07 Cours Réseaux

Vocabulaire⚓︎

Un réseau est un ensemble de noeuds reliés par des liens, qui correspond mathématiquement à un graphe. Dans un réseau informatique les noeuds ou hôtes sont des équipements informatiques comme des ordinateurs, des routeurs . . . et les liens peuvent être variés selon la technologie utilisée : filaire (Ethernet, . . . ) ou par ondes (Wifi, . . . ).
Une interface est le point de raccordement, matériel (carte réseau) ou logiciel, entre un lien et un noeud.
Un protocole est un ensemble de règles permettant d’établir une communication entre deux noeuds du réseau et de garantir éventuellement certains services (fiabilité, confidentialité . . . .)
Un service réseau est une application capable de communiquer en réseau et proposant des fonctionnalités. Par exemple, un service Web peut fournir des pages Web au navigateur d’un client. Sur un réseau pédagogique de lycée, un service de gestion et de partage de fichiers permet aux utilisateurs d’accéder à leurs fichiers depuis n’importe quel machine cliente.
Un serveur désigne un matériel ou un logiciel exécutant un service réseau. Il fournit un service à des clients selon une architecture client / serveur.

Types de réseaux⚓︎

Un réseau informatique ou plus simplement un réseau fait référence à un nombre quelconque de systèmes informatiques indépendants qui sont reliés entre eux pour que l’échange de données soit réalisable. Pour cela, en plus d’une connexion physique, il doit aussi exister une connexion logique des systèmes en réseau. Cette dernière est produite par des protocoles réseau spécifiques comme par exemple le protocole TCP (Transmission Control Protocol, littéralement protocole de contrôle de transmissions). Même seulement deux ordinateurs reliés entre eux peuvent être considérés comme un réseau.

Les réseaux sont mis en place dans le but notamment de transférer des données d’un système à un autre ou de fournir des ressources partagées comme par exemple les serveurs, les bases de données ou une imprimante sur le réseau. Il est possible selon la taille et la portée du réseau informatique de différencier et de catégoriser les réseaux. Voici ci-dessous les principales catégories de réseaux informatiques :

Personal Area Network (PAN) ou réseau personnel
Local Area Network (LAN) ou réseau local
Metropolitan Area Network (MAN) ou réseau métropolitain
Wide Area Network (WAN) ou réseau étendu (on parle parfois aussi de Global Area Network (GAN) ou réseau global)

Le réseau internet mondial est, en quelque sorte, un WAN. Il est constitué de multitudes de liaisons, notamment des câbles sous-marins :

Voici un exemple de carte des câbles sous-marins en service.

Bien souvent les réseaux de communication physique constituent le fondement de plusieurs réseaux logiques, appelés VPN (Virtuel Private Network, ou réseau privé virtuel en français). Ceux-ci utilisent un moyen de transmission physique commun, par exemple un câble de fibre optique et, lors du transfert des données, sont assignés à des réseaux virtuels logiquement différents au moyen d’un logiciel de VPN créant un tunnel (ou logiciel de tunneling).

Chaque type de réseau a été développé pour des domaines d’application spécifiques, un réseau est basé sur des techniques et des normes propres apportant différents avantages et limites.

Personal Area Network (PAN)⚓︎

Pour permettre l’échange de données des appareils modernes comme notamment les smartphones, tablettes, ordinateurs portables ou les ordinateurs de bureau, ces derniers peuvent être connectés à un réseau adapté. Celui-ci peut être relié sous la forme d’un réseau personnel ou PAN (Personnal Area Network), on parle aussi de réseau domestique. Les techniques de transmission courantes sont l’USB ou le FireWire. Le réseau personnel sans fil (WPAN pour Wireless Personal Area Network) repose sur des technologies comme le Bluetooth, USB sans fil, INSTEON, IrDA, ZigBee ou Z-Wave. Un réseau personnel sans fil qui peut être réalisé par l’intermédiaire du Bluetooth est appelé « Piconet ». Les WPAN et les PAN ne couvrent généralement que quelques mètres et ne sont pas adaptés pour connecter des appareils se trouvant dans des pièces ou bâtiments différents.

En plus de la communication de plusieurs appareils entre eux, un réseau personnel permet également la connexion à d’autres réseaux, généralement plus grands. On parle dans ce cas d’un Uplink ou de liaison montante. En raison de la portée limitée et d’un taux relativement faible de transfert de données, les PAN sont principalement utilisés pour relier des périphériques pour un usage récréatif. Les exemples typiques sont les écouteurs sans fil, les consoles de jeu et les appareils photo numériques. Dans le contexte de l’Internet des objets (idO, en anglais IoT Internet of Things), les WPAN sont utilisés pour la communication, le contrôle et la surveillance des applications à faible débit de données. Des protocoles comme INSTEON, Z-Wave et ZigBee sont spécifiquement conçus pour la domotique.

Local Area Network (LAN)⚓︎

Si plusieurs ordinateurs doivent être réunis sur un réseau, cela se fait généralement sous la forme d’un réseau local ou LAN (acronyme de Local Area Network). Un tel réseau peut relier deux ordinateurs d’une maison ou alors plusieurs centaines d’appareils au sein d’une entreprise. Mais également des réseaux dans des institutions publiques comme les administrations, les écoles ou les universités sont généralement mis en œuvre sous la forme d’un LAN. Une norme commune très répandue pour les réseaux locaux câblés est le protocole Ethernet. Les autres technologies moins fréquentes et parfois obsolètes sont Arcnet, FDDI et Token Ring. La transmission de données est réalisée électroniquement sur la base de câbles de cuivre ou via des câbles de fibre optique.

Si plus de deux ordinateurs sont imbriqués ensemble dans un réseau local, des composants supplémentaires comme un hub (ou concentrateur), bridge (pont) ou un switch (commutateur réseau) sont nécessaires et agissent alors comme des éléments de couplage et des nœuds de distribution. Un LAN est conçu pour permettre un transfert rapide de grandes quantités de données. Selon la structure du réseau et du moyen de transmission utilisé, un débit de données de 10 à 1000 Mbit/s est courant. Les réseaux locaux permettent un échange d’informations confortable entre les différents périphériques qui sont connectés au réseau. Dans le contexte d’une entreprise, il est courant que plusieurs ordinateurs de travail partagent des serveurs de fichiers, des imprimantes réseau ou des applications sur le LAN.

Si un réseau local est implémenté par radio, on le nomme alors WLAN (wireless local area network) ou réseau local sans fil. En France on utilise aussi couramment le terme de WiFi pour désigner un WLAN. Il n’y a pas vraiment de différences entre ces deux termes, WiFi est simplement une marque déposée de protocoles de communication sans fil. La base technique de la norme WLAN ou WiFi est définie par les normes du groupe IEE 802.11. Les réseaux locaux sans fil offrent la possibilité d’intégrer facilement des appareils dans un réseau domestique ou d’entreprise et sont compatibles avec un LAN Ethernet filaire. Toutefois, le débit des données est inférieur à celui d’une connexion Ethernet.

La portée d’un réseau LAN est tributaire de la norme utilisée et du support de transmission, pouvant être augmenté par l’amplificateur de signal, ce que l’on appelle un répéteur (de l’anglais repeater). Une plage de signal de plusieurs kilomètres est possible avec Gigabit Ethernet sur fibre optique. Toutefois, les réseaux locaux couvrent rarement plus d’un complexe de bâtiments. Plusieurs LAN (Local Area Network) à proximité géographique peuvent se connecter à un MAN (Metropolitan Area Network) ou WAN (Wide Area Network).

Metropolitan Area Network (MAN)⚓︎

Un Metropolitan Area Network (MAN) ou réseau métropolitain, est un réseau de télécommunication à large bande qui relie plusieurs LAN géographiquement à proximité. Il s’agit en règle générale de différentes branches d’une société qui sont reliées à un MAN via des lignes loués. Les routeurs de haute performance et les connexions de fibres optiques hautes performances sont utilisés ce qui permet de fournir un débit de données beaucoup plus élevé que l’Internet. La vitesse de transmission entre deux nœuds éloignés est comparable à la communication dans un réseau local. L’infrastructure pour le MAN est assurée par les opérateurs de réseaux internationaux. En tant que réseau métropolitain, les villes câblées peuvent être intégrées dans les réseaux étendus : WAN (Wide Area Networks) et sur le plan international au niveau des GAN (Global Area Networks).

Metro-Ethernet est une technologie de transmission spéciale disponible pour le MAN qui peut être utilisé pour construire de puissants réseaux métropolitains (MEN ou Metro Ethernet Network) basés sur Carrier Ethernet (CE1.0) ou Carrier Ethernet (CE 2.0).

Une norme pour les grands réseaux de radio régionaux, que l’on nomme Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) a été développée avec IEEE 802.16. La technologie connue sous le nom de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) permet de mettre en place ce que l’on appelle des bornes WiFi ou WLAN hotspots. Ce sont plusieurs points d’accès Wi-fi travaillant ensemble dans différents endroits. La norme commune de transmission DSL est techniquement disponible que lorsque des câbles en cuivre ont été posés.

Wide Area Network (WAN)⚓︎

Alors que les réseaux métropolitains relient des zones qui se trouvent proches les unes des autres dans des zones rurales ou urbaines, les WAN (Wide Area Network) ou réseaux étendus couvrent des vastes zones géographiques à l’échelle d’un pays ou d’un continent par exemple. En principe, le nombre de réseaux locaux ou d’ordinateurs connectés à un réseau étendu est illimité.

Alors que les réseaux locaux (LAN) et MAN peuvent être réalisés en raison de la proximité géographique des ordinateurs connectés ou des réseaux sur la base d’Ethernet, les réseaux étendus utilisent des techniques comme IP/MPLS (Multiprotocol Label Switching ), PDH (Plesiochrone Digitale Hierarchie), SDH (Synchrone Digitale Hierarchie), SONET (Synchronous Optical Network), ATM (Asynchronous Transfer Mode) et encore rarement l’obsolète X.25.

Les réseaux étendus sont généralement détenues par une organisation ou une entreprise et sont donc exploités en privé ou loués. En outre, les fournisseurs de services Internet utilisent des WAN pour connecter les réseaux locaux d’entreprises et les clients à Internet.

Global Area Network (GAN)⚓︎

Un réseau mondial comme Internet est aussi appelé GAN (Globe Area Network). Internet n’est cependant pas le seul réseau informatique de ce genre. Les entreprises actives au niveau international maintiennent également des réseaux isolés qui couvrent plusieurs WAN et connectent ainsi des ordinateurs d’entreprise dans le monde entier. Les GAN utilisent les infrastructures de fibre optique des réseaux étendus et combinent ces derniers avec des câbles sous-marins internationaux ou des transmissions par satellite.

Virtual Private Network (VPN)⚓︎

Un VPN (Virtual Privat Network) ou réseau privé virtuel est un réseau de communication virtuel qui utilise l’infrastructure d’un réseau physique pour relier logiquement les systèmes informatiques. Il peut s’agir de n’importe quel type de réseau détaillé plus haut, cependant Internet est le moyen de transmission le plus couramment utilisé. Cela relie presque tous les ordinateurs dans le monde entier et reste disponible gratuitement par opposition à l’exploitation privé d’un MAN ou WAN. Les données sont transférées au sein d’un tunnel virtuel qui est construit entre un client VPN et un serveur VPN.

Le réseau public est utilisé comme moyen de transport, les réseaux privés virtuels sont généralement cryptés pour s’assurer de la confidentialité des données. Les VPN (Virtual Privat Network) sont utilisés pour connecter les réseaux locaux sur Internet ou pour permettre l’accès à distance à un réseau ou à un seul ordinateur via la connexion publique.

Matériel⚓︎

Eléments à connecter⚓︎

Machines avec cartes réseau (ordinateurs, smartphones, etc)⚓︎

La carte réseau constitue l'interface entre l'ordinateur et le câble du réseau.

Elle prépare, pour le câble réseau, les données émises par l'ordinateur. Elle transfère ces données vers un autre ordinateur et contrôle le flux de données entre l'ordinateur et le câble (ou les ondes).

Elle traduit aussi les données venant du câble en octets afin que l'Unité Centrale de l'ordinateur les comprenne.

Chaque carte réseau a une adresse MAC (= Media Access Control). Chaque PC, tablette, smartphone, etc, a autant d'adresses MAC que de cartes réseaux (une pour internet, une pour le WiFi, par exemple).
Cette adresse MAC est théoriquement unique au monde. Elle est composée de 6 octets écrits en codage hexadécimal (de 00 à FF).
Par exemple : 00:14:a5:41:61:6b.

Etiquettes au dos d'un routeur indiquant les adresses MAC des cartes Ethernet et Wifi (Source Wikimedia)

Le serveur⚓︎

Un serveur est un dispositif informatique matériel ou logiciel qui offre des services, à différents clients.

Les services les plus courants sont :

le partage de fichiers,
l'accès aux informations du World Wide Web,
le courrier électronique,
le partage d'imprimantes,
le commerce électronique,
le stockage en base de données,
le jeu.

Un serveur fonctionne en permanence. Il répond automatiquement à des requêtes provenant d'autres dispositifs informatiques (les clients) selon le principe Client/Serveur.

Éléments qui permettent l'interconnexion⚓︎

Le commutateur (switch)⚓︎

Le switch gère le transfert d'informations entre équipements d'un même réseau LAN.

En recevant une information sur un de ses ports Ethernet, un switch décode l'entête de la trame (adresse de destination) pour ne l'envoyer que vers le port Ethernet associé : cela réduit le trafic sur l'ensemble du câblage réseau. Les switchs ayant un nombre de prises RJ45 limité, il peut être nécessaire d'utiliser plusieurs switchs dans un même réseau.

Il existe aussi des concentrateurs sans fil (équivalent du switch en filaire) qui permettent de mettre en réseau plusieurs ordinateurs connectés « sans fil » (en wifi par exemple).

Chaque switch utilise une table de correspondance adresse MAC/numéro de port Ethernet, qu'il construit lui-même et enregistre dans une mémoire RAM.

Le routeur⚓︎

Le routeur gère le transfert d'informations entre deux réseaux différents. Il définit le chemin que ces informations doivent prendre à travers le réseau pour arriver à destination.

Son travail consiste à déterminer le prochain nœud (routeur) du réseau auquel les paquets de données doivent être envoyées. Pour cela le routeur analyse les trames d'informations pour récupérer les entêtes (adresses de destination et de départ) et utilise une table de routage.

La table de routage établit la correspondance entre une machine destination, le prochain routeur et l'interface réseau (connexion du routeur) à utiliser pour suivre ce chemin.

Remarque : Les box internet dans les foyers font office de routeurs : freebox, livebox...

Les câbles réseau⚓︎

C'est le même câble utilisé pour les réseaux téléphoniques : à paires torsadées. Il existe des câbles à 2 ou 4 paires mais aussi des câbles non blindés, blindés ou écrantés.

Le connecteur 8P8C (8 positions 8 contacts) est utilisé couramment pour les connexions Ethernet. Il est appelé improprement, mais couramment, RJ45.
Un connecteur RJ45 est une interface physique souvent utilisée pour terminer les câbles de type « paire torsadée ».

La fibre optique⚓︎

Elle permet des débits de plusieurs Gbit/s sur de très longues distances. La fibre optique est particulièrement adaptée à l'interconnexion de réseaux, par exemple entre plusieurs bâtiments d'un même site ou de réseaux informatiques régionaux, continentaux, ou intercontinentaux.

Topologie⚓︎

Un réseau informatique est constitué d’ordinateurs reliés entre eux grâce à du matériel (câblage, cartes réseau, ainsi que d’autres équipements permettant d’assurer la bonne circulation des données). L’arrangement physique (type de câblage) de ces éléments est appelé topologie physique.

Topologie en bus⚓︎

Une topologie en bus est l’organisation la plus simple d’un réseau. En effet, dans une topologie en bus tous les ordinateurs sont reliés à une même ligne de transmission par l’intermédiaire de câble, généralement coaxial. Les connecteurs utilisés sont de types : connecteur en T ou Vampire. Le mot « bus» désigne la ligne physique qui relie les machines du réseau. Une seule station émet sur le bus. Lorsque celle-ci émet, la trame parcourt tout le bus jusqu’à ce qu’elle arrive au destinataire. A chaque extrémité, le réseau est terminé par une résistance (appelé bouchon) pour empêcher l’apparition de signaux parasites. L’exemple le plus courant de ce type de réseau est le réseau Ethernet.

Topologie en anneau⚓︎

Il s’agit d’un réseau local dans lequel les noeuds sont reliés à un répartiteur (appelé MAU, Multistation Access Unit).

Les données circulent sur un anneau (qui n’est souvent que virtuel) d’un noeud à l’autre. A un instant donné, un seul nœud peut émettre sur le réseau. Il ne peut donc pas se produire de collision entre deux messages contrairement au cas du réseau de type bus. Un jeton (qui est en fait une trame de donnée) circule en permanence le long de la boucle. Lorsqu’ aucun nœud n’émet de message, le jeton est dans un état libre (trame vide). Seul le nœud qui a envoyé le message est en attente d’un accusé de réception. Les autres nœuds n’étant pas en alerte, se contentent de retransmettre l’accusé de réception sans le lire. Lorsque le jeton arrive à la station émettrice celle-ci vérifie l’accusé de réception, retire son message et rend le jeton libre et ainsi de suite… Cette topologie est utilisée par les réseaux Token Ring et FDDI.

Topologie en étoile⚓︎

Dans un réseau en étoile, chaque nœud du réseau est relié à un nœud central (Switch ou hub) par un RJ45. Ce nœud est un appareil qui recevant un signal de données par une de ses entrées, va retransmettre ce signal à chacune des autres entrées sur lesquelles sont connectés des ordinateurs ou périphériques, voir d’autres nœuds.

Topologie en arbre⚓︎

Aussi connu sous le nom de hiérarchique. Le sommet, de haut niveau, est connectée à plusieurs nœuds de niveau inférieur, dans la hiérarchie. Ces nœuds peuvent être eux-mêmes connectés à plusieurs nœuds de niveau inférieur. Le tout dessine alors un arbre, ou une arborescence. Le point faible de ce type de topologie réside dans l’ordinateur « père » de la hiérarchie qui, s’il tombe en panne, paralyse la moitié du réseau.

Topologie maillée⚓︎

La plupart des réseaux étendus adoptent une topologie maillée. Une topologie maillée correspond à plusieurs liaisons point à point. (Une unité réseau peut avoir (1,N) connexions point à point vers plusieurs autres unités.) Chaque terminal est relié à tous les autres. L’inconvénient est le nombre de liaisons nécessaires qui devient très élevé lorsque le nombre de terminaux l’est : s’il y a N terminaux, le nombres de liaisons nécessaires est de \(N\times(N-1)/2\). Cette topologie se rencontre dans les grands réseaux de distribution (par exemple Internet).

Adresse Réseau⚓︎

Définition : Une adresse IP est un numéro d'identification qui est attribué de façon permanente ou provisoire à chaque appareil connecté à un réseau informatique utilisant l'Internet Protocol.

Format de l'adresse IP⚓︎

Les adresses IPv4 sont de la forme : « a.b.c.d », où a, b, c et d sont 4 octets (c'est-à-dire des entiers compris entre 0 et 255 en base 10) séparés par un point comme le montre la figure ci-dessous :

Une partie de l’adresse IP permet d’identifier le réseau auquel appartient la machine.
L’autre partie de l’adresse IP permet d’identifier la machine sur ce réseau.

Toutes les machines appartenant au même réseau devront posséder la même partie correspondant à l'adresse réseau (sinon elles ne pourront pas communiquer ensemble même si elles sont bien reliées physiquement).

Remarque : Il y a \(2^{32} \approx 4\) milliards d'adresses IPv4 différentes, ce qui est insuffisant pour toutes les cartes réseau du monde (probablement plutôt 50 milliards en 2025).
On utilise maintenant (aussi) des adresses IPv6 qui sont constituées de 6 octets, donc 48 bits. Il y a donc \(2^{48}\) adresses différentes, soit environ \(280~000\) milliards.

Adresse réseau / masque de sous-réseau⚓︎

De manière générale, les adresses IP au format « a.b.c.d » n’ont pas forcément les trois premiers octets « a.b.c » consacrés à l’identification du réseau.
Le nombre de bits consacrés à l'adresse réseau peut être défini en notant l'adresse IP, suivie d'un "/" puis d'un chiffre correspondant au \textbf{masque de sous-réseau}.
Par exemple, 192.168.2.1/16 signifie que les 16 premiers bits sont ceux désignant le sous-réseau : toutes les adresses de ce réseau commencent par 192.168...

Remarque : en fait, certains adresses d'un sous-réseau sont réservées et ne peuvent pas être utilisées pour des machines. Il s'agit de la plus petite (que des 0 après le préfixe du sous-réseau), qui désigne l'adresse du réseau, et de la plus grande (que des 1 après le préfixe), qui sert au broadcast (= écrire à toutes les machines du réseau).