Réseaux et protocoles : cours de Terminale SI

Un système moderne ne vit presque jamais seul. Une voiture, un bâtiment, une usine ou un objet connecté échangent des informations avec d'autres équipements : capteurs, commandes, serveurs, téléphones. Pour que ces échanges fonctionnent, il faut des câbles ou des ondes, mais aussi des règles communes que chaque équipement sait lire. Ce chapitre s'intéresse à ces règles et à la façon dont on les organise.

Tu as déjà vu comment une grandeur physique devient un signal, comment on l'échantillonne puis comment on le filtre. Ici, on s'occupe de la suite de l'histoire : une fois l'information numérisée, comment la transporter d'un point à un autre sans la dénaturer ? C'est la question centrale des réseaux, et c'est aussi un thème de travaux pratiques en sciences de l'ingénieur : les ressources pédagogiques du domaine proposent par exemple d'observer des topologies, de choisir des câbles, de configurer des ordinateurs et de tester la connexion ².

Les thématiques de ce domaine sont larges. On y rencontre des réseaux filaires en cuivre, des réseaux sans fil de type Wi-Fi, des liaisons par la lumière visible (LiFi) ou encore des réseaux de communication utilisés dans l'industrie ¹. Une ressource de sciences de l'ingénieur présente les réseaux de communication et d'énergie comme exemples concrets des territoires et des produits intelligents ⁴. Une ressource de configuration réseau liste comme savoirs les concepts fondamentaux (architecture, types de réseaux, topologies, équipements), des protocoles de bas niveau, la transmission sans fil et la sécurisation d'un système d'exploitation réseau ³.

Ton objectif dans ce cours : savoir expliquer ce qu'est un protocole, situer un protocole dans une pile de couches, lire une configuration réseau de base et comprendre le rôle des protocoles sans fil, industriels et de sécurité les plus courants.

Reformulons avec une image. Quand deux personnes se parlent au téléphone, elles s'accordent sans y penser sur des règles : qui décroche, comment on se salue, dans quelle langue on parle, comment on signale qu'on n'entend plus. Un protocole joue ce rôle entre machines. Il fixe le format des messages, l'ordre des échanges et les réactions attendues quand quelque chose se passe mal.

Le mot « protocole » désigne la règle, mais il sert aussi à nommer le logiciel qui l'applique. Dans le vocabulaire courant, on dit « protocole » ou « pile de protocoles » pour parler du programme qui met la règle en œuvre sur un équipement ⁵. Retiens donc deux sens : la spécification (le texte qui décrit la règle) et l'implémentation (le logiciel qui l'exécute).

Un seul protocole ne peut pas tout faire : envoyer des bits sur un fil, trouver le chemin d'un message à travers plusieurs réseaux et présenter les données à une application sont des problèmes très différents. On les sépare donc en couches. Chaque couche s'occupe d'une partie du travail et s'appuie sur la couche située en dessous.

Il est fréquent que plusieurs protocoles forment ainsi des couches de protocoles ⁵. Cette organisation a un avantage pratique : elle permet de s'y retrouver parmi les nombreux protocoles et même de remplacer l'un d'eux sans refaire tout le reste ⁵.

Les nombres de couches et le constat d'usage viennent de la même description des modèles ⁵.

On repère aussi un vocabulaire de numéros de couches. Une classe de protocoles se situe au niveau de la couche physique du modèle OSI, d'autres aux couches 2 et 3, la couche 3 correspondant à la couche réseau de ce modèle ⁵. Quand on dit qu'un VPN circule en « couche 2 ou 3 », on indique à quel étage de la pile ses paquets sont traités ⁶. IPsec, par exemple, transporte des paquets de couche 3 ⁶.

Pour que le matériel de fabricants différents fonctionne ensemble, les règles doivent être écrites et partagées : c'est la normalisation. Les protocoles les plus récents sont standardisés par l'IETF lorsqu'il s'agit de communications sur Internet, et par l'IEEE ou l'ISO pour d'autres types de communication ⁵. L'UIT-T s'occupe des protocoles et des formats des télécommunications ⁵.

Avant de configurer, on observe. Une activité classique consiste à comparer la topologie logique et la topologie physique d'un réseau ². La topologie physique décrit comment les équipements sont reliés (câbles, prises, commutateurs). La topologie logique décrit comment l'information circule réellement entre eux. Les deux ne se superposent pas toujours, et c'est précisément ce qu'on apprend à repérer. Les ressources du domaine rangent d'ailleurs parmi les concepts fondamentaux l'architecture, les types de réseaux, les topologies et les équipements ³.

Une séance de mise en route comprend plusieurs gestes :

• connecter les équipements en choisissant les câbles adaptés ² ;
• configurer des ordinateurs : adressage IPv4 et IPv6, masque de sous-réseau, passerelle, DNS et connexion Wi-Fi ² ;
• tester la connexion et l'accès à Internet, tracer le chemin du réseau ² ;
• vérifier la topologie réelle avec un analyseur de trames comme Wireshark ².

Une partie de ce travail peut se préparer en simulation : certaines ressources demandent de configurer un réseau de base avec le logiciel Packet Tracer, en parallèle de la documentation consultée ³.

Chaque machine d'un réseau IP a besoin d'une adresse. Deux versions du protocole coexistent : IPv4 et IPv6 ². Elles se comparent sur un critère simple, le nombre d'adresses.

Les ressources du domaine résument ainsi l'enjeu : IPv4 souffre d'une pénurie d'adresses, alors que IPv6 propose un nombre d'adresses disponibles de l'ordre de 340 × 10^36, au prix d'un format plus lourd à manipuler ³.

La pénurie d'un côté et l'abondance de l'autre sont décrites dans la ressource de configuration de base ³.

Le sans fil libère du câble, mais il expose les échanges : n'importe quel équipement à portée peut capter les ondes. D'où l'importance de la sécurité. Les ressources du domaine évoquent la transmission sans fil de type IEEE 802.11, c'est-à-dire le Wi-Fi ³, et la sécurisation d'un système d'exploitation réseau ³.

Un protocole de sécurité cité dans les ressources est WEP (Wired Equivalent Privacy) : c'est le protocole de sécurité d'origine du standard 802.11 pour les réseaux locaux sans fil ³. Retiens son rôle historique : il montre que la sécurité est un composant du protocole. WEP est aujourd'hui jugé peu sûr et a été remplacé par WPA2 puis WPA3.

En sciences de l'ingénieur, tu croises des systèmes où les communications ne passent pas par un réseau domestique. Les produits supports d'expérimentation sont multi-physiques et communiquent par des protocoles standards ou par des bus de communication, avec des échanges entre clients et serveurs ⁴. Le but pédagogique est d'analyser les principaux protocoles d'un réseau de communication et leurs supports matériels, puis de relever les grandeurs caractéristiques d'un protocole ⁴.

Le principe repose sur un tunnel. Un logiciel de VPN gère la connexion de façon transparente, et les ordinateurs se retrouvent comme sur un même réseau local virtuel ⁶. Conséquence pratique : on peut contourner certaines restrictions du réseau, comme des pare-feux ou des proxys ⁶.

Il existe aussi une autre forme de VPN : un réseau virtuel privé étanche transporté sur un nuage MPLS, où « virtuel » signifie que l'infrastructure fait circuler plusieurs réseaux séparés les uns des autres ⁶.