Chapitre 10 : Réseaux
Un réseau est constitué de plusieurs machines communiquant entre elles. Toute une infrastructure physique est nécessaire. Elles doivent chacune posséder une carte réseau, elle-même connectée au réseau de façon filaire ou sans fil à d'autres machines (ordinateurs, serveurs, imprimantes, objets connectés …).
Modèle de communication
On peut comparer la communication entre machines distantes à la communication entre les êtres humains. Prenons l'exemple d'une lettre envoyée à un ami par la poste :
De la même façon, les informations sont transmises entre les ordinateurs en suivant un modèle en couche. Il existe deux modèles, un modèle complet et théorique en 7 couches : le modèle OSI et un autre constitué de 4 couches : le modèle TCP/IP. Dans ces modèles, chaque couche a un rôle bien précis.
- La couche Application (n°4) sert à l'exécution des protocoles de niveau utilisateur tels que les échanges de courrier (POP et SMTP), de fichiers (FTP), de page web (HTTP), … par le biais de logiciel.
- La couche Transport (n°3) gère la connexion avec le destinataire, la découpe en paquets des données, les pertes (TCP) …
- La couche Internet (n°2) gère l'adressage des paquets à travers les réseaux vers leur destination (IP).
- La couche Liaison ou Accès au réseau (n°1) sert à transmettre les données sur le média physique (carte réseau) par le protocole Ethernet (carte réseau, ADSL, fibre, WIFI …).
Encapsulation
Chaque couche encapsule les données à transmettre avec d'autres informations définies par les protocoles appliqués.
On parle de suite protocolaire. Par exemple le numéro du paquet pour le transport (TCP), les adresses du destinataire et de l'expéditeur (IP), etc. …
L'intérêt du découpage en couche est de rendre chaque étape indépendante pour faciliter l'évolution du système.
données + encapsulation applicative :
encapsulation TCP → segment TCP :
encapsulation IP → paquet IP :
encapsulation Réseau → trame Ethernet :
Au final, une trame Ethernet circulant sur le réseau fait ~1500 octets.
Protocoles
| Nom | Description | Couche |
|---|---|---|
| STP (Spanning Tree) | Sélectionne les branches d'un réseau (au niveau des switch) afin d'éviter les boucles. | 1. Accès réseau |
| ARP (Address Resolution Protocol) | Traduit une adresse IP en adresse MAC en interrogeant le réseau en Broadcast. | 1. Accès réseau 2. Internet |
| ICMP (Internet Control Message Protocol) | Véhicule des messages de contrôle et d'erreur (ex : hôte inaccessible). | 2. Internet |
| IP (Internet Protocol) | Service d'adressage unique pour l'ensemble des terminaux connectés. | 2. Internet |
| TCP (Transmission Control Protocol) | Transporte les données (création de paquets) de manière fiable (gestion des pertes), en mode connecté (handshaking). | 3. Transport |
| UDP (User Datagram Protocol) | Transmet des données de manière très simple entre deux entités sans connexion préalable. | 3. Transport |
| TLS (Transport Layer Security) et SSL (Secure Sockets Layer) | Sécurisation des échanges sur Internet. | 4. Application |
| FTP (File Transfert Protocol) | Permet le partage de fichier depuis un ordinateur vers un autre du réseau. | 4. Application |
| HTTP (Hypertext Transfert Protocol) | Permet la communication client-serveur. | 4. Application |
| POP (Post Office Protocol) | Permet de récupérer les courriels situés sur un serveur de messagerie électronique. Similaire au protocole IMAP qui permet en plus d'interagir avec le serveur. | 4. Application |
| SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) | Permet le transfert de courriel vers les serveurs de messagerie électronique. | 4. Application |
Adressage MAC et IP
Une machine est repérée sur un réseau par deux adresses :
- Une adresse IP est une adresse logique : elle est attribuée à la machine par le réseau lorsqu'elle s'y connecte (software) afin de l'identifier de manière unique.
Exemple d'adresse IPv4 (version 4) : 192.168.1.20 (suite de 4 nombres décimaux de 0 à 255) - Une adresse MAC est une adresse physique : elle est inscrite par le constructeur de la carte réseau lors de sa fabrication (hardware).
Exemple d'adresse MAC : BC-83-85-0A-B8-C7 (suite de six nombres hexadécimaux de 00 à FF)
Ouvrir une invite de commande (Démarrer puis taper « cmd » dans la zone de recherche) puis entrer la commande
ipconfig.
Avec le développement exponentiel des machines à connecter (ordinateurs, téléphones mobiles, terminaux de paiements, objets connectés …),
l'adressage IPv4 codé sur 32 bits arrive à saturation et va être remplacé par l'IPv6 dans lequel les adresses sont codées sur 128 bits.
Exemple d'adresse IPv6 (version 6) : 2a01:cb19:8d2b:7400:e893:a826:f54c:8b63 (suite de 8 nombres hexadécimaux de 0000 à ffff)
Ouvrir une invite de commande (Démarrer puis taper « cmd » dans la zone de recherche) puis entrer la commande
ipconfig.
Taper la commande
ipconfig /all pour trouver l'adresse MAC de votre carte réseau.
Taper la commande
ping google.fr pour tester la connexion au site et obtenir l'adresse IP du serveur qui l'héberge.
Taper la commande
tracert google.fr (traceroute pour les systèmes linux) pour obtenir les adresses IP de toutes les machines
(routeurs) jouant le rôle d'intermédiaire dans entre vous et le serveur qui l'héberge.
Une adresse IP identifie de manière unique une machine et le réseau auquel elle appartient. Grâce au masque de sous-réseau, on obtient l'adresse IP du réseau (on parle de préfixe sous-réseau) auquel elle appartient.
| Adresse IP : | 192.168.1.12 | ou en notation
CIDR 192.168.1.12/24 |
| Masque de sous-réseau : | 255.255.255.0 | |
| Adresse IP du sous-réseau : | 192.168.1.0 | |
| Adresse de la passerelle : | 192.168.1.30 |
La passerelle est une machine qui permet de sortir du réseau pour en rejoindre un autre. Cette machine possède ainsi plusieurs adresses IP, une par réseau auquel elle est connectée.
Pour chaque machine, quelle est l'adresse de son sous-réseau ? Combien de machine le sous-réseau peut-il abriter ?
Il peut héberger `2^8 - 2 = 254` machines. Le `-2` provient du fait que la première adresse (avec que des 0 pour la partie machine) est l'adresse du sous-réseau tandis que la dernière (avec que des 1 pour la partie machine) est l'adresse de diffusion (broadcast).
Il peut héberger `2^(16) - 2 = 65 534` machines.
Il peut héberger `2^(24) - 2 = 16 777 2164` machines.
Le protocole Ethernet
La couche Liaison ou Accès Réseau (n°1) applique une série d'algorithmes qui forment le protocole Ethernet. Le protocole Ethernet impose que les données soient encapsulées dans une trame indiquant l'adresse MAC de la carte réseau source et l'adresse MAC de la carte réseau de destination afin que les données arrivent à bon port. Parfois l'adresse MAC de la destination n'est pas connue. Seule l'adresse IP l'est dans l'en-tête de la couche précédente, couche Internet (n°2). Le protocole ARP permet de résoudre ce problème en effectuant une requête en broadcast (diffusion à toutes les machines du réseau) pour demander à qui (à quelle adresse MAC) correspond l'adresse IP. Il est à cheval entre les couches Liaison et Internet (n°1 et 2).
Exemple d'une trame Ethernet :
| Préambule | @MAC DST | @MAC SRC | En-têtes des protocoles supérieurs | Données | CRC |
Le protocole TCP
Principe
Les protocoles TCP et UDP font partie de la couche Transport (n°3). Ils gèrent le transfert des données découpées en segments entre le client
et le serveur.
TCP est plus fiable qu'UDP car il s'assure que tous les segments sont bien arrivés. Pour chaque segment reçu, le client doit envoyer une sorte
d'accusé de réception appelé acquittement (ACK pour acknowledgment). De plus contrairement à l'UDP, c'est un protocole connecté, c'est-à-dire
que le client et le serveur doivent établir une connexion préalablement à l'envoi des segments TCP. Cette connexion est cloturée, une fois que tous les segments
ont bien été livrés.
Protocole du bit alterné pour résoudre les pertes de paquets
En temps normal, l'émetteur (noté E) envoie un message au receveur (noté R) qui répond par un acquittement
(ACK pour acknowledgment) pour confirmer la bonne réception du message. Cependant la connexion peut ne pas être fiable et des messages se perdre.
Le protocole du bit alterné prévoit 4 règles :
- chaque message et son acquittement contiennent un même bit de contrôle « 0 » ou « 1 »,
- deux messages successifs contiennent des bits de contrôle différents (la valeur du bit de contrôle alterne à chaque message),
- si E ne reçoit pas d'acquittement ou un acquittement erroné (mauvais bit de contrôle), il renvoie le dernier message,
- si R reçoit un message avec un bit de contrôle erroné (pas d'alternance « 0 », « 1 »), il renvoie le dernier acquittement.
Pour chaque message, un délai doit être respecté pour vérifier les acquittements.
Cas 1 : Non réception du message
 | Cas 2 : Non réception de l'acquittement
 |
Cas 3 : Chevauchement de messages
 | Cas 4 : Chevauchement d'acquittements
 |
Le protocole du bit alterné est peu utilisé en pratique mais il permet une première approche d'un protocole de traitement des pertes de paquet. TCP utilise un certain nombre de mécanismes afin d'obtenir une bonne robustesse et des performances élevées dans la transmission des données. Des recherches sont menées afin d'améliorer TCP pour traiter efficacement les pertes, minimiser les erreurs, gérer la congestion et être rapide dans des environnements très haut débit.
Visualisation des trames avec WireShark
Wireshark est un logiciel de sniffing, c'est-à-dire un analyseur qui permet d'écouter le réseau auquel est connecté l'ordinateur. Il enregistre tous les transferts de données (toutes les trames) du réseau. Ce logiciel de surveillance est un outil puissant et il est interdit de l'utiliser pour surveiller un réseau sans autorisation. Pour cette raison, seul un précédent enregistrement sera utilisé, mais vous pourrez le tester intégralement chez vous, sur votre propre réseau.
Détails de l'interface du logiciel Wireshark :
Récupérer le fichier act11.pcap et l'ouvrir dans le logiciel Wireshark. Cette capture a été réalisée alors que l'utilisateur se connectait à un site "quelconque", via internet …
TCP : Couche Transport (n°3)
HTTP : Couche Application (n°4)
et IGMPv2 : Couche Internet (n°2).
Dans la suite nous étudierons la trame 3.
Faire un clic droit dans le cadre 3 et choisir l'affichage hexadécimal.
Maintenant, étudions ce qui se passe dans les deux premières trames.
Architecture des réseaux
Les câbles
Aujourd'hui la plupart des câbles d'un réseau local sont des câbles Ethernet 1 000 Mbit/s à paires torsadées RJ45.
RJ45 est la norme de la prise tandis qu'Ethernet est celle du câble.
Il existe plusieurs topologie de réseau.
Les topologies de réseau
| en anneau | en bus | en étoile | en graphe (maillé) | |
|---|---|---|---|---|
| Inconvénients |
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| Avantages |
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Un réseau est un ensemble de nœud (carte réseau) reliés par des branches (câbles, fibres …).
Internet a une topologie hybride car c'est un réseau de réseaux.
Attention à ne pas confondre avec le Web qui est un réseau de pages HTML liées par des liens hypertextes.
Internet est un réseau physique tandis que le web est un réseau logique.
Les commutateurs (ou switch)
Les routeurs
ipconfig dans l'invite de commande).En anglais :
- réseau : network
- ordinateur : computer
- bit (0 ou 1) : bit
- octet (symbole o) : byte (symbole B)
- passerelle : gateway
- acquittement (accusé de réception) : acknowledgement (ACK)
- commutateurs : switch
- routeur : router
- protocole de bits alternés : alternating bit protocol
- diffusion : broadcast