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Architecture TCP/IP
Introduction
TCP/IP désigne communément une architecture réseau, mais cet acronyme désigne en fait 2 protocoles étroitement liés : un protocole de transport, TCP (Transmission Control Protocol) qu'on utilise "par-dessus" un protocole réseau, IP (Internet Protocol).
Le "modèle TCP/IP", est, en fait, une architecture réseau en 4 couches dans laquelle les protocoles TCP et IP jouent un rôle prédominant, car ils en constituent l'implémentation la plus courante. Par abus de langage, TCP/IP peut donc désigner deux choses : le modèle TCP/IP et la suite de deux protocoles TCP et IP.
Le modèle TCP/IP s'est progressivement imposé comme modèle de référence en lieu et place du modèle OSI. Cela tient tout simplement à son histoire. En effet, contrairement au modèle OSI, le modèle TCP/IP est né d'une implémentation ; la normalisation est venue ensuite.
I. Historique
L'origine de TCP/IP remonte au réseau ARPANET. ARPANET est un réseau de télécommunication
conçu par l'ARPA (Advanced Research Projects Agency), l'agence de recherche du ministère
américain de la défense (le DOD : Department of Defense). Outre la possibilité de connecter des
réseaux hétérogènes, ce réseau devait résister à une éventuelle guerre nucléaire, contrairement au
réseau téléphonique habituellement utilisé pour les télécommunications mais considéré trop
vulnérable. Il a alors été convenu qu'ARPANET utiliserait la technologie de commutation par paquet
(mode datagramme), une technologie émergeante promettante. C'est donc dans cet objectif et ce
choix technique que les protocoles TCP et IP furent inventés en 1974. L'ARPA signa alors plusieurs
contrats avec les constructeurs et l'université de Berkeley qui développait un Unix pour imposer ce
standard, ce qui fut fait.
II. Protocoles et Services.
On appelle protocole, un dialogue connue par les deux parties, entre deux couches de même niveau.
Une couche de niveau (n) ne sera capable de dialoguer qu’avec une autre couche de même niveau
qu’elle.
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On appelle service l’ensemble des fonctions que doit absolument remplir une couche, fournissant
l’interface pour transmettre des données de la couche (n) à la couche (n+1).
III. Description du modèle TCP/IP
Le modèle TCP/IP peut être décrit comme une architecture réseau à 4 couches :
1.
La couche accès réseau :
La couche la plus basse représente la connexion physique avec les câbles, les circuits d’interface
électrique (transceivers), les cartes réseau, les protocoles d’accès réseau (CSMA/CD pour les réseaux
Ethernet et le jeton pour les réseaux Token Ring). La couche accès réseau est utilisée par la couche
Internet.
2.
La couche Internet :
La couche Internet doit fournir une adresse logique pour l’interface physique. L’implémentation du
modèle TCP/IP de la couche Internet est IP (Internet Protocol). Cette couche fournit un mappage
entre l’adresse logique et l’adresse physique fournie par la couche accès réseau grâce aux protocoles
ARP (Address Resolution Protocol) et RARP (Reverse Address Resolution Protocol). Les incidents, les
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diagnostics et les conditions particulières associées au protocole IP relève du protocole ICMP
(Internet Control Message Protocol), qui opère aussi au niveau de la couche internet.
La couche Internet est aussi responsable du routage des paquets entre les hôtes. Cette couche est
utilisée par les couches plus hautes du modèle TCP/IP.
3.
La couche transport :
La couche transport définit les communications entre deux hôtes sur le réseau. Le modèle TCP/IP
comprend deux protocoles hôte à hôte : TCP (Transmission Control Protocol) et UDP (User Datagram
Protocol). Le protocole TCP est responsable du service de transmission fiable de données avec
détection et correction d’erreurs.
TCP permet aussi les connexions simultanées. Plusieurs connexions TCP peuvent être établies sur un
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hôte et les données sont envoyées simultanément. TCP permet des connexions full-duplex, ce qui
signifie que les données peuvent être envoyées et reçues sur une même connexion.
Le protocole UDP est un protocole peu fiable et peut être utilisé par des applications qui n’exigent
pas la fiabilité de TCP.
4.
La couche application :
La couche application permet aux applications d’utiliser les protocoles de la couche transport hôte à
hôte (TCP et UDP). Parmi ces applications on trouve : FTP (File Transfert Protocol), TELNET (TErminal
NETwork), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) et SNMP (Simple Network Management Protocol).
La couche application assure l’interface des applications utilisatrices avec la pile de protocole TCP/IP.
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IV. L’architecture TCP/IP
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1. Niveau applicatif
HTTP - HyperText Transport Protocol
protocole du web
échange de requête/réponse entre un client et un serveur web
FTP - File Transfer Protocol
protocole de manipulation de fichiers distants
transfert, suppression, création, …
TELNET - TErminal Network Protocol
système de terminal virtuel
permet l'ouverture d'une session distante
SMTP - Simple Mail Transfer Protocol
service d'envoi de courrier électronique
réception (POP, IMAP, IMAPS, …)
DNS - Domain Name System
assure la correspondance entre un nom symbolique et une adresse Internet (adresse IP)
bases de données réparties sur le globe
SNMP - Simple Network Management Protocol
protocole d'administration de réseau (interrogation, configuration des équipements, …)
Les sockets - interface de programmation permettant l'échange de données (via TCP ou UDP)
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2.
Protocoles de transfert de données
TCP/IP : transfert fiable de données en mode connecté
UDP/IP : transfert non garanti de données en mode non connecté
3.
Protocoles de contrôle de l'Internet
ICMP - Internet Control and error Message Protocol
assure un dialogue IP<-->IP (entre routeurs par ex.) pour signaler les congestions, synchroniser les horloges, estimer les temps de transit, …
utilisé par l'utilitaire ping permettant de tester la présence d'une station sur le réseau
ARP - Address Resolution Protocol
protocole permettant d'associer une adresse MAC (adresse physique utilisée dans les réseaux locaux) à une adresse IP (adresse logique Internet)
RARP - Reverse ARP
permet à une station de connaître son adresse IP à partir de son adresse MAC (interrogation d'un serveur RARP)
phase de démarrage d'équipements ne possédant pas de configuration initiale (imprimante, terminal X)
BOOTP - Boot Protocol
permet à une station de connaître sa configuration réseau lors du démarrage par interrogation d'un serveur bootp.
au-dessus d'UDP (ports 67 et 68)
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DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol
extension du protocole BOOTP
meilleure gestion du plan d'adressage IP avec attribution dynamique des adresses IP pour une certaine durée (bail ou lease time)
au-dessus d'UDP (ports 67 et 68)
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V. Communication TCP/IP
1.
Communication sans routeur
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2.
Communication avec routeur
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VI. L’encapsulation TCP/IP
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VII.
Identification des protocoles
Une adresse de transport est sous la forme d’une adresse IP, d’un numéro de port (16 bits) et la
mention du protocole de transport TCP ou UDP le tout forme ce qu’on appelle adresse de socket.
Une connexion TCP s'établit entre un socket source et un socket destinataire. Une connexion est
donc le quadruplé (@src, port src, @dest, port dest).
Les ports permettent un multiplexage ou démultiplexage de connexions au niveau transport. Les
ports inférieurs à 1024 sont appelés ports réservés.
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VIII. Adressage IP
1. Définition
Une adresse IP identifie de manière unique un nœud sur le réseau. Une adresse IP est composée de
deux champs : l’identifiant réseau (NET_ID) et l’identifiant de la machine (HOST_ID).
Une adresse IP a une taille de 32 bits répartis sur 4 octets en décimal (de 0 à255) et séparés par un
point de la forme X.Y.Z.W.
2.
Les classes d’adresses
Les adresses réseaux sont distribuées par un organisme international à but non lucratif : ICANN
(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) puis décentralisé au niveau de chaque pays.
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3.
Les adresses IP particulières :
Diffusions locale et distante : l’adresse 255.255.255.255 est appelée adresse de broadcast sur
le réseau IP local (ne passe pas le routeur, traduit en broadcast ARP).
L’adresse de la forme <NET_ID><111…111> : est une adresse de broadcast dirigée vers le
réseau de numéro NET_ID (exemple : 132.227.255.255 = diffusion dans le réseau 132.227.0.0
traduit en broadcast ARP par le routeur destination)
Rebouclage local (loopback) : l’adresse 127.x.y.z et plus généralement 127.0.0.1 (localhost)
permet de tester la pile TCP/IP locale sans passer par une interface matérielle.
L'adresse 0.0.0.0 est utilisée par le protocole RARP (@IP de démarrage) et comme adresse de
la route par défaut dans les routeurs.
4.
Les adresses privées et le NAT
Les adresses privées (RFC 1918) sont des adresses qui ne seront jamais attribuées (adresses illégales)
et qui ne sont pas routables sur l'Internet.
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classe A : de 10.0.0.0 à 10.255.255.255
classe B : de 172.16.0.0 à 172.31.255.255
classe C : de 192.168.0.0 à 192.168.255.255
Si une entreprise qui utilise des adresses privées souhaite tout de même disposer d'une connexion à
l'Internet, il faut demander une adresse publique et faire des conversions adresse privée <--> adresse
publique. Ce service est offert par le NAT (Network Address Translator).
NAT permet de mettre en correspondance une adresse privée et une adresse publique, et permet
également la traduction statique ou dynamique (lors de la connexion).
NAT présente une solution au manque d'adresses IP publiques : quelques adresses IP publiques pour
beaucoup d'adresses IP privées mais le NAT est coûteux en performance.
Fonctionnement du NAT : une table stockée dans le NAT fait la correspondance entre
(adresse IP source privée, port_src) et une adresse IP_publique. Quand le paquet part
l’adresses IP source devient l’adresse IP_publique et le port_src devient la référence de
l'entrée dans la table et quand la réponse revient le port_dest du paquet permet de
retrouver dans la table l’adresse IP et le port_src.
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Exemple de requête sortante
Exemple de requête entrante
IX. Les sous réseaux
Une organisation dispose généralement d'une seule adresse de réseau IP mais est composée de
plusieurs sites/départements. Pour se faire, une solution existe est de diviser un réseau IP en
plusieurs sous-réseaux. Il suffit de prendre quelques bits de la partie <HOST_ID> de l'adresse IP pour
distinguer les sous-réseaux et ce de façon transparente vis à vis de l'extérieur.
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Le netmask permet de savoir si la machine source et destination sont sur le même sous-réseau alors
que la classe d'adressage permet de savoir si elles sont sur le même réseau.
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