Matières › ⚙️ Sciences de l'Ingénieur › Lycée › Réseaux et protocoles de communication
🌐

Réseaux et protocoles de communication

Modèle TCP/IP, adressage IP, débit, trame Ethernet

🏭 Application industrielle : Domotique, IoT industriel, communication entre automates, télémaintenance, voitures connectées — tout système nécessitant un échange de données entre composants.
Les systèmes pluri-techniques modernes communiquent via des réseaux informatiques. La compréhension des protocoles de communication est essentielle en SI pour concevoir et diagnostiquer des systèmes connectés.

Le modèle TCP/IP (version simplifiée du modèle OSI à 7 couches) organise les communications en 4 couches :
- Accès réseau (couche 1) : gère la transmission physique des bits (Ethernet, Wi-Fi, fibre optique). Débits typiques : Fast Ethernet 100100 Mbit/s, Gigabit Ethernet 11 Gbit/s, Wi-Fi 6 jusqu'à 9,69{,}6 Gbit/s.
- Internet (couche 2) : routage des paquets via le protocole IP. Chaque appareil a une adresse IP unique sur le réseau.
- Transport (couche 3) : TCP (fiable, avec acquittement) ou UDP (rapide, sans garantie).
- Application (couche 4) : HTTP, MQTT, FTP, etc.

Adressage IP (IPv4) : une adresse IPv4 est codée sur 44 octets (32 bits), notée en décimal pointé (ex. : 192.168.1.10192.168.1.10). Le masque de sous-réseau (ex. : 255.255.255.0255.255.255.0 soit /24/24) sépare la partie réseau de la partie hôte. Deux machines communiquent directement (sans routeur) si et seulement si elles sont dans le même sous-réseau.

Le débit est le nombre de bits transmis par seconde : D=taille (bits)temps (s)D = \dfrac{\text{taille (bits)}}{\text{temps (s)}}. Le débit utile est inférieur au débit brut à cause de l'overhead protocolaire (en-têtes de trames, acquittements) : Dutile=Dbrut×(1−overhead)D_{\text{utile}} = D_{\text{brut}} \times (1 - \text{overhead}).

📖 Vocabulaire clé

Débit : D=taille (bits)temps (s)D = \dfrac{\text{taille (bits)}}{\text{temps (s)}} en bit/s. Conversions : 11 Mbit/s =106= 10^6 bit/s. Attention : 11 octet =8= 8 bits, donc 11 Mo/s =8= 8 Mbit/s.
Adresse IP (IPv4) : Identifiant logique sur 32 bits (4 octets). Exemple : 192.168.0.1192.168.0.1. Le masque de sous-réseau (ex. : 255.255.255.0255.255.255.0 ou /24/24) distingue la partie réseau de la partie hôte.
Masque de sous-réseau : Détermine quelle partie de l'adresse IP identifie le réseau. Exemple : avec un masque /24/24 (255.255.255.0255.255.255.0), les 24 premiers bits sont la partie réseau, les 8 derniers la partie hôte (28−2=2542^8 - 2 = 254 hôtes possibles).
Protocole TCP : Protocole de transport fiable : établissement de connexion (3-way handshake), acquittement de chaque segment, retransmission en cas de perte. Utilisé pour HTTP, FTP, etc.
Protocole UDP : Protocole de transport sans connexion ni acquittement. Plus rapide mais non fiable. Utilisé pour le streaming vidéo, les jeux en ligne, MQTT-SN.
Latence : Temps de propagation d'un paquet entre émetteur et récepteur. Dépend de la distance, du médium et du nombre de routeurs traversés.

📋 Calculer un temps de transfert

  1. 1 Convertir la taille en bits : 11 octet =8= 8 bits, 11 Mo =106= 10^6 octets =8×106= 8 \times 10^6 bits.
    Exemple : 5050 Mo =50×8=400= 50 \times 8 = 400 Mbit.
  2. 2 Identifier le débit : vérifier l'unité (Mbit/s ≠\neq Mo/s). Débits courants : Fast Ethernet 100100 Mbit/s, Gigabit 10001000 Mbit/s, Wi-Fi 5 ∼400\sim 400 Mbit/s.
  3. 3 Temps de transfert : t=taille (bits)deˊbit (bit/s)t = \dfrac{\text{taille (bits)}}{\text{débit (bit/s)}}.
    Exemple : 400 Mbit100 Mbit/s=4\dfrac{400 \text{ Mbit}}{100 \text{ Mbit/s}} = 4 s.
  4. 4 Débit utile : si l'overhead est donné, Dutile=Dbrut×(1−overhead)D_{\text{utile}} = D_{\text{brut}} \times (1 - \text{overhead}). Utiliser DutileD_{\text{utile}} dans le calcul.
  5. 5 Latence totale : ttotal=ttransfert+tpropagationt_{\text{total}} = t_{\text{transfert}} + t_{\text{propagation}} si la latence réseau est donnée.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un fichier de 1010 Mo est transféré via un réseau Ethernet à 100100 Mbit/s. Calculer le temps de transfert (sans overhead).
Démarche :
  1. Taille en bits : 1010 Mo =10×106×8=80×106= 10 \times 10^6 \times 8 = 80 \times 10^6 bits =80= 80 Mbit
  2. Débit : 100100 Mbit/s
  3. t=80100=0,8t = \dfrac{80}{100} = 0{,}8 s
Réponse : t=0,8t = 0{,}8 s

📏 Relations fondamentales

t=taille (bits)deˊbit (bit/s)t = \dfrac{\text{taille (bits)}}{\text{débit (bit/s)}} — Temps de transfert
Dutile=Dbrut×(1−overhead)D_{\text{utile}} = D_{\text{brut}} \times (1 - \text{overhead}) — Débit utile
11 octet =8= 8 bits ; 11 Mo =106= 10^6 octets =8×106= 8 \times 10^6 bits
Hôtes possibles dans un sous-réseau /n/n : 232−n−22^{32-n} - 2

🎨 Illustration

Encapsulation TCP/IP — poupées russes
Les 4 couches TCP/IP, emboîtées comme des poupées russes

À l'émission, chaque couche encapsule les données de la couche du dessus en lui ajoutant son propre en-tête — un peu comme des poupées russes : la couche Application est la plus intérieure, la couche Accès réseau forme l'enveloppe la plus extérieure, celle réellement transmise sur le câble ou dans l'air.

Encapsulation TCP/IP en poupees russes Quatre rectangles concentriques representent les 4 couches du modele TCP/IP. Le plus grand, a l'exterieur, est la couche 1, Acces reseau, qui produit la trame Ethernet ou Wi-Fi. A l'interieur de celui-ci, la couche 2, Internet, produit le paquet IP. A l'interieur, la couche 3, Transport, produit le segment TCP ou UDP. Au centre, la couche 4, Application, contient les donnees applicatives HTTP, FTP, MQTT ou DNS. A l'emission les donnees sont encapsulees de l'interieur vers l'exterieur ; a la reception elles sont decapsulees de l'exterieur vers l'interieur. Émission : encapsulation, de l'intérieur vers l'extérieur Couche 1 — Accès réseau Trame (Ethernet, Wi-Fi, fibre) Couche 2 — Internet Paquet (IP, ICMP) Couche 3 — Transport Segment (TCP / UDP) Couche 4 — Application Données applicatives (HTTP, FTP, MQTT, DNS) Réception : décapsulation, de l'extérieur vers l'intérieur
  • 1 À l'émission (encapsulation) : Application → Transport → Internet → Accès réseau, de l'intérieur vers l'extérieur.
  • 2 À la réception (décapsulation) : chaque couche retire son propre en-tête dans l'ordre inverse, de l'extérieur vers l'intérieur, jusqu'à retrouver les données applicatives.
  • 3 Le nom de l'unité de données change à chaque couche : segment en Transport (TCP), paquet en Internet (IP), trame en Accès réseau.
Ce qu'il faut lire : Pars de la plus petite poupée, au centre (les données applicatives), et remonte vers l'extérieur : chaque couche traversée ajoute un en-tête, jusqu'à obtenir la trame réellement transmise.
Encapsulation TCP/IP : 4 couches emboîtées, chacune ajoutant son en-tête (segment, paquet, trame) autour des données de la couche supérieure.

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

La confusion la plus fréquente est entre bits et octets !

✅ La suggestion

Un débit de 100100 Mbit/s correspond à 100/8=12,5100/8 = 12{,}5 Mo/s. Pour transférer un fichier de 5050 Mo à 100100 Mbit/s, il faut convertir le fichier en bits (50×8=40050 \times 8 = 400 Mbit) avant de diviser par le débit. Autre piège : confondre débit brut et débit utile — l'overhead des protocoles (en-têtes, acquittements) réduit toujours le débit effectif.

💡 À retenir

  • Le modèle TCP/IP a 4 couches : Accès réseau, Internet, Transport, Application.
  • Le débit se calcule en bit/s : toujours convertir les octets en bits (×8\times 8) avant de diviser par le débit.
  • TCP garantit la fiabilité (acquittements, retransmission), UDP privilégie la rapidité.
  • Le masque de sous-réseau détermine si deux machines sont dans le même réseau (communication directe) ou non (besoin d'un routeur).

🏭 Application industrielle

Où retrouve-t-on ce principe en ingénierie ?
Domotique, IoT industriel, communication entre automates, télémaintenance, voitures connectées — tout système nécessitant un échange de données entre composants.

Mots-clés associés : RéseauProtocoleTCP/IPTrameDébitAdresse IP
← Analyse fréquentielle (Bode) 20 / 20