Le routage, comment ça marche ?

Sep 11th, 2010

Dans cet article, je vous explique avec mes mots comment un message est transporté d’un ordi à un autre sur internet.

Dans mon article précédent, Internet, Comment ça mache ?, j’ai dit que pour envoyer un message à un ordinateur à l’autre bout du monde, il suffisait de balancer le message sur le réseau en précisant l’adresse IP du destinataire et que le message était amené à bon port “comme par magie”. C’est cette magie que je vais essayer d’expliquer avec mes mots dans cet article. Je vais simplifier un peu ce qui se passe pour que cela soit compréhensible par tous.

Exemple

Les ordinateurs sur internet communiquent entre eux pour s’échanger des informations. Lorsque vous allez sur le site de Google, vous envoyez en fait un message à l’ordinateur (appelé le serveur) sur lequel est enregistré le site qui ressemble à :

Bonjour www.google.fr, pouvez vous m’envoyer le contenu de la page d’accueil de votre site ?

et le serveur renvoie un message contenant la page d’accueil de Google. Vous pouvez lire Internet, Comment ça mache ? pour plus de détails mais vous n’en avez pas besoin pour comprendre ce qui suit.

Adresses IP et adresses MAC

Tous les ordinateurs sur internet ont une adresse IP, avec 4 nombres. C’est comme un numéro de téléphone, ça permet de les joindre : 129.104.201.51 par exemple.

Toutes les cartes réseau (trou dans lequel on branche le câble réseau) ont également une adresse MAC. C’est à voir comme un numéro de série de la carte réseau et ça a cette tête là : 00:26:bb:5b:a4:28.

L’adresse IP on peut plus ou moins la choisir (en tout cas, on la choisit pour vous), l’adresse MAC, quant à elle, n’est pas modifiable. Votre ordinateur n’a qu’une seule carte réseau (vous ne pouvez brancher le câble réseau qu’à un seul endroit) et donc qu’une seule adresse IP et qu’une seule adresse MAC.

Mais on va voir plus loin qu’il y a des sortes de multiprises réseau (des routeurs) pour faire suivre les messages sur internet qui elles peuvent avoir plus de 100 prises réseau. Chacune de ces prises aura sa propre adresse MAC et sa propre adresse IP.

Le matos nécessaire à l’envoi d’un message

Un message, ça ne s’envoie pas tel quel, il faut le mettre dans toutes sortes d’enveloppes. Voyons ce dont on a besoin pour envoyer un message. On dit communément qu’il y a 4 couches, numérotées de 1 à 4 : couche physique, couche liaison, couche réseau et couche transport.

Déjà, on a besoin du câble réseau qui relie l’ordi à internet. C’est la couche physique, la première couche, et pour s’en souvenir on écrit un gros « 1 » au marqueur rouge sur le câble.
Il faut ensuite une enveloppe pour indiquer à quelle prise réseau au bout du câble on envoie le message. Ce n’est en général pas le destinataire final, mais un intermédiaire qui fera suivre le message. Dans certaines situations, le message peut passer par plus de 20 intermédiaires avant d’arriver là où il doit aller.

On utilise pour ça ce que je vais appeler les enveloppes liaison (en jaune). Sur ces enveloppes on doit noter l’adresse MAC (rappel : le numéro de série de la carte réseau) du prochain intermédiaire. Ces enveloppe constituent la couche liaison, la couche n°2, et pour s’en souvenir on écrit un gros « 2 » en guise de timbre sur ces enveloppes.

Ces enveloppes liaison en jaune sont à usage unique et ne peuvent pas passer de machine à machine. Pour permettre de faire suivre le courrier à travers le réseau, on a besoin d’un autre type d’enveloppe : les enveloppes réseau.
Voici les enveloppes réseau (en bleu), qui vont dans les enveloppes liaison (en jaune) et que les différents ordinateurs qui sont sur le chemin pourront se passer jusqu’au destinataire, on note dessus l’adresse IP du destinataire.

Ces enveloppe réseau constituent la couche réseau, la couche n°3. Et comme j’aime bien mon marqueur rouge, on va noter un gros « 3 » en guise de timbre sur les enveloppes réseau.
Enfin, les logiciels utilisent un protocole spécial pour échanger les messages, un protocole de transport, TCP (Transport Control Protocol pour protocole de contrôle de transport) la plupart du temps sur internet.

Un protocole c’est comme une langue : c’est des mots spéciaux (vocabulaire) et des manières de demander les choses et de répondre (grammaire). Pour chaque protocole, il existe des gros documents qui expliquent comment les logiciels doivent utiliser ces sortes de langues.

On va représenter ce protocole par du papier spécial : lorsqu’un logiciel “écrit” un message sur ce papier, c’est qu’il utilise le protocole TCP. C’est la couche transport, la couche n°4, et pour s’en rappeler on va utiliser du papier à en-tête avec un gros « 4 » rouge dessus.

Envoyer un message

Bon, mais comment j’envoie un message finalement ?

Il faut descendre toutes les couches, une à une :

Couche 4 : commencer par encapsuler le message avec le protocole TCP (l’écrire sur notre papier à entête spécial).
Couche 3 : mettre le message dans l’enveloppe réseau (en bleu) et noter dessus l’adresse IP du destinataire.
Couche 2 : mettre l’enveloppe réseau dans une grosse enveloppe liaison (en jaune), chercher à qui il faut envoyer le message en premier pour qu’il le fasse suivre vers le destinataire (on va voir plus loin comment on fait pour ça) et noter son adresse MAC sur l’enveloppe liaison.
Couche 1 : envoyer l’enveloppe liaison dans le câble réseau.

Attention à bien faire la distinction entre ces 2 là qui sont la plupart du temps différents :

le destinataire, dont l’adresse IP est notée sur l’enveloppe réseau (en bleu)
le premier intermédiaire, dont l’adresse MAC est notée sur l’enveloppe liaison (en jaune)

Un réseau

Et après être parti dans le câble réseau, il va où le message ?

Le message est parti dans le réseau. Voilà à quoi ça ressemble un réseau :

Il y a des ordinateurs reliés entre eux par des câbles réseaux qui sont concentrés sur des sortes de multiprises réseau. Vous pouvez en voir 2 types sur le schéma :

les switchs qui sont les sortes de pastilles grises,
et les routeurs qui sont les sortes de camemberts bleus.

Les ordinateurs et les routeurs ont des adresses MAC et IP pour chaque carte réseau, donc à chaque câble réseau auquel ils sont branchés. Les switchs n’ont ni adresse MAC, ni adresse IP.

Ouh là, c’est compliqué. Dans le réseau précédent par exemple, qui a des adresses et combien ?

Si on note à côté de chaque prise les adresses MAC et IP, voila ce que ça donne :

Pour l’exemple, j’ai pris des adresses simples et j’ai coupé les adresses MAC (normalement, ça a cette tête : 00:26:bb:5b:a4:28). Vous avez remarqué sur le schéma que :

les ordinateurs ont une adresses MAC et une adresse IP,
les routeurs ont chacun deux adresses MAC et deux adresses IP (une par prise),
et les switchs n’ont aucune adresse

Voyons maintenant à quoi servent les switchs et les routeurs et quelle est la différence entre les deux.

La terre vue d’un switch

Un switch est à voir comme une multiprise réseau qui redirige les messages sans les ouvrir ni les modifier. Pour cela, il garde en mémoire qui est connecté au bout des différents câbles réseau qu’il relie. Voilà le réseau à travers les yeux d’un switch en particulier (celui en haut à gauche sur le schéma précédent) :

Comme vous pouvez le voir, le switch ne connait absolument pas la carte de tout le réseau. Il ne sait rien d’autre que quelle carte réseau (adresse MAC) est connectée au bout de quel câble.

Et comment il le sait ?

Il le sait en observant les messages qui proviennent des câbles : je ne vous l’avais pas dit, mais au dos de l’enveloppe liaison (niveau 2, les jaunes) est notée l’adresse MAC de l’expéditeur. Il apprend donc au fur et à mesure qui est au bout de quoi.

Et ça fait quoi un switch ?

La seule chose qu’un switch fait c’est lorsqu’un message arrive, il lit l’adresse MAC et redirige le message dans le bon câble réseau (sans l’ouvir ni le modifier).

Ici le switch reçoit un message à destination de …:01:02, il va donc le faire suivre dans le câble de droite.

Sous-réseaux

Et ça ne suffit pas des switchs ? Pourquoi tout le monde ne serait pas relié par des switchs ?

Déjà, les switchs ne peuvent pas avoir en mémoire toutes les adresses MAC de la terre, il y en a beaucoup trop. Ensuite, parce que quand un switch reçoit un message à destination d’une adresse qu’il ne connaît pas encore, il l’envoie à tout le monde. Comme ça au moins, il est sûr que le message arrivera bien au destinataire.

Vous imaginez si chaque ordinateur sur terre se mettait à envoyer des messages à tout le monde ? Internet tomberait rapidement en panne parce que le réseau serait trop encombré. Donc on a besoin d’isoler différents petits réseaux : des sous-réseaux.

La vraie définition est un peu compliquée mais voyez un sous-réseau comme le groupe des ordinateurs branchés à un même switch et dont l’adresse IP commence par le même préfixe (0.0.1 par exemple).

Sur le schéma suivant, j’ai séparé les sous-réseaux dans des boîtes différentes. Il y en a 4 et on les définies par le préfixe commun des adresses IP. Je vais noter 0.0.1.X le sous-réseau des adresses IP commençant par 0.0.1.

Les sous-réseaux 0.0.1.X, 0.0.2.X et 0.0.3.X contiennent des ordinateurs alors que le sous-réseau 0.0.4.X ne contient que des routeurs (les camemberts bleus). Vous remarquez que les routeurs appartiennent à plusieurs sous-réseaux : c’est justement eux qui vont faire office de pont et faire passer les messages d’un sous-réseau à un autre.

Le job d’un routeur

Le job d’un routeur c’est de faire passer les messages d’un sous-réseau à un autre. Car à l’intérieur d’un sous-réseau, les gens peuvent s’envoyer directement des messages : il suffit de spécifier l’adresse MAC du destinataire sur l’enveloppe liaison (la jaune) et le switch va directement lui donner. Mais pour envoyer un message à l’extérieur, il faut l’envoyer au routeur : c’est lui qui va se charger de le faire sortir. Voila la marche à suivre :

noter sur l’enveloppe réseau (la bleue) l’adresse IP du destinataire final (comme ça les routeurs savent à qui le message va finalement),
et sur l’enveloppe liaison (la jaune) l’adresse MAC du routeur (comme ça, le message va aller au routeur).

Il est important de comprendre que c’est les adresses MAC qui déterminent à quelles machines vont les messages, l’adresse IP du destinataire est utilisée à chaque étape du parcours pour déterminer l’adresse MAC du prochain intermédiaire.

Mais concrètement, comment un routeur “fait suivre” un message d’un sous-réseau à un autre ?

Voila un petit schéma qui explique comment ça se passe.

Comme exemple, je prends le routeur d’en haut à gauche sur le schéma du réseau. Celui-ci a bien 2 cartes réseau :

une avec l’IP 0.0.1.10 et donc qui est dans le sous-réseau 0.0.1.X
une avec l’IP 0.0.4.1 et donc qui est dans le sous-réseau 0.0.4.X

Le routeur reçoit un message dans une enveloppe liaison (en jaune), il n’y a de toute façon qu’elle qui peut passer par les câbles réseau. Il regarde l’adresse MAC qui est dessus : …:01:10 et c’est bien la sienne.

Il ouvre alors l’enveloppe liaison (en jaune) pour en sortir l’enveloppe réseau (en bleu). Cette étape est très importante : ça veut dire que le routeur travaille dans la couche n°3, la couche réseau, alors que les switchs travaillent uniquement dans la couche n°2, la couche liaison (les enveloppes jaunes).
Il regarde ensuite l’adresse IP sur l’enveloppe réseau : 0.0.3.2, ce n’est pas la sienne. Il sait donc qu’il doit faire suivre le message. Il cherche la prochaine machine à qui il faut faire suivre le message pour qu’il arrive jusqu’à l’ordinateur 0.0.3.2 et note l’adresse MAC de cette prochaine machine : …:04:03

Il remet ensuite l’enveloppe réseau (en bleu) dans une enveloppe liaison (en jaune) avec l’adresse MAC du prochain intermédiaire dans le réseau.
Le message est ensuite renvoyé dans le réseau. Voila comment un routeur fait pour faire passer des messages d’un sous-réseau à un autre. En gros, il garde l’enveloppe bleue et change d’enveloppe jaune pour l’envoyer au prochain intermédiaire : le destinataire lui-même ou un autre routeur.

Recap : la vie d’un message sur le réseau

En guise de conclusion, je vais faire un récapitulatif de tout ce qu’on a vu en observant étape par étape comment un message suit le trajet en rouge sur notre réseau (de gauche à droite) :

A chaque étape, numérotées de 1 à 7, je vais me placer du point de vue de la machine (ordinateur ou routeur qui a le message) et voir comment il arrive finalement au destinataire. Je rajoute les adresses MAC et IP qui nous concernent sur le schéma et on peut y aller :

Donc on se place dans la situation où l’ordinateur en haut à gauche (0.0.1.1) veut envoyer un message à l’ordinateur à droite (0.0.3.2).

Il écrit donc son message sur notre papier spécial (c’est-à-dire, utilise le protocole TCP), le met dans une enveloppe réseau (en bleu) qui va parcourir tout le réseau et y note l’adresse IP du destinataire : 0.0.3.2.

Ensuite, il regarde si le destinataire est dans le même sous-réseau que lui ou pas. Il est dans le sous-réseau 0.0.1.X alors que le destinataire est dans le sous-réseau 0.0.3.X, donc ils ne sont pas dans le même : il doit donc l’envoyer par un routeur. Sinon, il aurait pu lui envoyer directement le message.

Le routeur a comme adresse MAC … :01:10 donc l’ordinateur met l’enveloppe réseau dans une enveloppe liaison sur laquelle il note … :01:10 puis envoie le message dans le réseau.
Le switch voit arriver une enveloppe liaison à destination de … :01:10 et l’aiguille donc dans sa branche d’en bas à droite, rien de plus (ni ouverture, ni modification du message).
Le routeur voit arriver une enveloppe liaison (en jaune) avec son adresse MAC, il l’ouvre donc. Il y trouve une enveloppe réseau (en bleu) avec une adresse IP qui n’est pas la sienne, il ne l’ouvre donc pas. Il la remet dans une autre enveloppe liaison et note l’adresse MAC de la prochaine étape : … :04:03.
Le switch voit arriver une enveloppe liaison à destination de … :04:03 et l’aiguille donc dans sa branche de droite.
Le routeur voit arriver une enveloppe liaison (en jaune) avec son adresse MAC, il l’ouvre donc. Il y trouve une enveloppe réseau (en bleu) avec une adress IP qui n’est pas la sienne, il ne l’ouvre donc pas.

Il contaste cependant que le destinataire est dans le même sous-réseau que lui : il peut donc lui envoyer directement le message. Il remet l’enveloppe réseau dans une autre enveloppe liaison et note l’adresse MAC du destinataire : … :03:02.
Le switch voit arriver une enveloppe liaison à destination de … :03:02 et l’aiguille donc dans sa branche d’en bas à droite.
Enfin, l’ordinateur 0.0.3.2 voit arriver une enveloppe liaison avec son adresse MAC (… :03:02), il l’ouvre donc. Il y trouve une enveloppe réseau avec son adresse IP (0.0.3.2), il l’ouvre donc et peux récupérer le message que lui a envoyé 0.0.1.1. Ouf !

🌱 Quentin Pleplé