Introduction à l informatique Partie II : Culture générale

Transcription

1 Introduction à l informatique Partie II : Culture générale 1. Introduction Mise en perspective historique Terminologie Le matériel CPU (Central Processing Unit) : le processeur Bus de données Mémoire principale externe L unité d échange (controller) Unités périphériques Fonctionnement Turing machine Instructions Fetch-Decode-Execute Mémoire Stockage des données Les systèmes numérique Architecture Caractéristiques de la mémoire Software Langage machine Système d exploitation Logiciel d application Réseaux Réseaux et infrastructure réseau Communication de paquets Pile de protocoles Topologie de réseau Raccorder des réseaux La toile

2 1. Introduction 1.1. Mise en perspective historique - Antiquité : abaque, boulier chez les Grec ou les Romains. - Renaissance : naissance des calculatrices mécaniques, qui ont des algorithmes intégré. - Temps modernes : naissances des machines programmables/préréglables (cartes perforées, machines à tisser, ) - 20 e siècle : o Premiers ordinateurs aux lampes de radio (vacuum tube) juste avant WW2 o Premiers relais mécaniques au début de WW Terminologie - Un algorithme est une suite d instructions pour la machine abstraite qui permet de résoudre tous les problèmes (sauf quelques uns, comme le dit le théorème d incomplétude de Gödel) en leur donnant la solution optimale. - Le programme est une suite d instructions d un langage particulier, il est composé d algorithmes. - L ordinateur reçoit les données réelles, les traite avec l instruction machine effective puis rend des résultats. - L abstraction permet de pouvoir utiliser un objet sans devoir connaitre la façon dont il fonctionne. Par exemple : il ne faut pas connaitre le système des portes pour utiliser un processeur ; il suffit de connaitre le langage machine. - Les codecs (codeur-décodeur) sont des algorithmes qui permettent de réduire la taille des fichiers, en réduisent la quantité de mémoire nécessaire pour stocker les données, ou le temps nécessaire pour transférer des données sur un réseau, sans pour autant perdre d information. 2. Le matériel L essentiel des composants qui font fonctionner l ordinateur se trouvent sur la carte mère. On y retrouve l unité centrale (CPU), le bus de données, la mémoire principale externe et les connecteurs d extension (Expansion slot) CPU (Central Processing Unit) : le processeur Pièce centrale de la Carte Mère, le processeur est composé de l ALU, l UC, un certain nombre de registres (qui contiennent de la mémoire), l horloge et l unité d entrée-sortie. Le processeur effectue le décodage des instructions et les calculs. Sa vitesse est mesurée en MIPS, le nombre d instructions élémentaires par seconde, ou en fréquence de l horloge (voir plus bas) CU (Control Unit) : unité de contrôle ou séquenceur L unité de contrôle séquence les traite les informations traitantes (instructions). Elle lit la première partie du code qui lui est transmis, pour savoir quelle action devra être exécutée sur ce qui suit, et transmet ensuite au bon opérateur dans ALU. 2

3 L unité de contrôle connaît chaque cellule par son adresse. Elle peut demander à lire le contenu d une cellule d adresse donnée ou à écrire une nouvelle information dans une cellule d adresse donnée. Pour lire ou écrire dans une cellule, l unité de contrôle fournit l adresse au registre d adresse. - Lecture l information contenue dans la cellule adressée est transférée dans un deuxième registre, le registre d échange ou registre mot pas de destruction de l information. - Ecriture destruction et remplacement par une nouvelle information ALU : Unité Arithmétique et Logique Elle commande au calculateur une opération arithmétique (telle que +, -, X, %), en lui fournissant les informations suivantes : 1. Le code opération (c'est à dire le type d opération à réaliser) : additionner, AND, OR, XOR, NOT, 2. L adresse de la cellule mémoire qui contient la première donnée 3. L adresse de la cellule mémoire qui contient la seconde donnée. 4. L adresse de la cellule mémoire dans laquelle doit être rangé le résultat Registres En mémoire, l information traitée et information traitantes sont traitées de la même manière ( principe de l architecture Von Neumann). - Données à traiter comme des résultats : informations traitées (données et résultats). - Instructions qui spécifient ce qui doit être fait = informations traitantes (instructions). Rappelons que dans le CPU, nous avons : - L unité de contrôle traite les instructions (qui transforment les entrées en sorties) - L unité de traitement traite les données et résultats. Pour effectuer leurs traitements ces deux unités disposent de quelques mémoires spéciales qui leur sont propres, appelées registres. Les registres sont des mémoires beaucoup plus rapide (temps de lecture et d écriture dans un registre) mais en très petit nombre, quelques dizaines au plus. La mémoire La mémoire est divisée en deux parties reliées par le Bus de données : la mémoire principale interne (plus proche de l unité centrale, qui est volatile et composée de registres) et la mémoire principale externe (qui est permanente) Horloge L horloge système est le circuit électronique qui produit des impulsions électroniques pour synchroniser le fonctionnement interne de l ordinateur. Le nombre de cycles par seconde ou encore la fréquence de l horloge d un processeur est une caractéristique importante de celui-ci. Dans l état actuel de la technique les fréquences plafonnent ente 2Ghz et 4Ghz (1Ghz = un milliard de cycles par seconde). 3

4 2.2. Bus de données Le bus de données connecte le CPU et la mémoire principale externe. La largeur de mot, mesurée en bits, désigne la taille du bus de données, c'est à dire le nombre de fils parallèles Mémoire principale externe C est là que sont stockées les données à des fins de conservation, ailleurs que dans la mémoire centrale (qui est volatile). La mémoire externe principale est composée de 256 cellules mémoire, qui sont identifiées de 00 à FF ( à en hexadécimal) L unité d échange (controller) L unité d échange est un intermédiaire entre les unités périphériques (telles que le lecteur CD, le Modem, le Moniteur ou le Disque Dur) et la mémoire centrale. Cette unité gère aussi bien les sorties que les entrées. Pour fonctionner, elle d échange nécessite les informations suivantes : - L adresse de l unité périphérique - L adresse de rangement de la première information - Le nombre d informations à transférer. Grace au Controller, le CPU communique avec les unités périphériques comme si elles étaient des cellules mémoire Unités périphériques On distingue : - Les mémoires auxiliaires (servent de moyen d enregistrement de grande capacité et de moyen de communication à l intérieur du système informatique). - Les unités de communication (qui permettent les échanges de communication, comme les clés USB, les CDs, ) - Les unités de dialogue (le clavier, la souris, le micro, ) - Les unités d échange d informations (les terminaux, les lignes de transmission, ) Pour toutes ces unités, le débit est variable et mesuré en Bps (Bits par seconde), qui peut être élevé au kilo (Kbps), au méga (Méga-Bps) ou au giga (Giga-Bps). Ce débit est conditionné par la largeur de la bande, le point de connexion (le port entre l ordinateur et l unité), et le type de connecteur physique entre l ordinateur et l unité. Unités périphériques de sortie - Les moniteurs (écrans), qui peuvent être à cristaux liquides (LCD), ou à rayons cathodique, - Les imprimantes, qui peuvent être à jet d encre, à laser, à transfert thermique, Interruptions Les interruptions sont des signaux qui peuvent être envoyés au processeur pour notifier qu un événement a besoin d attention immédiate et est prioritaire pour s exécuter. Ce message peut 4

5 provenir du hardware comme du software ou des unités périphériques (par exemple imprimante sans papier). Une fois terminé, l exécution du programme interrompu est reprise. 3. Fonctionnement 3.1. Turing machine Ce modèle abstrait de fonctionnement des machines électroniques postule que tout problème peut être résolu par une suite d algorithmes simples lus les uns à la suite des autres et rédigés dans un alphabet à caractères finis. Ici, les algorithmes sont les instructions qui transforment les entrées en sorties. Ces instructions sont représentées comme des données qui peuvent être stockées (comme des données), c est le principe fondamental de l architecture Von Neumann Instructions On distingue 3 types d instructions-machines : Les instructions de traitement Ces instructions portent sur des opérandes en mémoire, comprenant essentiellement les opérations arithmétiques et logiques et l opération de rangement en mémoire. Cela se passe généralement comme suit : - L instruction contient une zone adresse, dans laquelle se trouve l adresse de l opérande. L unité de contrôle commande son transfert en mémoire interne pour la lire. - L unité de contrôle exécute le traitement demandé par le code opération et transmet l opérande vers l ALU. - Le résultat du traitement de l opérande est rangé dans l accumulateur. Il ne reste alors plus à l unité de contrôle qu à commander à la mémoire une opération d écriture pour enregistrer ce qui se trouve dans l opérande Les instructions de rupture de séquence Ces instructions permettent de rompre l enchaînement séquentiel des instructions et de passer à une autre partie du programme si certaines conditions sont réalisées (sorte de condition «if», qui porte généralement sur le contenu de l accumulateur). De cette manière, on peut modifier le déroulement séquentiel du programme Les instructions d échange Ces instructions permettent les échanges d informations entre le calculateur et le milieu extérieur, via le controller (voir ci-dessus) Fetch-Decode-Execute Une instruction-machine est traitée en 3 étapes, qu on appelle le cycle-machine : 5

6 1. Lecteur : dans le registre d instruction. L instruction est maintenant disponible dans le registre mot. 2. Décodage : extraction du code opération et des opérandes. La partie code est alors analysée par l Unité de Contrôle. 3. Exécution : du traitement et stockage éventuel du résultat. Pipelining L'architecture pipe-line consiste à optimiser les temps d'attente de chaque étage, en commençant le traitement de l'instruction suivante dès que l'étage de lecture a été libéré par l'instruction en cours, et de procéder identiquement pour chaque étage de telle façon que durant chaque phase, tous les étages soient occupés à fonctionner (chacun sur une instruction différente). C est un peu l idée du travail à la chaine. Le nombre d'unités différentes constituant le pipe-line s'appelle le nombre d'étages du pipe-line. 4. Mémoire 4.1. Stockage des données Toute information transporté par des réseaux informatiques ou entrée pour ou sortie des algorithmes doit être stocké, toujours sous forme binaire. Les séquences de bits peuvent représenter des chiffres, caractères, sons, images, Il existe de nombreux moyens pour enregistrer une donnée binaire. L une d entre elles est le flip-flop, qui enregistre la mémoire de manière volatile (c'est à dire que hors tension, elle se réinitialise). Flip-flop Le flip-flop est un circuit électronique composé de portes (opérateurs booléens comme AND, OR, NOT et XOR). Les portes sont représentées de la manière suivante : À gauche, un exemple de flip-flop. - Etat initial : les 2 inputs sont 0-0, il ne peut donc pas y avoir de réponse (puisque la boucle est «infinie»). C est typiquement l état dans laquelle se trouve la mémoire vive lorsque l ordinateur est éteint. - Changement d une variable : dès qu une des deux entrées se change en 1, on aura une réponse au flip flop. Dès ce moment-là, il suffit de changer l une ou l autre variable pour changer l output. 6

7 Cellule La cellule mémoire contient 1 octet (byte), composé de 8 bits (binaires, par exemple flip-flop, qui ont chacun 2 inputs et 1 output) Les systèmes numérique La représentation des données en binaire n est qu une possibilité. Voici les systèmes numériques les plus fréquents : - Décimal (10 symboles) - Hexadécimal (16 symboles, 0 9, puis 1 F) - Binaire (2 symboles) - Octal (8 symboles) Principe général : - On regarde la position du symbole : on associe à chacun bit la valeur n x où : o x = la "distance" de l extrême droite, en commençant à 0 o n = le nombre de symboles du système. Exemples : - Pour passer du binaire au décimal : Somme de toutes les valeurs du bit, qui valent 2 x où x = la "distance" de l extrême droite, en commençant à 0. - Pour passer du décimal au binaire : On fait une division euclidienne par les diviseurs puissances de 2, en commençant par le plus grand. Note : chaque loop de 4 bit correspond à un symbole hexadécimal. De ce fait, 16bits correspondent à 4 digits (hexadécimaux). Texte Le texte est exprimé en valeur binaires via plusieurs méthodes. De manière générale, chaque caractère (lettre, ponctuation, etc.) correspond à une séquence de bits uniques. - ASCII : 128 caractères différents exprimés par 7 bits on aura les 4 premiers bits qui indiquent le type de symbole : o 0011 chiffre o 0100 lettre majuscule (A O) o 0101 lettre majuscule (P Z) o 0110 lettre minuscule (a o) o 0111 lettre minuscule (p z) o 0010 caractères spéciaux. Les 4 suivants désignent le symbole, dans l ordre. - ISO : 256 caractères différents exprimés par 8 bits. - Unicode : caractères différents exprimés par 16 bits 7

8 4.3. Architecture La machine à une mémoire interne de 16 registres (bits), numérotés en hexadécimal de 0 à F, ou en binaire par 4 bits. Chaque registre a une longueur d un octet. Ces registres sont numérotés de 0 à F (en numérotation hexadécimale). Chaque registre a une longueur de un octet. Les registres sont identifiés par une adresse unique de 4 bits. Ce code représente l identifiant du registre en numérotation binaire (p.ex. le registre 0 est identifié par le code binaire 0000 et le registre 4 par 0100). La mémoire principale externe de la machine contient 256 cellules mémoire. Chaque cellule est identifiée par une adresse entre 0 et 255. Cette adresse et représenté par une code binaire de 8 bits entre (00 en numérotation hexadécimale) et (FF en numérotation hexadécimale) Caractéristiques de la mémoire Volatile, programmable ou séquentiel Deux caractéristiques différencient les différents types de mémoire : - Volatile ou non : si les informations sont perdues lors de la mise hors tension de l appareil. - Programmable ou non : si l utilisateur peut changer le contenu de la mémoire. On peut ainsi distinguer : - La PROM : mémoire programmable non-volatile (le disque dur) - La ROM (Read Only Memory, la mémoire morte) : mémoire non-programmable et nonvolatile, qui ne peut donc que se lire (bios, CD-ROM, DVD) - La mémoire vive: mémoire programmable et volatile. Par ailleurs, on distingue encore les types de mémoire SAM (Sequencial Access Memory), dans laquelle toutes les données sont stockées comme une seule séquence de bits, et la mémoire RAM (Random Access Memory) dans laquelle les données sont stockées comme des paquets qui ont leur propre adresse (souvent vive). La mémoire SAM n est presque plus utilisée, c est l idée d une cassette audio ou vidéo, c'est à dire une longue bande magnétique sur laquelle se trouve toute l information. Méthode de stockage Par ailleurs, les méthodes de stockage différent également entre les types : - Magnétique (disque dur, bande magnétique). Pour le disque magnétique, par exemple, le disque tourne sous le bras qui peut lire et écrire dessus. Sur la surface du disque, il y a des pistes d enregistrement (track) en bandes concentriques. De plus, le disque est séparé en secteurs, des sortes de tranches de tarte. L OS accède aux données via la table d allocation des fichiers (File Allocation Table, FAT), qui donne la localisation des données sur le disque. - Optique (CD, DVD, Blue Ray) - Flash (Certains disque durs, certaines clés USB) 8

9 Taille - Le bit (pas de notation) - L octet = 2 3 bits = 8 bits. (noté 1 o) - Le Kilo-octet = 2 10 octets =1024 o (noté 1 Ko) - Le Méga-octet = 2 20 octets =(1024) 2 o (noté 1 Mo) - Le Giga-octet = 2 30 octets =(1024) 3 o (noté 1 Go) - Le Téra-octet = 2 40 octets =(1024) 4 o (noté 1 To) 5. Software 5.1. Langage machine Un seul programme (python, java, ) doit pouvoir être exécuté sur plein de machines, il faut le traduire en langage machine de manière à ce qu il puisse être lu par le CPU. Le CPU ne peut interpréter que des instructions écrites en binaire. Le programme (en langage-machine) se compose des instructions supposées rangées séquentiellement dans la mémoire. Les instructions qui doivent s exécuter à la suite les unes des autres sont rangées à des adresses successives de la mémoire : à la fin d une instruction d adresse A, le calculateur enchaîne automatiquement sur l instruction d adresse A + 1, sauf dans le cas d une rupture de séquence. Instruction-machine Les instructions-machine ont une longueur de 16 bits. - 4 premiers : l Op-code, code opération, qui identifie l opération à exécuter. (dans «un langage machine simple, il y a 12 types d opérations) derniers : Operand, opérante, qui donne les informations concernant les entrées et sorties. Dans l opérande, qui compte donc 3 lettres, on trouve plusieurs types de lettres, dont la signification est donnée par l Op-code. Voir «un langage machine simple» pour le tableau faisant exposant les différentes opérations. Le type de langage machine est spécifique à un types de processeurs Système d exploitation Le système d exploitation (system software) (par exemple Windows 7, Lion OS) se différencie du logiciel d application (application software), qui exécute les tâches spécifiques (par exemple Word, utorrent, Age of Empire II, ). Le système d exploitation a 5 missions : démarrer l ordinateur, gérer les logiciels d application, gérer la mémoire, gérer les unités périphériques, gérer l interface utilisateur et la communication avec l utilisateur Démarrage de l ordinateur C est une des missions de du système d exploitation. 9

10 USL-B ECGE 2 eme bac Intro à l informatique part 2 Samuel Desguin On différencie deux types d allumages : - Cold Boot : le démarrage à froid. Quand l ordinateur démarre, il était complètement éteint réinitialise la mémoire. - Warm Boot : le démarrage à chaud. Quand l ordinateur démarre, il n était pas sans courant ne réinitialise pas la mémoire. Le système d entrée-sortie de base est responsable pour le chargement (en mémoire) du système d exploitation. - Phase 1 : chargement du BIOS (système d entrée-sortie de base) en mémoire principale. Le BIOS est stocké en ROM (mémoire morte). - Phase 2 : Power-On Self-Tesy a un problème. (POST), l ordinateur contrôle lui même le matériel et s éteint s il - Phase 3 : chargement de l OS. Pour faire cela, le BIOS cherche l OS (sur une CD/DVD, sur le disque dur) et charge le kernel («noyau» de l OS) sur la mémoire principale. L OS prend alors le contrôle de la machine. - Phase 4 : activation des unités périphériques (clavier, souris, ) en installant les drivers et contrôle de la configuration. - Phase 5 : chargement des programmes auxiliaires (antivirus, etc.) - Phase 6 : identification de l utilisateur (Nom d Utilisateur, Mot de passe) Kernel est le noyeau de l OS, il gère les ressources de l ordinateur et permet aux différents composants matériels et logiciels de communiquer entre eux. Plus particulièrement, il est responsable de : - La gestion des fichiers - La communication interne - La gestion de la mémoire - La gestion du processeur Logiciel d application Aujourd hui, tous les OS permettent d utiliser plusieurs applications en même temps, c est ce qu on appelle le multitasking.. Ils parviennent à faire cela de la manière suivante : 10

11 USL-B ECGE 2 eme bac Intro à l informatique part 2 Samuel Desguin grâce à : C est ce qu on appelle le timesharing operating systems : un programme est statique pendant que l autre est exécuté, puis on inverse. Cette gestion est faite - Programmeur (scheduler) : qui ajoute de nouveaux processus à la table des processus et enlève ceux qui sont terminés. - Répartiteur (dispatcher) : qui contrôle l allocation de tranches de temps (times slices) processeur aux processus Gérer la mémoire Quand on parle de mémoire, il convient de différencier : - Le gestionnaire des fichiers (File manager) nous permet d organiser des fichiers (files) dans une hiérarchie de répertoires/dossiers (folders/directories). - Le gestionnaire de mémoire (Memory manager) retient des instructions, données et sorties nécessaires en mémoire vive (buffer). Il faut savoir que les données sont stockées séparément, en petits morceaux répartis sur le disque dur. Par ailleurs, la mémoire virtuelle permet au gestionnaire de mémoire de dépasser la capacité de la mémoire vive. Le schéma à droite représente l échange/permutation entre la mémoire vive et le disque dur, qui forme la mémoire virtuelle.. En effet, lorsque la mémoire vive est pleine, le kernel peut utiliser une partie du disque dur comme mémoire (vive) virtuelle. Les «pages» qui sont échangées sont des fichiers de taille fixe, qui contiennent des instructions et des données. Puisque l écriture sur le disque dur est moins rapide que celle sur la mémoire vive, l appel de pages sur le disque dur ralentit le fonctionnement de l ordinateur. C est la raison pour laquelle ajouter de la mémoire vive à l ordinateur peut être une solution pour améliorer ses performances. En conclusion, la mémoire virtuelle donne à l utilisateur la perception qu il y a beaucoup plus de RAM qu il y en a vraiment. 11

12 Gérer les unités périphériques L OS gère les entrées et sorties vers les unités périphériques. C est le driver (pilote) qui permet au processeur de communiquer avec les unités périphériques. Les interruptions sont des signaux qui peuvent être envoyés au processeur pour notifier qu un événement a besoin d attention immédiate. Ce message peut provenir du hardware comme du software ou des unités périphériques (par exemple imprimante sans papier) Gérer l interface utilisateur et la communication avec l utilisateur. Pour être utilisé par un individu, l ordinateur doit offrir une interface qui lui permette d interagir avec la machine, via (par exemple) le clavier et la souris. Dans l histoire de l informatique, on compte : - L interface par ligne de commande (Command-line user interface), la première. - L interface commandée par menus (Menu-drivetn interface), qui ressemble à ce que nous proposaient les vieilles playsation. - L interface utilisateur graphique (Graphical user interface), inventée par apple, celle que nous utilisons le plus souvent Logiciel d application Il convient de différencier : - Les logiciels sur mesure (taylor-made software), construits pour un client unique, selon ses besoins. - Les progiciels/logiciels standards (packaged software), qui sont proposés à tout le marché. Parmi ceux-ci, on compte : o Les programmes autonomes (standalone programs) : Itunes, Spotify 1 programme, 1 but. o Les logiciels intégrés (integrated software) : MS Works 1 programme, plusieurs buts. o Les suites (Suite Adobe, Microsoft Office) 1 interface, plusieurs programmes, plusieurs buts. Ensuite, on distingue encore les modes d acquisition des programmes : - Les logiciels protégés, à acheter. - Les partagiciels (shareware) : qui proposent l achat après une période d essais gratuite - Les gratuiciels (Freeware) : gratuit, mais ne peut être ni modifié ni vendu. - Les logiciels du domaine public (free domain softwares) : gratuit, sans copyright, peut être modifié et vendu. Les processus de développement des systèmes : - Étude d opportunité (system analysis) defining the problem - Conception (system design) - Programmation (coding of the program) - Tests (testing and debugging) 12

13 - Migration-bascule (conversion and documenting) - Exploitation et maintenance (implementing and maintaining of the program) 6. Réseaux 6.1. Réseaux et infrastructure réseau Contexte historique : premier réseau informatique, mis en place par l armée américaine. ARPAnet (Advanced Research Project Agency) permettaient en effet une communication plus riche et efficace entre plusieurs villes. Le principe est que chaque message est coupé en petits paquets, selon le système NCP (Network Control Protocol), remplacé apt des années 80 par le TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) : invention du courriel : invention de World Wide Web (WWW) et première utilisation du protocole HyperText Transfer Protocol (http), qui permet de chercher des documents sur le réseau. Réseau informatique - Un réseau (informatique) relie plusieurs ordinateurs, et leur permet de partager des données et ressources (p.ex. imprimante, connexion à internet). o Noeud (node): un appareil dans le réseau (p.ex. ordinateur, imprimante) o Carte d interface réseau (Network interface card): permet un appareil de communiquer avec le réseau o Réseaux sans fil (p.ex. WiFi, WiMax, BlueTooth, etc.) o Réseaux câblés/de câbles (p.ex. Ethernet) Le choix de telle ou telle aura des impacts en termes de performances, évolutivité, maintenabilité, sécurisation On peut distinguer les réseaux selon la portée : - Les réseaux locaux (Local Area Network : LAN) s étendent sur max 100m, on les trouve dans les entreprises ou les maisons des particuliers. Ils utilisent les mêmes câbles que pour les fils téléphoniques (câbles à paire torsadés). Ils sont bon marchés, petits et facile d utilisation mais la qualité du signal n est pas optimale. - Les réseaux étendu (Wide Area Netword : WAN) se trouvent dans les grandes entreprises, ou pour les lignes de transmission de haute capacité. Ils utilisent des câbles à fibre optique comme support de connexion. On passe d un type à l autre via des Points de Présence (Points Of Presence, POP), qui est le point de connexion entre réseaux locaux et étendus. Les lignes de transmission haute capacité (qui se divisent plus loin entre les particuliers) utilisent typiquement le protocole TCP/IP (voir plus loin). 13

14 6.2. Communication de paquets Ce système se différencie de la communication de circuits (comme le téléphone) qui est une transmission de bout en bout, qui réserve une ligne pour chaque communication. La communication de paquets (comme le mail) utilise le réseau partagé. L information à communiquer sera séparée en paquets numérotés et adressés à un ordinateur de destination. Tous les paquets utiliseront un itinéraire inconnu (personne ne peut le tracer), choisi par le routeur. Il peut choisir entre les lignes téléphoniques, les tours à micro-ondes, le réseau satellite, Si plusieurs sont disponibles, il prendra la moins encombrée. Modem L utilisateur envoie des informations en langage numérique (binaire), et la communication réseau se fait en langage analogique (ondes). C est le modem qui est chargé de faire la modulation (numérique analogique) et la démodulation (analogique numérique) Pile de protocoles Une pile de protocoles est une mise en œuvre particulière d'un ensemble de protocoles de communication réseau. L'intitulé «pile» implique que chaque couche de protocole s'appuie sur celles qui sont en dessous afin d'y apporter un supplément de fonctionnalité. Nous étudierons ici le modèle OSI (Open Systems Interconnection), qui est le standard de tous les réseaux informatiques. Ce modèle de communications entre ordinateurs proposé par l'iso décrit les fonctionnalités nécessaires à la communication et l'organisation de ces fonctions. Cette norme n est qu un cadre général, qui ne définit pas lui-même de service particulier et encore moins de protocole (comme par exemple TCP/IP). (/!\ parfois présentés dans l ordre inverse). 1. La Couche physique définit la façon dont les «symboles» (petits groupes de bits d'informations) seront convertis en signaux (électriques, optiques, radio, etc.) pour être transportés ainsi que le support de ce transport (cuivre, fibre optique, etc.) 2. La Couche liaison transfère les données entre les nœuds d un WAN ou d un LAN, en définissant la façon de moduler, la taille des paquets, etc. Ethernet, Token Ring, WiFi, Bluetooth. 3. La Couche réseau construit une voie de communication de bout à bout à partir de voies de communication avec ses voisins directs en affectant les adresses à chaque nœud dans le réseau (c'est par exemple à ce niveau qu'interviennent les adresses IP). 4. La Couche Transport gère le voyage des paquets. 5. La Couche session permet de créer une session internet. Elle donne une image de permanence à des communications de type skype en rappelant à l ordi toutes les communications en cours. Le rôle des protocoles de cette couche est d apporter la synchronisation requise pour savoir par exemple qui répond à quoi. 6. La Couche présentation se charge du codage/décodage des données pour définir la représentation pour l utilisateur. En effet, alors que les couches 1 à 5 transportent des octets bruts sans se soucier de leur signification, cette couche convertit les données pour 14

15 les rendre utilisables. On a par exemple ASCII pour les lettres, SSL pour protéger le contenu d un message envoyé et reçu, XML 7. La Couche application fournit simplement le point d'accès au réseau par les applications nécessaires pour utiliser al couche présentation. http, https, ftp (voir ci-dessous, chapitre sur le chiffrement) Chaque couche ne reconnait que la couche au-dessus et en-dessus. Si on remplace une couche par une autre, il est relativement facile de garder le contact pour ne pas couper la communication. Nb ; Il n est pas nécessaire d utiliser les 7 couches. Par exemple, un système qui utilisa 4 couches pour envoyer un message : Un exemple de protocole qui suit la norme OSI : TCP/ IP La suite TCP/IP désigne l ensemble des protocoles utilisés pour le transfert des données sur Internet, d après le nom de ses deux protocoles : - TCP (Transmission Control Protocol) : protocole de transport fiable, situé au niveau de la couche 4 transport. TCP découpe le flux d Octets en segments. - IP (Internet Protocol) : ensemble de protocoles qui permettent un service d adressage unique pour l ensemble des terminaux connectés. Ces protocoles s intègrent à la couche 3 du réseau. Les protocoles IP ne se préoccupent pas du contenu des paquets, mais fournissent une méthode pour les mener à destination. Communication inter-processus 2 modèles de communication : - Architecture client-serveur : chaque serveur a plusieurs clients, avec qui il peut communiquer en même temps. Deux types nécessaires : 15

16 o Clients lourds : le client fait lui-même la plupart des calculs nécessaires. o Client léger : le client ne fait qu afficher les résultats et envoyer les données. - Architecture horizontale/maillée (peer to peer) : chaque ordinateur est serveur et client en même temps. Ce type d architecture n est plus possible à partir d une 10aine d ordinateurs, puisque chacun doit avoir une connexion avec tous les autres et pouvoir la gérer Topologie de réseau Un réseau peut être organisé selon différentes typologies, selon l utilisation qui va en être faite. Topologie Physique On vise ici l arrangement physique du réseau, c'est à dire la configuration spatiale du réseau. Les plus courants sont les suivants : En bus (la plus simple) : tous les ordinateurs utilisent le même câble, il risque donc d être encombré, et les coupures peuvent poser de gros problèmes. En étoile (la plus répandue) : elle est souvent réalisée avec des câbles à paires torsadés, avec tous les nœuds du réseau qui sont reliés au concentrateur (hub). En anneau : en réalité, ce n est pas vraiment un anneau mais un répartiteur auquel sont reliés tous les ordis, qui gère la communication entre les ordinateurs qui lui sont reliés en leur laissant à chacun un «temps de parole». Les deux principales topologies logiques utilisant cette topologie physique sont : token ring et FDDI (voir ci-dessous. Maillée : les ordinateurs sont reliés les uns aux autres en peer to peer. Il y a donc jusque (n- 1) connections partant de chaque ordi. Internet fonctionne selon cette typologie : l information peut parcourir le réseau suivant des itinéraires divers, sous le contrôle de puissants superviseurs de réseau. L avantage est la fiabilité : en cas de rupture d un lien, l info peut quand même être acheminée. Topologie Logique On vise ici la façon dont les données transitent le long des lignes de communication. Les topologiees les plus courantes sont : Ethernet : toutes les machines du réseau Ethernet sont connectées à une même ligne de communication, constituée de câbles cylindrique. Toute machine peut émettre sur la ligne à n importe quel moment. S il y a collision de données (deux machines ont émis en même temps), elles réessayent un temps aléatoire plus tard. Token Ring (anneau à jetons) : toutes les machines du réseau communiquent tour par tour. L ordinateur ne peut émettre que lorsqu il est en possession du «jeton». FDDI (Fiber Distributed Data Interface): ressemble à la technologie de Token Ring, sauf que le jeton circule beaucoup plus vite et il y a deux câbles (à fibre optique). Lorsque le jeton n arrive pas au bout d un certain délai, la machine considère qu il y a erreur sur le réseau et mobilise le second cable. 16

17 6.5. Raccorder des réseaux Les réseaux sont raccordés au moyen des outils suivants : - Répéteur (Repeater): dispositif électronique combinant un récepteur et un émetteur, qui amplifie un signal sans changer son contenu. Il permet ainsi de prolonger un réseau. - Pont (Bridge): connexion entre deux réseaux compatibles. Tous les messages entre ces réseaux sont filtrés, et les ordinateurs d un réseau ne peuvent pas voir les messages internes de l autre réseau. - Commutateur (Switch): connexion entre plusieurs réseaux compatibles (par exemple dans les salles informatiques, tous réseaux sont reliés à un serveur central). - Routeur (Router): connexion entre plusieurs réseaux incompatibles. Le routeur permet donc de créer un réseau de réseaux, qu on appelle internet. Technologies de réseau à large bande Voici les différents types de technologies qui lient le client au fournisseur d accès Internet, via un Modem ou un Routeur. - ATM (Asynchronous Tranfer Mode): Mode de Transfert Asynchrone n est plus utilisé - ISDN (Integrated Services Digital Network): Réseau numérique à intégration de services - DSL: Lignes d abonnés numériques (Digital Subscriber Line) o ADSL: Asymetric Digital Subscriber Line (on peut downloader plus vite qu uploader, c est donc ce qu utilisent en général les particuliers) o SDSL: Symetric Digital Subscriber Line (l upload est aussi rapide que le download). - Modem pour câble (câblodistribution): lignes de télévision câblées - Ligne T (T-Line): backbone privé (très cher, donc uniquement pour des grosses entreprises) - Wi-fi : le fournisseur fournit la connexion directement par wifi (exemple : Urbizone). - Câble à fibre optique : constitué de milliers de torons de fibres de verre. Le multiplexeur permet d envoyer plein de couleurs à la fois dans un seul toron, augmentant ainsi la capacité. Nb. sur le câble à fibre optique, on peut faire passer plusieurs signaux à la fois grâce à la technique de multiplexage en longueur d'onde. Les différents signaux sont de longueur d'onde différentes sur une, et mélangés à l'entrée à l'aide d'un multiplexeur, puis séparés à la sortie au moyen d'un démultiplexeur. Ainsi, on peut atteindre une quantité de 160 longueurs d onde par toron La toile Il y a 2 types de fournisseurs : - Fournisseurs de services internet (FSI) propriétaires de réseaux étendus. - Fournisseurs d accès internet (Access ISPs) propriétaires de réseaux locaux, auxquels les particuliers vont faire appel, pour être liés aux réseaux étendus. Par exemple, Belgacom joue les deux rôles à la fois. Les adresses internet Le système de noms de domaine (domain name system, DNS) lie des adresses IP à des adresses mnémoniques, car si le routeur ne comprend que les adresses IP, l utilisateur retiendra mieux une 17

18 adresse mnémotique (telle que facebook.com). ICANN (Internet Corporation for assigned names and numbers) est l institution qui s occupe de d attribuer une adresse IP à chaque nom de domaine, selon la méthode DNS. Notons que si les serveurs gardent toujours les mêmes adresses IP, les particuliers peuvent en changer, parfois même à chaque allumage de l ordinateur (le cas échéant, le fournisseur en donne une disponible). L url L Uniforme Resource Locator est une chaine de caractères qui identifie chaque document via une adresse réticulaire/universelle unique. Cette adresse contient des informations données à un logiciel d accès web (Mozilla, Explorer), pour qu il accède à des ressources web. Ces informations peuvent notamment comprendre le protocole de communication (http), un nom d'utilisateur, un mot de passe, une adresse IP ou un nom de domaine, un numéro de port TCP/IP, un chemin d'accès, une requête Le World Wide Web La toile mondiale communément appelée le web ou la toile, est composé de pages web qui sont liées entre elles via des hyperliens, accessibles à l utilisateur. Ce système est une des applications d internet (distincte d autres comme le courrier électronique, la messagerie instantanée, et le partage de fichiers en pair à pair). HTTP FTP Http (HyperText Transfer Protocol) et FTP (File Transfer Protocol) sont deux protocoles de la couche application, spécialement développés pour le WWW, sur le réseau TCP/IP, qui permettent à l utilisateur d accéder aux données d un serveur. Alors que http est s occupe de l accès aux documents web, le ftp prend en charge tous les types de fichiers. Ces protocoles utilisent le protocole TCP comme couche de transport. HTML XML 18

19 L Extensible Markup Language est un langage informatique pour le balisage des données. On dit de cette syntaxe qu elle est extensible car elle permet de définir différents langages avec leur langage propre, comme XHTML. Ce langage, par son universalité, permet de faciliter l échange entre SI hétérogènes en utilisant une structure-type. L HyperText Markup Language est un langage informatique pour formater les données dans les pages web. Ensemble, ces deux langages forment le XHTML, qui sert à écrire des pages pour le WWW. Scriptlet Dans l exécution de codes plus complexes, une partie des instructions peuvent être exécutés par le navigateur et l autre par le serveur. - Par le client (client-side scripting) : le code est exécuté par le navigateur (par exemple : java applets, javascript, Macromedia Flash), et est stocké dans le cache du navigateur. - Par le serveur (server-side scripting) : le code exécuté par le serveur (par exemple : Common Gateway Interface (CGI), Servlets, PHP, Facebook). Ce type de scripting est utilisé pour les calculs lourds notamment. Ainsi, le code source est exécuté par le serveur web et invisible pour l utilisateur La sécurité de la transmission des données Réseau privé virtuel Le réseau privé virtuel (Virtual Private Network, VPN) est une extension des réseaux locaux qui préserve la sécurité logique que l'on peut avoir à l'intérieur d'un réseau local. Il correspond en fait à une interconnexion de réseaux locaux via une technique de «tunnel» (c'est à dire l utilisation d Internet en encapsulant les données à transmettre de façon chiffrée). Ce réseau est dit virtuel car il relie deux réseaux «physiques» (réseaux locaux) par une liaison non fiable (Internet), et privé car seuls les ordinateurs des réseaux locaux de part et d'autre du VPN peuvent accéder aux données en clair. Signature numérique La signature numérique est un code numérique joint à un message transmis par voie électronique, qui permet au destinataire des données de vérifier l origine et le contenu du message (c'est à dire que les données n ont pas été modifiées après avoir été «signées»), protégeant ainsi contre la contrefaçon (par le destinataire, par exemple). 19

20 Chiffrement Le chiffrement permet de protéger les informations confidentielles transmises sur les réseaux. En effet, le chiffrement est l encodage et le décodage des messages pour prévenir l accès non autorisé aux données ou pour empêcher tout intrus de les comprendre. Un message peut être chiffré à l aide d un code numérique secret, appelé «clé de chiffrement», afin qu il soit transmis sous forme d ensemble de caractères codés. La clé est constituée d un grand groupe de lettres, de nombres et de symboles. Il existe plusieurs méthodes de chiffrement : - Chiffrement symétrique: "Un système de chiffrement est dit "symétrique" quand il n utilise que des clés privées. - encryptage à clé publique/chiffrement asymétrique: Un système de chiffrement est "asymétrique" quand il utilise des clés publiques." le plus fréquent. Les clés privées et publiques sont mathématiquement dépendantes l une de l autre. Donc pour transmettre des messages, les personnes doivent créer des paires distinctes de clés. La clé publique est conservée dans un répertoire, alors que l emplacement de la clé privée est maintenu secret. Méthodes de chiffrement Nous l avons vu, sur un trafic réseau de type TCP/IP, les deux protocoles de communication principaux sont http et ftp. Ces deux protocoles peuvent utiliser le protocole SSL et son successeur, TLS pour chiffrer de toutes les données transmises entre client et serveur. Plus précisément, il s agit de gérer les activités de chiffrement et de déchiffrement en cours de communication pendant une session Web sécurisée. Ainsi, les deux protocoles deviennent s-http et ftps (on rajoute Secure). SSL permet également d utiliser le système des certificats d'authentification. Ce système de certificat numérique recourt à une tierce partie digne de confiance appelée «organisme de certification», pour vérifier l identité d un utilisateur. Le destinataire d un message codé utilise la clé publie que l organisme pour décoder le certificat. Le système de certificat permet, par exemple, à l utilisateur d une carte de crédit et à un commerçant de valider l émission de leur certificat numérique par une tierce partie autorisée ou de confiance, avant d échanger les données. 20