Protocole de communication

Le Groupe de travail international sur les réseaux a convenu d'une norme de datagrammes sans connexion , présentée au CCITT en 1975 mais non adoptée par le CCITT ni par l'ARPANET. Des recherches internationales distinctes, notamment les travaux de Rémi Després , ont contribué au développement de la norme X.25 , basée sur les circuits virtuels , qui a été adoptée par le CCITT en 1976. Les fabricants d'ordinateurs ont développé des protocoles propriétaires tels que l'architecture de réseau système (SNA) d'IBM, DECnet de Digital Equipment Corporation et Xerox Network Systems .

Le logiciel TCP a été repensé comme une pile de protocoles modulaire, appelée TCP/IP. Celle-ci a été installée sur SATNET en 1982 et sur ARPANET en janvier 1983. Le développement d'une suite complète de protocoles Internet en 1989, tel que décrit dans les RFC 1122 et RFC 1123 , a jeté les bases de l'essor de TCP/IP en tant que suite de protocoles exhaustive et composant central de l' Internet naissant .

Les travaux internationaux sur un modèle de référence pour les normes de communication ont abouti au modèle OSI , publié en 1984. À la fin des années 1980 et au début des années 1990, ingénieurs, organisations et nations se sont polarisés sur la question de savoir quelle norme , le modèle OSI ou la suite de protocoles Internet, permettrait de créer les réseaux informatiques les plus performants et les plus robustes.

Les informations échangées entre appareils via un réseau ou tout autre support sont régies par des règles et des conventions définies dans les spécifications des protocoles de communication. La nature de la communication, les données échangées et les comportements dépendants de l'état sont définis par ces spécifications. Dans les systèmes informatiques, ces règles peuvent être exprimées par des algorithmes et des structures de données . Les protocoles sont à la communication ce que les algorithmes ou les langages de programmation sont aux calculs.

Les systèmes d'exploitation comprennent généralement un ensemble de processus coopérants qui manipulent des données partagées pour communiquer entre eux. Cette communication est régie par des protocoles bien définis, qui peuvent être intégrés au code du processus lui-même. En revanche, en l'absence de mémoire partagée , les systèmes communicants doivent utiliser un support de transmission commun . La transmission n'est pas nécessairement fiable et les différents systèmes peuvent utiliser du matériel ou des systèmes d'exploitation différents.

Pour implémenter un protocole réseau, les modules logiciels du protocole sont interfacés avec un framework implémenté sur le système d'exploitation de la machine. Ce framework implémente les fonctionnalités réseau du système d'exploitation. Lorsque les algorithmes du protocole sont exprimés dans un langage de programmation portable, le logiciel du protocole peut être rendu indépendant du système d'exploitation . Les frameworks les plus connus sont le modèle TCP/IP et le modèle OSI .

À l'époque du développement d'Internet, l'architecture par couches d'abstraction s'était révélée une approche de conception efficace pour les compilateurs et les systèmes d'exploitation. Compte tenu des similarités entre les langages de programmation et les protocoles de communication, les programmes réseau monolithiques d'origine ont été décomposés en protocoles coopératifs. Ceci a donné naissance au concept de protocoles en couches, qui constitue aujourd'hui la base de la conception de protocoles.

Les systèmes n'utilisent généralement pas un seul protocole pour gérer une transmission. Ils utilisent plutôt un ensemble de protocoles coopérants, parfois appelés suite de protocoles . Parmi les suites de protocoles les plus connues figurent TCP/IP , IPX/SPX , X.25 , AX.25 et AppleTalk .

Les protocoles peuvent être regroupés par fonctionnalité ; par exemple, il existe un groupe de protocoles de transport . Les fonctionnalités sont associées aux couches, chaque couche résolvant une classe distincte de problèmes liés, par exemple, aux fonctions d’application, de transport, d’Internet et d’interface réseau. Pour transmettre un message, un protocole doit être sélectionné à chaque couche. La sélection du protocole suivant s’effectue en ajoutant au message un sélecteur de protocole pour chaque couche.

Un protocole textuel ou protocole en texte brut représente ses messages dans un format lisible par l'homme , souvent en texte brut encodé dans un encodage lisible par machine tel que ASCII ou UTF-8 , ou dans des formats textuels structurés tels que le format Intel hex , XML ou JSON .

La lisibilité humaine immédiate contraste avec les représentations binaires des messages, qui présentent des avantages inhérents pour une utilisation dans un environnement informatique (tels que la facilité d' analyse mécanique et une meilleure utilisation de la bande passante ).

Les applications réseau disposent de diverses méthodes d'encapsulation des données. L'une des plus courantes avec les protocoles Internet est une représentation textuelle des messages qui transmet les requêtes et les réponses sous forme de lignes de texte ASCII , terminées par un caractère de nouvelle ligne (et généralement un caractère de retour chariot). Parmi les protocoles utilisant du texte brut lisible par l'humain pour leurs commandes, on peut citer FTP ( File Transfer Protocol ), SMTP ( Simple Mail Transfer Protocol ), les premières versions de HTTP ( Hypertext Transfer Protocol ) et le protocole Finger .

Les représentations textuelles des messages sont généralement plus faciles à inspecter et à interpréter pour les humains et sont donc appropriées chaque fois qu'une inspection humaine du contenu du protocole est requise, par exemple lors du débogage et lors des premières phases de conception du développement du protocole.

Un protocole binaire utilise une représentation des messages pouvant exploiter toutes les valeurs d'un octet , contrairement à une représentation textuelle qui se limite aux valeurs correspondant aux caractères d'un encodage tel que l'ASCII ou l'UTF-8 . Les messages binaires sont destinés à être traités par des machines plutôt qu'à être lus directement par des humains. Les protocoles binaires présentent l'avantage de la concision, ce qui se traduit par une rapidité de transmission et d'interprétation.

Les représentations binaires de messages ont été utilisées dans les normes modernes telles que EbXML , HTTP/2 , HTTP/3 et EDOC . Une interface en UML peut également être considérée comme un protocole binaire.

Dans la conception moderne de protocoles, ces derniers sont organisés en couches pour former une pile de protocoles. Le principe de conception par couches consiste à diviser la tâche de conception d'un protocole en étapes plus petites, chacune accomplissant une fonction spécifique et interagissant avec les autres parties du protocole de manière restreinte et bien définie. Cette approche permet de concevoir et de tester les différentes parties d'un protocole sans engendrer une explosion combinatoire de cas, ce qui garantit la simplicité de chaque conception.

Les protocoles de communication utilisés sur Internet sont conçus pour fonctionner dans des environnements divers et complexes. Ils sont conçus pour être simples et modulaires et s'intègrent dans une hiérarchie générale de couches fonctionnelles définies dans la suite de protocoles Internet . Les deux premiers protocoles coopérants, le protocole de contrôle de transmission (TCP) et le protocole Internet (IP), sont issus de la décomposition du protocole de contrôle de transmission original, un protocole de communication monolithique, en cette suite de communication en couches.

Le modèle OSI a été développé à l'échelle internationale sur la base de l'expérience acquise avec les réseaux antérieurs à Internet, comme modèle de référence pour la communication générale, avec des règles d'interaction des protocoles beaucoup plus strictes et une hiérarchisation rigoureuse.

En général, les logiciels d'application reposent sur une couche de transport de données robuste. Cette couche sous-tend un mécanisme de distribution et de routage des datagrammes, généralement sans connexion sur Internet. Le relais des paquets entre les réseaux s'effectue sur une autre couche qui utilise uniquement les technologies de liaison réseau, souvent spécifiques à certaines technologies de la couche physique, comme Ethernet . L'architecture en couches permet d'échanger des technologies au besoin ; par exemple, les protocoles sont souvent empilés dans une structure de tunnelisation pour permettre la connexion de réseaux différents. Ainsi, le protocole IP peut être tunnelé sur un réseau ATM ( Asynchronous Transfer Mode ).

superposition de protocoles

La structuration en couches de protocoles constitue le fondement de la conception des protocoles. Elle permet de décomposer des protocoles complexes en protocoles coopératifs plus simples. Chaque couche de protocole résout une classe distincte de problèmes de communication. Ensemble, les couches forment un schéma ou un modèle de structuration.

Les calculs font appel à des algorithmes et à des données ; la communication, quant à elle, repose sur des protocoles et des messages ; ainsi, un diagramme de flux de messages est l’équivalent d’un diagramme de flux de données. Pour visualiser l’organisation en couches et les suites de protocoles, la figure 3 présente un diagramme des flux de messages au sein et entre deux systèmes, A et B. Ces deux systèmes utilisent la même suite de protocoles. Les flux verticaux (et les protocoles associés) sont intra-système, tandis que les flux horizontaux (et les protocoles associés) sont inter-systèmes. Les flux de messages sont régis par des règles, et les formats de données sont spécifiés par les protocoles. Les lignes bleues délimitent les couches de protocoles (horizontales).

superposition de logiciels

Le logiciel prenant en charge les protocoles possède une organisation en couches, et sa relation avec la superposition des protocoles est illustrée dans la figure 5.

Pour envoyer un message sur le système A, le module logiciel de couche supérieure interagit avec le module situé directement en dessous et lui transmet le message à encapsuler. Le module inférieur renseigne les données d'en-tête conformément au protocole qu'il implémente et interagit avec le module inférieur, qui envoie le message via le canal de communication au module inférieur du système B. Sur le système B destinataire, l'opération inverse se produit, de sorte que le message est finalement livré dans sa forme originale au module de couche supérieure du système B.

La traduction de programmes est divisée en sous-problèmes. Par conséquent, le logiciel de traduction est également structuré en couches, ce qui permet de concevoir les couches logicielles indépendamment. On retrouve la même approche dans l'architecture en couches du protocole TCP/IP.

Les modules situés sous la couche application sont généralement considérés comme faisant partie du système d'exploitation. Le transfert de données entre ces modules est beaucoup moins coûteux que le transfert de données entre un programme d'application et la couche transport. La limite entre la couche application et la couche transport est appelée limite du système d'exploitation.

Les problèmes récurrents dans la conception et la mise en œuvre des protocoles de communication peuvent être résolus par des modèles de conception logicielle .

Les méthodes formelles populaires de description de la syntaxe de communication sont la notation de syntaxe abstraite One (une norme ISO ) et la forme Backus-Naur augmentée (une norme IETF ).

Des modèles de machines à états finis sont utilisés pour décrire formellement les interactions possibles du protocole. et des machines à états finis communicantes

La nécessité de normes de protocoles peut être illustrée par l'exemple du protocole BSC ( Binary Synchronous Communications ) inventé par IBM . Le BSC est un protocole de liaison ancien utilisé pour connecter deux nœuds distincts. Initialement conçu pour un réseau non multinœud, son utilisation dans ce contexte a révélé plusieurs de ses faiblesses. En l'absence de normalisation, les fabricants et les organisations se sont sentis libres de modifier le protocole, créant ainsi des versions incompatibles sur leurs réseaux. Dans certains cas, cette modification était délibérée afin de dissuader les utilisateurs d'utiliser des équipements d'autres fabricants. Il existe plus de 50 variantes du protocole bi-synchrone original. On peut supposer qu'une norme aurait permis d'éviter au moins une partie de cette situation.

Dans certains cas, des protocoles s'imposent sur le marché sans passer par un processus de normalisation. On les appelle alors des standards de facto . Ces standards sont fréquents sur les marchés émergents, les marchés de niche ou les marchés monopolistiques (ou oligopolistiques ). Ils peuvent exercer une emprise néfaste sur un marché, notamment lorsqu'ils servent à dissuader la concurrence. Historiquement, la normalisation doit être perçue comme une mesure visant à contrer les effets néfastes des standards de facto. Il existe toutefois des exceptions notables : un système d'exploitation comme Linux, qui est un standard de facto, n'exerce pas cette emprise néfaste sur son marché car son code source est publié et maintenu de manière ouverte, favorisant ainsi la concurrence.

Parmi les organismes de normalisation importants pour les protocoles de communication figurent l' Organisation internationale de normalisation (ISO), l' Union internationale des télécommunications (UIT), l' Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) et l' Internet Engineering Task Force (IETF). L'IETF gère les protocoles utilisés sur Internet. L'IEEE contrôle de nombreux protocoles logiciels et matériels dans l'industrie électronique, pour les appareils commerciaux et grand public. L'UIT est une organisation faîtière regroupant des ingénieurs en télécommunications qui conçoivent le réseau téléphonique public commuté (RTPC), ainsi que de nombreux systèmes de radiocommunication . Pour l'électronique marine , les normes NMEA sont utilisées. Le World Wide Web Consortium (W3C) élabore des protocoles et des normes pour les technologies Web.

Les organismes internationaux de normalisation sont censés être plus impartiaux que les organismes locaux, qui ont des intérêts nationaux ou commerciaux à défendre. Ces organismes mènent également des activités de recherche et développement pour les normes de demain. En pratique, les organismes de normalisation mentionnés coopèrent étroitement entre eux.

Plusieurs organismes de normalisation peuvent participer à l'élaboration d'un protocole. En l'absence de coordination, il peut en résulter plusieurs définitions incompatibles du protocole, ou plusieurs interprétations incompatibles des messages ; des invariants importants d'une définition (par exemple, la décroissance monotone des valeurs de durée de vie pour éviter les boucles de routage stables ) peuvent ne pas être respectés dans une autre.

Au sein de l'ISO, le processus de normalisation débute par la mise en place d'un sous-comité de travail. Ce sous-comité diffuse des projets de norme et des documents de discussion aux parties intéressées (y compris d'autres organismes de normalisation) afin de susciter des échanges et des commentaires. Ceci génère de nombreuses questions, des discussions approfondies et généralement quelques désaccords. Ces commentaires sont pris en compte et le sous-comité élabore une proposition . Après intégration des retours d'information, modifications et compromis, la proposition devient un projet de norme internationale , puis une norme internationale . Les normes internationales sont régulièrement mises à jour afin de corriger les lacunes et de refléter l'évolution des points de vue sur le sujet.

L'IETF est aujourd'hui devenue un organisme de normalisation pour les protocoles utilisés sur Internet. Le modèle RM/OSI a été étendu pour inclure les services sans connexion, ce qui a permis le développement des protocoles TCP et IP en normes internationales.