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title: Réseaux Informatiques: Bases
description: Câbles, Ethernet, TCP/IP, bases du routage, etc 😃
published: true
date: 2024-01-20T14:58:05.072Z
tags: basics, networking
editor: markdown
dateCreated: 2024-01-20T13:52:22.947Z

Historique

L'idée d'interconnecter des ordinateurs entre eux n'est pas nouvelle.

Dès 1961, Leonard Kleinrock introduisait la notion d'ARPANET dans son article "Information Flow in Large Communication Nets". Il faut savoir qu'à l'époque, le plus gros réseau de télécommunication existant était le réseau téléphonique, qui fonctionne par commutation de circuit (grâce à des relais), système qui était adapté au transfert de la voix à débit constant mais inadapté au transfert de données informatiques dont le débit, la taille et la latence doivent pouvoir varier dans le temps, et qui peuvent être envoyées et reçues de plusieurs machines à la fois. Leonard Kleinrock proposa alors d'utiliser, non plus de la commutation de circuit, mais la commutation de paquets dès 1961.

Grâce à son travail et au travail de nombreux autres chercheurs et chercheuses, dont, notamment, Paul Baran et Louis Pouzin (ingénieur français qui travaillait à l'époque au MIT, et qui participa en France au projet Cyclades de réseau ARPANET européen, qui fût malheureusement abandonné au profit de Transpac/x.25 "grâce" au lobbying de notre cher opérateur historique au nom d'agrume), les bases des protocoles réseaux encore utilisés de nos jours ont été posées.

Influencés par leurs prédecesseurs et notamment le travail de Louis Pouzin, Vinton ("Vint") Cerf et Robert "Bob" Kahn développèrent la suite des protocoles TCP/IP qui fût formalisée en 1973.

La toute première communication entre ordinateurs sur ARPANET (l'ancêtre d'Internet) a été effectuée le 29 Octobre 1969. Il s'agissait d'une connexion Telnet (l'ancêtre de SSH), utilisant pour la première fois un protocole réseau ancêtre de TCP/IP (TCP Over IP), NCP (Network Control Protocol, encore utilisé pour les liens PPP (Point to Point Protocol)).

Par la suite, de part l'évolution matérielle constante, les anciens Interface Message Processors, IMP (on retrouve de temps en temps cette dénomination) furent progressivement remplacés par les routeurs tels qu'on les connaît aujourd'hui. Développés à la fin des années 60 et pendant les années 70, ils restèrent le cœur d'ARPANET jusqu'en 1989.

IMP.jpg

Un des premiers IMP, en 1969, assez... "rustique" (source: Wikipédia en), avec une bande passante phénoménale (pour l'époque) de 50 kilobits par seconde. Pour l'anecdote, le logiciel et le protocole de communication de ces machines sont décrits dans la RFC 1.

En 1980, Bill "Router Man" Yeager développe le premier routeur multi-protocoles à l'Université de Stanford. Il est à l'époque aidé de Len Bosack et Sandy Lerner, qui créeront d'ailleurs une petite PME du nom de Cisco.

Le tout premier routeur Cisco sorti en 1986. Nommé AGS pour Advanced Gateway Server, il supportait TCP/IP, PUP, entre autres protocoles. Il disposait déjà, à l'époque, d'une interface (FDDI) capable de supporter 100Mbps. Suivit l'AGS+, remplaçant le CPU Motorola 68020 (équivalent à un 386SX) de l'AGS par un 68040 nettement plus "costaud" (équivalent à un 486DX2):

AGS.jpg

(source: rcsri.org (Retro-Computing Society of Rhode Island, Inc.))

Dans le même temps, apparaissaient les premiers commutateurs Ethernet 100Mbps (Grand Junction, 1993):

GJ.jpg

(source: rcsri.org (Retro-Computing Society of Rhode Island, Inc.))

Au fur et à mesure de l'évolution du réseau, sont apparus des modèles de routeurs de plus en plus compacts et de plus en plus puissants, avec des interfaces à 1Gbps, puis 10Gbps, etc. Les CPUs "classiques" utilisés dans les premiers routeurs sont maintenant aidés de circuits ASICs spécialisés (tout comme pour le minage de bitcoins :p). On peut citer les routeurs Cisco de la série ASR:

asr.jpg

(source: Cisco)

De même, de nombreux concurrents sont apparus au fil du temps: Juniper, Mikrotik, Brocade, Allied Telesis, DLink (oui oui), etc, visant à la fois le marché d'entreprise et le marché PME/PMI voire particuliers (passionnés).

De plus, dans des environnements ne nécessitant pas des performances "ultimes" (et même là...), il est tout à fait possible d'utiliser des APUs ou des serveurs sous GNU/Linux ou BSD (FreeBSD pour les perfs, OpenBSD pour les parano... euh, la sécurité), et bénéficier de la syntaxe "Cisco" IOS via les logiciels Quagga ou FRR, qui est une surcouche aux différents daemons réseau disponibles (par exemple bgpd, ospfd, routed, etc) offrant une syntaxe et une CLI quasiment identiques à celle d'un routeur Cisco.

Supports du réseau

Qu'est-ce qu'un réseau?

Un réseau est l'interconnexion de deux ou plusieurs machines entre elles, dans le but de partager des données.

Un réseau est en général composé de différents ordinateurs, périphériques réseaux (routeurs, commutateurs, etc) qui vont communiquer entre eux à l'aide d'un ou plusieurs protocoles de communication.

On peut en distinguer deux types:

Quelques exemples de services réseaux classiques:

Catégories de réseaux

LAN: Local Area Network

Ce qu'on appelle un /réseau local/ est un réseau où les périphériques et noeuds du réseau sont interconnectés sur des distances relativement courtes (ce n'est pas toujours le cas, par exemple avec un CLAN mais c'est hors de notre périmètre de cours)

En règle générale, un LAN est controllé par une seule personne physique ou morale.

Ces réseaux utilisent en général le protocole Ethernet que nous détaillerons dans la suite du cours

MAN: Metropolitan Area Network

Il s'agit d'un réseau de taille largement supérieure à un LAN, en général à l'échelle d'une ville.

En règle générale ce genre de réseau est opéré par des entités gouvernementales ou des entreprises de grande taille (banques, assurances, etc) dont ils ont la propriété (ou louent l'infrastructure nécessaire à un prestataire de service (FAI professionnel, par exemple, dans le coin, Axione, Gigalis, Atlantic Networks, etc))

Sur Nantes, le réseau de l'Accoord interconnecte les ~50 centres socio-culturels et de loisirs de Nantes Métropole.

WAN: Wide Area Network

Un WAN est un réseau de taille quasi mondiale. Par exemple, le réseau de Cogent (2è transitaire mondial) est un WAN à lui tout seul car il couvre plusieurs continents et traverse plusieurs océans.

Le WAN que vous utilisez tous les jours s'appelle Internet (et est lui même l'interconnexion de dizaines de milliers de WAN, MAN et LANs)

WLAN: Wireless LAN

Il s'agit d'un /LAN/ sans fil 😃

SAN: Storage Area Network

Un SAN connecte des serveurs à des périphériques de stockage de données (en général ce qu'on appelle des baies de disques), en utilisant des technologies comme Fibre Channel.

Ces baies de stockages utiliseront en général des protocoles de communications tels qu'iSCSI, iSCSI over Ethernet, etc, qui n'exposent pas des partages de fichiers mais des LUN (Logical Unit Number) exposant des /block devices/ qui vont se comporter comme des disques durs locaux non partitionnés/formatés.

Câbles réseaux, fibres optiques, cuivre, WiFi: moyens de transmission

Paire de fils de cuivre torsadés

Il s'agit d'un type de câble où les deux fils conducteurs sont torsadés (en mode scoubidou) afin de minimiser les effets de l'induction électromagnétique (Maxwell) et donc le bruit et le
crosstalk entre nos câbles de cuivre formant notre paire de cuivre:

twisted.png

C'est une méthode qui remonte à l'invention du téléphone par Alexander Graham Bell.

Câbles Ethernet

Types de blindage

Un câble ethernet est composé de quatre paires de fils de cuivre torsadés, et peut être blindé ou pas (oups). Les câbles blindés possèdent en général, en plus de l'âme du câble, un fil métallique supplémentaire, qui sert de drain de masse.

Afin, là encore, de limiter les interférences sur notre câble, il existe plusieurs types de blindage, ainsi qu'un type de câble non-blindé:

uutp.png

futp.png

stpcable.png

sstp.png

Catégories de câbles Ethernet

Il existe 8 catégories de câbles Ethernet, la huitième étant encore en phase de standardisation. Chaque catégorie de câble spécifie:

Quelques catégories de câbles:

Cat3 (10Mbps)

Il s'agissait d'un câble ethernet avec au minimum 4 fils (deux paires torsadées). Il n'est plus utilisé de nos jours. Cependant, un câble Ethernet abîmé peut entraîner une négociation à 10Mbps, par exemple.

Cat5 et Cat5e (100Mbps (Fast Ethernet) et 1Gbps (Gigabit Ethernet))

Mais il y a mieux, les câbles Cat6 et supérieurs:

Cat6 et supérieurs (jusqu'à 10Gbps (cat6, 6A, 7))

Jusqu'à 10Gbps de bande passante, jusqu'à 100m avec les caractéristiques suivantes:

Classe Catégorie Type de blindage BP Connecteur
E 6 FTP 500MHz RJ45
Ea 6a UTP 500MHz RJ45
F 7 SSTP 600MHz GG45

Connecteurs, outils de sertissage

Pour sertir un câble Ethernet cat5(e) on utilisera:

rj45.png

pince.png

Un câble Cat6 est plus difficile à sertir: le diamètre du câble étant plus important on est obligé de positionner les brins en quinquonce via un petit embout plastifié qu'on insèrera ensuite dans le connecteur RJ45. En un mot comme en cent, c'est une galère sans nom 😃

Câbles droits, câbles croisés, normes de câblage

Il existe deux types de câbles: droits et croisés.

La majorité des interfaces réseau sont désormais capables de négocier automatiquement le mode de transmission quel que soit le câble à une exception près: on utilisera un câble croisé pour connecter un ordinateur directement à un routeur. (et encore...)

Embout RJ45 et numérotage des connecteurs:

embout.png

Il existe deux normes de câblage:

t568a.png

t568b.png

Fibres optiques

Un câble de fibre optique est constitué:

fibre.png

Lorsqu'une fibre optique est connectée à deux périphériques réseau configurés et fonctionnels, on dit que la fibre est /éclairée/.

Il existe deux types de fibres optiques, en fonction des besoins (distance et longueur notamment):

Fibre monomode

Une fibre monomode ne supporte qu'un mode de propagation de la lumière à l'intérieur de la fibre optique.

Ces fibres sont en général utilisées dans les communications longue distance.

Elles utilisent en général d'authentiques lasers pour la transmission de l'information.

monomode.png

Fibre multimode

Une fibre multimode supporte plusieurs chemins et modes de propagation. Elles ont un diamètre supérieur à une fibre monomode et sont utilisées pour des communications de courte distance (jusqu'à 1km 500m) et utilisent généralement des LEDs pour la transmission de l'information.

multimode.png

Interfaces réseaux Fibre Optique

On peut citer plusieurs types d'interfaces réseaux dédiées à la fibre optique:

*Là encore je vous recommande la lecture de l'article Wikipédia correspondant:
https://fr.wikipedia.org/wiki/XFP *

Un périphérique convertissant un lien fibre optique vers un lien RJ45
(Cat5 ou plus) s'appelle un transceiver.

WiFi

Un réseau sans-fil fait référence à un réseau qui n'est pas connecté au moyen de câbles.

Ces technologies sont basées sur l'ensemble de normes IEEE 802.11 (b/g/n/ac, Wifi6, etc, sur des fréquences de 2.4 et 5GHz suivant la norme et l'équipement)

Adaptateurs et cartes d'accès

On les trouve sous beaucoup de formats: cartes PCI/PCIe/PCMCIA (old school 😃), clefs USB, intégrés à la carte-mère, etc.

Ils permettent à un ordinateur ou autre périphérique réseau de se connecter à un WLAN.

Points d'accès

Un point d'accès sans-fil (WAP, /Wireless Access Point/) est un périphérique permettant aux périphériques sans fil de se connecter à un réseau câblé en utilisant la norme WiFi, Bluetooth ou tout autre standard correspondant.

Topologie des réseaux

On distingue plusieurs topologies de réseaux, certaines plus utilisées que d'autres, certaines réminiscentes du passé, d'autres plus ou moins adaptée à certains besoins.

topologies.png

Bus

Anneau (Ring)

Etoile (Star)

Pleinement connecté (Fully connected)

Mesh

Le modèle OSI et le modèle TCP/IP

Les couches OSI (/Open Systems Initiative/)

osi.png

Si les deux premières couches (et dans une moindre mesure la troisième) fonctionnent via une combinaison matérielle et logicielle, toutes les couches supérieures sont implémentées de façon purement logicielle.

Les couches du modèle TCP/IP (/Transmission Control Protocol/ et /Internet Protocol/)

tcpip.png

Composants du réseau

Répéteurs

Un répéteur est un périphérique électronique qui, lorsqu'il reçoit un signal, le "nettoie" de son bruit, le régénère, et le retransmet.

On peut prendre comme exemple les répéteurs Ethernet, qui permettent de créer des liaisons Ethernet de plus de 100 mètres via des câbles Ethernet classiques, ou les répéteurs WiFi qui permettent d'augmenter significativement la surface couverte par un réseau WiFi.

Un répéteur travaille sur la première couche - Physique - du modèle OSI.

Hubs

On ne les rencontre plus que rarement, voire plus du tout. Un hub:

Un hub travaille principalement sur la couche 1 du modèle OSI, mais les hubs plus modernes gérant les collisions de paquets travaillent aussi sur la couche 2 (Liaison) du modèle OSI.

Commutateurs (aka switches)

Un switch diffère d'un hub dans le sens où il n'envoit les trames reçues qu'aux ports nécessaires. Il possède une table interne liant port et adresse MAC du périphérique connecté à ce port, et donc décide du chemin d'une trame reçue sur cette base de relation port/adresse MAC. Un switch crée un domaine de collision de paquets séparé pour chaque port du switch.

Une autre différence avec un Hub est que la bande passante n'est plus partagée. Ainsi, un port 1Gbps d'un switch dispose bien d'1 gigabits par seconde de bande passante (soit ~120Mo/s).

Un switch fonctionne sur la couche Liaison (2) du modèle OSI. Certains modèles proposent des fonctionnalités appartenant à la couche 3 du modèle OSI (serveur DHCP, voire parfois options simples de routage).

On peut aussi différencier deux types de commutateurs:

Notes sur les VLANs

Un VLAN (Virtual LAN) est un domaine Ethernet "virtuel", identifié par un tag correspondant au numéro du VLAN. Il s'agit de la norme 802.1q.

Tout réseau d'entreprise sérieux doit être "découpé" en VLANs, tout simplement pour isoler des sous-réseaux les uns des autres, les communications entre ces sous-réseaux étant assurées par des routeurs, suivant les besoins et règles de sécurité désirés par l'entreprise.

Par exemple, on pourra mettre en place un sous-réseau accessible via Wifi pour permettre aux prestataires/clients/etc de l'entreprise d'accéder à Internet sans pouvoir accéder aux autres sous-réseaux de l'entreprise. Dans ce cas, on dédiera un VLAN à ce sous-réseau, et on mettra en place un système de contrôle d'accès réseau pour ne donner l'accès à ce réseau qu'au personnel autorisé, via un mécanisme de voucher par exemple.

Côté commutateur, la configuration d'un VLAN s'effectue en assignant les ports voulus à un VLAN, ou plusieurs VLANs, et en indiquant si c'est le switch qui "tagge" le VLAN sur ce port, ou si c'est le périphérique connecté au port qui tagge le (ou les) vlans autorisés.

En règle générale:

Le protocole le plus connu est 802.1Q, qui permet de gérer 4096 VLANs (4094 effectifs, deux étant réservés, le 0 et le 1, ce dernier étant le VLAN par défaut). On peut aussi encapsuler du VLAN dans du VLAN (inception!) via le protocole QinQ, souvent utilisé en Datacenter.

D'autres protocoles tels que VxLAN existent (VxLAN autorisant 2^24 "VLANs" soit 16 millions et des poussières).

Pour résumer, les VLANs nous permettent:

Routeurs

Un routeur est une machine (serveur, matériel dédié (Cisco, Juniper, etc)) possédant plusieurs interfaces réseaux (physiques ou logiques (VLANs)) connectées à des réseaux différents, dont le but est d'acheminer les paquets IP d'un réseau à l'autre.

Par essence ils fonctionnent sur la couche 3 du modèle OSI. Certains modèles peuvent fonctionner jusqu'à la couche 7 (dans le cas du DPI, /Deep Packet Inspection/) pour offrir des options de Qualité de Service (/QoS/) en fonction des protocoles utilisés par exemple.

Protocoles réseaux

Encapsulation

Il est important de comprendre le concept d'encapsulation. En réseau, on aime bien encapsuler et décapsuler des trucs 😉

Tous les protocoles dont nous parlons sont encapsulés les uns dans les autres. Dans le modèle TCP/IP, ça nous donne:

En fait, c'est tellement fort, qu'on peut par exemple dans notre couche de données, insérer un paquet IP contenant un segment UDP ou TCP, contenant lui même des données de la couche application, chiffrer le tout, et l'encapsuler dans un segment TCP ou UDP lui même encapsulé dans un paquet IP encapsulé dans une trame ethernet: c'est le concept du VPN (/Virtual Private Network/). Et je ne ferai pas de pub pour NordVPN© et autre vendeurs de bullshit - attention, les VPNs c'est très pratique et utilisé à tous niveaux hein, c'est juste le bullshit
publicitaire avec lequel je ne suis pas d'accord 😉

Ethernet, ARP, VLANs

Ethernet et ARP

Le protocole Ethernet est un protocole fonctionnant sur la couche Liaison du modèle OSI (couche 2).

Il communique à l'aide de trames dont la longueur varie entre 64 et 1512 octets (9000 octets dans le cadre des jumbo frames).

Il s'agit du standard IEEE 802.3 (et dérivés). Le protocole d'origine, défini dans les années 80, utilisait des câbles coaxiaux, qui ont par la suite été remplacés par nos câbles à paires torsadées et nos fibres optiques habituelles. À l'origine, Ethernet proposait des débits de 10Mbps, puis le standard fût étendu pour accepter des débits de plus en plus importants: 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps, 40Gbps, 100Gbps...

Afin d'éliminer ou à minima de minimiser les collisions de paquets, tous les périphériques capables de discuter en Ethernet utilisent le protocole CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect), qui permet à toute machine de transmettre des données sans se soucier de notions de priorité entre les machines appartenant au réseau.

Chaque interface réseau connectée à notre réseau Ethernet est identifiée par son adresse MAC (Media Access Control), identifiant sensé être unique, codé sur 6 octets (et donc 48bits) et affichés sous forme hexadécimale (pour rester facile à lire par les humains 😃), par exemple, ici, l'adresse MAC de l'interface trunk0 de mon ordinateur:

lidstah@shaggai: ~ $ ifconfig trunk0
trunk0: flags=808843<UP,BROADCAST,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST,AUTOCONF4> mtu 1500
        lladdr c8:5b:76:92:5c:e6
        index 5 priority 0 llprio 3
        trunk: trunkproto failover
                iwm0 port active
                em0 port master
        groups: trunk egress
        media: Ethernet autoselect
        status: active
        inet 192.168.1.12 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.1.255

En règle générale, une adresse MAC est structurée de la sorte:

1 bit 1 bit 22 bits 24 bits
unicast (0), multicast (1) 0 adresse universelle, 1 adresse locale constructeur adresse unique matériel

Trame Ethernet

Une trame Ethernet est de la forme:

Préambule Destination Source Longueur Données FSC (Frame Sequence Check)
8 octets 6 octets (MAC) 6 octets (MAC) 2 octets 46-1498 octets (sauf jumbo frames) 4 octets

Le préambule est toujours constitué de 7 octets de la forme 10101010 suivi d'un octet appelé /Start Frame Delimiter/ dont la valeur est toujours 1010101 1 signifiant que l'on va passer à la destination.

De plus, entre chaque trame Ethernet est inséré un Interframe Gap de 12 octets dont chaque bit est à 0.

ARP: Address Resolution Protocol

Le protocole ARP est "à cheval" entre la couche 2 et la couche 3 du modèle OSI. En effet, il fait la relation entre adresse MAC et adresse IP. Chaque machine connectée au réseau maintient une table ARP de correspondance MAC <-> IP.

Par exemple:

lidstah@shaggai: ~ $ arp -a
Host                                 Ethernet Address    Netif Expire    Flags
192.168.1.12                         c8:5b:76:92:5c:e6  trunk0 permanent l
192.168.1.200                        92:24:cd:0a:a7:64  trunk0 19m16s    
192.168.1.226                        4e:40:ca:4e:c5:07  trunk0 8m41s     
192.168.1.254                        f4:ca:e5:4e:7a:12  trunk0 19m55s

Mais que se passe-t-il lorsqu'on ne connaît pas l'adresse MAC d'une machine dont on connaît l'IP?

Dans ce cas, notre machine va /broadcaster/ une demande spécifique interrogeant tous les membres du réseau Ethernet afin de savoir à quelle adresse MAC correspond l'adresse IP recherchée. Un message ARP de ce type ressemble à:

Et la réponse est ajoutée à la table ARP du demandeur.

Cependant, il est relativement facile de modifier l'interface MAC d'une interface réseau - et donc, potentiellement, de se "faire passer" pour un autre (/ARP Poisoning/). Ce n'est donc pas nécessairement un moyen fiable d'identification d'une machine.

Unicast, Broadcast et Multicast

Unicast

Une communication /Unicast/ est une communication entre deux machines identifiées par une adresse réseau unique. On parle de communication point à point. C'est le mode de communication utilisé le plus souvent, par exemple lorsque vous consultez un site Web: vous créez une connexion unicast entre votre machine et votre routeur, qui lui même établira une liaison unicast avec le site Web en question.

Multicast

Le Multicast (très souvent utilisé pour le déploiement et pour le streaming) est une diffusion d'un émetteur unique vers plusieurs récepteurs: l'émetteur n'envoie qu'un seul paquet à tous les récepteurs, et c'est le réseau qui se charge de les dupliquer, là où en unicast il aurait fallu envoyer autant de paquets que de récepteurs.

Broadcast

Le broadcast est la communication d'une machine vers l'ensemble des machines du réseau auquel elle appartient. On l'utilise notamment via ARP, ou DHCP. Dans le cas de machines connectées à un switch, le paquet broadcasté est rediffusé sur tous les ports du switch.

L'adresse IP de broadcast d'un réseau est toujours la dernière adresse de son bloc.

Spanning Tree Protocol et boucles de broadcast

stp.png

Le protocole STP permet d'éviter, dans le cas de commutateurs connectés "en boucle" pour des raisons de haute disponibilité, le phénomène de boucle de broadcast.

Comme un message broadcast est diffusé sur tous les ports d'un commutateur, dans le cas de notre schéma ci-dessus, il serait donc diffusé aux deux autres switches connectés, qui eux mêmes le rediffuseraient sur tous leurs ports et donc, au premier switch qui rediffuserait le message de broadcast sur tous ses ports et ainsi de suite, tuant proprement et simplement le réseau en l'inondant de trames de broadcast et ce au bout de quelques secondes.

Le protocole STP permet dès lors de "stopper" la transmission d'un broadcast à partir du moment où il a atteint l'ensemble des ports des commutateurs (pour simplifier).

IP

Tableau de conversion binaire

Une adresse IPv4 est un entier non signé de 32 bits. Une adresse IPv6 est un entier non signé de 128bits. Pour la lisibilité par des êtres humains, on divise:

Ci-dessous un petit tableau pour vous aider à la conversion binaire/décimal:

Bit 1 1 1 1 1 1 1 1 Total
Valeur 2^7 2^6 2^5 2^4 2^3 2^2 2^1 2^0 255
Décimal 128 64 32 16 8 4 2 1 255

Note: on peut remarquer qu'un nombre décimal pair converti en binaire se terminera toujours par zéro et qu'un nombre impair se terminera toujours par un

Exercices

Structure d'un paquet IP

ip.png

Quelques points intéressants à savoir:

Classes de réseaux IPv4

Même si on ne se sert plus vraiment des classes de sous-réseaux IPv4, ils vont nous permettre de manipuler des blocs d'adresses IP en les convertissant en binaire et en effectuant des opérations entre adresse IP et masque de sous réseau (ET logique).

Identifiant réseau et broadcast IPv4

Par convention, la première adresse IP d'un réseau est appelée identifiant réseau. Bien qu'attribuable de nos jours, certains matériels ne la reconnaissent pas et il est donc déconseillé de l'assigner à une machine du réseau. L'identifiant réseau est toujours un chiffre pair, tous les bits /hôte/ étant à zéro. (on va voir ça dans la partie masques de sous-réseau)

De même, la dernière adresse IP d'un sous-réseau (tous les bits hôtes à 1) est l'adresse dite de /broadcast/, et n'est pas assignable à une machine (sauf si vous voulez des soucis :p). Elle est toujours impaire.

Par exemple, le réseau 192.168.10.0/24 aura pour:

Mais par exemple, le réseau 192.168.10.128/25 aura pour:

Et pour finir, le réseau 192.168.10.0/25 aura pour:

Réseaux Privés RFC 1918 (non routables sur Internet)

Pour les classes A,B et C de réseaux il existe trois sous-réseaux non-routables sur Internet, dédiés à l'usage privé/interne:

Classe A

Les réseaux de classe A sont des réseaux dont le premier bit du premier octet de l'adresse est à 0.

Ils s'étendent de 0.0.0.0 à 127.255.255.255, 127.0.0.0 à 127.255.255.255 étant réservé à localhost - loopback, c'est à dire le réseau interne de votre ordinateur. En effet, certains services exécutés par votre système d'exploitation peuvent vouloir communiquer entre eux en réseau, sans être exposés à l'extérieur, ou tout simplement sans avoir de connexion à un réseau externe.

Un réseau de classe A est donc défini par son premier octet, les 3 octets suivants pouvant être assignés aux hôtes de nos réseaux.

Par exemple, le réseau RFC1918 10.0.0.0/8 est un réseau privé (non routable sur Internet) de classe A. L'adresse 10.255.42.24 aura donc pour forme:

premier octet second octet troisième octet quatrième octet
00001010 11111111 00101010 00011000
10 255 42 24

Classe B

Similairement, un réseau de classe B est un réseau dont les deux premiers bits du premier octet ont pour valeur 10.

Dès lors, ils s'étendent de 128.0.0.0 à 191.255.255.255.

Par exemple, l'adresse 168.10.42.5 est une adresse de classe B: en effet, ses deux premiers bits sont 1 et 0:

premier octet second octet troisième octet quatrième octet
10101000 00001010 00101010 00000101
168 10 42 5

Le réseau privé 172.16.0.0/12 est le réseau RFC 1918 de la classe B.

Exercice

Calculez l'intervalle d'adresses IPs, l'identifiant réseau et le broadcast de ce sous-réseau.

Classe C

Les réseaux de classe C ont toujours les 3 premiers bits du premier octet de l'adresse à 110. Ils s'étendent donc de:

11000000.00000000.00000000.00000000 à 11011111.11111111.11111111.11111111

Soit de 192.0.0.0 à 223.255.255.255.

Le sous réseau bien connu 192.168.0.0/16 est le sous-réseau RFC1918 de la classe C.

Classe D

Il s'agit du sous-réseau réservé au Multicast. Les quatre premiers bits du premier octet de ce réseau sont toujours 1110. Il s'étend donc de 224.0.0.0 à 239.255.255.255.

Ce sous-réseau (cf partie précédente sur le multicast) est principalement utilisé pour le streaming, la TV par internet, et les déploiements.

Classe E

La classe E est le sous-réseau "expérimental" ou "utilisation future".

les 4 premiers bits de son premier octet sont toujours 1111.

Il s'étend donc de 240.0.0.0 à 255.255.255.255 et... personne ne sait à quoi il sert, même si certains ont leur petite idée à ce sujet 😃

mulder.png

Masques de sous-réseaux, notation CIDR

Lorsqu'on configure l'adresse IP d'un ordinateur (ou d'un routeur, ou autre), l'adresse IP seule n'est pas suffisante, il faut aussi renseigner le masque de sous-réseau (subnet mask).

Un masque de sous-réseau indique combien de bits sont réservés pour l'identifiant de notre sous-réseau.

Lorsqu'on essaie de contacter une autre machine disposant d'une autre adresse IP, la pile TCP/IP de l'OS va calculer, à l'aide d'un ET logique (booléen, AND en langue de Shakespeare) si l'IP de l'émetteur et du récepteur appartiennent au même sous-réseau. Dans le cas contraire, le paquet sera envoyé à la passerelle du réseau.

L'opérateur booléen ET (AND):

Imaginons que nous soyons 192.168.10.16, netmask 255.255.255.128, et que nous voulons contacter 192.168.10.64.

On convertit tout ce beau monde en binaire, d'abord notre adresse IP:

IP dest 192 168 10 64
binaire 11000000 10100100 00001010 01000000

Et notre masque de sous-réseau:

Masque 255 255 255 128
binaire 11111111 11111111 11111111 10000000

Appliquons un ET logique à notre couple IP/masque:

IP binaire 11000000 10100100 00001010 01000000
Masque binaire 11111111 11111111 11111111 10000000
Résultat 11000000 10100100 00001010 00000000
Décimal 192 168 10 0

Notre adresse IP de destination appartient bien au même sous-réseau.

Le masque de sous-réseau agit donc comme un filtre permettant de déterminer si l'adresse de destination appartient bien au même sous-réseau que la source.

La notation CIDR (/Classless Inter-Domain Routing/) permet d'indiquer plus lisiblement (et facilement) le nombre de bits réservés à notre sous-réseau qu'une notation comme 255.255.192.0 par exemple, qui ici sera résumée par /18 (les 18 premiers bits de l'adresse sont réservés à l'identifiant de notre réseau) et le reste des /bits/ sera attribué à nos hôtes.

Le nombre d'hôtes d'un sous-réseau est toujours égal à 2 puissance le nombre /n/ de bits réservés aux hôtes - 2 (id réseau et broadcast):

hosts=2^n - 2

Par exemple, pour le réseau 192.168.10.16/28, il nous reste:

bits = 32 - 28 = 4

réservés aux hôtes soit:

2^4 - 2 = 14

14 adresses IPs assignables à nos hôtes.

Exercices

subnetting

Le subnetting est l'acte de "découper" un sous-réseau en sous-réseaux plus petits (par exemple pour les assigner à des clients différents, ou pour mieux "coller" à l'architecture physique du réseau (par exemple un MAN), ou pour isoler les messages de broadcast et ainsi réduire le trafic de broadcast, ou tout simplement pour ajouter de la sécurité entre les sous-réseaux ainsi créés (par exemple en les assignant à des VLANs spécifiques).

Par convention, on découpera en règle générale du bloc le plus gros vers le bloc le plus petit. Par exemple, on pourrait découper 192.168.42.0/24 en:

Ce qui nous permet de faire un petit exercice 😄

Exercice:

Par exemple, on dispose du sous-réseau 89.16.176.0/23. Comment pourrions nous le découper entre un bloc réservé à nos clients (beaucoup d'hôtes), un bloc réservé à notre infrastructure (VMs, etc) et un bloc réservé à notre équipement réseau?

Données:

UDP, TCP, ICMP, IGMP

TCP

TCP, Transmission Control Protocol, est un protocole de transfert qui permet de s'assurer que chaque segment est bien arrivé à destination.

Il a été mis au point par Vint Cerf et Bob Kahn en 1973/1974 (tout comme IP).

Il utilise un système connu sous le nom d'acquittement positif avec retransmission qui est utilisé pour garantir l'intégrité des données transmises.

Cette technique requiert l'établissement d'une session: le récepteur doit répondre avec des messages d'acquittement (ACK : Acknowledge) au fur et à mesure qu'il reçoit les données.

L'émetteur maintient une table de chaque segment envoyé, et attend le message ACK avant de transmettre le segment suivant. L'émetteur maintient aussi un compteur temporel de l'heure d'envoi du message, et retransmettra le message en cas de timeout.

Pour établir une connexion, l'émetteur et le récepteur vont d'abord engager un dialogue appelé three-way handshake.

Cet échange de "poignées de mains" fonctionne de la sorte:

Client Flux de connexion TCP Serveur
Port en écoute (ex: port 80, HTTP)
demande de connexion sur le port 80 SYN ---> Accepte
<--- SYN/ACK
ACK --->
Envoi de données ACK,DATA ---> lecture de données
lecture de données <--- ACK,DATA Envoi de données
Ferme la connexion FIN/ACK --->
<--- ACK Ferme la connexion
<--- FIN/ACK
ACK --->
la connexion est fermée la connexion est fermée

Exemple de capture tshark (WireShark):

lidstah@shaggai: ~ $ doas tshark
...
   23   3.268448 192.168.1.12 → 192.168.1.223 TCP 78 29430 → 80 [SYN] Seq=0 Win=16384 Len=0 MSS=1460 SACK_PERM=1 WS=64 TSval=3018863796 TSecr=0
   24   3.269341 192.168.1.223 → 192.168.1.12 TCP 66 80 → 19807 [ACK] Seq=1 Ack=2 Win=236 Len=0 TSval=3786026634 TSecr=1661235936
   25   3.269688 192.168.1.223 → 192.168.1.12 TCP 74 80 → 29430 [SYN, ACK] Seq=0 Ack=1 Win=27960 Len=0 MSS=1410 SACK_PERM=1 TSval=3786026634 TSecr=3018863796 WS=128
   26   3.269689 192.168.1.223 → 192.168.1.12 TCP 66 80 → 21996 [ACK] Seq=1 Ack=2 Win=236 Len=0 TSval=1368919182 TSecr=2802092754
   27   3.269718 192.168.1.12 → 192.168.1.223 TCP 66 29430 → 80 [ACK] Seq=1 Ack=1 Win=16384 Len=0 TSval=3018863797 TSecr=3786026634
   28   3.270018 192.168.1.12 → 192.168.1.223 HTTP 587 GET / HTTP/1.1 
   29   3.271624 192.168.1.223 → 192.168.1.12 TCP 66 80 → 29430 [ACK] Seq=1 Ack=522 Win=29056 Len=0 TSval=3786026636 TSecr=3018863797
   30   3.285010 192.168.1.223 → 192.168.1.12 TCP 1464 HTTP/1.1 200 OK  [TCP segment of a reassembled PDU]
   31   3.285115 192.168.1.223 → 192.168.1.12 HTTP 711 HTTP/1.1 200 OK  (text/html)
...

UDP

UDP, User Datagram Protocol, est un modèle de transmission simple. À la différence de TCP, il n'utilise pas de mécanisme d'acquittement et de mise en ordre des paquets envoyés (il fonctionne en mode fire and forget). Dès lors, les segments UDP transmis peuvent arriver dans le désordre, voire pas du tout. Cependant, vu qu'il ne nécessite pas d'acquittement, il est nettement plus rapide que TCP (latence plus faible) et est donc utilisé par un certain nombre de protocoles, parmi lesquels:

Peut-être plus proche de vous, c'est aussi le protocole utilisé majoritairement par les jeux en ligne et particulièrement les FPS. Maintenant vous savez pourquoi Igor semble se téléporter lorsque vous jouez à un FPS 😉 - certains joueurs mal-intentionnés induisent des erreurs de transmission afin d'obtenir un avantage (relatif).

ICMP

ICMP signifie Internet Control Message Protocol. C'est un protocole de diagnostic et de rapport d'erreurs. Il est encapsulé, comme UDP, dans un seul datagramme IP et n'est donc pas "fiable" au sens transmission de données.

Ce protocole est notamment utilisé par les commandes ping, traceroute/tracepath (tracert sous Windows©).

Exemples:

lidstah@shaggai: ~ $ ping -c 4 google.fr 
PING google.fr (216.58.204.131): 56 data bytes
64 bytes from 216.58.204.131: icmp_seq=0 ttl=54 time=40.992 ms
64 bytes from 216.58.204.131: icmp_seq=1 ttl=54 time=21.711 ms
64 bytes from 216.58.204.131: icmp_seq=2 ttl=54 time=38.487 ms
64 bytes from 216.58.204.131: icmp_seq=3 ttl=54 time=14.079 ms

--- google.fr ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/std-dev = 14.079/28.817/40.992/11.285 ms

lidstah@shaggai: ~ $ traceroute lidstah.info
traceroute to lidstah.info (89.234.176.135), 64 hops max, 40 byte packets
 1  192.168.1.254 (192.168.1.254)  1.408 ms  0.998 ms  1.055 ms
 2  val44-1-78-228-105-254.fbx.proxad.net (78.228.105.254)  6.812 ms  6.943 ms  6.841 ms
 3  213.228.11.254 (213.228.11.254)  20.374 ms  7.924 ms  7.548 ms
 4  nantes-crs8-2-be1003.intf.routers.proxad.net (194.149.161.177)  9.229 ms  10.181 ms  9.742 ms
 5  p11-crs16-1-be1110.intf.routers.proxad.net (194.149.162.109)  14.552 ms  16.644 ms  14.394 ms
 6  194.149.166.38 (194.149.166.38)  14.614 ms  16.787 ms  14.145 ms
 7  be4204.ccr32.par04.atlas.cogentco.com (149.11.115.13)  14.246 ms  14.093 ms  14.66 ms
 8  be2102.ccr41.par01.atlas.cogentco.com (154.54.61.17)  15.598 ms be2103.ccr42.par01.atlas.cogentco.com (154.54.61.21)  15.092 ms  14.896 ms
 9  be3518.agr21.par01.atlas.cogentco.com (130.117.50.42)  15.23 ms  14.619 ms be2097.agr22.par01.atlas.cogentco.com (130.117.49.77)  15.242 ms
10  te0-0-2-2.rcr11.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.12.9)  23.419 ms te0-0-2-0.rcr11.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.12.13)  23.793 ms te0-0-2-2.rcr11.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.12.9)  23.644 ms
11  te0-0-2-0.nr11.b015567-0.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.10.238)  33.575 ms te0-0-2-2.nr11.b015567-0.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.10.242)  23.061 ms te0-0-2-0.nr11.b015567-0.nte01.atlas.cogentco.com (154.25.10.238)  23.157 ms
12  149.11.52.83 (149.11.52.83)  22.235 ms  22.599 ms  22.969 ms
13  dramm-hud.faimaison.net (89.234.176.3)  28.542 ms  22.527 ms  22.706 ms

IGMP

IGMP signifie Internet Group Management Protocol. Ce protocole va gérer les membres d'une liste Multicast. Multicast n'est pas orienté connexion, ses paquets utilisent UDP comme protocole de transport. Les routeurs sur le chemin d'un message Multicast doivent être configurés pour supporter ce protocole.

Multicast est aussi utilisé par le protocole OSPF pour la communication entre routeurs utilisant ce protocole de routage dynamique.

Routage

Table de routage

Toute machine connectée à un réseau maintient une table de routage, lui indiquant comment joindre (par quelle passerelle, c'est à dire par quel routeur) tel réseau.

Par exemple, sur une de mes VMs:

lidstah@deb-interco:~$ ip route show
default via 192.168.1.254 dev br0 onlink 
10.253.105.0/24 via 10.253.105.2 dev tun0 
10.253.105.2 dev tun0 proto kernel scope link src 10.253.105.1 
10.253.106.0/24 via 10.253.106.2 dev tun1 
10.253.106.2 dev tun1 proto kernel scope link src 10.253.106.1 
172.24.0.0/24 dev wg0 proto kernel scope link src 172.24.0.2 
172.24.1.1 dev wg1 scope link 
172.24.2.0/24 dev wg2 proto kernel scope link src 172.24.2.2 
192.168.1.0/24 dev br0 proto kernel scope link src 192.168.1.187 
192.168.42.0/24 dev ens19 proto kernel scope link src 192.168.42.253

On remarquera la route par défaut, qui passe par la passerelle de mon
réseau local (freeboite): si je veux joindre un réseau qui n'est pas
renseigné dans ma table de routage, j'essaierai de le joindre via
cette passerelle.

NAT (Network Address Translation)

Si nous prenons l'exemple d'un LAN domestique, les adresses IPs à l'intérieur de ce LAN sont des adresses RFC 1918 non routables sur Internet.

Par contre votre "box", c'est à dire votre routeur, dispose de deux (ou plus) interfaces réseau:

La solution ici est de remplacer l'IP locale de votre machine dans le champ source du paquet IP par l'IP publique de votre "box": c'est le NAT. le routeur conserve ensuite une table IP locale/port pour le retour du paquet.

Statique

Une table de routage statique est une table de routage où les entrées ont été ajoutées manuellement. Si cette méthode est suffisante pour des réseaux de petite taille, ce n'est pas une solution adaptée à des réseaux de grande tailles et évoluant rapidement pour lesquels on préfèrera utiliser des protocoles de routage dynamiques.

Dynamique

Note: on sort du cadre de ce cours, mais il est important, à minima, de connaître l'existence de ces protocoles

Type de protocoles de routage

Protocoles de routage internes

Dans ces protocoles de routage internes, on distingue généralement trois types de protocoles:

Protocole de routage externe

Comme on vient de le voir, ces protocoles de routage dits internes sont utilisés à l'intérieur d'un AS. Leurs défauts ne permettent pas de les utiliser entre Systèmes Autonomes: soit les informations transmises ne seront pas fiables dans le cas des protocoles à vecteur de distance, soit la quantité d'information transmise et la puissance de calcul nécessaire ne sont pas viables dans le cas des protocoles à état de lien.

Dès lors, on utilise des protocoles de routage externes dits à vecteur de chemin, Path Vector Protocols, comme BGP. Dans le cas de BGP, les routeurs de frontière d'un AS (qu'on va appeler les speakers) envoient ces informations aux routeurs d'autres AS auxquels ils sont appairés (peer, peering) afin d'annoncer leurs routes (en général, ils vont "dire" aux routeurs avec lesquels ils sont appairés le ou les sous-réseaux - le surnetting s'applique ici - qu'ils sont en mesure de router). On peut aussi utiliser BGP en interne d'un Système Autonome. On parle alors d'iBGP.

RIP

RIP est un des premiers protocoles de routage dynamique. Il n'est quasiment plus utilisé de nos jours. Je ne vais pas m'étendre dessus. C'est un protocole à vecteur de distance.

OSPF

Tout d'abord, OSPF est un IGP dit à état de lien, ce qui signifie que tous les routeurs du réseau connaissent la topologie complète du réseau en question. À partir de cette topologie et des caractéristiques des liens établis à l'intérieur du réseau (liaison série, liaison FastEthernet, GigabitEthernet, Fibre optique, etc), nos routeurs peuvent choisir le meilleur chemin pour chaque destination du réseau interne. Nos routeurs déterminent donc la meilleure route en fonction de ces deux paramètres:

En utilisant l'algorithme de Dijkstra (s'il y a des matheux ou matheuses ici... faites vous plaisir avec l'article Wikipedia qui décrit cet algorithme 😄), nos routeurs vont attribuer un /coût/ à chaque lien, et déterminer le plus court chemin en fonction de ces coûts. Ces coûts constituent la métrique utilisée par OSPF.

De même, OSPF introduit la notion de zones (areas, aussi appelées aires), dans le but d'alléger le processus (coûteux en terme de temps CPU) des routeurs de notre réseau interne. Au sein d'une même aire, tous les routeurs se connaissent, c'est à dire qu'ils se partagent les informations sur leurs états de liens. Entre aires, les routeurs n'ont connaissance que des routes disponibles. Par exemple, un routeur de l'area 0 (dite backbone) connaîtra l'état des autres routeurs de la zone 0, mais ne connaîtra que les routes et réseaux disponibles dans l'area 1: il ne connaîtra pas l'état des liens dans la zone 1.

On distingue plusieurs types de routeurs OSPF:

EIGRP

Enhanced Interior Gateway Routing Protocol était un protocole propriétaire Cisco, il a été libéré en 2013. C'est un IGP, tout comme OSPF. EIGRP utilise son propre protocole de session, sur la même couche OSI que TCP (i.e. la couche 4): Reliable Transport Protocol, RTP, à ne pas confondre avec le protocole RTP utilisé en VoIP 😉. EIGRP est un protocole à à vecteur de distance hybride, mais qui, par le fonctionnement de ses mises à jour de routage, profite aussi de certains avantages des protocoles à état de lien comme OSPF.

EIGRP prend en charge le VLSM, tout comme OSPF, et, tout comme OSPF, utilise multicast pour communiquer entre voisins, sur l'adresse 224.0.0.10. Un des avantages d'EIGRP est sa faculté à effectuer du Load-Balancing (jusqu'à 6 liens) - il est aussi capable de répartir la charge sur des liens dont le coût (la métrique) est différent. Il est aussi capable de calculer une route de secours en cas de problème, c'est à dire qu'il conserve en mémoire deux routes pour une destination donnée: la route principale (celle qui dispose de la meilleure métrique), et une route secondaire.

BGP

Border Gateway Protocol est un EGP et IGP utilisé... à peu près partout. Vous en aurez besoin notamment si vous:

BGP est un protocole utilisant TCP, sur le port 179. Pour établir une relation de voisinage entre deux routeurs, il est nécessaire de la configurer manuellement sur chaque routeur: BGP n'apprend pas "tout seul" avec quels "voisins" discuter, notamment parce qu'en général, ces "voisins" appartiennent à d'autres entreprises 😃.

surnetting

Imaginons que vous disposiez d'un routeur annonçant les réseaux suivants:

Plutôt que d'annoncer ces quatres routes aux autres routeurs, on va seulement leur annoncer 192.168.10.0/24, afin d'éviter de remplir inutilement leur table de routage. C'est ce qu'on appelle le surnettin. On appelle aussi cette opération résumer des routes.