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<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1"?>
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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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<body>
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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 c<>ble, d'un c<>t<EFBFBD> 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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t<EFBFBD>l<EFBFBD>graphe, avec le code Morse. Et <20>a s'adapte vraiment parfaitement aux
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ordinateurs. Les ordinateurs peuvent m<>me faire mieux<75>: ils ont des
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m<EFBFBD>tronomes (dans le domaine informatique on parle d'horloges) qui battent
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tr<EFBFBD>s pr<70>cis<69>ment la mesure<72>; <20> chaque tic, ils peuvent envoyer ou pas le
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courant, <20>a fait un bit d'information <20> chaque fois.
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<p>
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Nous ne rentrerons pas dans les d<>tails de la r<>alisatoin physique<75>: <20>a
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peut aller d'une b<>te paire de fils sur <20> peine plus d'un m<>tre <20> un
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faisceau de fibres optiques, en passant par un c<>ble coaxial. <20>a peut
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<EFBFBD>galement <20>tre des ondes radio, ou bien le fait de dire ou de ne pas dire
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bip sur une ligne t<>l<EFBFBD>phonique. Bref, il y a plein de mani<6E>res pour deux
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ordinateurs de se dire 0 ou 1.
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</p>
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<p>
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<EFBFBD>a, c'est bien pour relier deux ordinateurs. Mais comment faire s'il y en a
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plusieurs<EFBFBD>? Tirer un c<>ble entre chaque paire n'est pas envisageable. La
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solution la moins co<63>teuse, et donc celle qui a <20>t<EFBFBD> rapidement pr<70>f<EFBFBD>r<EFBFBD>e, est
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d'utiliser un seul c<>ble qui connecte tous les ordinateurs. Quand un
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ordinateur veut parler, il parle <20> tous les autres, et il faut inventer des
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moyens pour que deux ne parlent pas en m<>me temps. Le syst<73>me de ce genre le
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plus r<>pandu consiste en un c<>ble coaxial o<> tous les ordinateurs sont
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branch<EFBFBD>s en s<>ri<72><69>; plus r<>cemment on a adopt<70> une structure en <20>toile
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autour d'un appareil bon march<63> appel<65> hub, plus efficace et plus robuste
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que la structure en s<>rie.
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<p>
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Plusieurs ordinateurs, c'est bien, mais relier beaucoup d'ordinateur, c'est
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mieux. La technologie des c<>bles impose des limites de longueur, et il est
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rarement possible de relier directement un c<>ble coaxial de r<>seau
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domestique <20> un faisceau de fibres optiques transatlantique. La solution
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consiste alors <20> avoir une machine branch<63>e sur les deux (ou plus) r<>seaux,
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avec pour t<>che de faire suivre l'information de l'un <20> l'autre<72>; quand un
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ordinateur d'un r<>seau veut parler <20> un ordinateur de l'autre r<>seau, il
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adresse son message <20> cette machine, avec une <20>tiquette 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 r<>seaux 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 employ<6F>e est <dfn>ethernet</dfn>. Elle fonctionne
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soit avec un c<>ble coaxial en s<>rie, soit avec un c<>ble simple (<28> huit fils
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dont peu sont vraiment utilis<69>s) organis<69> en <20>toile autour d'un hub. Avec
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ethernet, les donn<6E>es sont envoy<6F>es par blocs appel<65>s trames qui font au
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plus environ 1,5<>ko. Il n'y a pas de syst<73>me pour s'assurer <i>a priori</i>
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que deux ordinateurs sur le c<>ble ne parlent pas en m<>me temps<70>: la
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d<EFBFBD>tection se fait <i>a posteriori</i> par le fait que le signal est alors
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incompr<EFBFBD>hensible<EFBFBD>; les deux ordinateurs r<><72>mettent alors apr<70>s un d<>lai
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al<EFBFBD>atoire, qui sera probablement diff<66>rent<6E>; en pratique, ce syst<73>me marche
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plut<EFBFBD>t bien.
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</p>
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<p>
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Au d<>but de chaque trame ethernet, ou trouve ce qu'on appelle un
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<dfn>ent<6E>te</dfn><3E>: quelques octets r<>serv<72>s par le protocole ethernet
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lui-m<>me pour son fonctionnement interne. Toutes les cartes r<>seau ethernet
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poss<EFBFBD>dent 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'ent<6E>te ethernet, on trouve l'adresse
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MAC de l'ordinateur auquel la trame est adress<73>e (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 r<>seau, de sorte que parmi les ordinateurs sur un m<>me
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c<EFBFBD>ble, seul celui qui est concern<72> voit effectivement un message.
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Dans l'ent<6E>te ethernet, on trouve <20>galement un num<75>ro de protocole. C'est un
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petit nombre, sur deux octets, qui d<>crit tr<74>s bri<72>vement ce qu'on pr<70>voit
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de faire avec les donn<6E>es de la trame.
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L'<abbr lang="en" title="Internet Assigned Numbers Authority">IANA</abbr>
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tient <20> jour une
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<a href="http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers">table des num<75>ros
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ethernet</a> attribu<62>s. Ainsi, le syst<73>me d'exploitation de l'ordinateur qui
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a re<72>u la trame peut imm<6D>diatement appeler le bon sous-syst<73>me, 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'<27><>Internet<65><74>, le num<75>ro est 513. Ce
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m<EFBFBD>canisme de num<75>ros d<>crivant le genre d'utilisation d'un syst<73>me est tr<74>s
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g<EFBFBD>n<EFBFBD>ral, et on le retrouve <20> tous les niveaux des protocoles Internet.
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</p>
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<p>
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Quand on utilise une ligne t<>l<EFBFBD>phonique, le protocole employ<6F> est le
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<span lang="en">Point to Point</span> (PPP). Il a des m<>canismes diff<66>rents
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parce qu'il ne relie que deux ordinateurs, mais sous des contraintes
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diff<EFBFBD>rentes (ligne moins fiable et temps de latence sup<75>rieur).
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</p>
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<h2>Relier les r<>seaux</h2>
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<h3>Le routage</h3>
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Mettez une lettre <20> la poste. Si le destinataire habite dans la m<>me ville,
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elle lui sera distribu<62>e directement. S'il habite dans une ville voisine, le
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facteur transmet la lettre <20> son coll<6C>gue de cette ville. S'il habite plus
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loin, le facteur transmettra la lettre au centre de tri dont il d<>pend. Et <20>
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son tour, le centre de tri va faire suivre la lettre <20> qui de droit. La
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lettre va donc passer par diff<66>rentes <20>tapes o<> elle sera redirig<69>e en
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fonction de l'adresse qui est <20>crite dessus.
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Les r<>seaux informatiques, d<>s qu'ils d<>passent les quelques dizaines de
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machines qu'on peut brancher sur un m<>me c<>ble, fonctionnent de la m<>me
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mani<EFBFBD>re<EFBFBD>: les donn<6E>es sont d<>coup<75>es en <dfn>paquets</dfn>, qui jouent le
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r<EFBFBD>le de notre enveloppe. Quand il n'est pas possible de transmettre le
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paquet directement <20> son destinataire, il est transmis <20> un ordinateur
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(d<>fini dans la configuration du r<>seau) appel<65> <dfn>routeur</dfn>. Cet
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ordinateur est cens<6E> <20>tre capable de faire suivre le paquet<65>; <20>a suppose par
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exemple qu'il est reli<6C> par un autre c<>ble <20> un autre r<>seau.
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<p>
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Pour pouvoir marcher, ce syst<73>me a besoin que les ordinateurs soient dot<6F>s
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d'une adresse qui refl<66>te leur position dans le r<>seau global. L'adresse MAC
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ne convient pas pour cette t<>che, d'une part parce que elle est (plus ou
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moins) immuable et ne correspond en rien <20> la position sur le r<>seau (un
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portable qu'on d<>branche 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 <20>a fonctionne avec
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diff<EFBFBD>rents 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 syst<73>me
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d'adresses, ind<6E>pendant du protocole utilis<69> 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 d<>couvre que le
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titre de cette section est un pl<70>onasme). Ce protocole d<>crit la structure
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des adresses utilis<69>e, la mani<6E>re d'<27>crire ces adresses dans les paquets, et
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les moyens d'assurer leur bonne circulation.
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</p>
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<p>
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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 constitu<74>es de 32 chiffres
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binaires (bits), ce qu'on <20>crit g<>n<EFBFBD>ralement 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<63>; les adresses
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y font 128<32>bits, et sont <20>crites en hexad<61>cimal<61>; l'ENS n'est pas reli<6C>e 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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</p>
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<p>
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Tout ordinateur reli<6C> <20> Internet poss<73>de (au moins) une adresse IP, et il
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est le seul <20> la poss<73>der (dans Internet). Ces adresses sont structur<75>es en
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r<EFBFBD>seaux et sous-r<>seaux, en fixant les chiffres de gauche <20> 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 particuli<6C>rement dans la salle S. De l'ext<78>rieur,
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quelqu'un qui veut envoyer un paquet <20> 129.199.129.1 a seulement <20> savoir
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qu'il doit l'envoyer <20> l'ENS. C'est ensuite <20> nos routeurs de finir le
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travail.
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</p>
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<p>
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Les paquets IP comportent tous l'adresse IP de l'exp<78>diteur, celle du
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destinataire, une somme de contr<74>le qui permet de v<>rifier qu'il est intact,
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et un num<75>ro de protocole indiquant <20> quoi va servir ce paquet. Ils
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comportent <20>galement un compteur qui limite le nombre de routeurs par lequel
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il peut passer (de mani<6E>re <20> ce qu'un paquet perdu ne reste pas <20>ternellement
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<EFBFBD> circuler entre des routeurs mal configur<75>s), 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<EFBFBD>: ils doivent se contenter de faire suivre les paquets sans les
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alt<EFBFBD>rer (sauf le compteur<75>; si un paquet a atteint la limite, le routeur
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l'arr<72>te et envoit un paquet <20> l'exp<78>diteur pour signaler l'erreur). Un des
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autres principes est que tous les ordinateurs sont <20>gaux<75>: 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<65>; en particulier, rien ne distingue un serveur d'un
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poste client.
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</p>
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<p>
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IP est con<6F>u sur un principe de <span lang="en">best effort</span> (meilleur
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effort)<29>: les infrastructures (les routeurs) font leur possible pour faire
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parvenir vos paquets, mais sans aucune garantie. Un paquet peut dispara<72>tre
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sans laisser de trace, ou bien se perdre au mauvais endroit (mais il n'ira
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en g<>n<EFBFBD>ral pas bien loin), ou encore <20>tre retard<72> et arriver apr<70>s un paquet
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pourtant parti plus tard. Il arrive m<>me qu'un paquet arrive en plusieurs
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exemplaires. Bien s<>r, <em>en g<>n<EFBFBD>ral</em>, les paquets arrivent bien, et
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dans l'ordre. Ce principe du meilleur effort a l'avantage d'<27>tre simple et
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l<EFBFBD>ger<EFBFBD>; il est ensuite possible de concevoir un syst<73>me d'accus<75>s de
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r<EFBFBD>ception et de num<75>ros d'ordre pour assurer la fiabilit<69> de la
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transmission.
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</p>
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<h2>Relier les programmes</h2>
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<h3>Trier les paquets</h3>
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<p>
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C'est bien gentil de dire que votre ordinateur peut envoyer des paquets qui
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arriveront (peut-<2D>tre) <20> n'importe quel ordinateur dans le monde, mais vous,
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ce qui vous int<6E>resse, c'est de surfer sur le web et d'envoyer du courrier
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en m<>me temps, et que les informations arrivent. Pourtant, le web et le
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courrier <20>lectronique ne sont pas toujours dans le m<>me logiciel<65>: il faut
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donc que plusieurs applications puissent se partager le r<>seau, et que l'une
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n'aille pas recevoir les donn<6E>es de l'autre.
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</p>
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<p>
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Quand on programme une application r<>seau, on amierait en g<>n<EFBFBD>ral avoir une
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sorte de tuyau<61>: tout ce qu'on dit d'un c<>t<EFBFBD>, l'application <20> l'autre bout
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|
|
le re<72>oit, dans l'ordre, sans perte, et une seule fois, et inversement, on
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|
|
re<EFBFBD>oit tout ce qu'elle dit. Si les ordinateurs aux deux bouts sont d'accord,
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|
un tel tuyau peut <20>tre simul<75><6C>: on d<>coupe ce qui doit passer dans le tuyau
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|
|
en morceaux assez petits pour tenir dans des paquets, et on les exp<78>die avec
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|
|
un num<75>ro d'ordre<72>; <20> l'autre bout, l'ordinateur r<>pond par un paquet
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|
|
accusant la r<>ception, et utilise les num<75>ros pour remettre de l'ordre. Si
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|
on constate qu'un accus<75> de r<>ception tarde, on r<>exp<78>die le paquet
|
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incrimin<EFBFBD>, au pire il arrivera en double et ce n'est pas grave.
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</p>
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<p>
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Tant qu'on en est <20> rajouter des num<75>ros aux paquets, on peut ajouter encore
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quelques informations. Par exemple l'identit<69> du programme qui l'a envoy<6F>,
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ou l'identit<69> du programme qui doit le recevoir. Avec tout <20>a, on peut
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concevoir des <dfn>connexions</dfn> r<>seau<61>: un tuyau virtuel entre un
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|
|
ordinateur et un autre, avec une extr<74>mit<69> qui envoit des paquets, attend
|
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des accus<75>s de r<>ception, et r<>exp<78>die les paquets qui se perdent, et
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|
|
l'autre extr<74>mit<69> qui re<72>oit les paquets et les remet dans l'ordre. Quand un
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|
paquet arrive sur un ordinateur, le syst<73>me r<>seau consulte son contenu pour
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voir ses r<>f<EFBFBD>rences, et trouve dans ses tables <20> quelle connexion il
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|
appartient.
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</p>
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<p>
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|
Tout ceci est normalement fait par le syst<73>me d'exploitation des
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ordinateurs, et cach<63> aux programmes. Les programmes, eux, se contentent de
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r<EFBFBD>clamer une connexion, et ensuite d'utiliser le tuyau. Les donn<6E>es passent,
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ils n'ont pas <20> 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 <20> <20>tablir 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>num<75>ro 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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<EFBFBD>l<EFBFBD>ve, alors que l'adresse IP correspond <20> <20><>45 rue d'Ulm<6C><6D>. Une connexion est
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identifi<EFBFBD>e par quatre donn<6E>es<65>:
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<ul>
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<li>l'adresse IP de l'ordinateur de d<>part<72>;</li>
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<li>le port sur cet ordinateur<75>;</li>
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<li>l'adresse IP de l'ordinateur d'arriv<69>e<EFBFBD>;</li>
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<li>le port sur cet ordinateur</li>
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</ul>
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Chaque paquet <20>chang<6E> dans le cadre d'une connexion rappelle ces quatre
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r<EFBFBD>f<EFBFBD>rences. On peut remarquer que sur un ordinateur donn<6E>, le m<>me port peut
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participer <20> plusieurs connexions. De fait, <20>a arrive assez souvent, mais
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jamais aux deux extr<74>mit<69>s <20> la fois (m<>me si rien ne l'interdit
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fondamentalement).
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Les connexions TCP sont toujours doubles<65>: dans un sens et dans l'autre
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entre les m<>mes extr<74>mit<69>s.
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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 <20>crire des donn<6E>es. Sous Unix, <20>a se pr<70>sente presque de la m<>me
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mani<EFBFBD>re qu'un fichier. Le syst<73>me d'exploitation sait <20> quel programme
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chaque connexion active <20><>appartient<6E><74>, et fait tout le n<>cessaire.
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<h3>Clients et serveurs</h3>
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Comme dans toutes relations de couple, aux d<>buts 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'extr<74>mit<69> 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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o<EFBFBD> le serveur vient <20> votre table prendre la commande), tandis que
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l'extr<74>mit<69> qui fait le premier pas (qui envoit le premier paquet) s'appelle
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le <dfn>client</dfn>. Apr<70>s l'<27>change de quelques paquets (trois, avec TCP)
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pour v<>rifier qu'il y a bien un serveur au port demand<6E>, pour se mettre
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d'accord sur la taille des paquet, etc., la connexion est <20>tabli<6C>.
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Une fois que c'est fait, il n'y a du point de vue du r<>seau plus de
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diff<EFBFBD>rence entre les deux extr<74>mit<69>s. Cependant, le dialogue entre les
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programmes ne sera probablement pas sym<79>trique<75>: une fois une connexion
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<EFBFBD>tablie 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 <20> Google et non l'inverse. Il arrive n<>anmoins que
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<EFBFBD>a finisse par <20>tre sym<79>trique, en particulier dans le cas de dialogue en
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direct (avec ytalk par exemple) ou de jeux en r<>seau sans serveur central.
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L'important est que les deux extr<74>mit<69>s se comprennent. Pour <20>a, elles
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doivent encore une fois coder leurs donn<6E>es d'une certaine mani<6E>re<72>: encore
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un protocole. Cette mani<6E>re n'est d'ailleurs pas la m<>me s'il s'agit de web,
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de mail, ou d'autres activit<69>s tout aussi passionnantes.
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Les plus attentifs doivent se poser une question<6F>: il y a sur l'ordinateur
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de Google (dont l'adresse IP est 216.239.59.99) 65535 ports diff<66>rents,
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comment notre navigateur web a-t-il devin<69> le quel contacter<65>? La r<>ponse
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est simple<6C>: le web, c'est sur le port 80. Pourquoi 80<38>? C'est comme <20>a. Les
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services importants ont des num<75>ros de port qui leur sont d<>di<64>s, 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 r<>pandus prennent un port plus ou moins au hasard, en
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esp<EFBFBD>rant ne pas entrer en conflit avec un autre service, et comme c'est la
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m<EFBFBD>me personne qui <20>crit les programme client et serveur c'est le m<>me qui
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est utilis<69> des deux c<>t<EFBFBD>s.
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Sous Unix, il faut des droits sp<73>ciaux pour cr<63>er un serveur sur un port en
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dessous de 1024, ce qui permet d'<27>tre s<>r, quand on donne son mot de passe <20>
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SSH (port 23) ou <20> IMAP (port 143), d'<27>tre bien en train de parler au
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programme autoris<69>. Au dessus de 1024, c'est libre. Certains se rappellent
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peut-<2D>tre que le serveur web des <20>l<EFBFBD>ves <20>tait
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<code>http://www.eleves.ens.fr<strong>:8080</strong>/</code>. Ceci veut dire
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qu'il <20>tait sur le port 8080 au lieu du 80 habituel, justepent parce qu'il
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aurait fallu des droits suppl<70>mentaires pour avoir 80.
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Pour le client, c'est en g<>n<EFBFBD>ral plus simple<6C>: le programme laisse le
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syst<EFBFBD>me d'exploitation choisir un port inutilis<69>. 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 d<>su<73>tude
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au profit de m<>thodes 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 probl<62>me n'est pas nouveau<61>: on a le m<>me avec les
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num<EFBFBD>ros de t<>l<EFBFBD>phone, et pour le r<>soudre on a invent<6E> 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 r<>seau.
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<EFBFBD> l'<27>chelle d'un site, ou d'un fournisseur d'acc<63>s, 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 <20>coute sur le port 53 et qui se charge de
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r<EFBFBD>pondre aux questions du genre <20><>quelle est l'adresse IP de
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<code>www.google.com</code><3E>?<3F><>.
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Ce programme n'a en g<>n<EFBFBD>ral pas la r<>ponse, mais il a l'adresse d'autres
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ordinateurs <20> qui demander, qui eux-m<>mes peuvent ne pas savoir mais avoir
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l'adresse d'autres ordinateurs, etc. Le syst<73>me est hi<68>rarchique. Il y a <20>
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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, g<>r<EFBFBD>s par des organismes fran<61>ais (enfin, pas tous),
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qui savent <20> qui s'adresser pour chaque domaine. Et ainsi de suite.
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Par exemple, pour conna<6E>tre 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 r<>pond qui'il ne sait pas, mais que les <code>.fr</code>
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sont g<>r<EFBFBD>s 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 g<>r<EFBFBD> par 129.199.96.11 (on
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reconna<EFBFBD>t le 129.199<EFBFBD>: 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 r<>ponse, <20> savoir
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129.199.129.1
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Bien s<>r, tous les programmes pour faire <20>a sont d<>j<EFBFBD> <20>crits<74>: quand on
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programme une nouvelle application r<>seau, il suffit d'utiliser la bonne
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fonction de la biblioth<74>que standard.
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<div class="metainformation">
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Auteur<EFBFBD>: Nicolas George.
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Derni<EFBFBD>re modification le <date value="$Date: 2004-04-12 17:58:46 $"/>.
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</div>
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</body>
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</html>
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