Technologies de communication et Internet

Un protocole est un ensemble de règles qui régissent la manière dont les appareils communiquent. Les deux extrémités doivent suivre les mêmes règles, sans quoi les signaux de l'une sont incompréhensibles pour l'autre. Les protocoles définissent le format des données (l'emplacement des adresses et des données utiles), l'ordre des messages (qui parle en premier, quand envoyer un accusé de réception), la signification de chaque message, la synchronisation (délais d'attente, retransmissions) et la conduite à tenir en cas d'erreur. Sans protocole convenu, la communication échoue, comme entre deux personnes parlant des langues différentes sans interprète.

"Expliquer pourquoi les protocoles sont essentiels pour la communication entre ordinateurs" (trois points). (1) Un protocole est un ensemble de règles convenu par l'expéditeur et le récepteur ; (2) sans cela, les deux ordinateurs interpréteraient les données différemment (format, ordre, sens de chaque partie), donc le message ne pourrait pas être compris ; (3) il permet à des ordinateurs de types et fabricants différents de communiquer, car tout le monde implémente la même norme. Mentionner ce que couvrent les règles : le format des données, l'ordre des messages, la détection et la récupération d'erreurs, ainsi que la vitesse ou la temporisation.

Les réseaux sont complexes ; ils sont donc divisés en couches, chacune ayant une tâche précise et communiquant uniquement avec les couches située au-dessus et au-dessous. Avantages : la modularité (remplacer une couche, par exemple Ethernet par Wi-Fi, sans toucher aux autres), la normalisation (les produits de différents fournisseurs fonctionnent ensemble) et l'abstraction (on ignore les détails pris en charge ailleurs). Internet utilise la suite de protocoles TCP/IP (4 couches).

La finalité de chaque couche, selon les termes du corrigé. Couche application : fournit les protocoles que les applications utilisateurs utilisent (HTTP pour le web, SMTP pour l'email) et l'interface entre l'application et le réseau ; elle produit les données à envoyer et les transmet à la couche transport. Couche transport : établit la connexion bout en bout, découpe les données en paquets (segments) et ajoute des numéros de port et des numéros de séquence ; à réception, elle réassemble les paquets dans l'ordre et demande ceux qui manquent (TCP), ou envoie sans ces garanties (UDP). Couche Internet : ajoute les adresses IP source et destination pour former des paquets IP (datagrammes) et les route à travers les réseaux via des routeurs ; elle ne garantit pas la livraison. Couche liaison : ajoute les adresses MAC et les bits de vérification d'erreur pour former une trame et transmet les bits sur le réseau local physique (Ethernet ou Wi-Fi) via la carte d'interface réseau. « Compléter la pile » signifie ces quatre couches, dans cet ordre, de haut en bas : Application, Transport, Internet, Liaison.

« Décrivez comment la suite TCP/IP est utilisée lorsqu'un message est envoyé d'un hôte à un autre » (cinq points). Chez l'émetteur, le message descend la pile : (1) la couche application produit les données à l'aide d'un protocole tel que HTTP ou SMTP ; (2) la couche transport les divise en paquets et ajoute un en-tête contenant les numéros de port et un numéro de séquence ; (3) la couche internet ajoute un en-tête contenant les adresses IP source et destination et choisit la route ; (4) la couche liaison ajoute les adresses MAC de l'appareil suivant et envoie la trame sur la liaison physique. Les routeurs rencontrés lisent l'en-tête de la couche internet et transmettent chaque paquet. Chez le destinataire, la trame remonte la pile : chaque couche retire son propre en-tête et utilise les informations qu'il contient, la couche transport réassemble les paquets dans l'ordre de leurs numéros de séquence et demande ceux qui manquent, puis la couche application présente le message. L'utilisation du même protocole à chaque couche aux deux extrémités permet à l'échange de fonctionner.

Couche application

La couche application fournit des services aux programmes des utilisateurs et définit les protocoles qu'ils utilisent (HTTP pour le web, SMTP pour le courrier électronique). C'est la couche sur laquelle un programmeur travaille le plus souvent.

Couche transport

La couche transport achemine les données de bout en bout entre les processus, identifiés par des numéros de port. Deux protocoles :

• TCP — orienté connexion : établit une connexion, garantit que toutes les données arrivent dans l'ordre, retransmet les paquets perdus et contrôle le flux. Fiable, mais avec une surcharge. Utilisé par HTTP, HTTPS, SMTP et FTP.
• UDP — sans connexion : envoie les données sans suivi, sans accusé de réception ni mise en ordre. Faible surcharge, aucune garantie. Utilisé pour la diffusion en continu, le DNS et les jeux, lorsque la vitesse prime sur la fiabilité.

Couche Internet

La couche internet transporte les paquets entre les hôtes à l'aide d'IP. Chaque paquet possède une adresse IP source et une adresse IP destination, et les routeurs le transmettent. Elle ne garantit pas la livraison : c'est le rôle de TCP.

Un routeur domestique assure cette fonction pour votre maison : il lit l'adresse de destination de chaque paquet et l'envoie vers l'internet, et retour vers le bon appareil.

Avant que le routeur n'accède à internet, un modem relie le domicile au fournisseur d'accès par le câble ou la ligne téléphonique de celui-ci. Ses voyants indiquent que la liaison est établie et connectée.

Couche liaison

La couche liaison envoie les bits sur une liaison physique (Ethernet, Wi-Fi). Elle ajoute un en-tête de trame contenant les adresses MAC et gère l'accès au support (par exemple CSMA/CD sur Ethernet).

Sur un réseau local filaire, un commutateur relie plusieurs appareils. Chaque appareil se branche sur un port à l'aide d'un câble Ethernet (une prise RJ45), et le commutateur utilise les adresses MAC de chaque trame pour l'envoyer uniquement au bon port.

La liaison physique peut être un fil de cuivre, un signal radio (Wi-Fi) ou un câble à fibre optique. Dans un câble à fibre optique, les bits circulent sous forme d'impulsions lumineuses dans de très fins brins de verre, ce qui permet une transmission rapide sur de longues distances.

Une liaison radio peut atteindre des distances bien plus grandes. Une antenne parabolique envoie et reçoit des signaux radio vers et depuis un satellite, acheminant des données vers des lieux difficilement accessibles aux liaisons filaires.

• HTTP — les navigateurs récupèrent des pages web auprès des serveurs (sur TCP, port 80). HTTPS est HTTP sur TLS : chiffré, port 443.
• FTP — transfère des fichiers entre un client et un serveur.
• SMTP — envoie des courriels entre un client et un serveur, et entre des serveurs. La réception utilise POP3 ou IMAP.
• POP3 — télécharge l'email et le supprime généralement du serveur. IMAP — laisse l'email sur le serveur et le synchronise sur tous les appareils, afin que la même boîte de réception apparaisse partout.
• BitTorrent — protocole pair à pair ; un fichier est divisé en morceaux téléchargés en parallèle auprès de nombreux pairs, de sorte qu'aucun serveur unique ne supporte toute la charge.

La finalité de chaque protocole, selon les termes qui rapportent des points.

Interrogé sur les deux protocoles email, donnez SMTP pour l'envoi et POP3 ou IMAP pour la réception ; si on vous demande de décrire IMAP, précisez que les messages restent sur le serveur et sont synchronisés sur les appareils, ce qui diffère de POP3.

« Décrivez comment les fichiers sont partagés à l'aide du protocole BitTorrent » (quatre points). (1) Le fichier est divisé en morceaux (généralement de 256 KB chacun), et un petit fichier torrent les décrit par leurs empreintes et indique un traceur. (2) Un pair qui souhaite obtenir le fichier contacte le traceur, qui tient une liste des pairs de l'essaim partageant actuellement ce fichier. (3) Le pair télécharge différents morceaux auprès de nombreux pairs simultanément et, dès qu'il possède un morceau, il le téléverse vers les autres ; un pair qui possède le fichier complet est une source, tandis qu'un pair qui le télécharge encore est un téléchargeur. (4) Une fois tous les morceaux reçus, ils sont réassemblés et vérifiés à l'aide des empreintes. « Expliquez ce que signifie le partage de fichiers pair à pair » : aucun serveur central ne détient le fichier ; chaque ordinateur est à la fois client et serveur, téléchargeant des données auprès des autres et leur en envoyant. La charge et la bande passante sont ainsi réparties dans l'essaim et, plus il y a de pairs, plus le transfert est rapide.

Commutation de circuit

Un chemin dédié est établi entre les deux extrémités avant l'envoi de toute donnée (commutation de circuits), réservé pendant toute la communication, puis libéré. Il fournit une bande passante réservée et une livraison dans l'ordre, mais il est inefficace pendant les silences et lent à établir. Exemple classique : le réseau téléphonique traditionnel.

« Décrivez la commutation de circuit comme méthode de transmission de données » (trois points). (1) Un chemin dédié (circuit) est mis en place entre l'expéditeur et le récepteur avant l'envoi de toute donnée ; (2) le message entier est envoyé le long de ce chemin, dans l'ordre, sous forme de flux continu ; (3) le circuit est réservé pour la durée de la communication et libéré ensuite.

Avantages et inconvénients. Avantages : toute la bande passante du circuit est disponible et garantie ; les données arrivent dans l'ordre sans réassemblage ni délai une fois le circuit établi ; le trajet ne change pas, ce qui rend le timing prévisible (idéal pour la voix et la vidéo en temps réel). Inconvénients : un temps est consacré à l'établissement du circuit avant tout envoi ; le circuit est réservé même lorsque aucune donnée n'est transmise, donc la bande passante est gaspillée et d'autres utilisateurs ne peuvent pas la partager ; les deux extrémités doivent être libres simultanément ; une panne n'importe où sur le chemin coupe tout le appel, et il n'y a pas de route alternative automatique. Où il est approprié : un appel téléphonique ou un lien vidéo en direct, où un flux continu et ininterrompu prime sur l'efficacité.

Commutation par paquets

Les données sont divisées en paquets, chacun étant envoyé indépendamment (commutation de paquets). Chaque paquet contient l'adresse de destination ; les routeurs prennent une décision pour chaque paquet, qui peut donc emprunter une route différente et arriver dans le désordre ; le destinataire les réassemble. Cette méthode est efficace (une liaison est multiplexée entre de nombreuses communications), robuste (un autre chemin contourne une panne), mais présente une latence variable et des pertes possibles (TCP assure la fiabilité). Elle est utilisée par internet.

« Décrivez comment la commutation de paquets est utilisée pour transmettre des messages sur un réseau » (quatre points). (1) Le message est divisé en paquets d'une taille maximale fixe ; (2) chaque paquet reçoit un en-tête contenant les adresses source et destination, un numéro de séquence et un contrôle d'erreur ; (3) chaque paquet est envoyé indépendamment et peut emprunter une route différente, choisie par les routeurs qu'il rencontre ; (4) à destination, les paquets sont réassemblés dans l'ordre grâce aux numéros de séquence, et tout paquet manquant est redemandé. Si la question exclut la vérification et le renvoi, omettez cette dernière proposition.

« Décrivez la fonction d'un routeur dans la commutation de paquets » (trois points). Un routeur reçoit un paquet, lit l'adresse IP de destination dans son en-tête et consulte sa table de routage pour déterminer le meilleur prochain saut vers cette destination, en tenant compte du trafic (encombrement) et des liaisons défaillantes ; il transmet ensuite le paquet sur cette liaison. Les paquets d'un même message peuvent emprunter des routes différentes ; le routeur conserve les paquets dans une file d'attente lorsqu'une liaison est occupée.

« Décrivez deux moyens par lesquels la commutation de paquets garantit la réception du message complet. » (1) Chaque paquet porte un numéro de séquence, ce qui permet au destinataire de remettre les paquets dans l'ordre et de détecter qu'il en manque un ; (2) le destinataire envoie un accusé de réception pour les paquets reçus ; un paquet dont la réception n'est pas confirmée dans un délai donné est retransmis par l'émetteur. Une somme de contrôle dans chaque paquet permet au destinataire de détecter et de rejeter un paquet corrompu, ce qui déclenche son renvoi.

Avantages et inconvénients. Avantages : pas de circuit à établir ; les liens du réseau sont partagés par de nombreux messages, donc la bande passante est utilisée efficacement ; les paquets peuvent être réacheminés autour d'un lien défaillant ou congestionné, rendant la transmission robuste ; un paquet perdu ou endommagé nécessite uniquement sa réexpédition, et non celle du message entier. Inconvénients : les paquets peuvent arriver hors ordre et doivent être réassemblés, certains peuvent être perdus ou retardés ; les en-têtes ajoutent une surcharge ; le délai variable le rend moins adapté à la voix et la vidéo en temps réel sans mesures supplémentaires ; un réseau surchargé perd des paquets. Où il est approprié : e-mail, pages web, téléchargements de fichiers et tout trafic « en rafales », et Internet en général.

Les réseaux modernes utilisent la commutation par paquets pour son efficacité et sa résilience.

Quatre différences, énoncées par paires. (1) La commutation par circuit établit un chemin dédié avant l'envoi ; la commutation par paquets envoie sans établir de chemin. (2) Dans la commutation par circuit, le message entier suit une seule route ; dans la commutation par paquets, les paquets peuvent emprunter des routes différentes. (3) La commutation par circuit livre les données dans l'ordre sans réassemblage ; la commutation par paquets nécessite des numéros de séquence pour le réassembler. (4) La commutation par circuit réserve la bande passante pour une conversation même au repos ; la commutation par paquets partage les liens entre de nombreux messages. (Également acceptable : un lien défaillant coupe un circuit mais les paquets sont réacheminés ; la commutation par circuit convient aux flux en temps réel, la commutation par paquets aux données en rafales.) Écrivez chaque différence comme les deux moitiés ; un seul côté ne rapporte rien.

Décrire la commutation par paquets en quelques phrases

Une bonne réponse d'examen : "Le message est découpé en petits paquets. Chaque paquet porte les adresses de destination et source ainsi qu'un numéro de séquence. Chaque paquet traverse le réseau indépendamment, avec des routeurs choisissant le prochain saut par paquet. Les paquets peuvent emprunter des chemins différents et arriver dans un désordre. La destination utilise les numéros de séquence pour réassembler le message, et les paquets manquants peuvent être demandés à nouveau."

Exemple corrigé. Un appel téléphonique et un gros téléchargement de fichier partagent un réseau. Quelle méthode de commutation convient à chacun, et pourquoi ? Un appel téléphonique a besoin d'un flux régulier avec faible latence, et il souffrirait gravement si des fragments arrivaient tard ou hors ordre - donc la commutation par circuit lui convient : un chemin dédié est établi pour tout l'appel et sa capacité est réservée pendant toute la durée. Un téléchargement de fichier ne se soucie pas du timing ou de l'ordre d'arrivée, car le récepteur le réassemble, et il tire profit de la capacité disponible - donc la commutation par paquets lui convient : le fichier est découpé en paquets qui voyagent indépendamment, chacun portant des adresses source et destination et un numéro de séquence, avec des routeurs choisissant un prochain saut par paquet. Nommez la propriété du trafic qui dicte cela : capacité réservée et faible latence pour l'appel, efficacité et résilience pour le téléchargement.

Une question de définition est notée selon un libellé fixe. Apprenez-les exactement et ne donnez qu'une seule réponse.

• Pourquoi les protocoles : règles partagées, même interprétation, quel que soit le type d'ordinateur. Pourquoi les couches : chaque couche a une tâche unique et peut être modifiée indépendamment.
• Les quatre couches dans l'ordre, de haut en bas : Application, Transport, Internet, Liaison. Donnez la tâche de chaque couche en une phrase, et la réponse "message d'hôte à hôte" comme une descente puis une remontée de la pile.
• Les objectifs des protocoles sont des phrases courtes : HTTP pages web, FTP fichiers, SMTP envoi d'e-mail, POP3 téléchargement d'e-mail, IMAP e-mail conservé sur le serveur, BitTorrent pièces pair-à-pair depuis un essaim.
• Commutation par circuit : chemin dédié d'abord, message entier, maintenu pendant la durée. Commutation par paquets : découpé, en-tête avec adresses et numéro de séquence, routes indépendantes, réassemblage. Avantages et inconvénients viennent par paires opposées.
• Un routeur lit l'adresse de destination, consulte sa table de routage, transmet le long du meilleur chemin ; c'est la question sur la commutation par paquets que l'examen pose le plus souvent.
• "Où il est approprié" : commutation par circuit pour un appel téléphonique ou une vidéo en direct ; commutation par paquets pour l'e-mail, le web et les téléchargements.

Erreurs courantes

• Définir un protocole comme un "langage" ou un "logiciel" ; c'est un ensemble de règles.
• Placer les couches dans le mauvais ordre, ou donner les sept couches OSI au lieu des quatre de TCP/IP.
• Décrire la couche transport comme "routage" ou la couche internet comme "découpage en paquets" ; les ports et le découpage appartiennent au transport, les adresses IP et le routage appartiennent à Internet.
• Confondre POP3 avec IMAP, ou dire que SMTP reçoit des e-mails.
• Décrire la commutation par paquets sans l'en-tête (adresses et numéro de séquence) ou sans réassemblage.
• Dire qu'un routeur "envoie le paquet partout" ; il choisit un seul prochain saut depuis sa table de routage.
• Donner un avantage de la commutation par paquets comme un inconvénient de la commutation par circuit sans énoncer le côté commutation par circuit ; chaque différence nécessite les deux moitiés.
• Prétendre que la commutation par paquets garantit la livraison d'elle-même ; ce sont les numéros de séquence et les acquittements de la couche transport qui le font.