Fondements des réseaux informatiques : notes détaillées

Définition et objectifs d’un réseau informatique

• Définition générale
  • Ensemble d’ordinateurs, de périphériques ou d’équipements informatiques autonomes, interconnectés et situés dans un même domaine géographique.
  • Chaque élément peut envoyer/recevoir des données.
• Objectifs fondamentaux
  • Échange d’informations à distance.
  • Évolution : d’un simple transport de données numériques (texte) → intégration voix, image, vidéo (convergence multimédia).
• Enjeux pratiques
  • Productivité (partage de ressources).
  • Communication temps réel.
  • Centralisation ou mutualisation de services (impression, stockage, visioconférence…).

Composantes de base d’un réseau

• Hôtes (Hosts)
  • Machines capables d’envoyer/recevoir des données.
  • Ex. : serveurs, PC, smartphones, IoT…
• Périphériques partagés
  • Périphériques accessibles via les hôtes.
  • Ex. : imprimantes réseau, webcams, micros, scanners…
• Périphériques réseau
  • Assurent l’interconnexion des hôtes et/ou de plusieurs réseaux.
  • Ex. : hub, switch, routeur, passerelle…
• Support réseau (média)
  • Lien physique ou sans-fil portant le signal.
  • Câble cuivre, fibre optique, ondes radio, infrarouge, Bluetooth…

Classification des réseaux (distance & débit)

• PAN – Personal Area Network
  • Portée : quelques cm → mètres.
  • Technologies : Bluetooth, infrarouge, NFC.
  • Exemple emblématique : oreillette Bluetooth ↔ smartphone.
• LAN – Local Area Network
  • Portée : même bâtiment / campus (< $10\,km$).
  • Protocoles dominants : Ethernet filaire, Wi-Fi.
  • Débits typiques : $10 \rightarrow 100\,Mbit!/s$ (peuvent aujourd’hui atteindre $10\,Gbit!/s$ et +).
  • Usage : réseaux intra-entreprise, partage de ressources.
• MAN – Metropolitan Area Network
  • Agrégation de plusieurs LAN dans une même ville (10–25 km).
  • Support fréquent : câble coaxial, fibre métropolitaine.
  • Débits : $1 \rightarrow 100\,Mbit!/s$.
• WAN – Wide Area Network
  • Couverture nationale/internationale; souvent réseau d’opérateurs (Orange, Maroc Telecom…).
  • Débits historiquement faibles $50\,bit!/s \rightarrow 2\,Mbit!/s$, aujourd’hui plusieurs Gbit/s avec MPLS, liaisons fibre sous-marines…

Bande passante vs. Débit

• Bande passante (capacité maximale)
  • Volume maximal d’informations transférables entre deux points par unité de temps.
  • Exprimée en $bit!/s$ ou $Mbit!/s$.
  • Paramètre acheté auprès d’un FAI ; influence directe sur coûts & performance.
• Débit (débit binaire effectif)
  • Quantité réelle de données transmises à un instant donné.
  • Peut aussi s’exprimer en octets / s ($1\,octet = 8\,bits$).
  • $\text{Ex. } 1\,\text{octet!/s} = 8\,bit!/s$.
• Facteurs influençant le débit
  • Performances des hôtes (CPU, NIC).
  • Nombre d’utilisateurs simultanés.
  • Nature/poids des données (texte vs. vidéo 4K).
  • Topologie et technologies réseau (bus, étoile, Wi-Fi, fibre…).

Formules fondamentales

• Temps de transfert théorique (idéal)
  $T_{théorique} = \dfrac{\text{Taille du fichier (bits)}}{\text{Bande passante (bit!/s)}}$
• Temps de transfert réel
  $T_{réel} = \dfrac{\text{Taille du fichier (bits)}}{\text{Débit mesuré (bit!/s)}}$

Exemples chiffrés

1. Fichier de 2 Go, bande passante 2 Mbit/s
   • Taille en bits : $2 \times 1024^3 \times 8 = 17\,179\,869\,184\,bits$.
   • Temps : $\dfrac{17\,179\,869\,184}{2\,000\,000} \approx 8\,589.93\,s \approx 2\,h\,23\,min\,9\,s$.
2. Même fichier, bande passante 0,7 Mbit/s
   • Bande passante : $700\,000\,bit!/s$.
   • Temps : $\approx 24\,542.6\,s \approx 6\,h\,49\,min\,2\,s$.

Normalisation et modèle OSI

• Problèmes pré-norme
  • Systèmes propriétaires en couches : SNA (IBM 1974), DSA (Bull 1971), DECnet (DEC 1975).
  • Incompatibilités freinant l’interconnexion.
• Solution : Normalisation
  • Adoption du modèle OSI (Open Systems Interconnection) par l’ISO (1978).
  • Objectif : standardiser services, protocoles, interface entre couches.
• Organismes de normalisation (réseaux)
  1. ISO (International Organization for Standardization)
  2. ITU-T (ex CCITT)
  3. IEEE
  4. IETF / IRTF
  5. ANSI, ECMA, AFNOR, etc.

Les 7 couches du modèle OSI

Vision « traitement » vs « communication »

• Couches 5–7 : « Mise en forme / orientées traitement ».
• Couches 1–4 : « Transport / orientées communication ».

Fonctionnement interne : PDU, SDU, PCI & Encapsulation

• PDU (Protocol Data Unit) : unité échangée horizontalement entre entités homologues d’une même couche.
• N-SDU (Service Data Unit) : données reçues du niveau supérieur $(N+1)$.
• N-PCI (Protocol Control Information) : entête/contrôle ajouté par la couche $N$.
• N-PDU : $\text{N-PDU} = \text{N-PCI} + \text{N-SDU}$.
• Encapsulation : chaque couche ajoute son PCI avant de passer les données à la couche inférieure.
• Désencapsulation : chemin inverse côté récepteur.

Services, protocoles et SAP

• Service (N) : actions offertes verticalement par la couche $N$ à $N+1$.
• Protocole (N) : règles permettant la communication horizontale entre deux mêmes couches $N$.
• SAP (Service Access Point) : point d’accès où $N+1$ invoque les services de $N$.

Exemples de protocoles par couche

• Application : DNS, BOOTP, DHCP, SMTP, POP, FTP, TFTP, HTTP, Telnet, SSH, SNMP…
• Transport : TCP, UDP.
• Réseau : IP, ICMP, IGMP, NAT, RIP, OSPF, EIGRP, BGP…
• Liaison : Ethernet, Token-Ring, PPP, HDLC, ATM, ARP, RARP…

Implications pratiques & perspectives

• Choix de la bande passante influence directement le coût opérationnel.
• Optimiser la topologie et les protocoles (QoS, compression) permet de réduire la latence et améliorer l’expérience utilisateur.
• Compréhension du modèle OSI facilite :
  • Dépannage (couche par couche).
  • Conception de réseaux évolutifs et interopérables.
• Tendance actuelle : virtualisation, SDN, IPv6 → nécessite toujours l’approche en couches pour rester compatible & modulable.