Sciences de l'ingénieur (Spé) — Information et communication
Réseaux et protocoles de communication industriels
Modèle OSI, protocoles TCP/IP, bus de terrain (CAN, Modbus), communication série/parallèle, Ethernet industriel
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Capteurs, actionneurs et calculateurs ne travaillent jamais seuls : ils dialoguent en permanence sur des réseaux. Pour organiser ces échanges, deux modèles font référence — l'OSI ($7$ couches) et le TCP/IP ($4$ couches) —, chaque couche rendant un service à celle du dessus. La couche physique porte les bits sur le câble ou la fibre, la couche liaison assemble les trames entre voisins, la couche réseau (IP) route les paquets. Dans l'industrie et l'automobile, les bus de terrain prennent le relais : le bus CAN relie jusqu'à une centaine de calculateurs d'une voiture à $500\,\mathrm{kbit/s}$, tandis que Modbus règne en maître-esclave sur RS-485 ou TCP/IP. L'Ethernet industriel (Profinet, EtherCAT) apporte des débits élevés et la compatibilité avec l'informatique classique. Plus près des composants, les liaisons série UART, SPI et I²C font circuler l'information sur une carte électronique.
Pour qu'une machine en comprenne une autre, on découpe la communication en couches indépendantes, chacune avec son rôle. Cette modularité permet de changer une couche (par exemple le câble) sans toucher aux autres. Deux modèles dominent : l'OSI, théorique et complet, et le TCP/IP, pragmatique et universel.
Le modèle OSI ($7$ couches) et sa correspondance avec le modèle TCP/IP ($4$ couches).
- Modèle OSI — $7$ couches : Physique, Liaison, Réseau, Transport, Session, Présentation, Application.
- Modèle TCP/IP — $4$ couches : Accès réseau, Internet (IP), Transport (TCP/UDP), Application.
- Encapsulation : chaque couche rend un service à la couche supérieure et s'appuie sur la couche inférieure.
- Couche physique : support de transmission (cuivre, fibre, radio), débit, codage des bits (NRZ, Manchester).
- Couche réseau (IP) : adressage logique (adresses IP) et routage des paquets entre réseaux différents.
- Couche transport : TCP (fiable, avec accusé de réception) ou UDP (rapide, sans garantie de livraison).
Exemple
Quand un navigateur charge une page : la couche application (HTTP) formule la requête, la couche transport (TCP) la découpe en segments numérotés et garantit leur arrivée, la couche réseau (IP) route les paquets, et la couche physique transmet les bits sur le câble. À l'arrivée, on remonte les couches en sens inverse (désencapsulation).
Piège à éviter
OSI a $7$ couches, TCP/IP en a $4$ : ne mélange pas les deux. Et retiens le sens — la couche 1 est la Physique, la couche 7 l'Application. Inverser la numérotation est l'erreur la plus courante.
Dans une usine ou une voiture, on ne tire pas un câble par capteur : on partage un bus commun où tous les nœuds dialoguent. Selon les contraintes — temps réel, débit, distance, coût — on choisit le protocole adapté : CAN, Modbus, ou Ethernet industriel.
- Bus CAN (Controller Area Network) : multimaître, priorité par arbitrage bit à bit, trames de $8$ octets de données au maximum ; roi de l'automobile et de l'aéronautique.
- Débits CAN : de $125\,\mathrm{kbit/s}$ à $1\,\mathrm{Mbit/s}$, détection d'erreurs par CRC, acquittement automatique.
- Modbus : protocole maître-esclave, simple et robuste, registres de $16$ bits, commandes de lecture/écriture.
- Modbus RTU (série RS-485) ou Modbus TCP (Ethernet) : même principe, supports différents.
- Profinet et EtherCAT : Ethernet industriel temps réel, débits de $100\,\mathrm{Mbit/s}$, compatibles avec l'infrastructure Ethernet standard.
- Le choix du protocole dépend des contraintes : temps réel, débit, distance, nombre de nœuds, coût.
Exemple
Une voiture moderne relie jusqu'à une centaine de calculateurs (moteur, ABS, airbag, tableau de bord) sur un bus CAN à $500\,\mathrm{kbit/s}$. Quand deux calculateurs émettent en même temps, l'arbitrage bit à bit laisse passer en priorité le message dont l'identifiant a la plus petite valeur, sans collision destructive ni retransmission.
Piège à éviter
CAN est multimaître (tout nœud peut émettre, l'arbitrage gère les conflits), alors que Modbus est maître-esclave (un seul maître interroge, les esclaves ne parlent que sur demande). Confondre ces deux organisations est une erreur classique.
À l'échelle d'une carte électronique, microcontrôleur et capteurs échangent par des liaisons série : on envoie les bits un par un, sur peu de fils. Trois protocoles dominent — UART, SPI et I²C — chacun avec son nombre de fils et son usage.
- UART : liaison série asynchrone, point à point ; paramètres : débit (baud), parité, bits de stop.
- SPI (Serial Peripheral Interface) : bus synchrone rapide, maître-esclave, $4$ fils (MOSI, MISO, SCK, SS), full duplex.
- I²C (Inter-Integrated Circuit) : bus synchrone multimaître, $2$ fils (SDA, SCL), adressage $7$ ou $10$ bits, débits $100$ / $400\,\mathrm{kbit/s}$.
- Série vs parallèle : la série envoie les bits un par un ($1$ fil de données), la parallèle envoie $n$ bits simultanément ($n$ fils).
- Avantage série : moins de fils, moins de diaphonie, longues distances possibles ; la parallèle reste cantonnée aux courtes distances.
- RS-232 (courte distance, point à point) et RS-485 (longue distance, multipoint, différentiel) sont les normes série industrielles.
Exemple
Sur une carte Arduino, un capteur de température communique en I²C : seulement $2$ fils ($\mathrm{SDA}$ pour les données, $\mathrm{SCL}$ pour l'horloge) relient le microcontrôleur à plusieurs capteurs partageant le même bus, chacun identifié par une adresse distincte sur $7$ bits.
Piège à éviter
Ne confonds pas le nombre de fils : I²C en utilise $2$ (SDA, SCL), SPI en utilise $4$ (MOSI, MISO, SCK, SS). SPI est plus rapide mais plus gourmand en broches ; I²C plus économe mais plus lent.
Les données ne voyagent pas en vrac mais empaquetées dans des trames structurées. Et comme aucune ligne n'est parfaite, chaque trame embarque de quoi détecter les erreurs de transmission — sans quoi une donnée corrompue passerait inaperçue.
- Une trame est le bloc échangé sur le réseau : en-tête (adresses, type) $+$ données $+$ contrôle d'erreur $+$ fin de trame.
- Débit binaire : $D = \dfrac{\text{nombre de bits}}{\text{durée}}$, en $\mathrm{bit/s}$ (ou en bauds).
- Détection d'erreurs : bit de parité (simple), checksum (somme de contrôle), CRC (Cyclic Redundancy Check, plus robuste).
- Le CRC est un polynôme calculé sur les données ; le récepteur le recalcule et le compare pour repérer une erreur.
- Débit utile vs débit brut : le débit utile est inférieur au brut à cause des en-têtes, du CRC et des protocoles.
- Latence : délai entre l'envoi d'une donnée et sa réception ; critique en commande temps réel.
Exemple
On transmet une trame de $1000$ bits sur une liaison à $D = 500\,\mathrm{kbit/s}$. Durée de transmission : $t = \dfrac{1000}{500\,000} = 2\,\mathrm{ms}$. Si l'en-tête et le CRC pèsent $200$ bits, le débit utile ne porte que $800$ bits de données réelles, soit $80\,\%$ du débit brut.
Piège à éviter
Le CRC détecte les erreurs, il ne les corrige pas et ne chiffre rien. Pour corriger sans retransmettre, il faut un code correcteur (type Hamming) ; pour la confidentialité, il faut un chiffrement : ce sont trois fonctions distinctes.
Quiz - Réseaux et protocoles industriels
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Réseaux et protocoles de communication industriels, extraits du quiz de révision.
Combien de couches comporte le modèle OSI ?
Réponse :
$7$
Le modèle OSI comporte $7$ couches : Physique, Liaison, Réseau, Transport, Session, Présentation, Application. Le modèle TCP/IP, lui, n'en compte que $4$.
Le protocole CAN est principalement utilisé dans :
Réponse :
L'automobile et l'aéronautique
Le bus CAN a été conçu pour l'automobile : il relie les calculateurs du véhicule (moteur, ABS, airbag, tableau de bord) et sert aussi en aéronautique. Il n'est pas adapté au streaming ni au web.
Le protocole Modbus fonctionne selon le modèle :
Réponse :
Maître-esclave
Modbus est maître-esclave : le maître (automate) interroge les esclaves (capteurs, actionneurs), qui ne répondent que sur demande. À l'inverse, le bus CAN est multimaître.
Le bus I²C utilise combien de fils de données ?
Réponse :
$2$ (SDA $+$ SCL)
I²C utilise $2$ fils : SDA (données) et SCL (horloge). C'est un bus synchrone bidirectionnel. La configuration à $4$ fils (MOSI, MISO, SCK, SS) est celle du SPI.