Les réseaux. 4 e édition. Guy Pujolle ISBN :

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1 Les réseaux 4 e édition Guy Pujolle ISBN :

2 CHAPITRE 1 Les réseaux numériques Ce chapitre introduit les techniques utilisées dans les réseaux pour transporter les données d un utilisateur vers un autre utilisateur. Il examine les différentes catégories de réseaux, informatiques, de télécommunications et de vidéo et en déduit les objectifs d un réseau multimédia et les fonctions nécessaires pour réaliser le transport de nombreux médias simultanément. Le premier point que nous examinerons concerne le transfert de données, c est-à-dire le moyen de transférer un paquet d information de nœud en nœud jusqu à ce qu il atteigne le récepteur. Le mot transfert de paquets est un mot réservé, qui indique les moyens mis en œuvre pour acheminer des données mises dans un paquet d une extrémité à une autre d un réseau. LE TRANSFERT DE PAQUETS La technique de transport des données sous forme numérique, c est-à-dire sous forme de 0 et de 1, que l on a adoptée depuis la fin des années 60 s appelle le transfert de paquets. Toutes les informations à transporter sont découpées en paquets pour être acheminées d une extrémité à une autre du réseau. Cette technique est illustrée à la figure 1.1. Dans cette figure, l équipement terminal A souhaite envoyer à B un message. FIGURE 1.1 La technique de transfert de paquets 3

3 Partie I Les éléments de base des réseaux Le message est découpé en trois paquets, qui sont émis de l équipement terminal vers le premier nœud du réseau, lequel les envoie à un deuxième nœud, et ainsi de suite, jusqu à ce qu ils arrivent à l équipement terminal B. Le paquet peut provenir de différents types de sources. À la figure 1.1, nous avons supposé que la source était un message préparé par l émetteur, telle une page de texte préparée avec un système de traitement de texte. Le terme message est beaucoup plus vaste et recoupe toutes les formes sous lesquelles de l information peut se présenter. Cela va d une page Web à un flot de parole téléphonique représentant une conversation. Dans la parole téléphonique, l information est regroupée pour être placée dans un paquet, comme illustré à la figure 1.2. Dans cette figure, le combiné téléphonique produit des octets, comme nous le verrons au chapitre 4. Ces octets remplissent petit à petit un paquet. Dès que celui-ci est plein, il est émis vers le destinataire. Une fois le paquet arrivé à la station terminale, le processus inverse s effectue, restituant des octets régulièrement à partir du paquet pour reconstituer la parole téléphonique. FIGURE 1.2 Un flot de paquets téléphoniques Le réseau de transfert est lui-même composé de nœuds, appelés nœuds de transfert, reliés entre eux par des lignes de communication, sur lesquelles sont émis les éléments binaires constituant les paquets. Le travail d un nœud de transfert consiste à recevoir des paquets et à déterminer vers quel nœud suivant ces derniers doivent être acheminés. Le paquet forme donc l entité de base, transférée de nœud en nœud jusqu à atteindre le récepteur. Suivant les cas, ce paquet doit être regroupé avec d autres paquets pour reconstituer l information transmise. L action consistant à remplir un paquet avec des octets s appelle la mise en paquet, ou encore la paquétisation, et l action inverse, consistant à retrouver un flot d octets à partir d un paquet, la dépaquétisation. L architecture d un réseau est définie principalement par la façon dont les paquets sont transmis d une extrémité à une autre du réseau. De nombreuses variantes existent pour cela, comme celle consistant à faire passer les paquets toujours par la même route ou, au contraire, à les faire transiter par des routes distinctes de façon à minimiser les délais de traversée. 4

4 Chapitre 1 Les réseaux numériques Pour identifier correctement toutes les composantes nécessaires à la bonne marche d un réseau à transfert de paquets, un modèle de référence a été mis au point. Ce modèle définit une partition de l architecture en sept niveaux, prenant en charge l ensemble des fonctions nécessaires au transport et à la gestion des paquets. Ces sept couches de protocoles ne sont pas toutes indispensables à des réseaux qui ne visent pas à être généralistes. Chaque niveau, ou couche, offre un service au niveau supérieur et utilise les services du niveau inférieur, comme nous le verrons en détail au chapitre 3. Pour offrir ces services, les couches disposent de protocoles, qui appliquent les algorithmes nécessaires à la bonne marche des opérations. Une telle architecture est illustrée à la figure 1.3. Dans cette figure, nous avons supposé que l architecture était découpée en sept niveaux, ce qui est le cas du modèle de référence. Pour expliciter ce schéma, indiquons, par exemple, que le niveau 3 représente le niveau paquet, c est-àdire qu il définit les algorithmes nécessaires pour que les entités de niveau 3, les paquets, soient acheminés correctement de l émetteur au récepteur. Le niveau 7 est le niveau application. Le rôle du protocole de niveau 7 est de transporter correctement l entité de niveau 7, le message utilisateur, de l équipement émetteur à l équipement récepteur. FIGURE 1.3 Architecture d un réseau à sept niveaux La structure en couches simplifie considérablement la compréhension globale du système et facilite sa mise en œuvre. On peut, par exemple, remplacer une couche par une autre de même niveau sans avoir à toucher aux autres niveaux. On ne modifie de la sorte qu une partie de l architecture sans avoir à tout changer. Les interfaces entre couches doivent être respectées pour sauvegarder la simplicité de l édifice. Nous avons parlé du modèle de référence car, comme son nom l indique, il sert de repère aux autres architectures. Une autre architecture, l architecture TCP/IP, a été définie un peu avant le modèle de référence par le ministère américain de la Défense. Son rôle premier était d uniformiser la vision externe des différents réseaux utilisés dans le département d État américain de façon à les interconnecter facilement. Cette architecture TCP/IP a été adoptée par le réseau Internet, ce qui lui a offert une diffusion particulièrement importante. Nous la détaillons au chapitre 3 et au chapitre 16. Conçues au départ pour des réseaux d ordinateurs, ces architectures sont en cours de modification pour prendre en charge des applications telles que la téléphonie ou le 5

5 Partie I Les éléments de base des réseaux transport de la vidéo. Une troisième architecture, dite ATM (Asynchronous Transfer Mode), a été proposée par l UIT-T (Union internationale des télécommunicationsstandardisation du secteur télécommunications), l organisme international de normalisation des télécommunications, pour les applications utilisant à la fois les données, la téléphonie et l image. Provenant principalement du monde des télécommunications, cette architecture est particulièrement bien adaptée au transport de flux continus, comme la parole téléphonique. Sous le concept de transfert de paquets, deux grandes techniques se disputent la suprématie : la commutation de paquets et le routage de paquets. Ces deux méthodes sont décrites en détail au chapitre 2. En termes simples, dans le routage, les paquets d un même client peuvent prendre des chemins différents, tandis que, dans la commutation, tous les paquets d un même client suivent un chemin déterminé à l avance. De nombreuses variantes de ces techniques ont été proposées, comme nous le verrons dans la suite de ce livre. Certaines applications, comme la parole téléphonique, posent des problèmes spécifiques de transport lorsqu elles sont acheminées sous forme de paquets. La difficulté réside dans la récupération du synchronisme, le flot de parole devant être reconstitué au récepteur avec des contraintes temporelles fortes. En supposant qu une conversation téléphonique entre deux individus accepte un retard de 150 ms, il n est possible de resynchroniser les octets à la sortie que si le temps total de paquétisation-dépaquétisation et de traversée du réseau est inférieur à 150 ms. Ce sont les fonctions intelligentes disponibles dans les terminaux informatiques qui permettent cette resynchronisation. Il est évident que si le terminal est non intelligent, cette reconstruction du flux synchrone est quasiment impossible après la traversée d un réseau à transfert de paquets un tant soit peu complexe. Par exemple, les réseaux de type Internet ont du mal à prendre en compte ces contraintes. LES RÉSEAUX INFORMATIQUES Les réseaux informatiques sont nés du besoin de relier des terminaux distants à un site central puis des ordinateurs entre eux et enfin des machines terminales, telles que des stations de travail ou des serveurs. Dans un premier temps, ces communications étaient destinées au transport de données informatiques. Aujourd hui, l intégration de la parole téléphonique et de la vidéo sur ces réseaux informatiques devient naturelle, même si cela ne va pas sans difficulté. On compte généralement quatre catégories de réseaux informatiques, différenciées par la distance maximale séparant les points les plus éloignés du réseau (la figure 1.4 illustre sommairement ces catégories) : La plus petite taille de réseau définit les PAN (Personal Area Network). Ces réseaux personnels interconnectent sur quelques mètres les équipements personnels tels que GSM, portables, organiseurs, etc., d un même utilisateur (voir le chapitre 23). Les réseaux locaux, également appelés LAN (Local Area Network), correspondent par leur taille aux réseaux intra-entreprise. Ils servent au transport de toutes les 6

6 Chapitre 1 Les réseaux numériques informations numériques de l entreprise. En règle générale, les bâtiments à câbler s étendent sur plusieurs centaines de mètres. Les débits de ces réseaux vont aujourd hui de quelques mégabits à plusieurs centaines de mégabits par seconde. Leur topologie est présentée en détail au chapitre 19. Les réseaux métropolitains, ou MAN (Metropolitan Area Network), permettent l interconnexion des entreprises ou éventuellement des particuliers sur un réseau spécialisé à haut débit qui est géré à l échelle d une métropole. Ils doivent être capables d interconnecter les réseaux locaux des différentes entreprises pour leur donner la possibilité de dialoguer avec l extérieur. Ces réseaux sont examinés essentiellement au chapitre 21. Les réseaux étendus, ou WAN (Wide Area Network), sont destinés, comme leur nom l indique, à transporter des données numériques sur des distances à l échelle d un pays, voire d un continent ou de plusieurs continents. Le réseau est soit terrestre, et il utilise en ce cas des infrastructures au niveau du sol, essentiellement de grands réseaux de fibre optique, soit hertzien, comme les réseaux satellite. FIGURE 1.4 Les différentes catégories de réseaux informatiques Les techniques utilisées par ces réseaux informatiques proviennent toutes du transfert de paquets, comme le relais de trames, Ethernet, les réseaux IP, etc. Elles sont étudiées tout au long de ce livre. Une caractéristique essentielle de ces réseaux informatiques, qui les différentie totalement des autres catégories de réseaux que nous allons aborder dans la suite de ce chapitre, provient de la gestion et du contrôle du réseau qui sont effectués par les équipements terminaux. Par exemple, pour qu il n y ait pas d embouteillage de paquets dans le réseau, l équipement terminal doit se réguler lui-même pour ne pas inonder le réseau de paquets. Pour se réguler, l équipement terminal mesure le temps de réponse aller-retour. Si ce temps de réponse grandit trop, le terminal ralentit son débit. On peut traduire cette fonction par le fait que l intelligence du réseau se trouve dans les machines terminales, c est-à-dire dans les machines commercialisées par l industrie informatique, d où leur nom de réseau informatique. L intérieur du réseau est généralement des plus simple, constitué de nœuds de transfert élémentaires et de lignes de communication. Le coût du réseau est surtout représenté par les équipements terminaux, qui possèdent toute la puissance nécessaire pour réaliser, contrôler et maintenir les communications. 7

7 Partie I Les éléments de base des réseaux Les réseaux informatiques forment un environnement asynchrone. Les données arrivent aux récepteurs à des instants qui ne sont pas définis à l avance, et les paquets peuvent mettre un temps plus ou moins long à parvenir à leur destinataire en fonction de la saturation du réseau. Cette caractéritique explique la difficulté de faire passer de la parole téléphonique dans ce type de réseau, puisque cette application, fortement synchrone, nécessite de remettre au combiné téléphonique des octets à des instants précis. Nous verrons dans la suite de ce livre les moyens de retrouver cette synchronisation dans un réseau asynchrone. Aujourd hui, le principal réseau informatique est représenté par Internet. Le réseau Internet transporte des paquets dits IP (Internet Protocol), qui ont une structure précise, que nous détaillons au chapitre 6. Plutôt que de parler de réseau Internet, nous préférons parler de réseau IP, qui marque une plus grande généralité. Les réseaux IP sont des réseaux qui transportent des paquets IP d une machine terminale à une autre. En un certain sens, Internet est un réseau IP particulier. D autre réseaux, comme les réseaux intranet, transportent également des paquets IP, mais avec des caractéritiques différentes d Internet. LES RÉSEAUX DE TÉLÉCOMMUNICATIONS Les opérateurs et les industriels des télécommunications ont une vision des réseaux très différente de celle des informaticiens. En effet, les contraintes de l application de base, la parole téléphonique, sont très sévères en ce qui concerne la synchronisation aux extrémités et le temps de traversée du réseau, qui doit être limité. Au lieu de partir d un environnement asynchrone, comme dans le cas des réseaux informatiques, et de l adapter pour accepter des applications synchrones, le monde des télécommunications s est avant tout soucié du passage d applications fortement synchrones. La parole étant de surcroît une application temps réel, les signaux doivent être remis à des instants précis dans le temps. On dit que cette application est isochrone pour bien préciser cette demande de forte synchronisation. La solution utilisée pour le moment pour résoudre ce problème de synchronisation est la commutation de circuits, c est-àdire la mise en place, entre l émetteur et le récepteur, d un circuit physique n appartenant qu aux deux utilisateurs en relation. La synchronisation correspond à la remise d un octet à intervalle régulier. En réception, un équipement, le codec, ou codeurdécodeur, transforme la parole en octet à l émetteur et fait la démarche inverse au récepteur. Ce codec doit recevoir les échantillons, composés d un octet, à des instants précis. La perte d un échantillon de temps en temps n est pas catastrophique, puisqu il suffit de remplacer l octet manquant par le précédent. Cependant, il ne faut pas que ce processus de perte se répète constamment, faute de quoi la qualité de la parole se détériore. Les réseaux de télécommunications orientés vers le transport de la parole téléphonique sont relativement simples et n ont pas besoin d une architecture complexe. Ils utilisent des commutateurs de circuits, ou autocommutateurs. Il y a plus d une vingtaine d années, lorsqu on a commencé à imaginer des réseaux intégrant la téléphonie et l informatique, la seule solution proposée se fondait sur des circuits, un circuit pour la 8

8 Chapitre 1 Les réseaux numériques parole téléphonique et un autre pour faire circuler des paquets de données. Les réseaux numériques à intégration de services (RNIS) commercialisés aujourd hui utilisent toujours la commutation de circuits. La figure 1.5 illustre un réseau à commutation de circuits et une ligne de communication RNIS, qui possède deux circuits. FIGURE 1.5 Réseau à commutation de circuits et RNIS Le coût de ces réseaux à commutation de circuits, dans lesquels le taux d utilisation des circuits est faible lorsque des paquets de données circulent à l intérieur, est bien supérieur à celui d un réseau informatique à transfert de paquets. Il faut cependant résoudre le problème du temps réel imposé par la parole téléphonique. Les recherches menées au début des années 80 ont conduit les industriels et les opérateurs de télécommunications à réaliser que le transfert de paquets était peut-être la bonne solution pour le transport intégré de l information. C est de là qu est né un transfert de paquets très particulier, appelé ATM (Asynchronous Transfer Mode), ou mode de transfert asynchrone, qui n est autre qu un transfert de paquets dans lequel tous les paquets ont une longueur à la fois fixe et très petite. Le monde des télécommunications a connu une véritable révolution avec l adoption, en 1988, de cette technique de transfert ATM. La technique ATM n a cependant pas su complètement résister à l arrivée massive d Internet et de son paquet IP (Internet Protocol). Les raisons en sont simples. Toutes les machines terminales provenant du monde informatique ont adopté l interface proposée par l informatique, c est-à-dire justement la solution IP. Ces machines terminales fabriquant des paquets IP, la vraie question est devenue : comment transporter des paquets IP? Le monde des télécommunications admet, depuis le début des années 2000, que les réseaux doivent posséder des interfaces IP, mais le débat commence lorsqu on souhaite définir comment les paquets IP doivent être transportés d un terminal à un autre. Le monde des télécommunications propose, comme nous l examinerons en détail, d encapsuler le paquet IP dans une autre structure, telle que le paquet ATM, puis de transporter le nouveau paquet et de décapsuler ce paquet à l arrivée pour retrouver le paquet IP. Nous avons illustré cette technique à la figure 1.6 dans un cas général, où le paquet IP est encapsulé dans un autre paquet, qui, luimême, est transporté dans le réseau de transfert. Le cas de l encapsulation dans un 9

9 Partie I Les éléments de base des réseaux réseau ATM demande une étape supplémentaire, consistant à découper le paquet IP, puisque que le paquet ATM est beaucoup plus petit que le paquet IP. FIGURE 1.6 Encapsulation d un paquet IP LES RÉSEAUX DES CÂBLO-OPÉRATEURS Les opérateurs vidéo, ou encore les câblo-opérateurs pour la partie terrestre câblée, sont les opérateurs chargés de la mise en place des réseaux câblés ou hertziens, avec pour objectif immédiat de transmettre des images de télévision par la voie terrestre ou hertzienne. Cette infrastructure de communication fait transiter des canaux vidéo vers l utilisateur final. L amortissement du câblage ou des relais hertziens passe par la mise à disposition des utilisateurs de nombreux canaux de télévision. Les opérateurs hertziens sont présents depuis de longues années avec la diffusion de canaux de télévision, qui a ses avantages et ses inconvénients. La numérisation de ce réseau, essentiellement analogique jusqu au début des années 2000, est en cours, aussi bien par satellite que par des relais terrestres numériques. Il existe de nombreuses qualités d image pour la vidéo, depuis les images saccadées et de faible définition jusqu aux images animées de très bonne qualité. La classification est généralement la suivante : La visioconférence, qui possède une définition relativement faible et dont la fonction est de montrer le visage du correspondant. Pour gagner en débit, on peut diminuer le nombre d image par seconde. La visioconférence se transporte aisément sur 10

10 Chapitre 1 Les réseaux numériques un canal numérique à 128 Kbit/s avec une compression simple à réaliser. On peut abaisser le débit jusqu à 64 Kbit/s, voire en deçà, mais, dans ce cas, la qualité est sérieusement affectée ou bien les codeurs-décodeurs correspondants sont à prix trop élevé. La qualité télévision ordinaire représente un canal de 4 ou 5 MHz de bande passante en analogique. La numérisation brutale de ce canal produit un débit de plus de 200 Mbit/s. Une fois compressé, ce débit peut descendre à 2 Mbit/s, pratiquement sans perte de qualité. On peut, avec une compression poussée, aller vers des débits de quelques centaines de kilobits par seconde, mais la qualité s en trouve parfois dégradée. De plus, à ces débits, les erreurs en ligne deviennent gênantes, car elles perturbent l image au moment de la décompression. Le mieux est de trouver un compromis entre une forte compression et un taux d erreur de 10 9, qui ne détruit qu une infime fraction de l image et ne gêne pas sa vision. Le standard pour la transmission d un canal de télévision numérique est aujourd hui MPEG-2 (voir le chapitre 32). Les progrès des codeurs-décodeurs devraient permettre, dans quelques années, de faire passer un canal de télévision sur une bande encore plus restreinte, en y ajoutant de nouvelles fonctionnalités. Les standards MPEG-4 (2 000) et MPEG-7 (2 003) proposent de nouvelles solutions de codage et de compression pour toutes les sortes de transmissions d images animées, avec des possibilités de reconnaissance d image par des codages par objet. La qualité télévision haute définition demande des transmissions à plus de 500 Mbit/s, si aucune compression n est effectuée. Après compression, on peut obtenir une valeur de 35 Mbit/s, voire descendre vers les 4 Mbit/s. La qualité vidéoconférence, qui se rapproche du cinéma, requiert des débits considérables. Étant donné les débits demandés, ce type de canal ne sera intégré que beaucoup plus tard dans les applications multimédias. Les câblo-opérateurs se préoccupent en premier lieu de diffuser des images animées. Les structures de câblage mises en place correspondent à l arrivée chez l utilisateur de nombreux canaux de télévision, qui se comptent aujourd hui par centaines. Les applications vidéo qui peuvent être développées sont nombreuses. Elles vont de la télésurveillance à la vidéo à la demande, ou VoD (Video on Demand), en passant par la messagerie vidéo. Pour le moment, les industriels de ce secteur effectuent encore souvent la transmission sous forme analogique pour optimiser le coût de l infrastructure. La transmission numérique est en train de prendre la relève pour le transport des applications multimédias. On peut citer l architecture de transport vidéo du groupement DAVIC (Digital Audio VIsual Council), fondé en 1994 (voir le chapitre 32). Les réseaux câblés, utilisés par les diffuseurs sur la partie terminale du réseau de distribution, sont réalisés avec comme support physique le CATV, ou câble d antenne de télévision, qui n est autre qu un câble coaxial de 75 Ω, dont la largeur de bande dépasse 1 GHz. C est un support unidirectionnel, qui implique d envoyer le signal vers un centre, qui le rediffuse à toutes les stations connectées, contrairement à ce qui se passe, par exemple, dans le réseau Ethernet, où le signal est diffusé dans les deux sens du support physique. De ce fait, dans un réseau de CATV, il faut diffuser soit à partir du centre vers la périphérie la transmission ne se fait alors que dans un seul 11

11 Partie I Les éléments de base des réseaux sens, et l utilisateur final n a pas de canal retour, soit à partir de deux câbles en parallèle, dont l un permet de remonter jusqu à la tête de réseau. On peut également, dans le cas bidirectionnel, se permettre de n avoir qu un seul câble coaxial mais une bande passante divisée en deux. Une partie de la bande passante sert à aller vers la tête de réseau, qui possède un retransmetteur permettant une diffusion, et l autre partie vers l ensemble des utilisateurs. On parle en ce cas de bande montante et de bande descendante. Aujourd hui, on utilise parfois la fibre optique à la place du câble coaxial, en grande partie parce que le prix de revient de la fibre optique et des connecteurs devient concurrentiel. La bande passante est beaucoup plus importante dans ce cas. Les réseaux câblés ont été exploités pendant longtemps en analogique et non en numérique. À moyen terme, ils pourraient être utilisés pour acheminer des applications multimédias. Le passage intermédiaire, que nous vivons actuellement, permet déjà le partage d un canal à 34 Mbit/s, que les utilisateurs extrémité se partagent pour accéder à un opérateur de réseau Internet. Le câblage de ces câblo-opérateurs a l avantage d arriver dans presque tous les foyers et d être une porte d entrée vers l utilisateur final. Ce câblage, qui est une des clés de la diffusion généralisée de l information, a été durant de nombreuses années la proie des opérateurs de télécommunications, qui cherchaient à s ouvrir un accès haut débit vers les utilisateurs. Cependant, il faut bien noter que la technique principale utilisée par ces câblo-opérateurs pour transporter les canaux de télévision est un multiplexage en fréquence, c est-à-dire une partition de la bande passante du câble en sous-bandes. Chaque sousbande transporte un canal de télévision. Cette solution est illustrée à la figure 1.7. FIGURE 1.7 Le multiplexage en fréquence dans un CATV Cette technique de multiplexage en fréquence d un grand nombre de sous-bandes pour les équipements de réception présente l inconvénient de requérir autant de récepteurs que de canaux à accéder. Il faut un décodeur de télévision pour recevoir un canal parmi tous les canaux disponibles, un modem câble si l on veut émettre des données vers un réseau comme Internet et un boîtier d accès téléphonique pour assurer la parole numérique. Les techniques de multiplexage temporel, dans lesquelles le temps est découpé en petites tranches affectées régulièrement aux utilisateurs, sont 12

12 Chapitre 1 Les réseaux numériques évidemment beaucoup plus puissantes, puisqu un seul émetteur-récepteur permet de recevoir tous les canaux. En conclusion, on peut dire que la puissante technique employée par les câblo-opérateurs permet une intégration dans le CATV d un grand nombre d applications utilisant des sous-bandes différentes, adaptées à chaque type de transmission. Son principal inconvénient vient du multiplexage en fréquence, qui conduit les câblo-opérateurs à utiliser un grand nombres de bandes en parallèle. Ces bandes peuvent être considérées comme des canaux de communication indépendants les uns des autres, de telle sorte qu il n y a pas d intégration des flux. Cela peut s exprimer de la façon suivante : si une bande n est pas utilisée, personne d autre ne peut l utiliser. Dans une bonne intégration, lorsqu un client n utilise pas la ressource qui lui est affectée, les autres clients peuvent la récupérer pendant le temps de non-utilisation. LES RÉSEAUX MULTIMÉDIAS Les sections précédentes ont introduit les trois grandes catégories de réseaux, informatique, de télécommunications et des câblo-opérateurs, qui se proposent de transporter respectivement les données informatiques, la parole téléphonique et la vidéo. Chacun de ces réseaux essaie de prendre en charge les trois médias simultanément pour tendre vers un réseau multimédia. Cette section détaille les caractéristiques d un réseau multimédia, ainsi que les contraintes qu il doit supporter. Le multimédia Les applications multimédias impliquent l utilisation simultanée de plusieurs médias, qui sont transportés par les réseaux de façon plus ou moins intégrée. L intégration désigne ici la possibilité de transporter des données provenant de sources différentes via un support unique. Le RNIS bande étroite (réseau numérique à intégration de service) a pour fonction d intégrer les applications informatiques à bas et moyen débit aux applications téléphoniques. Le RNIS large bande sert quant à lui à associer les applications informatiques, la vidéo et la parole. L intégration de plusieurs services par l intermédiaire d un même réseau présente une difficulté. Elle doit en effet supporter les différentes qualités de service et les contraintes liées au type de service. En d autres termes, le réseau unique doit permettre une qualité de service donnée, qui peut ne pas convenir aux différentes applications. L exemple le plus marquant de ce fait est l intégration de la parole téléphonique avec des services de données. Le service de parole demande un débit constant, avec une contrainte de temps de bout en bout et, éventuellement, des pertes de paquets relativement importantes, alors que le service de données est asynchrone, sans aucune synchronisation, et peut requérir un fort débit et un taux d erreur excessivement faible. Les applications multimédias se développent très vite, car elles apportent de nouvelles fonctionnalités à la communication entre deux utilisateurs. Ces applications 13

13 Partie I Les éléments de base des réseaux offrent un spectre de services plus large et peuvent s appuyer sur le média le plus approprié à un instant donné. L application multimédia la plus courante est la suivante : l utilisateur dispose sur son écran de plusieurs fenêtres lui permettant de suivre simultanément les informations provenant des différents médias. Outre cet écran, différents équipements de communication complètent la panoplie multimédia : un micro, un haut-parleur, une souris, permettant le contrôle de l écran, une imprimante, etc. Sur son écran, l utilisateur voit en vidéo l image du ou des correspondant, image qui peut être agrandie ou diminuée suivant son utilisation. Les autres fenêtres comportent des informations écrites ou graphiques. Pour éviter un telle complexité, les applications n utilisent généralement que peu de médias. Les applications de télécommunications ou d informatique distribuée n utilisent aujourd hui qu un seul média. Le RNIS (réseau numérique à intégration de service) La première approche d un réseau multimédia a été le RNIS, capable d intégrer deux médias, la parole téléphonique et les données informatiques. Les figures 1.8 à 1.11 illustrent l évolution des réseaux à intégration de service. La première étape a consisté à cacher les différents réseaux existants par une interface utilisateur unique, l interface S. De la sorte, les équipements terminaux peuvent accéder aux divers réseaux. Pour l utilisateur, la vue est unique, et les réseaux sont transparents. Les données doivent être transportées par le meilleur chemin possible, avec une qualité de service déterminée. Ce réseau RNIS, en anglais, ISDN (Integrated Services Digital Network), est illustré à la figure 1.8. FIGURE 1.8 Le RNIS bande étroite 14

14 Chapitre 1 Les réseaux numériques Le RNIS a été étendu par l introduction d un réseau de signalisation, encore appelé réseau sémaphore, qui a pour fonction de transporter les commandes, ou signalisation. Pour mieux comprendre le rôle et l avantage de la signalisation, prenons l exemple simple de l application téléphonique. Lorsque l abonné numérote, sa signalisation part par l interface S et arrive dans le réseau sémaphore, qui véhicule ces quelques octets jusqu à l appareil du correspondant en un temps inférieur à 100 ms. Si celui-ci est déjà en train de téléphoner, une signalisation repart vers l émetteur et produit une tonalité d occupation. Il n y a donc pas utilisation des circuits du réseau téléphonique. Si le poste du correspondant est libre, la signalisation déclenche la sonnerie. Si l utilisateur distant est absent, c est une nouvelle signalisation partant de l émetteur, toujours acheminée par le réseau sémaphore, qui arrête la sonnerie. Dans ce cas, le réseau téléphonique n est pas non plus utilisé. Si l abonné destinataire décroche, une signalisation part et met en place un circuit. Ce circuit a été prévu par la commande initiale, qui, lors de son acheminement, a consulté les nœuds de commutation du réseau téléphonique pour s assurer de pouvoir le mettre en place, si la demande de connexion aboutit. Le réseau sémaphore permet un gain d utilisation de 10 à 20 p. 100 du réseau téléphonique. Ce réseau de signalisation est connu et normalisé depuis de longues années sous le sigle CCITT n 7, ou, en anglais, SS7. C est un réseau à transfert de paquets, qui suit l architecture du modèle de référence. Nous le décrivons plus en détail au chapitre 36. La figure 1.9 présente cette extension du RNIS. FIGURE 1.9 Le RNIS avec réseau sémaphore L étape suivante consiste en l arrivée d un nouveau réseau, le RNIS large bande, permettant de prendre en charge les très hauts débits. La première technique choisie pour ce réseau a été le transfert ATM. Aujourd hui, nous nous dirigeons vers d autres 15

15 Partie I Les éléments de base des réseaux possibilités, comme MPLS (MultiProtcol Label-Switching) ou un réseau IP contrôlé. Nous y reviendrons plus loin. Ce réseau supplémentaire s ajoute aux réseaux bande étroite, comme illustré à la figure FIGURE 1.10 L extension du RNIS avec un réseau large bande Les interfaces de l utilisateur peuvent toujours être de type S, mais avec des extensions, comme nous le verrons au chapitre 8. Comme le réseau IP est de plus en plus considéré comme le réseau large bande du futur, il est aujourd hui presque certain que l interface avec l utilisateur sera une interface IP. L étape ultime verra l intégration de tous les réseaux dans un seul et même réseau, qui sera le réseau large bande. Le réseau sémaphore sera lui-même intégré dans le réseau large bande. Les équipements terminaux comporteront des organes permettant de produire et de recevoir directement des paquets. Le format de ces paquets correspondra au choix de la technologie adoptée pour le réseau large bande. Ce réseau est illustré à la figure Il s agit du réseau large bande intégré, ou IBCN (Integrated Broadband Communication Network). On donne de plus en plus souvent à ce réseau le nom de NGN (Next Generation Network), parce que IBCN a été introduit en pensant que la structure serait ATM, alors que cette dernière est encore loin d être parfaitement déterminée. La seule certitude concerne l interface, qui est et qui sera l interface IP. Nous reviendrons sur les choix possibles dans le chapitre de conclusion de cet ouvrage. 16

16 Chapitre 1 Les réseaux numériques FIGURE 1.11 Le réseau large bande intégré Le réseau multimédia du futur Une application multimédia utilise en même temps l image animée, la parole, le graphisme et des assistances diverses. Les réseaux qui existent aujourd hui devraient disparaître au profit d un réseau de transfert unifié, qui transportera les applications multimédias de façon intégrée. En d autres termes, le réseau sera apte à acheminer simultanément la voix, les données et l image animée. Un autre défi s annonce concernant les débits qui devront être transportés sur les grands réseaux, notamment du fait de l augmentation des puissances des machines terminales. La figure 1.12 illustre la progression des débits des équipements terminaux et montre clairement que ceux des années 2000 vont apporter un bouleversement complet du monde des réseaux, de par les débits toujours plus grands qui devront être supportés. FIGURE 1.12 L augmentation des débits des terminaux 17

17 Partie I Les éléments de base des réseaux CONCLUSION Ce premier chapitre a introduit les premiers concepts des réseaux. Ils proviennent de différents horizons : informatique, télécommunications et vidéo. La convergence vers un réseau unique ne se dessine que pour l interface utilisateur, qui sera de type IP. Toute la question est maintenant de savoir comment seront transportés les paquets IP d une machine terminale à une autre. Le but de ce livre est de détailler toutes les solutions, de la façon la plus graduelle possible, en examinant tous les éléments nécessaires à la construction d un réseau de bout en bout. RÉFÉRENCES Les références fournies dans ce chapitre concernent des ouvrages généraux. Dans cette bibliographie, nous nous sommes limités aux livres, classés ici par ordre alphabétique d auteur. Livre généraliste, avec une approche non technique, pour une introduction globale au monde des télécommunications : T. ANTTALAINEN Introduction to Telecommunications Network Engineering, Artech House, 1999 Le livre d Ahuja se préoccupe plus spécialement de la définition et de l implantation d un réseau informatique : V. AHUJA Design and Analysis of Computer Communication Networks, McGraw- Hill, 1982 Un livre qui se veut plus pratique et qui donne les bases des techniques utilisées dans les réseaux de télécommunications : W. J. BARKSDALE Practical Computer Data Communications, Plenum Press, 1986 La téléphonie numérique a été introduite il y a une vingtaine d années. Le livre de Bellamy est le premier ouvrage complet expliquant les problèmes liés à cette numérisation : J. BELLAMY Digital Telephony, Wiley, 1982 Un livre complet sur l architecture des réseaux IP de nouvelle génération : S. BRADNER, A. MANKIN IPng: Internet Protocol Next Generation, Addison Wesley, 2000 Excellent livre de présentation du domaine des réseaux et des télécommunications : M. P. CLARK Networks and Telecommunications: Design and Operation, Wiley,

18 Chapitre 1 Les réseaux numériques Un des auteurs les plus lus de ces dernières années : D. E. COMER Internetworking with TCP/IP Volume 1: Principles, Protocols, and Architecture, Prentice Hall, 2000 Les transmissions sont passées de l analogique au numérique dans les années 70. Le livre de L. Couch décrit bien ce processus et montre les grandes directions prises au début des années 80 : L. COUCH Digital and Analog Communication Systems, Macmillan, 1983 Les systèmes distribués sont nés de l émergence des réseaux d ordinateurs. Comment distribuer la puissance de calcul et comment décrire une application distribuée : telles sont les deux questions de base de cet ouvrage. C est un des tout premiers livres dans ce domaine : R. J. CYPSER Communications Architecture for Distributed Systems, Addison Wesley Reading, 1978 Davies et Barber ont été des précurseurs dans le domaine des réseaux d ordinateurs. Ils en ont expérimenté en Angleterre un des prototypes et en ont tiré un livre : D. W. DAVIES, D. L. A. BARBER A Communication Networks for Computers, Wiley, 1973 Le livre suivant de Freeman propose un ensemble très complet de la situation des télécommunications au début des années 2000 : R. FREEMAN Fundamentals of Telecommunications, Wiley, 1999 Prédire l avenir est toujours extrêmement difficile. C est le but de ce livre écrit au début des années 80 et qui reste d actualité sur bien des plans : A. GLOWINSKI Télécommunications : objectif 2000, Dunod, 1980 Les standards de l architecture ISO (interconnexion des systèmes ouverts) sont décrits dans ce livre complet. Il fait partie de la dizaine de livres que l on peut choisir sur ce domaine précis : K. G. KNIGHTSON, T. KNOWLES, J. LARMOUTH Standards for Open Systems Interconnection, McGraw-Hill, 1988 Un livre très pédagogique sur les bases des réseaux de télécommunications : K. KOBAYAHI Computers and Communications, MIT Press, 1986 Ce livre traite de manière complète des réseaux haut débit et devrait, à ce titre, intéresser de nombreux lecteurs qui souhaitent se spécialiser dans les réseaux du futur : D. KOFMAN, M. GAGNAIRE Réseaux haut débit, InterÉditions, 1999 Excellent livre, très didactique, partant des couches supérieures pour aller vers les couches inférieures, introduisant les modèles architecturaux d aujourd hui : J. F. KUROSE, K. W. ROSS Computer Networking, Addison Wesley, 2000 Un bon livre, pour une introduction complète aux différentes catégories de réseaux : X. LAGRANGE Introduction aux réseaux, Artech House,

19 Partie I Les éléments de base des réseaux Le livre suivant introduit et approfondit les principales notions nécessaires dans les réseaux de télécommunications : W. S. LEE, D. C. BROWN Advances in Telecommunications Networks, Artech House, 1995 Le Macchi-Guilbert est un des grands livres de référence de ces vingt dernières années. La première édition, datant de la fin des années 70, dressait un tableau complet des réseaux et présentait la théorie du signal associée. Ce livre a été refondu et complété en 1988 : C. MACCHI, J. F. GUILBERT Téléinformatique, Dunod, 1988 James Martin a écrit de nombreux livres sur les réseaux. En voici quelques-uns. Ce sont des ouvrages généralement pédagogiques, qui rendent compte de la situation en la matière : J. MARTIN Future Developments in Telecommunications, 2 nd édition, Prentice Hall, 1978 J. MARTIN System Analysis for Data Transmission, Prentice Hall, 1972 J. MARTIN Computer Networks and Distributed Processing, Prentice Hall, 1981 Livre généraliste pour une introduction globale au monde des télécommunications : J. G. NELLIST, E. M. GILBERT Modern Telecommunications, Artech House, 1999 Nora et Minc ont rendu au gouvernement, en 1978, un rapport célèbre sur la jonction des télécommunications et de l informatique. Le mot télématique a été introduit dans ce document, qui n est autre que le rapport lui-même : S. NORA, A. MINC L informatique de la société, La Documentation française, 1978 Ce livre essaie de donner un panorama complet, en peu de pages, du domaine des réseaux et des télécommunications : C. PARTRIDGE Gigabit Networking, Addison Wesley, 1997 Ce livre essaie de donner un panorama complet, en 700 pages, du domaine des réseaux et des télécommunications : L. L. PETERSON, B. S. DAVIE Computer Networks, Morgan Kaufman, 2000 Ce livre essaie de donner un panorama complet, en peu de pages, du domaine des réseaux et des télécommunications : G. PUJOLLE Télécommunications et réseaux, Eyrolles, 1992 Un des grands classiques de la fin des années 80 : G. PUJOLLE, D. SERET, D. DROMARD, E. HORLAIT Réseaux et télématique, Eyrolles, 1985 Livre qui permet de bien comprendre la transformation technologique des dix dernières années du domaine des réseaux : C. RIGAULT Principes de commutation numérique : du téléphone au multimédia, Hermes,

20 Chapitre 1 Les réseaux numériques Un des tout premiers livres à présenter l intégration des services d une façon assez exhaustive : A. RUKOWSKI Integrated Services Digital Networks, Artech House, 1985 Si l on souhaite se spécialiser en réseaux haut débit, cette référence est une des meilleures du marché : K. THAI, V. VEQUE, S. ZNATI Architecture des réseaux haut débit, Hermes, 1995 W. Stallings a publié toute une série de livres sur les standards. Ces trois ouvrages concernent le modèle OSI, les réseaux locaux et le modèle TCP/IP : W. STALLINGS Handbook of Computer-Communications Standards, vol. 1: the Open Systems Interconnection (OSI) Model and OSI-related Standards, Macmillan, 1987 W. STALLINGS Handbook of Computer-Communications Standards, vol. 2: Local Network Standards, Macmillan, 1987 W. STALLINGS Handbook of Computer-Communications Standards, vol. 3: Department of Defense (DoD) Protocol Standards, Macmillan, 1987 Le livre de Tanenbaum est certainement l un des plus vendus de ces dix dernières années grâce à une approche très pédagogique. Ce livre a été traduit en français : A. TANENBAUM Computer Networks, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1988 (trad. fr. : Réseaux Architectures, protocoles, applications, InterÉditions, 1996) 21