Téléinformatique

Ce document couvre les principes fondamentaux de la couche réseau dans Internet, en mettant l'accent sur l'adressage IP, le routage, les équipements impliqués et les techniques d'optimisation de l'utilisation des adresses. Il s'adresse aux étudiants et professionnels souhaitant comprendre la gestion des adresses IP, les mécanismes de routage et les solutions pour adapter l'Internet aux besoins croissants en adresses.

Définitions et principes du routage

Les routeurs permettent de concevoir des réseaux sans limitation de taille ni de nombre d’équipements. Le routage est indispensable pour interconnecter un réseau au reste de l’Internet, construire un grand réseau ou gérer les flux internes. La difficulté de configuration ne réside pas uniquement dans l’administration du routeur, mais aussi dans la conception et la gestion d’un plan d’adressage, c’est-à-dire l’ensemble des règles pour affecter une adresse à un équipement.

Le routage est souvent confondu avec le relayage (forwarding), qui est la fonction principale d’un routeur consistant à transférer rapidement un paquet sur l’interface de sortie. Initialement, les équipements utilisaient la technique de stockage et retransmission, mais pour optimiser les performances, certains prennent la décision dès la réception de l’en-tête (commutation ou switching).

La fonction de routage construit des tables de routage indiquant l’interface de sortie pour chaque destination, informations utilisées pour le relayage.

Les équipements de niveau 2 (ponts) et de niveau 3 (routeurs) ont des algorithmes différents. Le pontage est fortement automatisé et s’adapte automatiquement à la topologie locale, mais il résiste mal à l’échelle. Les réseaux de niveau 2 mondiaux sont limités en nombre d’équipements. En revanche, les routeurs, bien que plus complexes à configurer, permettent une taille de réseau théoriquement illimitée.

Le routage et le pontage se complètent. Selon la taille du réseau, le pontage peut être privilégié dans les petits sites, tandis que le routage devient plus automatisé dans les sites moyens grâce aux protocoles de routage, et plus complexe dans les grands sites avec plusieurs connexions Internet.

Adressage IP

L’adressage IP est structuré et lié à la localisation de la machine sur le réseau. Une adresse IP version 4 est un mot de 32 bits, généralement représenté par quatre nombres entre 0 et 255 séparés par des points (exemple : 192.44.77.123).

Une adresse IP est divisée en deux parties : le numéro du réseau et le numéro de l’équipement. Tous les équipements derrière un même routeur partagent la partie réseau commune, tandis que la partie équipement est unique. Cette structuration simplifie le routage, car un routeur extérieur n’a pas besoin de connaître toutes les adresses individuelles, seulement les préfixes réseau.

Le préfixe est la partie commune à tous les équipements derrière un routeur. Sa longueur est indiquée par un netmask, une séquence binaire où les bits à 1 indiquent la partie réseau et les bits à 0 la partie équipement. Par exemple :

Adresse IP : 192.44.77.123
Netmask : 255.255.255.0 (soit /24)

Ce netmask indique que les trois premiers octets représentent le réseau, et le dernier octet l’équipement.

La notation avec préfixe est aussi utilisée : 192.44.77.123/24 signifie que les 24 premiers bits sont le préfixe réseau.

Les adresses avec tous les bits de la partie équipement à 0 ou à 1 sont réservées pour des fonctions spéciales (diffusion ou identification de réseau). Par exemple, 192.44.77.0/24 désigne le réseau, tandis que 192.44.77.255/24 est l’adresse de diffusion sur ce réseau.

Exemple de préfixe et netmask

Pour l’adresse 192.44.77.123 avec netmask 255.255.255.0 :

• Partie réseau : 192.44.77
• Partie équipement : 123

Le routeur saura que tous les équipements avec 192.44.77.x sont sur le même réseau local.

Adressage avec classes

Initialement, l’Internet utilisait un plan d’adressage divisé en classes :

• Classe A : commence par 0, 7 bits pour le réseau, 24 bits pour les équipements
• Classe B : commence par 10, 14 bits pour le réseau, 16 bits pour les équipements
• Classe C : commence par 110, 21 bits pour le réseau, 8 bits pour les équipements

Il existe aussi :

• Classe D : commence par 1110, utilisée pour le multicast (groupes d’équipements)
• Classe E : commence par 1111, réservée pour un usage futur

Ce plan garantissait l’unicité des adresses via un organisme central. Cependant, l’adressage était dit « à plat », sans prise en compte de la topologie ou géographie, ce qui compliquait la gestion des routes.

Les réseaux de classe A pouvaient contenir jusqu’à 16 millions d’équipements, mais il n’y en avait que 126 possibles. Les réseaux de classe C étaient nombreux (plus de 2 millions) mais limités à 254 équipements chacun.

Découpage en sous-réseaux (Subnetting)

Pour répondre aux besoins intermédiaires, le découpage en sous-réseaux est utilisé. Par exemple, un réseau de classe B peut être subdivisé en sous-réseaux en utilisant un netmask plus précis.

Exemple :

• Adresse de classe B : 172.16.0.0
• Netmask utilisé : 255.255.255.0
• Le troisième octet sert de numéro de sous-réseau, le dernier octet sert à numéroter les équipements

Pour les réseaux de classe C, le découpage est aussi nécessaire car un réseau local ne peut généralement pas contenir plus d’une cinquantaine d’équipements, alors qu’une classe C en permet 254. Le netmask peut alors être variable (VLSM : variable-length subnet mask) pour optimiser l’utilisation des adresses.

Exemple de découpage en sous-réseaux avec VLSM

Un site possède l’adresse 192.1.2.0 (classe C) et doit créer trois sous-réseaux :

• Deux sous-réseaux pour terminaux avec un netmask 255.255.255.192 (permettant 62 équipements chacun), numérotés 01 et 10
• Un sous-réseau pour routeurs avec un netmask plus restrictif, numéroté 001

Limites du plan d’adressage initial

Le plan d’adressage avec classes a bien fonctionné durant la phase universitaire, mais avec l’explosion des besoins commerciaux, il est devenu insuffisant :

• Les adresses de classe B se sont rapidement raréfiées
• L’utilisation massive des adresses de classe C a saturé les tables de routage

Pour pallier cela, plusieurs mesures ont été prises :

• Modification des règles d’attribution pour mieux utiliser l’espace d’adressage et rendre l’adressage hiérarchique
• Introduction d’adressage privé pour réduire les besoins en adresses publiques
• Développement d’une nouvelle version du protocole IP avec un espace d’adressage plus grand (IPv6)

Adressage sans classe (CIDR)

Depuis 1994, le plan CIDR (Classless Inter-Domain Routing) a remplacé le plan à classes. Le préfixe binaire n’est plus utilisé pour déterminer la longueur de la partie réseau, ce qui généralise le concept de netmask.

Ce plan opère dans le même espace d’adressage que le plan à classes, mais permet une allocation plus flexible et adaptée aux besoins.

Exemples de préfixes CIDR :

• 192/7 : adresses entre 192.0.0.0 et 193.255.255.255 (correspondant aux anciennes classes C)
• 194/7 : adresses attribuées à l’Europe, gérées par RIPE NCC
• 198/7 : attribuées à l’Amérique du Nord, gérées par ARIN
• 200/7 : Amérique centrale et du Sud
• 202/7 : pays du Pacifique

Ce découpage facilite la gestion régionale et la délégation des préfixes aux fournisseurs d’accès, qui peuvent ensuite attribuer des préfixes adaptés aux sites.

Adressage privé

Pour réduire la demande d’adresses publiques, certains préfixes sont réservés pour un usage privé :

• 10.0.0.0/8
• 172.16.0.0/14
• 192.168.0.0/16

Ces adresses ne sont jamais officiellement attribuées et peuvent être utilisées librement dans les réseaux privés. Les paquets provenant d’adresses privées ne peuvent pas sortir du réseau local sans mécanismes spécifiques.

Proxy et traduction d’adresses (NAT)

Pour permettre aux équipements privés d’accéder à Internet, deux techniques sont utilisées :

Proxy

Un proxy est une passerelle au niveau application qui relaie les requêtes des équipements privés vers Internet. Le proxy analyse les requêtes et les transmet avec sa propre adresse publique. Il relaie ensuite les réponses vers les équipements internes.

Inconvénients :

• Les applications doivent être adaptées pour utiliser le proxy
• Les proxys peuvent servir de cache, optimisant les accès Internet

Traduction d’adresses (NAT)

La traduction d’adresses remplace à la volée l’adresse source privée des paquets sortants par une adresse publique. Le routeur mémorise la correspondance entre adresse publique et privée (contexte) pour effectuer la substitution inverse à la réception.

Avantages :

• Transparente pour la plupart des applications
• Permet l’usage d’une seule adresse publique pour plusieurs équipements privés en modifiant aussi les numéros de ports
• Facilite le changement de fournisseur d’accès sans modifier le plan d’adressage interne

Limites :

• Modification des principes d’Internet, notamment la perte de l’authentification de bout en bout
• Le routeur NAT maintient un état (contexte), ce qui peut poser problème en cas de redémarrage
• Difficulté dans les sites multidomiciliés où le routage n’est pas symétrique
• Certains protocoles (ex. FTP) nécessitent une analyse des données applicatives pour la traduction

Équipements terminaux et intermédiaires

Selon l’ISO :

• Équipement terminal (end system) : produit ou consomme de l’information (exemple : ordinateur, imprimante)
• Équipement intermédiaire (intermediate system) : relaye l’information (exemple : routeur)

La configuration d’un équipement terminal est simple : il doit connaître son adresse IP, le netmask, et l’adresse d’un routeur par défaut (0.0.0.0/0) vers lequel envoyer le trafic destiné à l’extérieur du réseau local.

La table de routage est essentielle pour acheminer les paquets. Elle associe une destination (machine ou préfixe) à un équipement intermédiaire (next hop) et parfois un coût.

Exemple de table de routage :

• Entrée 1 : destinations directement accessibles via l’interface locale (ex. Ethernet)
• Entrée 2 : pour toute autre destination, envoyer au routeur 192.44.77.1

Le protocole ARP permet de trouver l’adresse MAC associée à une adresse IP sur le réseau local.

La décision de routage est prise en fonction de l’adresse de destination dans l’en-tête IP, en choisissant l’entrée de la table avec le plus long préfixe commun.

Exemple de décision de routage

Pour une destination 192.44.77.56 :

• Si la table contient une entrée pour 192.44.77.0/24, cette entrée sera choisie plutôt qu’une entrée plus générale comme 0.0.0.0/0.

Les systèmes d’exploitation permettent de visualiser la table de routage avec la commande netstat -rn. Une interface spéciale, appelée loopback (127.0.0.1), permet la communication interne à la machine.

Les routeurs ont plusieurs interfaces et connaissent les réseaux directement attachés. Leur table de routage doit aussi contenir des informations sur les réseaux non directement connectés, obtenues manuellement ou via des protocoles de routage qui échangent ces informations entre routeurs.

Protocole IP

Le protocole IP version 4 (IPv4) utilise des paquets dont les champs sont alignés sur des mots de 32 bits pour optimiser le traitement. Par exemple, l’adresse de destination est toujours à une position fixe, facilitant la lecture rapide par les routeurs.

Les champs importants dans l’en-tête IP sont :

• Version : 4 pour IPv4, 6 pour IPv6
• Longueur de l’en-tête : exprimée en mots de 32 bits. La valeur standard est 5 (20 octets), correspondant à l’en-tête minimal sans options.
• Type de service : initialement destiné à influencer le routage selon priorité, délai, débit, fiabilité ou coût. Ce champ est peu utilisé dans l’Internet actuel.

Glossaire des termes clés

• Adresse IP : Identifiant unique d’un équipement sur un réseau, structuré en partie réseau et partie équipement.
• Netmask : Masque binaire indiquant la séparation entre la partie réseau et la partie équipement dans une adresse IP.
• Préfixe : Partie commune à toutes les adresses d’un réseau, définie par le netmask.
• Routage : Processus de détermination du chemin qu’un paquet doit emprunter pour atteindre sa destination.
• Relayage (forwarding) : Fonction d’un routeur consistant à transférer un paquet vers l’interface de sortie appropriée.
• Routeur : Équipement intermédiaire qui achemine les paquets entre réseaux différents.
• Pont (bridge) : Équipement de niveau 2 qui connecte plusieurs segments de réseau local.
• Proxy : Passerelle au niveau application qui relaie les requêtes des clients vers Internet.
• Traduction d’adresses (NAT) : Technique remplaçant les adresses privées par des adresses publiques pour l’accès à Internet.
• Table de routage : Base de données contenant les destinations et les interfaces de sortie associées.
• Next hop : Adresse du routeur suivant dans le chemin vers la destination finale.
• CIDR : Plan d’adressage sans classe permettant une allocation flexible des adresses IP.
• VLSM : Netmask à longueur variable utilisé pour optimiser le découpage en sous-réseaux.
• ARP : Protocole permettant de trouver l’adresse MAC correspondant à une adresse IP sur un réseau local.
• Loopback : Interface virtuelle utilisée pour la communication interne à une machine (adresse 127.0.0.1).

Points clés à retenir

• Le routage est essentiel pour interconnecter des réseaux de taille illimitée et gérer les flux dans Internet.
• L’adressage IP est structuré en parties réseau et équipement, facilitant le routage hiérarchique.
• Le plan d’adressage initial à classes a été remplacé par le CIDR pour une meilleure gestion des adresses.
• Les adresses privées permettent de réduire la consommation d’adresses publiques, mais nécessitent des mécanismes comme les proxys ou la traduction d’adresses.
• La traduction d’adresses (NAT) modifie l’architecture initiale d’Internet et peut poser des problèmes d’authentification et de routage symétrique.
• Les équipements terminaux ont une configuration simple, tandis que les routeurs maintiennent des tables de routage complexes et échangent des informations via des protocoles spécialisés.
• Le protocole IP version 4 reste largement utilisé, avec des champs alignés pour optimiser le traitement des paquets.