Chapitre 5
ARCHITECTURE DE RESEAUX ET COMMUTATION
5. 1. HISTORIQUE DES RESEAUX
En partant d'un historique des systèmes de transmission de données, nous allons classifier les diverses catégories de réseaux qui sont utilisés de nos jours.
5. 1. 1. les systèmes de télétraitement
Vers les années 1960 sont apparus les réseaux de télétraitement. Des terminaux distants sont reliés à un centre de traitement (fig. 5. l.).
Figure 5. 1. : Un système de télétraitement en étoile.
Dans ce cas, la gestion des procédures de transmission (c'est-à-dire le fait de s'assurer que les bits transmis par un terminal sont correctement reçus par le centre de traitement, et vice versa), la gestion de l'hétérogénéité des terminaux, la gestion des files d'attente sont traitées par l'unité de traitement. De ce fait, l'ordinateur central peut arriver à ne plus traiter que des interruptions dues à ses terminaux. Pour alléger la tâche de l'unité de traitement, des frontaux ou préprocesseurs ou ordinateurs frontaux et des concentrateurs sont apparus un peu plus tard comme sur le réseau représenté figure 5.2. Les frontaux permettent d'améliorer les performances de l'unité de traitement et ils peuvent être spécialisés dans la gestion d'un réseau de transmission de données. Le frontal peut être un mini-ordinateur ou un ordinateur spécialisé dans la gestion des procédures de lignes. De plus, pour améliorer les performances du support de transmission, les signaux émis par plusieurs terminaux peuvent être concentrés ou multiplexés sur une même ligne. La différence qui existe entre ces deux équipements est le suivant : le multiplexeur a une capacité suffisante pour faire acheminer en parallèle les informations transmises par les terminaux, le concentrateur, lui n'a pas une puissance suffisante et il possède des tampons qui peuvent stocker provisoirement des données. Le fonctionnement du concentrateur est basé sur le fait que les terminaux ne travaillent pas tous en même temps pendant un temps trop long. Les multiplexeurs peuvent travailler en fréquentiel, en temporel synchrone ou en temporel asynchrone.
Nous avons représenté sur la figure 4.2, une liaison en boucle et une liaison multipoint raccordées au centre de traitement par un concentrateur. Ce type de liaison est en opposition avec les liaisons bipoints qui relient directement un terminal et le frontal (ou le frontal via un concentrateur). Les liaisons en boucle et les liaisons multipoints ont des systèmes de gestion qui sont du type :
- polling (un terminal maître invite successivement les autres terminaux à émettre);
- multiplexage en fréquence ou encore accès aléatoire.
Fig. 5. 2. : Réseau de télétraitement avec processeur frontal et concentrateur.
5. 1. 2. Les réseaux d'ordinateurs
Au début des années 70, les constructeurs ont pensé à doubler, tripler... les unités de traitement. Ces ordinateurs sont reliés entre eux par des voies directes comme le schématise la figure 5.3.
Figure 5. 3. : Un réseau d'ordinateurs.
Un tel réseau a l'avantage de pouvoir distribuer la charge du système et de donner une sécurité de fonctionnement à l'ensemble. Il faut remarquer que chaque terminal est relié à un seul frontal. Les liaisons entre ordinateurs sont permanentes. L'étape suivante donnera la possibilité à un terminal de se relier à une unité de traitement quelconque, grâce à un adressage explicite ou implicite.
Les réseaux de communication
Un réseau de communication permet à tout matériel informatique qui lui est connecté de communiquer directement avec tout autre hôte. Un exemple est représenté sur la figure 5.4.
Figure 5.4. : Un réseau de communication.
Trois grandes catégories de réseaux de communication peuvent être mises à jour : les réseaux à commutation de circuits, les réseaux à commutation de messages, les réseaux à commutation de paquets. Historiquement les réseaux à commutation de circuits ont été les premiers à apparaître : le réseau téléphonique en est un exemple. Le réseau de communication comporte des noeuds appelés commutateurs ou noeuds de commutation capables de faire progresser la communication vers le destinataire.
5. 2. LES MODES DE COMMUTATION
5. 2. 1. Les réseaux à commutation de circuits
Dans ce cas, un circuit matérialisé est construit entre l'ETTD émetteur et l'ETTD récepteur. Ce circuit n'appartient qu'aux deux entités qui communiquent (fig. 5.5). Le circuit doit être établi avant que des informations puissent transiter. Il dure jusqu'au moment où l'un des deux abonnés interrompt la communication. Si les deux correspondants n'ont plus de données à se transmettre pendant un certain temps, la liaison reste inutilisée. D'où l'idée de concentrer sur une même liaison, plusieurs communications pour que le taux d'utilisation des liaisons augmente. Si de nombreuses communications utilisent une même liaison, une file d'attente va se former. Il va falloir prévoir des zones de mémoires pour retenir les messages en attendant que la liaison soit disponible. Une autre possibilité est de faire transiter ces messages par une route différente de celle qui était prévue. Pour augmenter l'utilisation des lignes, nous allons augmenter la complexité du système. Le système de gestion sera beaucoup plus lourd, mais le débit meilleur.
Figure 5. 5. : Réseau à commutation de circuits.
5. 2. 2. Les réseaux à commutation de message
Un message est une suite d'informations formant logiquement un tout pour l'expéditeur et le destinataire : par exemple, un fichier complet, une ligne tapée sur un terminal, un secteur de disque... Un réseau à commutation de messages se présente sous la forme décrite dans la figure 5.4. C'est un réseau maillé de noeuds de commutation. Le message est envoyé de noeud de commutation à noeud de commutation jusqu'au destinataire, il ne peut pas être envoyé au noeud suivant tant qu'il n'est pas complètement et correctement reçu par le noeud précédent. Le temps de réponse dans le cas le plus favorable est représenté sur la figure 5.6. Il faut des tampons aux noeuds intermédiaires pour mémoriser les messages tant que ceux-ci ne sont pas correctement stockés dans le noeud suivant. Il faut également un système de gestion des transmissions qui acquitte les messages correctement reçus et demande la retransmission des messages erronés. De plus, comme la capacité des mémoires intermédiaires est limitée, il va falloir introduire un contrôle sur le flux des messages pour être sûr qu'il ne va pas y avoir de débordement. Des politiques de routage des messages peuvent être introduites pour aider et sécuriser les transmissions : si une liaison tombe en panne, il faut prévoir un autre chemin. Si les messages sont trop longs, du type fichier par exemple, ils peuvent être stockés sur disque aux noeuds intermédiaires, dans ce cas le temps de réponse de la transmission augmente énormément. De plus, une des difficultés à laquelle on se heurte est la transmission correcte de très longs messages : pour un taux d'erreur de 10-5 par bit (c'est-à-dire un bit sur 105 est erroné, en moyenne) un message de longueur 100000 octets n'a qu'une possibilité de 0,0003 d'arriver correctement. Pour accélérer la vitesse de transmission et rendre beaucoup plus simples les reprises sur erreur, l'année 72 a vu apparaître le concept de réseau à commutation de paquets; le paquet étant une suite d'informations binaires ne pouvant pas dépasser une valeur fixée à l'avance. Les messages des utilisateurs sont découpés en paquets pour pouvoir être transmis plus facilement.
Figure 5. 6. : Transmission de messages en supposant les délais de propagation et les temps d'attente aux noeuds négligeables.
5. 2. 3. Les réseaux à commutation de paquets
Comme nous venons de le voir, les messages utilisateurs sont découpés en paquets qui ont couramment une longueur maximum de l'ordre de 1000 ou 2000 bits. Nous avons représenté sur la figure 5. 7. le diagramme dans le temps, du comportement d'un réseau à commutation de paquets. Les principes sont les mêmes que dans les réseaux à commutation de messages, seulement les blocs d'informations élémentaires sont beaucoup plus courts. Les paquets sont envoyés indépendamment les, uns des autres et les liaisons entre noeuds de commutation les prennent en compte pour les émettre au fur et à mesure de leur arrivée dans le noeud. Les paquets de plusieurs messages peuvent donc être multiplexés temporellement sur une même liaison (fig. 5.8). Le rôle des noeuds de commutation est d'aiguiller les paquets vers la « bonne » porte de sortie qui peut être donnée par exemple par une table de routage. On voit dans l'exemple précédent, que les liaisons entre commutateurs ne sont pas affectées explicitement à une paire origine-destinataire comme dans la commutation de circuit. Une liaison est utilisée en même temps, par l'ensemble des paquets que le routage oblige à passer par là.
Figure 5. 7. : La commutation de paquets comparée à la commutation de messages.
Par rapport à la commutation de messages, la gestion de blocs d'informations de petite taille est plus simple surtout au niveau des reprises sur erreur. Par contre, un problème surgit, celui du réassemblage des paquets pour reformer le message original. En particulier si des paquets prennent des routes distinctes et que l'un se perde, il faudra le plus souvent effectuer une reprise sur l'ensemble du message.
Figure 5. 8. : Multiplexage temporel des paquets sur une liaison.
5. 3. L'ARCHITECTURE DES RÉSEAUX TÉLÉIMFORMATIQUES
5. 3. 1. L'architecture en couche OSI (X200)
Un réseau est un ensemble particulièrement complexe qui nécessite une structuration permettant de décomposer le système jusqu'à des éléments directement réalisables.
Figure 5. 9. : Une architecture en couche.
Nous présenterons la décomposition en couches proposée par l'ISO (International Standardization Organization), la plupart des constructeurs d'ordinateurs offrant des architectures en couches comparables. Nous allons dans ce paragraphe décrire l'architecture générale ISO avant de la reprendre couche par couche plus en détail. Nous avons décrit sur la figure 5.9 une architecture en couches. L'avantage de la description par couche est le nombre limité d'interfaces qu'un élément primaire doit connaître. Dans la figure 5.9, la couche n du système k ira à connaître que les interfaces avec les couches n + 1 et n - 1 du système k, et la couche n des systèmes k - 1 et k + 1. L'ensemble des règles que doit suivre un processus pour communiquer au travers d'une interface sera nommé dans la suite protocole. Pour une communication globale au travers d'un système entier comprenant N couches et K systèmes il suffit de se définir N + K - 1 protocoles : N protocoles horizontaux de couche et K - 1 protocoles intercouches. Les protocoles intercouches ne sont généralement pas spécifiés : ils doivent assurer la compatibilité des protocoles de couche.
5. 3. 2. L'architecture normalisée
La décomposition proposée par l'ISO comprend 7 couches dont nous résumons ci-dessous les caractéristiques. On appelle cette architecture OSI (Open System Interconnection).
1. La couche physique qui assure le transport de l'information. Un grand nombre de techniques de transmission contrôlées par des procédures normalisées ou non sont possibles (par exemple V24, X21 que nous décrirons en détail plus loin). L'unité d'information utilisée dans cette couche est le bit.
2. La couche liaison est responsable de l'acheminement sans erreurs de blocs d'information sur des liaisons de données. En effet, les supports de transmission introduisent des erreurs dans les informations transportées et le but de cette couche 2 est d'assurer un taux d'erreurs tout à fait négligeable. Les blocs d'information sont souvent nommés trames.
3. La couche réseau est responsable de l'acheminement des paquets de données qui transiteront à l'intérieur du système. Ces paquets peuvent traverser plusieurs noeuds intermédiaires. Un routage est nécessaire. De même un contrôle de flux pourra être compris dans cette couche pour éviter des pertes de paquets de données par engorgement de certains chemins.
4. La couche transport est responsable du contrôle du transport des informations de bout en bout, au travers du réseau. Cette couche doit assurer que les messages des utilisateurs connectés à un réseau informatique sont correctement parvenus à leurs destinataires. Par exemple, une des fonctions de cette couche est de réassembler les messages qui ont été découpés en morceaux des paquets) par commodité pour le transport.
5. La couche session est responsable de la mise en place et du contrôle du dialogue entre tâches distantes. Cette couche a pour tâche d'activer et de synchroniser certains événements. Par exemple dans le cas de données dupliquées en plusieurs points d'un réseau, il est important que deux utilisateurs qui veulent faire des mises à jour sur le même enregistrement le fassent dans le même ordre sur l'ensemble des bases de données.
6. La couche présentation est responsable de la présentation des données échangées par les applications; ceci pour avoir une compatibilité entre tous matériels raccordés au réseau.
7. La couche application est responsable de l'application traitée (messagerie, transfert de fichier…).
Cette architecture en sept couches permet une bonne compréhension des différents éléments qui vont intervenir dans la construction d'un système télématique réparti. Toutes les couches ne sont pas nécessairement utilisées. Par exemple une simple connexion entre deux ordinateurs ne nécessite pas tous les niveaux. Par contre, un réseau téléinformatique du type réseau d'ordinateurs hétérogènes, distribués géographiquement, nécessite la définition de chaque couche. Il faut tout de suite remarquer la superposition des unités de données. En effet au passage de chaque couche, de la couche 7 vers la couche 1, il faut rajouter des informations et parfois découper ou regrouper les unités de données supérieures. Quand on repasse de la couche 1 vers la couche 7 on effectuera la démarche inverse (fig. 5. 10).
Figure 5. 10. : L'architecture OSI.
Les zones de contrôle ne sont pas obligatoires. Elles sont là pour détecter des erreurs éventuelles. Si on leur réserve une place beaucoup plus grande elles peuvent même permettre de corriger les erreurs. On utilise dans ce cas des codes autocorrecteurs.
Figure 5. 11. : Les unités de données.
5. 4. CARACTERISTIQUES DES COUCHES OSI
On peut regrouper l'ensemble des couches OSI en deux parties : les couches basses qui sont responsables du transport des informations et les couches hautes qui gèrent les informations pour les systèmes informatiques connectés. On retrouve les couches 1, 2 et 3 pour les couches basses et 4, 5, 6 et 7 pour les couches hautes, bien que les protocoles de transport puissent être considérés comme la limite entre les deux.
Les relations entre les couches sont toujours du même type : la couche N + 1 s'appuie sur la couche N. Les interfaces sont formellement définies entre couches pour permettre une bonne structuration du logiciel au sein d'un même système. Pour l'exécution de ses fonctions, la couche N + 1 utilise les services de la couche N entre deux points d'accès aux services : N encore appelés (N)-SAP. La figure suivante montre l'interface comme définie dans la norme X200.
Les noms des unités de données sont définis comme suit :
- (N)-SDU ((N) Service Data Unit) pour les Unités de Données du Service (N) qui sont remises par l'utilisateur des services (N) afin qu'elles soient transférées à l'utilisateur des services (N) de l'autre extrémité.
- (N)-PDU ((N) Protocol Data Unit) pour les Unités de Données du Protocole (N) qui sont acheminées par le protocole de la couche (N).
Enfin, nous donnons dans la figure 5. 12. l'état actuel de la normalisation ISO et CCITT.
Figure 5. 12. : La normalisation ISO et CCITT
