Ce texte à été écrit par : Alain MALVOISIN    Le 29 Mai 2014

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Illustration de PRINCIPE DES RÉSEAUX DE COMMUNICATIONS


LE MODELE OSI


PRINCIPE DES RÉSEAUX DE COMMUNICATIONS EN 6 COUCHES



Couche physique


C'est la couche qui supporte le signal: une tension, un courant, une fréquence, une onde radio, une lumière, qui module et démodule le signal. Derrière cette couche, on a accès aux bits.

Cette couche réalise aussi la synchronisation des bits entre l'expéditeur et le receveur. De manière synchrone, l’émetteur transmet aussi l'horloge, cas du code Manchester ou de manière asynchrone, chaque participant à sa propre horloge réglée sur le bonne fréquence, il suffira alors d'un ou deux bits de "start" pour indiquer le début de la trame qui arrive. Il y a aussi l’émission d'une trame en en entête  avec de bits à 1 et 0 qui permet a chacun de se synchroniser.


Port RS232 : Permet de communiquer  en liaison série c’est-à-dire que tous les bits sont transmis les uns après les autres. 


La vitesse est limité 19Kbits/seconde

Permet de communiquer avec un modem (ETCD), c'est un cas particulier qui nécessite d'autres signaux comme par exemple RTS et CTS, et aussi l'horloge dans le cas d'une transmission synchrone.(Voir l'Avis V24)

Il ne peut y avoir qu'un seul émetteur.

Dans le cas d'uns transmission asynchrone, les bits de données font 7 ou 8 bits, la taille d’un caractère (voir code ASCII), associé à cette trame il y a un bit de "start" et 1 ou 2  bits de stop, voire dans certain paramétrage un bit de parité.

Les distances sont faibles de l'ordre de 15 mètres

Ce moyen de communication très répandu au départ  tant à disparaître.


La communication se fait par l’intermédiaire d’un câble de longueur  réduite sur 3 fils, un fil commun, un fil pour l’émission et un fil pour la réception

Il fonctionne avec une tension de +/12Volts ou comme la RS423 en +/- 5Volts

Il est aussi utilisé avec d'autres paramètres comme la boucle de courant en 0-20mA ou 60mA. Ce qui lui permet d'aller plus loin 100 mètres voire plus.

 

Port RS422 et RS485

La communication se réalise en série comme la RS232 ou RS423 avec des vitesses plus élevées jusqu’à 1Mbits/sec.

La distance est aussi plus importante de l’ordre de 100 ou 200 mètres.

L’avantage de ce port est qu’il peut y avoir plusieurs émetteurs en parallèle, la communication se fait sur une paire ou tout le monde peut émettre et recevoir.

Le nombre maxi  de communiquant est en général  de 32 à 64.

L’inconvénient de ce mode de transmission, c’est qu’on risque des collisions, il faut donc trouver un protocole de manière à c e que tout le monde ne parle pas en même temps.

Souvent ce protocole est le principe du maître et des esclaves, le maître distribue la parole à chaque esclave, les uns après les autres.

Mais il y a d’autres protocoles, comme le principe du jeton, seul celui qui a le jeton peux parler, une fois qu’il finit alors il donne le jeton à un autre. Un autre protocole est le CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collisions detect) ou chacun écoute le bus et parle quand il est libre, mais ça ne suffit pas, il reste un risque de collision, cette collision est détecter (ce que je reçois ne correspond pas à ce que j’émets) et je recommence après un temps aléatoire.


Port USB

Il s'agit d'une paire torsadée qui transmet les informations en série à la vitesse maximum de 10Gbits/sec (USB3.1).

L'avantage de la liaison USB est qu'elle comporte en plus de la paire torsadée 2 fils supplémentaires qui véhiculent l'alimentation de 5Volts.

Il s'agit d'un bus, c'est à dire qu'on peut avoir plusieurs communicants.

Il n'y a pas le protocole CSMA/CD mais la gestion d'un jeton, l'avantage c'est que les trames sont courtes.

L'USB est actuellement le port universel qui remplace avantageusement l'ancien port RS232.


Réseau Ethernet. ou 802.3

C’est maintenant  un support  très connu, qui a évolué, au début il s’agissait d’un câble coaxial, ou les informations passent en série sous formes des trames, c’est différent de la liaison série vue précédemment ou chaque caractère était émis les uns après les autres, là il s’agit d’un trame  d’un minimum de 512 bits ou chaque bit peut avoir une attribution, la longueur maxi de chaque trame est de 4096 bits.

L’accès au câble coaxiale Ethernet se fait a travers un boitier spécial appelé transceiver ou RECEME en français, qui veut dire recepteur-emetteur, ce boitier réalise la transmission et détecte  les éventuelles collisions, utilise le protocole CSMA/CD.

Le câble "AUI" qui relie l'équipement au boitier emetteurr-recepteur à une longueur maximum  d’environ 100 mètres et dispose de 4 paires, ce boitier se raccordait sur un câble coaxial (50 ohms)..

Dans certain cas, est maintenant devenu un cas courant, on a plus besoin de mettre un coaxial car plusieurs équipements peuvent se raccorde directement à leur RECEME  (100m) que l'on peut mettre l’un à côté de l’autre, on a résolu le problème en mettant plusieurs RECEME dans la même boîte. Cette boite s’appelle un HUB (Hybrid Unit Box).

Ensuite est apparu le SWITCH qui fonctionne comme le HUB et a en plus la capacité d’orienter l’information sur les ports qui sont adressés (voir adresse MAC sur la couche liaison), ça veut dire que deux équipement peuvent causer entres eux sans émettre de trames sur les autres équipements.

Ensuite est apparu la fibre optique qui a permis de raccorder deux switch entre eux, mais on peut toujours raccorder deux switch à l’aide d’un câble ou d’une onde radio 802.11


Fibre optique

Dans chaque fibre, on diffuse de la lumière à une certaine fréquence, allumage extinction, ça peut aller jusqu'à 1GHZ ou encore plus rapide 100GHZ.

L'inconvénient c'est qu'il n'y a en principe que deux correspondants sur une seule fibre, l'avantage c'est qu'il ne peut pas y avoir de collision.

En général, il y a un fibre pour l'émission et une fibre pour la réception.

On vient de voir les avantages de la fibre optique, la vitesse est très importante et il n'y a pas de collisions.

On peut combler l'inconvénient de la fibre, de n'avoir que deux correspondants, en y ajoutant un multiplexeur temporel, qui permet de faire passer plusieurs information à la queue le leu, c'est le cas du GigaBit qui peut faire passer plusieurs trames issu de ports 100Mbits sans perte de vitesse.


Onde radio. 802.11

La plus utilisé est le WIFI.

Le principe est d’émettre un fréquence aux environ de 2400 GHZ avec saut de phase (PSK), cela veut dire qu'à chaque bit émit la phase s'inverse.

L'inconvénient est sa courte distance 100 mètre maximum, mais c'est un avantage car sa n'encombre par les réseaux.

Son débit est correct 50Mbits/sec.


Sinon il y a plein d'autre protocole de fréquence de distances et de débits en tout genre.tel:

ADSL -  Bluetooth - Paire torsadée - Câble coaxial - CSMA/CA - 10/100Base T - NRZ - etc.



Couche liaison 

On vient de voir la couche physique avec la multitude de support existant, la couche liaison permet d’accéder à la couche physique.

La couche liaison est en fait séparée en deux sous couches

La sous couche MAC  (Médium Access  Control) qui gère l’accès à la couche physique.

La sous couche LLC (Logical Logic control) qui gère les trames qui sont envoyées et reçues.

La couche MAC :

Elle définies les adresses locale de tous les équipements raccordés sur le même support (même couche physique). Cela lui permet de savoir qu’une trame lui ait confié et de définir son adresse MAC quand elle émet une trame.

Cette couche peut contrôler l’intégrité de la trame quelle reçoit grâce à un champ dans la trame réalisant un checksum ou un CRC, de même lorsqu'elle émet une trame calcul le checksum à adjoindre à la trame.

Les adresses MAC sont définies au préalable, les différents fabricants utilisent la norme IEEE, cette adresse contient le numéro du fabricant et un numéro de série, c'est dire qu'il est quasi impossible d'avoir deux adresses MAC identiques.

La couche LLC :

Elle sert d’interface entre les couches supérieures et la couche MAC puis la couche Physique.

Elle définit la nature de la trame par un champ spécialisé, trame de donnée, trame  de gestion, trame d'acquittement  etc.

Elle peut définir le numéro de la trame, de manière à savoir si cette trame a déjà été reçue.

Cette couche peut résoudre des problèmes d’intégrité des échanges mais au niveau de chaque trame, l’intégrité du transfert d’un fichier par contre sera réalisée par la couche transport.



Couche réseau

C’est la couche d’adressage global, pas l’adresse local vue dans la couche liaison, elle ne définit pas l’adresse sur le même support mais l’adresse générale.sA priori vous ne savez pas ou se trouve votre interlocuteur, sur quel réseau local il est, bien que par moment cette adresse globale se trouve sur le même réseau local que vous. C'est là que vous pouvez utiliser la commande PING suivi de l'adresse réseau (IP).

Le rôle de la couche réseau est de trouver le chemin qui vous amène au destinataire, sachant  peut y avoir plusieurs chemins, essayez les commandes "ROUTE" ou "TRACERT".

Il s’agit là encore d’un protocole d’adressage, il y a plusieurs protocoles.

Les protocoles simples, ceux qui vous donnent le chemin complet pour arriver. Exemple N° de réseau, N° de station, N° de porte dans la station etc.

Les protocoles évolués tel IP (Internet protocole) qui vont interroger les routeurs sur le réseau local qui eux même vont interroger les routeurs à proximité qui vont eux même interroger les routeurs dans leur voisinages etc. jusqu’à trouver le destinataire.

La couche réseau peut découper les données à envoyer en plusieurs paquets, ça dépend des retours des routeurs qui ont indiqués dans leurs réponses les tailles des paquets admissibles. Cette notion de paquet vient de l'ancien protocole "Transpac" ou X25 qui permettait de transmettre différents paquets entre différentes application, on parlait alors de commutation de paquets.

En-tête IPv4
012345678910111213141516171819202122232425262728293031
Version d'IP
Longueur de l'en-tête
Type de service
Longueur totale
Identification
Indicateur
Fragment offset
Durée de vie(nombre de routeurs)
Protocole
Somme de contrôle de l'en-tête
Adresse source
Adresse destination
Option(s) + remplissage


Qu'est ce qu'un routeur?

C'est un ordinateur ou une machine qui est raccordé sur plusieurs réseaux, chaque réseau utilise ses 3 premières couches, il permet de raccorder plusieurs réseaux, identique par exemple plusieurs réseaux Ethernet, ou différent par exemple une réseau en fibre optique avec un réseau en CSMA/CD, un autre réseau à jetons et un réseau en WIFI etc.

Ce routeur connait tous ses voisins de tous ses réseaux, soit parce qu’on l'a renseigné, soit par apprentissage, il voit passer toutes les trames des réseaux est il enregistre (temporairement) toutes les adresses, ces enregistrements sont sauvegardés pendant un certain temps, essayez la commande "ARP", ce protocole enregistre temporairement les adresses IP correspondants à leur adresse MAC dans un cache, cela permet au nouveaux venus d'être reconnus.

Ces routeurs permettent de faire communiquer plusieurs réseaux ensembles et s'il ne connait l'adresse demandée alors il demande à tous les réseaux et s'il y a un autre routeur sur l'un ou plusieurs des réseaux alors ceux-ci feront comme le premier et ainsi de suite.

Evidemment, on se pose la question jusqu’où cela peut aller? En fait le premier routeur envoi dans sa trame le nombre maximum de routeurs, ce qui limite le nombre de trames envoyées. Et pour contrôler ce fonctionnement, chaque routeur peut limiter ce nombre.


Qu'est ce qu'une passerelle?

C'est un super routeur, il devrait être présenté au niveau de la couche application, mais comme on le trouve souvent au niveau routage on en parle ici. C'est un routeur capable de comprendre le but du transfert, quelles sont les données transmises.

Il est capable de décider si les données on le droit d'être transmises. Il faut, sans entrer dans le détail savoir que le modèle IP à des classes d'adresses et un masque de transmission, c'est à dire qu'il ne permet pas l'accès à certaines adresses, la passerelle peut vous autoriser ou pas d'y avoir accès.


Voyez l'ensemble des commandes relatives aux réseaux sous Windows 



Couche transport

Le rôle de cette couche, est de transférer  les données avec la certitude que l’ensemble des données à bien été transféré dans son entièreté et dans le bon ordre.

C’est encore un protocole qui s’assure que l’ensemble des segments de données a bien été transférer  et dans l’ordre.

Pour  savoir que tous les segments ont été transférer, il numérote chaque segments et cela permet de ne pas avoir de doublon.

En effet, vous n'aimeriez pas voir un retrait sur vôtres compte doublé voire triplé, ni avoir une ligne manquante sur votre fiche de paie.

On accède à cette couche a l'aide de numéros de ports que les deux protagonistes vont s'échanger à l'aide de la couche session, cela définira un chemin virtuel.entre les deux à l'aide de la couche réseau


Structure du protocole TCP

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Port Source 2 octets

Port destination 2 octets

Numéro de séquence

Numéro d'acquittement

Taille de l'en-tête

Réservé

ECN

URG

ACK

PSH

RST

SYN

FIN

Fenêtre

Somme de contrôle

Pointeur de données urgentes

Options

Remplissage

Données


Cette couche peut être accéder de deux manières, soit par une connexion c'est à dire qu'un chemin virtuel sera établi.initialement, puis fermé lorsqu'on aura plus rien à dire (cas du FTP sur TCP). Soit par Datagramme ou segment (cas de l'UDP), ou on n’expédiera qu'un seul segment ou Datagramme. Cela dépend de la taille des données à transmettre.



Couche session

Le rôle de cette couche est de s’assurer que l’envoyeur et le receveur sont parés.

Elle prévient avant la discussion, la taille des données à transmettre et réciproquement répond que c’est faisable ou pas.

Elle établit une connexion  sur un port donnée, une fois la connexion établi les couches applications n'ont plus qu'à travaille, par exemple transmettre un fichier.

Il y a des connexions permanentes, une fois qu'elle est établie on peut discuter, les connexions fugitives ne sont valables que pour un transfert.

L'inconvénient des connexions permanente, c'est qu'elles occupent les ressources inutilement, donc il ne faut pas en abuser.

La couche session va en plus vous avertir que l'échange s'est terminé avec succès, ou que l'échange n'a pas pu se réalise, réessayez une autre fois.

Le deuxième rôle de cette couche est plus orienté application, en effet plusieurs application peuvent communiquer entre elles, ces applications peuvent être sur la même machine sur un systèmes multitâches par exemple IOS, LINUX, WINDOWS etc. dans ce dernier cas on appelle cela des tâches ou "threads" et ces dernière peuvent se mettre en "wait" ou un "sleep" et attendre qu'une autre tâche soit fini.ou ait émit un événement Il en va exactement de la même manière sur des machines réparties.

L’inconvénient de ne pas être dans la même  machine, c'est qu'on à pas accès à la même mémoire. Pour résoudre ce problème la couche session fait circuler un jeton de synchronisation sur le réseau, ce jeton contient un champs indiquant ci c'est un début ou une fin de transmission, si c'est un reprise ou un abandon de la tâche en cours.



Couche présentation

C’est encore un protocole

Ce protocole est assez complexe, il définit  les requêtes sous une forme commune à l’ensemble des systèmes d’exploitation.

Par exemple le format d’une valeur réelle ou entière ou un pointeur sur 32 ou 64 bits, s'il s'agit d'une chaîne de caractère, comment est-elle délimitée etc.

Mais aussi les passage de paramètres au format C ou Basic. 

C'est ce qui permet de discuter avec tous les systèmes, IOS, Windows, Linux et autres.

C'est la couche qui présente les informations.


Voyez par exemple le standard de codage des caractères Unicode  au départ, il n'y avait que le code ASCII et les fameuses pages de codes, maintenant il y a l'Unicode UTF8.



Couche application

C’est le système d’exploitation réparti.

C’est-à-dire qu'il permet de copier un fichier, transmettre une image, diffuser un stream,  fournir  le contenu d’un répertoire, lire ou écrire un bit, etc.

C’est tous ce qu’on peut réaliser sur un système répartie ou un système client-serveur par exemple des requêtes SQL ou OPC.ou encore HTML.

Mais aussi des tâches réparties, comme on l'a vue dans la couche session.

En fait, elle permet de réaliser tout ce que vous pouvez réaliser sur votre PC avec en plus l'ensemble des ordinateurs qui sont raccordés.

Il y a des fonctions particulières qui permettent de réaliser la maintenance par exemple PING, TELNET, FTP, ARP etc.



POUR RESUMER:

Les trois premières couches s'occupent du transfert, physique, construction des trames, adressages.

Les trois dernières couches s'occupent des applications, synchronisation, présentation des données, requêtes à réaliser.

La couche transport est l'interface entre ce que veut faire l'application et le transfert des données, c'est elle qui s'assure que les données soient cohérentes sur les différents systèmes en communications.


Mais il y a d'autres modèles, SNA, TCP/IP celui-ci décompose bien tous les services nécessaire pour réaliser un vrai système réparti, il est souvent mis en parallèle des autres modèles, sur ces derniers il manque soit l'hétérogénéité, soit la synchronisation, soit la mise en réseau global.


Le modèle OSI en PDF?




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