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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
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<!DOCTYPE html
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PUBLIC "-//ENS/Tuteurs//DTD TML 1//EN"
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"tuteurs://DTD/tml.dtd">
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<html>
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<head>
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<title>Internet</title>
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</head>
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<h1>Comment marche Internet</h1>
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<h2>Relier les ordinateurs</h2>
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<h3>Le principe</h3>
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Un câble, d'un côté quelqu'un qui envoit du courant par intermittence, de
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l'autre quelqu'un qui regarde quand il y a du courant. C'est le principe du
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télégraphe, avec le code Morse. Et ça s'adapte vraiment parfaitement aux
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ordinateurs. Les ordinateurs peuvent même faire mieux : ils ont des
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métronomes (dans le domaine informatique on parle d'horloges) qui battent
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très précisément la mesure ; à chaque tic, ils peuvent envoyer ou pas le
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courant, ça fait un bit d'information à chaque fois.
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Nous ne rentrerons pas dans les détails de la réalisatoin physique : ça
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peut aller d'une bête paire de fils sur à peine plus d'un mètre à un
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faisceau de fibres optiques, en passant par un câble coaxial. Ça peut
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également être des ondes radio, ou bien le fait de dire ou de ne pas dire
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bip sur une ligne téléphonique. Bref, il y a plein de manières pour deux
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ordinateurs de se dire 0 ou 1.
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Ça, c'est bien pour relier deux ordinateurs. Mais comment faire s'il y en a
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plusieurs ? Tirer un câble entre chaque paire n'est pas envisageable. La
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solution la moins coûteuse, et donc celle qui a été rapidement préférée, est
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d'utiliser un seul câble qui connecte tous les ordinateurs. Quand un
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ordinateur veut parler, il parle à tous les autres, et il faut inventer des
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moyens pour que deux ne parlent pas en même temps. Le système de ce genre le
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plus répandu consiste en un câble coaxial où tous les ordinateurs sont
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branchés en sérié ; plus récemment on a adopté une structure en étoile
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autour d'un appareil bon marché appelé hub, plus efficace et plus robuste
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que la structure en série.
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Plusieurs ordinateurs, c'est bien, mais relier beaucoup d'ordinateur, c'est
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mieux. La technologie des câbles impose des limites de longueur, et il est
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rarement possible de relier directement un câble coaxial de réseau
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domestique à un faisceau de fibres optiques transatlantique. La solution
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consiste alors à avoir une machine branchée sur les deux (ou plus) réseaux,
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avec pour tâche de faire suivre l'information de l'un à l'autre ; quand un
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ordinateur d'un réseau veut parler à un ordinateur de l'autre réseau, il
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adresse son message à cette machine, avec une étiquette indiquant le
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destinataire. On appelle une telle machine un <dfn>routeur</dfn>.
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<h3>Comment on fait, en vrai, sur Internet</h3>
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Pour les réseaux locaux (les
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<abbr lang="en" title="Local Area Network">LAN</abbr> quand on veut faire
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moderne), la technologie employée est <dfn>ethernet</dfn>. Elle fonctionne
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soit avec un câble coaxial en série, soit avec un câble simple (à huit fils
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dont peu sont vraiment utilisés) organisé en étoile autour d'un hub. Avec
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ethernet, les données sont envoyées par blocs appelés trames qui font au
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plus environ 1,5 ko. Il n'y a pas de système pour s'assurer <i>a priori</i>
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que deux ordinateurs sur le câble ne parlent pas en même temps : la
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détection se fait <i>a posteriori</i> par le fait que le signal est alors
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incompréhensible ; les deux ordinateurs réémettent alors après un délai
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aléatoire, qui sera probablement différent ; en pratique, ce système marche
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plutôt bien.
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Au début de chaque trame ethernet, ou trouve ce qu'on appelle un
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<dfn>entête</dfn> : quelques octets réservés par le protocole ethernet
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lui-même pour son fonctionnement interne. Toutes les cartes réseau ethernet
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possèdent une adresse
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<abbr lang="en" title="Media Access Control">MAC</abbr> depuis l'usine (mais
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les cartes modernes permettent de la changer), qui est code unique de six
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octets. Par exemple clipper a pour adresse MAC
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<code>08:00:20:b0:24:32</code>. Dans l'entête ethernet, on trouve l'adresse
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MAC de l'ordinateur auquel la trame est adressée (ainsi que celle de
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l'ordinateur qui envoit). En temps normal, le filtrage se fait directement
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au niveau de la carte réseau, de sorte que parmi les ordinateurs sur un même
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câble, seul celui qui est concerné voit effectivement un message.
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Dans l'entête ethernet, on trouve également un numéro de protocole. C'est un
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petit nombre, sur deux octets, qui décrit très brièvement ce qu'on prévoit
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de faire avec les données de la trame.
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L'<abbr lang="en" title="Internet Assigned Numbers Authority">IANA</abbr>
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tient à jour une
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<a href="http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers">table des numéros
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ethernet</a> attribués. Ainsi, le système d'exploitation de l'ordinateur qui
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a reçu la trame peut immédiatement appeler le bon sous-système, ou ignorer
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la trame s'il ne sait pas quoi en faire. Pour illustrer, quand on utilise
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ethernet pour faire passer de l'« Internet », le numéro est 513. Ce
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mécanisme de numéros décrivant le genre d'utilisation d'un système est très
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général, et on le retrouve à tous les niveaux des protocoles Internet.
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Quand on utilise une ligne téléphonique, le protocole employé est le
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<span lang="en">Point to Point</span> (PPP). Il a des mécanismes différents
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parce qu'il ne relie que deux ordinateurs, mais sous des contraintes
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différentes (ligne moins fiable et temps de latence supérieur).
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<h2>Relier les réseaux</h2>
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<h3>Le routage</h3>
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Mettez une lettre à la poste. Si le destinataire habite dans la même ville,
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elle lui sera distribuée directement. S'il habite dans une ville voisine, le
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facteur transmet la lettre à son collègue de cette ville. S'il habite plus
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loin, le facteur transmettra la lettre au centre de tri dont il dépend. Et à
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son tour, le centre de tri va faire suivre la lettre à qui de droit. La
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lettre va donc passer par différentes étapes où elle sera redirigée en
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fonction de l'adresse qui est écrite dessus.
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Les réseaux informatiques, dès qu'ils dépassent les quelques dizaines de
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machines qu'on peut brancher sur un même câble, fonctionnent de la même
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manière : les données sont découpées en <dfn>paquets</dfn>, qui jouent le
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rôle de notre enveloppe. Quand il n'est pas possible de transmettre le
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paquet directement à son destinataire, il est transmis à un ordinateur
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(défini dans la configuration du réseau) appelé <dfn>routeur</dfn>. Cet
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ordinateur est censé être capable de faire suivre le paquet ; ça suppose par
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exemple qu'il est relié par un autre câble à un autre réseau.
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Pour pouvoir marcher, ce système a besoin que les ordinateurs soient dotés
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d'une adresse qui reflète leur position dans le réseau global. L'adresse MAC
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ne convient pas pour cette tâche, d'une part parce que elle est (plus ou
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moins) immuable et ne correspond en rien à la position sur le réseau (un
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portable qu'on débranche d'un endroit et rebranche a un autre ne change pas
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d'adresse MAC), et d'autre part parce qu'on souhaite que ça fonctionne avec
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différents types de connexion (les modems pour les connexions PPP, par
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exemple, n'ont pas d'adresse MAC). On invente alors un nouveau système
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d'adresses, indépendant du protocole utilisé pour connecter les ordinateurs.
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<h3>Le protocole IP</h3>
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Ce qui fait Internet, c'est
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<abbr lang="en" title="Internet Protocol">IP</abbr> (et l'on découvre que le
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titre de cette section est un pléonasme). Ce protocole décrit la structure
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des adresses utilisée, la manière d'écrire ces adresses dans les paquets, et
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les moyens d'assurer leur bonne circulation.
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Nous utilisons actuellement la version 4 d'IP, ce qu'on indique parfois par
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IPv4. Dans cette version, les adresses sont constituées de 32 chiffres
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binaires (bits), ce qu'on écrit généralement sous la forme de quatre nombres
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entre 0 et 255. Par exemple, l'adresse IP de clipper est 129.199.129.1. Une
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nouvelle version d'IP, IPv6, est progressivement mis en place ; les adresses
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y font 128 bits, et sont écrites en hexadécimal ; l'ENS n'est pas reliée en
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IPv6, mais si vous voulez un exemple, 2001:660:3001:4002:2C0:4FFF:FE4E:41D3
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est l'adresse IPv6 du serveur web de
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<a href="http://www.renater.fr/">Renater</a>.
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Tout ordinateur relié à Internet possède (au moins) une adresse IP, et il
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est le seul à la posséder (dans Internet). Ces adresses sont structurées en
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réseaux et sous-réseaux, en fixant les chiffres de gauche à droite. Ainsi,
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toutes les adresses en 129.199.x.y sont dans l'ENS, et celles en
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129.199.129.y sont plus particulièrement dans la salle S. De l'extérieur,
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quelqu'un qui veut envoyer un paquet à 129.199.129.1 a seulement à savoir
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qu'il doit l'envoyer à l'ENS. C'est ensuite à nos routeurs de finir le
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travail.
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Les paquets IP comportent tous l'adresse IP de l'expéditeur, celle du
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destinataire, une somme de contrôle qui permet de vérifier qu'il est intact,
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et un numéro de protocole indiquant à quoi va servir ce paquet. Ils
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comportent également un compteur qui limite le nombre de routeurs par lequel
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il peut passer (de manière à ce qu'un paquet perdu ne reste pas éternellement
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à circuler entre des routeurs mal configurés), ainsi que quelques autres
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options. Un des principes d'Internet, c'est que les routeurs font le strict
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minimum : ils doivent se contenter de faire suivre les paquets sans les
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altérer (sauf le compteur ; si un paquet a atteint la limite, le routeur
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l'arrête et envoit un paquet à l'expéditeur pour signaler l'erreur). Un des
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autres principes est que tous les ordinateurs sont égaux : du point de vue
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du protocole, rien ne distingue le super ordinateur central de la NASA de
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votre petit PC personnel ; en particulier, rien ne distingue un serveur d'un
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poste client.
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IP est conçu sur un principe de <span lang="en">best effort</span> (meilleur
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effort) : les infrastructures (les routeurs) font leur possible pour faire
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parvenir vos paquets, mais sans aucune garantie. Un paquet peut disparaître
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sans laisser de trace, ou bien se perdre au mauvais endroit (mais il n'ira
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en général pas bien loin), ou encore être retardé et arriver après un paquet
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pourtant parti plus tard. Il arrive même qu'un paquet arrive en plusieurs
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exemplaires. Bien sûr, <em>en général</em>, les paquets arrivent bien, et
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dans l'ordre. Ce principe du meilleur effort a l'avantage d'être simple et
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léger ; il est ensuite possible de concevoir un système d'accusés de
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réception et de numéros d'ordre pour assurer la fiabilité de la
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transmission.
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<h2>Relier les programmes</h2>
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<h3>Trier les paquets</h3>
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C'est bien gentil de dire que votre ordinateur peut envoyer des paquets qui
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arriveront (peut-être) à n'importe quel ordinateur dans le monde, mais vous,
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ce qui vous intéresse, c'est de surfer sur le web et d'envoyer du courrier
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en même temps, et que les informations arrivent. Pourtant, le web et le
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courrier électronique ne sont pas toujours dans le même logiciel : il faut
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donc que plusieurs applications puissent se partager le réseau, et que l'une
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n'aille pas recevoir les données de l'autre.
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Quand on programme une application réseau, on amierait en général avoir une
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sorte de tuyau : tout ce qu'on dit d'un côté, l'application à l'autre bout
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le reçoit, dans l'ordre, sans perte, et une seule fois, et inversement, on
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reçoit tout ce qu'elle dit. Si les ordinateurs aux deux bouts sont d'accord,
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un tel tuyau peut être simulé : on découpe ce qui doit passer dans le tuyau
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en morceaux assez petits pour tenir dans des paquets, et on les expédie avec
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un numéro d'ordre ; à l'autre bout, l'ordinateur répond par un paquet
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accusant la réception, et utilise les numéros pour remettre de l'ordre. Si
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on constate qu'un accusé de réception tarde, on réexpédie le paquet
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incriminé, au pire il arrivera en double et ce n'est pas grave.
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Tant qu'on en est à rajouter des numéros aux paquets, on peut ajouter encore
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quelques informations. Par exemple l'identité du programme qui l'a envoyé,
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ou l'identité du programme qui doit le recevoir. Avec tout ça, on peut
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concevoir des <dfn>connexions</dfn> réseau : un tuyau virtuel entre un
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ordinateur et un autre, avec une extrémité qui envoit des paquets, attend
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des accusés de réception, et réexpédie les paquets qui se perdent, et
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l'autre extrémité qui reçoit les paquets et les remet dans l'ordre. Quand un
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paquet arrive sur un ordinateur, le système réseau consulte son contenu pour
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voir ses références, et trouve dans ses tables à quelle connexion il
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appartient.
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Tout ceci est normalement fait par le système d'exploitation des
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ordinateurs, et caché aux programmes. Les programmes, eux, se contentent de
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réclamer une connexion, et ensuite d'utiliser le tuyau. Les données passent,
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ils n'ont pas à se soucier de toute la machinerie interne.
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<h3>Le protocole TCP</h3>
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Sur internet, le protocole qui sert à établir des connexions est
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<abbr lang="en" title="Transmission Control Protocol">TCP</abbr>. Pour
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distinguer les connexions, TCP utilise un <dfn>numéro de port</dfn>, un
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petit nombre (entre 1 et 65535), qu'on peut voir un peu comme le casier d'un
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élève, alors que l'adresse IP correspond à « 45 rue d'Ulm ». Une connexion est
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identifiée par quatre données :
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<ul>
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<li>l'adresse IP de l'ordinateur de départ ;</li>
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<li>le port sur cet ordinateur ;</li>
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<li>l'adresse IP de l'ordinateur d'arrivée ;</li>
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<li>le port sur cet ordinateur</li>
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</ul>
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Chaque paquet échangé dans le cadre d'une connexion rappelle ces quatre
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références. On peut remarquer que sur un ordinateur donné, le même port peut
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participer à plusieurs connexions. De fait, ça arrive assez souvent, mais
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jamais aux deux extrémités à la fois (même si rien ne l'interdit
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fondamentalement).
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Les connexions TCP sont toujours doubles : dans un sens et dans l'autre
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entre les mêmes extrémités.
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Du point de vue du programme, une connexion est un objet sur lequel on peut
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lire et écrire des données. Sous Unix, ça se présente presque de la même
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manière qu'un fichier. Le système d'exploitation sait à quel programme
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chaque connexion active « appartient », et fait tout le nécessaire.
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<h3>Clients et serveurs</h3>
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Comme dans toutes relations de couple, aux débuts d'une connexion, il faut
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que l'un des deux fasse le premier pas, alors que l'autre se contente
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d'attendre. En informatique, l'extrémité de la future connexion qui attend
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s'appelle un <dfn>serveur</dfn> (eh oui, c'est le contraire du restaurant,
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où le serveur vient à votre table prendre la commande), tandis que
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l'extrémité qui fait le premier pas (qui envoit le premier paquet) s'appelle
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le <dfn>client</dfn>. Après l'échange de quelques paquets (trois, avec TCP)
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pour vérifier qu'il y a bien un serveur au port demandé, pour se mettre
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d'accord sur la taille des paquet, etc., la connexion est établié.
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Une fois que c'est fait, il n'y a du point de vue du réseau plus de
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différence entre les deux extrémités. Cependant, le dialogue entre les
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programmes ne sera probablement pas symétrique : une fois une connexion
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établie entre votre navigateur web et
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<a href="http://www.google.com/">Google</a>, c'est bien votre navigateur web
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qui va poser une question à Google et non l'inverse. Il arrive néanmoins que
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ça finisse par être symétrique, en particulier dans le cas de dialogue en
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direct (avec ytalk par exemple) ou de jeux en réseau sans serveur central.
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L'important est que les deux extrémités se comprennent. Pour ça, elles
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doivent encore une fois coder leurs données d'une certaine manière : encore
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un protocole. Cette manière n'est d'ailleurs pas la même s'il s'agit de web,
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de mail, ou d'autres activités tout aussi passionnantes.
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Les plus attentifs doivent se poser une question : il y a sur l'ordinateur
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de Google (dont l'adresse IP est 216.239.59.99) 65535 ports différents,
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comment notre navigateur web a-t-il deviné le quel contacter ? La réponse
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est simple : le web, c'est sur le port 80. Pourquoi 80 ? C'est comme ça. Les
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services importants ont des numéros de port qui leur sont dédiés, l'IANA les
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<a href="http://www.iana.org/assignments/port-numbers">recense</a>. Les
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services moins répandus prennent un port plus ou moins au hasard, en
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espérant ne pas entrer en conflit avec un autre service, et comme c'est la
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même personne qui écrit les programme client et serveur c'est le même qui
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est utilisé des deux côtés.
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Sous Unix, il faut des droits spéciaux pour créer un serveur sur un port en
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dessous de 1024, ce qui permet d'être sûr, quand on donne son mot de passe à
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SSH (port 23) ou à IMAP (port 143), d'être bien en train de parler au
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programme autorisé. Au dessus de 1024, c'est libre. Certains se rappellent
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peut-être que le serveur web des élèves était
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<code>http://www.eleves.ens.fr<strong>:8080</strong>/</code>. Ceci veut dire
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qu'il était sur le port 8080 au lieu du 80 habituel, justepent parce qu'il
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aurait fallu des droits supplémentaires pour avoir 80.
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Pour le client, c'est en général plus simple : le programme laisse le
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système d'exploitation choisir un port inutilisé. Certains programmes
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forcent l'utilisation d'un port en dessous de 1024 pour prouver qu'ils ne
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sont pas n'importe quel utilisateur, mais cette pratique tombe en désuétude
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au profit de méthodes cryptographiques.
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<h2>Plus pour nous faciliter la vie</h2>
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<h3>Le DNS</h3>
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Se rappeler les adresses IP, ce n'est pas facile. Et ce sera encore pire
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avec IPv6. Mais le problème n'est pas nouveau : on a le même avec les
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numéros de téléphone, et pour le résoudre on a inventé l'annuaire.
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L'annuaire pour Internet s'appelle le
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<abbr lang="en" title="Domain Name System">DNS</abbr>, et fonctionne bien
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entendu en réseau.
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À l'échelle d'un site, ou d'un fournisseur d'accès, il y a un (ou plusieurs)
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ordinateur, que tous les autres connaissent par son adresse IP, et sur
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lequel tourne un programme qui écoute sur le port 53 et qui se charge de
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répondre aux questions du genre « quelle est l'adresse IP de
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<code>www.google.com</code> ? ».
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Ce programme n'a en général pas la réponse, mais il a l'adresse d'autres
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ordinateurs à qui demander, qui eux-mêmes peuvent ne pas savoir mais avoir
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l'adresse d'autres ordinateurs, etc. Le système est hiérarchique. Il y a à
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la racine quelques ordinateurs (une douzaine) qui savent qui s'occupe des
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<code>.com</code>, qui s'occupe des <code>.org</code>, qui s'occupe des
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<code>.fr</code>, etc. Dans le cas des <code>.fr</code>, il y a encore
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quelques ordinateurs, gérés par des organismes français (enfin, pas tous),
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qui savent à qui s'adresser pour chaque domaine. Et ainsi de suite.
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Par exemple, pour connaître l'adresse de <code>clipper.ens.fr</code>, il
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faut commencer par interroger l'un des serveurs racine, par exemple
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198.41.0.4, qui répond qui'il ne sait pas, mais que les <code>.fr</code>
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sont gérés par 192.93.0.1, 193.51.208.13, et quelques autres. Si on
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interroge l'un d'entre eux, on apprend qu'il ne sait pas non plus, mais il
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nous informe que <code>ens.fr</code> est géré par 129.199.96.11 (on
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reconnaît le 129.199 : c'est un ordinateur de l'ENS) et quelques autres.
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Enfin, on interroge 129.199.96.11, et on obtient la réponse, à savoir
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129.199.129.1
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Bien sûr, tous les programmes pour faire ça sont déjà écrits : quand on
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programme une nouvelle application réseau, il suffit d'utiliser la bonne
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fonction de la bibliothèque standard.
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</p>
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<div class="metainformation">
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Auteur : Nicolas George.
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Dernière modification le <date value="$Date: 2007-07-17 10:03:07 $"/>.
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</div>
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</body>
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</html>
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