Chapitre 3.4 - Protocoles de communication dans un réseau

1. Modèle OSI, modèle Internet

Les bits transmis d'un ordinateur à un autre contiennent, en plus des données utiles (le mot «bonjour» dans un email), une multitude de données (tout aussi utiles) qui vont aider à l'acheminement de ces bits au bon endroit, puis au bon ordinateur, puis au bon logiciel. Les différents protocoles qui régissent cette transmission sont regroupés dans ce qui est appelé un modèle. Deux modèles synthétisent ces protocoles :

• le modèle Internet (ou modèle TCP/IP, 1974), organisé en 4 couches : liaison, réseau, transport, application.
• le modèle OSI (Open Systems Interconnection, 1984), organisé en 7 couches : physique, liaison, réseau, transport, session, présentation,application.

Ces deux modèles coïncident suivant le schéma ci-dessus. Ce sont des modèles théoriques et d'une certaine rigidité. Leur utilisation dans la pratique est parfois plus floue, avec des protocoles à cheval sur plusieurs couches.
Dans la suite de ce cours, nous évoquerons les couches par leur numéro dans le modèle OSI.

Lors de son émission, un message va subir successivement toutes les transformations effectuées par chaque couche, depuis sa création (couche 7) jusqu'à sa transmission physique (couche 1).

Lorsque ce même message sera réceptionné, les transformations seront effectuées dans l'ordre inverse, jusqu'à la présentation du message au destinataire.

• couches 7-6-5 — couches application-présentation-session : Ces couches (réunies dans le modèle Internet en une couche unique «application» ) regroupent les protocoles nécessaires à la bonne mise en forme d'un message (au sens large) avant sa transmission. Ces protocoles peuvent être de nature très différente : protocole HTTP pour la transmisson de pages web, protocole FTP pour le transfert de fichiers, protocoles POP ou IMAP pour le courrier électronique...
  

• couche 4 — couche transport :
  Le protocole majeur de cette couche est le protocole TCP :

  • il s'assure par SYN-ACK que l'émetteur et le récepteur sont prêts à échanger des messages.
  • il découpe en segments numérotés le message à transmettre (côté émetteur) ou bien recompose le message total en remettant les segments dans l'ordre (côté récepteur).
    Les éléments échangés avec la couche inférieure sont des segments.
    

• couche 3 — couche réseau :
  C'est la couche où chaque segment numéroté est encapsulé dans un paquet qui, suivant le protocole IP, va contenir son adresse source et son adresse de destination. C'est à ce niveau que se décide si le message doit rester dans le réseau local ou être envoyé sur un autre réseau via la passerelle du routeur.
  Les éléments échangés avec la couche inférieure sont des paquets.
  

• couche 2 — couche liaison :
  C'est l'encapsulation finale du message. Suivant le protocole Ethernet, les informations sont transmises d'une carte réseau à une autre, grâce à leur adresse MAC (Media Access Controler).
  Les éléments échangés avec la couche inférieure sont des trames.
  

• couche 1 — couche physique :
  C'est la couche où le message est transmis physiquement d'un point à un autre. Par signal lumineux (fibre optique), par ondes (wifi), par courant électrique (Ethernet)... Les éléments transmis sont les bits.

Lors de son parcours, une trame peut être partiellement décapsulée et remonter à la couche 3, avant de redescendre et de continuer son chemin. C'est le cas notamment lors du passage dans un routeur. Mais jamais, lors de son acheminement, le contenu réel du message n'est ouvert : les paquets transmis sont acheminés de manière identique, qu'ils contiennent les éléments constitutifs d'une vidéo YouTube ou d'un email à votre cousin.

Ce principe fondateur, actuellement menacé par certains acteurs politiques et industriels, est connu sous l'expression «la neutralité du net».

2. Observation des trames avec Filius

2.1. Ping à travers un switch

Vous pouvez télécharger le fichier ping_switch.fls.

• Relions une machine 192.168.0.10 d'adresse MAC BC:81:81:42:9C:31 à une machine 192.168.0.11 d'adresse MAC 2A:AB:AC:27:D6:A7 à travers un switch.

• Observons la table SAT de notre switch : elle est vide, car aucune machine n'a encore cherché à communiquer.

• Lançons un ping depuis 192.168.0.10 vers 192.168.0.11 et observons les données échangées :

• Observons de plus près la première ligne de données échangées.

Cette première ligne est une requête ARP. ARP est un protocole qui s'interface entre la couche 3 / réseau (appelée dans la capture d'écran Internet) et la couche 2 / liaison (appelée dans la capture d'écran Réseau). Comme indiqué dans le commentaire, elle consiste à un appel à tout le réseau : "Est-ce que quelqu'un ici possède l'IP 192.168.0.11 ?

Message 1 : « Qui possède l'IP 192.168.0.11 ? »

Il faut comprendre à cette étape que l'adresse IP est totalement inutile pour répérer un ordinateur dans un sous-réseau. Ce sont les adresses MAC qui permettent de se repérer dans un sous-réseau. Les adresses IP, elles, permettront éventuellement d'acheminer le message jusqu'au bon sous-réseau (elles n'intéressent donc que les routeurs).

Revenons à notre ping vers 192.168.0.11.

La commande arp -a effectuée dans un terminal de la machine 192.168.0.10 nous permet de voir qu'elle ne connaît encore personne dans son sous-réseau. La table de correspondance IP ⮀ MAC ne contient que l'adresse de broadcast 255.255.255.255, qui permet d'envoyer un message à tout le réseau.

Constatant qu'elle ne sait pas quelle est l'adresse MAC de 192.168.0.11, la machine 192.168.0.10 commence donc par envoyer un message à tout le sous-réseau, par l'adresse MAC de broadcast FF:FF:FF:FF:FF:FF. Le switch va lui aussi lui aussi relayer ce message à tous les équipements qui lui sont connectés (dans notre cas, un seul ordinateur)

Message 2 : « Moi ! »

La machine 192.168.0.11 s'est reconnu dans le message de broadcast de la machine 192.168.0.10. Elle lui répond pour lui donner son adresse MAC.

À partir de ce moment, la machine 192.168.0.10 sait comment communiquer avec 192.168.0.11. Elle l'écrit dans sa table arp, afin de ne plus avoir à émettre le message n°1 :

Le switch, qui a vu passer sur ses ports 0 et 1 des messages venant des cartes MAC BC:81:81:42:9C:31 et 2A:AB:AC:27:D6:A7, peut mettre à jour sa table SAT :

Par la suite, il saura sur quel port rediriger les messages destinés à ces deux adresses MAC. Un switch est un équipement de réseau de la couche 2 du modèle OSI, il ne sait pas lire les adresses IP : il ne travaille qu'avec les adresses MAC.

Message 3 : le ping est envoyé

Schématisons cette trame Ethernet (couche 2 du modèle OSI) :

Message 4 : le pong est retourné

2.2. Ping à travers un routeur

Vous pouvez télécharger le fichier ping_routeur.fls.

L'objectif est d'observer les différentes trames lors d'un ping entre :

• la machine 192.168.0.1 / 24 (adresse MAC F9:E1:D6:0B:29:03 ) et
• la machine 192.168.1.1 / 24 (adresse MAC D3:79:96:B8:5C:A4 )

Le routeur est configuré ainsi :

• interface sur le réseau A :
  • IP : 192.168.0.254
  • MAC : 77:C2:22:C9:5C:E7
• interface sur le réseau B :
  • IP : 192.168.1.254
  • MAC : 66:E5:4E:7D:0B:B0

Étape 0 : le routeur signale sa présence

Lors de l'observation des messages reçus ou émis par la machine 192.168.0.1, on peut être intrigué par ce tout premier message reçu, émis par le routeur :

On peut y distinguer les 4 couches du modèle Internet. Le routeur, par ce message distribué à tous les éléments du sous-réseau A (il envoie un message équivalent sur son sous-réseau B), déclare sa présence, et le fait qu'il possède deux interfaces, une pour chaque réseau. Il se positionne ainsi comme une passerelle : «c'est par moi qu'il faudra passer si vous voulez sortir de votre sous-réseau». Dans cette trame envoyée figure son adresse MAC, de sorte que tous les membres de son sous-réseau pourront donc communiquer avec lui.

Étape 1 : de 192.168.0.1 vers le routeur

La machine 192.168.0.1 / 24 calcule que la machine 192.168.1.1 / 24 avec laquelle elle veut communiquer n'est pas dans son sous-réseau. Elle va donc envoyer son message à sa passerelle, qui est l'adresse du routeur dans son sous-réseau.

Cette première trame est :

Étape 2 : le routeur décapsule la trame

Le routeur est un équipement de réseau de couche 3 (couche réseau). Il doit observer le contenu du paquet IP (sans remonter jusqu'au contenu du message) pour savoir, suivant le procédé de routage (voir cours de Terminale), où acheminer ce paquet.

Dans notre cas, l'adresse IP 192.168.1.1de destination lui est accessible : elle fait partie de son sous-réseau B.

Le routeur va modifier la valeur du TTL (Time To Live), en la décrémentant de 1. Si, après de multiples routages, cette valeur devenait égale à 0, ce paquet serait détruit. Ceci a pour but d'éviter l'encombrement des réseaux avec des paquets ne trouvant pas leur destination.

NAT : translation d'adresse

Dans notre cas, le routeur va laisser intacte l'adresse IP Source. Ce n'est pas toujours le cas. Dans le cas classique de la box qui relie votre domicile à internet, le routeur contenu dans celle-ci va remplacer l'adresse locale de votre ordinateur ou smartphone (ex 192.168.0.26) par son IP publique (celle apparaissant sur whatsmyip.com, par exemple). Elle effectue ce qu'on appelle une translation d'adresse (NAT). Pourquoi ? Parce que sinon la réponse du serveur distant que vous interrogez serait envoyée sur une adresse locale (votre adresse 192.168.0.26), qui est introuvable depuis un réseau extérieur. Il faut donc remplacer toutes les adresses locales par l'IP publique de votre box. Pour éviter que la réponse du serveur web que vous avez interrogé ne soit affichée sur l'ordinateur de vos parents, le routeur affecte des ports différents à chaque machine de son sous-réseau. Ce port est inclus dans le message transmis au serveur, et il l'est aussi dans sa réponse : le routeur peut donc rediriger le trafic vers la bonne machine du sous-réseau.

Le routeur va ré-encapsuler le paquet IP modifié, et créer une nouvelle trame Ethernet en modifiant :

• l'adresse MAC source : il va mettre l'adresse MAC de son interface dans le sous-réseau B.
• l'adresse MAC de destination : il va mettre l'adresse MAC de 192.168.1.1 (qu'il aura peut-être récupérée au préalable par le protocole ARP)

Cette deuxième trame est donc :

On peut observer dans Filius cette trame, en se positionnant sur l'interface 192.168.1.254 du routeur, ou sur 192.168.1.1 :

En suivant le même principe, la machine 192.168.1.1 pourra envoyer son pong.

2.3. Exercice

Exercice de bac

ÉnoncéCorrection

Parties 2 et 3 de l'exercice 2 du sujet Nouvelle-Calédonie J1 2022.

Partie 2

Correction Q1.

Le réseau services a pour adresse IP 195.168.254.0.

Correction Q2.

Le réseau services a pour adresse 195.168.254.0. Comme le masque de sous-réseau utilisé est 255.255.255.0, 254 adresses sont initialement disponibles (195.168.254.1 à 195.168.254.254, puisque l'adresse 195.168.254.255 est réservée pour le broadcast sur le réseau). Comme deux adresses sont déjà prises par le routeur 1 et le routeur 2, il en reste 252.

Correction Q3.

Le serveur web accède à internet via le routeur 2, dont l'adresse sur le réseau services est 192.168.254.2. C'est donc cette adresse qui joue est l'adresse de passerelle pour le serveur web.

Partie 3

Correction Q1.

La ligne 2 montre que l'adresse MAC du serveur DNS est 8A:FD:54:49:D0:CC.

Correction Q2.

La couche Transport montre que le protocole utilisé est le protocole UDP.

Correction Q3.

Le commentaire de la couche Application indique que l'adresse IP du serveur web est 192.168.254.201.

3. Protocole du bit alterné

Ce protocole est un exemple simple de fiabilisation du transfert de données.

1. Contexte

• Alice veut envoyer à Bob un message M, qu'elle a prédécoupé en sous-messages M0, M1, M2,...
• Alice envoie ses sous-messages à une cadence Δt fixée (en pratique, les sous-messages partent quand leur acquittement a été reçu ou qu'on a attendu celui-ci trop longtemps : on parle alors de timeout)

2. Situation idéale

Dans cette situation, les sous-messages arrivent tous à destination dans le bon ordre. La transmission est correcte.

3. Situation réelle

Mais parfois, les choses ne se passent pas toujours aussi bien. Car si on maîtrise parfaitement le timing de l'envoi des sous-messages d'Alice, on ne sait pas combien de temps vont mettre ces sous-messages pour arriver, ni même (attention je vais passer dans un tunnel) s'ils ne vont pas être détruits en route.

Le sous-message M0 est arrivé après le M1, le message M2 n'est jamais arrivé...

Que faire ?

Écartons l'idée de numéroter les sous-messages, afin que Bob puisse remettre dans l'ordre les messages arrivés, ou même redemander spécifiquement des sous-messages perdus. C'est ce que réalise le protocole TCP (couche 4 — transport), c'est très efficace, mais cher en ressources. Essayons de trouver une solution plus basique.

3. Solution naïve...

Pourquoi ne pas demander à Bob d'envoyer un signal pour dire à Alice qu'il vient bien de recevoir son sous-message ? Nous appelerons ce signal ACK (comme acknowledgement, traduisible par «accusé de réception»). Ce signal ACK permettra à Alice de renvoyer un message qu'elle considérera comme perdu :

N'ayant pas reçu le ACK consécutif à son message M1, Alice suppose (avec raison) que ce message n'est pas parvenu jusqu'à Bob, et donc renvoie le message M1.

4. Mais peu efficace...

Le deuxième ACK de Bob a mis trop de temps pour arriver (ou s'est perdu en route) et donc Alice a supposé que son sous-message M1 n'était pas arrivé. Elle l'a donc renvoyé, et Bob se retrouve avec deux fois le sous-message M1. La transmission est incorrecte. En faisant transiter un message entre Bob et Alice, nous multiplions par 2 la probabilité que des problèmes techniques de transmission interviennent. Et pour l'instant rien ne nous permet de les détecter.

5. Bob prend le contrôle

Bob va maintenant intégrer une méthode de validation du sous-message reçu. Il pourra décider de le garder ou de l'écarter. Le but est d'éviter les doublons.

Pour réaliser ceci, Alice va rajouter à chacun de ses sous-messages un bit de contrôle, que nous appelerons FLAG (drapeau). Au départ, ce FLAG vaut 0. Quand Bob reçoit un FLAG, il renvoie un ACK égal au FLAG reçu.

Alice va attendre ce ACK contenant le même bit que son dernier FLAG envoyé :

• tant qu'elle ne l'aura pas reçu, elle continuera à envoyer le même sous-message, avec le même FLAG.
• dès qu'elle l'a reçu, elle peut envoyer un nouveau sous-message en inversant («alternant») le bit de son dernier FLAG (d'où le nom de ce protocole).

Bob, de son côté, va contrôler la validité de ce qu'il reçoit : il ne gardera que les sous-messages dont le FLAG est égal à l'inverse de son dernier ACK. C'est cette méthode qui lui permettra d'écarter les doublons.

Observons ce protocole dans plusieurs cas :

5.1 Cas où le sous-message est perdu

5.2 Cas où le ACK est perdu

Le protocole a bien détecté le doublon du sous-message M1.

5.3 Cas où un sous-message est en retard

Le protocole a bien détecté le doublon du sous-message M1... mais que se passerait-il si notre premier sous-message M1 était encore plus en retard ?

6. Conclusion

Le protocole du bit alterné a longtemps été utilisé au sein de la couche 2 du modèle OSI (distribution des trames Ethernet). Simple et léger, il peut toutefois être facilement mis en défaut, ce qui explique qu'il ait été remplacé par des protocoles plus performants.

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Bibliographie - Numérique et Sciences Informatiques, 1re, T. BALABONSKI, S. CONCHON, J.-C. FILLIATRE, K. NGUYEN, éditions ELLIPSES. - Prépabac NSI 1ère, C.ADOBET, G.CONNAN, G. ROZSAVOLGYI, L.SIGNAC, éditions Hatier.