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La théorie des réseaux locaux et étendus


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XVI. Les protocoles réseaux

XVI-1. Les protocoles de communication

Un protocole réseau est un ensemble de règles et de procédures de communication utilisées de part et d'autre par toutes les stations qui échangent des données sur le réseau.

Il existe de nombreux protocoles réseaux (NETWORK PROTOCOLS), mais ils n'ont pas tous, ni le même rôle, ni la même façon de procéder. Certains protocoles réseaux fonctionnent au niveau de plusieurs couches du modèle OSI, d'autres peuvent être spécialisés dans la réalisation d'une tâche correspondant à une seule couche du modèle OSI. Un paquet transmis sur le réseau est constitué de plusieurs couches d'informations correspondant aux différents traitement de chacun des protocole de la pile.

Différentes piles de protocoles peuvent coexister sur une même station, selon les besoins de communication vers des environnements différents. Les piles sont alors ordonnées entres elles afin que le processus de transmission essaye d'abord l'une puis l'autre.

Un réseau qui comporte plusieurs segments doit en général utiliser un protocole routable.

XVI-2. Le modèle OSI et la pile de protocoles

Une pile de protocoles est une combinaison de plusieurs protocoles. Plusieurs protocoles peuvent collaborer ou coopérer au sein d'une suite ou d'une « pile de protocoles » (PROTOCOL STACK). Dans une pile de protocole, les différents protocoles sont organisés, ordonnés, hiérarchisés, les uns à la suite des autres, afin d'accomplir un ensemble de tâches correspondant à tout ou partie du modèle OSI. Le fonctionnement des différents protocoles de la pile doit être coordonné afin de prévenir les conflits et les opérations inachevées.

L'architecture en couche du modèle OSI se retrouve dans la pile de protocoles et assure la coordination de chacune des opérations du processus de transmission des données. En général, on parle de pile de protocole pour désigner l'ensemble du processus de transmission des données sur le réseau, et donc l'ensemble des couches du modèle OSI. Toutefois, le seul empilement de deux protocoles peut être également désigné par le terme de pile de protocoles.

Selon le modèle OSI, le processus de transmission des données sur un réseau est décomposé en plusieurs étapes, dans un ordre bien déterminé. Le modèle OSI distingue 7 étapes fondamentales, et décompose le processus de transmission des données en 7 couches. Chaque couche a une fonction bien précise dans le processus de transmission des données. A chacune de ces couches correspond la réalisation d'une ou de plusieurs tâches, et plusieurs cas de figure sont envisageables :

  • Une tâche est réalisée par un seul protocole.
  • Toutes les tâches d'une couche OSI sont réalisées par un seul protocole.
  • Plusieurs tâches appartenant à différentes couches OSI sont réalisées par un seul protocole.
  • Toutes les tâches de plusieurs couches OSI sont réalisées par un seul protocole.

Ainsi, les spécifications du modèle OSI sont respectées, mais la délimitation de chaque couche ne l'est pas forcément. Dans le processus de transmission, les données « traversent » la pile de protocoles, mais le nombre de protocoles constituant la pile n'est pas obligatoirement égale au nombre de couches du modèle OSI. La théorie ne correspond pas exactement à la réalité... Les couches du modèle OSI correspondent plus ou moins aux couches d'une pile de protocoles.

Les couches basses spécifient la manière dont les matériels sont connectés, tandis que les couches hautes énoncent les règles de communication. Les opérations des couches hautes sont plus complexes que celles des couches basses.

Le modèle OSI
Les couches Les fonctions
APPLICATION Initie ou accepte une requête réseau
PRESENTATION Ajoute des informations de formatage, d'affichage, de cryptage
SESSION Ajoute des informations de flux pour indiquer le départ d'un paquet
TRANSPORT Ajoute des informations pour le traitement des erreurs des paquets
RESEAU Ajoute un numéro d'ordre et des informations d'adressage au paquet
LIAISON Ajoute des informations de contrôle d'erreurs d'un paquet (CRC)
PHYSIQUE Émet les paquets sur le réseau sous la forme d'un flot de bits bruts

XVI-3. Les liaisons de protocoles

Dans une pile de protocoles, il y a au moins un protocole correspondant à chacune des couches du modèle OSI. Dans un tel cas, le processus de transmission des données est unique et traverse successivement tous les protocoles de la pile jusqu'à l'émission des trames sur le réseau. Il n'y a pas de liaison parce qu'il n'y a pas de choix à faire entre plusieurs protocoles de la même couche (en fait, les liaisons sont évidentes et sous-entendues, mais on dit qu'il n'y a pas de liaison parce qu'il n'y a pas de bifurcations).

Le plus souvent, la pile de protocole est constituée, pour chacune des couches du modèle OSI, de plusieurs protocoles différents. Une pile qui comporte à chaque niveau plusieurs protocoles est capable de communiquer dans plusieurs environnements (ce sont les avantages de l'ouverture, de la compatibilité et de la diversité). Le processus de transmission des données doit obligatoirement passer par l'un des protocoles de chaque couche (sinon la fonction de la couche correspondante ne serait pas réalisée), mais selon les besoins, il peut passer par n'importe lesquels d'entre eux. Le processus de transmission des données est guidé par des liaisons (BINDINGS) qui indiquent à chaque niveau le protocole à choisir et le protocole suivant. Les liaisons des protocoles de la pile indiquent les différents chemins possibles pour le processus de transmission des données. Chacun des chemins peut être (par un raccourci conceptuel et linguistique) considéré et appelé une pile.

Quand il existe plusieurs protocoles pour une même couche, il existe en général des liaisons en amont et en aval. Chacun des protocoles d'un même niveau est relié à l'un des protocoles précédents par une liaison, et à l'un des protocoles suivant par une autre liaison. Le processus de transmission des données doit faire un choix à chaque niveau où il y a une liaison.

Les liaisons sont hiérarchisées entre elles par un ordre de priorité. L'ordre des liaisons de la pile de protocole détermine l'ordre dans lequel le système d'exploitation réseau exécute les protocoles. Ainsi, selon le type de données à transmettre, le type de correspondant, ou le type de réseau, l'un ou l'autre des protocoles sera sélectionné ; par défaut, le protocole le plus prioritaire sera exécuté en premier, s'il n'aboutit pas, le protocole suivant sera exécuté, et ainsi de suite... Par exemple, dans un ordinateur NT, plusieurs protocoles de connexion ou d'acheminement des paquets (par exemple TCP/IP et NWLink) peuvent cohabiter à l'intérieur d'une même pile de protocole. Le protocole prioritaire de la pile (par exemple TCP/IP) sera d'abord utilisé pour établir la connexion avec l'ordinateur auquel les données doivent être transmises, si la connexion ne peut s'établir, alors le deuxième protocole (par exemple NWLink) effectuera à son tour une tentative de connexion...

En général, les liaisons de protocoles sont créées pendant l'installation du système d'exploitation réseau ou pendant l'installation des protocoles.

XVI-4. Les avantages des liaisons de protocoles

L'utilisation de plusieurs protocoles procure des avantages :

  • La communication dans des environnements hétérogènes :
  • La réunion d'ordinateurs différents sur le même réseau
  • La coopération de systèmes d'exploitation différents sur le même réseau
  • La jonction de réseaux utilisant des protocoles différents :
  • L'utilisation conjointe d'un protocole routable et d'un protocole non routable

Les liaisons de protocoles permettent de combiner plusieurs protocoles réseaux sur un même ordinateur. Les liaisons de protocoles sont très utiles dans un réseau hétérogène parce qu'elles permettent de faire communiquer des ordinateurs qui fonctionnent sur différents systèmes d'exploitation (par exemple MICROSOFT et NOVELL) et des réseaux qui fonctionnent avec différents protocoles (par exemple TCP/IP et SPX/IPX). Plusieurs protocoles (par exemple TCP/IP et SPX/IPX) peuvent être « liés » à la même carte réseau, et le processus de transmission des données utilise soit l'un, soit l'autre.

Les liaisons de protocoles permettent de combiner plusieurs cartes réseaux. Plusieurs cartes réseaux peuvent être installées sur le même ordinateur, et à chacune peut correspondre une pile de protocoles différents.

XVI-5. Les piles standards

Certaines piles de protocoles sont reconnues par l'industrie informatique comme des standards ; ce sont soit des protocoles propriétaires, soit des protocoles issus d'organismes de normalisation (la plupart du temps ces organismes sont américains) qui ont initié une réflexion volontaire et concertée :

  • Le modèle OSI
  • L'architecture SNA (Systems Network Architecture) de la société IBM
  • L'architecture DECnet de la société DIGITAL EQUIPMENT COMPUTER pour mettre en oeuvre l'architecture DNA (Digital Network Architecture) dans le cadre des réseaux locaux ETHERNET ou des réseaux étendus MAN. La version actuelle s'appelle DECnet phase V.
  • L'architecture NetWare de la société NOVELL
  • L'architecture AppleTalk de la société APPLE COMPUTER
  • La pile Internet TCP/IP

Les organismes de normalisation comme l'ISO, l'IEEE, l'ANSI (American National Standard Organisation), le CCITT devenue le l'ITU (International Telecommunication Union) et bien d'autres ont développé des protocoles correspondant aux spécifications du modèle OSI (avec ses 7 couches) et du modèle IEEE 802 (avec les deux sous-couches LLC et MAC).

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XVI-6. Les protocoles en trois catégories

Les protocoles peuvent être classés par simplification en trois catégories et non plus en sept couches comme le recommande le modèle OSI. En effet, dans la réalité, les protocoles ne suivent pas strictement les frontières établies par l'organisme de normalisation ISO. Le modèle OSI est réduit à trois couches.

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XVI-7. Les protocoles de la catégorie APPLICATION

Les protocoles de la catégorie APPLICATION garantissent l'interaction et l'échange des données :

  • APPC (Advanced Program to Program Communication) est le protocole SNA poste à poste d'IBM essentiellement utilisé sur les ordinateurs AS/400.
  • FTAM (File Transfer Access and Management) est un protocole OSI d'accès aux fichiers.
  • X.400 est un protocole CCITT (Comité Consultatif International de Télégraphie et de Téléphonie) permettant la transmission internationale de messagerie électronique.
  • X.500 est un protocole CCITT offrant des services de fichiers et de répertoires répartis sur plusieurs systèmes.
  • SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) est un protocole Internet pour le transfert de messagerie électronique.
  • FTP (File Transfer Protocol) est un protocole Internet pour le transfert de fichiers.
  • SNMP (Simple Network Management Protocol) est un protocole Internet permettant la surveillance des réseaux et de leurs composants.
  • TELNET est un protocole Internet pour la connexion à des hôtes distants et le traitement local de données.
  • SMB (Server Message Blocks) est le redirecteur client (shell) de MICROSOFT.
  • NCP (Novell Netware Core Protocol) est le redirecteur client (shell) de NOVELL.
  • APPLETALK et APPLESHARE est la suite de protocole d'APPLE.
  • AFP (AppleTalk Filing Protocol) est un protocole APPLE (pour les ordinateurs MACINTOSH) destiné à l'accès distant à des fichiers.
  • DAP (Data Access Protocol) est un protocole DECnet pour l'accès aux fichiers.

XVI-8. Les protocoles de la catégorie TRANSPORT

Les protocoles de la catégorie TRANSPORT assurent les connexions et le contrôle des transferts de données :

  • TCP (Transmission Control Protocol) est une partie du protocole Internet TCP/IP qui garantit la remise des données en séquence.
  • SPX (Sequential Paquet Exchange) est une partie du protocole SPX/IPX de NOVELL qui garantit la remise des données en séquence. C'est un protocole réduit, rapide et routable. SPX/IPX est un produit dérivé du protocole XNS (Xerox Network System) qui a été développé par la société XEROX pour les réseaux locaux ETHERNET. La pile XNS est un protocole qui a largement été diffusé dans les années 1980, mais qui a été progressivement remplacé par la pile TCP/IP. La pile XNS générait de nombreux messages de diffusion général (BROADCAST), ce qui le rendait lent en plus d'être volumineux.
  • NWLink est la version MICROSOFT du protocole SPX/IPX de NOVELL.
  • NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface) est un protocole qui crée des sessions NetBIOS (Network Basic Input Output System) et fournit des services de transport de données (NetBEUI). NetBEUI est basé sur le protocole de transfert SMB.
  • ATP (AppleTalk Transaction Protocol) et NBP (Name Binding Protocol) sont des protocoles APPLE pour les ordinateurs MACINTOSH.
  • X.25 est un ensemble de protocoles pour les réseaux à commutation de paquets utilisés pour connecter des terminaux distants à de gros systèmes hôtes (MAINFRAME).

XVI-9. Les protocoles de la catégorie RESEAU

Les protocoles de la catégorie RESEAU fournissent les services de liaisons (adressage, routage, contrôle d'erreurs et requête de retransmission) et définissent les règles de communication des réseaux ETHERNET, TOKEN RING,... :

  • IP (Internet Protocol) est la partie du protocole Internet TCP/IP qui achemine et route les paquets
  • IPX (Internetworking Packet Exchange) est la partie du protocole SPX/IPX de NOVELL qui achemine et route les paquets
  • NWLink est la version MICROSOFT du protocole SPX/IPX de NOVELL
  • NetBEUI est le protocole qui fournit les services de transport aux applications et sessions NetBIOS
  • DDP (Datagram Delivery Protocol) est un protocole APPLETALK pour le transport des données (pour les ordinateurs MACINTOSH)

XVI-10. Les protocoles routables

Jusque vers le milieu des années 80, les réseaux locaux n'étaient constitués que d'un seul segment de câble, et pour la plupart étaient des réseaux isolés. L'évolution de la technologie et des besoins a conduit à une ouverture et un raccordement des réseaux. Les réseaux locaux devaient devenir des sous-ensembles de réseaux plus vastes, faisant partie intégrante d'un « réseau étendu ».

La complexité du maillage des réseaux s'est avec le temps de plus en plus accrue. Les chemins possibles pour qu'un paquet atteigne sa cible croissaient en fonction du nombre de noeuds du réseau. Il fallait non seulement garantir que le paquet arrive à destination, mais aussi qu'il le fasse dans un délai raisonnable. Certains protocoles permettent au paquet d'emprunter plusieurs chemins, on dit alors que ce sont des « protocoles routables ». Les protocoles routables permettent au paquet d'atteindre sa cible le plus rapidement possible :

  • En utilisant le chemin le plus court
  • En utilisant le chemin le moins encombré, en fonction du trafic du réseau

Les protocoles routables permettent aux paquets de « traverser » les routeurs.

XVI-11. Le protocole SPX/IPX

Le protocole SPX/IPX a été développé au début des années 1980 par la société Novell parce que le protocole TCP/IP était encore très compliqué. Longtemps, les systèmes NetWare étaient incompatibles avec Internet qui utilise le protocole TCP/IP.

Avec la version « IntranetWare 4.11 », Novell permet aux utilisateurs de son système d'accéder à l'Internet. Toutefois, l'intégration de TCP/IP n'est pas « native », c'est une traduction de SPX/IPX en TCP/IP, ce qui prend un certain temps et ralentit quelque peu l'accès à Internet. En fait, SPX/IPX convient si les postes client n'ont pas besoin d'une adresse IP en interne pour pouvoir y accéder depuis l'extérieur du réseau NetWare.

Le protocole SPX/IPX est auto configurable, c'est à dire que Netware construit automatiquement une adresse réseau sous la forme d'un nombre hexadécimal à partir d'une plage d'adresses choisies par l'administrateur et de l'adresse MAC de l'ordinateur. Ainsi, l'adresse réseau IPX est unique et disponible immédiatement sans l'intervention de l'administrateur.

XVI-12. Le protocole TCP/IP

Le protocole TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) est le plus connu des protocole parce que c'est celui qui est employé sur le réseau des réseaux, c'est à dire Internet. Historiquement, TCP/IP présentait deux inconvénients majeurs, sa taille et sa lenteur. Le protocole TCP/IP fait partie du système d'exploitation UNIX depuis le milieu des années 1970 (auparavant, c'est le protocole UUCP (UNIX to UNIX Copy Program) qui était employé pour copier des fichiers et des messages électroniques entre deux machines).

Le protocole TCP/IP est une norme ouverte, c'est à dire que les protocoles qui constituent la pile de protocoles TCP/IP ont été développés par des éditeurs différents sans concertation. Le groupe de travail IETF (Internet Engineering Task Force) a rassemblé les différents protocoles de la pile TCP/IP pour en faire une norme. Le travail de l'IETF est régulièrement soumis à l'ensemble de la « communauté Internet » dans des documents appelés RFC (Request For Comments). Les RFC sont considérées comme des brouillons parce que les spécifications qu'elles contiennent peuvent à tout moment être réexaminées et remplacées. L'IETF essaye de statuer en ce moment sur une norme (Internet Calendar, Simple Scheduling Transfert Protocol) concernant le transport des données des agendas et des plannings.

TCP/IP est une pile de protocoles relativement volumineuse, ce qui peut causer des problèmes avec un client comme MS-DOS. Toutefois, les systèmes d'exploitation réseaux avec une interface graphique comme WINDOWS 95 ou WINDOWS NT n'ont pas de contrainte de mémoire pour charger la pile TCP/IP. Quant à la vitesse d'exécution et de transmission des paquets, celle de TCP/IP équivaut à SPX/IPX.

Les protocoles de la pile TCP/IP
Nom Fonction
FTP FTP (File Transfer Protocol) s'occupe des transferts de fichiers.
TELNET TELNET permet d'établir une connexion à un hôte distant et de gérer les données locales.
TCP TCP (Transmission Control Protocole) s'assure que les connexions entre deux ordinateurs sont établies et maintenues.
IP IP (Internet Protocol) gère les adresses logiques des noeuds (stations,...).
ARP ARP (Adress Resolution Control) fait correspondre les adresses logiques (IP) avec les adresses physiques (MAC).
RIP RIP (Routing Information Protocol) trouve la route la plus rapide entre deux ordinateurs.
OSPF OSPF (Open Shortest Path First) est une amélioration de RIP, plus rapide et plus fiable.
ICMP ICMP (Internet Control Message Protocol) gère les erreurs et envoie des messages d'erreurs.
BGP/EGP BGP/EGP (Border Gateway Protocol / Exterior Gateway Protocol) gère la transmission des données entre les réseaux.
SNMP SNMP (Simple Network Management Protocol) permet aux administrateurs réseaux de gérer les équipements de leur réseau.
PPP PPP (Point to Point Protocol) permet d'établir une connexion distante par téléphone. PPP (après SLIP) est utilisé par les fournisseurs d'accès à Internet.
SMTP SMTP (Simple Mail Transport Protocol) permet d'envoyer des courriers électroniques.
POP 3 et IMAP 4 POP 3 (Post Office Protocol version 3) et IMAP 4 (Internet Message Advertising Protocol version 4) permettent de se connecter à un serveur de messagerie et de récupérer son courrier électronique.

Le protocole TCP/IP est devenu la référence à partir de laquelle sont évalués les autres protocoles. La pile de protocole TCP/IP est la plus riche fonctionnellement.
Le protocole IP dispose de fonctions standardisées, les « API sockets » qui se comportent de la même façon sur tous les types de matériels.
TCP/IP est très répandu et très fonctionnel, mais assez compliqué et assez volumineux. En fait, l'inconvénient majeur provient de son succès, et de la diminution du nombre des adresse IP disponibles (en attendant la version IPV6 appelé aussi IPNG).

XVI-13. Les caractéristiques du protocole TCP/IP

  • Une norme industrielle
  • Relativement volumineux et relativement rapide
  • Tous les réseaux reconnaissent TCP/IP :
  • Une interopérabilité entre ordinateurs hétérogènes
  • Un standard pour la communication inter-réseaux et particulièrement entre des réseaux hétérogènes
  • Un protocole routable
  • D'autres protocoles ont été développés spécialement pour TCP/IP :
  • SMTP pour la messagerie électronique
  • FTP pour l'échange de fichiers
  • SNMP pour la surveillance des réseaux

XVI-14. Le protocole NetBEUI

A l'origine les protocoles NetBIOS et NetBEUI constituaient une seule et même pile. Certains fournisseurs séparèrent le protocole de la couche SESSION (NetBIOS) afin de pouvoir l'utiliser avec des protocoles routables de la couche TRANSPORT (le protocole de transport NetBEUI n'est pas routable).

NetBIOS est une interface pour les réseaux locaux développée par IBM. NetBIOS est relativement populaire parce que de nombreuses applications ont été programmées pour fonctionner avec cette interface.

Le protocole NetBEUI est un protocole de la couche TRANSPORT, mais n'est pas routable. Le protocole NetBEUI convient pour les réseaux « mono segment », il est très rapide si le nombre d'utilisateurs n'est pas trop grand. Pour accéder à Internet, les paquets NetBEUI doivent être « encapsulés » dans une couche TCP/IP, c'est ce qui s'appelle NBT.

Le protocole NetBEUI utilise des noms alphanumériques (les noms NetBIOS, ou les noms d'ordinateur) pour reconnaître les différentes machines du réseau. Les paquets ne sont pas adressés avec des adresses numériques, les noms de machine ne sont pas traduit en numéros. Il est donc plus facile pour les utilisateurs de reconnaître les autres machines, et d'installer le protocole. Les noms NetBIOS doivent être résolus en adresses IP quand d'autres ordinateurs utilisent TCP/IP.

L'inconvénient du protocole NetBEUI est qu'il n'est pas routable, les communications sont toujours transmises en « broadcast », et les machines connectées au réseau doivent continuellement se faire connaître aux autres machines, ce qui utilise de la bande passante.

Le protocole NetBEUI convient pour les petits réseaux qui utilisent les produits de Microsoft.

XVI-15. Les caractéristiques de NetBEUI

  • Petit, rapide et efficace
  • Tous les produits MICROSOFT en sont équipés, comme OS/2 Warp et LanStatic de la société Artisoft
  • Existe depuis le milieu des années 1980
  • A été fourni avec MS NET, le premier produit réseau de MICROSOFT
  • Fonctionne très bien avec les clients MS-DOS
  • Mais c'est protocole qui n'est pas routable, et qui reste donc limité à de petits réseaux sur un seul segment de câble...

XVI-16. L'installation des protocoles

L'installation des protocoles s'effectue le plus souvent en même temps que l'installation du système d'exploitation réseau. Par exemple, WINDOWS NT installe TCP/IP et le considère comme le protocole par défaut du système. Le module RESEAU du PANNEAU de CONFIGURATION de WINDOWS NT SERVER permet d'installer ou de supprimer des protocoles, et permet de modifier l'ordre des liaisons entre les différents protocoles qui sont installés.

Un réseau découpé en plusieurs segments doit utiliser un protocole routable, si les stations d'un segment sont censées communiquer avec les stations d'un autre segment. Par contre, l'utilisation d'un protocole non routable garanti que les données du segment ne seront pas détournées vers un autre segment...


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