Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) est un modèle conceptuel qui sert de norme pour la communication en réseau de tous les systèmes informatiques. Il décrit le fonctionnement théorique de n'importe quel réseau en sept couches distinctes, permettant de "séparer les préoccupations" et de traiter chaque aspect de la communication réseau de manière modulaire. La couche réseau, en particulier, joue un rôle fondamental dans la communication entre les différents systèmes au sein d'un réseau.
Le Modèle OSI : Un Cadre Conceptuel pour la Communication Réseau
Le modèle OSI est décrit par la norme ISO7498, qui spécifie un cadre général propice à la création de normes futures. Il ne s'agit pas d'une technologie physique ou logicielle spécifique, mais plutôt d'une architecture que les technologies doivent respecter pour assurer l'interopérabilité et permettre l'émergence d'un réseau global.
Chaque couche du modèle OSI est délimitée par un service, un protocole et une interface. Un service correspond aux fonctions réalisables par une couche, un protocole correspond aux règles d'échange entre les couches pour réaliser un service, et l'interface est le point d'accès concret au service, spécifiant comment utiliser le protocole pour y accéder. Les couches basses rendent des services aux couches plus hautes, facilitant ainsi la communication entre les applications.
Définition de la Couche Réseau
La couche réseau, ou couche 3 du modèle OSI, est responsable de la gestion des communications entre plusieurs machines au sein d'un même réseau, ou entre réseaux différents. Elle est la seule couche du modèle OSI qui utilise la connexion logique entre hôtes. Elle assure l'acheminement des données à travers un réseau pouvant être constitué de systèmes intermédiaires (routeurs). Elle est responsable de transférer les paquets de données de leur source à leur destination.
Fonctions Principales de la Couche Réseau
La couche réseau exploite les notions d'adressage, de routage et de fragmentation pour assurer la transmission efficace des données. Ses fonctions principales sont les suivantes :
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- Adressage logique : La couche réseau définit un plan d'adressage pour tous les hôtes du réseau. Pour s'adresser à une machine à laquelle on n'est pas directement connecté, il faut un moyen de l'identifier : c'est son adresse. L'équivalent des adresses postales sur Internet sont les adresses IP (pour Internet Protocol). Le protocole IP permet l'adressage unique de toutes les machines du réseau. Les adresses IP de l'expéditeur et du destinataire sont placées dans les en-têtes des paquets à des fins de routage.
- Routage et transmission : Pour arriver jusqu'à cette machine, il faut trouver le chemin qui nous sépare d'elle : c'est le routage. Les protocoles de la couche réseau déterminent les itinéraires les plus appropriés pour les paquets de leur source à leur destination. Il est important de noter que la couche réseau ne peut qu'établir une connexion logique, son rôle se limite à ça.
- Fragmentation : Si le message à transmettre est trop gros pour les couches inférieures, il faut le découper : c'est la fragmentation. La couche réseau doit parfois décomposer les paquets en unités de données plus petites pour les faire transiter par différents réseaux. Le protocole IP prend en charge la fragmentation.
- Communication sans connexion (mode CL) : La couche réseau facilite les transmissions entre les points d'extrémité de différents réseaux lorsqu'il n'y a pas de configuration préétablie pour les communications. Dans les communications sans connexion, le destinataire n'a pas besoin d'accuser réception des données à l'expéditeur. Les communications basées sur le protocole IP sont sans connexion.
- Mise en paquets : Les données reçues des couches supérieures du réseau doivent être encapsulées dans un paquet à la source pour être transmises et décapsulées à la destination. Les routeurs sur le chemin ne peuvent pas modifier l'adresse de la source ou de la destination, ni décapsuler les paquets (sauf en cas de fragmentation).
Les entités transmises par la couche 3 sont des paquets, ou datagrammes, également appelés NPDU (Network Protocol Data Unit).
Protocoles de la Couche Réseau
De nombreux protocoles fonctionnent au niveau de la couche réseau pour assurer la communication et le routage des données. Voici quelques exemples :
- IP (Internet Protocol) : Protocole fondamental pour l'adressage et le routage des paquets sur Internet. Il existe deux versions principales : IPv4 et IPv6.
- ICMP (Internet Control Message Protocol) : Utilisé pour envoyer des messages d'erreur et d'information de contrôle entre les équipements réseau.
- IGMP (Internet Group Management Protocol) : Permet aux hôtes de rejoindre et de quitter des groupes de multidiffusion.
- RIP (Routing Information Protocol) : Un des plus anciens protocoles de routage, utilisé pour échanger des informations de routage entre les routeurs.
- OSPF (Open Shortest Path First) : Protocole de routage plus avancé que RIP, offrant une convergence plus rapide et une meilleure scalabilité.
- EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) : Protocole de routage propriétaire développé par Cisco, offrant des fonctionnalités avancées de routage.
- IPsec (Internet Protocol Security) : Suite de protocoles utilisée pour sécuriser les communications IP en fournissant l'authentification, l'intégrité et la confidentialité des données.
Le Routage : Trouver le Meilleur Chemin
Le routage est la fonction principale de la couche réseau. Il consiste à déterminer le chemin qu'un paquet doit emprunter pour atteindre sa destination. Le matériel principal de la couche 3 est le routeur.
Pour implémenter un routage effectif, il faut que les routeurs sachent prendre des décisions, pour savoir par quel routeur passer pour arriver à tel sous-réseau. Les routeurs, pour ce faire, utilisent ce qu’on appelle une table de routage.
Quand un hôte X du réseau A veut communiquer avec un hôte Y du réseau B, les paquets seront envoyés au routeur AB qui relie le réseau A et le réseau B. Dans l’en-tête du paquet (nous allons le voir bientôt) se trouve l’adresse IP de l’émetteur et celle du destinataire. Le routeur devra donc vérifier dans sa table de routage comment faire pour arriver au sous-réseau dans lequel se trouve l’adresse IP du destinataire. Cette table de routage contient les network ID de tous les routeurs qui sont directement connectés au routeur AB.
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En termes de routage, plusieurs facteurs déterminent le coût d’un chemin. Un saut, dans les termes du routage, est défini par le passage d’un paquet par un routeur. Ainsi, le routeur AB va considérer tous les chemins qu’il a dans sa table de routage, voir quel est le chemin le moins couteux en termes de sauts et va emprunter ce dernier pour router le paquet transmis par X.
Une table de routage contiendra toutes ces informations, et c’est par rapport à cette table qu’un routeur prendra la décision effective pour transmettre un paquet. L’intelligence qui est derrière les décisions des routeurs est fournie par les protocoles de routage
Types de Routage
Il existe 4 types majeurs de routage ou méthodologies de routage : unicast, multicast, broadcast et anycast.
- Unicast : L’unicast consiste à transmettre les paquets à un seul destinataire (uni comme unique, un).
- Multicast : Le multicast, c’est un peu comme effectuer plusieurs unicast à un groupe déterminé, mais en n’utilisant qu’une seule adresse.
- Broadcast : Le broadcast, c’est simple : on envoie à tout le monde.
- Anycast : Le principe de l’anycast, c’est de router des paquets au destinataire le plus proche lorsqu’il existe plusieurs chemins conduisant au même réseau.
Algorithme de Sélection de Route
Pour faire simple, un algorithme est une suite d’instructions précises et ordonnées conduisant à l’accomplissement d’une tâche précise. Ainsi, par "algorithme de sélection de route", nous voulons simplement désigner la suite d’étapes que le protocole IP utilise pour choisir une route.
En résumé, si un hôte A voulait communiquer avec un hôte B, grâce au ANDing, il déterminerait si son destinataire (l’hôte B en l’occurrence) était dans le même réseau que lui. Le protocole IP fouille les entrées de la table de routage afin de déterminer la route-hôte qui correspond à l’IP du destinataire. L’adresse IP se trouvera dans l’en-tête IP du paquet.
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Si le protocole IP ne trouve aucune route-hôte, il va scanner les colonnes « Adresse Réseau » et « Masque » pour chercher la route qui peut mener au réseau du destinataire.
Mais que se passe-t-il s’il y a plusieurs chemins possibles pour arriver au destinataire ? Est-ce qu’une route est choisie au hasard ? Non, c’est la route ayant le plus grand nombre de bit masqués qui sera choisie, car on cherche le cas le plus précis. Et s’il y a deux routes ayant le même nombre de bit masqués ? Si, dans la table de routage, il n’y a aucune route conduisant au destinataire, la dernière option sera alors de localiser la passerelle par défaut.
Relation avec le Modèle TCP/IP
Bien que le modèle OSI soit une référence théorique, l'architecture d'Internet repose essentiellement sur les protocoles IP et TCP, que l'on peut associer aux couches 3 et 4 du modèle OSI. Le modèle TCP/IP est le modèle utilisé par internet, il a été fait bien avant le modèle OSI et n'a pas sa "perfection" théorique mais comme il fonctionne on ne le change pas.
Importance de la Couche Réseau
La couche réseau est essentielle pour la communication entre les systèmes informatiques sur un réseau. Elle permet aux données d'être acheminées de manière efficace et fiable de leur source à leur destination, en gérant l'adressage, le routage et la fragmentation des paquets. La couche réseau est la plus caractéristique d'une architecture réseau.
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