Réseaux. Protocole IP. Master Miage 1 Université de Nice - Sophia Antipolis. (Second semestre )

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1 Réseaux Protocole IP Master Miage 1 Université de Nice - Sophia Antipolis (Second semestre ) Jean-Pierre Lips (à partir du cours de Jean-Marie-Munier)

2 Sources bibliographiques Comer (D.E.) : TCP/IP architecture, protocoles, applications - 5ème édition - Dunod 2009/01 Comer (D.E.) : Réseaux et Internet - CampusPress 2000 Pujolle (G.) : Les réseaux - 6ème édition - Eyrolles 2007/09 Servin (C.) : Réseaux et Télécoms - 3ème édition - Dunod 2009 Siyan (K.S.) : TCP/IP - 2ème édition - CampusPress 2001 Tanenbaum (A.S.) : Réseaux 4ème édition - Pearson Education 2003 RFC 791, 919, 922, 950, 1191, 1597 Cours UREC du CNRS (www.urec.fr) 2

3 Principes du réseau Internet T e l n e t Hôte A S M T P F T P TCP / UDP IP / ICMP Interface X T F T P Routeur IP / ICMP Intf X Intf Y T e l n e t Hôte B S M T P F T P TCP / UDP IP / ICMP Interface Y T F T P Réseau X Réseau Y Protocole IP fonctionnant en mode non connecté Service IP = service de datagrammes échangés entre stations (hôtes) au travers d un ou plusieurs réseaux de nature éventuellement différente et de routeurs Fonctions plus complexes (recouvrement d erreurs, contrôle de flux) reportées dans les hôtes 3

4 Evolution de l Internet Réseau ARPANET créé par DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) dans les années 70, basé sur la commutation par paquets et architecturé selon des couches fonctionnelles Mise en œuvre des protocoles de la famille TCP/IP sous UNIX (Berkeley) Développement de normes de fait par le biais de RFC (Requests For Comments) Fédération de réseaux (UseNet, BitNet ) par NSFnet (National Science Foundation network) Expansion du réseau par les fournisseurs d accès, qui permettent aux entreprises privées de se connecter à l Internet Ouverture au grand public avec l avènement du Web 4

5 Protocoles de l Internet (1/3) Modèle TCP/IP Modèle OSI 7 Applications TEL NET SMTP FTP SNMP TFTP 6 5 Transport TCP UDP 4 Inter-réseau IP / ICMP + ARP / RARP 3 Interface réseau IEEE 802.2, X.25, réseau radio, réseau satellite 2 1 5

6 Protocoles de l Internet (2/3) Protocoles d application (exemples) Telnet (Remote Login) : protocole de présentation d écran permettant la connexion et l émulation de terminaux SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) : protocole de messagerie électronique entre systèmes FTP (File Transfer Protocol) : protocole de transfert de fichiers ASCII, EBCDIC, binaires TFTP (Trivial File Transfer Protocol) : protocole pour transferts simples de données SNMP (Simple Network Management Protocol) : protocole de gestion de réseau à distance RIP (Routing Information Protocol) : protocole de routage de datagrammes IP au sein d un système autonome 6

7 Protocoles de l Internet (3/3) Protocoles de transport TCP (Transmission Control Protocol) : fournit un service avec connexion entre ports (équivalent à la classe de transport 4 OSI). Protocole fiable de transfert de segments (taille maximale : 64 Koctets) UDP (User Datagram Protocol) : fournit un service sans connexion entre ports (équivalent à la classe de transport 0 OSI) Protocoles inter-réseaux IP (Internet Protocol) : assure le transfert de datagrammes et fournit les fonctions de base pour l interconnexion de réseaux hétérogènes ICMP (Internet Control Message Protocol) : assure l échange de messages d erreur et de service entre nœuds de communication ARP (Address Resolution Protocol) : permet d obtenir l adresse matérielle associée à une adresse IP RARP (Reverse Address Resolution Protocol) : permet d obtenir l adresse IP associée à une adresse matérielle 7

8 Fonctions du protocole IP Adressage des paquets entre stations au travers de routeurs (adresses globales, de couche réseau) Fragmentation et réassemblage des données Routage des datagrammes vers une station ou un routeur, à l aide de tables de routage Acheminement des données sous forme de datagrammes (mode non connecté) Autres caractéristiques : Protection de l information de commande des datagrammes (en-tête) pour éviter des acheminements erronés Pas de protection des données contenues dans les datagrammes Pas de contrôle de flux Pas de garantie de remise des datagrammes à leur destination (service «au mieux» ou Best Effort) Pas de garantie de remise en séquence 8

9 Adressage IP Adresse IP définie sur 4 octets (32 bits) 2 parties dans l adresse <net-id> <host-id> <net-id> : identificateur de réseau, attribué par un organisme international (InterNIC), sans structure hiérarchisée (contrairement au téléphone, à ATM, à IPv6 ) <host-id> : identificateur local de machine (ou hôte) dans le réseau Adresse unique au monde Adresse associée à une interface de réseau : une seule (en général) pour une station une par interface de réseau pour un routeur Notation décimale pointée, sous la forme w.x.y.z (valeur de chaque nombre dans la gamme 0-255). Exemple :

10 Adressage IP : Classes Plusieurs classes d adressage, selon la taille du réseau Classe A B C D E <net-id> <host-id> 8 bits 24 bits 16 bits 16 bits 24 bits 8 bits adresse de groupe de diffusion format réservé Masque de (sous-)réseau (pour classes A, B, C) nombre de 32 bits même format et même notation qu une adresse spécifie les bits de <net-id> (bits à 1) et ceux de <host-id> (bits à 0) 10

11 Adressage IP : Classe A Réseaux comportant un grand nombre d hôtes <net-id> sur 8 bits, commençant par 0 (octet w : 0-127) <host-id> sur 24 bits w x y z 0 7 bits 8 bits 8 bits 8 bits Net-id Host-id Exemples : 9 (IBM), 18 (MIT) Capacité d adressage : 126 (27-2) réseaux (net-id 0 et 127 réservés, voir plus loin) de hôtes max. chacun Masque de (sous-)réseau : ou /8 (8 bits de préfixe réseau) 11

12 Adressage IP : Classe B Réseaux de taille moyenne ou grande <net-id> sur 16 bits, commençant par 10 (octet w : ) <host-id> sur 16 bits w x y z bits 8 bits 8 bits 8 bits Net-id Host-id Exemples : (Univ. Nice), (IMAG) Capacité d adressage : (2 14 ) réseaux de (2 16-2) hôtes max. chacun Masque de (sous-)réseau : ou /16 (16 bits de préfixe réseau) 12

13 Adressage IP : Classe C Réseaux de taille modeste <net-id> sur 24 bits, commençant par 110 (octet w : ) <host-id> sur 8 bits w x y z bits 8 bits 8 bits 8 bits Net-id Host-id Exemple : (THESEUS) Capacité d adressage : 2 21 réseaux de 254 (2 8-2) hôtes max. chacun Masque de (sous-)réseau : ou /24 (24 bits de préfixe réseau) 13

14 Adressage IP : Classe D Utilisation en multidiffusion (multicast) Transmission point-à-multipoint Groupe de diffusion identifié par un champ de 28 bits w x y z bits Octet w d adresse IP : Pas de structuration du champ d adresse car utilisé de manière ponctuelle, sans contrainte d unicité Protocole IGMP (Internet Group Management Protocol) 14

15 Adresses IP particulières (1/6) <net-id> <0 0> Identification du réseau <net-id> lui-même Exemples : = réseau = réseau = réseau Utilisation dans les tables de routage (les routeurs ne connaissent généralement pas les hôtes eux-mêmes) Conséquence : <host-id> doit être différent de

16 Adresses IP particulières (2/6) <net-id> <1 1> Diffusion (broadcast) vers toutes les stations du réseau <net-id> Source : K.S. Siyan TCP/IP CampusPress 1999 Conséquence : <host-id> doit être différent de

17 Adresses IP particulières (3/6) <1 1> <1 1> Diffusion (broadcast) vers toutes les stations du réseau considéré. Diffusion locale, qui ne traverse pas les routeurs Source : K.S. Siyan TCP/IP CampusPress 1999 Conséquence : <net-id> doit être différent de 1 1 (sans conséquence sur Classes A, B, C ou D) 17

18 Adresses IP particulières (4/6) <0 0> <host-id> Identifie l hôte <host-id> du réseau considéré, sans avoir à connaître la valeur de <net-id> (il faut cependant connaître la classe d adresse) Peu utilisé, éventuellement pendant les phases d initialisation Source : K.S. Siyan TCP/IP CampusPress 1999 Conséquence : <net-id> doit être différent de 0 0 (Classe A) 18

19 Adresses IP particulières (5/6) <0 0> <0 0> Identifie l hôte considéré Utilisé seulement pendant les phases d initialisation (BOOTP/DHCP) Cette adresse peut figurer dans le champ d adresse de source, mais pas dans le champ d adresse de destination Source : K.S. Siyan TCP/IP CampusPress

20 Adresses IP particulières (6/6) < > <x x> <127> <x x> (souvent ) Adresse de rebouclage interne (loopback), sans présence de données sur le réseau Source : K.S. Siyan TCP/IP CampusPress 1999 Conséquence : <net-id> doit être différent de 127 (Classe A) 20

21 Autres adresses IP réservées RFC 1597 Adresses IP publiques réservées aux réseaux privés (Intranets) : 1 réseau de classe A bloc de 16 réseaux de classe B bloc de 256 réseaux de classe C Permet la séparation (via un pare-feu, par exemple) entre espace privé et espace d accès public, lequel ne nécessite souvent qu un nombre limité d adresses IP publiques 21

22 Sous-réseaux IP Possibilité de subdiviser le champ <host-id> en deux parties 3 parties dans l adresse <net-id> < subnet-id> <host-id> <net-id> : identificateur de réseau <subnet-id> : identificateur de sous-réseau <host-id> : identificateur local de machine (ou hôte) dans le sousréseau Permet une meilleure structuration du réseau (technologies éventuellement différentes) et une gestion décentralisée des adresses Le choix du nombre de bits du champ <host-id> affectés à l adressage des sous-réseaux est décidé par l administrateur du réseau. Ce nombre doit être identique pour tout le réseau subdivisé Masque de sous-réseau (Subnet Mask) : les bits à 1 couvrent <net-id> et <subnet-id> La subdivision en sous-réseaux doit être prise en compte par les routeurs du réseau subdivisé La présence de sous-réseaux est invisible des autres réseaux IP 22

23 Masque de sous-réseau Comme pour <net-id> et <host-id>, le champ <subnet-id> de l adresse doit être différent de <0 0> (le sous-réseau lui-même) et de <1 1> (diffusion vers toutes les stations du sous-réseau) En conséquence j bits permettent de définir 2 j 2 sous-réseaux Exemple : Adresse de réseau de classe B : Subdivision en 14 (max.) sous-réseaux de 4094 (max.) hôtes Masque de sous-réseau : (ou /20) ( ) 23

24 Agrégation d adresses Actuellement (2002), 65% des adresses de classe B sont allouées. Cependant, beaucoup d organisations qui disposent d une adresse de classe B n en utilisent pas tout l adressage. Inversement, 40% seulement des adresses de classe C sont allouées, mais la limitation à 254 adresses d hôtes peut être contraignante. De plus, la fourniture de plusieurs adresses de classe C entraîne une multiplication d entrées dans les tables de routage. Situation actuelle : adresses de classe B réservées aux organisations justifiant de plus de 4096 hôtes, et fourniture de 1, 2, 4, 8, 16, 32 ou 64 adresses de classe C contiguës et agrégées (formant un bloc CIDR). 24

25 CIDR et sur-réseaux CIDR (Classless Inter-Domain Routing) Organisation des adresses de Classe C concernées : Multi-régions Europe Autres Amérique du Nord Amérique Centre/Sud Pacifique Autres Autres de de de de de de de de à à à à à à à à Exemple d une organisation européenne demandant 1500 adresses IP : fourniture d un bloc de 8 adresses de classe C, de à Ce bloc, ou sur-réseau (supernet) est défini par : l adresse la plus basse du bloc, soit ( ) le masque CIDR ou masque de sur-réseau (Supernet Mask) définissant les bits de préfixe commun, soit (ou /21) ( ) 25

26 En-tête IPv4 Source : D. E. Comer - Computer Networks and Internets - Prentice Hall

27 Champs de l en-tête IPv4 (1/4) Version (4 bits) : valeur = 4 Longueur de l en-tête (4 bits) : taille, en mots de 32 bits, de l en-tête, y compris les options (valeur habituelle = 5) Type de service (8 bits) : définit la qualité de service demandée (priorité, retard, débit, fiabilité). Champ inutilisé, sauf pour OSPF Longueur totale (16 bits) : taille totale du datagramme (en-tête + données). Valeur max = octets. Dans le réseau, la taille du datagramme ou celle de chacun de ses fragments n est pas supérieure à la taille de MTU (Maximum Transmission Unit) 27

28 Champs de l en-tête IPv4 (2/4) Identification (16 bits) : numérotation du datagramme (tous ses fragments auront la même valeur de ce champ) Drapeaux (3 bits) : indicateurs (dont un inutilisé) permettant la gestion des fragments : DF (Don t Fragment) : protège le datagramme contre une fragmentation éventuelle MF (More Fragments) : indique si le fragment est le dernier Position du fragment (13 bits) : décalage du fragment (en multiples de 8 octets) dans le datagramme d origine. Tous les fragments d un datagramme, sauf le dernier, doivent avoir une taille multiple de 8 octets 28

29 Champs de l en-tête IPv4 (3/4) Time To Live (8 bits) : durée de vie, permettant de limiter le temps de transit des datagrammes dans le réseau. Chaque routeur intermédiaire traversé décrémente la valeur de TTL. Le datagramme est détruit lorsque de champ vaut 0. Ce champ représente en fait le nombre maximum de sauts (hops) restants Protocole (8 bits) : identifie le protocole de la couche supérieure (Exemples : 6 pour TCP, 17 pour UDP, 1 pour ICMP, 4 pour l encapsulation de IP dans IP, 89 pour OSPF) et permet le démultiplexage en réception. Equivalent au NSAP dans le modèle OSI Champ de vérification de l en-tête (16 bits) : permet de valider l entête (recalculé à chaque modification entre source et destination). Evite la remise d un datagramme à un destinataire autre que celui prévu 29

30 Champs de l en-tête IPv4 (4/4) Adresse IP de la source (32 bits) : adresse IP de l émetteur du datagramme Adresse IP de la destination (32 bits) : adresse IP du ou des destinataires du datagramme Options et bourrage : permettent des fonctions supplémentaires telles que marque de temps, liste de routeurs à traverser, niveau de sécurité. Format de chaque option : TLV (type, longueur, valeur). Bourrage éventuel pour que l en-tête ait une taille multiple de 32 bits 30

31 Fragmentation et réassemblage La taille d un datagramme peut ne pas convenir à un réseau particulier parmi ceux traversés. La station hôte de source ou un routeur traversé effectue alors une fragmentation. Le réassemblage ne s effectue que dans la station hôte de destination. Les fragments peuvent arriver dans le désordre. Ils peuvent ne pas avoir tous la même taille (fragments de fragments). A l arrivée d un premier fragment, l hôte récepteur crée une mémoire tampon et démarre un temporisateur. Les données sont accumulées dans la mémoire tampon, à l aide du champ Décalage de fragment, jusqu à reconstitution complète. L ensemble des fragments est détruit en cas d expiration du temporisateur (par exemple, si un fragment est perdu) Note : IP ne fragmente pas les paquets dont la taille est inférieure ou égale à 576 octets 31

32 Fragmentation (exemple) L_entête (mots) Données (octets) L_totale (octets) MF Pos_fragment (multiples de 8 octets)

33 Routage IP Les routeurs et les hôtes participent au routage (ils possèdent tous des tables de routage) Sauf exception, les tables de routage ne spécifient que des réseaux entiers (identifiés par leur <net-id>), et non des hôtes La route vers une destination n est pas donnée en entier, mais sous la forme de l adresse d un prochain routeur (next hop) : routage de proche en proche, ou par bonds successifs Les tables de routage peuvent être : statiques (élaborées manuellement) : surtout dans les hôtes dynamiques (générées et mises à jour automatiquement par un protocole qui exécute un algorithme de routage) : surtout dans les routeurs 33

34 Tables de routage (1/2) S R1 Réseau Masque Prochain routeur Interface S Réseau Masque Prochain routeur Interface R

35 Tables de routage (2/2) S R R2 Réseau Masque Prochain routeur Interface S Réseau Masque Prochain routeur Interface R Réseau Masque Prochain routeur Interface R

36 Routes par défaut (1/2) S R R2 Réseau Masque Prochain routeur Interface S Réseau Masque Prochain routeur Interface R Réseau Masque Prochain routeur Interface R

37 Routes par défaut (2/2) S.1.1 T R R R3 Problème si R2 est le routeur par défaut de R1 et de R3 Recommandation pour les routes par défaut : pour les hôtes : route par défaut (surtout s il y a un seul routeur) pour les routeurs : pas de route par défaut, mais une entrée de table par réseau (c est le cas pour les tables dynamiques, générées et mises à jour par un protocole de routage) 37

38 Acheminement des datagrammes Acheminement nécessaire dans deux cas : une station hôte émet un datagramme un routeur reçoit un datagramme et doit le transmettre De l adresse IP de destination on extrait l identificateur de réseau <netid> par un ET logique avec le masque de sous-réseau s il s agit du même réseau, on encapsule le datagramme dans une trame dont le format (en particulier l adressage) dépend de la nature physique de ce réseau sinon, la consultation de la table de routage (voir plus loin) permet de connaître le prochain routeur. Là encore, on encapsule le datagramme dans une trame de ce réseau Dans les deux cas, l adresse physique (de l hôte de destination ou du prochain routeur) peut être trouvée dans une table ou obtenue à l aide d un protocole de résolution d adresse tel que ARP 38

39 Protocoles de routage IP Un réseau complexe, de grande taille, peut être divisé en systèmes autonomes (AS, Autonomous Systems). Un AS est un ensemble de réseaux et de routeurs gérés par une administration unique (entreprise, campus, réseau régional, cœur d un réseau national ). Les numéros d AS (16 bits) sont délivrés par l InterNIC Exemples de protocoles de routage : à l intérieur d un système autonome RIP (Routing Information Protocol) OSPF (Open Shortest Path First) entre systèmes autonomes EGP (Exterior Gateway Protocol) BGP (Border Gateway Protocol) 39

40 Protocoles de routage externe EGP (Exterior Gateway Protocol), remplacé graduellement par BGP (Border Gateway Protocol) Protocoles permettant d échanger de l information de routage entre systèmes autonomes Les routeurs de frontière s échangent périodiquement des messages deux à deux. L information échangée est une liste des réseaux accessibles Des boucles sont possibles avec EGP (couples de routeurs voisins seulement). BGP gère les boucles Mise en place de stratégies de routage, selon des considérations politiques, économiques, de sécurité 40

41 Protocole OSPF (1/2) OSPF : Open Shortest Path First (RFC 1247) Algorithme (Dijkstra) basé sur l état des liens (link state) Chaque routeur surveille l état de toutes ses liaisons et diffuse, par inondation, cet état à tous les autres routeurs (LSA, Link State Advertisement) périodiquement ou lors d un changement Chaque routeur construit, à partir de cette information, une carte complète du réseau On peut regrouper des réseaux et des routeurs en zones, ce qui permet un routage hiérarchique 41

42 Protocole OSPF (2/2) Les routeurs calculent les routes de plus court chemin, selon plusieurs critères (TOS, Type Of Service) en fonction de : retard débit fiabilité coût Les paquets OSPF sont encapsulés dans IP, à la manière de ICMP (champ Protocole = 89) Avantages de OSPF : chaque routeur calcule la carte du réseau de manière indépendante le volume d information est indépendant du nombre de réseaux Inconvénient de OSPF : le calcul des routes peut être très complexe 42

43 Protocole RIP (1/2) RIP : Routing Information Protocol (RFC 1058, 1387, 1388) Algorithme (Bellmann-Ford) basé sur un vecteur de distance Chaque routeur calcule la distance qui le sépare des destinations connues, à partir de l information reçue de ses voisins, et l utilise pour construire la table de routage Chaque routeur diffuse, toutes les 30 secondes, vers ses voisins : la liste des réseaux qu il sait atteindre leur distance (nombre de sauts à effectuer) 43

44 Protocole RIP (2/2) Les paquets RIP sont encapsulés dans des datagrammes UDP (port 520) Avantages de RIP : simple, normalisé s adapte automatiquement aux changements de configuration Inconvénients de RIP : volume de l information échangée proportionnelle au nombre de réseaux nombre maximal de sauts = 15 (16 représente l infini) la distance est une information incomplète (rien sur charge, débit, retard ) convergence lente (certaines modifications peuvent prendre plusieurs cycles avant que tous les routeurs n aient reçu l information adéquate) 44

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