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Les réseaux ont la fibre de l’information

Passer un coup de fil, surfer sur Internet ou bavarder en ligne avec d’autres internautes, quoi de plus banal aujourd’hui. Mais que sait-on de la machinerie qui opère en coulisse ? Que se passe-t-il à l’autre bout du fil ?

Si un pan de science s’ouvre devant la question : « Que peut-on calculer ? », un autre tente de répondre à : « Que peut-on télécommuniquer ? » Concrètement, ce sont les réseaux qui acheminent l’information. Deux modèles ont aujourd’hui atteint une échelle planétaire : le réseau téléphonique qui transporte nos voix et Internet qui transporte nos données numériques.

Le réseau de voix

Les fibres optiques sont des super-autoroutes où circule une quantité impressionnante d'informations. © France Telecom
Fil en verre ou en plastique très fin, la fibre optique conduit la lumière. Utilisée dans les transmissions terrestres à longue distance, c’est le support idéal pour la télévision, le téléphone ou les données informatiques.

Avec le téléphone, nous sommes devenus connectés, branchés, câblés... En effet, pour discuter avec son alter ego, il faut se connecter à lui par un circuit électrique, c’est la phase de connexion si poétique à l’époque où l’on demandait « Montmartre 22 12 » ou « Élysée 15 15 ». Encore de nos jours, il vous faut savoir où se trouve un correspondant dans le réseau pour le joindre. Par exemple, le numéro 46 06 22 12 se trouve au bout du fil 22 12 du central téléphonique de Montmartre qui a pour numéro (de central) le 46 06. Vous pouvez alors activer votre téléphone en le décrochant ou en tournant la manivelle, selon l’époque. Dans votre central téléphonique, à l’autre bout du fil, une opératrice ou un commutateur automatique constate que votre ligne s’active et attend que vous énonciez l’adresse de votre correspondant. Vous demandez donc « Montmartre 22 12 » ou « tic, tic-tic-tic-tic-tic-tic... » ou « do si do si mi mi ré mi » ou le 46 06 22 12 qui s’affiche sur l’écran du combiné et circule en douce derrière le souffle de l’appareil. L’autre bout de votre fil est alors connecté à l’un des fils qui relient votre central à celui de Montmartre.

De même, une opératrice (ou un commutateur automatique) connecte, à Montmartre, l’autre bout du fil au poste 22 12 qui se met à sonner. Quand votre correspondant décroche, vous êtes connectés l’un à l’autre par un circuit transportant les signaux électriques qui codent votre voix.

Bien sûr, au fur et à mesure que le réseau grandit, on peut rajouter des super-centraux de numéros 01, 02, 03, 04, 05, par exemple, si l’on découpe le pays en cinq régions. Ce numéro se rajoute alors au début du numéro de votre correspondant en préfixe. Notre numéro à Montmartre devient ainsi un numéro à dix chiffres.

On relie alors chaque central téléphonique au super-central de sa région par de nombreux fils et on relie entre eux les super-centraux par des quantités encore plus importantes de fils.

Le numéro de téléphone est ainsi une sorte d’adresse construite selon un découpage hiérarchique de la géographie du monde similaire à celui de la poste. Il s’agit donc d’une « adresse électronique ».

Dans les premiers réseaux téléphoniques, le circuit établi est physique : une suite de fils sont connectés les uns aux autres. Dans les réseaux plus évolués, le circuit est logique, et l’on parle de « connexion ». Avec l’augmentation du trafic, les fils entre centraux deviennent si demandés qu’il faut inventer un moyen de faire transiter plusieurs connexions sur le même fil. De l’information circule de fait sur tout signal physique qui se propage dans l’espace : un courant dans un fil électrique ou une onde lumineuse dans une fibre optique ou même une onde radio dans l’espace ambiant.

La théorie de l’information naît de cette question cruciale : « Combien de connexions vont pouvoir transiter sur mon signal ? » Durant l’année 1948, l’Américain Claude Elwood Shannon met en équations les liens entre les caractéristiques physiques d’un signal et la quantité d’information que celui-ci peut transmettre. Il promeut l’utilisation du mot « bit » pour désigner l’unité atomique d’information : 1 ou 0, vrai ou faux, oui ou non... On peut ainsi quantifier l’information transmise en bits par seconde, voire en kilo-, méga-, giga- ou térabits par seconde, ce qui correspond à 1, 1 000, 1 000 000... et ainsi de suite, chaque terme indiquant une quantité mille fois plus grande de bits par seconde que le précédent.

Mais revenons à l’invention de machines capables de traiter l’information : comment peuvent-elles communiquer ?

Le réseau de réseaux

Dès les années 1950, on sait échanger des données entre deux ordinateurs, mais comment relier un ensemble d’ordinateurs ? Le concept de réseau en tant que nœuds reliés par des liens de communication apparaît à cette époque avec la naissance de la théorie probabiliste des files d’attente. Leonard Kleinrock identifie en 1961 le point-clef pour pouvoir appliquer ces théories : le concept de « routeur », soit un « nœud capable de stocker un message en attendant que le lien sur lequel il doit être retransmis se libère ». Cette idée va à l’inverse des réseaux téléphoniques reposant sur l’établissement de circuits où l’information circule sans jamais être stockée. On trouve, en filigrane, derrière le concept de message, celui de « datagramme », c’est-à-dire un paquet élémentaire d’information qui circule de manière autonome dans le réseau. Le premier réseau utilisant des routeurs est l’Arpanet, Kleinrock en expérimente le premier routeur. Quand les routeurs ne sont pas programmés par les mêmes personnes, il faut s’entendre sur la manière de les faire communiquer. Ainsi naît le concept de « protocole » qui spécifie comment sont codés les messages que s’échangent les routeurs et quels sont les algorithmes à appliquer lors de l’envoi et de la réception de tel ou tel message. Un protocole est une sorte d’algorithme à l’échelle du réseau. Par exemple, l’établissement d’une connexion dans un réseau téléphonique suit un certain protocole. Celui-ci résout d’ailleurs le problème critique du routage : par quelle suite de liens faire cheminer les données, autrement dit, quelle « route » doivent-elles suivre. Dans un réseau téléphonique, le réseau est pré-configuré pour répondre à cette question. Dans un réseau de routeurs, le problème se pose pour chaque datagramme. Concrètement, quand un routeur reçoit un datagramme, un calcul doit lui permettre de décider sur quel lien le retransmettre. Pour cela, un protocole de routage permet aux routeurs, via l’échange de messages spécifiques, de détecter comment ils sont connectés les uns aux autres et d’acquérir suffisamment d’information pour pouvoir mener à bien un tel calcul.

Dans les années 1970, on cherche à interconnecter les réseaux avec la conception des protocoles IP (Internet Protocol) et TCP (Transfer Control Protocol). Le protocole IP définit les adresses des machines et le format général des datagrammes. L’adresse IP reprend le principe de préfixe des numéros de téléphone sous forme d’une suite de 32 bits. La hiérarchie s’organise en réseaux identifiés par des préfixes d’adresses. L’organisation n’a donc plus de lien avec la géographie : on entre dans le « cyberespace ». Le protocole TCP définit comment établir des connexions logiques au moyen d’échanges de datagrammes. Un flux de données est envoyé par une suite de datagrammes indépendants. Une partie critique de ce protocole réduit le débit de datagrammes en cas de congestion dans un des réseaux traversés. Ce concept d’internetting en anglais donnera son nom à Internet qui naît au début des années 1980 quand Arpanet est relié au réseau académique CSNET. Très vite, d’autres réseaux européens puis japonais viennent s’interconnecter à ce réseau originel. Vingt-cinq ans plus tard, Internet est devenu aussi imposant que le réseau téléphonique qui s’est lui-même considérablement développé. Les deux géants sont maintenant interconnectés mais restent distincts. L’un n’a toujours pas supplanté l’autre. Les progrès les plus récents dans les deux cas concernent l’utilisation généralisée de liens radio qui permettent de communiquer en se déplaçant. Les routeurs sont entrés jusque dans nos maisons sous la forme de boîtiers wi-fi (pour Wireless, sans fil) qui connectent par radio tous les ordinateurs de la famille à Internet via une liaison ADSL sur le fil du téléphone. Les premiers réseaux radio remontent pourtant au début des années 1970 avec le réseau ALOHA dans les îles hawaïennes. Mais il n’était pas facile à l’époque de se promener avec un ordinateur et un émetteur-récepteur radio dans la poche !

Le nuage

Les grilles contiennent des milliers d'ordinateurs agencés dans des armoires.
© INRIA / Photo J. Wallace
Un centre de calcul concentre un nombre important d’armoires d’ordinateurs reliés entre eux. Plus il possède d’ordinateurs, plus il est puissant. Sa capacité de stockage devient alors un atout.

Très vite, on se rend compte que les réseaux vont aider à calculer. Dans les années 1970, ils permettent d’accéder aux super-calculateurs sans avoir besoin de se déplacer. Dans les années 1980, les super-calculateurs eux-mêmes deviennent des machines parallèles, c’est-à-dire composées de plusieurs processeurs en parallèle reliés par un réseau très rapide. De nouveaux paradigmes de langages de programmation sont inventés pour pouvoir lancer des ordres en parallèle. À la fin des années 1990, on obtient un super-calculateur en connectant des milliers, voire des dizaines de milliers d’ordinateurs personnels par un réseau haut débit. On parle alors d’une grille de PC. Plus que la puissance de calcul, c’est le volume de données que peut stocker et manipuler une telle machine qui devient considérable. Une compagnie, devenue célèbre depuis, construit fin 1998 un moteur de recherche sur ce principe de machine. Cela lui permet ainsi de stocker en mémoire vive un index d’une grande partie de toutes les pages web accessibles par Internet avec un temps d’accès record. Après avoir équipé les quatre coins d’Internet de telles grilles, ses ingénieurs administrent une machine surpuissante de calcul et de stockage qui se trouve diffuse dans le réseau. Fascinés par leur invention, ils l’appellent « le nuage ».

Pour aller plus loin, nous vous proposons quelques références bibliographiques.

Cet article est paru dans la revue DocSciences n°5 Les clés de la révolution numérique, éditée par le CRDP de l'Académie de Versailles en partenariat avec l'INRIA.

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