Cours sur les Techniques de base du réseau informatique

Si ce n’est aucun constructeur couvre tout le marché des matériels réseaux, chacun s’est spécialisé dans un domaine, la communication bas niveau ou haut niveau par exemple. Les entreprises et autres universités ont dû faire appel à plusieurs d’entre eux pour leur matériel de télécommunications. Or, les architectures réseau et les protocoles propriétaires développés par les constructeurs sont souvent incompatibles et ne peuvent donc pas communiquer. Pour résoudre ces problèmes de compatibilité l’Organisation de Standardisation Internationale a mis en place une norme appelée OSI pour Open Systems Interconnection (interconnexion des systèmes ouverts) pour permettre à des appareils issus de différents constructeurs de communiquer entre eux. La norme OSI, ou modèle OSI, est basé sur un principe de couches, pour chacune d’entre elles, sont défini un ensemble de règles pour la transmission des données.

La transmission d’information entre 2 programmes informatiques sur 2 machines différentes passe par deux modèles: le modèle OSI ou le modèle TCP/IP. Ces deux normes permettent à chaque partie de la communication de dialoguer. Chaque modèle inclut plusieurs couches et chaque couche doit envoyer (et recevoir pour l’autre ordinateur) un message compréhensible par les deux parties. Le chapitre suivant (base de transmission réseau) traitera de la communication dans ses détails.

Le modèle OSI (Open System Interconnection Model) définit en 1977 régit la communication entre 2 systèmes informatiques selon 7 couches. A chaque couche, les 2 systèmes doivent communiquer “compatibles”. En  hardware (le but de ce cours), nous n’utilisons que les couches inférieures, jusqu’au niveau 3. L’utilisation de Novell Netware, Microsoft Windows NT, Windows 2000, Linux ou tout autre gestionnaire de réseaux n’intervient pas de manière significative sur l’hardware, à part pour les pilotes.

L’OSI est un modèle de base qui a été défini par l’International Standard Organisation (ISO). Ce modèle OSI définit 7 niveaux différents pour le transport de données. Ces niveaux sont également appelés couches.

Le modèle OSI (Open System Interconnection Model)

• Niveau 7: couche application, gère le transfert des informations entre programmes.
• Niveau 6: couche présentation, s’occupe de la mise en forme des données, éventuellement de l’en cryptage et de la compression des données, par exemple mise en forme des textes, images et vidéo.
• Niveau 5: la couche session, s’occupe de l’établissement, de la gestion et coordination des communications
• Niveau 4: la couche transport, gère la remise correcte des informations (gestion des erreurs), utilise notamment l’UDP et le TCP/IP
• Niveau 3: la couche réseau, détermine les routes de transport et s’occupe du traitement et du transfert de messages: gère IP et ICMP
• Niveau 2: la couche liaison de données, définit l’interface avec la carte réseau: hubs, switch, …
• Niveau 1: la couche physique, gère les connections matérielles, définit la façon dont les données sont converties en signaux numériques

Le concept de l’OSI nécessite la compréhension de 3 concepts.

1.  Le service (N)

2. Le protocole (N)

3. Le point d’accès à un service (N-SAP)

• Service (N)   : Ensemble d’événements et primitives pour rendre au niveau (n-1)
• Protocole (N) : Ensemble de règles nécessaires pour le service (N) soit réalisé
• N-SAP        : Point situé à la frontière entre les couches (n) et (n+1).

A chacun de ces niveaux du modèle OSI, on encapsule un en-tête et une fin de trame (message) qui comporte les informations nécessaires en suivant les règles définies par le protocole utilisé. Ce protocole est le langage de communication pour le transfert des données (TCP/IP, NetBui, IPX sont les principaux) sur le réseau informatique. Sur le schéma ci-dessous, la partie qui est rajoutée à chaque niveau est la partie sur fond blanc. La partie sur fond grisé est celle obtenue après encapsulation du niveau précédent. La dernière trame, celle qu’on obtient après avoir encapsulé la couche physique, est celle qui sera envoyée sur le réseau.

Le modèle OSI

En hardware, nous ne nous intéressons qu’aux trois premiers niveaux du modèle OSI (jusqu’aux routeurs et switch de haut de gamme), éventuellement au niveau 4 pour les firewall. Les couches supérieures sont réservées aux autres cours de la formations technicien PC/ Réseaux, notamment base réseau et protocole TCP/IP.

TCP/IP est une suite de protocoles (utilisé sur Internet). Il signifie Transmission Control Protocol/Internet Protocol , elle provient des noms des deux protocoles majeurs de la suite de protocoles, c’est-à-dire les protocoles TCP et IP). Il représente la façon de laquelle les ordinateurs communiquent sur Internet. Pour cela il se base sur l’adressage IP, c’est-à-dire le fait de fournir une adresse IP à chaque machine du réseau afin de pouvoir acheminer des paquets de données. Etant donné que la suite de protocoles TCP/IP a été créée à l’origine dans un but militaire, elle doit répondre à un certain nombre de critères parmi lesquels:

• fractionnement des messages en paquets
• utilisation d’un système d’adresses
• acheminement des données sur le réseau (routage)
• contrôle des erreurs de transmission de données

TCP/IP est le protocole le plus utilisé actuellement que ce soit pour des réseaux locaux ou de plus grandes dimensions. Il a été développé par le ministère de la Défense des Etats Unis (DOD) à partir du début des années 70 pour servir de base au réseau militaire ARPANET qui est devenu plus tard Internet. Ce protocole est tellement répandu qu’il en est devenu une norme de fait, aucun constructeur ne peut faire l’impasse TCP/IP, s’il ne veut pas que son produit soit rejeté, il est donc disponible sur tous les systèmes informatiques, il est livré en standard sans supplément et par défaut pour toutes les stations de travail fonctionnant sous Unix, c’est aussi le cas pour Windows à partir de la version Windows 95.

La particularité de TCP/IP est qu’il n’a pas été conçu pour une type de réseau particulier, et pour un type de machine bien spécifique, il peut s’adapter pour tous les types de matériels. Ill est même très souvent utilisé pour connecter des réseaux complètement différents (hétérogènes) par exemple l’un utilisant de la fibre optique et l’autre du coaxial. De même pour la couche applicative, des ordinateurs de marque différentes qu’ils fonctionnent sous UNIX ou sous Windows peuvent s’interconnecter. C’est un protocole qui est maintenant éprouvé depuis une dizaines d’années pour relier un réseau complètement hétérogène, il est bien standardisé et très bien documenté. Basées sur ce protocole, des applications ont été développés et sont devenus des “standards”, ce sont entre autres FTP (File Transfert Protocol) qui permet le transfert de fichier, TELNET (TELetype NETwork) ou Rlogin (Remote Login) qui permettent la connexion à un ordinateur distant.

IP (Internet Protocol) IP assure l’acheminement de chaque paquet sur le réseau en choisissant la route la plus appropriée. Pour pouvoir s’y retrouver IP va de pair avec un système d’adressage qui identifie de manière unique les réseaux traversés ainsi que chaque entité d’un réseau (appelé aussi noeud: ordinateur, routeur, …).

La relation entre TCP et IP et la suivante, TCP fait passer à IP un datagramme accompagné de sa destination, IP ne s’occupe pas de l’ordre d’expédition, c’est TCP qui s’occupe de tout remettre en ordre, il se contente de trouver la meilleure route possible.

Souvent les termes « datagrammes » et « paquet » semblent identiques. En fait, on parle de datagramme lorsqu’il est question de TCP (couche 4 de l’OSI), le datagramme est l’unité de données. On parle de paquet pour les couches réseaux (3 IP) et liaison (2 et 1), c’est est une réalité physique, on peut les voir circuler sur le réseau. Généralement, un paquet contient seulement un datagramme, si bien que concrètement, il y a peu de différence entre les deux.

Le protocole IP détermine le destinataire du message grâce à 3 champs:

• Le champ adresse IP: adresse de la machine
• Le champ masque de sous réseau: un masque de sous réseau permet au protocole IP de déterminer la partie de l’adresse IP qui concerne le réseau
• Le champ passerelle par défaut: Permet au protocole Internet de savoir à quelle machine remettre le datagramme si jamais la machine de destination n’est pas sur le réseau local

TCP (Transmission Control Protocol) il s’occupe donc d’établir une liaison virtuelle entre deux ordinateurs. Au niveau de l’ordinateur émetteur, TCP reçoit les données de l’application dans un buffer, les sépare en datagrammes pour pouvoir les envoyer séparément, l’ordinateur distant (qui utilise le même protocole) à la réception doit émettre un accusé de réception, sans celui-ci, le datagramme est réémis. Au niveau de l’ordinateur récepteur, TCP réassemble les datagrammes pour qu’ils soient transmis à l’application dans le bon ordre.

Les caractéristiques principales du protocole TCP sont les suivantes:

• TCP permet de remettre en ordre les datagrammes en provenance du protocole IP
• TCP permet de vérifier le flot de données afin d’éviter une saturation du réseau
• TCP permet de formater les données en segments de longueur variable afin de les “remettre” au protocole IP
• TCP permet de multiplexer les données, c’est-à-dire de faire circuler simultanément des informations provenant de sources (applications par exemple) distinctes sur une même ligne
• TCP permet enfin l’initialisation et la fin d’une communication de manière courtoise

Le protocole UDP (User Datagram Protocol) est un protocole non orienté connexion de la couche transport du modèle TCP/IP. Ce protocole est très simple étant donné qu’il ne fournit pas de contrôle d’erreurs (il n’est pas orienté connexion…).  L’en-tête du datagramme UDP est donc très simple:

Le modèle TCP/IP est inspiré du modèle OSI. Il reprend l’approche modulaire (utilisation de modules ou couches) mais en contient uniquement quatre:

A chaque niveau, le paquet de données change d’aspect, car on lui ajoute un en-tête, ainsi les appellations changent suivant les couches:

• Le paquet de données est appelé message au niveau de la couche application
• Le message est ensuite encapsulé sous forme de segment dans la couche transport. Le message est donc découpé en morceau avant envoi.
• Le segment une fois encapsulé dans la couche Internet prend le nom de datagramme
• Enfin, on parle de trame au niveau de la couche accès réseau

Les couches TCP/IP sont plus générales que dans le modèle OSI

La Couche Application englobe les applications standards du réseau:

• SMTP: “Simple Mail Transport protocol”, gestion des mails
• TELNET: protocole permettant de se connecter sur une machine distante (serveur) en tant qu’utilisateur
• FTP: “File Transfert Protocol”, protocole permettant d’échanger des fichiers via Internet

Et d’autres moins courants.

La Couche transport assure l’acheminement des données et les mécanismes permettant de connaître l’état de la transmission

Les protocoles des couches suivantes permettent d’envoyer des informations d’une machine à une autre. La couche transport permet d’identifier les applications qui communiquent. Pour faciliter la communication, on a définit non pas des noms d’applications, mais des ports de communication (numéro variant de 0 à 65535, 2¹⁶) spécifiques à chaque application.

La couche transport gère 2 protocoles de livraison des informations, indépendamment du type de réseau emprunté:

• TCP assure le contrôle des données, orienté connexion (vérifie les envois de données par des signaux d’accusés de réception -acknowledge – du destinataire), il assure ainsi le contrôle des données
• UDP, archaïque et non orienté connexion, n’assure aucun contrôle de transmission des données.

Ces 2 types (orienté connexion ou non) sont une notion utilisée pour les firewall. En effet, lorsque vous fermé un port en TCP, l’envoi d’un message ne renvoie pas de signal de retour (acknowledge), faisant croire que l’adresse IP n’est pas utilisée. Par contre, en UDP, le port fermé ne renvoyant pas d’informations fait croire que l’adresse IP est utilisée. En effet, l’UDP renvoie un message uniquement si le port est en erreur (ne répond pas)

La couche INTERNET est chargée de fournir le paquet des données. Elle définit les datagrammes et gère la décomposition / recomposition des segments.

La couche Internet contient 5 protocoles (les 3 premiers sont les plus importants):

1.  Le protocole IP: gère les destinations des messages, adresse du destinataire

2. Le protocole ARP (Adresse Résolution Protocol): gère les adresses des cartes réseaux. Chaque carte a sa propre adresse d’identification codée sur 48 bits.

3. Le protocole ICMP (Internet Control Message Protocol) : gère les informations relatives aux erreurs de transmission. ICMP ne corrige pas les erreurs, mais signale aux autres couches que le message contient des erreurs.

4. Le protocole RARP (Reverse Address Resolution Protocol) : gère l’adresse IP pour les équipements qui ne peuvent s’en procurer une par lecture d’information dans un fichier de configuration. En effet, lorsqu’un PC démarre, la configuration réseau lit l’adresse IP qu’elle va utiliser. Ceci n’est pas possible dans certains équipements qui ne possèdent pas de disques durs (terminaux essentiellement)

5. Le protocole IGMP (Internet Group Management Protocol) : permet d’envoyer le même message à des machines faisant partie d’un groupe. Ce protocole permet également à ces machines de s’abonner ou de se désabonner d’un groupe. Ceci est utilisé par exemple dans la vidéo conférence à plusieurs machines, envoi de vidéos, … La principale application HARDWARE de l’IGMP se retrouve dans les SWITCH manageables. Ce protocole permet de regrouper des stations.

La couche Accès réseau spécifie la forme sous laquelle les données doivent être acheminées, quel que soit le type de réseau utilisé. Elle prend en charge les notions suivantes:

• Acheminement des données sur la liaison
• Coordination de la transmission de données (synchronisation)
• Format des données
• Conversion des signaux (analogique/numérique) pour les modems RTC
• Contrôle des erreurs à l’arrivée

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