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DT 17 - Modèle OSI et protocoles
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- Réseaux
L’évolution de l’informatique et la multiplication des terminaux nécessitaient une coordination des normes de façon faciliter les échanges à travers toutes les interfaces et à engendrer, grâce à des protocoles normalisés, une synergie entre informatique et télécommunications. Le modèle OSI (Open System Interconnection) a été créé à l’initiative de l’ISO (organisation mondiale de normalisation) avec le concours de l’UIT-T vers 1984 pour faciliter les échanges entre terminaux informatique de toute origine et de toute performance. L’évolution des réseaux et des services a modifié les premiers concepts de ce modèle.
1 - Définition d’un protocole de communication
Un protocole de communication est utilisé entre deux terminaux afin de structurer et de gérer les échanges, grâce à l’observation de règles préalablement définies. Un protocole de réseau définit le format et l’ordre des messages échangés entre deux (ou plus) entités interlocutrices, ainsi que les actions générées au moment de la transmission ou de la réception d’un message ou d’un événement lié à la communication. C’est, sur le plan pratique, un ensemble de règles et de procédures que les équipements de réseau placés sur la chaîne de communication doivent observer pour que l’échange des messages puisse s’effectuer.
Pour être bien clair sur ce point, les protocoles de communication concernent à la fois les terminaux et les équipements de réseau. Il existe des échanges de phase de protocoles entre les entités de réseau et d’autres, qui s’établissent entre terminaux et équipements de réseau. Enfin, il faut aussi préciser qu’en commutation de circuits (téléphonie classique, télécopie, télégraphie automatique), les protocoles d’échanges s’effectuent de terminal à terminal, à travers la chaîne de circuits établie par la numérotation et par la signalisation. Pour ces services, une fois la connexion établie de bout en bout, le réseau est passif jusqu’au signal de déconnexion. Le modèle OSI, dont il est question ci-dessous, ne s’applique pas à ces services, puisque sa création est postérieure à ces services. Le modèle OSI concerne exclusivement les services et applications de type numérique créés après 1984.
2 – Principe du modèle OSI
2.1 - Disposition en couches
Pour permettre la communication entre tout type de terminal de données, les différentes fonctionnalités possibles utilisées dans le processus de communication ont été définies. Elles ont été regroupées en famille de fonctions (on parle de couches), de sorte que des composants et les logiciels puissent être réalisés pour constituer les fonctions demandées, avec indication des repères physiques. L’architecture d’interconnexion des systèmes ouverts (ISO) est structurée en sept couches fonctionnelles, normalisées par l’ISO et l’UIT-T (dans la série X.200). Les principes de cette structuration peuvent être résumés ainsi :
1) Ne pas créer un nombre de couches trop complexes.
2) Créer des couches distinctes pour traiter les fonctions différentes sur le plan du traitement et de la technologie.
3) Rassembler les fonctions similaires dans la même couche, créer une limite en un point où le nombre d’interactions à travers la frontière peut être réduit.
4) Permettre des changements de fonction dans une couche sans influencer les autres.
5) Créer, pour chaque couche, des interfaces avec la couche immédiatement supérieure et la couche immédiatement inférieure.
6) Regrouper les fonctions à l’intérieur d’une couche pour former des sous-couches au cas où des services de communication le nécessiteraient.
7) Créer des couches qui mettent en relation des entités homologues grâce à un protocole de couche, les points d’accès étant définis par des conventions d’adressage.
2.2 Analogie de représentation
La structuration fonctionnelle de couches des protocoles du modèle OSI peut être symbolisée par le schéma suivant, relatif à la transmission de courrier postal, selon un trajet descendant, puis montant. Une lettre a sa présentation propre et elle peut traiter de plusieurs thèmes (sessions). La lettre est mise sous enveloppe et postée par l’expéditeur à l’extrémité du système de transport. Le facteur la porte au bureau central qui l’expédie de station en station jusqu’au bureau central de destination. À aucun moment, la lettre n’est lue par les agents du réseau (l’application n’est pas du ressort du réseau). Le transport de station à station (support physique, couche 1) est effectué par les voies d’acheminement existantes (air, fer, eau, route). Chaque agent ne prend connaissance que du niveau dont il traite (les couches 2 et 3 matérialisent les adresses de destination des trains, des sacs, des liasses d’enveloppes, etc.). À l’arrivée, le facteur remet le pli dans la boîte à lettre du destinataire et c’est ce dernier (et lui seul) qui prend connaissance du message (couche 4). Dans ce parallèle, le rôle des facteurs de départ et d’arrivée symbolise celui dévolu au système numérique du réseau d’accès.
Figure 1 - Modèle OSI et service postal
3 - Les sept couches du modèle OSI
3.1 - La couche physique (physical layer) : voir DT 18
3.2 - La couche liaison de données (data link layer) : voir DT 18
3.3 - La couche réseau (network layer) : voir DT 18
3.4 - La couche transport (transport layer)
Le contrôle du transfert des données du système origine au système destination est la dernière fonction à mettre en œuvre pour fournir la totalité du service de transport de bout en bout (adaptation aux caractéristiques du réseau, contrôle d’erreur, segmentation et formation des blocs, compilation des adresses).
Figure 2 - Formation de la trame dans le modèle OSI
3.5 - La couche session (session layer)
La couche session fournit deux services :
– le service de gestion de session ou d’administration qui établit une relation entre deux entités de présentation ;
– le service de dialogue de session qui contrôle l’échange de données en délimitant et en synchronisant les opérations effectuées sur les données par deux entités de présentation.
3.6 - La couche présentation (presentation layer)
La représentation et la manipulation des données structurées au profit de programmes d’application sont les deux services offerts par la couche présentation. Dans celle-ci sont traités la gestion des entrées-sorties, l’échange, l’affichage et le contrôle des données structurées. Cette couche adapte les formats, effectue les conversions de code nécessaires et choisit la syntaxe correspondant à l’application.
3.7 - La couche application (application layer)
Les protocoles exécutés dans cette couche servent directement l’utilisateur final en fournissant le service d’information réparti, nécessaire à son application et à la gestion de son système (identification des correspondants, choix des paramètres de service, priorité, qualité de service, etc.).
4 - Réalisation pratique
Chaque couche du modèle ajoute des informations de service aux données utilisateur. Chaque couche "n" reçoit des informations de la couche "n-1" à faire passer au niveau supérieur "n +1" ainsi que des informations de service qui lui sont nécessaires. L’information utile est transmise à travers les couches comme si les couches n’existaient pas. Les en-têtes marqués par la lettre H (headers) correspondent aux informations apportées par chaque couche fonctionnelle. Ces "en-têtes" sont définis sous forme d’octets.
Le trafic de données se présente en rafales ou en diffusion. Le jeu des demandes et des réponses conduit souvent à un transport de flux asymétriques. L’ouverture de nouveaux services de données, d’images et de sons crée une situation nouvelle. On pourrait croire que la multiplication des en-têtes nécessaires à chaque couche pénalise le transfert d’informations. Ce qui a été le cas dans les débuts de la téléinformatique n’est plus de mise aujourd’hui, le transfert d’information utilisant la compression d’adresses, l’électronique ultra rapide et des agencements dans le routage qui simplifient beaucoup la gestion des adressages. La figure 4 reflète des choix d’acheminement possibles utilisant les trois premières couches du modèle OSI.
Figure 4 - Choix de transfert d'informations
5 – Evolution du modèle OSI
Le système OSI a donné une impulsion favorable à l’interconnexion des systèmes numériques de communication. Mais le "tout OSI" est lourd à mettre en place du fait de la charge de travail de tests et de validation nécessaires, de l’évolution permanente de la normalisation, de l’existence d’options ou de combinaisons de normes difficiles à gérer. Il est plus simple, en radio, par exemple, de fondre en une seule entité les deux premières couches. Les LAN demeurent pénalisés par le protocole Ethernet qui n’est pas totalement OSI, etc. Comme les variantes des couches transport et session ont eu peu de succès, il est plus facile de placer directement les applicatifs au dessus de la couche 4.
6 – Architecture de communication de l’information (ICA)
Par un découpage un peu empiriste, l’ICA tente de regrouper les couches OSI en fonctions de connexion pour les basiciels des deux premières couches, en logiciels de médiation pour tout ce qui s’agrège à TCP/IP et en fonctions applicatives, toutes les fonctions des couches supérieures. La recherche s’oriente vers des réseaux programmables actifs qui seraient des réseaux de paquets ouverts et extensibles grâce à une infrastructure qui pourrait évoluer dynamiquement par des logiciels. Figure 4 - ICA (selon la recommandation Y.130)
7 – La pluralité des protocoles de couches basses
L’ATM pourrait être retirée progressivement du cœur de réseau, car, faute de développement industriel en temps utile, ses équipements au débit limité ne peuvent pas faire face à la montée de la demande du trafic de données. Le DWDM a suscité le concept d’Ethernet métropolitain de 10 Mbit/s à 100 Gbit/s (voir le DT 40 consacré aux réseaux Ethernet). Le SDH s’est enrichi de l’apport des règles de l’OTN (voir le DT 15), ce qui facilite la gestion des canaux optiques en G-MPLS (voir le DT 25). IP demeurera en place également avec quelques modifications (voir les DT 31 et 41 dédiés à IPv6 et aux évolutions proposées pour l’Internet). Il faudra encore beaucoup d’efforts pour masquer les insuffisances d’IP pour les services temps réels en période de fort trafic. Il faudra accepter de vivre sans doute en couches basses avec une pluralité de protocoles de communication. L’ICA, l’IMS (DT 30) liée à la nouvelle génération de réseau (NGN) constituent les propositions actuelles en faveur de l’évolution des réseaux.
8 - En résumé Le modèle à sept couches de l’ISO, né dans les années 1980, utilise les trois couches inférieures pour assurer le transport des informations. La technologie et le commercial ont souvent réduit les couches supérieures, pendant qu’un certain nombre de protocoles de réseau ont pris quelques libertés avec les principes émis (Relais de trame, TCP/IP, etc.). Bien qu’il reste un "modèle", le concept de base du modèle OSI a évolué au cours du temps. Si les grands principes demeurent valables, en réalité, certaines couches sont peu utilisées, d’autres sont morcelées et d’autres encore sont associées entre elles. L’intercommunication entre systèmes distants s’effectue grâce à l’adaptation entre les couches basses du modèle OSI. L’ICA (Rec.Y.130) propose un regroupement des protocoles en trois couches fonctionnelles : les couches basses, les logiciels de médiation et les applicatifs. En interne, l’Internet n’observe pas la discipline du "modèle" ISO. Les références des couches aident à la recherche des défauts en couches basses et à la mise en place des mesures de sécurité.