Cours d'introduction à TCP/IP

Un système de communication doit pouvoir permettre à n'importe quel hôte de se mettre en relation avec n'importe quel autre. Afin qu'il n'y ait pas d'ambiguïté pour la reconnaissance des hôtes possibles, il est absolument nécessaire d'admettre un principe général d'identification.

Lorsque l'on veut établir une communication, il est intuitivement indispensable de posséder trois informations :

• Le nom de la machine distante ;
• Son adresse ;
• La route à suivre pour y parvenir.

Le nom dit « qui » est l'hôte distant, l'adresse nous dit « où » il se trouve et la route « comment » on y parvient.

En règle générale les utilisateurs préfèrent des noms symboliques pour identifier les machines tandis que les processeurs de ces mêmes machines ne comprennent que les nombres exprimés au format binaire.

Les adresses IP (version 4) sont standardisées sous forme d'un nombre de 32 bits qui permet à la fois l'identification de chaque hôte et du réseau auquel il appartient. Le choix des nombres composant une adresse IP n'est pas laissée au hasard, au contraire il fait l'objet d'une attention particulière notamment pour faciliter les opérations de routage.

Nous éludons la correspondance entre ce nombre et une éventuelle représentation symbolique, c'est l'objet du serveur de noms, une application examinée plus tard.

Chaque adresse IP contient donc deux informations élémentaires, une adresse de réseau et une adresse d'hôte. La combinaison des deux désigne de manière unique une machine et une seule sur l'Internet, sous réserve que cette adresse ait été attribuée par un organisme ayant pu de le faire !

On distingue deux types d'adresses IP :

• les adresses privées : que tout administrateur de réseau peut s'attribuer librement pourvu qu'il(elle) ne cherche pas à les router sur l'Internet ;
• les adresses publiques : délivrées par une structure mondiale qui en assure l'unicité. Ce dernier point est capital pour assurer l'efficience du routage, comme nous le comprendrons en détaillant le fonctionnement d'IP.

Les adresses à utiliser sur les réseaux privés sont décrites par la RFC 1918 :

Les adresses publiques (souvent une seule) sont le plus généralement fournies par le FAI(21). Qu'elles soient délivrées de manière temporaire ou attribuées pour le long terme, elles doivent être uniques sur le réseau. La question est donc de savoir de qui le FAI les obtient.

C'est L'ICANN ou « Internet Corporation for Assigned Names and Numbers(22) » qui est chargé au niveau mondial de la gestion de l'espace d'adressage IP. Il définit les procédures d'attribution et de résolution de conflits dans l'attribution des adresses, mais délègue le détail de la gestion de ces ressources à des instances régionales puis locales, dans chaque pays, appelées RIR ou « Regional Internet Registries ».

Il y a actuellement cinq « Regional Internet Registries » opérationnels : l'APNIC(23) pour la région Asie-Pacifique, l'ARIN(24) pour l'Amérique, le RIPE NCC(25) pour l'Europe, l'AfriNIC(26) pour l'Afrique enfin LACNIC(27) pour l'Amérique Latine.

Pour ce qui nous concerne en Europe c'est donc le RIPE NCC (Réseaux IP européen Network Coordination Centre) qui délivre les adresses que nous utilisons.

Les adresses IP sont allouées à l'utilisateur final qui en fait la demande par un « Local Internet Registry », ou LIR, autorisé par le RIPE NCC. Un LIR est généralement un FAI ou une grande organisation (entreprise multinationale). Il est sous l'autorité de l'instance régionale de gestion de l'adressage. Ainsi pour un utilisateur (quelle que soit sa taille) changer de FAI implique aussi de changer de plan d'adressage IP, lorsque celles-ci ont été allouées statiquement par le LIR. Les adresses IP sont alors restituées puis réattribuées à d'autres utilisateurs.

On compte plus de 2000 de LIR offrant leurs services en Europe selon le RIPE NCC(28). Le chiffre a forcement augmenté depuis 2003, avec l'élargissement des frontières européennes.

Pour distinguer les classes A, B, C, D et E il faut examiner les bits de poids fort de l'octet de poids fort :

Si le premier bit est 0, l'adresse est de classe A. On dispose de 7 bits pour identifier le réseau et de 24 bits pour identifier l'hôte. On a donc les réseaux de 1 à 127 et 2²⁴ hôtes possibles, c'est-à-dire 16 777 216 machines différentes (de 0 à 16 777 215).

Les lecteurs attentifs auront remarqué que le réseau 0 n'est pas utilisé, il a une signification particulière (« tous les réseaux »). Plus de détails au paragraphe 2.2.

De même, la machine 0 n'est pas utilisée, tout comme la machine ayant le plus fort numéro dans le réseau (tous les bits de la partie hôte à 1, ici 16 777 215), ce qui réduit de deux unités le nombre des machines nommables. Il reste donc seulement 16 777 214 machines adressables dans une classe A !

Si les deux premiers bits sont 10, l'adresse est de classe B. Il reste 14 bits pour identifier le réseau et 16 bits pour identifier la machine. Ce qui fait 2¹⁴= 16 384 réseaux (128.0 à 191.255) et 65 534 (65 536 - 2) machines.

Si les trois premiers bits sont 110, l'adresse est de classe C. Il reste 21 bits pour identifier le réseau et 8 bits pour identifier la machine. Ce qui fait 2²¹=2 097 152 réseaux (de 192.0.0 à 223.255.255) et 254 (256 - 2) machines.

Si les quatre premiers bits de l'adresse sont 1110, il s'agit d'une classe d'adressage spéciale, la classe D. Cette classe est prévue pour faire du « multicast », ou multipoint. (RFC 1112 [S. Deering, 1989]), contrairement aux trois premières classes qui sont dédiées à l'« unicast » ou point à point.

Ces adresses forment une catégorie à part, nous en reparlons au paragraphe 3.

Si les quatre premiers bits de l'adresse sont 1111, il s'agit d'une classe expérimentale, la classe E. La RFC 1700 précise « Class E addresses are reserved for future use », mais n'indique pas de quel futur il s'agit...

Enfin, pour conclure ce paragraphe, calculons le nombre d'hôtes adressables théoriquement à l'aide des classes A, B et C :

• 127 x 16777212 + 16384 x 65534 + 2097152 x 254 = 3737091588(29)

Ce total, pour être plus exact, doit être amputé des 17 890 780 hôtes des réseaux privés prévus dans la RFC 1918(30), soit donc tout de même au total 3 719 200 808 hôtes adressables en utilisant IPv4 !

Certaines adresses IP ont une signification particulière !

Par convention le numéro 0 d'hôte n'est pas attribué. Si une adresse IP contient cette zone nulle cela signifie que l'on adresse le réseau lui-même et aucun hôte en particulier, donc en règle générale l'hôte lui-même.

De même, pour toutes les piles Arpa l'adresse 127.0.0.1 indique la machine elle-même (« localhost » - Voir chapitre IP), indépendamment des autres adresses réseau éventuellement attribuées à n'importe laquelle de ses interfaces.

À l'inverse, si tous les bits de la partie hôte sont à 1, cela désigne toutes les machines du réseau, c'est ce que l'on appelle une adresse de « broadcast », c'est-à-dire une information adressée à tout le monde.

On évite au maximum l'usage d'une telle adresse IP sur les réseaux, pour des raisons d'efficacité (encombrement de la bande passante).

Quelques exemples d'adresses avec une signification particulière :

Remarque : les deux premières adresses, avec un numéro de réseau égal à 0, ne peuvent figurer que comme adresse source dans des cas bien particuliers comme le démarrage d'une station (cf chapitre IP et les travaux pratiques associés).

En 1984 un troisième niveau de hiérarchie est mis en place : le « subnet » ou sous-réseau pour permettre aux administrateurs de gérer plus finement de grands réseaux. La RFC 950 [J. Mogul, J. Postel, 1985] donne plus de précisions, la RFC 1878 [T. Pummill & B. Manning, 1995] est une table de tous les sous-réseaux possibles.

Dans la figure IV.02 ci-contre, les bits 6 et 7 de la partie « host » sont utilisés pour caractériser un sous-réseau.

Le « subnet » utilise les bits de poids fort de la partie hôte de l'adresse IP, pour désigner un réseau. Le nombre de bits employés est laissé à l'initiative de l'administrateur.

Quelques révisions des propriétés des puissances de 2(31) sont souvent nécessaires pour bien assimiler ce paragraphe. La figure suivante en rappelle les valeurs pour les huit premiers exposants :

Nous avons d'une part 2⁷ + 2⁶ = 192, et d'autre part 2⁵ + 2⁴ + 2³ + 2² + 2¹ + 2⁰ = 63(32). Ce qui permet de caractériser 4 sous-réseaux de 62 machines (63 moins l'adresse de broadcast, le « 0 » n'étant pas compté). Le calcul des masques et des adresses de diffusion est expliqué dans le tableau suivant :

Soit un total de 62 x 4 = 248 hôtes possibles pour cette classe C avec un masque de sous-réseau(33), au lieu des 254 hôtes sans.

La machine d'adresse 1 sur chaque sous-réseau aura comme adresse IP :

Si vous pensez avoir tout compris, le remplissage du tableau suivant dans le cas de la classe C 192.168.192.0 et avec 3 bits pour définir les sous-réseaux ne devrait pas vous poser de problème...

À toutes ces adresses il faudra appliquer le masque de sous-réseau 0xFFFFFF soit encore 255.255.255

Remarque : On pourra vérifier que la perte d'espace d'adressage pour adresser des hôtes se calcule avec la relation (2ⁿ-1) x 2, où n est le nombre de bits du masque. Ainsi avec 3 bits de masque de sous-réseau, la perte d'espace d'adressage s'élève à 14 hôtes ! Les 254 possibilités (256 moins 0 et 255) de numérotation de la classe C se réduisent à 240, amputées de 31, 32, 63, 64, 95, 96, 127, 128, 159, 160, 191, 192, 223 et 224.

En 1992 la moitié des classes B étaient allouées, et si le rythme avait continué, au début de 1994 il n'y aurait plus eu de classe B disponible et l'Internet aurait bien pu mourir par asphyxie ! De plus la croissance du nombre de réseaux se traduisait par un usage « aux limites » des routeurs, proches de la saturation, car non prévus au départ pour un tel volume de routes (voir les RFC 1518 et RFC 1519).

Deux considérations qui ont conduit l'IETF a mettre en place le « Classless InterDomain Routing » ou CIDR ou encore routage Internet sans classe, basé sur une constatation de simple bon sens :

• S'il est courant de rencontrer une organisation ayant plus de 254 hôtes, il est moins courant d'en rencontrer une de plus de quelques milliers.

Les adresses allouées sont donc des classes C contiguës, attribuées par région ou par continent. En général, 8 à 16 classes C mises bout à bout suffisent pour une entreprise. Ces blocs de numéros sont souvent appelés « supernet ».

Par exemple il est courant d'entendre les administrateurs de réseaux parler d'un « slash 22 » (/22) pour désigner un bloc de quatre classes C consécutives...

• Il est plus facile de prévoir une table de routage pour un bloc de réseaux contigus que d'avoir à le faire pour une multitude de routes individuelles. En plus cette opération allège la longueur des tables.

Plus précisément, trois caractéristiques sont requises pour pouvoir utiliser ce concept :

• Pour être réunies dans une même route, des adresses IP multiples doivent avoir les mêmes bits de poids fort (seuls les bits de poids plus faible diffèrent) ;
• Les tables de routages et algorithmes doivent prendre en compte un masque de 32 bits, à appliquer sur les adresses ;
• Les protocoles de routage doivent ajouter un masque 32 bits pour chaque adresse IP (cet ajout double le volume d'informations) transmise. OSPF, IS-IS, RIP-2, BGP-4 le font.

Ce masque se manifeste concrètement comme dans la réécriture du tableau du paragraphe 1.2 :

Le terme « classless » vient de ce fait, le routage n'est plus basé uniquement sur la partie réseau des adresses.

Les agrégations d'adresses sont ventilées selon le tableau suivant(34) :

Tout d'abord il faut préciser qu'une adresse de broadcast est forcément une adresse de destination, elle ne peut jamais apparaître comme une adresse source dans un usage normal des réseaux.

Quatre formes possibles de broadcast :

• « Limited broadcast » : (255.255.255.255) une telle adresse ne peut servir que sur le brin local et ne devrait jamais franchir un routeur. Ce n'est malheureusement pas le cas (précisions en cours). L'usage de cette adresse est normalement limité à un hôte en phase d'initialisation, quand il ne connait rien du réseau sur lequel il est connecté ;
• « Net-directed broadcast » : tous les bits de la partie hôte sont à 1. Un routeur propage ce type de broadcast, sur option ;
• « Subnet-directed broadcast » : c'est le même cas que ci-dessus, mais avec une adresse IP comportant des subnets ;
• « All-subnets-directed broadcast » : c'est le cas où tous les bits des subnets et hôtes sont à 1. Ce cas possible théoriquement est rendu obsolète depuis la RFC 922 (1993).

Si une adresse multicast démarre avec les bits 1110 par contre pour les 28 bits suivants son organisation interne diffère de celle des classes A, B et C.

• Les 28 bits n'ont pas de structure particulière par contre on continue à utiliser la notation décimale pointée : 224.0.0.0 à 239.255.255.255.
• Un groupe d'hôtes qui partagent un protocole commun utilisant une adresse multicast commune peuvent être répartis n'importe où sur le réseau.
• L'appartenance à un groupe est dynamique, les hôtes qui le désirent rejoignent et quittent le groupe comme ils veulent.
• Il n'y a pas de restriction sur le nombre d'hôtes dans un groupe et un hôte n'a pas besoin d'appartenir à un groupe pour lui envoyer un message.

Une station Ethernet quelconque doit être configurée pour accepter le multicast, c'est-à-dire pour accepter les trames contenant un datagramme muni d'une adresse IP de destination qui est une adresse multicast.

Cette opération sous-entend que la carte réseau sait faire le tri entre les trames. En effet les trames multicast ont une adresse MAC particulière : elles commencent forcément par les trois octets 01:00:5E(36). Ceux-ci ne désignent pas un constructeur en particulier, mais sont possédés par l'ICANN (ex IANA).

Restent trois octets dont le bit de poids fort est forcément à 0 pour désigner les adresses de multicast (contrainte de la RFC 1700), ce qui conduit au schéma suivant :

Du fait qu'il n'y a pas assez de place dans l'adresse MAC pour faire tenir les 28 bits du groupe multicast, cette adresse n'est pas unique. On peut même préciser que pour chaque trame comportant une adresse multicast il y a 2⁵ adresses IP de groupes multicast possibles !

Ce qui signifie que si les 23 bits de poids faible ne suffisent pas à discriminer la trame, il faudra faire appel au pilote de périphérique ou à la couche IP pour lever l'ambiguïté.

Quand une trame de type multicast est lue par la station Ethernet puis par le pilote de périphérique, si l'adresse correspond à l'une des adresses de groupe multicast préalablement configurées, le datagramme franchit la couche IP et une copie des données est délivrée aux processus qui ont « joint le groupe multicast ».

La question est de savoir comment les trames de type multicast atteignent justement cette station Ethernet. La réponse se trouve dans un protocole nommé IGMP et que nous examinerons dans le prochain chapitre concernant IP.