Modèle OSI et modèle TCP/IP : les couches

Le modèle OSI est un modèle de référence en sept couches qui découpe une communication réseau en étapes, du signal électrique jusqu'à l'application ; le modèle TCP/IP, en quatre couches, décrit les protocoles réellement utilisés sur Internet. Ce chapitre présente le rôle de chaque couche, l'encapsulation, la correspondance entre les deux modèles et la façon de s'en servir pour dépanner.

Pourquoi découper en couches

Envoyer un message à travers le monde pose des dizaines de problèmes : transformer des bits en signal, trouver la machine destinataire, choisir un chemin, récupérer les paquets perdus, remettre les données au bon programme. Un seul protocole qui ferait tout serait ingérable.

On découpe donc le travail en couches. Chaque couche rend un service à la couche du dessus et utilise le service de la couche du dessous, sans savoir comment elle fonctionne. Ton navigateur ne sait pas si la page arrive par la fibre ou par le Wi-Fi ; le câble ne sait pas qu'il transporte une page web. On peut remplacer le Wi-Fi 5 par du Wi-Fi 7 sans toucher à HTTP.

C'est le même principe que la poste. Tu écris une lettre (application), tu la mets sous enveloppe avec une adresse (réseau), le centre de tri choisit un camion (liaison), le camion roule (physique). À l'arrivée, chaque étape défait ce que son homologue a fait au départ.

Les sept couches du modèle OSI

Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) a été publié par l'ISO en 1984 (norme ISO 7498, aujourd'hui ISO/IEC 7498-1). C'est un modèle de référence : il ne définit pas de protocole à utiliser, il donne un vocabulaire commun pour décrire n'importe quel réseau.

Pour retenir l'ordre de la couche 1 à la couche 7, la phrase classique est « Pour Le Réseau Tout Se Passe Automatiquement » : Physique, Liaison, Réseau, Transport, Session, Présentation, Application.

Couche 1, physique

Elle transmet des bits bruts. Elle définit les connecteurs (RJ45, LC), la nature du signal (tension électrique, impulsion lumineuse, onde radio), le débit et la distance maximale. Un câble débranché, une fibre pliée trop fort, un Wi-Fi brouillé : ce sont des pannes de couche 1. Elle ne comprend aucune adresse.

Couche 2, liaison de données

Elle organise les bits en trames et les fait passer d'une machine à sa voisine directe, sur un même réseau local. Elle utilise les adresses MAC, gravées dans chaque carte réseau, détecte les erreurs de transmission avec un code de contrôle et gère l'accès au support partagé. Le switch travaille à ce niveau. Le chapitre 4 lui est consacré.

Couche 3, réseau

Elle permet de joindre une machine située sur un autre réseau, en passant par des routeurs. Elle utilise les adresses IP, logiques et hiérarchiques : la première partie désigne le réseau, la seconde la machine. Le routeur lit l'adresse IP de destination et choisit par où envoyer le paquet. ICMP, le protocole de ping, se range ici.

Couche 4, transport

Elle relie deux programmes, pas seulement deux machines. Le numéro de port dit à quel programme remettre les données : 443 pour un serveur HTTPS, 53 pour un serveur DNS. TCP garantit que tout arrive, dans l'ordre ; UDP envoie sans garantie, mais plus vite. Voir le chapitre 10.

Couches 5 et 6, session et présentation

La couche session organise le dialogue : ouverture, points de reprise, fermeture. La couche présentation s'occupe de la forme des données : jeu de caractères, compression, chiffrement. Dans la pratique, ces deux rôles sont assurés par les applications elles-mêmes ou par des bibliothèques comme TLS. Les ranger précisément est un débat d'experts ; à l'examen, on te demande surtout de savoir qu'elles existent et ce qu'elles font.

Couche 7, application

C'est la couche des protocoles que les programmes utilisent : HTTP pour le web, SMTP et IMAP pour le courrier, DNS pour les noms, SSH pour l'administration à distance. Attention : la couche application n'est pas l'application elle-même. Ton navigateur est un programme ; HTTP est le protocole de couche 7 qu'il parle.

L'encapsulation

À l'émission, chaque couche ajoute ses informations de contrôle, un en-tête, devant les données reçues de la couche du dessus. Ethernet ajoute aussi un code de contrôle à la fin de la trame. C'est l'encapsulation. À la réception, chaque couche lit et retire son en-tête, puis passe le reste à la couche du dessus : c'est la décapsulation.

Retiens les quatre noms de PDU (Protocol Data Unit), qui tombent en question de cours : trame en couche 2, paquet en couche 3, segment (TCP) ou datagramme (UDP) en couche 4, données au-dessus.

Ce dernier point est essentiel : les adresses IP source et destination restent les mêmes de bout en bout (sauf traduction NAT, chapitre 9), alors que les adresses MAC changent à chaque routeur, puisque chaque trame ne va que d'un voisin à l'autre.

Combien coûtent les en-têtes

Les en-têtes ne sont pas gratuits. Une trame Ethernet transporte au plus 1 500 octets de charge utile (le MTU). Si cette charge est un paquet IPv4 qui contient un segment TCP, il reste 1 500 − 20 (IP) − 20 (TCP) = 1 460 octets de données applicatives. La trame complète mesure 1 460 + 20 + 20 + 14 + 4 = 1 518 octets : l'efficacité est de 1 460 / 1 518 ≈ 96 %. Pour de petits messages, la proportion d'en-têtes devient importante : c'est un des arguments d'UDP, dont l'en-tête ne fait que 8 octets.

Le modèle TCP/IP

Le modèle TCP/IP est né des travaux financés par le département de la Défense américain dans les années 1970, avant que le modèle OSI ne soit terminé. Il décrit les protocoles d'Internet tels qu'ils fonctionnent. On le présente en quatre couches.

Certains manuels, dont les supports Cisco, découpent la couche accès réseau en deux (liaison et physique) et présentent un modèle en cinq couches. Ce n'est pas une contradiction : c'est la même chose, dite plus finement. Si un sujet parle du « modèle TCP/IP », réponds avec quatre couches et signale la variante si tu as un doute.

OSI ou TCP/IP : pourquoi deux modèles

TCP/IP s'est imposé pour des raisons concrètes : ses protocoles existaient et fonctionnaient déjà, ses spécifications (les RFC) étaient gratuites et ouvertes, et Internet l'a rendu incontournable. Les protocoles OSI eux-mêmes ont presque disparu.

Le modèle OSI, lui, est resté comme langage commun. Quand un administrateur dit « c'est un problème de couche 2 » ou qu'un fabricant vend un « switch de niveau 3 », il parle OSI. Les pare-feu « de couche 7 » inspectent le contenu des applications, et les attaques sont souvent classées par couche.

Se servir des couches pour dépanner

Le modèle en couches donne une méthode : quand « rien ne marche », on vérifie couche par couche, en partant du bas. Le voyant de la carte réseau est-il allumé (couche 1) ? Le poste a-t-il une adresse IP correcte (couche 3) ? Le serveur répond-il au ping (couche 3) ? Le port du service est-il ouvert (couche 4) ? Le nom se résout-il (couche 7, DNS) ?

Chaque réponse élimine une partie des causes possibles. Le chapitre 15 transforme cette idée en méthode, avec les commandes Windows et Linux qui vont avec.

Exercices

Exercice 1 sur 4 À quelle couche ? Réussi À revoir

Indique la couche OSI (numéro et nom) de chaque élément.

1. Une adresse MAC
2. Une adresse IP
3. Le port 443
4. Un câble de catégorie 6
5. Le protocole DNS
6. Un routeur
7. Un switch (non administrable)
8. Le protocole ICMP utilisé par ping
9. Une trame
10. Un segment TCP

Voir la réponseMasquer la réponse de l'exercice 1

1. Couche 2, liaison de données.
2. Couche 3, réseau.
3. Couche 4, transport : le port identifie un programme.
4. Couche 1, physique.
5. Couche 7, application.
6. Couche 3, réseau.
7. Couche 2, liaison de données.
8. Couche 3, réseau : ICMP est transporté directement dans IP, sans TCP ni UDP.
9. Couche 2 : la trame est le PDU de la liaison.
10. Couche 4 : le segment est le PDU de TCP.

Tu avais trouvé ?

Oui, j'avais bonPas encore

Exercice 2 sur 4 Remettre l'encapsulation dans l'ordre Réussi À revoir

Un poste envoie une requête DNS. Remets ces étapes dans l'ordre de l'émission, puis dis quelle étape le switch lit et laquelle le routeur lit en plus.

• a) L'en-tête IP est ajouté, avec l'adresse IP du serveur DNS.
• b) La carte réseau transmet le signal sur le câble.
• c) Le programme prépare la question « quelle est l'adresse de intranet.sorbier.example ? ».
• d) L'en-tête Ethernet et le FCS sont ajoutés.
• e) L'en-tête UDP est ajouté, avec le port de destination 53.

Voir la réponseMasquer la réponse de l'exercice 2

Ordre : c, e, a, d, b. Les données de l'application, puis le transport (UDP, port 53), puis le réseau (IP), puis la liaison (Ethernet), puis le signal physique.

Le switch lit l'en-tête Ethernet (étape d), c'est-à-dire l'adresse MAC de destination. Le routeur lit l'en-tête Ethernet, puis l'en-tête IP (étape a) pour choisir où envoyer le paquet. Aucun des deux n'a besoin de lire l'en-tête UDP ni la question DNS.

Tu avais trouvé ?

Oui, j'avais bonPas encore

Exercice 3 sur 4 OSI et TCP/IP Réussi À revoir

1. À quelle couche du modèle TCP/IP correspondent les couches 5, 6 et 7 du modèle OSI ?
2. Dans quelle couche TCP/IP se trouvent Ethernet et le Wi-Fi ?
3. Donne deux raisons pour lesquelles on continue d'apprendre le modèle OSI.

Voir la réponseMasquer la réponse de l'exercice 3

1. À la couche application.
2. Dans la couche accès réseau, qui regroupe la liaison et la physique d'OSI.
3. Il fournit le vocabulaire des professionnels (« switch de niveau 3 », « problème de couche 2 », « pare-feu de couche 7 ») et il structure le dépannage, couche par couche. Il est aussi plus fin que TCP/IP pour décrire ce que fait chaque équipement.

Tu avais trouvé ?

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Exercice 4 sur 4 Calculer la part des en-têtes Réussi À revoir

Une trame Ethernet transporte un paquet IPv4 (en-tête de 20 octets) qui contient un datagramme UDP (en-tête de 8 octets) avec 100 octets de données. L'en-tête Ethernet fait 14 octets et le FCS 4 octets.

1. Quelle est la taille de la trame ?
2. Quelle proportion de la trame les données utiles représentent-elles ?
3. Même question avec TCP (en-tête de 20 octets) à la place d'UDP.

Voir la réponseMasquer la réponse de l'exercice 4

1. 100 + 8 + 20 + 14 + 4 = 146 octets.
2. 100 / 146 ≈ 68 % : près d'un tiers de la trame est fait d'en-têtes.
3. 100 + 20 + 20 + 14 + 4 = 158 octets, et 100 / 158 ≈ 63 %.

Tu avais trouvé ?

Oui, j'avais bonPas encore