Lernzettel: Introduction aux réseaux et protocoles essentiels

📋 Plan du Cours

1. Bases des réseaux et numération
2. Modèles OSI et TCP/IP
3. Signaux, bruit et médias réseau
4. Réseaux sans fil et couche 1
5. Ethernet, collisions et trames
6. Commutation et Spanning Tree
7. Adressage IP et sous-réseaux
8. Routage IP et décisions
9. Présentation, compression et DNS

📖 1. Bases des réseaux et numération

🔑 Notions clés & Définitions

• Réseau LAN : Un réseau LAN couvre une zone géographique limitée et relie des équipements adjacents avec un accès aux médias à large bande.
• Réseau WAN : Un réseau WAN couvre une vaste zone géographique et relie des équipements dispersés à grande distance, souvent via des liaisons plus lentes.
• Système de numération binaire : Un système de numération binaire représente l’information avec deux états, souvent associés à 0 et 1 pour les circuits électriques.
• Octet : Un octet est un groupe de 8 bits qui correspond à un caractère de données et à une unité adressable de mémoire.
• Système hexadécimal : Le système hexadécimal utilise 16 symboles (0-9 et A-F) pour simplifier l’écriture de valeurs longues en décimal.

📝 Points essentiels

• Un bit correspond à une information valant 0 (courant coupé) ou 1 (courant passant) dans un circuit.
• 1 octet = 8 bits, et un exemple de code ASCII encode des caractères grâce à 8 bits.
• Les unités de capacité suivent 1 Ko = 1024 octets, 1 Mo = 1024 Ko, 1 Go = 1024 Mo, et 1 To = 1024 Go.
• Dans le système hexadécimal, A=10, B=11, C=12, D=13, E=14 et F=15.
• Pour convertir du décimal vers une autre base, on divise par la base cible et on concatène les restes du dernier au premier.
• Pour convertir du binaire vers l’hexadécimal, on regroupe le binaire par paquets de 4 bits puis on mappe chaque paquet sur un chiffre hexadécimal.

💡 Astuce mémo

Binaire→Hexa : 4 bits font 1 chiffre (et Octet = 8 bits).

📖 2. Modèles OSI et TCP/IP

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle OSI : Modèle conceptuel en 7 couches qui analyse la communication réseau en précisant les informations, leur forme, les chemins et les règles appliquées.
• Couche physique : Couche 1 du modèle OSI qui définit les spécifications du média (câblage, connecteur, tension, bande passante).
• Encapsulation : Processus qui consiste à ajouter un en-tête de protocole à des données avant de les transmettre à la couche inférieure, puis à retirer ces en-têtes au retour.
• Modèle TCP/IP : Modèle en 4 couches basé sur l’évolution historique d’Internet et utilisé comme fondation du fonctionnement actuel des réseaux IP.
• ARPANet : Projet d’interconnexion lancé par le DoD qui a mené au système de protocoles devenant Internet (TCP/IP).

📝 Points essentiels

• Le modèle OSI est construit pour rendre les communications interconnectables entre constructeurs grâce à une découpe en 7 couches.
• Dans OSI, les couches se répartissent ainsi : 1 physique, 2 liaison (MAC/LLC), 3 réseau, 4 transport, 5 session, 6 présentation, 7 application.
• Dans l’encapsulation OSI, la couche N de l’émetteur dialogue conceptuellement avec la couche N du destinataire grâce à l’ajout puis retrait des informations de protocole.
• TCP/IP découle des travaux menés par le DoD pour interconnecter des machines isolées ou incompatibles avec des protocoles différents.
• TCP/IP regroupe certaines couches OSI dans des couches plus générales et sert de base au réseau Internet actuel.
• Quand l’information traverse les couches, l’unité de données prend le nom de PDU pour identifier les données à l’intérieur du processus multi-couches.

💡 Astuce mémo

OSI=7 étapes (Physique→Application) ; TCP/IP=4 étapes plus regroupées, mais même idée : encapsuler puis décapsuler.

📖 3. Signaux, bruit et médias réseau

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal numérique : Un signal numérique encode les données avec des niveaux qui changent brusquement entre deux états, typiquement bas et haut.
• Signal analogique : Un signal analogique varie continuellement dans le temps, souvent modélisé par une forme ondulatoire comme une sinusoïde.
• Bit électrique : Un bit électrique correspond à un 0 ou un 1 représenté par un état mesurable dans le milieu de transmission, par exemple une tension.
• Mise à la terre de référence : Une mise à la terre de référence est une référence électrique qui permet d’obtenir un niveau zéro de signal pour la représentation des bits.
• Bruit de transmission : Le bruit est une énergie parasite ajoutée au signal, provenant d’interférences ou de sources externes, qui perturbe la détection des bits.

📝 Points essentiels

• La fréquence d’une onde se calcule par $f=1/T$, où $T$ est la période de l’onde.
• La propagation impose que le temps de déplacement d’un bit soit suffisamment uniforme pour éviter les erreurs de lecture.
• L’atténuation correspond à la perte de puissance du signal pendant sa transmission.
• La réflexion peut ajouter de l’énergie renvoyée par le média et perturber des impulsions suivantes, ce qui dégrade l’interprétation binaire.
• Le bruit inclut notamment les interférences électromagnétiques et radiofréquences, ainsi que des variations thermiques ou des perturbations liées à l’alimentation.
• En full-duplex, deux équipements peuvent émettre et recevoir simultanément, tandis qu’en half-duplex ils alternent l’émission et la réception.

💡 Astuce mémo

Numérique = NIVEAU, analogique = ONDE ; Bruit = parasites qui font confondre 0 et 1.

📖 4. Réseaux sans fil et couche 1

🔑 Notions clés & Définitions

• WLAN : Un WLAN est un réseau sans fil qui étend un LAN via des liaisons radio plutôt que par des câbles.
• SSID : Le SSID est l’identifiant du réseau sans fil utilisé pour permettre la connexion lorsqu’il est connu.
• WEP : Le WEP est un chiffrement qui protège les transferts Wi‑Fi avec une clé de 64 ou 128 bits.
• WPA : Le WPA est un mécanisme de sécurité Wi‑Fi basé sur des clés dynamiques pour renforcer le chiffrement.
• Mode Ad-hoc : Le mode Ad-hoc relie directement des stations Wi‑Fi entre elles sans borne, tout en restant limité à la zone de couverture.

📝 Points essentiels

• Un WLAN utilise des fréquences radio autour de 2,4 GHz et 5 GHz, souvent intégrées comme extension d’un LAN câblé.
• Les débits annoncés sont 802.11b: 11 Mbps (2,4 GHz), 802.11a: 54 Mbps (5 GHz), et 802.11g: 54 Mbps (2,4 GHz).
• Règle radio: débit plus grand implique couverture plus faible, et fréquences radio plus élevées donnent généralement meilleur débit mais couverture plus faible.
• Pour se connecter, un WLAN requiert au minimum un point d’accès (AP) et une carte sans fil cliente.
• La sécurité peut reposer sur le SSID (peu robuste), le filtrage d’adresse MAC (statique, réservé aux petits réseaux), ou un chiffrement WEP/WPA.
• En mode Ad-hoc, connecter plus de 4 stations est déconseillé car la qualité et la connexion peuvent se dégrader.

💡 Astuce mémo

WLAN = 2,4/5 GHz: plus haut débit ou plus haute fréquence → moins de portée (trade-off débit ↔ couverture).

📖 5. Ethernet, collisions et trames

🔑 Notions clés & Définitions

• CSMA/CD : Mécanisme d’accès au média non déterministe d’Ethernet qui détecte les collisions et déclenche un arrêt d’émission avant une retransmission.
• Trame Ethernet : Unité de transmission de la couche liaison qui encapsule les données et porte des champs de synchronisation, d’adressage et de contrôle d’intégrité.
• FCS : Séquence de contrôle de trame basée sur un CRC qui permet au récepteur de vérifier l’intégrité des données.
• Collision locale : Collision caractérisée par un survoltage quand plusieurs hôtes émettent simultanément sur un média partagé en mode half-duplex.

📝 Points essentiels

• En Ethernet/802.3, quand plusieurs hôtes partagent le même média, des collisions surviennent car le support est utilisé en concurrence.
• Si une station détecte une collision avec CSMA/CD, elle émet un signal de bourrage puis l’émission s’arrête et les stations concernées retransmettent après un délai aléatoire.
• La trame est interprétée comme IEEE 802.3 si la valeur hexadécimale du champ de longueur est strictement inférieure à 0x600, et comme Ethernet si elle vaut 0x600.
• La taille maximale des données d’une trame doit être ≤ 1500 octets, ce qui donne une taille maximale de trame de 1526 octets.
• Les collisions ne se produisent que dans un environnement half-duplex, car en full-duplex chaque paire torsadée est utilisée en sens unique entre deux hôtes.

💡 Astuce mémo

CSMA/CD : écoute avant d’émettre, collision détectée = arrêt + bourrage puis attente aléatoire pour retransmettre.

📖 6. Commutation et Spanning Tree

🔑 Notions clés & Définitions

• Commutateur : Équipement de couche 2 qui transmet les trames uniquement vers le port où se trouve le destinataire à partir de sa table MAC.
• Table d’adresses MAC : Base interne utilisée par le commutateur pour associer chaque adresse MAC connue à un port afin de choisir où envoyer les trames.
• BPDU : Datagramme échangé entre commutateurs pour signaler leur présence et permettre l’établissement d’une topologie d’évitement des boucles.
• Spanning Tree Algorithm : Algorithme chargé de calculer l’arbre de chemins optimal et d’éliminer les chemins redondants afin d’éviter les boucles de commutation.

📝 Points essentiels

• Les commutateurs n’envoient pas une trame sur tous leurs ports : ils ne la renvoient que sur le port correspondant au(des) destinataire(s) selon la table MAC.
• Les commutateurs apprennent les adresses MAC de leurs hôtes et créent des domaines sans collisions entre ports internes.
• Des chemins redondants peuvent créer des boucles de commutation et provoquer des tempêtes de broadcast, ce qui congestionne le réseau.
• Avec Spanning Tree, chaque commutateur calcule une topologie sans liaisons redondantes en utilisant les BPDU et le STA.
• Un port en Spanning Tree peut être en blocage, écoute, apprentissage, acheminement ou désactivation, selon l’envoi de trames et l’écoute des BPDU.
• En cas de panne de liaison, l’algorithme recalcule un arbre pour remplacer le chemin manquant.

💡 Astuce mémo

BPDU + STA = on coupe les boucles et on garde l’arbre actif, puis on recalcule en cas de panne.

📖 7. Adressage IP et sous-réseaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Sous-réseautage : Technique qui découpe une adresse réseau en plusieurs sous-réseaux pour limiter les diffusions et mieux répartir le trafic.
• NetID : Partie d’une adresse IP qui identifie le réseau auquel appartient l’hôte.
• Host-ID : Partie d’une adresse IP qui identifie l’hôte à l’intérieur du réseau (ou du sous-réseau).
• Règle N-2 : Règle qui retire 2 plages d’adresses réservées lors de la création de sous-réseaux et de leurs plages hôtes.

📝 Points essentiels

• Le sous-réseautage subdivise un réseau pour segmenter les domaines de broadcast et améliorer la gestion du trafic.
• Lors du calcul, on emprunte au minimum 2 bits à la partie hôte, jusqu’au maximum permettant encore 2 bits à la partie hôte.
• On supprime les deux plages d’un sous-réseau : l’adresse de réseau (hôte à 0) et l’adresse de broadcast (hôte à 1), ce qui donne N-2 sous-réseaux utilisables.
• Pour les hôtes d’un sous-réseau, la même logique s’applique : on retire aussi 2 adresses (adresse réseau et broadcast) avant de compter les adresses utilisables.
• Méthode classique en 6 étapes : emprunter les bits, calculer le nouveau masque, lister les plages, retirer les plages non utilisables, repérer réseau/broadcast par sous-réseau, puis garder les plages utilisables.
• Méthode du nombre magique (octet modifié) : $256 = \text{masque} + \text{taille du sous-réseau}$, puis on enlève 2 adresses pour obtenir les hôtes utilisables par sous-réseau.

💡 Astuce mémo

Nombre magique : 256 = masque + taille du “pas” (on oublie 2 pour réseau et broadcast).

📖 8. Routage IP et décisions

🔑 Notions clés & Définitions

• Table de routage : Matrice interne d’un routeur qui relie des réseaux de destination à des interfaces de sortie pour acheminer les paquets IP.
• ET logique avec masque : Opération binaire réalisée par le routeur sur l’adresse IP de destination et le masque de sous-réseau afin d’identifier le réseau de destination.
• Domaine de broadcast : Segment logique où des hôtes peuvent atteindre l’autre extrémité sans passer par des services de routage, grâce à l’envoi vers l’adresse de broadcast.
• Système autonome : Ensemble de réseaux sous contrôle administratif commun, géré par des routeurs appliquant les mêmes règles et fonctions de routage.

📝 Points essentiels

• Si la destination n’est pas locale, l’ARP échoue et la station envoie la trame à sa passerelle par défaut, donc au routeur.
• Le routeur examine l’adresse IP de destination puis applique un ET logique avec le masque de sous-réseau pour déterminer le réseau de destination.
• Le routeur consulte sa table de routage pour choisir l’interface de sortie vers le réseau déterminé.
• Les domaines de broadcast sont séparés par des dispositifs de couche 3.
• Les méthodes de sélection du chemin utilisent des informations de topologie et des métriques comme la densité du trafic, le nombre de routeurs à franchir et la vitesse des liaisons.
• Les protocoles IGP gèrent le routage à l’intérieur d’un système autonome, tandis que les protocoles EGP gèrent le routage entre systèmes autonomes, avec BGP comme exemple d’EGP.

💡 Astuce mémo

ET logique + masque = réseau de destination : c’est le “filtre” du routeur avant de choisir son interface.

📖 9. Présentation, compression et DNS

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche présentation : Couche réseau responsable de la mise en forme des données, de leur chiffrement et de leur compression avant envoi vers la couche session.
• Compression des données : Technique de la couche présentation qui réduit la taille en remplaçant des séquences de bits répétitives par des représentations plus courtes.
• Domain Name System : Système hiérarchique transformant un nom de domaine lisible en adresse IP numérique grâce à une architecture distribuée.
• Adresse FQDN : Nom totalement qualifié qui combine le nom d’hôte et le nom de domaine pour identifier de façon unique une machine.

📝 Points essentiels

• DNS associe des noms en langage courant aux adresses IP afin de faciliter l’usage des services réseau.
• Dans l’ancien modèle, la table hosts servait à faire des correspondances statiques nom IP, mais elle demandait une mise à jour de tous les hôtes en cas de changement.
• Un nom de domaine se compose de deux parties, organisation et classification (par exemple .fr, .com), et l’ensemble forme une structure arborescente où l’unicité est garantie.
• Le serveur DNS doit être configuré sur chaque ordinateur pour transformer un nom quelconque en IP, et un second serveur peut relayer le premier en cas de panne.
• La compression remplace des suites de bits par un jeton plus court afin de réduire la taille des fichiers transmis.
• DNS utilise le port 53 pour ses échanges réseau.

💡 Astuce mémo

DNS = Nom→IP (on remplace un libellé humain par l’adresse numérique).

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
05/09/2008	Date de release de la version du module (ID Booster : 705)
1991	Mise en place d’un groupe de travail (WECA) pour standardiser le sans-fil
Juin 1997	Publication des standards 802.11 pour les réseaux locaux sans fil

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison OSI vs TCP/IP

Modèle	Couches	Regroupements / idée clé
OSI	7	Découpage en 7 couches pour analyser et encadrer la communication
TCP/IP	4	Regroupe certaines couches OSI et sert de base au réseau Internet actuel

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre OSI et TCP/IP : OSI est en 7 couches, TCP/IP est en 4 couches (avec regroupements).
2. Croire que ARP sert à joindre directement une destination non locale : si l’ARP échoue, on envoie à la passerelle par défaut (routeur).
3. Mélanger trame Ethernet et IEEE 802.3 : la distinction dépend du champ longueur avec 0x600 (strictement < 0x600 : 802.3 ; égal 0x600 : Ethernet).
4. Penser que les collisions peuvent se produire en full-duplex : les collisions ne surviennent que dans un environnement half-duplex (média partagé).
5. Oublier la règle N-2 en subnetting : il faut retirer aussi l’adresse réseau (hôte à 0) et l’adresse broadcast (hôte à 1) pour compter les hôtes utilisables.
6. Prendre le “bit” comme une idée abstraite sans média : dans les médias physiques, 0/1 correspondent à des niveaux/états (ex. 0V et +5V) et sont perturbés par bruit, atténuation, réflexion, etc.

✅ Checklist Examen

1. Définir LAN et WAN, et relier chacun à sa zone géographique et au type de connectivité.
2. Expliquer ce qu’est un bit et un octet, et donner l’usage typique d’un octet pour encoder des caractères (ex. ASCII).
3. Donner les correspondances hexadécimales A=10, …, F=15 et la règle mémoire Binaire→Hexa (4 bits pour 1 chiffre).
4. Décrire le principe OSI : 7 couches, encapsulation, et identification des données par PDU.
5. Comparer OSI et TCP/IP : nombres de couches et rôle réel de TCP/IP sur Internet.
6. Expliquer analogique vs numérique, et la relation f=1/T (période) pour la fréquence d’une onde.
7. Citer les principaux facteurs affectant un bit (propagation, atténuation, réflexion, bruit, dispersion, gigue, latence, collisions) et distinguer simple/half/full-duplex.
8. Pour Ethernet : expliquer CSMA/CD (écoute, collision=bourrage + arrêt + attente aléatoire) et donner la signification de FCS.
9. Pour les trames : connaître la taille maximale de données (≤1500 octets) et la règle de classification trame Ethernet vs IEEE 802.3 par le champ longueur/0x600.
10. Pour commutation et Spanning Tree : expliquer table MAC, domaines sans collisions, risques de boucles/tempêtes, rôle des BPDU/STA et états possibles d’un port ST.
11. Pour subnetting : expliquer l’intérêt, emprunt des bits, et appliquer N-2 (adresse réseau et broadcast à retirer) ; connaître les 2 méthodes de calcul (classique et nombre magique).
12. Pour routage IP : expliquer ET logique avec masque, rôle de la passerelle par défaut, domaines de broadcast séparés par couche 3, et différence IGP/EGP avec BGP en exemple d’EGP.
13. Pour DNS : décrire la résolution nom→IP, le passage de hosts statiques au DNS, la notion de FQDN et le rôle de serveurs DNS (dont secondaire en cas de panne).