On sait que le Modèle OSI, créé en commun par l’ISO et l’UIT-T, définit les rapports mutuels des protocoles de communication entre les terminaux informatiques de toute nature. Sept couches fonctionnelles de protocole ont été distinguées, dont les quatre premières (les couches basses) contribuent à l’échange des applications entre utilisateurs à travers les réseaux de données. Ces couches jouent un rôle important autant dans le réseau d’accès que dans le réseau de transport à grande distance (WAN).
1 – Les fonctions des couches basses
La couche physique
Elle fournit les procédures et elle décrit les moyens mécaniques, électriques et fonctionnels nécessaires à l’établissement, au maintien et à la libération des connexions physiques entre entités de liaison. La couche physique synchronise l’envoi sur le support des éléments binaires et assure la signalisation de la liaison physique. Elle est matériellement représentée par le débit des modems de la série V, celui des trames numériques (à 64 kbit/s, par exemple ou des trames des systèmes xDSL, etc.), les flux sur fibres optiques en SDH, etc.
La couche liaison de données
Elle assure les procédures de contrôle des liaisons fiables de données (HDLC ou PPP). La couche liaison de données fournit les procédures et les moyens fonctionnels nécessaires à l’établissement, au maintien et à la libération d’une ou de plusieurs liaisons de données entre entités de réseau. Elle fournit l’adresse de la liaison. Elle réduit le risque d’erreur de transmission, synchronise les blocs de données et peut sélectionner la voie de transmission la mieux appropriée.
La couche réseau
Cette couche réseau regroupe l’acheminement de l’appel, le multiplexage, le routage, la taxation, le contrôle de flux, le contrôle d’erreur et le contrôle des ressources du réseau. Les entités de la couche réseau participent à la surveillance des connexions de réseau entre entités de transport. La couche réseau porte l’adresse du terminal. Elle est aujourd’hui représentée principalement par le protocole Internet (IP).
La couche transport
Le contrôle du transfert des données du système origine au système destination est la dernière fonction à mettre en œuvre pour fournir la totalité du service de transport de bout en bout (adaptation aux caractéristiques du réseau, contrôle d’erreur, segmentation et formation des blocs, compilation des adresses). Les protocoles TCP et UDP assurent la fonction transport et complètent l’action de IP.
Place des couches basses dans le modèle OSI
2 - Les différentes couches physiques
2.1 - Organisation
Une bande de fréquences permet un certain débit de données, défini par une loi mathématique qui dépend des règles de codage utilisées. Dans un canal de transmission, le débit en ligne est proche du débit théorique, sans toutefois lui être égal. Le débit utile est issu d’une compression après codage. Il reçoit un adressage de destination avant d’être acheminé.
La couche physique traite de la modulation utilisée sur le support de transmission (codage de canal), de l’adaptation aux liaisons, de la synchronisation et de l’accès multiple. À cause des difficultés rencontrées par la propagation en espace libre, la couche physique est plus complexe en technique radioélectrique qu’en filaire. La fibre optique et le milieu hertzien complètent la palette offerte par les supports métalliques.
2.2 – Modem
Les modems permettent la conversion des signaux binaires grâce, par exemple, à la variation de phase et d’amplitude d’une fréquence porteuse et réciproquement. À la modulation effectuée par le modem s’ajoutent dans la couche physique la fonction de synchronisation, l’égalisation et la fonction de codage qui ajoute (puis retranche) la redondance nécessaire au contrôle d’erreur.
2.3 - Couche physique optique
Les émetteurs lasers et les diodes du marché permettent aujourd’hui d’obtenir des débits élevés (pratiquement sans erreur) sur les fibres optiques, ce qui réalise l’objectif visé par la couche physique du modèle OSI. Des débits binaires différents (DWDM) peuvent être mis en place sur chacune des longueurs d’onde de la fibre optique (voir DT N°15). La problématique posée par cette technologie est celle de l’acheminement correct et permanent des divers flux de trafic et de la gestion des services dans le réseau.
2.4 La couche physique radioélectrique
En milieu hertzien, la couche physique met en jeu des modems dont les caractéristiques doivent répondre aux difficultés posées par le milieu de propagation. Le choix des fréquences de travail dépend des mesures réglementaires et de considérations techniques complexes. La gamme de fréquence retenue, la puissance des émetteurs et la sensibilité des récepteurs déterminent la portée. Le parcours est soumis aux évanouissements (fadings) et à diverses perturbations. Différents types de modulation assurent un bon niveau de qualité de service et de confidentialité. (voir DT N° 12).
3 - Réalisation pratique
Chaque couche du modèle ajoute des informations de service aux données utilisateur. L’information utile est transmise à travers les couches comme si les couches n’existaient pas. Les en-têtes marqués correspondent aux informations apportées par chaque couche fonctionnelle. Ces "en-têtes" sont définis sous forme d’octets.
Présentation du transfert d’information selon OSI
Les exploitants de réseau ont la possibilité d’utiliser les ressources des différentes couches basses du modèle OSI disponibles sur les artères de transmission tout en garantissant la qualité de service nécessaire à leur clientèle. Le souci économique recommande d’associer des flux semblables dans des supports adaptés tout en veillant au remplissage optimal des canaux de multiplexage.
Jusqu’ici, le trafic dominant était celui de la parole, qui conduit à des modèles de trafic bien identifiés et symétriques. Le trafic de données est très différent. Il se présente en rafales ou en diffusion et le jeu des demandes et des réponses conduisent au transport de flux asymétriques. La transmission simultanée de services numériques de données, d’images et de sons crée une situation nouvelle qui déstabilise les modèles techniques et économiques utilisés jusqu’ici.
Les développements s’orientent aujourd’hui vers des équipements de multiplexage et un acheminement plus simple, plus économiques, orientés vers des flux asymétriques.
Il est évident que pour des raisons pratiques et économiques, l’électronique et les logiciels disponibles aujourd’hui recommandent de fusionner les couches 1 et 2 dans la mesure du possible. On retrouve ces fusions également dans le cas des réseaux locaux filaires ou radioélectriques, l’essentiel étant de présenter des interfaces normalisées à l’entrée et à la sortie des LAN et WLAN.
Traduction de protocoles entre LAN et réseau X.25
4 – Relations entre réseau d’accès, WAN et destinataire
Les données entre utilisateur et la base d’informations demandée transitent par le réseau d’accès d’origine de la demande, le réseau à grande distance (Wide Area Network) et par le réseau d’accès du destinataire, selon le schéma ci-dessous. Les sept couches de protocole sont sollicitées au départ et à l’arrivée. Au cours du transport, les centres (ou nœuds de réseau) de transit ne traitent que les trois premières couches pour effectuer l’acheminement des messages. Bien entendu, à l’image des centres de tri postaux, les centres de transit ne prennent pas connaissance du contenu des messages et ils n’ont donc pas accès aux couches supérieures de protocoles.
Transit de l’information entre réseaux d’accès
Le centre d’accès de l’utilisateur reçoit les trames ADSL et les retransmet sur le réseau à grande distance sur des liaisons qui disposent d’un autre protocole. Le multiplexeur de ligne d’abonnés numériques DSLAM de ce centre doit donc traduire les trames ADSL dans un autre protocole. C’est ce que symbolisent les flèches noires montantes et descendantes des centres traversés.
5 – Correspondances des protocoles de réseau d’accès
Les réseaux locaux ne disposent pas de couches 1 et 2 qui soient en étroite correspondance avec celles du modèle OSI. Une couche d’adaptation permet de compléter les fonctions de sorte que WLAN et réseaux Ethernet soient vus par le WAN comme un prolongement naturel et réciproquement.
Couches de protocole de réseau local LAN
Les réseaux câblés disposent d’une pile de protocoles compatible en IP.
Pile de protocoles des réseaux câblés HFC
L’ATM, conçue à la fois pour réseau local et pour le réseau à grande distance, peut être considérée comme un protocole de couche 1 capable de transporter les données directement. Toutefois, pour des raisons de gestion, les exploitants préfèrent lui associer IP au préalable.
Les couches ATM
6 – Autres réalisations pratiques en réseau d’accès
L’ADSL est une couche 1, composée de deux sous couches, qui peut transporter au besoin de l’IP et de l’ATM. Pour la gestion des terminaux, une couche 2 (PPP, proche d’HDLC) est nécessaire. Les réseaux Ethernet en fibre optique nécessitent une couche 2 complémentaire (PPoE) pour l’adressage.
7 – Protocoles de réseau WAN
Sur fibre optique, IP et ATM sur SDH ont été longtemps en concurrence, IP sur ATM offrant un avantage sécuritaire coûteux, mais utile pour la gestion des forts trafics (voir DT N° 17 et 19). Aujourd’hui, MPLS, GMPLS et Diff Serv viennent renforcer les couples TCP/IP et UDP/IP, ce dernier étant orienté vers les applications multimédias de type "temps réel".
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