Architecture de protocoles

Qu'est-ce qu'une architecture de protocoles ?

Les applications réseau mettent en œuvre un ensemble de fonctions complexes, structurées selon une architecture de réseau organisée en couches.

Chaque couche traite une problématique réseau spécifique et réalise un sous-ensemble cohérent de fonctions.

L'Internet est basé sur une architecture à plusieurs couches.

• La base inférieure de l'architecture est constituée par les couches des supports de communication.
• La partie supérieure elle, est constituée par des couches offrants des services aux applications qui concernent directement les utilisateurs.

L'architecture de protocoles utilisée dans l'Internet est basée sur la pile TCP/IP, ainsi nommée car elle repose principalement sur deux protocoles complémentaires : IP (Internet Protocol) et TCP (Transmission Control Protocol).

Au final une architecture simplifiée comprend 4 couches :

• La couche d'accès au réseau utilise des protocoles comme Ethernet ou Wi-Fi. Elle est chargé de la transmission des données sur le support physique, du partage du débit et du traitement des erreurs de transmission.
• La couche interconnexion de réseaux réalise les fonctions d'adressage, de routage et de relayage des paquets d'un réseau à l'autre. Les protocoles IPv4 et IPv6 se trouvent à ce niveau.
• La couche Transport améliore le transport des données en le rendant soit plus fiable, soit plus efficace. Elle peut assurer d'autres services comme la remise des données en séquence, l'identification des applications ou le contrôle de congestion.
  • TCP est le protocole de transport qui fiabilise le transfert de ces paquets et réalise détection, reprise sur erreurs et remise en séquence.
  • UDP est un autre protocole de transport qui se veut efficace, il est utilisé pour des échanges simplifiés, ou des flux temps réels.
• La couche Application délivre des services de communication spécifiques aux besoins des utilisateurs, comme par exemple HTTP pour un trafic web.

Au final, on retiendra que :

• IP est présent dans chaque entité du réseau (routeur ou hôte),
• alors que TCP/UDP ne sont exécutés que dans les hôtes aux extrémités.

Le protocole IP

Chaque paquet IP contient les adresses IP source et destination, ce qui permet de suivre l'origine et la cible des échanges au niveau de chaque équipement tout au long du chemin sur le réseau.

Dans le protocole IP, d'autres champs sont utilisés pour identifier la version, les besoins de qualité de service, la taille de la charge utile, et aussi l'identification de la couche de protocole utile au niveau supérieur.

Le protocole IP est présent dans chaque entité du réseau, équipement source, dans un ou plusieurs noeuds intermédiaires, et enfin dans l'équipement destination.

De fait IP assure un service de bout en bout, qui permet aux échanges de traverser toutes type d'architectures de réseau intermédiaires (résidentiel, opérateur, entreprise, infocentre...).

Datagramme || Paquet

Le protocole IP fonctionne en mode non connecté, autrement dit chaque échange de paquet ne nécessite pas l'établissement d'une connexion au préalable.

Chaque paquet IP contient les informations nécessaires à son acheminement, effectivement la présence systématique des adresses source et destination permet une prise en charge des datagrammes de manière individuelle.

Les paquets peuvent donc être relayés de manière autonome, sans garantie de livraison. Ce mécanisme facilite la répartition de charge, et s'avère très efficace pour l'écoulement du trafic dans les artères de l'Internet.

Acheminement des paquets IP

L'acheminement des données de la source vers la destination est réalisé par les noeuds intermédiaires avec le fameux mécanisme "store & forward":

• l'équipement source insère son adresse IP source, puis l'adresse destination dans le datagramme, adapte les autres champs protocolaires aux besoins de QoS, et délivre le paquet sur son interface de sortie,

• chaque paquet reçu par un noeud intermédiaire (store) est retransmis (& forward) aussi vite que possible vers la destination,

• Après avoir reçu le datagramme, le noeud intermédiaire observe l'adresse destination, oriente la retransmission vers la destination renseignée dans sa table de routage, puis relais le paquet au rythme imposé par le débit de l'interface de sortie sélectionnée,

• l'équipement destination reconnait son adresse IP dans le datagramme récupéré, et réalise ensuite le traitement adéquat.

La répartition de charge

L'afflux des échanges amène les équipements à répartir le trafic afin d'équilibrer la charge sur plusieurs artères de communication quand elles sont disponibles.

L'équilibrage est dépendant du débit des différents liaisons mise à contribution entre deux points du maillage réseau.

La capacité d'écoulement du trafic est souvent appelée bande passante du réseau de transport, c'est un abus de langage courant:

• une bande passante caractérise la largeur spectrale qu'un support de transmission peut proposer, elle s'exprime en Hz;
• la bande passante numérique, s'apparente elle à un débit utile, exprimé en bps (bit par seconde); on constate souvent des fluctuations des capacités mises à disposition par l'infrastructure réseau, car comme sur les autoroutes ou les rocades routières, il n'est pas si facile de réguler parfaitement le trafic.

Taille des datagrammes

La taille des paquet est variable:

• L'entête de protocole doit respecter une taille minimale
  • 20 octets pour IPv4
  • 40 octets pour IPv6
• la taille du champ données utiles est fonction de la taille maximale admissible pour la couche liaison située au niveau inférieur
  • le réglage de la MTU (Maximum Transmission Unit) permet de caler le découpage des paquets pleins au maximum admissible
• certains paquets sont plus courts, cela est fonction des besoins applicatifs

Un exemple simple correspond aux flux généré par un transfert de fichier, les paquets issus de la source du fichier seront bien remplis, pour optimiser le transfert, tandis que les paquets d'accusés de réception provenant de la destination seront très courts.

Le protocole IP s'adapte aux différentes tailles et besoins de transmission.

Pour conclure

Le protocole IP est présent

• dans tous les hôtes source/destination = les extrémités
• dans tous les noeuds intermédiaires

Le protocole IP

• est très simple
• est très efficace

Les datagrammes IP

• permettent un partage des ressources
• supportent l'encapsulation sur différents supports de transmission
• sont les vecteurs d'un service transparent de bout en bout