Cours d'introduction à TCP/IP

Un réseau informatique met en relation des ordinateurs, comme un réseau téléphonique met en relation des personnes.

Des ordinateurs sont dits « en réseaux » dès lors qu'ils partagent une technologie qui leur permet de communiquer ensemble.

Le plus souvent cette technologie se matérialise physiquement par une liaison avec un câble conducteur. Sur ce type de support, un signal électrique véhicule les messages informatiques. Il existe d'autres types de supports en pleine expansion comme les liaisons par ondes hertziennes, rayon laser, infrarouge...

Sans connaissance préalable concernant les réseaux informatiques, on peut imaginer quantité d'interrogations à partir de cette hypothèse de raccordement :

• Comment reconnaître un correspondant ?
• Comment dialoguer avec ?
• Comment diffuser l'information à plusieurs correspondants ?
• Comment éviter la cacophonie ?
• Y a-t-il une hiérarchie des machines ?
• Y a-t-il un chef d'orchestre ?
• ...

Toutes ces questions (et bien d'autres) trouveront une réponse dans ce cycle de cours. Ces réponses sont généralement formulées dans un « protocole », une sorte de mode d'emploi des réseaux. Il y a des centaines de protocoles différents sur l'Internet, certains sont très populaires, d'autres absolument pas.

Le concept de base de tout ce cours est celui de la « commutation de paquets », une vieille idée de l'informatique(6) contrairement à l'approche par circuits virtuels plus utilisée en téléphonie.

Les données à transmettre d'une machine à une autre sont fragmentées à l'émission en petits blocs de quelques centaines d'octets munis de l'adresse du destinataire, envoyées sur le réseau et réassemblées à la réception pour reproduire les données d'origine.

Ce concept facilite le partage des possibilités physiques du réseau (bande passante) et est parfaitement adapté pour une implémentation sur machines séquentielles travaillant en temps partagé (plusieurs communications peuvent alors avoir lieu simultanément et sur une même machine).

Partant de ce concept, un modèle d'architecture pour les protocoles de communication a été développé par l'ISO (International Standards Organisation) entre 1977 et 1984. Ce modèle sert souvent de référence pour décrire la structure et le fonctionnement des protocoles de communication, mais n'est pas une contrainte de spécification.

Ce modèle se nomme OSI comme « Open Systems Interconnection Reference Model ». Les constituants de ce modèle sont si largement employés qu'il est difficile de parler de réseaux sans y faire référence.

Le modèle OSI est constitué de sept couches. À chaque couche est associée une fonction bien précise, l'information traverse ces couches, chacune y apporte sa particularité.

Cette forme d'organisation n'est pas due au hasard, c'est celle sur laquelle les informaticiens ont beaucoup travaillé dans les années soixante pour définir les caractéristiques des systèmes d'exploitation.

Une couche ne définit pas un protocole, elle délimite un service qui peut être réalisé par plusieurs protocoles de différentes origines. Ainsi chaque couche peut contenir tous les protocoles que l'on veut, pourvu que ceux-ci fournissent le service demandé à ce niveau du modèle.

Un des intérêts majeurs du modèle en couches est de séparer la notion de communication, des problèmes liés à la technologie employée pour véhiculer les données.

Pour mémoire (figure II.01) :

7 : La couche application (Application layer) est constituée des programmes d'applications ou services, qui se servent du réseau. Ils ne sont pas forcément accessibles à l'utilisateur, car ils peuvent être réservés à un usage d'administration.

6 : La couche de présentation (Présentation layer) met en forme les données suivant les standards locaux ou particuliers à l'application. Comme, par exemple passer d'une représentation « big endian » ou à une représentation « little endian » ou encore plus complexe comme celle décrite par les « XdR » (eXternal Data Representation) et qui autorise la transmission de types abstraits de données (structures complexes, arbres, listes chaînées, la liste n'est pas limitative...). De nos jours c'est de plus en plus le XML(7) qui occupe cet espace finalement assez peu normé.

5 : La couche de session (Session layer) effectue l'aiguillage entre les divers services (7) qui communiquent simultanément à travers le même ordinateur connecté et le même réseau. Deux utilisateurs d'une même machine peuvent utiliser la même application sans risque d'interactions parasites.

4 : La couche de transport (Transport layer) garantit que le destinataire obtient exactement l'information qui lui a été envoyée. Cette couche met par exemple en œuvre des règles de renvoi de l'information en cas d'erreur de réception.

3 : La couche réseau (Network layer) isole les couches hautes du modèle qui ne s'occupent que de l'utilisation du réseau, des couches basses qui ne s'occupent que de la transmission de l'information.

2 : La couche de données (Data link layer) effectue le travail de transmission des données d'une machine à une autre.

1 : La couche Physique (Physical layer) définit les caractéristiques du matériel nécessaire pour mettre en œuvre le signal de transmission, comme des tensions, des fréquences, la description d'une prise...

Du niveau 7 de l'application, au niveau 4 du transport, l'information circule dans ce que l'on appelle un « message », au niveau 3 elle se nomme « packet », puis « frame » au niveau 2 et « signal » au niveau 1.

Chaque couche ne voit et ne sait communiquer qu'avec la couche qui la précède et celle qui la suit, avec le cas particulier des couches 1 et 7.

L'intérêt de travailler en couches est que lorsque les modalités d'échanges entre chacune d'entre elles sont précisément décrites, on peut changer l'implémentation et les spécificités de la couche elle-même sans que cela affecte le reste de l'édifice.

C'est sur ce principe qu'est bâtie la suite de protocoles désignée par TCP/IP

Quand deux applications A et B discutent entre elles via le réseau, les informations circulent de la couche 7 vers la couche 2 quand l'application A envoie de l'information sur le réseau, et de la couche 2 vers la couche 7 pour que l'application B reçoive l'information de A.

Le principe de base de cette discussion repose sur le fait que chaque couche du modèle de la machine A est en relation uniquement avec son homologue du même niveau de la machine B.

Quand l'information descend de la couche 7 vers la couche 1, chaque couche « encapsule » les données reçues avant de les transmettre. Ainsi le volume d'informations s'est accru de quelques centaines d'octets arrivés à la couche 1.

De manière symétrique, quand l'information remonte de la couche physique vers la couche Application, chaque couche prélève les octets qui lui sont propres, ainsi l'application B ne voit-elle que les octets envoyés par l'application A, sans le détail de l'acheminement.

Le terme « réseau local » n'est pas clairement défini, cependant tout le monde s'accorde à baptiser de la sorte un réseau, dès lors qu'on lui reconnaît les caractéristiques suivantes :

• cohabitation de plusieurs protocoles ;
• un même média (même câble par exemple) qui raccorde de multiples machines, peut-être de caractéristiques différentes ;
• une bande passante élevée, partagée par tous les hôtes ;
• la capacité de faire du « broadcasting » et du « multicasting » ;
• une extension géographique de moins en moins limitée ;
• un nombre de machines raccordées limité ;
• des relations entre les machines placées sur un mode d'égalité (et non par exemple sur un mode Maître/Esclave comme dans un réseau dont la topologie serait en étoile) ;
• une mise en Å“uvre qui reste du domaine privé, c'est-à-dire qui ne dépend pas d'un opérateur officiel de télécommunications.

Notez que les notions de « bande passante » et « nombre limité » (etc.) sont volontairement qualitatives. Elles évoluent rapidement avec le temps.

Exemple de types de technologies utilisées dans les LAN :

• Token ring ;
• IEEE 802 LANs ;
• Ethernet et Fast-Ethernet ;
• FDDI (anneau en fibre optique) ;
• ATM ;
• 802.11(a, b, g...) ;
• ...

Un WAN (Wide Area Network) désigne des ordinateurs connectés entre différentes villes (Metropolitan Area Network) ou pays. La technologie utilisée est traditionnellement moins performante que celle d'un LAN, c'est par exemple une ligne téléphonique louée fonctionnant à 64 kbps, une liaison RNIS, ou encore une liaison transatlantique à 1Mbits/secondes.

Les améliorations technologiques apportées aux LAN permettent de les étendre de plus en plus géographiquement, celles apportées aux WAN augmentent considérablement les bandes passantes, ces deux tendances font que la distinction entre ces deux types de réseaux est de moins en moins claire.

Les réseaux sont appelés à communiquer entre eux et quand cela se produit on parle de communications interréseaux (« internetworking »).

Le rôle d'une communication interréseau est de gommer les éventuelles différences de technologie d'échange pour permettre à deux réseaux, ou plus, le partage de ressources communes, l'échange d'informations.

Un moyen de faire communiquer deux réseaux distincts passe par l'utilisation de « gateway » ou passerelle.

Un tel dispositif est parfois appelé routeur (router), mais c'est un abus de langage.

• Les hommes se connectent sur les ordinateurs.
• Les ordinateurs se connectent sur un réseau.
• Les réseaux s'interconnectent dans un « internet ».

2-4-1-1. Quelques principes fondamentaux▲

2-4-1-2. Format d'une « Frame Ethernet »▲

2-4-1-3. Adresses IEEE 802.3 ou Ethernet▲

2-4-1-4. Unicast, multicast et broadcast▲

• On remarque que le champ « taille » de la trame 802.3 est à la place du champ « type » de la trame Ethernet. La différenciation s'effectue à partir de la valeur de ces deux octets. On remarque également que le comité 802 a choisi de subdiviser la couche 2 ISO en deux sous-couches : MAC et LLC.
• Tous les numéros de protocole sont supérieurs à 1500(13) qui est la longueur maximale des données encapsulées. Donc une valeur inférieure ou égale à ce seuil indique une trame 802.3.

MAC = « Medium Access Control »

• Cette couche est concernée par la gestion de l'adresse physique de la technologie de LAN employée (comme « token-ring » par exemple)

LLC = « Logical Link Control »

• Définit ce qui est nécessaire aux multiples couches supérieures possibles pour utiliser et partager les ressources du lan en même temps.
• Le comité 802.2 a également prévu plusieurs options, dont deux principalement utilisées :
  • LLC type 1 : Les trames sont délivrées en mode datagramme c'est-à-dire selon le principe du « best effort » (on fait au mieux sans garantie de résultat),
  • LLC type 2 : Les trames sont délivrées avec une garantie de bon acheminement. L'usage du LLC de type 2 entraîne l'ajout de champs dans l'entête pour numéroter les paquets, ajouter des acquittements, des synchronisations, etc. C'est le protocole HDLC comme « High-level Data Link Control ».
  • Un travail qui est normalement dévolu à la couche de transport et qui donc parasite beaucoup la lisibilité de l'ensemble.

Figure I.06 l'hôte est raccordé à l'aide d'une prise de type « vampire » et d'un « transceiver ».

Dans cette technologie de raccordement, le support est un gros câble jaune, dit encore « Thick Ethernet » ou Ethernet standard, ou encore 10Base5 (10 comme 10 Mbits/s, Base comme « Baseband », 5 comme 500 mètres).

2-5-1-1. 10Base5▲

2-5-1-2. 10Base2▲

2-5-1-3. 10BaseT▲

2-5-1-4. Fibre optique▲

2-5-1-5. Conclusion▲

À une technologie particulière correspondent forcément des limitations dues aux lois de la physique. Par exemple en technologie Ethernet la longueur maximale d'un brin ne peut pas excéder 180 mètres. Pour pallier cette déficience, on utilise des répéteurs (« repeaters »).

• Agis uniquement au niveau de la couche 1 ISO, c'est un « amplificateur de ligne » avec ses avantages et aussi l'inconvénient de transmettre le bruit sans discernement : il n'y a aucun filtrage sur le contenu.
• Relie deux brins d'une même technologie en un seul LAN, car les trames sont reproduites à l'identique.
• En 10Base5, l'usage d'un répéteur fait passer la limite des 500 mètres à 1000 mètres...
• Il n'y a aucune administration particulière, sinon de brancher la boite noire à un emplacement jugé pertinent.
• C'est un élément « bon marché ».

Un concentrateur (ou « HUB », moyeu) :

• est aussi nommé étoile ou multirépéteur ;
• les HUB n'ont pas d'adresse Ethernet, sauf certains modèles évolués, gérables à distance (TELNET, SNMP...). On parle alors de « hubs intelligents » parce qu'ils permettent d'associer des ports entre eux.

Un hub assure la continuité du réseau sur chacune de ses prises, que l'on y branche ou pas un hôte. En cela il agit uniquement au niveau de la couche 1 ISO. Il ne limite pas le nombre de collisions et n'améliore pas l'usage de la bande passante. Son seul intérêt est de donc permettre le branchement ou le débranchement des stations sans perturber le fonctionnement global du réseau.

Les hubs peuvent être chaînés entre eux ; souvent ils sont reliés au backbone local par une autre technologie que la paire torsadée (fibre optique...).

Dans le cas de « hubs intelligents » les ports sont associés les uns aux autres par groupes de fonctionnement.

La technologie CSMA/CD atteint vite ses limites quand le réseau est encombré. Une amélioration possible quand on ne peut pas changer de technologie (augmentation du débit) est d'utiliser un ou plusieurs ponts (« bridges ») pour regrouper des machines qui ont entre elles un dialogue privilégié.

Dialogue entre deux stations, sans pont :

Dialogue entre deux stations, avec pont :

De nos jours le pont en tant que tel est de moins en moins utilisé par contre le principe de son fonctionnement se retrouve, entre autres, dans les commutateurs (paragraphe suivant) et dans les points d'accès sans fil (« wireless »).

On peut remarquer que les échanges locaux à chaque branche du pont s'effectuent au mieux des possibilités de la bande passante, le pont a donc multiplié par deux la capacité globale du trafic réseau vis-à-vis de certains échanges.

Un pont :

• agis au niveau de la couche 2 ISO, donc au niveau de la trame physique. Son action est plus que physique elle est aussi logique puisqu'il y a lecture et interprétation des octets véhiculés. Le résultat de ce travail logique (apprentissage) consiste à isoler le trafic sur certains tronçons d'un LAN. À cause de ce travail, on parle généralement de « ponts intelligents » ou de « ponts transparents », car la phase d'apprentissage est automatique !
• réduit le taux de collisions en réduisant le trafic inutile, donc améliore l'usage de la bande passante. Sur la figure II.11 les machines A et B peuvent dialoguer sans perturber le dialogue entre les machines D et E. Par contre dans le cas d'un dialogue entre A et E le pont ne sert à rien ;
• moins cher qu'un routeur et plus rapide (services rendus moins complets) ;
• relie deux segments (ou plus) en un seul LAN, les trames transmises sont reproduites à l'identique ;
• un pont contient une CPU , il est en général administrable à distance, car on peut agir sur la table de filtrages (ajout, contraintes de filtrages, etc.). Dans ce cas un pont a une adresse Ethernet ;
• les ponts interdisent que les réseaux aient des boucles, un protocole nommé STP (« Spanning Tree Protocol ») désactive automatiquement le ou les ponts qui occasionne(nt) un bouclage des trames ;
• il existe des ponts entre Ethernet et Token-ring, on parle alors de « ponts à translations » ;
• attention, un pont ne s'occupe que des adresses de type unicast, il ne filtre pas les types broadcast et multicast ;
• on peut remarquer que dans le cas de figure où le trafic est strictement contenu d'un côté et de l'autre du pont, alors la bande passante globale du LAN est multipliée par deux. Bien sûr cette remarque n'est plus valable dès lors qu'une trame franchit le pont.

Aligner des stations sur un même réseau local constitue une première étape simple et de faible coût pour un réseau local d'entreprise. Le revers d'une telle architecture est que le nombre de collisions croît très vite avec le trafic, d'où une baisse très sensible de la rapidité des échanges due à ce gaspillage de la bande passante.

L'usage de ponts peut constituer une première solution, mais elle n'est pas totalement satisfaisante dans tous les cas de figure, comme nous avons pu le remarquer au paragraphe précédent.

Depuis plus d'une dizaine d'années est apparue une technologie nommée « Intelligent Switching Hub » (ISH) - commutateur intelligent - qui utilise le concept de commutation parallèle et qui a révolutionné l'organisation des réseaux locaux.

D'aspect extérieur ces équipements se présentent comme un hub, mais ont en interne une CPU suffisamment puissante et un bus interne de données suffisamment rapide pour mettre en œuvre une logique de commutation raffinée.

Lorsqu'une trame se présente sur l'un des ports du commutateur elle est (ou n'est pas) reroutée vers un autre port en fonction de l'adresse physique du destinataire. Il existe plusieurs différences entre un pont et un commutateur :

• Un commutateur peut mettre simultanément plusieurs ports en relation, sans que le débit de chacun en souffre. Par exemple un commutateur de 8 ports en 100BaseT peut supporter quatre connexions port source/port destination simultanées à 100 Mbit/s chacune, ce qui donne un débit global de 400 Mbit/s qui doit pouvoir être supporté par le bus interne ou « fond de panier ».

D'un point de vue plus théorique, un commutateur à N ports à 100 Mbit/s chacun a un débit maximum de N x 100/2 = 50 x N Mbit/s.

• Si une trame est à destination d'un port déjà occupé, le commutateur la mémorise pour la délivrer sitôt le port disponible.
• Un commutateur fonctionne comme un pont pour établir sa carte des adresses, mais il peut aussi travailler à partir d'une table préconfigurée.
• Un commutateur peut fonctionner par port (une seule station Ethernet par port) ou par segment (plusieurs stations Ethernet par port).

Avec un commutateur, il est aisé d'organiser un réseau en fonction de la portée des serveurs des postes clients associés. La figure II.12 illustre ce principe :

Le trafic réseau entre le « client 1 » et le serveur « S2 » ne perturbe pas le trafic entre le « client 2 » et le serveur « S1 ». De même le trafic entre le « client 1 » et le « serveur local » n'est pas vu du « client 2 ».

Les commutateurs étiquettent les trames avec un identificateur du VLAN auquel elles appartiennent. Cette étiquette se résume par deux octets ajoutés dans la trame, selon les recommandations du comité 802 (norme 802.1Q).

Pour raccorder deux LAN non forcément contigus il faut faire appel à ce que l'on désigne « une passerelle » (« gateway »). Son rôle est de prendre une décision sur la route à suivre et de convertir le format des données pour être compatible avec le réseau à atteindre (en fonction de la route).

Souvent, et c'est le cas avec TCP/IP, la fonction de conversion n'est pas utilisée, la fonction de routage donne alors son nom à l'appareil en question (éponyme), qui devient un « routeur » (« router »).

Le problème du routage entre A et B :

La fonction passerelle consiste aussi en traduction de protocoles :

Un routeur :

• agis au niveau de la couche 3. Il prend des décisions de destination ;
• possède au moins deux interfaces réseau (pas forcément identiques) ;
• contient une CPU et un programme très évolué, il est administrable à distance ;
• remplis également les fonctions d'un pont (B-routeur), mais les brins ainsi reliés ne forment en général plus un LAN, car les adresses physiques contenues dans les trames ne servent plus à identifier le destinataire. Il faut une autre adresse qui dépend de la pile au-dessus (exemple adresse IP). Il existe cependant des possibilités de simuler un même LAN bien que les trame traversent un routeur (cf chapitre ARP).