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3. Paquets et protocoles¶
Une fois que l’on connait l’adresse d’un destinataire, il est possible d’établir un contact et de lui transmettre de l’information. Sur Internet, ceci se fait en découpant cette information en petits paquets que l’on étiquette de façon bien précise. La manière dont ceci se fait est définie par les protocoles d’Internet.
3.1. Les paquets¶
Dès leur origine, les systèmes de communication se sont développés selon deux modes distincts selon les supports utilisés. Soit on maintient un “canal de communication” ouvert par exemple avec le téléphone ou la communication radio (le talkie-walkie). Dans ce cas, le récepteur et l’émetteur entrent en communication et l’information est envoyée de manière continue de l’émetteur au récepteur. Le récepteur ne peut pas être en communication avec plusieurs émetteurs à la fois. Dans le second cas de figure, par exemple le courrier postal ou le télégramme, les informations sont envoyées “en bloc”, typiquement par messages acheminés en une fois. Dans ce cas, le récepteur peut recevoir des messages de différentes personnes de manière presque simultanée, et le fait d’envoyer un message à quelqu’un ne va pas empêcher quelqu’un d’autre d’entrer en communication et nous envoyer des messages.
Afin d’éviter de bloquer les lignes de communication, Internet s’est développé selon ce second mode, et c’est pourquoi il était justifié d’évoquer ci-dessus des messages qui étaient envoyés et circulaient dans le réseau. En effet, toute information envoyée par Internet est découpée en petits paquets qui sont envoyés indépendamment les uns des autres. Ainsi, lorsque le serveur hébergeant le site www.champignons.ch va envoyer une image de champignon à Alice, cette image sera découpée en petits paquets qui seront chacun envoyés séparément à Alice. Cela a l’avantage que si, pour une raison ou une autre, une partie de l’image se perd en route, il n’y a pas besoin de renvoyer toute l’image, mais uniquement les parties qui se sont perdues. Cela permet aussi à une machine de maintenir plusieurs canaux de communications ouverts simultanément. C’est ce qu’on appelle la commutation par paquets parce que ce sont les paquets qui sont adressés individuellement à leur destinataire. À l’inverse, dans le cas du téléphone traditionnel, lorsqu’on appelle quelqu’un, un circuit électrique est établi entre les deux téléphones pour leur permettre de communiquer (à l’exclusion des autres téléphones), c’est ce qu’on appelle la commutation de circuits.
Les protocoles IP (Internet Protocol) et TCP (Transmission Control Protocol) décrivent le format ainsi que la gestion possible de ces paquets.
3.2. Le protocole IP¶
L’envoi d’un paquet par la poste suit certaines règles, telles que la position et le format de l’adresse de destination, la position et le format de l’adresse d’expédition, la position du timbre et son montant en fonction du poids et de la destination. Sans ces règles, l’acheminement du paquet ne peut pas être assuré. De manière analogue l’envoi d’un paquet sur Internet doit suivre certaines règles pour être acheminé. C’est le protocole IP qui définit ces règles.
Selon ce protocole un paquet est constitué d’une suite de 0 et de 1 que l’on peut séparer en deux parties.
L’entête qui donne des informations sur le paquet (son émetteur, sa destination, sa taille, etc.)
Les données (appelées aussi la charge utile) qui forment le contenu du paquet, c’est-à-dire les informations que l’on veut transmettre.
L’entête joue le rôle de l’étiquette sur un paquet envoyé par la poste. On y indique l’adresse de destination, l’adresse de l’expéditeur (appelée aussi l’adresse source), mais aussi d’autres informations telles que la version d’IP utilisée (4 ou 6), la longueur totale du paquet, ainsi que sa “durée de vie”. Sa durée de vie indique au bout de combien de temps le paquet peut être abandonné pour éviter d’avoir des paquets qui circulent indéfiniment sans trouver leur destinataire. Dans la version IPv4, l’entête fait au minimum 20 octets, remplis comme dans l’image ci-dessous.
Ainsi, les 4 premiers bits indiquent la version d’IP utilisée (donc 0100 si c’est la version 4), les quatre suivants donnent la longueur de l’entête en lignes de 32 bits, et la longueur totale (en octets) du paquet est données par les troisième et quatrième octets de l’entête IP. L’adresse IP de la source occupe les octets 13 à 16, et celle de la destination les octets 17 à 20.
Exercice 1
Un paquet avec l’entête IP suivante (en hexadécimal) circule sur Internet:
45 00 00 14 00 01 00 00 0A 00 BF 88 C1 C8 DC EA 91 E8 C0 C5
Déterminer de quelle version de protocole IP il s’agit, la longueur du paquet ainsi que les adresses IP (en binaire) de l’émetteur et du recepteur.
Solution 1
Chaque chiffre hexadécimal représente 4 bits, et donc chaque nombre à deux
chiffre représente un octet (8 bits). Selon la spécification de l’entête,
d’IP est donnée par les 4 premiers bits, donc le premier chiffre de
l’entête qui est 4. C’est donc en entête en IPv4. La longueur du paquet est donnée
en hexadéximal par les octets 3 et 4, donc
00 14 c’est à dire 20 octets (en décimal).
Ce paquet ne contient donc pas de données. L’adresse de l’émetteur
(l’adresse source) est donnée à la quatrième ligne de 32 bits (ou 4 octets),
c’esr donc
C1 C8 DC EA en hexadécimal, c’est à dire
1100 0001 1100 1000 1101 1100 1110 1010 en binaire. La ligne suivante donne l’adresse de destination qui est
91 E8 C0 C5 en hexadécimal ou
1001 0001 1110 1100 0000 1100 0101 en binaire.
3.3. Le protocole TCP¶
Contrairement à une lettre dans laquelle on peut écrire tant qu’on veut, un paquet IP a une taille maximale fixe de 65535 octets, et donc on sera parfois obligé de découper une information (par exemple une image ou une vidéo) en plusieurs paquets IP afin de l’envoyer. Le récepteur doit ensuite reconstruire l’information à partir des paquets reçus et confirmer qu’il a bien tout reçu et que rien n’a été perdu en route (ce qui arrive parfois, comme avec la poste). Le protocole TCP (Transmission Control Protocol) permet aux machines réceptrice et émettrice de s’assurer que l’information a bien été transmise et reconstituée.
Pour ceci, l’information est découpée en morceaux de taille inférieure à la taille maximale des paquets IP, et chaque morceau est numéroté (avec des nombres consécutifs) et envoyé dans un paquet IP. La machine réceptrice sait ainsi comment reconstituer l’information et peut vérifier qu’il ne lui manque pas de morceaux.
Exercice 2
On désire envoyer par email une photo de 2 Mo. De combien de paquets au minimum aura-t-on besoin pour envoyer cette photo?
Entête¶
De manière similaire au protocole IP, le protocole TCP est constitué d’un entête placé au début des données du paquet IP et qui contient des informations sur les numéros de morceaux envoyés et reçus. En effet, la machine réceptrice va envoyer une quittance (acknowledgement en anglais) pour chaque paquet reçu, de manière à ce que la machine émettrice puisse renvoyer un paquet qui n’aurait pas été acheminé à destination. Un paquet envoyé par les protocoles TCP et IP, contient donc l’entête IP, suivi de l’entête TCP, suivi des données, tel que représenté ci-dessous.
L’entête TCP est constitué d’au moins 20 octets contenant les informations suivantes:
Comme le montre la figure ci-dessus, les quatre premiers octets contiennent les ports source et de destination. Un port est un peu comme une boîte aux lettres à l’intérieur d’un ordinateur. Les ports sont numérotés sur 16 bits, donc de 0 à \(2^{16}-1\). Un ordinateur qui est en connexion simultanée avec plusieurs ordinateurs pourra par exemple assigner un port différent à chaque connexion, ce qui lui permettra de ne pas mélanger les messages reçus de ses divers interlocuteurs. Dans ce contexte et contrairement à un port USB, un port n’a pas de réalité matérielle, il est réalisé de manière logicielle par le système d’exploitation.
Les quatre octets suivants contiennent le numéro de séquence qui va permettre au programme qui reçoit les paquets de les remettre dans l’ordre selon ce numéro. Le numéro d’acquittement sont utilisés par le destinataire pour indiquer quels sont les paquets qui ont été reçus, permettant ainsi à la machine émettrice de savoir quels paquets se sont perdus en chemin et doivent être envoyés à nouveau. Les quatre octets suivants contiennent divers éléments permettant aux deux machines en communication de se synchroniser, notamment divers fanions indiquant si on veut initier, ou terminer la connexion, ainsi que “Fenêtre” par lesquels le récepteur indique à l’émetteur combien de place il lui reste dans la pile des paquets à trier et traiter. Ceci permet à l’émetteur d’adapter le rythme auquel il envoie les paquets pour ne pas déborder le récepteur. Enfin la “Somme de contrôle” est un code correcteur d’erreur qui permet de vérifier si l’entête n’a pas été altéré en chemin.
Exercice 3
Un paquet a été intercepté sur Internet avec le contenu initial suivant indiqué en hexadécimal:
45 00 00 41 00 01 00 00 0A 06 C6 77 57 62 A6 3F 53 A6 98 F7 00 14 00 50 00 00 00 08 00 00 00 02 50 02 20 00 F3 7E 00 00 47 45 54 20 2F 69 6E 64 65 78 2E 68 74 6D 6C 20
Déterminer quelle partie de cet entête correspond à l’entête IP, et laquelle correspond à l’entête TCP.
Indiquer l’adresse IP et le port de l’émetteur de ce paquet.
Indiquer l’adresse IP et le port du destinataire de ce paquet.
Quelle est la longueur du paquet?
Combien d’octets du paquet ne sont pas représentés ci-dessus?
Solution 3
Le premier chiffre de l’entête étant un 4, c’est le format IPv4. La taille de l’entête IP est donc donnée par les bits 4 à 7, et donc le deuxième chiffre hexadécimal de l’entête qui est un 5 (en mauve). L’entête IP correspond donc aux 5 premiers mots de 32 bits, c’est-à-dire aux 20 premiers, octets donc aux 20 premiers nombres à 2 chiffre hexadécimaux (en bleu dans l’image ci-dessous). L’entête TCP suite directement et sa taille est donnée par le début du 13e octet, qui est un
5(en mauve) dans notre exemple. L’entête TCP fait donc également \(5\cdot4=20\) octets, en cyan. L’image ci-dessous indique comment interpréter cet entête.
L’adresse IP de la source en hexadécimal est
57 62 A6 3Fou
<ip-pii>en notation usuelle. Le no de port est
0014en hexadécimal, donc \(1\cdot16+4=20\) en décimal.
L’adresse IP du destinataire en hexadécimal est
53 A6 98 F7ou
<ip-pii>en notation usuelle. Le no de port est
0050en hexadécimal, donc \(5\cdot16+0 = 80\) en décimal.
La longueur totale est de \(41_{16} = 4 \cdot 16+1 = 65\) octets, y compris l’entête.
Seuls 56 octets sont représentés ci-dessus, il manque donc \(65-56=9\) octets.
Déroulement¶
Le protocole TCP applique une structure client-serveur à communication entre deux machines. Cela signifie qu’une des machines, appelées le serveur, va se mettre en mode d’écoute, et attendre que d’autres machines la contactent. C’est la machine cliente qui va prendre l’initiative d’initier la communication en envoyant un message TCP (juste l’entête, sans les données) à la machine serveur. Le protocole TCP spécifie les messages qui doivent être envoyés de part et d’autre pour initier la connexion, comment ensuite envoyer et quittancer les données échangées, et comment mettre fin et terminer la connexion une fois que tout a été envoyé et quittancé.
La figure ci-dessous indique comment les fanions SYN, FIN de l’entête TCP sont utilisés pour indiquer que l’on veut respectivement initier et terminer une connexion, et comment le fanion ACK est utilisé pour confirmer la bonne réception de la demande ou des données, avec les numéros des séquences (#seq) et et d’acquittement (#ack).
Exercice 4
Un serveur reçoit un paquet TCP avec le contenu suivant dans l’entête. Que cela signifie-t-il, et comment le serveur est-il censé réagir si tout se passe bien?
FIN = 1, no de séquence = 257
SYN = 1, no de séquence = 745
ACK = 1, no de séquence = 343, no d’acquittement = 746,
Solution 4
Le client souhaite mettre fin à la connexion. Le serveur répond avec ACK=1, no d’acquittement=258
Le client souhaite établir une connection, le serveur répond avec SYN=1, ACK=1, no d’acquittement=746 et un no de séqence.
Le client a reçu les paquets jusqu’à l’octet 746 (non compris) et envoie un message numéroté 343. Le serveur envoie un paquet avec l’ACK=1, no d’acquittement 343+m. S’il y a p octet à envoyer le serveur l’inclut et un no de séquence 746+p.
Exercice 5
Quelle est no de séquence maximal que l’entête TCP peut contenir?
Que peut-on faire si le nombre de paquets envoyés est tel que ce nombre est dépassé?
3.4. Le protocole UDP¶
TCP n’est pas l’unique moyen de transmettre des messages par internet. Par exemple, si l’important est que les données soient transmises rapidement, même si certaines sont perdues en route, on peut utiliser le protocole UDP. Avec ce protocole, l’émetteur envoie des paquets au destinataire sans vérifier que ce dernier les reçoit, ou même qu’il est présent à l’adresse de destination. L’entête UDP ne contient que quatre champs de 2 octets chacun, déjà présent dans l’entête TCP.

2 octets

2 octets

2 octets

2 octets

port source

port destination

longueur totale

somme de contrôle
Il n’y a donc pas de numérotations des séquences, ni de système d’acquittement, ce qui fait que si un paquet est perdu ou s’arrive en retard par rapport aux autres paquets, on l’expéditeur et le destinataire n’ont aucun moyen de le savoir. Par contre, cela permet d’aller plus vite, donc ce protocole est surtout utilisé dans les applications en temps réel.
Exercice 6
Indiquer pour les applications suivantes, si le protocole TCP ou UDP était plus adapté, et indiquer pourquoi.
La lecture d’une page web
Une application de téléphonie par Internet
Le streaming d’une vidéo
Une application bancaire en ligne
Un jeu vidéo en ligne
Ai-je compris ? – L’exemple d’Alice
Pour entrer en communication avec le serveur web, le téléphone d’Alice va utiliser le protocole TCP. Le téléphone va donc créer un entête TCP dans lequel il indiquera (par l’utilisation du fanion SYN) qu’il souhaite établir une connection avec le site web. Devant cet entête il mettra également un entête IP dans lequel il indiquera (entre autres) les adresses IP du téléphone d’Alice (comme source) et du site web (comme destination). Ces deux entêtes formeront un paquet IP qui sera envoyé à travers le réseau jusqu’au serveur web qui répondra par un autre paquet, selon le protocole TCP. Une fois la connection établie, le navigateur web d’Alice pourra demander au serveur le contenu de la page web. Celle-ci sera découpée en petit morceaux qui seront numérotés et envoyés séparément au téléphone d’Alice qui enverra des acquittement pour les paquets reçus. Le serveur pourra ainsi renvoyer les paquets pour lesquel il n’a pas reçu d’acquittement.