La couche Réseau et le protocole IP

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1 Licence MIAGE EC Réseaux La couche Réseau et le protocole IP EmmanE Emmanuel Hyon

2 Fonctions de la couche réseau Transport de paquets de l host émetteur vers le récepteur Les protocoles de couche réseau sont dans chaque host et routeur application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical Trois fonctions importantes : Détermination du chemin : route prise par les paquets de la source au dest. Algorithmes de routage Commutation : aiguiller les paquets de l entrée du routeur vers la sortie appropriée Établissement d appel : dans certains réseaux, avant le transfert des données network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical

3 Le service réseau : quel modèle? Modèle de service Les caractéristiques du service fourni par le canal qui transporte les paquets de l émetteur au récepteur Garantie de BP? Préservation du délai interpaquet? Remise de paquets sans perte? Remise de paquets en séquence? Informations de congestion pour l émetteur? L abstraction la plus importante fournie par la couche réseau :??? circuit virtuel ou datagramme? abstraction de service

4 Circuits virtuels (ex: ATM, X25) chemin établi dans le réseau entre la source et la destination Établissement d appel, pour chaque appel avant que le flux de données commence Chaque paquet porte l identifiant du CV (et non l ID de l host destination) Chaque routeur sur le chemin maintient l état de chaque connexion Les connexions TCP impliquent uniquement les deux systèmes terminaux Des liens, des ressources routeur (BP, buffers) peuvent être alloués au CV

5 Datagramme : le modèle Internet Pas d établissement d appel routeurs: pas d état sur les connexions Pas de concept de connexion au niveau réseau Les paquets sont routés d après l ID host destination Les paquets d une paire identique (source-dest) peuvent emprunter des routes différentes application transport network data link physical 1. Send data 2. Receive data application transport network data link physical

6 Le modèle de service Internet (IP) Network Architecture Service Model Bandwidth Guarantees? Loss Order Timing Congestion feedback Internet best effort none no no no no (inferred via loss) Extension possibles du modèle Internet Intserv : fournir des garanties de QoS individualisées pour des sessions individuelles d une application Réservation de ressources, établissement d appel Garantie de QoS pour des flux individuels Diffserv : distinguer des classes de service différentes Garantie de QoS pour des catégories de flux ( profils )

7 La couche réseau dans Internet Ensemble de fonctions implantées dans les hosts et les routeurs Couche transport : TCP, UDP Couche réseau Protocoles de routage Sélection de chemins RIP, OSPF, BGP table de routage Protocole IP Conventions d adressage Format de datagramme Conventions de manip de paquets Protocole ICMP Remontée d erreur signaling des routeurs Couche liaison Couche physique

8 Le protocole internet (IP) Protocole de couche 3 (couche réseau) Implanté dans les hosts et les routeurs Service de transfert de datagramme sans connexion Pas de route unique pour tous les datagrammes d une même TPDU Non fiable Pas de séquencement => pas de vérification de déséquencement => pas de détection de perte => pas de retransmission sur perte Pas de contrôle de flux Pas de multiplexage (pas de connexions multiples sur une liaison puisque mode non connecté) Service d acheminement des datagrammes «best effort»

9 Adressage IP : introduction adresse IP : identifiant (sur 32-bits) de l interface d un host/routeur Interface : attache (ou frontière) entre un host/routeur et le lien physique Les routeurs ont plusieurs interfaces Un host peut avoir plusieurs interfaces IP sont associées aux interfaces, pas à l host ni au routeur =

10 Adressage IP : Une partie id_réseau (bits de poids fort) Une partie id_local (bits de poids faible) Qu est-ce qu un réseau? (dans une optique adressage IP) Ensemble des interfaces qui ont leur partie id_réseau de IP identique Ensemble des interfaces qui peuvent s atteindre sans passer par un routeur LAN Réseau formé par l interconnexion de 3 réseaux IP (la partie id_réseau est formé des 24 premiers bits de

11 Adressage IP Comment identifier les réseaux IP? Détacher chaque interface de son routeur, host Créer des îles de réseaux isolés Sans passage par un routeur Réseau formé par l interconnexion de 6 réseaux

12 Adresses IP classe A B C 8 bits 24 bits 0Id_réseau Id_local 16 bits 16 bits 10 Id_réseau Id_local 24 bits 8 bits 110 Id_réseau Id_local to to to D 1110 multicast address to bits Par convention, un identificateur local nul n est jamais affecté à une machine. Il sert à référencer le réseau lui-même désigne le réseau de classe A d adresse désigne le réseau de classe C d adresse

13 Plages d adresses IP selon les classes Classe plage d id_réseau plage d id_local A 1 à à B à à C à à 254 Plages d'adresses spéciales de bouclage (localhost) et locales illégale en tant qu'adresse de locale adresse de diffusion. Réservées à un usage local (172.16/12)

14 Adressage IP : CIDR 4 classes d adresses : Utilisation inefficace de plages d adresses Nombre de machines adressables d une classe B? D une classe C? CIDR: Classless InterDomain Routing L id_réseau d est d une longueur quelconque Format d adresse: a.b.c.d/x, avec x = nb de bits de l id_réseau Id_réseau Id_local /23 Très lié au subnetting

15 Extraction id_réseau À est associé un ^ masque = permet de séparer les bits de qui forment l id_réseau (et sous réseau) de ceux qui forment l id_machine Exemples : et Même réseau? Id_réseau et sous réseau? Si je ne connais pas le masque, je ne peux pas répondre Opération un ET logique, le 1 est filtrant Pour X [0, 1], 1 ET x = x Pour X [0, 1], 1 ET x = x Masque : Sur 32 bits, le nb de bits à 1 dans le masque = le nb de bits qui forment l id_réseau ds

16 Valeurs de masque et opérations Valeurs Classe A, id_réseau : 8 bits => masque = Classe B, id_réseau : 16 bits => masque = Classe C, id_réseau : 24 bits => masque = CIDR /25 : 25 bits => masque = Opérations : Effectuer le ET logique entre et masque de classe C (idem avec ). Sont elles dans le même réseau? Exercices : et sont-ils dans même réseau masque = masque =

17 Sous-réseaux Faire un sous-réseau (subnetter) : Responsabilité de l administrateur du site Partitionnement du réseau en espaces d adressage distincts (réseaux logiques ou sous-réseaux) Limitation des communications à un sous-réseau Routeur pour passer d un sous-réseau (un espace d adressage) à un autre sous-réseau (un autre espace d adressage) Traduction d'adresses Routage Masque de subnetting Permet d extraire les id. réseau et sous-réseau d une adresse IP

18 Adressage de = id_réseau + id_local id_local L identificateur d une machine ( ) Dans certaines organisations, utile de découper l espace d adresses en plusieurs sous-espaces (hiérarchie d adresses) Adressage à plat Ex : : classe B => adresses possibles en local Adressage hiérarchique : groupe logique de machines (sous-réseau) id_local = id_sous-réseau + id_machine Ex :

19 Subnetting : initialisation du masque Un administrateur récupère un id_réseau auprès de l ICANN (une classe C, ou B, ou A) Il doit organiser l espace d adressage de ses machines S il ne subnette pas, il prend comme valeur de masque la valeur par défaut de sa classe S il décide de subnetter, il doit calculer la valeur de masque Combien de sous-réseaux? Soit NR Pour coder NR en binaire, il faut n bits => n bits de poids forts à 1

20 Exemple Soit une classe C d id_réseau = (=> id_local = 1 octet, le dernier) Deux sous-réseaux => NR = 10 en binaire => n = 2 => 4è octet du masque = => masque = On a alors 4 plages d adresses différentes De à (réseau ) De à (réseau ) De à (réseau ) De à (réseau )

21 Exercices Une classe A, id_réseau = Quel est le masque et quelles sont les plages Pour deux sous-réseaux? Pour 4 sous-réseaux? Soient 4 machines , , , On veut que et soient dans le même espace distinct de , qui seront dans un autre Quelle est la valeur du masque? Même question si on veut que les machines soient chacune dans des espaces distincts

22 Acheminement d un datagramme Acheminement vs routage Acheminement = prendre un datagramme, regarder de destination, consulter une table de routage et envoyer le datagramme dans la destination déterminée par cette table Routage = procédé par lequel les tables sont construites Datagramme dest données Ces champs du datagramme restent inchangés, pendant son parcours de S à D A B Table de routage de A Dest. Net. next router Nhops E

23 Acheminement d un datagramme données Partant de A, un datagramme est adressé à B : id_réseau de B? Application du masque Même id_réseau que celui de A, A et B sont sur le même réseau Table de routage : même réseau, 1 saut => direct IP délivre le datagramme à l interface et la couche liaison l enverra directement à B B et A sont directement connectés A B Dest. Net. next router Nhops E

24 Acheminement d un datagramme données Partant de A, dest. E: Chercher l id_réseau de E E sur un réseau différent A, E pas directement attachés Table de routage : prochain saut vers E : routeur IP délivre le datagramme à l interface et la couche liaison l envoie au routeur Le datagramme arrive à Suite A B Dest. Net. next router Nhops E

25 Acheminement d un datagramme données Arrivée à , à destination de Chercher l id_réseau de E E sur le même réseau que l interface du routeur routeur, E directement attaché IP délivre le datagramme à l interface et la couche liaison l enverra directement Le datagramme arrive à !!! A B Dest. next network router Nhops interface E

26 Applications : Table de routage : Sur miage03, commande netstat -r Sur miage03, commande netstat -rn Configuration manuelle d'un réseau. Champs à remplir Adresse Masque Passerelle

27 Obtention d adresses IP Pour un utilisateur Partie id_local : Codée en dur par l administrateur système dans un fichier DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: obtention dynamique d adresses : L host diffuse un message DHCP discover Le serveur DHCP répond par un msg DHCP offer L host demande IP : msg DHCP request Le serveur DHCP envoie : msg DHCP ack

28 Organisation des réseaux et sous 28 réseaux Zone démilitarisée" (DMZ) Serveurs devant être accessibles depuis l'exterieur (internet) et l'interieur (réseau interne). Serveurs de mail, Serveurs web... DMZ zone grise composée d'un réseau physique avec des serveurs. Zone tampon entre l'exterieur et l'intérieur Cloisonnement à l'intérieur d'un réseau A l'aide de pare-feux Différents niveaux de sécurité Réseaux accessibles à un groupe de personnes particulier Accès à des applications

29 Translation d'adresses NAT (network adress translation) NAT permet à un ou plusieurs hôtes de partager la même adresse IP = partage de connexion Les synonymes sont SNAT ou Masquerade (masquage/usurpation)

30 Pare-feu (firewall) Sécurité et pare feu Le pare-feu est un système qui gère l'accès des PDU (le plus souvent de couche 3) échangées avec le réseau (physionomiste). Intermédiaire entre réseau local et réseaux externes. Filtrage selon un certain nombre de règles : rejet, acceptation, blocage, transfert basés sur en-têtes des datagrammes IP (adresses source et destination, TOS/DSCP/ECN, TTL, protocole, etc.). Sous linux : IPtables

31 Format du datagramme IP Compléments sur IP Entête : minimum 20 octets, maximum 64 octets Version Long. Type de service Long. totale (entête + données) entête (QoS) Max : 2 16 octets, gnlt 576 octets Identification (du fragment) Flags Position du fragment Durée de vie (TTL : Time To Live) Protocole Checksum de l'entête Adresse IP de la station source Adresse IP de la station destinataire Options (facultatif, taille variable) Bourrage Données (TPDU)

32 Rôle de IP selon l'implantation IP implanté dans les hosts et dans les routeurs Dans un host, IP gère l envoi/la remise des TPDU Envoi : La couche 4 délivre à IP une TPDU IP construit un datagramme encapsulant la TPDU, calcule le checksum, fragmente si nécessaire et décide de l acheminement IP délivre le datagramme à l'interface réseau Remise : L interface remet à IP un datagramme IP vérifie le checksum, s il est mauvais, IP rejette le datagramme, effectue le réassemblage s'il y a lieu, délivre les données (TPDU) à la couche 4

33 Rôle de IP dans un routeur Dans un routeur, IP effectue l acheminement du datagramme entre les sous-réseaux Vérification du checksum, si mauvais, jeter le datagramme Vérification de la durée de vie, si expirée, jeter le datagramme Fragmenter le datagramme si nécessaire Décider de l acheminement Reconstruire un nouvel en-tête Délivrer le datagramme à l'interface réseau (couche 2)

34 Routage Protocole de routage But: déterminer le bon chemin (suite de routeurs) à travers le réseau de la source à la dest. Utilisation de l algorithmique de graphes pour définir les algorithmes de routage Les nœuds du graphe sont les routeurs Les arêtes du graphe sont les liens physiques Le coût d un lien : délai, coût, ou niveau de congestion A B D 2 3 bon chemin : Chemin au coût le moins élevé Mais autres définitions possibles Règles de gestion 1 3 C E F

35 Table de routage Routage (2) Indique la meilleure liaison à utiliser (le prochain routeur à utiliser), afin de transférer des données vers un noeud. Les algorithmes de routages servent à déterminer la table de routage. 2 A 1 Dest B D E C 5 B 3 C F 3 D 2 E 1 prochain noeud B D D D

36 Classification des algo de routage Information globale ou décentralisée? Globale Tous les routeurs ont une info complète de la topolgie et des coûts des liens Diffusion des info à tous les nœuds Algorithmes état de lien Décentralisée Un routeur a les info sur ses voisins (routeurs qui lui sont physiquement rattachés) Processus itératif de calcul, échange d info entre voisins Algorithmes vecteur de distance Statique ou dynamique? Statique Les routes ne changent pas fréquemment Intervention humaine Dynamique Les routes changent MAJ périodique En réponse aux changements des coûts des liens (fct du trafic ou de la topologie) Robustesse : gestion des pb dans routeurs? LS: info sur liens incorrects chaque noeud calcule sa propre table DV: erreur se propage

37 De la table de distance à la table de routage E D () coût de destination via A B D D E () Lien de sortie, coût A A A,1 destination B C destination B C D,5 D,4 D D D,2 Table de Distance de E Table de Routage de E

38 Routage hiérarchique Etude théorique du routage Tous les routeurs sont identiques Le réseau est plat pas vrai en réalité échelle: 50 millions de destinations : Impossible de stocker dans les tables de routage! L échange des tables de routage inonderait les liens! Autonomie administrative internet = réseau de réseaux Chaque admin réseau peut vouloir contrôler le routage dans son propre réseau Subdivision Internet consiste en un ensemble d Autonomous Systems (AS) interconnectés

39 Routage hiérarchique Classer les routeurs en régions, Autonomous Systems (AS) Les routeurs d un même AS ont le même protocole de routage Protocole de routage intra-as Les routeurs de différents AS peuvent utiliser des protocoles de routage intra-as différents Routeurs passerelles Routeurs spéciaux dans un AS Exécutent le protocole de routage intra-as comme les autres routeurs de l AS aussi responsable de router vers des destinations hors AS Exécutent le protocole de routage inter-as avec d autres routeurs passerelles Deux niveaux de routage Intra-AS: l administrateur est responsable des choix Inter-AS: standard unique

40 Routage Intra-AS and Inter-AS a C C.b b d A A.a a b A.c c B.a a B c b Gateways (passerelles) Assurent le routage inter-as entre elles Assurent le routage intra-as avec les autres routeurs de leur AS routage inter-as, intra-as dans la gateway A.c Couche réseau Couche liaison Couche physique

41 Routage Intra-AS and Inter-AS a Host h1 C C.b b A.a Routage Inter-AS entre A et B A.c a d A b c Routage Intra-AS dans l AS A B.a a B c b Host h2 Routage Intra-AS dans l AS B

42 Routage Intra-AS Connu également comme Interior Gateway Protocols (IGP) Quelques IGPs bien connus RIP: Routing Information Protocol OSPF: Open Shortest Path First IGRP: Interior Gateway Routing Protocol (Cisco propr.)

43 RIP ( Routing Information Protocol) Algorithme de vecteur de Distance Inclus dans la distribution BSD-UNIX en 1982 Métrique de Distance : # de sauts (max = 15 sauts) Vecteurs de Distance : échangés toutes les 30 sec via un Response Message (ou advertisement ) Chaque advertisement : route jusqu à 25 réseaux de destination Utilise UDP (Les messages sont encapsulés dans des segments UDP)

44 RIP: résolution des problèmes Si aucun advertisement reçu au bout de 180 sec --> le voisin/lien déclaré HS Les routes via ce voisin sont invalidées De nouveaux avertissements sont envoyés aux voisins Qui a leur tour envoient de nouveaux advertisements (si leur table est affectée) L info de rupture du lien se propage rapidement à tout le réseau

45 OSPF (Open Shortest Path First) Protocole open : description est disponible publiquement Utilise un algorithme à état de lien Transmission des paquets décrivant les états des liens. permet à chaque noeud de construire sa carte de la topologie du réseau. Détermination des routes par l'algorithme de Dijkstra s Les messages (advertisement) OSPF comportent des entrées uniquement pour chaque routeur voisin (et non pour ensemble du réseau) Advertisements sont disseminés à tout l'as (via flooding : routeur envoie à ces voisins qui retransmettrent à leur voisins etc...) Utilise directement IP (ses msg sont encapsulés dans des datagrammes)

46 OSPF caractéristiques avancées (pas dans RIP) Securité: all OSPF messages authenticated (to prevent malicious intrusion); Equilibrage de charge : Possibilités d'avoir plusieurs chemins de même coûts (un seul chemin dans RIP) Chaque lien peut prendre en compte, différentes métriques de coûts pour différent Types de services TOS (par ex, satellite link cost set low for best effort; high for real time) Intègre le support uni- and multicast: Hierarchique OSPF dans des domaines grands.

47 OSPF Hiérarchique

48 OSPF Hierarchique II Two-level hierarchy: domaine local, backbone (réseau fédérateur). Pour Chaque domaine local Avertissements Link-state seulement dans domaine Chaque noeuds a une vue detaillée de la topologie du domaine; mais connait seulement la direction (shortest path) vers des réseaux d'autres domaines. Routeurs frontalier (Area border routers): appartient à un domaine local et au réseau fédérateur. Routeurs fédérateur (Backbone routers) : Routage OSPF limité au «backbone». Transmission des infos aux routeurs qui ne sont pas dans reseau fédérateur Boundary routers: connection vers d'autres ASs.

49 IGRP (Interior Gateway Routing Protocol) Protocole propriétaire (CISCO est proprietaire; successeur de RIP (milieu 80s) C'est un algo de Distance Vector, comme RIP several cost metrics (delay, bandwidth, reliability, load etc) utilises TCP pour échanger les mises à jours de routage Loop-free routing via Distributed Updating Alg. (DUAL) based on diffused computation

50 Routage Inter-AS

51 Routage Internet inter-as : BGP BGP (Border Gateway Protocol): Le standard de facto Protocole Path Vector : Similaire au protocole Distance Vector, mais propagation de chemin (path) plutôt que de coût Chaque passerelle (Border Gateway) diffuse à ses voisins (ses pairs) le chemin complet (i.e, la séquence d ASs) jusqu à une destination Par exemple, la passerelle X diffuse à ses pairs que le chemin de X vers une destination Z est : Path (X,Z) = X,Y1,Y2,Y3,,Z

52 Routage Internet inter-as : BGP Hypothèse : la passerelle X envoie son chemin à son pair, la passerelle W W peut sélectionner ou non ce chemin Raisons : coût, politique (ne pas router via des AS concurrents), prévention de boucle. Si W retient le chemin mentionné par X, alors : Path (W,Z) = w, Path (X,Z) Note : X peut contrôler le trafic entrant en contrôlant les annonces de route à ses pairs Ex : X ne veut pas router le trafic via Z => il ne fera aucune annonce de route à destination de Z

53 Pourquoi un routage différent Intra- et Inter-AS? Politique Inter-AS: admin veulent contrôler comment leur trafic est routé et qui emprunte les routes de leur réseau Intra-AS: une seule admin, donc pas de décisions communautaires à prendre Échelle Le routage hiérarchique permet d économiser sur la taille des tables et de réduire le trafic de MAJ Performance Intra-AS: peut de focaliser sur les performances Inter-AS: la politique domine sur les performances

54 IPv6 Motivation initiale: Espace d'adresse 32-bit completement alloué entre 2008 et Motivations Additionelles : Format header améliorent vitesse processing/forwarding Changements header facilitent QoS Nouvelles adresse anycast : route vers meilleures des différents serveurs repliqués Format datagramme IPv6 : Header de longueur fixe 40 octets Pas de fragmentation qui soit permise

55 Adresses IPv6 Fonctionnement : Une adresse Ipv6 joue donc le même rôle qu'une adresse IPv4 Format: Une adresse IPv6 est longue de 16 octets, soit 128 bits (4 octets (32 bits) pour IPv4). Soit environ 10^40 adresses Notation : écriture hexadécimale Séparation en 8 groupes de 16 bits. 4 bits = 1 caractère hexadecimal (2^4=16) Ce qui donne 8 groupes de 4 lettres Groupes sont séparés par un signe «:». Ex: fe80:0000:0a88:3fff:fe1e:be71:ac1f:8001

56 Adresses IPv6 Simplification de la notation: Remplacement des groupes de 0000 par 0 ou rien. Ex: fe80:0000:0000:3fff:fe1e:0e71:ac1f:8001 est identique à fe80:0:0:3fff:fe1e:e71:ac1f:8001 est identique à fe80::3fff:fe1e:e71:ac1f:8001 Attention dans les suppressions il ne faut pas qu'il y ait d'ambiguités (notamment sur les longueurs).

57 Adresses IPv6 57 (masque) Id_local et Id_reseau : 64 bits local et 64 bits réseau Masque Le nombre de bits à 1 que comporte le masque est notée en décimal derrière un slash. Ex : fe88:6b0:1:1a0::/48 correspond à 48 premiers bits à 1. C'est à dire à la plage d'adresse fe88:6b0:0001:0:0:0:0:0 fe88:6b0:0001:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff

58 En tête IPv6 (Contenu) Priority: identifiant d'une priorité parmi les datagrammes d'un flot Flow Label: identifiant des datagrammes d'un même flot. (concept de flow pas bien defini). Next header: identifie le protocole de couche supérieure des données

59 Autres changements avec IPv4 Checksum: Suppression complète afin de réduire les temps de traitement (processing time) à chaque «hop» Options: permise, mais à l'extérieur de l'en-tête, indiquée par le champ Next Header ICMPv6: nouvelle version de ICMP Message additionel de types, par ex. Packet Too Big Functions de management de groupe multicast

60 Auto-évaluation Dans un réseau à circuit virtuel, les routeurs sont impliqués dans l établissement du CV et chaque routeur maintient de l information sur les Cv qui passent par lui Dans un réseau à datagramme, chaque datagramme transporte l adresse de l host destinataire Dans l algorithme BGP, chaque AS prévient ses voisins de son estimation des plus courtes distances de l AS vers tous les AS destinataires possibles L id_réseau d une adresse IP est le même pour tous les hosts sur ce même réseau IP

61 Auto-évaluation (suite) Les AS doivent tous utiliser le même algorithme de routage intra-as Votre ordinateur est configuré «en dur» (pas DHCP) avec une adresse IP, et vous le déplacez à l étage inférieur, qui est sur le même réseau IP. Si vous le connectez, vous n avez pas besoin de reconfigurer l adresse IP Les ordinateurs domestiques ont généralement une interface alors que les routeurs en ont généralement plusieurs Un routeur passerelle doit exécuter à la fois un algorithme intra-as et un algorithme inter-as Le masque permet de déterminer le nombre de sauts