COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX

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1 COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Cette synthèse s appuie et complémente l activité pratique préalablement menée. GENERALITES SUR LES RESEAUX Un réseau est un ensemble d appareils (ordinateurs, périphériques, capteurs, etc..) interconnectés pour échanger et partager des informations, des ressources et des périphériques. Les principales raisons de l émergence des réseaux sont: La nécessite de dialoguer entre différents appareils (mutualisation des ressources, banque de données) La commande d un système est de plus en plus décentralisée Un flux d information de plus en plus importants et de plus en plus complexe entre le système physique et son organe de commande (le nombre de capteurs augmente de plus en plus, les informations sont de plus en plus riches : moins de TOR pour plus d informations numérique et analogique) Limiter le nombre de fils (1 information = 1 fil n est plus possible). Un exemple dans l industrie automobile : Les nouvelles normes (antipollution, sécurité ) et les demandes de confort croissantes entraînent une augmentation des fonctions électroniques et donc des capteurs et des traitements (climatisation, ABS, aide à la navigation ). Sur un véhicule haut de gamme, le câblage de l ensemble des éléments représente un faisceau d environ : 2 km, 40 kg, et 1800 connections. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 1 / 17

2 CLASSIFICATION DES RESEAUX Selon la taille des réseaux d un point de vue géographique, on les classe en : SAN (Short Area Network) : structure d interconnexion à très haut débit et fiabilité maximum. o Bus de terrain : réseaux organisés autour d un API et d îlots de capteurs et préactioneurs (exemples : CAN, profibus ) o Réseaux de très courte distance fédérant les périphériques d un ordinateur (IDE, SCSI, USB ) PAN (Personnal Area Network) : Interconnexion des équipements personnels (PDA, téléphone portable ) LAN (Local Area Network), réseau local qui fait communiquer des équipements informatiques dans un domaine géographique limité (de l'ordre de quelques kilomètres). Exemple : foyer, hôpital, lycée, entreprise. MAN (Metropolitan Area Network) : réseau métropolitain qui relie des ordinateurs et des réseaux locaux situés dans une même zone géographique. Typiquement, réseau d université reliant les différents sites et laboratoires. WAN (World Area Network) : réseau mondial faisant communiquer des ordinateurs sur de très grandes distances et à l'échelle mondiale. Protocole de liaison sans-fil et catégorie de réseau COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 2 / 17

3 TOPOLOGIE DES RESEAUX C est la manière dont les constituants d un réseau sont reliés entre eux. La liaison point à point C est la plus simple car elle relie deux stations par un câble unique. En liaison sans fil, on parle aussi de réseaux ad hoc. C est un réseau capable de s organiser sans infrastructure définie préalablement. L architecture en étoile Les stations sont reliées par des liaisons point-à-point à un concentrateur ou à un commutateur : le concentrateur (Hub) se contente de diffuser toutes les informations, sans discrimination, vers les autres bras de l étoile, le commutateur (switch) : trie les informations et oriente dans un bras de l étoile uniquement celles destinées à l'abonné. Il évite ainsi d engorger le réseau. L architecture en anneau Les constituants sont disposés sur une boucle fermée réalisant un anneau. Chaque station est reliée à la suivante et à la précédente par des liaisons point à point. Les stations jouent un rôle équivalent, chacune pouvant émettre et intercepter les informations qui circulent dans l anneau. Lorsqu'une station reçoit une information qui ne lui est pas destinée, elle la transmet directement à la suivante. L architecture en bus Les points de connexion sont disposés sur un conducteur unique, le bus. Cette solution, très économique et très souple, permet aussi bien la communication entre deux abonnés, que la diffusion d'un message à tous les abonnés. C'est de loin la topologie la plus utilisée dans les réseaux locaux industriels (bus de terrain). COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 3 / 17

4 Les réseaux maillés. Les stations sont reliées entre elles pour former une toile (Web) d'araignée. C'est la topologie des réseaux mondiaux (WAN : Wide Area Network) PROTOCOLE ET MODELE EN COUCHE Communication protocole Pour qu une communication d informations fonctionne il faut établir quelques règles simples. Dans une conversation, par exemple, il convient de ne pas parler en même temps, de parler la même langue, de parler du même sujet A Connaissance et Compréhension Sujet Connaissance et Compréhension B Règles Langue (vocabulaire et grammaire) Règles Support Parole (prononciation et articulation) Support Médium (voix) Les principes ainsi définis constituent un ensemble : de couches (connaissance, règles, support), et de protocoles (sujet, langue, parole). COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 4 / 17

5 Envoi Recoit LYCEE JACQUES PREVERT Le protocole permet, pour chaque niveau, de définir comment les informations vont être écrites (ensemble de règles et de procédures à respecter pour émettre et recevoir des données entre deux couches). Le modèle de couches permet de dire dans quel ordre ces protocoles doivent être utilisés. Une définition du terme «protocole» en informatique est la suivante : description des formats de messages et règles selon lesquelles deux ordinateurs échangeront des données. Internet utilise de nombreux protocoles, les plus connus étant : http, FTP, IP, DNS etc. LE MODELE OSI Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) qui date de 1984 est composé de 7 couches effectuant une tâche précise et disposées les unes aussi des autres formant ainsi une sorte de strate. Il représente la norme pour les réseaux d où son caractère très abstrait afin qu il puisse couvrir la totalité des différents réseaux. Chaque couche possède une interface, un protocole et une notion de service (la fonction) qui lui permet de communiquer avec la couche du dessus et celle du dessous. Couche n+1 Par exemple pour l envoi d un message, une couche de niveau n reçoit l information de la couche n+1 et une fois sa tâche terminée, elle transmet l information à celle du dessous (n-1). Les 7 couches du modèle OSI : Couche n Couche n-1 Ce modèle est mis à titre d information, le modèle en couche TCP/IP fera l objet d une description plus détaillée. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 5 / 17

6 LA CARTE RESEAU La connexion entre ordinateurs nécessite une carte réseau implantée dans chaque ordinateur (PC ou autre) et éléments de réseau (commutateur, routeurs, ). Ces cartes sont aussi appelées : NIC (Network Interface Card). Les cartes réseaux les plus courantes sont de type Ethernet. Une carte réseau est connectée à l ordinateur via un port PCI, PCMCIA, USB. Elle de de plus en plus souvent intégrée à la carte mère de l ordinateur. Pour connecter cette carte au réseau Ethernet, il suffit d utiliser la prise de type RJ45 de la carte. Les cartes réseau sans fil ne possèdent évidemment pas de prise RJ45 mais une antenne! Elle possède une adresse MAC, affectée par le constructeur de la carte, ce qui lui permet d être identifiée de façon unique dans le monde parmi toutes les autres cartes réseau. Cette adresse est d ailleurs utilisée lors des échanges au niveau de la couche 1 du modèle en couche. LES ELEMENTS D UN RESEAU SIMPLE Un exemple ci-dessous d un réseau que l on peut retrouver dans un foyer : ADSL Portable Internet Imprimante réseau ADSL Switch Box 230V Boîtier CPL PC1 PC2 Disque dur réseau PC3 COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 6 / 17

7 Les PCs : Ils possèdent une adresse IP unique et peuvent héberger des fichiers, partager une imprimante, L imprimante réseau : elle possède une adresse IP unique et permet l impression à distance grâce à un serveur d impression intégré. Le Switch : aussi appelé commutateur, il relie les ordinateurs entre eux. La «Box» : c est un Modem-routeur-switch qui établit la communication entre deux réseaux : Internet et le réseau local (LAN). Il possède une adresse IP privée côté LAN (Local Area Network) et une autre adresse IP publique côté WAN (Wide Area Network ou réseau distant). Le disque dur réseau : il stocke les fichiers et peut selon le modèle diffusé du mutlimédia (vidéo, image et son). La connexion entre ces différents éléments utilise un support de transmission (filaire ou sans fil). Point d accès Wifi : intégré à la box, il établit une passerelle entre le réseau wifi et le réseau filaire. Boitiers CPL : utilisés par paire (au minimum), il permettent d utiliser le réseau électrique pour y faire transiter les signaux «informatiques». Réseau filaire : constitué de câbles à 4 paires, il est classé en différents catégories, selon le type de blindage : UTP, FTP, STP COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 7 / 17

8 INTERNET Présentation Internet est le réseau des réseaux et s appuie sur un modèle en couche TCP/IP. Schématiquement Internet et ses principaux acteurs peuvent être illustrés de la manière suivante : Serveur DNS Routeurs Serveur FAI Utilisateur L utilisateur : Ou plutôt, sa «box» Identifié par une adresse IP unique, il utilise des logiciels de navigation, de téléchargement, de messagerie, Le fournisseur d accès (FAI) : Il établit la connexion entre l utilisateur et le réseau au niveau du central téléphonique via un appareil nommé DSLAM 1. - Il fournit une adresse IP unique à l utilisateur. - Il autorise la connexion au réseau Internet moyennant un abonnement. Le Serveur DNS : Il établit la correspondance entre une adresse IP et un nom de domaine. Le service DNS est souvent fourni par le fournisseur d accès. S il ne connait pas la réponse, il transmet la requête à un autre serveur. Le routeur : Il transmet l information en utilisant la route la plus efficace (pas forcément la plus courte). Les serveurs Internet : Identifiés par une adresse unique, ils proposent un service (consultation de pages web, téléchargement ftp, chat, envoi de courrier, ). Ils sont disséminés partout dans le monde. 1 DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) : Multiplexeur d'accès à la Ligne d'abonné Numérique appareil appartenant au FAI qui permet de relier un abonné ADSL au réseau Internet COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 8 / 17

9 LE MODELE EN COUCHE TCP / IP Réduit à 4 ou 5 couches (selon la source de documentation), c est le modèle utilisé par Internet et date de Le modèle TCP/IP à 4 couches en relation avec le modèle OSI, est le suivant : Couche Description 1 Accès réseau Elle permet à un hôte d'envoyer des paquets IP sur le réseau. L'implémentation typique de cette couche est Ethernet. 2 Internet Cette couche réalise l'interconnexion des réseaux (hétérogènes) distants sans connexion. Son rôle est de permettre la transmission des paquets de données dans n'importe quel réseau et l'acheminement de ces paquets indépendamment les uns des autres jusqu'à la destination spécifiée. Comme aucune connexion n'est établie au préalable, les paquets peuvent arriver dans le désordre ; le contrôle de l'ordre de remise appelé aussi contrôle de flux est couramment assuré par une couche supérieure comme la couche transport. Le protocole IP fait partie de cette couche. 3 Transport Cette couche permet à des entités de soutenir une communication et elle possède deux implémentations : Le protocole TCP (Transmission Control Protocol) : c'est un protocole fiable, orienté connexion, qui permet l'acheminement sans erreur de paquets issus d'une machine d'un internet à une autre machine du même internet. Son rôle est de fragmenter les messages en paquets à transmettre de manière à pouvoir le faire passer sur la couche internet (donc au protocole IP). À l'inverse, sur la machine destination, T.C.P. replace dans l'ordre les paquets transmis sur la couche internet pour reconstruire le message initial. T.C.P. s'occupe COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 9 / 17

10 MAC Source MAC Dest. IP Source IP Dest. Port Source Port Dest. Segment 1 CRC IP Source IP Dest. Port Source Port Dest. Segment 1 Port Source Port Dest. Segment 1 LYCEE JACQUES PREVERT également du contrôle de flux de la connexion. Le protocole UDP (User Datagram Protocol) : UDP est en revanche un protocole plus simple que T.C.P. : il est non fiable et sans connexion. Son utilisation présuppose que l'on n'a pas besoin ni du contrôle de flux, ni de la conservation de l'ordre de remise des paquets. Par exemple, on l'utilise lorsque la couche application se charge de la remise en ordre des messages. Une autre utilisation d'udp : la transmission de la voix ou de données particulières dont la latence et la taille est faible. C'est-à-dire lorsqu'il est nécessaire d'être rapide dans l'envoi des paquets (un autre exemple est la diffusion vidéo). 4 Application Cette couche contient les différents protocoles de niveau applicatif (dit protocoles de haut niveau), comme par exemple Telnet, SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol). Tout comme dans le modèle OSI, les informations d une couche sont «insérées» dans la couche voisine, en tant que «Données». Ce phénomène se répète de couche en couche comme l illustre le schéma ci-dessous. Ce phénomène est appelé l encapsulation. Exemple d envoi d un courrier électronique transitant entre les différentes couches TCP/IP : Couche Application Type de Message Courrier électronique «Bienvenue à Blaise Pascal» Couche Transport Découpage en segment Indication des ports source et destination Autre Infos. Type de Message Courrier électronique «Bienvenue à Blaise Pascal» Couche Internet Découpage en paquets Indication des adresse IP source et destination Autre Infos. Autre Infos. Type de Message Courrier électronique «Bienvenue à Blaise Pascal» Couche accès réseau Autre Infos. Autre Infos. Autre Infos. Type de Message Courrier électronique «Bienvenue à Blaise Pascal» Ajout des adresses MAC source et destination, ajout du contrôle d erreur (CRC) à la fin de la trame. A la réception de ce message, l opération inverse est effectuée : la décapsulation. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 10 / 17

11 LE PROTOCOLE TCP / IP Adresse IP Chaque hôte, (nœud d'un réseau TCP/IP) que ce soit une station de travail, un routeur ou un serveur, doit avoir une adresse IP (Internet Protocol) unique. Cette adresse ne dépend pas du matériel utilisé pour relier les machines ensemble, c'est une adresse logique notée sous forme de : w.x.y.z en version 4. Une adresse IPv4 est un nombre de 32 bits codé sur 4 octets (un octet = 8 bits) séparés par un point. On trouve souvent cette adresse avec des valeurs décimales. On appelle cette notation le décimal pointé. Exemple d adresse IPv Au vu du nombre croissant et exponentiel du nombre d équipements se reliant sur le réseau, la version 4 ne suffit plus. L adresse version 6 IPv6 remplace petit à petit l IPv4. Cette version permet de coder une adresse sur 128 bits soit 16 octets. Elle n est plus représentée sous forme décimale mais sous forme hexadécimale séparée par deux points comme l illustre l exemple ci-dessous : Exemple d adresse IPv6 : 2A01:0E35:2421:4BE0:CDBC:C04E:A7AB:ECF3 Toute adresse IP est composée de deux parties distinctes: o o Une partie nommée Identificateur (ID) du réseau : NetID située à gauche, elle désigne le réseau contenant les ordinateurs. Une autre partie nommée identificateur de l'hôte : HostID située à droite et désignant les ordinateurs de ce réseau. Pour différencier l identifiant réseau Pour différencier l identifiant réseau de l identifiant du nœud il faut connaître le masque de sous réseau. Masque de sous-réseau Le masque permet de différencier l identifiant réseau de celui du nœud. Il est tout comme l adresse IP codé sur 32 bits en notation décimale pointée pour la version 4. Exemple de masque de sous réseaux : COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 11 / 17

12 Afin de synthétiser l écriture de l adresse IP avec son masque, on peut utiliser la notation respectant la répartition des adresses selon CIDR 2 : «@IP / n» avec n le nombre de bit masqué (à 1). Cela implique (et c est très souvent le cas) que les bits masqué se suivent en partant de la gauche sans de 0 intercalé. Avec l exemple précédent : en notation CIDR : / 17 En effet en binaire le masque s écrit : Masque En décimal En binaire Récapitulatif : Identifiants réseau et hôte Il y a bien 17 bits masqués. En ayant l adresse IP et le masque de sous réseau, il est possible de déterminer l identifiant réseau (NetID) et l identifiant hôte (HostID) de la façon suivante : Pour le NetID : il faut faire le ET binaire entre l adresse IP et le masque. On conserve la notation décimale pointée. Pour l identifiant de l hôte, il faut faire le ET binaire entre l adresse IP et le complément du masque. Celui-ci est noté directement en décimal. Avec l exemple précédent : Avant il faut convertir l adresse IP et le masque en binaire (cf. précédemment pour le masque) : En décimal En binaire Pour obtenir l identifiant Réseau (résultat du ET logique) : NetID = Masque = En binaire En décimal Pour obtenir l identifiant de l hôte (résultat du ET logique) : HostID = /Masque = En binaire En décimal 2 CIDR (Classless InterDomain Routing) : répartition des adresses IP ne respectant plus les notions de classe A, B, C, COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 12 / 17

13 L identifiant de l hôte est donc Adresse IP : / 17 NetID HostID Ce réseau peut contenir : (2 15-2) soit hôtes ayant une adresse IP comprise entre (exclu) et (exclu), ces deux adresses étant toujours réservées. La première est l adresse réseau le NetID et la dernière est réservée pour le broadcasting (adresse de diffusion regroupant tous les hôtes du réseau). Internet plus en détail Adresse IP publique et adresse IP privée. Parmi toutes les adresses disponibles, il existe deux grandes catégories très particulières : les adresses privées et publiques. Dans un réseau privé, comme celui d'une entreprise ou chez un particulier, on peut utiliser les adresses privées en toute liberté (sous le contrôle de l administrateur réseau). Par contre, les machines utilisant ces adresses ne pourront se connecter à Internet directement : il faudra passer par un modem-routeur-nat (Network Address Translation). Le schéma ci-dessous représente un réseau local relié à Internet par un routeur. Ce routeur possède deux adresses IP : Une IP publique, achetée ou fournie par le FAI. Une IP privée, librement paramétrée par l administrateur du réseau local Internet Routeur IP Publique Les adresses publiques sont utilisées sur Internet (et sont donc uniques) et c est l organisme IANA (The Internet Assigned Numbers Authority) qui est chargé de les attribuer. Les adresses privées ne peuvent pas circuler sur Internet. Pour qu une station puisse communiquer avec l exterieur, il faudra lui donner l accès : adresse de la passerelle (le routeur). Une «Box» connectée à Internet possède donc une IP privée (coté LAN) et un IP publique (côté WAN). COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 13 / 17

14 Un ensemble d adresse est réservé pour les adresses privées, cela s appelle «Les classe des adresses privées» (non routable sur internet) : Classe A : plage de à ; Classe B : plage de à ; Classe C : plage de à ; Classe D (multicast) : plage de à ; Classe E (réservée) : plage de à ; Adresse LoopBack (localhost) : plage de à NOTION DE PORT et DE SOCKET Pour pouvoir communiquer entre eux, les ordinateurs utilisent une adresse IP unique. Cette adresse permet d envoyer et recevoir des paquets de données d'un ordinateur à l'autre. Imaginons maintenant que nous ayons plusieurs programmes qui fonctionnent en même temps sur le même ordinateur : un navigateur un logiciel d' un logiciel pour écouter la radio sur Internet. Si l'ordinateur reçoit un paquet IP, comment savoir à quel logiciel donner ce paquet IP? En fait, à chaque logiciel correspond un numéro unique appelé port. Ce numéro est transmis en même temps que l adresse IP. Les données reçues sont alors transmises au «bon» logiciel. Un ordinateur possède ports. Les 1000 premiers sont réservés (http : 80, ftp : 21, https : 443, ). Le couple Adresse IP n de port est appelé socket. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 14 / 17

15 PROTOCOLE ARP Une station doit au sein d un sous-réseau se faire connaître. En effet dans un datagramme Ethernet, il faut connaître les adresses MAC du destinataire et de la source ainsi que leur adresse IP. Or à priori, l adresse MAC du destinataire n est pas connue. C est le rôle du protocole ARP. Trame ethernet/tcp/ip typique Pour une station, elle va associer une adresse IP destinataire à son adresse MAC dès qu elle l a connaît. Ceci va permettre de gagner en efficacité pour l aiguillage des informations. Les adresses MAC pour chaque équipement terminal sont stockées dans une table que l on appelle table ARP. Exemple de réponse suite à une commande arp -a Le protocole ARP (Adress Resolution Protocol) permet d associer à chaque adresse IP d un réseau, l adresse MAC de l équipement. Le résultat de l association est sauvegardé dans une table ARP au niveau de l équipement et elle est continuellement remise à jour. Lorsqu un équipement veut communiquer avec un autre équipement, il vérifie si son adresse MAC est connue dans sa table. Si la correspondance existe alors la communication peut s engager immédiatement, sinon il procède ainsi : - Il envoie une requête Ethernet de type ARP à tout le monde cela s appelle en jargon informatique une requête broadcast. - Tous les équipements du sous-réseau reçoivent le message. Mais seul le concerné répond en retournant son adresse MAC et en profite pour compléter sa table ARP avec les adresses MAC et IP de l équipement source. c est une réponse unicast. - L équipement source peut alors compléter son datagramme avec l adresse MAC du destinataire et en profite pour compléter lui aussi sa table ARP. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 15 / 17

16 Le datagramme ARP est composé de la manière suivante : octets Hardware type Protocol type HAL PAL Destination Longueur du datagramme : 28 octets Hardware Type : format d entête ARP selon le type de matériel (=1 pour Ethernet) Protocol type : type de protocole (=0x008 pour IP) HAL : Hardware Address Length (=6 pour Ethernet) PAL : Protocol Address Length (=4 pour IPv4, =16 pour IPv6) Operation : type d opération effectuée (=1 pour une requête ARP, =2 pour une réponse). SERVEUR DNS Plutôt que de se rappeler le nom d un site avec son adresse IP, il est préférable de lui associer un nom qui ait du sens. Par exemple l adresse ne vous rappelle rien, c est pourtant l adresse du site du rectorat de Rouen qui se nomme Le serveur DNS joue ce rôle important : associer une adresse IP à un nom Le principe du serveur DNS est synthétisé par les étapes ci-dessous : L utilisateur demande à consulter le site Le navigateur demande au serveur DNS l adresse IP du site Le serveur DNS lui répond. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 16 / 17

17 Le navigateur connait maintenant l adresse du site. Il le contacte et lui demande sa page web (car il s agit d un www). Le serveur reçoit la demande et prépare l envoi : découpage et étiquetage des paquets. Les paquets sont expédiés puis acheminés par les routeurs. Ils n empruntent pas forcément le même chemin. L ordinateur reçoit les paquets, les réassemble et affiche la page web demandée. COURS BAC S SI COMMUNIQUER L INFORMATION ARCHITECTURE DES RESEAUX Fabrice DESCHAMPS 17 / 17