Cette ressource est réalisée par Thierry Schanen (professeur agrégé) et Jean-Loup Prensier (professeur agrégé). Thierry Schanen enseigne les Sciences de l'Ingénieur au lycée Gustave Eiffel à Gagny et est l'auteur du Guide des automatismes

1. Introduction

Aujourd'hui, dans les industries, le bon fonctionnement des différents secteurs (BE travaillant sur un projet de conception de produit, gestion de la production dans une usine, service Après-Vente...) repose sur la possibilité d'avoir accès à toutes les informations internes et externes nécessaires à un moment donné. Cette quantité d'informations est telle que l'on ne peut envisager de toutes les stocker dans chaque lieu géographique les nécessitant. Cette problématique se retrouve au niveau système où différents sous-systèmes échangent un grand nombre d'informations pour fonctionner.

La possibilité de communiquer des informations actualisées entre des structures distantes est donc devenue un enjeu majeur.

La solution choisie pour permettre cette communication est une connexion des différentes entités générant ou stockant des informations sous la forme d'un réseau informatique. Chaque entité peut partager une partie de ses ressources propres et recevoir des ressources des autres entités connectées.

Un réseau informatique est donc un groupe d’ordinateurs, de périphériques et d’autres appareils reliés entre eux pour échanger et partager des ressources sous la forme d'informations, de logiciels, de périphériques.

2. La nécessité de la communication en réseau

L'animation ci-dessous présente l'évolution dans l'architecture des systèmes électroniques sur les automobiles conséquente à l'apparition des réseaux.

3. Le principe d'une bonne communication en réseau

Pour qu’une communication d’informations fonctionne, il faut établir quelques règles simples. Dans une conversation, par exemple, il convient de ne pas parler en même temps, de parler la même langue, de parler du même sujet.

Les mêmes règles s'appliquent lors de l'échange de données entre des machines distantes :

• quelle est l'application concernée?

• quels sont l'émetteur et le destinataire?

• quel est le langage de communication utilisé?

• quel est le contenu du message?

• quel est le support de communication utilisé?

La présentation ci-dessous illustre par des analogies la nécessité d'établir une structure de communication permettant de respecter ces règles simples.

Les principes ainsi définis constituent un ensemble :

• de couches (connaissance, règles, support) correspondant à des modèles de structure de communication

• de protocoles (sujet, langue, parole) donnant des règles pour qu'émetteur et récepteur puissent se comprendre en parlant un même langage.

4. Modèles de couches

La communication sur réseau fonctionne sur le principe suivant: afin de rendre les logiciels indépendants du matériel, l’ensemble du processus de communication est découpé en couches, chacune :

• assurant une fonction précise

• utilisant un protocole de communication parfaitement codifié.

Entre deux appareils reliés, les couches doivent être les mêmes et pouvoir communiquer avec le même protocole (les premiers réseaux étaient développés autour de protocoles propriétaires comme IBM, DEC…et ne pouvaient pas être connectés).

L’ISO (International Standards Organisation) a développé le modèle OSI (Open Systems Interconnection), modèle théorique qui doit permettre l’interconnexion avec des systèmes hétérogènes. Il se décompose en 7 couches, chacune en charge d’un aspect de la communication.

On retiendra la nécessité de mettre en forme le message à traiter (traitement de l'information), de gérer l'interface (au niveau des organes de connexion) et de garantir le transport du message (chemin au sein des canaux de transmission).

TCP-IP est un modèle fonctionnel à même de communiquer sur internet et qui s’appuie en partie sur le modèle OSI. Ce modèle fonctionnel est développé dans la partie application au réseau Ethernet.

5. La circulation des données

Les données binaires peuvent voyager en série ou en parallèle.
Avec le mode série, les bits d'un octet sont envoyés, à la suite l'un de l'autre, sur une même ligne. En un instant un seul bit est envoyé.
Avec le mode parallèle, tous les bits d'un octet sont envoyés en même temps (en un instant) sur huit lignes d'un dispositif tel une partie d'un bus ou un câble unique (comme un câble d'imprimante dans le cas d'une imprimante communiquant par port parallèle).
Dans l'unité de système de l'ordinateur les données transitent en parallèle via les lignes du bus réservées au transport des données.
Étant donné le phénomène d'interférence entre les tensions circulant dans les lignes parallèles rapprochées (phénomène appelé diaphonie) il est nécessaire de restreindre la distance des liaisons parallèles à un maximum de 10 mètres. C'est la distance maximale d'un câble d'imprimante avec port parallèle.
Les données circulent en série lorsqu'elles sont sur le réseau.
Le parallélisme interne aux systèmes à micro-processeur pose des problème de transmission sur de longues distances et à de forts débits : multiplicité des fils et parasites induits entre fils d'une même nappe. C'est pour permettre de transmettre des informations sur de longues distances (plusieurs dizaines de mètres au moins), que la liaison série a été introduite.
Les informations circulant dans le système informatique sous forme parallèle, il est nécessaire d'utiliser un convertisseur parallèle/série. Le registre à décalage, permet au rythme d'une horloge de réaliser cette conversion. A la réception, un autre registre à décalage réalise la transformation inverse, série/parallèle.
Le message complet à délivrer est découpé pour les communications plus longue distance.
L'une des caractéristiques essentielles des réseaux informatiques est la transmission des informations numériques par parties, sous forme de paquets, au travers d'un ensemble de lignes de communication découpées en plusieurs tronçons, à l'intersection desquels se trouvent les noeuds de communication.
En effet, pour transmettre le message avec le meilleur débit possible, et sans monopoliser le réseau, il est indispensable de le diviser en paquets (Niveau 3 du modèle OSI). Chaque paquet doit bien sûr contenir, outre une fraction du message complet, sous une forme quelconque, l'adresse du destinataire, le chemin à suivre pour y arriver (rôle du routage ou de la commutation) et un contrôle du flux (et d'erreurs) des paquets afin d'éviter au maximum les embouteillages (voir le format des paquets IP).
Le problème de la transmission du message par paquets dans le réseau est qu'il faut garantir qu'à l'arrivée, soit les paquets arrivent exactement dans l'ordre dans lequel ils ont été émis, soit le récepteur les reçoit dans le désordre, mais est capable de reconstituer le message ordonné à partir des informations contenues dans les paquets.
Les trois principales fonctionnalités des paquets sont : le contrôle du flux, l'adressage, et le routage. Le contrôle du flux a pour objectif d'optimiser le temps du transport sans perte du paquet vers sa destination, l'adressage et le routage donnant au paquet à la fois l'adresse, physique ou logique de sa destination, mais aussi les chemins à suivre pour l'atteindre.
Chaque paquet est inclus dans une trame (Niveau 2 du modèle OSI), dont la fonction essentielle est d'indiquer le début et la fin du paquet ainsi que de contenir des codes de contrôle permetant de vérifier la conformité du transport sans erreurs.

6. Les protocoles

Un protocole est une méthode standard qui permet la communication entre deux machines, c’est-à-dire un ensemble de règles et de procédures à respecter pour émettre et recevoir des données sur un réseau. Il en existe plusieurs selon ce qu’on attend de la communication.

On classe généralement les protocoles en deux catégories, selon le niveau de contrôle des données que l’on désire :

• Les protocoles orientés connexion : opérant un contrôle de transmission des données pendant une communication établie entre deux machines. La machine réceptrice envoie des accusés de réception lors de la communication.

• Les protocoles non orientés connexion : mode de communication dans lequel la machine émettrice envoie des données sans prévenir la machine réceptrice et la machine réceptrice reçoit les données sans envoyer d’accusé de réception à la première.

7. Topologie et types des réseaux

Il y a lieu de distinguer les réseaux poste à poste dans le cas d'une architecture matérielle disposant de peu de machines, et les réseaux organisés autour de serveurs et devant présenter un certain niveau de sécurité.

7.1. Classification des réseaux par leur taille

7.2. Classification des réseaux par leur structure

Il existe un lien entre la taille du réseau et la structure de communication utilisée. Les exigences ne sont en effet pas les mêmes suivant le nombre d'ordinateurs connectés au réseau. L'animation qui suit vous présente les différentes architectures utilisées dans les réseaux informatiques.