I. LES RÉSEAUX

Un réseau LAN est un ensemble d'éléments (ordinateurs, serveurs, smartphones, objets connectés…), connectés par des supports de transmission (câbles, ondes radio…). Le réseau local a pour objectif d'être transparent pour l'utilisateur (comme si ce dernier utilisait des ressources locales).

Les réseaux locaux ou LAN (Local Area Network) ont fait leur apparition dans les années 80 et correspondent à la multiplication des micro-ordinateurs. Leur débit va de 1 à 8 Gigabits (ordinateurs de bureau) jusqu'à plusieurs centaines de Gigabit, voire au Térabit par seconde dans les coeurs et backbones des datacenters.

Quelle que soit leur topologie, bus, anneau ou étoile, ou leur architecture, poste à poste ou client/serveur, les réseaux locaux ont la même fonction : relier des ordinateurs, tablettes, mobiles… et des périphériques, leur permettant de partager ainsi des données et des programmes et de communiquer.

1. CONNEXION

Une connexion au réseau nécessite 4 éléments principaux :

· le réseau et son système de diffusion (câblage, émetteur…)

· un adaptateur réseau (une carte réseau enfichée ou intégrée dans le PC, un processeur Wi-Fi, bluetooth…)

· un ensemble logiciel adapté au protocole de communication du réseau (inclus dans le système d'exploitation)

· l'application cliente (logiciel) qui va dialoguer avec un serveur

Généralement, la connexion se fait directement sur le câble pour les réseaux locaux à travers la carte réseau et via le réseau fibre (ou encore le réseau téléphonique cuivre).

2. NORMES

Certains organismes ont la responsabilité de définir des normes (ou standards) internationales de communication et de réseaux locaux.

 

Architectures

Selon la définition, un réseau est un système qui relie entre eux des postes de travail. C'est précisément cette manière de relier les stations de travail qui définit la topologie. Il existe trois topologies fondamentales : en bus, en étoile, en anneau.

Fig. 1 - Les trois topologies fondamentales : bus, anneau, étoile

a) TOPOLOGIE EN BUS

Les stations sont connectées le long d'un seul câble (ou segment), la limite théorique est de 255 stations, ceci n'étant qu'une valeur théorique car la vitesse serait alors très faible. Chaque liaison au câble est appelée communément « nœud ».

Tout message transmis emprunte le câble pour atteindre les différentes stations. Chacune des stations examine l'adresse spécifiée dans le message en cours de transmission pour déterminer s'il lui est destiné. Les câbles utilisés pour cette topologie bus sont des câbles coaxiaux. Lorsqu'un message est émis par une station, il est transmis dans les deux sens à toutes les stations qui doivent alors déterminer si le message leur est destiné.

L'avantage du bus est qu'une station en panne ne perturbe pas le reste du réseau. Elle est, de plus, très facile à mettre en place. Par contre, en cas de rupture du bus, le réseau devient inutilisable. Par ailleurs, le signal n'est jamais régénéré, ce qui limite la longueur des câbles.

 

b) TOPOLOGIE EN ANNEAU

Les stations sont connectées sur une boucle continue et fermée de câble. Les signaux se déplacent le long de la boucle dans une seule direction et passent par chacune des stations. On peut, si on le désire, attribuer des droits particuliers à un poste de travail que l'on appellera alors nœud privilégié.

Chaque station fait office de répétiteur afin d'amplifier le signal et de l'envoyer à la station suivante. Cette topologie permet d'avoir un débit proche de 90 % de la bande passante. Cette topologie est fragile : il suffit qu'une connexion entre deux stations ne fonctionne pas correctement pour que tout le réseau soit en panne.

 

c) TOPOLOGIE EN ÉTOILE (LA PLUS UTILISÉE)

Les stations sont connectées par des segments de câble à un composant central appelé concentrateur (hub) ou commutateur (switch). La solution du concentrateur puis du switch offre certains avantages, notamment en cas de coupure de liaisons. L'ensemble de la chaîne n'est pas interrompu comme dans une topologie en bus simple. Par l'intermédiaire de ces derniers, les signaux sont transmis depuis l'ordinateur émetteur vers tous les ordinateurs du réseau (dans le cas du hub) ou vers l'ordinateur ciblé uniquement (dans le cas du switch).

Si une panne survient dans le nœud central, c'est l'ensemble du réseau qui est alors paralysé. De plus, l'ajout d'une station nécessite un nouveau câble allant du nœud central jusqu'à la nouvelle station. C'est la technologie la plus utilisée actuellement.

⚡ Étoile avec switch moderne

Avec les commutateurs (switches) modernes de couche 2 et 3, chaque port est dédié à une connexion point-à-point full-duplex, ce qui élimine totalement les domaines de collision et permet d'atteindre les débits nominaux des interfaces. La topologie en étoile hiérarchique est la base de toutes les architectures d'entreprise modernes.

d) LE RÉSEAU MAILLÉ

Un réseau maillé possède plusieurs liaisons point à point, chaque point étant relié à tous les autres. L'inconvénient est le nombre de liaisons nécessaires qui peut devenir très élevé en fonction du nombre de postes.

Cette topologie se rencontre dans les grands réseaux de distribution (Internet). L'information parcourt le réseau selon des itinéraires variés, sous le contrôle de superviseurs de réseau, ou grâce à des méthodes de routage réparties.

Elle existe aussi dans le cas de couverture Wi-Fi étendue. On parle alors bien souvent de topologie mesh, où les routeurs Wi-Fi communiquent entre eux via un protocole comme OLSR (Optimized Link State Routing) pour offrir une couverture homogène sur de grandes surfaces.

 

e) ARCHITECTURES LAN MODERNES

Dans les réseaux d’entreprise actuels, les LAN sont généralement organisés en plusieurs couches logiques pour concilier performances, évolutivité et facilité d’administration. On distingue classiquement la couche d’accès utilisateur, la couche de distribution et la couche de cœur (core).

​La couche d’accès regroupe les switches qui connectent directement les postes clients : PC, imprimantes, téléphones IP, bornes Wi‑Fi, objets connectés. Les ports de cette couche sont majoritairement à 1 Gbit/s, avec une montée en puissance vers 2,5 et 5 Gbit/s pour alimenter les bornes Wi‑Fi 6/6E et bientôt Wi‑Fi 7. De plus en plus de ports d’accès fournissent l’alimentation électrique via PoE (Power over Ethernet) pour les points d’accès Wi‑Fi, les caméras IP, les téléphones IP et divers équipements IoT, ce qui simplifie grandement le câblage.

​La couche de distribution agrège le trafic provenant de plusieurs switches d’accès et applique des politiques de sécurité, de routage inter‑VLAN et de qualité de service. Les liaisons entre accès et distribution sont généralement à 10 ou 25 Gbit/s, parfois 40 Gbit/s selon la taille du site et les besoins en bande passante.

​La couche de cœur (core) assure le transport très haut débit entre les différentes parties du réseau (bâtiments, datacenters, interconnexion avec le WAN). Elle s’appuie sur des liens à 40 ou 100 Gbit/s, voire au‑delà dans les grands environnements. Dans les datacenters modernes, on trouve fréquemment une architecture leaf‑spine, où chaque switch d’accès serveur (leaf) est relié à tous les switches de cœur (spine) pour garantir des chemins courts et un haut niveau de redondance.

3. TECHNOLOGIES LAN

Les réseaux locaux ont connu un énorme développement depuis les années 80. Plusieurs normes ont successivement dominé le marché :

- Token Ring (IEEE 802.5) : Réseau élaboré par IBM, basé sur le protocole du jeton sur une topologie en anneau. Débits de 4 et 16 Mbps. Aujourd'hui totalement obsolète, remplacé par Ethernet.

- Arcnet : Développé initialement par la compagnie Data Point, Arcnet est basé sur le protocole de passage du jeton (token passing). Cette technologie accepte les topologies en bus et en étoile. Débit de 2,5 Mbps. Obsolète.

- Ethernet (IEEE 802.3) - la plus utilisée : Mise au point par Digital, Xerox et Intel. La communication a été longtemps assurée par le protocole CSMA/CD mais sur les réseaux actuels (switch + full‑duplex) CSMA/CD n’est pratiquement plus utilisé. La transmission se fait sous forme de trame (Frame) ou bloc d'information. Ethernet est aujourd'hui la technologie LAN universelle, disponible de 10 Mbps à 400 Gbps.

- Wi-Fi (IEEE 802.11) : Réseau local sans fil, opérant sur les fréquences 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz selon les normes. Devenu le standard de connectivité sans fil dans les entreprises et chez les particuliers.

4. MÉTHODES D'ACCÈS

Dans un réseau local, chaque nœud est susceptible d'émettre sur le même câble de liaison. L'ensemble des règles d'accès, de durée d'utilisation et de surveillance constitue le protocole d'accès aux câbles ou aux médias de communication.

La couche 2 du modèle de référence OSI est divisée en deux sous-couches :

- LLC (Logical Link Control) - Contrôle de liaison logique : assure l'indépendance des traitements entre les couches supérieures et la couche MAC.

- MAC (Media Access Control) - Contrôle d'accès au médium : est responsable de l'accès au médium de transmission pour acheminer des trames d'information. Elle essaie d'éviter les conflits d'accès au support.

 

5. TRANSMISSION

La transmission peut s'effectuer avec ou sans câbles. Le câble est le support essentiel de la transmission entre deux réseaux, celui-ci diffère suivant le type de réseau.

a) TRANSMISSION PAR CÂBLE

- La paire de fils torsadée (UTP/STP) : encore le médium de transmission de données le plus répandu pour les accès LAN. Il est réalisé à partir de paires de fils électriques, parfois blindés. Ce câble est employé notamment par les technologies Ethernet xBase-T. Il supporte des débits de 10 Mbps (Cat.3) jusqu'à 40 Gbps (Cat.8) sur des distances de 30 à 100 mètres.

- Le câble coaxial : spécialement conditionné et isolé (le conducteur central est appelé âme), il est capable de transmettre des données à grande vitesse mais en contexte LAN moderne, le coax n’est plus utilisé. Il est encore utilisé dans les réseaux câblés HFC (câble TV + Internet) avec la technologie DOCSIS.

- La fibre optique : permet de transmettre d'énormes volumes de données à la vitesse de la lumière à travers de fins fils de verre ou de plastique. Elle remplace de plus en plus rapidement tous les autres types de câble pour les longues distances et les débits élevés. C'est le support de prédilection pour les backbones d'entreprise, les liaisons WAN et les déploiements FTTH.

- Les courants porteurs en ligne (CPL) : permettent le transfert d'information via les fils électriques existants. Dans cette technologie, le signal passe par induction sur les phases électriques. Les adaptateurs CPL se branchent directement sur les prises électriques. Les normes HomePlug AV et IEEE 1901 offrent des débits jusqu'à 500 Mbps. La norme G.hn (ITU-T) de dernière génération atteint 2 Gbps.

b) TRANSMISSION SANS CÂBLE

Plusieurs méthodes permettent la transmission sans câble :

- La transmission par ondes infrarouges : à courte distance, basée sur la fréquence de la lumière, utilise une radiation électromagnétique d'une longueur d'onde située entre celle de la lumière visible et celles des ondes radio. Utilisée essentiellement pour les télécommandes et les courtes distances. Très peu utilisée en réseau informatique.

- La transmission par ondes terrestres (liaisons hertziennes) : projette des données dans l'espace par l'intermédiaire de signaux radio à haute fréquence de l'ordre de 1 000 mégahertz (1 GHz). Les données peuvent être transmises sur une route terrestre par des répétiteurs distants d'environ 40 kilomètres. Ces liaisons sont utilisées pour les backbones WAN des opérateurs télécoms.

- Les ondes radio pour réseau cellulaire : utilisent les hautes fréquences radio. Des antennes sont placées géographiquement dans une région pour transférer le signal d'un poste à l'autre. L'évolution des réseaux cellulaires a conduit aux générations 2G, 3G, 4G LTE et 5G.

- Le Wi-Fi (IEEE 802.11) : est un réseau WLAN (Wireless LAN) utilisant des fréquences spécifiques des ondes terrestres. Les normes IEEE 802.11 ont considérablement évolué depuis les premières versions : Wi-Fi 4 (802.11n, jusqu'à 600 Mbps), Wi-Fi 5 (802.11ac, jusqu'à 3,5 Gbps), Wi-Fi 6 (802.11ax, jusqu'à 9,6 Gbps), Wi-Fi 6E (extension sur 6 GHz) et Wi-Fi 7 (802.11be, jusqu'à 46 Gbps théoriques). La portée varie de 30 à 150 m selon l'environnement.

- Le Bluetooth : permet l'échange bidirectionnel de données à courte distance en utilisant des ondes radio UHF à 2,4 GHz. Il simplifie les connexions entre appareils proches en supprimant les liaisons filaires. (Bluetooth est inspiré du nom d'un roi viking Harald Blåtan, dont le logo représente les initiales en alphabet runique.) La version Bluetooth 5.x atteint 2 Mbps avec une portée de 200 m.

- Le WiMAX (IEEE 802.16) : est un réseau de transmission de données à haut débit par voie hertzienne, conçu pour couvrir de larges zones géographiques (jusqu'à 50 km de rayon). Il a été déployé dans les années 2000 comme alternative au DSL en zones rurales. Il est aujourd'hui largement abandonné, remplacé par les réseaux 4G LTE et 5G pour les accès sans fil longue distance.

- La transmission par satellite : a l'avantage de permettre la connexion de zones difficiles d'accès pour les autres médias. On distingue les satellites géostationnaires (GEO, à 36 000 km d'altitude), qui offrent une couverture mondiale mais avec une latence élevée (~600 ms), des constellations LEO (Low Earth Orbit) en orbite basse.

⚡ Starlink et les constellations LEO

Le réseau Starlink (SpaceX) est le plus avancé des systèmes satellitaires LEO, avec plus de 6 000 satellites actifs en orbite entre 550 et 570 km d'altitude (objectif : 42 000 satellites). Les débits atteignent en 2025 entre 100 et 300 Mbps en descente pour 20 à 50 Mbps en montée, avec des latences de 20 à 40 ms - comparables à l'ADSL. Starlink est désormais disponible dans plus de 100 pays. D'autres constellations sont en cours de déploiement : OneWeb (Eutelsat), Amazon Kuiper, Telesat Lightspeed.

c) UNITÉS DE DÉBIT

Les débits réseau se mesurent en bits par seconde (bit/s ou bps). Le tableau ci-dessous récapitule les unités utilisées dans le Système International (SI) :

 

 

Fig. 2 - Unités de débit binaire (Source : Wikipédia)