Architecture d’un réseau

S8 - Réseaux

Ce cours a pour but de présenter la constitution classique d’un réseau et les équipements associés. La partie relative aux protocoles utilisés lors des échanges entre deux machines est détaillée dans le cours suivant.

Il est basé sur le cours de LASSUS (2021).

1. Premier réseau local

Au sein du logiciel Filius, créons le réseau local ci-dessous :

Testons le ping de la machine 192.168.0.1 vers la machine 192.168.0.3.

1.1. La carte réseau et son adresse MAC

Chaque ordinateur sur le réseau dispose d’une adresse MAC (Media Access Control), qui est une valeur unique attribuée à sa carte réseau (Ethernet, Wifi, 4G, 5G, …) lors de sa fabrication en usine.

Cette adresse est codée sur 48 bits, présentés sous la forme de 6 octets en hexadécimal. Exemple : fc:aa:14:75:45:a5

Les trois premiers octets correspondent au code du fabricant.

Un site comme https://www.macvendorlookup.com/ vous permet de retrouver le fabricant d’une adresse MAC quelconque.

1.2. Switch, hub, quelle différence ?

  • Au sein d’un hub Ethernet (de moins en moins vendus), il n’y a aucune analyse des données qui transitent : il s’agit simplement d’un dédoublement des fils de cuivre (tout comme une multiprise électrique). L’intégralité des messages est donc envoyée à l’intégralité des ordinateurs du réseau, même s’ils ne sont pas concernés.

  • Au sein d’un switch Ethernet, une analyse est effectuée sur la trame qui est à distribuer. Lors d’un branchement d’un nouvel ordinateur sur le switch, celui-ci récupère son adresse MAC, ce qui lui permet de trier les messages et de ne les distribuer qu’au bon destinataire.

2. Un deuxième sous-réseau

Rajoutons un deuxième sous-réseau de la manière suivante (penser à bien renommer les switchs).

Comment relier ces deux sous-réseaux ?

Une réponse pas si bête : avec un câble entre les deux switchs !

Testons cette hypothèse en essayant d’envoyer un ping à la machine 192.168.1.2 depuis la machine 192.168.0.1.

Cela ne marche pas. L’ordinateur refuse d’envoyer le ping vers la machine 192.168.1.2.

(nous le verrons plus loin : car elle n’est pas dans son sous-réseau)

Temporairement, renommons la machine 192.168.1.2 en 192.168.0.33. Testons à nouveau le ping depuis la machine 192.168.0.1.

Cela marche. Les paquets sont bien acheminés.

Dans la deuxième situation, les machines sont considérées comme faisant partie du même sous-réseau. Dans la première situation, elles sont considérées comme faisant partie de deux sous-réseaux différents. Mais comment est-ce déterminé ? C’est ce que nous allons voir dans la suite.

2.1. Notion de masque de sous-réseau

Dans Filius, lors de l’attribution de l’adresse IP à une machine, une ligne nous permet de spécifier le masque de sous-réseau (appelé simplement « Masque » dans Filius). C’est ce masque qui va permettre de déterminer si une machine appartient à un sous-réseau ou non, en fonction de son adresse IP.

2.1.1 Explication basique

  • Si le masque est 255.255.255.0, toutes les machines partageant les mêmes trois premiers nombres de leur adresse IP appartiendront au même sous-réseau. Comme ceci est le réglage par défaut de Filius, cela explique pourquoi 192.168.0.33 et 192.168.0.1 sont sur le même sous-réseau, et pourquoi 192.168.1.2 et 192.168.0.1 ne sont pas sur le même sous-réseau.

Dans cette configuration, 256 machines peuvent donc appartenir au même sous-réseau (ce n’est pas tout à fait le cas, car les adresses finissant par 0 ou par 255 sont réservées).

  • Si le masque est 255.255.0.0, toutes les machines partageant les mêmes deux premiers nombres de leur adresse IP appartiendront au même sous-réseau.

Dans cette configuration, 65 536 machines peuvent être dans le même sous-réseau. (car 256^2=65536)

Exercice

  • Renommons 192.168.0.33 en 192.168.1.2 et modifions son masque en 255.255.0.0.
  • Modifions aussi le masque de 192.168.0.1 en 255.255.0.0.
  • Testons le ping de 192.168.0.1 vers 192.168.1.2.

Cela marche. Les deux machines appartiennent maintenant au même sous-réseau.

2.1.2 Explication avancée

Lorsqu’une machine A veut envoyer un message à une machine B, elle doit déterminer si cette machine :

  • appartient au même sous-réseau : auquel cas le message est envoyé directement via un ou plusieurs switchs.
  • n’appartient pas au même sous-réseau : auquel cas le message doit d’abord transiter par un routeur (voir 3.)

Quelle opération permet de distinguer cette appartenance à un même sous-réseau ?

Appelons IP_A et IP_B les adresses IP respectives des machines A et B.

Appelons M le masque de sous-réseau.

Nommons & l’opérateur de conjonction entre nombres binaires : il s’agit d’un ET bit à bit.

Propriété

A et B appartiennent au même sous-réseau ⇔ IP_A & M = IP_B & M

Exemple : considérons trois machines A, B, C d’IP respectives 192.168.129.10, 192.168.135.200 et 192.168.145.1, configurées avec un masque de sous-réseau égal à 255.255.248.0.

machine A machine B machine C
IP 192.168.129.10 192.168.135.200 192.168.145.1
M 255.255.248.0 255.255.248.0 255.255.248.0
IP & M 192.168.128.0 192.168.128.0 192.168.144.0

Règles de calcul pour le ET bit à bit :

  • pour tout octet x, x & 255 = x et x & 0 = 0.
  • 129 & 248 s’écrit en binaire 10000001 & 11111000 qui vaut 10000000, soit 128 en décimal.

Conclusion : les machines A et B sont sous le même sous-réseau, mais pas la machine C.

2.1.3 Cohérence entre les deux explications

Lorsqu’un masque de sous-réseau est égal à 255.255.255.0, l’opération de conjonction & avec chaque IP ne laissera intacts que les 3 premiers octets, le dernier sera égal à 0. Donc si deux adresses s’écrivent A.B.C.X et A.B.C.Y, elles appartiendront au même sous-réseau (c’est le cas de 192.168.0.33 et 192.168.0.1).

2.2 Écriture des masques de sous-réseau : notation CIDR

D’après ce qui précède, 2 informations sont nécessaires pour déterminer le sous-réseau auquel appartient une machine : son IP et le masque de sous-réseau.

Une convention de notation permet d’écrire simplement ces deux renseignements : la notation CIDR.

Exemple : Une machine d’IP 192.168.0.33 avec un masque de sous-réseau 255.255.255.0 sera désignée par 192.168.0.33 / 24 en notation CIDR.

Le suffixe / 24 signifie que le masque de sous-réseau commence par 24 bits consécutifs de valeur 1 : le reste des bits (donc 8 bits) est mis à 0.

Autrement dit, ce masque vaut 11111111.11111111.11111111.00000000 , soit 255.255.255.0.

De la même manière, le suffixe / 16 donnera un masque de 11111111.11111111.00000000.00000000 , soit 255.255.0.0.

Ou encore, un suffixe / 21 donnera un masque de 11111111.11111111.11111000.00000000 , soit 255.255.248.0.

2.3 Adresses IP et masques : ce qu’il faut retenir

Définition
  • Les ordinateurs s’identifient sur les réseaux à l’aide d’une adresse IP (Internet Protocol).
  • Suivant la norme IPv4, les adresses IP sont encodées sur 4 octets : on parle d’IPv4.
  • Chaque octet pouvant varier de la valeur (décimale) 0 à 255, cela signifie que les adresses IP théoriquement possibles vont de 0.0.0.0 à 255.255.255.255.
  • Il y a donc \(256^4=4 294 967 296\) adresses possibles. On a longtemps cru que ce nombre serait suffisant. Ce n’est plus le cas, on est donc en train de passer sur des adresses à 6 octets (en hexadécimal) : voir la norme IPv6.

Exemple

image

image

3. Un vrai réseau contenant deux sous-réseaux distincts : la nécessité d’un routeur

Notre solution initiale (relier les deux switchs par un câble pour unifier les deux sous-réseaux) n’est pas viable à l’échelle d’un réseau planétaire.

Pour que les machines de deux réseaux différents puissent être connectées, on va utiliser un dispositif équipé de deux cartes réseaux, situé à cheval entre les deux sous-réseaux. Cet équipement de réseau est appelé routeur ou passerelle.

3.1 Principe de fonctionnement

Imaginons que la machine 192.168.0.1 / 24 veuille communiquer avec la machine 172.16.52.3 / 24.

L’observation du masque de sous-réseau de la machine 192.168.0.1 / 24 nous apprend qu’elle ne peut communiquer qu’avec les adresses de la forme 192.168.0.X / 24, où X est un nombre entre 0 et 255.

Les 3 étapes du routage :

  • Lorsque qu’une machine A veut envoyer un message à une machine B, elle va tout d’abord vérifier si cette machine appartient à son réseau local. Si c’est le cas, le message est envoyé par l’intermédiaire du switch qui relie les deux machines.
  • Si la machine B n’est pas trouvée sur le réseau local de la machine A, le message va être acheminé vers le routeur, par l’intermédiaire de son adresse de passerelle (qui est bien une adresse appartenant au sous-réseau de A).
  • De là, le routeur va regarder si la machine B appartient au deuxième sous-réseau auquel il est connecté. Si c’est le cas, le message est distribué, sinon, le routeur va donner le message à un autre routeur auquel il est connecté et va le charger de distribuer ce message : c’est le procédé (complexe) de routage qui sera abordé en classe de Terminale.

Dans notre exemple, l’adresse 172.16.52.3 n’est pas dans le sous-réseau de 192.168.0.1. Le message va donc transiter par le routeur.

3.2 Illustration avec Filius

  • Rajoutons un routeur entre le SwitchA et le SwitchB.

  • Configuration du routeur :

    • L’interface reliée au Switch A doit avoir une adresse du sous-réseau A. On donne souvent une adresse finissant par 254, qui est en quelque sorte la dernière adresse du réseau (en effet l’adresse en 255 est appelée adresse de broadcast, utilisée pour envoyer un ping en une seule fois à l’intégralité d’un sous-réseau).
    • On donne donc l’adresse 192.168.0.254 pour l’interface reliée au Switch A, et 192.168.1.254 pour l’interface reliée au Switch B.

    • Dans l’onglet général, sélectionner « Routage automatique ».

    • Ainsi configuré notre routeur peut jouer le rôle de passerelle entre les deux sous-réseaux.

Cela ne marche pas. La carte réseau refuse d’envoyer les paquets, car elle ne sait pas où les envoyer.

Pourquoi cet échec ? Parce que nous devons dire à chaque machine qu’une passerelle est maintenant disponible pour pouvoir sortir de son propre sous-réseau. Il faut donc aller sur la machine 192.168.0.1 et lui donner l’adresse de sa passerelle, qui est 192.168.0.254.

Attention, il faut faire de même pour 192.168.1.2 (avec la bonne passerelle…)
Testons à nouveau le ping… Cette fois cela marche.

Plus intéressant : effectuons un traceroute entre 192.168.0.1 et 192.168.1.2.

On constate que la machine 192.168.1.2 est atteignable en deux sauts depuis 192.168.0.1, en passant par la passerelle 192.168.0.254

Cas d’un réseau domestique

Chez vous, la box de votre opérateur joue simultanément le rôle de switch et de routeur :

  • switch, car elle répartit la connexion entre les différents dispositifs (ordinateurs branchés en ethernet, smartphone en wifi, tv connectée…)
  • routeur, car elle fait le lien entre ce sous-réseau domestique (les appareils de votre maison) et le réseau internet.

L’image ci-dessous présente le résultat de la commande ipconfig sous Windows. On y retrouve l’adresse IP locale 192.168.9.103, le masque de sous-réseau 255.255.255.0 et l’adresse de la passerelle 192.168.9.1.

3.3 Annexe : rajout d’un serveur DNS

3.3.1 Ajout d’un serveur web

  • Connectons un ordinateur au SwitchB, sur l’adresse 192.168.1.30 et installons dessus un Serveur web et démarrons-le.

  • Sur la machine 192.168.0.1, rajoutons un Navigateur Web. En tapant dans la barre d’adresse l’adresse IP du Serveur web, la page d’accueil de Filius s’affiche.

Lors d’une utilisation classique d’un navigateur web, c’est une url mémorisable qui s’affiche, et non une adresse IP : on retient en effet plus facilement https://www.google.com/ que http://216.58.213.131, qui renvoient pourtant à la même adresse.

La machine qui assure ce rôle d’annuaire entre les serveurs web et leur adresse IP s’appelle un serveur DNS. Pour pouvoir indexer la totalité des sites internet, son rôle est structuré de manière hiérarchique.

3.3.1 Ajout d’un serveur DNS

  • Rajoutons un serveur DNS minimal, qui n’aura dans son annuaire d’un seul site. Il faut pour cela raccorder une nouvelle machine (mais une machine déjà sur le réseau aurait très bien pu jouer ce rôle), et installer dessus un serveur DNS.

  • Sur ce serveur DNS, associons l’adresse http://www.vivelansi.fr à l’adresse IP 192.168.1.30.

  • De retour sur notre machine 192.168.0.1, spécifions maintenant l’adresse du serveur DNS :

  • Depuis le navigateur web de la machine 192.168.0.1, le site http://www.vivelansi.fr est maintenant accessible.

Sources

Les références

LASSUS, Gilles. 2021. « Première NSI - Lycée François Mauriac - Bordeaux ». https://glassus.github.io/premiere_nsi/.