Architecture d'un réseau

Un réseau informatique est un ensemble de machines (de différentes sortes) interconnectées, de manière à ce que chacune puisse communiquer avec toutes les autres du réseaux.

Par exemple, Internet est un réseau mondial, mais ce n'est pas le seul : des entreprises ou des organisations peuvent posséder leur propre réseau informatique (relié ou non à Internet d'ailleurs), que l'on appelle alors réseau local.

En réalité, la plupart du temps lorsque l'on parle de réseau, il s'agit en réalité d'un sous-réseau d'un réseau plus grand (par exemple un sous-réseau du réseau mondial IP). Par exemple, Internet est constitué d'environ 100 000 sous-réseaux indépendants, chacun étant eux-mêmes constitués de plusieurs (beaucoup !) sous-réseaux.

Les principales machines d'un réseau

Les réseaux locaux sont des (petits) réseaux constitués d'un ensemble de machines à l'échelle d'une maison, d'une entreprise, d'une organisaiton, d'un lycée, etc. Les machines d'un même réseau local peuvent communiquer directement entre elles.

Les machines d'un même sous-réseau sont généralement reliées par un switch (on dit commutateur en français), qui est un équipement informatique sur lequel on relie toutes les machines d'un réseau local grâce à des prises RJ45 femelles dans lesquelles on peut brancher des câbles Ethernet, aussi appelés “câbles réseau”.

Fig. 1 - Un switch
Crédits : KoS, Domaine public, via Wikimedia Commons.

Fig. 2 - Un switch à l'échelle d'une organisation
Crédits : Switch!, par Andrew Hart, CC BY-SA 2.0, via Flickr.

Voici un schéma avec deux réseaux locaux :

Fig. 3 - Deux réseaux locaux

Dans ce schéma :

• Le switch S1 interconnecte les machines M1, M2 et M3
• Le swicth S2 interconnecte quant à lui M4, M5 et M6

Ainsi, M1, M2, M3 et S1 forment un sous-réseau, et M4, M5, M6 et S2 forment un autre sous-réseau.

Comme vous le verrez par la suite, deux machines d'un même (sous-)réseau peuvent communiquer directement entre elles. Mais deux machines appartenant à des réseaux différents ne peuvent pas communiquer directement.

Pour interconnecter deux réseaux entre eux, et permettre aux ordinateurs des deux réseaux de communiquer, on utilise des machines particulières appelées routeurs.

Fig. 4 - Un routeur Cisco CRS-1 (2004)
Crédits : Photo fournie par Cisco Systems Inc., CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Pour relier nos deux réseaux précédents, on positionne un routeur A entre les deux :

Fig. 5 - Deux réseaux interconnectés par un routeur

Ce routeur appartient à la fois aux deux réseaux, car il possède deux cartes réseaux, chacune étant reliée à l'un des deux réseaux. Désormais, les machines du premier réseau peuvent communiquer avec celles du second, et réciproquement, en passant les messages au routeur A.

Ces réseaux locaux sont généralement des sous-réseaux d'un réseau plus grand :

Fig. 6 - Un réseau constitué de plusieurs sous-réseaux

Le schéma ci-dessus correspond à un "Internet très simplifié", où différents routeurs sont reliées entre eux pour interconnecter tous les (sous-)réseaux. Il existe généralement plusieurs chemins possibles entre deux machines, ce qui permet de palier à l'éventuelle panne d'un routeur.

Les routeurs se "débrouillent" pour acheminer de proche en proche les messages entre un émetteur et un récepteur : on appelle cela le routage. Les algorithmes de routage mis en oeuvre seront étudiés en détail en classe de Terminale. Nous n'en parlerons donc pas cette année.

Adresses IP

Chacun de ses (sous-)réseaux possède une adresse IP, appelée adresse du (sous-)réseau. Dans un (sous-)réseau, il y a plusieurs machines appelées hôtes, possédant elles aussi une adresse IP dépendant de celle du (sous-)réseau.

Une adresse IPv4 (= IP version 4) est une suite de 4 octets (32 bits) : X1.X2.X3.X4 où X1, X2, X3 et X4 sont les valeurs des 4 octets, exprimées en décimal ou en binaire.

Fig. 7 - Un exemple d'adresse IPv4
Crédits : Star Trek Man, Public domain, via Wikimedia Commons

Avec IPv4, il est possible de définir $2^{32} = 4\,294\,967\,296$ adresses IP distinctes, ce qui a longtemps suffit mais le nombre de machines reliées à Internet a désormais explosé, notamment à cause des objets connectés (bien plus nombreux que les ordinateurs).

Une nouvelle norme, nommée IPv6, est progressivement utilisée car elle permet d'écrire des adresses IP sur 128 bits (au lieu de 32 pour IPv4). Cette norme permet de connecter environ 340 milliards de milliards de milliards de machines ($2^{128} \simeq$ 340 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) ce qui sera largement suffisant pour le futur d'Internet et des objets connectés.

Structure d'une adresse IP : parties réseau et machine

Pour chaque adresse, une partie des bits (les bits de poids fort, à gauche) représente la partie « réseau », et l'autre partie (les bits de poids faible, à droite) représente la partie « machine » (ou hôte).

Par exemple, si les 3 premiers octets représentent la partie réseau et le dernier la partie machine, on obtient le découpage suivant :

réseau	.	machine
11000001 00110111 11011101	.	00111110
193.55.221	.	62

Ainsi, si deux machines appartiennent au même réseau, elles possèdent la même partie réseau mais une partie machine différente. Nous allons voir comment tout cela est déterminé.

Masque de sous-réseau

Le mécanisme permettant de situer la limite en la partie réseau et la partie machine s'appelle le masque de sous-réseau (en anglais : subnet mask). C'est aussi une suite de 32 bits :

• une série continue de 1 qui fixe la partie réseau (celle de gauche)
• une série continue de 0 qui correspond à la partie machine

Exemple : Dans le cas où les 3 premiers octets représentent la partie réseau, alors le masque de sous-réseau est 11111111.11111111.11111111.00000000 ou 255.255.255.0 en décimal.

Si M1 possède l'adresse IP 192.168.1.1 et que le masque de sous-réseau est 255.255.255.0, cela signifie que la partie réseau correspond aux trois premiers octets (c'est donc 192.168.1) et que le dernier octet sert à identifier les différentes machines connectées sur ce réseau. Ainsi, toutes les machines connectées à ce réseau ont une adresse IP qui commence nécessairement par 192.168.1. Par exemple, M2 et M3 peuvent avoir pour adresses respectives 192.168.1.2 et 192.168.1.5.

Notation CIDR

Le masque de sous-réseau peut s'écrire en notation binaire ou décimale mais on utilise généralement une notation simplifiée, appelée notation CIDR (de l'anglais Classless Inter-Domain Routing). Cette notation utilise un slash suivi du nombre de bits correspondant à la partie réseau.

Exemple : le masque de sous-réseau 255.255.255.0 (soit 11111111.11111111.11111111.00000000 en binaire) s'écrit donc plus simplement /24 car il y a 24 bits pour la partie réseau.

Les masques classiques sont /24, /16 et /8 mais rien n'empêche d'avoir un masque qui ne découpe pas les parties réseau et machine sur des octets complets.

Adresses au sein d'un réseau

Adresse réseau

L'adresse réseau (d'un réseau) est l'adresse IP caractérisant ce réseau. C'est tout simplement l'adresse IP dont tous les bits de la partie machine sont à 0, autrement dit l'adresse IP la plus "basse" du réseau.

L'adresse réseau permet de savoir si 2 machines peuvent communiquer entre elles (directement). Si ces 2 machines ont une adresse réseau identique, alors elles appartiennent au même réseau et elles peuvent communiquer.

Exemple : si 193.55.221.62 (qui donne 11000001.00110111.11011101.00111110 en binaire) est une machine d'un réseau dont le masque est /24, alors l'adresse du réseau en question est :

• 11000001.00110111.11011101.00000000 les 8 derniers bits pour la machine ont été mis à zéro
• en décimal cela donne 193.55.221.0.

Ainsi, le réseau en question se note 193.55.221.0 /24.

Les adresses des machines d'un réseau sont généralement données avec le masque de sous-réseau. Par exemple, au lieu d'écrire qu'une machine a pour adresse 193.55.221.62 dans un réseau dont le masque est /24, on écrira de manière plus synthétique que cette machine a pour adresse 193.55.221.62 /24 (on précise directement le masque avec la notation CIDR).

Utilisation du ET logique

Si on connaît l'adresse d'une machine ainsi que le masque, on peut trouver l'adresse réseau en effectuant un ET logique bit à bit entre l'adresse machine et le masque de sous-réseau.

Ainsi, pour une machine d'adresse 193.55.221.62 (soit 11000001.00110111.11011101.11111000 en binaire), dans un réseau de masque /24 (soit 11111111.11111111.11111111.00000000 en binaire), on obtient l'adresse réseau ainsi :

   11000001.00110111.11011101.11111000
ET 11111111.11111111.11111111.00000000
   -----------------------------------
   11000001.00110111.11011101.00000000  <-- adresse réseau

Cette méthode peut sembler "inutile" pour des masques simples comme /24, /16 ou /8 qui correspondent pile à des octets, mais s'avère très utiles lorsque les masques sont différents, comme /18 par exemple (voir exercices).

Adresse de diffusion

L'adresse de diffusion ou broadcast est celle utilisée pour envoyer des paquets à toutes les machines du réseau. C'est l'adresse dont les bits de la partie machine sont tous à 1, autrement dit l'adresse IP la plus "haute" du réseau.

Exemple : Le réseau 193.55.221.0 /24 a donc pour adresse de diffusion 11000001 00110111 11011101 11111111 ou 193.55.221.255 en décimal (la partie machine correspond au dernier octet, dans lequel on a mis tous les bits à 1).

Plage d'adresses machines

La plage d'adresses machines est l'ensemble des adresses que peut prendre une machine sur le réseau. Comme l'adresse réseau et l'adresse de diffusion sont déjà prises, il restent toutes les adresses entre les deux pour les machines du réseau :

• la première adresse possible pour une machine est donc celle qui suit l'adresse réseau
• la dernière adresse possible pour une machine est donc celle qui précède l'adresse de diffusion

Exemple : Sur le réseau 193.55.221.0 /24, seul le dernier octet correspond à la partie machine. Or, on sait que l'adresse réseau est 193.55.221.0 et que l'adresse de broadcast est 193.55.221.255, il ne reste donc que les 254 autres adresses possibles ($256 - 2 = 254$) pour les machines : leurs adresses IP peuvent donc varier de 193.55.221.1 (la première) à 193.55.221.254 (la dernière).

Bilan

• Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. En réalité un réseau est souvent constitué d'une multitude de sous-réseaux.
• Les ordinateurs d'un même (sous-)réseau peuvent communiquer entre elles directement car elles ils sont reliés par un switch (ou commutateur). Mais si une machine veut communiquer avec une machine située dans un autre (sous-)réseau, alors il faut que ces deux réseaux soient reliés par un routeur.
• Le réseau Internet est donc un immense réseau formé de centaines de milliers de sous-réseaux reliés entre eux par un nombre très important de routeurs qui sont chargés d'acheminer les messages échangés en trouvant un chemin de proche en proche jusqu'au destinataire.
• Les communications se font via les adresses IP des machines source et destination. Dans un réseau, une adresse IP (v4) est composée de deux parties : une partie réseau, commune à tous les ordinateurs du réseau, et une partie machine qui identifie la machine dans ce réseau.
• C'est le masque de sous-réseau qui permet de déterminer la limite entre les parties réseau et machine. Le masque est souvent donnée avec sa notation CIDR pour simplifier les écritures.
• Lorsque les bits de la parties machine valent tous 0, on obtient l'adresse réseau (du réseau); et lorsqu'ils valent tous 1, on obtient l'adresse de diffusion (du réseau) aussi appelée broadcast, qui est celle à utiliser pour envoyer un message à toutes les machines du réseau.
• Toutes les autres valeurs de la partie machine de l'adresse IP peuvent être attribuées aux différentes machines du réseau.
• La connaissance de l'adresse IP d'une machine et du masque de sous-réseau permet de déterminer l'adresse réseau de la machine. En particulier, cela permettra de savoir si la machine à contacter se trouve ou non dans le même réseau que l'émetteur : dans l'affirmative le message pourra être envoyé directement, et dans le cas contraire il faudra l'envoyer à un routeur pour sortir du réseau.

---

Références :

• Cours Introduction aux réseaux du DIU EIL de l'université de Nantes, Pierrick Passard et Salima Hamma.
• Cours de SNT sur la communication entre deux machines sur Internet : https://info-mounier.fr/snt/internet/protocole-tcp-ip.php
• Cours d'introduction aux réseaux de David Roche : https://dav74.github.io/site_nsi_prem/c16c/

---

Germain Becker, Lycée Emmanuel Mounier, Angers.
Sous licence CC BY-SA 4.0.