Réseau, hôte, nœud

Réseau informatique (network)

Ensemble d’équipements (ordinateurs ou périphériques) reliés entre eux pour échanger des informations sous forme de données numériques.

Hôte (host)

Équipement terminal qui échange sur le réseau.

Nœud (node)

Équipement qui fait transiter ou aiguille les données pour permettre aux hôtes de communiquer.

Serveur, client, protocole

Serveur (server)

Dispositif matériel ou logiciel qui offre des services à différents clients.

Client (client)

Dispositif matériel ou logiciel qui utilise les services d’un serveur.

Protocole

Ensemble de règles destinées à une tâche de communication particulière. Deux machines doivent utiliser le même protocole pour communiquer : elles doivent parler le même langage.

À ne pas confondre Serveurs et clients sont des hôtes. Routeurs et commutateurs sont des nœuds.

D’où viennent les réseaux, où ils vont

• Les réseaux sont nés du besoin de relier des terminaux distants à un site de calcul central (les mainframes).
• Les terminaux ont gagné en puissance et en autonomie : les échanges sont devenus plus décentralisés.
• Des services centralisés ont perduré pour agréger les données.
• Le Cloud nous ramène vers le passé : des terminaux de faible puissance, et un traitement qui se fait ailleurs.

Convergence numérique : au départ, les réseaux ne transportaient que des données informatiques. Aujourd’hui ils intègrent à la fois les données, la voix et la vidéo. Les réseaux télécoms dédiés, souvent analogiques, sont systématiquement remplacés par des réseaux informatiques, numériques.

À quoi sert un réseau

• Le partage de ressources : fichiers, applications, matériels.
• L’accès au SI, le système d’information.
• L’interaction entre utilisateurs : courrier électronique, discussion en direct, conférence téléphonique, VoIP (Voice over IP, la téléphonie sur le réseau).
• La communication entre processus : machines et ordinateurs industriels, domotique.
• Le multimédia : musique, vidéo, jeux multijoueurs.

Échelle géographique

Du fil au paquet

Depuis 1840, communiquer à distance exige un « fil » de bout en bout, qui constitue un circuit : d’une seule traite, ou « commuté » par des opératrices puis par des machines.

1. 1971
   Louis Pouzin propose la commutation de paquets : technologie Datagramme et réseau Cyclades. L’État français lui préfère X.25 et Transpac, soutenus par les PTT (l’ancêtre de France Télécom).
2. 1971
   Hubert Zimmermann, développeur du Datagramme à l’INRIA, décrit la première architecture en couches. Elle donnera naissance au modèle OSI, bien plus tard.

TCP/IP s’impose

1. 1974
   Vinton Cerf et Bob Kahn publient via l’IEEE A Protocol for Packet Network Intercommunication.
2. 1978
   Charles Bachman présente le modèle OSI en 7 couches, malgré l’inertie des opérateurs.
3. 1983
   Arpanet, le réseau militaire américain en place depuis les années 60, adopte définitivement TCP/IP, pour son réseau militaire et pour son réseau universitaire (NSFnet), première brique d’Internet.
4. 1984
   Le modèle OSI est normalisé (il sera révisé en 1994). La même année, le Transmission Control Program est divisé en deux couches : TCP et IP.
5. Depuis 2000
   Le Web, qui n’est qu’une application d’Internet, marginalise peu à peu les autres protocoles au-dessus de TCP/IP.

Pourquoi OSI a perdu Le modèle est arrivé trop tard : il a été freiné par les opérateurs (publics) de l’époque et par le manque d’ouverture de ses acteurs.

Commuter, c’est aiguiller

La commutation est la technique d’acheminement des données entre deux ordinateurs reliés par un réseau : comment les nœuds aiguillent (commutent) les données pour que deux hôtes communiquent. L’aiguillage peut être permanent, temporaire ou à la demande.

Cinq techniques : commutation de circuits, de messages, de paquets, de trames, de cellules.

Commutation de circuit

• Orientée connexion : le circuit est établi au préalable.
• Les données empruntent toutes le même chemin, prédéfini.
• Technique adaptée aux flux d’information, comme la voix.

Les trois phases d’un circuit

1. Établissement de la liaison : chercher et occuper un itinéraire (décrocher, composer, sonner).
2. Maintien de la liaison pendant toute la durée de la connexion.
3. Libération de la liaison sur ordre : retour à l’état libre.

Commutation de messages

• Le message transite de nœud en nœud jusqu’au destinataire.
• Un nœud ne peut pas envoyer un message tant qu’il ne l’a pas reçu complètement.

Commutation de paquets

• Les messages sont découpés en paquets de faible longueur, qui transitent de nœud en nœud.
• Déconnecté : aucun circuit prédéfini.
• Chaque paquet connaît son adresse de destination.
• Il faut des nœuds d’aiguillage : ces ordinateurs sont devenus des routeurs spécialisés (naissance de Cisco Systems).

Best Effort Delivery : chaque paquet est entièrement chargé en mémoire avant d’être retransmis, et certains paquets sont rejetés en cas de congestion ou de destination inaccessible. Le réseau fait de son mieux, sans garantie.

Pourquoi les paquets sont mieux

• Parce que la nature du trafic « informatique » est différente : des rafales suivies de silences, des données non urgentes, des données qui peuvent être perdues quitte à être renvoyées.
• Parce que les données peuvent être facilement découpées en morceaux.
• Parce que les nœuds peuvent organiser des files d’attente pour remplir les tuyaux de façon optimale.

Se libérer du circuit

Ne pas avoir à établir un circuit de bout en bout apporte une souplesse cruciale :

• ralentir certains flux au profit d’autres flux urgents : la qualité de service (QoS) ;
• une insensibilité (relative) à la perte d’un nœud ;
• l’optimisation des tuyaux, qui peuvent être partagés.

Le lien avec la suite Le Best Effort Delivery force les applications à être insensibles à la perte de paquets. C’est ce qui conduit au modèle en couches.

Trames et cellules

Pourquoi un modèle

• Pourquoi normaliser ? Les échanges sont profitables si tout le monde se comprend.
• OSI = Open Systems Interconnection. Conçu par l’ISO en 1984, il s’intéresse aux réseaux à commutation de paquets.
• Objet : créer un cadre conceptuel pour l’interconnexion des réseaux.
• But : favoriser l’évolution technologique en assurant l’interopérabilité, sans nuire à la vitalité des acteurs.

Les moyens : 7 couches indépendantes

• Différencier 7 couches indépendantes : la modification d’une couche n’affecte pas les autres.
• Normaliser, pour chaque couche, l’interface avec la couche supérieure et la couche inférieure.
• Normaliser chaque couche en termes de services pour la couche supérieure.

Les 7 couches en un tableau

Pour retenir l’ordre De la couche 1 à la couche 7 : « Pour Le Réseau, Tout Se Passe Automatiquement » (Physique, Liaison, Réseau, Transport, Session, Présentation, Application). Ce moyen mnémotechnique ne vient pas du cours.

Couche par couche

Encapsulation

À l’émission, chaque couche ajoute son en-tête devant ce que lui confie la couche du dessus. Le nom de l’unité de données change à chaque étage.

MSS

Maximum Segment Size : taille maximale des données d’un segment.

MTU

Maximum Transmit Unit : 1 500 octets avec Ethernet. C’est la taille maximale du paquet qu’une trame peut transporter.

Trame Ethernet

6 + 6 + 2 d’en-tête, jusqu’à 1 500 de données, 4 de FCS : 1 518 octets au maximum.

Échanges de pair à pair

Chaque couche dialogue avec son homologue sur l’autre machine. En pratique, les données descendent la pile à l’émission et la remontent à la réception.

OSI, TCP/IP et modèle moderne

Topologies

Pour connecter 2 ordinateurs, un fil suffit. Pour en connecter N, il faut choisir une topologie.

Coder un signal

L’émetteur doit faire en sorte que le récepteur reçoive un signal intelligible. Il faut s’adapter au support et à l’environnement : bruit et perturbations, qualité du support (atténuation, nombre de fils, obstacles), contraintes mécaniques, coût, débit, portée.

Les bits sont représentés en changeant une ou plusieurs caractéristiques du signal : son amplitude, sa fréquence ou sa phase.

La bande de base

La bande de base (baseband) est une technique de transmission où le signal est envoyé directement sur le canal : un codage en ligne, sans passer par une modulation.

• Le signal transmis est une suite de bits, traduite par des changements d’état discrets d’amplitude (tension électrique, intensité lumineuse).
• Il ne subit pas de transposition en fréquence.
• La durée de chaque bit est constante.
• Son spectre démarre à la fréquence zéro. C’est ce qui le distingue de la modulation, qui utilise une onde porteuse.

NRZ

Non-Return-to-Zero. Le bit 1 est représenté par un état significatif (une tension clairement positive, par exemple), le bit 0 par un autre (une tension clairement négative). Il n’existe pas d’état intermédiaire.

NRZM et NRZI

• Le codage est à deux états, sans état intermédiaire.
• Sans transition, le récepteur perd le rythme : c’est la désynchronisation. Remède : le bit stuffing.
• Exemple : Fast Ethernet 100Base-FX.

MLT-3 et Manchester

Essayer avec d’autres bits

Codage par bloc nB/mB

• Codage par bloc : une table de transcodage code un groupe de n bits en m bits.
• 4B/5B pour Fast Ethernet, 8B/10B pour Gigabit Ethernet.
• La suite à transmettre ne comporte alors pas plus de deux 0 consécutifs : plus efficace en NRZI ou MLT-3.
• Contrepartie : la fréquence du signal augmente (125 MHz pour 100 Mbit/s en Fast Ethernet), ce que compense l’utilisation d’un codage NRZI ou MLT-3.
• Exemples : Ethernet 100Base-TX, 1000Base-T, FDDI.

D’où viennent les 125 MHz En 4B/5B, on émet 5 bits pour 4 bits utiles : 100 × 5/4 = 125.

Accéder au support : les règles

N ordinateurs cherchent à accéder au même canal. Si deux d’entre eux transmettent en même temps, une collision se produit. Il faut donc définir des règles de contrôle d’accès : « apprendre la politesse aux ordinateurs ».

• Écouter le canal avant de commencer à transmettre.
• Ne pas transmettre si quelqu’un transmet déjà.
• Règles valables dans un réseau local.

CSMA

• Topologie en bus.
• Carrier Sense : écoute et détection du signal sur le réseau.
• Multiple Access : accès simultanés au support possibles.

Principe : si aucun signal n’est détecté, alors émettre. Si un signal est détecté, alors différer la transmission.

Problème : des transmissions simultanées provoquent des collisions.

CSMA/CD

Collision Detection : on minimise les pertes en détectant les collisions.

1. Écouter le support avant d’émettre.
2. Émettre, et continuer d’écouter pendant la transmission pour détecter une collision. Durée d’écoute : 2 × le temps de propagation vers le point le plus éloigné du bus.
3. En cas de collision : arrêt de la transmission.
4. Ré-émission après un temps tiré aléatoirement.

Exemple : couche physique des réseaux IEEE 802.3 (Ethernet sur paire torsadée).

CSMA/CA

En communication hertzienne, on peut ne pas entendre les autres « parler ». On ne peut donc pas compter sur la détection : on cherche à éviter la collision (Collision Avoidance).

• Une station est le contrôleur des transmissions : le point d’accès, en WiFi.
• C’est le contrôleur qui autorise une station cliente à communiquer lorsqu’elle le demande.

Exemple : couche physique des réseaux IEEE 802.11 (WiFi) et 802.15 (Bluetooth, etc.).

Le jeton : Token Ring

• Topologie en anneau. Une seule trame circule en permanence, une seule station transmet à tout moment.
• Le jeton contrôle l’accès au support.

1. La station qui veut émettre capture le jeton quand il passe à sa portée.
2. Elle émet une trame.
3. Elle constate que le destinataire a reçu le message.
4. Elle libère le jeton et le passe à la station suivante.

Si le jeton est détruit, des algorithmes permettent de le régénérer.

Ethernet contre Token Ring

Ethernet a été développé par Xerox (1973), vite rejoint par Digital et Intel, puis intégré aux travaux de l’OSI en 1983. Token Ring, la technologie concurrente d’IBM, est déterministe mais trop fermée.

Normes IEEE 802

Des normes pour les réseaux locaux (1980), compatibles avec le modèle OSI bien qu’antérieures. Une vingtaine de catégories, en constante évolution.

Architecture IEEE 802

Ethernet : normalisation

• Normes IEEE 802.3 ou ISO 8802.3.
• Topologie en bus, en anneau ou en étoile.
• Contrôle d’accès au support de type CSMA/CD.

Lire un sigle Ethernet

Matériels cuivre

Câbles à paires torsadées

Le nom du câble décrit son blindage. Avant la barre : le blindage de l’ensemble du câble. Après la barre : celui de chaque paire. U = non blindé, F = feuillard, S = tresse. TP = twisted pair.

Matériels fibre

• Module mini-GBIC (SFP, XFP…) : s’enfiche dans un équipement pour y raccorder une fibre.
• Convertisseur de média : passe du cuivre à la fibre.
• Connecteurs de fibre : LC, SC, FC, ST.

Fibres optiques

Structure du câble

Gaine extérieure, matériau de protection en Kevlar, blindage de plastique, fibre de verre et son enveloppe.

Vitesse et rendement

100 Mbit/s et plus.

Coût moyen par nœud

Le plus cher.

Connecteur, média

De petite taille.

Longueur maximale

Jusqu’à 2 km.

Hub et convertisseur de média

Domaine de collision

Les équipements de niveau 2 ou supérieur interrompent les domaines de collision.

Le problème à résoudre

Le support physique est partagé : toute trame envoyée est écoutée par toutes les machines. Comment déterminer le destinataire de la trame, et sa source ?

• Donner une adresse physique aux machines.
• Normaliser la trame.
• Incorporer les adresses physiques dans la trame.

Cette couche gère parfois les erreurs physiques : détection et correction via des bits de contrôle, ou demande de retransmission de la trame.

Adresse MAC

• MAC = Media Access Control. L’adresse est codée sur la carte réseau (NIC).
• L’adresse physique est unique mondialement.
• Adresse de diffusion (broadcast) : FF:FF:FF:FF:FF:FF.

Dans le premier octet, deux bits ont un rôle particulier : le bit de poids faible distingue unicast (0) et multicast (1), le suivant une adresse globalement unique (0) d’une adresse administrée localement (1).

Formats de trame

Une trame Ethernet fait de 72 à 1 526 octets selon les données transportées. Deux formats : l’historique (Ethernet-II) et le normalisé (IEEE 802.3).

Retrouver 72 et 1 526 8 + 6 + 6 + 2 + 46 + 4 = 72 octets. 8 + 6 + 6 + 2 + 1 500 + 4 = 1 526 octets. Sans le préambule, on retrouve les 1 518 octets du schéma d’encapsulation.

Switch et bridge

Trouver son adresse MAC

$ ip link
6: enx3c18a0073072: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 state UP
    link/ether 3c:18:a0:07:33:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

% ifconfig -a
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
     ether 96:d6:ae:34:f7:11

C:\> ipconfig /all
   Adresse physique . . . . . . : 40-E2-30-A5-E1-35

Lire une trame dans Wireshark

Wireshark capture les trames et les détaille couche par couche. Dans la capture du cours, le filtre eth.dst==ff:ff:ff:ff:ff:ff ne garde que les trames envoyées en diffusion.

Frame 223: 60 bytes on wire (480 bits)
Ethernet II, Src: Netgear_c9:8a:6a (c4:3d:c7:c9:8a:6a), Dst: Broadcast (ff:ff:ff:ff:ff:ff)
    Destination: Broadcast (ff:ff:ff:ff:ff:ff)
    Source: Netgear_c9:8a:6a (c4:3d:c7:c9:8a:6a)
    Type: Homeplug AV (0x88e1)

0000   ff ff ff ff ff ff c4 3d  c7 c9 8a 6a 88 e1 01 21

• Les 6 premiers octets sont l’adresse de destination, les 6 suivants l’adresse source, puis 2 octets pour le type : 14 octets d’en-tête.
• Wireshark remplace l’OUI c4:3d:c7 par le nom du constructeur : Netgear.
• Le préambule et le FCS n’apparaissent pas dans la capture.

Contrôle de la liaison (LLC)

C’est la partie haute de la couche 2. Elle fiabilise la liaison par un contrôle d’erreur, et/ou un contrôle de séquence, et/ou un contrôle de flux.

• LLC 802.2, commun à tous les protocoles MAC 802.x.
• HDLC (High-Level Data Link Control), sur les liaisons séries.

Protocole du bit alterné

Un protocole simple d’accusé de réception, fondé sur un drapeau binaire. Le récepteur accuse réception d’une trame en renvoyant une trame qui porte le prochain drapeau attendu. Le tout est associé à un mécanisme de timeout.

Domaine de diffusion

Les équipements de niveau 3 ou supérieur interrompent les domaines de diffusion (broadcast).

Collision ou diffusion ?

Méthode pour compter Collisions : on coupe à chaque bridge, switch ou routeur, et chaque port compte pour un domaine. Diffusion : on ne coupe qu’aux routeurs.

S’entraîner à compter les domaines

Fonctions de la couche réseau

• Traduire les adresses logiques en adresses physiques.
• Router les messages en fonction de leur priorité et de l’état du réseau.
• Gérer le trafic sur le réseau.
• Gérer le routage ou la commutation (route unique).
• Contrôler l’encombrement des messages sur le réseau.
• Découper et ré-assembler les messages en fonction de la capacité de la carte réseau.

Suites de protocoles

Le modèle OSI garantit l’indépendance des couches, mais un grand nombre de protocoles ont été développés avant la norme : dans la réalité, les couches se retrouvent interdépendantes. Les protocoles s’organisent en familles, ou suites.

La suite IP a été développée pour l’armée américaine : échanger les informations entre les bases, et pouvoir échanger des données même si une partie du réseau est détruite.

1. 1969
   Premier prototype : ARPANET.
2. 1974
   Développement des protocoles TCP/IP.
3. Années 80
   Naissance d’Internet.
4. 1992
   Fondation de l’Internet Society.

Protocoles de base de la suite IP

IP

Adressage et fragmentation des paquets.

ARP

Association entre adresse physique (couche 2) et adresse logique (couche 3).

RARP

Résolution inverse.

ICMP

Gestion d’erreurs.

RIP

Routage des paquets.

Le protocole IP

• Internet Protocol, RFC 791, 1981. PDU associé : le paquet.
• Acheminer un paquet en fonction de l’adresse du destinataire.
• Chaque paquet (ou datagramme) est indépendant.

Quatre mécanismes clés :

Type of Service

Indique la qualité de service désirée.

Time To Live (TTL)

Donne l’espérance de vie maximale du paquet.

Options

Contrôles supplémentaires.

Header checksum

Vérification des données.

En-tête IPv4

Version

4 pour IPv4.

IHL

Taille de l’en-tête, en mots de 32 bits. 5 au minimum, soit 20 octets.

Longueur totale

Celle du paquet : en-tête et données.

Durée de vie (TTL)

Comptée en sauts, alors qu’elle était initialement prévue en temps.

Protocole

Précise le type des données transportées.

Options, bourrage

Présentes si IHL > 5. Le bourrage aligne l’en-tête sur 32 bits.

Trouver son adresse IP

• Linux note le masque en CIDR (/24) et l’adresse de diffusion après brd.
• macOS note le masque en hexadécimal : 0xffff0000 = 255.255.0.0.
• Windows l’écrit en décimal pointé : 255.255.255.0.

Pourquoi une adresse logique

• L’adresse IP est une adresse logique. L’adresse physique désigne une machine, or les machines sont regroupées en réseaux.
• Comment identifier le réseau ? En attribuant une adresse logique.
• Pourquoi identifier le réseau ? Pour permettre à deux machines de réseaux différents de communiquer entre elles.

Calcul binaire

Binaire vers décimal

1 0 0 0 1 0 1 1 = 128 + 8 + 2 + 1 = 139. On additionne les poids des bits à 1.

Décimal vers binaire

67 = 64 + 2 + 1 = 0 1 0 0 0 0 1 1. On retire les poids, du plus grand au plus petit.

Trucs et astuces

128, c’est 1 0 0 0 0 0 0 0. 127, c’est 128 − 1, donc 0 1 1 1 1 1 1 1.

S’entraîner aux conversions

Notation décimale pointée

Une adresse IPv4 fait 32 bits. Elle est composée de deux parties :

• <network>, gérée par le « service postal » : « 42 rue de la grande question, 13001 Marseille, France » ;
• <host>, gérée localement : « Alain Terrieur ».

Quand on note l’adresse en 4 octets décimaux séparés par des points, on parle de notation décimale pointée.

Masque

Le masque sert à distinguer les deux parties : c’est une frontière.

• La partie <network> s’étend sur n bits, puis la partie <host> sur h bits, jusqu’au dernier bit.
• n + h = 32 bits (4 octets).
• Le masque se note sur 4 octets, comme l’adresse : ses bits sont à 1 sur la partie <network>, puis à 0 sur la partie <host>.
• On l’écrit en décimal pointé, ou au format CIDR : /n, pour n bits de partie réseau.

Adresse du réseau

Le résultat d’un ET logique entre une adresse IP et son masque est l’adresse du réseau correspondant.

Règle L’adresse du réseau ne doit jamais être attribuée à un host.

Adresse de diffusion

L’adresse de diffusion (broadcast) d’un réseau permet de s’adresser à tous les hosts de ce réseau. On l’obtient en donnant à tous les bits de la partie <host> la valeur 1.

Règle L’adresse de diffusion ne doit jamais être attribuée à un host.

S’entraîner au calcul d’adresses

Classes d’adresses

Obsolète L’adressage classful est aujourd’hui remplacé par l’adressage CIDR (classless).

Le « − 2 » correspond à l’adresse du réseau et à l’adresse de diffusion, qu’on n’attribue jamais.

ipcalc

Sous Linux, ipcalc fait tous ces calculs d’un coup.

$ ipcalc 192.168.100.25/24
Address:   192.168.100.25       11000000.10101000.01100100. 00011001
Netmask:   255.255.255.0 = 24   11111111.11111111.11111111. 00000000
Wildcard:  0.0.0.255            00000000.00000000.00000000. 11111111
=>
Network:   192.168.100.0/24     11000000.10101000.01100100. 00000000
HostMin:   192.168.100.1        11000000.10101000.01100100. 00000001
HostMax:   192.168.100.254      11000000.10101000.01100100. 11111110
Broadcast: 192.168.100.255      11000000.10101000.01100100. 11111111
Hosts/Net: 254                  Class C, Private Internet

• HostMin : la première adresse attribuable, juste après celle du réseau.
• HostMax : la dernière, juste avant l’adresse de diffusion.