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Un VPN repose sur un protocole, appelé protocole de tunnelisation, c'est-à-dire un protocole permettant aux données passant d'une extrémité à l'autre du VPN d'être sécurisées par des algorithmes de cryptographie.

Le terme tunnel est utilisé pour symboliser le fait qu'entre l'entrée et la sortie du VPN les données sont chiffrées et donc normalement incompréhensibles pour toute personne située entre les deux extrémités du VPN, comme si les données passaient dans un tunnel. De plus, créer un tunnel signifie aussi encapsuler un protocole dans un protocole de même niveau du modèle OSI (IP dans IPSec par exemple).

Dans le cas d'un VPN établi entre deux machines, on appelle client VPN l'élément permettant de chiffrer les données à l'entrée et serveur VPN (ou plus généralement serveur d'accès distant) l'élément déchiffrant les données en sortie.

Ainsi, lorsqu'un système extérieur à un réseau privé (client nomade, agence ou travailleur à domicile) souhaite se connecter au réseau de son entreprise :

• Les paquets (qui contiennent les données) sont chiffrés par le client VPN (selon l'algorithme décidé par les deux interlocuteurs lors de l'établissement du tunnel VPN) et éventuellement signés.
• Ils sont transmis par le biais du réseau transporteur (internet en général).
• Ils sont reçus par le serveur VPN qui les déchiffre et les traite si les vérifications requises sont correctes.
• Au XXI^e siècle, la plupart des opérateurs telecom ont adopté la technologie MPLS pour la mise en œuvre d'un service un peu abusivement appelé VPN car n'offrant pas de confidentialité en l'absence de chiffrement.