe : M^r. X situé à Moscou envoie un message à M^r. Y situé à Ankara.

Action informatique : L'ordinateur de M^r. X envoie un message très précisément au logiciel de mail de l'ordinateur de M^r. Y, il est donc nécessaire que le logiciel de mail puisse être identifié, c'est un numéro dans l'ordinateur récepteur qui va l'identifier " le numéro de port".

Ainsi il devient facile d'envoyer à une même machine identifiée par son adresse IP, plusieurs données destinées à des applications différentes s'exécutant sur cette machine (chaque application est identifiée par son numéro de port).

3.4 Le protocole TCP permet de :

Gérer les ports Vérifier l'état du destinataire pour assurer la réception des paquets Gérer les paquets IP : Découpe des paquets Vérification de la réception de tous les paquets Redemande des paquets manquants Assemblage des paquets arrivés

 

La Donnée initiale de chacun des 4 paquets ("Bonjour", cher ami" , "comment", "allez-vous ?") est modifiée par chaque couche du protocole TCP/IP par l'ajout d'une En-tête spécifique nécessaire à la réalisation de la fonction de cette couche.

Plusieurs protocoles plus généraux sont fondés sur TCP/IP : DNS, SMTP, FTP, POP3, HTTP.

DNS (Domain Name Service) est un protocole permettant de convertir un nom de domaine Internet en une adresse IP ( nom de domaine : www.machin.org, adresse obtenue : 203.54.145.88 )

SMTP (Simple Mail Transfert Protocol) est un protocole d'envoi de messages électroniques (mails) vers un destinataire hébergeant la boîte aux lettres.

POP3 (Post Office Protocol version 3) est un protocole permettant de rapatrier sur votre machine personnelle le courrier qui a été déposé dans la boîte aux lettres de l'hébergeur.

FTP (File Transfert Protocol) est un protocole permettant de rapatrier sur votre machine ou d'expédier à partir de votre machine des fichiers binaires quelconques.

HTTP (Hyper Text Transfert Protocol) est un protocole permettant d'envoyer et de recevoir sur votre machine des fichiers HTML au format ASCII.

 

Dans le cas d'HTTP, le paquet construit contient alors une partie identifiant supplémentaire :

 

Ci-dessous la comparaison entre le modèle théorique OSI et TCP/IP :

Le Web est un système hypermédias du genre client/serveur. C'est sur ces spécifications qu' a été élaboré le langage de description de document du web HTML (Hyper Text Markup Language).

• Un micro-ordinateur du commerce,
• Un système d’exploitation supportant les protocoles adéquats, tous les SE de micro-ordinateur depuis 1997 disposent d’un moyen simple de se connecter à Internet (Windows, Linux en sont deux exemples),
• Un modem (se branchant sur une ligne téléphonique ordinaire) à 56000bps ou plus (ADSL) ou bien le câble en attendant de nouveaux produits de transport des signaux.
• Un abonnement chez un fournisseur d’accès à Internet (noeud de communication concentrateur),
• Enfin un navigateur  permettant de dialoguer avec les différents serveurs présents sur Internet.

• Le courant du tout-Internet qui prône un nouveau monde virtuel où Internet intervient à tous les niveaux de la vie privée, publique, professionnelle, culturelle voir spirituelle.
  

• Le courant des  Internetophobes qui rejette ce nouveau monde virtuel vu comme une accentuation encore plus marquée entre les "riches" et les "pauvres" (la richesse ne s''évaluant plus uniquement en bien matériels, mais aussi en informations)

• Le courant des "ni-ni", ceux qui considèrent que tout outil mérite que l'on s'en serve avec réflexion pour le plus grand nombre, mais qui pensent qu'un outil n'est pas une révolution sociale en lui-même, seul l'homme doit rester au centre des décisions qui le concernent.

Lorsque la précipitation l’emporte sur la réflexion, les enseignants savent bien, l’on obtient toujours de médiocres résultats. C’est le risque d’Internet si aucune réflexion internationale sur une mise en œuvre efficace et intelligente du produit n’a lieu.

La tendance au début du XXI sècle est de renforcer l'aspect commercial (e-business) de ce type de produit sous  la poussée des théories ultra-libérales, au détriment de l'intérêt général  pour une utilisation plus citoyenne au service de tous.

• Il peut donc être organisé selon la démarche interne de l’entreprise.

• Il n’est accessible qu’aux personnes autorisées si l’entreprise le souhaite.

• Il est connectable à Internet par des passerelles contrôlées.

• Il concerne toutes les activités logistiques, commerciales et de communication de l’entreprise.

• Il permet de mettre en œuvre des activités de groupware (travaux répartis par tâches identifiées sur des systèmes informatiques).

• Il peut être organisé en Extranet, permettant la communication entre Intranets de différentes sociétés, partenaires ou clients et fournisseurs.

Le lecteur pourra se spécialiser sur tous les types de réseaux de télécommunication autres, auprès de l'ouvrage de référence de 1100 pages du spécialiste français G.Pujolle : "Les réseaux" cité en bibliographie.