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Les opérateurs de réseaux informatiques

Les opérateurs de réseaux informatiques correspondent en grande partie aux ISP (Internet Service Provider). Développée pour le monde Internet, la technologie qu’ils utilisent consiste à encapsuler l’information dans des paquets dits IP (Internet Protocol).
Les paquets IP comportent l’adresse complète du destinataire. Le paquet n’est donc jamais perdu dans le réseau puisqu’il connaît sa destination. Dans la commutation, à l’inverse, la trame ou le paquet ne sont munis que d’une référence, laquelle ne donne aucune information sur la destination. En cas de problème, il faut demander à la signalisation d’ouvrir un nouveau chemin.
Dans les réseaux informatiques, il n’y a pas besoin de signalisation. Cela allège considérablement le coût du réseau. À chaque nœud, il suffit de remonter à la couche IP pour retrouver l’adresse complète du destinataire et aller consulter la table de routage, qui indique la meilleure porte de sortie du nœud en direction du destinataire.
L’avantage évident des technologies informatiques réside dans la grande simplicité du réseau. Ce dernier est construit autour d’équipements, appelés routeurs, dont la seule fonction est de router les paquets vers la meilleure porte de sortie possible. Cette porte pouvant varier en fonction du trafic, la table de routage doit être mise à jour régulièrement.
Une autre caractéristique des réseaux informatiques consiste en un contrôle effectué uniquement par les équipements terminaux, sans aucune participation des routeurs internes au réseau. Les algorithmes de contrôle se trouvent dans les PC et autres machines terminales.
Les algorithmes de contrôle sont le plus souvent fondés sur des fenêtres de contrôle, c’est-à-dire des valeurs maximales du nombre de paquets qui peuvent être envoyés sans acquittement. L’équipement terminal doit détecter d’après le temps de retour de l’acquittement si le réseau est congestionné ou non et augmenter ou diminuer sa fenêtre de contrôle.

Les choix technologiques des réseaux informatiques

Les solutions à la disposition des opérateurs informatiques pour garantir une qualité de service sont assez limitées.
Une première solution consiste à surdimensionner le réseau de telle sorte que les paquets ne soient jamais retardés par des attentes dans les routeurs. Cette solution est acceptable si la technologie offre, à bon prix, des capacités suffisantes. C’était le cas au début des années 2000, au cours desquelles l’essor de la fibre optique et des techniques de multiplexage en longueur d’onde, a permis d’atteindre des débits de plusieurs térabits par seconde. L’augmentation des capacités est aujourd’hui freinée par la saturation du support optique, car il ne reste pratiquement plus de bande passante disponible dans la fibre optique. Si la solution de surdimensionnement a pu être acceptable au début des années 2000, elle devient de plus en plus difficile à réaliser du fait que la technologie ne fait plus de progrès fondamentaux. Un rattrapage des débits s’opère toutefois avec l’arrivée massive de techniques d’accès à haut débit, comme l’ADSL.
Une seconde solution consiste à ne surdimensionner le réseau que pour les clients ayant besoin de temps de réponse garantis. Pour y parvenir, il faut classifier les flots. La solution proposée par le monde Internet revient à spécifier trois grandes classes de flots : une classe de plus haute priorité, appelée premium ou platinium, une classe de basse priorité, qui n’offre aucune garantie, et une classe intermédiaire, qui propose une garantie sur le taux de perte mais pas sur le temps de transit à l’intérieur du réseau.
L’opérateur réseau doit pratiquer des coûts de connexion tels que tous les clients ne choisissent pas la classe de plus haute priorité et que cette dernière ne dépasse pas une quinzaine de pour cent de la capacité du réseau. À ces conditions, les clients prioritaires ne sont pas gênés par les autres et peuvent espérer une très bonne qualité de service. Cette solution revient moins cher que le surdimensionnement généralisé pour l’ensemble des utilisateurs. Elle est cependant plus complexe, car il faut introduire un coût pour différencier les clients, faute de quoi tous les clients réclameraient la plus haute priorité.
L’introduction de priorités nécessite une nouvelle génération de routeurs capables de les gérer, c’est-à-dire de reconnaître la valeur indiquée dans un champ de priorité du paquet IP et de placer les paquets de plus haute priorité en tête des files d’attente.
Cette solution est bien couverte par la proposition DiffServ (Differentiated Services), qui classifie les clients en trois classes. La classe intermédiaire peut comporter jusqu’à douze sous-classes.

Les opérateurs vidéo

On désigne sous le terme d’opérateurs vidéo les diffuseurs et câblo-opérateurs qui mettent en place les réseaux terrestres et hertziens de diffusion des canaux de télévision. Les câblo-opérateurs se chargent de la partie terrestre, et les télédiffuseurs de la partie hertzienne. Ces infrastructures de communication permettent de faire transiter vers l’équipement terminal les canaux vidéo. Etant donné la largeur de bande passante réclamée par ces applications, ces canaux demandent des débits très importants.
La diffusion de programmes de télévision s’effectue depuis de longues années par le biais d’émetteurs hertziens, avec des avantages et des inconvénients. De nouvelles applications vidéo ont fait leur apparition ces dernières années, dont la qualité vidéo va d’images saccadées de piètre qualité jusqu’à des images animées en haute définition.
La classification admise pour les applications vidéo est la suivante :
• Visioconférence. Se limite à montrer le visage dee correspondants. Sa définition est relativement faible puisqu’on diminue le nombre d’images par seconde pour gagner en débit. Le signal produit par une visioconférence se transporte aisément sur un canal numérique à 128 Kbit/s, et sa compression est simple à réaliser. On peut abaisser le débit jusqu’à 64 Kbit/s, voire moins, si l’on ne redoute pas une sérieuse baisse de la qualité.
• Télévision numérique. Sa qualité correspond ordinairement à un canal de 4 ou 5 MHz de bande passante en analogique. La numérisation sans compression de ce canal, en utilisant par exemple le théorème d’échantillonnage, produit un débit de plus de 200 Mbit/s. Après compression, le débit peut descendre à 2 Mbit/s, pratiquement sans perte de qualité. On peut, avec une compression poussée, aller jusqu’à des débits de 64 Kbit/s, mais avec une qualité fortement dégradée. De plus, à de tels débits, les erreurs en ligne deviennent gênantes, car elles perturbent l’image au moment de la décompression. L’optimum est un compromis entre une forte compression et un taux d’erreur de 10 – 9 (en moyenne une erreur tous les 109 bits transmis), ce qui ne détruit qu’une infime fraction de l’image, sans nuire à sa vision. Le principal standard pour la transmission d’un canal de télévision numérique est aujourd’hui MPEG-2.
• Télévision haute définition. Demande des transmissions à plus de 500 Mbit/s si aucune compression n’est effectuée. Après compression, la valeur peut tomber à 35 Mbit/s, voire 4 Mbit/s.
• Vidéoconférence (à ne pas confondre avec la visioconférence). Approche la qualité du cinéma et demande des débits considérables. C’est la raison pour laquelle ce type de vidéo ne sera intégré que plus tard dans les applications multimédias.

Câble coaxial et fibre optique

Les applications utilisant la vidéo sont nombreuses : elles vont de la télésurveillance à la vidéo à la demande en passant par la messagerie vidéo et la télévision.
Les réseaux câblés, installés par les diffuseurs sur la partie finale du réseau de distribution, utilisent un support physique de type câble coaxial, le CATV.
Ce câble à très grande bande passante peut également être utilisé pour acheminer aux utilisateurs des informations diversifiées, comme la parole ou les données informatiques, en plus de l’image. Aujourd’hui, ces réseaux câblés sont exploités en analogique et très rarement en numérique. A long terme, ils pourraient absorber plusieurs dizaines de mégabits par seconde, ce qui permettrait de véhiculer sans problème les applications multimédias.
Les câblo-opérateurs ont l’avantage de pouvoir atteindre de nombreux foyers et de constituer ainsi une porte d’entrée vers l’utilisateur final. Le câblage CATV est une des clefs de la diffusion généralisée de l’information. C’est pourquoi il a été privilégié pendant de nombreuses années par les opérateurs de télécommunications.
La fibre optique tend aujourd’hui à remplacer le câble coaxial par son prix attractif et sa bande passante encore plus importante.

Internet

L’Internet provient du concept d’Inter-Network, c’est- à-dire de la volonté de relier des réseaux hétérogènes entre eux par l’adoption d’un protocole unique, IP (Internet Protocol). Le protocole IP a pour objectif de normaliser la façon de transporter les paquets dans un réseau. Internet est un réseau routé dans lequel les nœuds de transfert sont appelés des routeurs. Les routeurs sont munis d’une table de routage qui permet aux paquets entrants de trouver la meilleure sortie possible.
Internet est un réseau sans signalisation, c’est-à-dire sans chemin. Chaque paquet contient l’adresse complète du destinataire et est donc autonome dans le réseau. On appelle parfois ces paquets autonomes des datagrammes.
Une caractéristique du réseau Internet, que nous avons déjà mentionnée, concerne le contrôle du réseau effectué par la machine terminale. La fenêtre de contrôle est déterminée par le temps aller-retour d’un paquet, depuis son envoi jusqu’à l’arrivée de l’acquittement. Si ce temps aller-retour devient trop important, l’équipement terminal interprète cet évènement comme une congestion et diminue de façon drastique la fenêtre de contrôle.
La qualité de service d’Internet est la même pour l’ensemble des utilisateurs. On la nomme best effort pour indiquer que le réseau fait au mieux par rapport aux demandes des utilisateurs. Cette qualité de service ne permet pas de prendre en charge des applications à fortes contraintes puisque le réseau est partagé à part égale entre tous les utilisateurs. Plus il y a d’utilisateurs connectés, plus les performances de tous se dégradent.
Une solution pour apporter de la qualité de service dans Internet consiste à surdimensionner le réseau. Dans ce cas, la qualité de service est bonne pour tous les utilisateurs. En effet, le réseau étant à peu près vide, puisqu’il est surdimensionné, chaque client le traverse en un temps très court. Cette solution est cependant difficile à évaluer économiquement. Si elle limite le nombre d’ingénieurs réseau nécessaires à la gestion du réseau, son coût peut devenir très élevé du fait que les composants à très haut débit restent chers.
Les solutions préconisées par le monde Internet pour obtenir de la qualité de service sont de trois types :
• Rendre le flot applicatif dynamique, de sorte à l’adapter aux possibilités du réseau. Si le débit du réseau diminue, on compresse plus fortement l’application.
• Adapter le réseau à l’application au moyen de la technique IntServ (Integrated Service). Chaque flot se voit affecter des ressources réseau adaptées à sa demande. Cette solution a le défaut de ne pas passer l’échelle, c’est-à-dire d’être limitée en nombre de flots.
• Adapter le réseau à l’application mais avec la capacité de passer à l’échelle. C’est la technique DiffServ, dans laquelle les clients sont regroupés en grandes classes de service. À chaque classe correspondent des ressources.
Il existe d’autres solutions pour réaliser un réseau Internet contrôlé. L’une d’elles consiste à utiliser le protocole IP dans un environnement privé, appelé réseau intranet.
Une autre solution est d’utiliser un réseau d’opérateur de télécommunications dans lequel les paquets IP entrants sont immédiatement encapsulés dans une trame puis commutés sur un chemin. À la sortie, la trame est décapsulée, et le paquet IP est remis à l’utilisateur.

Les réseaux ATM

La technique de transfert ATM (Asynchronous Transfer Mode) s’est imposée dans les années 90 pour l’obtention de la qualité de service. Sa première caractéristique est de limiter la taille des paquets à une valeur constante de 53 octets de façon à garantir son traitement rapide dans les nœuds.
Cette solution offre le meilleur compromis pour le transport des applications qui transitent sur les réseaux. Le transport des applications isochrones s’obtient plus facilement du fait de la petite taille des paquets, ou cellules, qui engendre des temps de paquétisation et de dépaquétisation faibles.
Si les cellules permettent de transporter facilement les données asynchrones, c’est au prix d’une fragmentation assez poussée. Lorsque le contrôle de flux est strict, le temps de transport dans le réseau est à peu près égal au temps de propagation, ce qui permet de retrouver simplement la synchronisation en sortie.
Les réseaux ATM sont des réseaux commutés de niveau trame, c’est-à-dire qui commutent des trames. Un système de signalisation spécifique permet d’ouvrir et de fermer les circuits virtuels.
Des qualités de service sont affectées aux circuits virtuels pour donner la possibilité aux utilisateurs de faire transiter des applications avec contraintes.

Les réseaux Ethernet

Les réseaux Ethernet proposent une architecture différente. En particulier, ils définissent un autre format de trames, qui s’est imposé par l’intermédiaire des réseaux locaux, ou LAN (Local Area Network) . Le format de la trame Ethernet est illustré à la figure 4.
Les adresses contenues dans la trame Ethernet se composent de deux champs de 3 octets chacun, le premier indiquant un numéro de constructeur et le second un numéro de série. La difficulté liée à ces adresses, spécifiques de chaque carte Ethernet introduite dans un PC, consiste à déterminer l’emplacement du PC. C’est la raison pour laquelle la trame Ethernet est utilisée dans un univers local, où il est possible de diffuser la trame à l’ensemble des récepteurs, le récepteur de destination reconnaissant son adresse et gardant la copie reçue.
Pour utiliser la trame Ethernet dans de grands réseaux, il faut soit trouver une autre façon d’interpréter l’adresse sur 6 octets, soit ajouter une adresse complémentaire.