3. Base de transmission réseau

3.1. Introduction - 3.2. Caractéristique d'un réseau informatique - 3.3. Câblage - 3.4. Méthode d'accès 3.5. Liaison physique - 3.6. Topologie en bus - 3.7. Topologie en anneau 3.8. Topologie en étoile - 3.9. Topologie mixte - 3.10. Topologie Maillée

3.1. Introduction

Pour communiquer des informations entre des appareils informatiques, différents concepts sont nécessaires. Avant d'étudier un réseau informatique, commençons pour le plaisir par analyser une communication courante entre un ordinateur et une … imprimante.

Dans une liaison parallèle, chaque bits constituant un octet (byte) sont transférés en même temps. Cette liaison est constituée de 8 fils de données et de différents fils de masse, plus des signaux de communications (out of paper, …). Intéresserons aux fils de données. Pour faire passer un octet de l'ordinateur vers l'imprimante, nous envoyons sur ces 8 fils une tension ou non suivant le message binaire à envoyer. Pour savoir si un message est envoyé, l'imprimante regarde sur les 8 fils de connexions si une tension est présente ou non. Ceci ne nécessite pas en théorie de signaux de contrôles.

Quoique intéressantes, les liaisons parallèles sont supplantées par les liaisons séries. Cette disparition est liée au prix des connexions physiques (des fils) et de leur implantation dans les bâtiments. Avec l'augmentation des communications entre appareils, la réduction du nombre des fils est primordiale pour les communications externes, pas à l'intérieur des ordinateurs.

Dans les liaisons séries, on ne retrouve au départ qu'un fil de communication (deux pour le bidirectionnel) et un fil de masse. En pratique, d'autres fils sont implantés pour le contrôle des communications. Le principe est le même que ci-dessus, sauf que les 8 bits de données vont passer sur une seule ligne à tour de rôle. L'ordinateur envoie sur un fil spécialisé un signal électrique (tension) qui signale au réceptionneur qu'un envoit de donnée va se produire et celui-ci se prépare à regarder ce qui se passe sur le câble. Si une tension est présente, le signal reçu est le 1, si aucun signal n'est présent, le signal reçu est 0. Les différents signaux sont envoyés à la suite de l'autre, ce qui explique que la liaison série est réputée lente.

Dès que l'on envoie un signal d'un endroit à un autre, on effectue un contrôle des données. On pourrait demander au réceptionneur de renvoyer les données reçues pour vérification, mais ceci réduirait la vitesse de transfert des données. Dans la pratique, on effectue un contrôle de parité. Pour calculer la parité, on compte le nombre de 1. Si ce nombre est pair, la parité est 0, s'il est impaire, le parité est 1 dans le cas d'une parité paire (l'inverse dans une parité ODD, impaire). On envoie comme neuvième signal ce nombre paritaire. Ce type de vérification n'est pas totalement fiable. Si deux bits sont mauvais, le contrôle de parité est juste, alors que le signal reçu est faux. Dans les liaisons spatiales à longues distances, le nombre de bits de parités augmente. Ce système de parité est souvent utilisé dans les modems, mais plus dans les systèmes réseaux. Ces notions ont déjà été vues en première.

Les données à envoyer et la manière sont maintenant connues. Voyons maintenant comment des ordinateurs de types différents peuvent se comprendre lors de la transmission de données. Ce qu'on envoie comme suite de 0 et de 1 constituant le message s'appelle une trame. Ces trames sont organisées de manières spécifiques selon un protocole. Dans le cas d’une simple liaison série, on débute souvent par un bit de départ (start bit) et un bit de fin (stop bit). Ceci en capsule les données sur 8 bit dans une sorte d’écrin. Les deux systèmes en communication doivent forcément utiliser le même type d’en capsulage, y compris le bit de parité éventuel.

Un protocole est la manière dont les informations sont envoyées vers le destinataire. Comme dans le langage humain, l'expéditeur doit utiliser le même langage (protocole) que le destinataire pour que l'échange d'information soit correct. Les protocoles les plus courants sont TCP/IP, IPX, NetBeui, … Malgré cette courte description, les protocoles n'interviennent pas réellement dans la partie hardware des réseaux (à part pour le routage). En effet, dans le modèle OSI ci-dessus, nous nous limitons aux 3 premiers niveaux, alors que le protocole est lié au niveau 4: transport.

Dans notre liaison parallèle ou série classique, seulement deux appareils sont connectés. Cette méthode n'est pas très réaliste pour relier plusieurs ordinateurs en même temps. Outre le protocole, chacun doit prendre la parole à son tour pour éviter que plusieurs signaux sont présents en même temps.

3.2. Caractéristique d’un réseau informatique.

 Un réseau local est une infrastructure complexe et pas seulement des câbles entre stations de travail. Si on énumère la liste des composants d'un réseau local, on sera surpris d'en trouver une quantité plus grande que prévue :

* Le câblage constitue l'infrastructure physique, avec le choix entre paire téléphonique, câble coaxial et fibre optique. Ce choix détermine le type de concentrateurs (switch, HUB) du réseau. Ceux-ci constituent les nœuds internes dans le cas de réseaux en étoile.

* La méthode d'accès décrit la façon dont le réseau arbitre les communications des différentes stations sur le câble: ordre, temps de parole, organisation des messages. Elle dépend étroitement de la topologie et donc de l'organisation spatiale des stations les unes par rapport aux autres. La méthode d'accès est essentiellement matérialisée dans les cartes d'interfaces, qui connectent les stations au câble.

* Les protocoles de réseaux sont des logiciels qui "tournent" à la fois sur les différentes stations et leurs cartes d'interfaces réseaux. C'est le langage de communication. Pour que deux structures connectées sur le réseau, ils doivent "parler" le même protocole.

* Le système d'exploitation du réseau (ou NOS pour Network Operating System), souvent nommé gestionnaire du réseau, réside dans les différentes stations du réseau local. Il fournit une interface entre les applications de l'utilisateur et les fonctions du réseau local auxquelles il fait appel par des demandes à travers la carte d'interface.

* Le type de serveur (serveur d'impression, de fichier ou d'application)est spécifique et permet d’utiliser un programme spécifique à partir de toutes les stations connectées. Ces serveurs sont nettement plus musclés. Cette solution est surtout utilisée en MainFrame. Si elle augmente la sécurité (sauvegarde complète sur 1 ordinateur), le serveur envoie en permanence les parties de programme et données vers chaque station, ce qui augmente nettement le trafic réseau. Les serveurs de ce type sont en monde PC multi-processeurs. Le programme doit être conçus pour comme application centralisé. Ces programmes sont généralement de grosses bases de données.

* Le ou les clients sont des ordinateurs ou périphériques connectés qui utilisent les ressources des serveur de fichiers, d'impression ou de programmes. Ils ne partagent pas leurs ressources.

* Le système de sauvegarde est un élément indispensable qui fonctionne de diverses manières soit en recopiant systématiquement tous les fichiers du ou des serveurs, soit en faisant des sauvegardes régulières, éventuellement automatisées.

* Un pont, un routeur ou passerelle constitue le moyen de communication qui permet à un de ses utilisateurs de "sortir" du réseau local pour atteindre d'autres réseaux locaux ou des serveurs distants.

* Le système de gestion et d'administration du réseau envoie les alarmes en cas d'incidents, comptabilise le trafic, mémorise l'activité du réseau et aide le superviseur à prévoir l'évolution de son réseau.

3.3. Le câblage

Le câblage des réseaux locaux tend aujourd'hui à se banaliser, et à ne pas se distinguer du câblage informatique et téléphonique général de l'entreprise. Trois médias sont aujourd'hui utilisés dans les réseaux locaux:

* La paire torsadée téléphonique, peu chère, assez facile à poser, elle est aujourd'hui le support le plus répandu pour les réseaux locaux. Elles est souvent reprise sous le terme réseau Ethernet ou réseau RJ45

* Le câble coaxial, plus cher, est en perte de vitesse après avoir été le support par excellence des premiers réseaux locaux qui fonctionnaient en mode large bande (bande passante découpée en plages de fréquence, chacune étant attribuée à un canal). Aujourd'hui, la plupart des réseaux locaux fonctionnant en bande de base (toutes les stations émettent sur un même canal occupant la totalité de la bande passante), le câble coaxial est moins nécessaire et on l'emploie presque uniquement pour l'interconnexion de différents réseaux locaux.

• La gaine permet de protéger le câble de l'environnement extérieur. Elle est habituellement en caoutchouc (parfois en Chlorure de polyvinyle (PVC), éventuellement en téflon)
• Le blindage (enveloppe métallique) entourant les câbles permet de protéger les données transmises sur le support des parasites (autrement appelé bruit) pouvant causer une distorsion des données.
• L'isolant entourant la partie centrale est constitué d'un matériau diélectrique permettant d'éviter tout contact avec le blindage, provoquant des interactions électriques (court-circuit).

L'âme, accomplissant la tâche de transport des données, est généralement composée d’un seul brin en cuivre ou de plusieurs brins torsadés.

* La fibre optique, encore plus chère, permet des débits élevés et est insensible aux parasites. Le câblage optique commence à faire une percée dans les réseaux locaux à gros besoins de bande passante (calcul technique, CAO), mais sert surtout pour interconnecter plusieurs réseaux locaux. La fibre optique est chère, fragile et fastidieuse à installer. Elle casse facilement sous l'effet de la torsion.

La fibre optique possède néanmoins de nombreux avantages:

• Légèreté
• Immunité au bruit
• Faible atténuation
• Tolère des débits de l'ordre de 100Mbps
• Largeur de bande de quelques dizaines de mégahertz à plusieurs gigahertz (fibre monomode)

La câblage optique est particulièrement adapté à la liaison entre répartiteurs (liaison centrale entre plusieurs bâtiments, appelé backbone) car elle permet des connexions sur des longues distances (de quelques kilomètres à 60 km dans le cas de fibre monomode) sans nécessiter de mise à la masse. De plus ce type de câble est très sûr car il est extrêmement difficile de mettre un tel câble sur écoute.

Le type de câble utilisé détermine la vitesse maximale de transmission des données, ainsi que le standard de connexion des réseaux. Dans le cas de la paire torsadée, on utilise du câble téléphonique. Néanmoins, ces câbles sont repris suivant leurs caractéristiques physiques (diamètre, isolant, longueur des torsades) dans différentes catégories ci-dessous:

Il existe 2 familles de câbles de paires torsadées. Les câbles blindés (STP: Shilded Twisted Pair) disposent d'une feuille d'aluminium pour faire écran. Les câbles UTP (Unshielded twisted Pair) n'en possèdent pas. Les plus courants sont les UTP.

3.4. La méthode d'accès

Pour "mettre de l'ordre" dans un réseau local, où toutes les stations peuvent prendre l'initiative des envois de messages, il faut une règle respectée par tout le monde. C'est la méthode d'accès. On distingue deux méthodes principales, la contention et le jeton. Elles distinguent les deux principales famille de réseaux locaux : Ethernet, qui utilise la contention, et l'anneau à jeton (Token-Ring), méthode "déterministe" (non aléatoire).

Les deux méthodes sont normalisées dans le cadre de l'association IEEE américaine (comité 802), normalisation reprise dans le cadre de l'ISO. Si l'on se réfère au modèle OSI, ce qui distingue les méthodes d'accès se situe bien entendu dans la couche 1 (couche Physique) du modèle OSI, puisque les câblages et les topologies sont différents, mais surtout dans une sous-couche inférieure de la couche 2 du modèle OSI (Liaison de données) appelée Mac (Medium Access Control). La méthode Ethernet CSMA/CD est normalisée sous l'appellation 802.3 et l'anneau à jeton sous 802.5.

Dans la méthode Ethernet, utilisant la contention, chaque PC envoie son message sans trop s'occuper de ce qui se passe sur le câble. Ceci entraîne des collisions, d'où la led sur les HUBS. Lorsque qu'une station émet et provoque ainsi une collision (lorsqu'une autre station est en train d'émettre), elle stoppe la transmission pour recommencer plus tard. Dans le cas du Giga Ethernet, les stations n'envoie plus le message, mais un signal de départ pour vérifier si la voie est libre. Le CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection) se charge de la détection des collisions.

Dans la méthode à jeton, chaque station peut communiquer à son tour. Si 3 stations sont connectées en anneau, la station 1 prend la parole, ensuite la 2, puis la 3. La station 1 peut de nouveau prendre la parole, et ainsi de suite.

3.5. La topologie réseau.

Dans le cas de notre liaison imprimante – PC, le câble centronix assurait le transport des données. Une liaison réseau est nettement plus complexe. Il ne suffit plus de connecter 2 appareils, mais bien plusieurs dans le sens large. Tout comme dans une liaison parallèle, les appareils à connecter sont reliés entre-eux par un câble (nous verrons également liaisons par infrarouge ou hertzienne). Avant d'étudier les différentes formes de liaisons, voyons les types de raccordements, appelés topologie.

Il y a trois types de topologie.

3.6. Topologie en bus

Le bus, un segment central où circulent les informations, s’étend sur toute la longueur du réseau, et les machines viennent s’y accrocher. Lorsqu’une station émet des données, elles circulent sur toutes la longueur du bus et la station destinatrice peut les récupérer. Une seule station peut émettre à la fois. En bout de bus, un "bouchon" permet de supprimer définitivement les informations pour qu’une autre station puisse émettre.

L’avantage du bus est qu’une station en panne ne perturbe pas le reste du réseau. Elle est, de plus, très facile à mettre en place. Par contre, en cas de rupture du bus, le réseau devient inutilisable. Notons également que le signal n’est jamais régénéré, ce qui limite la longueur des câbles.

Cette topologie est utilisée dans les réseaux Ethernet 10 Base 2 et 10 Base 5.

3.7. Topologie en anneau

Développée par IBM (mais abandonnée en 2000), cette architecture est principalement utilisée par les réseaux Token Ring. Token Ring utilise la technique d’accès par « jeton ». Les informations circulent de stations en stations, en suivant l’anneau. Un jeton circule autour de l’anneau. La station qui a le jeton émet des données qui font le tour de l’anneau. Lorsque les données reviennent, la station qui les a envoyées les élimine du réseau et passe le jeton à son voisin, et ainsi de suite…

Cette topologie permet d’avoir un débit proche de 90% de la bande passante. De plus, le signal qui circule est régénéré par chaque station. Par contre, la panne d’une station rend l’ensemble du réseau inutilisable. L’interconnexion de plusieurs anneau n’est pas facile à mettre en œuvre. Enfin, cette architecture étant la propriété d’IBM, les prix sont élevés et la concurrence quasiment inexistante.

Cette topologie est utilisée par les réseaux Token Ring et FDDI.

3.8. Topologie en étoile.

C’est la topologie la plus courante, notamment avec les réseaux Ethernet RJ45. Toutes les stations sont reliées à un unique composant central : le concentrateur. Quand une station émet vers le concentrateur, celui-ci envoie les données à toutes les autres machines (hub) ou à celle qui en est le destinataire (switch).

Facile à mettre en place et à surveiller, la panne d’une station ne met pas en cause l’ensemble du réseau. Par contre, il faut plus de câbles que pour les autres topologies, et si le concentrateur tombe en panne, tout le réseau est anéanti. De plus, le débit pratique est moins bon que pour les autres topologies.

Cette topologie est utilisée par les réseaux Ethernet 10 et 100 Base T et par le 100 VG AnyLAN.

3.9. Topologie mixte.

Une topologie comme ci-dessus est malheureusement trop simpliste dans le cas de réseaux importants. Si une topologie en étoile est parfaite dans le cas d'un réseau limité géographiquement, un réseau mondial ne peut utiliser une liaison de ce type. La méthode utilisée est donc de relier des réseaux en étoile (par bâtiments par exemple) via des liaisons en bus (téléphoniques par exemple).

Dans la suite du cours, en nous intéressant aux connexions inter-réseaux, nous reverrons ce type de réseau mixte, en sachant que chaque partie du réseau est généralement en étoile.

3.10. Topologie maillée.

Un réseau informatique maillé (ici représentés par des ordinateurs) est relié par des routeurs qui choisissent la meilleure voie suivant plusieurs possibles. INTERNET est une topologie maillée, ceci garantit le mieux la stabilité en cas de panne d'un noeud mais est difficile à mettre en oeuvre, principalement au niveau du choix des routes à suivre pour transférer l'information. Ceci nécessite l'utilisation de routeurs intelligents.

La suite du cours matériels réseaux: > 4. Liaisons réseaux Ethernet