Adressage IPv4, masques et sous-réseaux

01Les modes de transmission

Avant de parler d'adresses, il faut savoir à qui on parle. Sur un réseau IP, il existe trois façons d'envoyer une information, et chacune correspond à un type d'adresse de destination différent.

Unicast — un vers un

C'est le principe le plus utilisé et le plus simple. Chaque ordinateur possède une adresse IP ; on envoie les trames en spécifiant l'adresse IP de l'ordinateur à qui on veut envoyer les informations. Les éléments actifs et passifs du réseau (commutateurs, répéteurs, routeurs…) dirigent l'information dans la bonne direction pour que les trames arrivent au bon endroit. Seule la machine dont l'adresse figure dans la trame regarde et traite l'information.

Broadcast — un vers tous

Le principe du broadcast est d'envoyer une information à tous les ordinateurs du réseau où l'on est. Au lieu d'envoyer en unicast vers l'adresse IP de chaque machine, on envoie la trame à tous les ordinateurs du sous-réseau en utilisant une adresse de broadcast, réservée à cet usage. Chacun des ordinateurs du sous-réseau regarde et traite la trame comme si elle lui était personnellement adressée.

Multicast — un vers un groupe

Plutôt que d'envoyer les fichiers du serveur vers chacune des machines clientes (unicast), on n'envoie l'information qu'une seule fois et chaque client la récupère. Dans un réseau Ethernet, toutes les trames qui circulent passent par tous les ordinateurs : on envoie donc l'information à une adresse, et tous les clients écoutent cette adresse. Chaque client multicast s'enregistre avec une adresse IP multicast ; c'est sur cette adresse que les informations sont envoyées.

02Anatomie d'une adresse IPv4

L'adressage IP est basé sur le concept d'hôtes et de réseaux. Un hôte est tout ce qui peut envoyer ou recevoir des trames IP : une station de travail, un routeur. Il ne faut pas le confondre avec un serveur — clients et serveurs sont tous des hôtes IP.

L'adresse IP de n'importe quel hôte est le rassemblement de deux choses :

• l'adresse du réseau où il se trouve ;
• son adresse personnelle sur ce réseau.

Une adresse IP est une séquence de 32 bits composée de 1 et de 0. Afin de faciliter leur lecture, les adresses IP sont exprimées sous la forme de quatre nombres décimaux séparés par des points — la notation décimale pointée. Chaque élément s'appelle un octet (8 chiffres binaires).

La notation décimale pointée est plus simple à comprendre que la méthode des 1 et des 0 binaires, et elle évite un grand nombre d'erreurs de transposition. Les adresses 192.168.1.8 et 192.168.1.9 se distinguent d'un coup d'œil, alors que …00001000 et …00001001 demandent un effort.

bit n°     8    7    6    5    4    3    2    1
poids     128   64   32   16    8    4    2    1

exemple :  1    1    0    0    0    0    0    0   →  128 + 64        = 192
           1    0    1    0    1    0    0    0   →  128 + 32 + 8    = 168
           1    1    1    0    0    0    0    0   →  128 + 64 + 32   = 224

Par convention, une adresse valide est dans la plage allant de 0.0.0.0 à 255.255.255.255, soit un total de 4,3 milliards d'adresses.

03Les classes d'adresses

Les adresses IP sont regroupées en classes afin de permettre l'adaptation à des réseaux de différentes tailles. Dans un modèle d'adressage par classe, la frontière entre partie réseau et partie hôte tombe toujours sur une limite d'octet. Ce sont les premiers bits de l'adresse qui déterminent la classe.

Classe A — les très grands réseaux

Réservée aux réseaux de très grande taille, avec plus de 16 millions d'adresses hôte disponibles. Seul le premier octet indique l'adresse réseau ; les trois suivants définissent les adresses hôte. Le premier bit est toujours 0 : la valeur la plus faible est 00000000 (0) et la plus élevée 01111111 (127). Les valeurs 0 et 127 sont réservées, donc toute adresse dont le premier octet est compris entre 1 et 126 est de classe A.

Classe B — les réseaux moyens à grands

Les deux premiers octets indiquent le réseau, les deux suivants les hôtes. Les deux premiers bits sont toujours 10 : de 10000000 (128) à 10111111 (191).

Classe C — les petits réseaux

C'est l'espace le plus utilisé. Les trois premiers octets indiquent le réseau, le dernier les hôtes — soit 254 hôtes maximum. Les trois premiers bits valent 110 : de 11000000 (192) à 11011111 (223).

Classes D et E — réservées

La classe D est réservée à la diffusion multicast : ses quatre premiers bits valent 1110, soit un premier octet de 224 à 239. Il n'est pas nécessaire d'allouer des bits pour séparer réseau et hôte. La classe E commence par 1111 (240 à 255) et reste réservée à la recherche : l'IETF l'utilise à des fins expérimentales, aucune adresse de classe E n'est disponible sur Internet.

Tableau récapitulatif

04Les adresses réservées

Certaines adresses hôte sont réservées et ne peuvent pas être affectées aux équipements du réseau. Il faut savoir les reconnaître instantanément.

L'adresse de réseau

Une adresse IP dont tous les bits hôte sont à 0 est réservée pour identifier le réseau lui-même. Un routeur utilise cette adresse pour acheminer des données. Elle n'est jamais affectée à une machine.

Exemple en classe B : 176.10.0.0. Les deux premiers octets forment la partie réseau ; les deux derniers, à 0, indiquent qu'on parle du réseau et non d'une machine. Une machine de ce réseau pourrait être 176.10.16.1.

L'adresse de diffusion (broadcast)

À l'inverse, une adresse dont tous les bits hôte sont à 1 sert à diffuser vers tous les équipements du réseau. Pour le réseau 176.10.0.0/16, le broadcast est 176.10.255.255 — 255 étant la valeur décimale de 11111111.

bits hôte tous à 0  →  adresse de RÉSEAU      (la première du bloc)
bits hôte tous à 1  →  adresse de DIFFUSION   (la dernière du bloc)

tout ce qui est entre les deux  →  adresses d'hôte utilisables
d'où la formule :  hôtes utilisables = 2^n − 2

Les adresses privées (RFC 1918)

Ces plages peuvent être librement utilisées pour monter un réseau privé ; elles ne sont pas routées sur Internet.

Tout le reste est public.

Comment savoir si une adresse d'hôte est valide

Quatre vérifications, dans cet ordre :

1. Ce n'est pas l'adresse de réseau (la toute première du bloc).
2. Ce n'est pas l'adresse de diffusion (la toute dernière du bloc).
3. Ce n'est pas une adresse de bouclage : tout ce qui commence par 127 est interdit sur une carte réseau physique.
4. Ce n'est pas du multicast : premier octet de 224 à 239.

05Le masque de sous-réseau

Le masque répond à une seule question : où s'arrête la partie réseau et où commence la partie hôte ? Pour le savoir, il suffit d'écrire l'adresse IP en binaire et d'écrire dessous le masque, également en binaire.

La partie correspondant aux 1 du masque est le numéro de réseau, la partie correspondant aux 0 est le numéro d'hôte. Ici, avec un masque 255.255.255.0, on peut avoir 254 hôtes différents sur le sous-réseau 192.168.2.0.

Le ET logique : trouver le réseau d'une machine

Pour connaître l'adresse du sous-réseau auquel une machine appartient, on effectue un ET logique entre l'adresse de la machine et le masque, bit à bit. Rappel : 1 ET 1 = 1, tout le reste donne 0.

Application 1

Adresse 200.100.40.33, masque 255.255.255.224.

La machine appartient au sous-réseau 200.100.40.32.

Application 2

Adresse 192.0.0.131, masque 255.255.255.192 (soit /26).

Adresse   192.0.0.131      11000000 00000000 00000000 10000011
Masque    255.255.255.192  11111111 11111111 11111111 11000000
                           ───────────────────────────────────
Résultat  192.0.0.128      11000000 00000000 00000000 10000000

→ sous-réseau 192.0.0.128, la machine y porte le numéro d'hôte 3 (000011)

Application 3

Adresse 10.217.123.7, masque 255.248.0.0 (soit /13).

Adresse   10.217.123.7   00001010 11011001 01111011 00000111
Masque    255.248.0.0    11111111 11111000 00000000 00000000
                         ───────────────────────────────────
Résultat  10.216.0.0     00001010 11011000 00000000 00000000

→ identificateur de réseau : 10.216.0.0
  (seul le 2ᵉ octet travaille : 217 = 11011001, ET 248 = 11111000 → 11011000 = 216)

0    128   192   224   240   248   252   254   255
     /1    /2    /3    /4    /5    /6    /7    /8   (bits ajoutés dans l'octet)

255.255.255.196  →  INVALIDE : 196 = 11000100, les 1 ne sont pas contigus
255.255.255.192  →  valide   : 192 = 11000000  →  /26

06Découper en sous-réseaux

Les masques de sous-réseaux permettent de segmenter un réseau en plusieurs sous-réseaux. On utilise pour cela une partie des bits de l'adresse d'hôte pour identifier les sous-réseaux — on dit qu'on emprunte des bits.

Toutes les machines appartenant à un sous-réseau possèdent le même numéro de réseau. Ainsi, le masque d'une adresse de classe B commencera toujours par 255.255.xx.xx.

Pourquoi créer des sous-réseaux ?

• Utiliser plusieurs supports physiques. Connecter tous les nœuds à un seul support peut être impossible, difficile ou coûteux lorsqu'ils sont trop éloignés.
• Réduire l'encombrement. Plus les nœuds sont nombreux sur un même réseau, plus la bande passante requise est importante. Répartir les nœuds réduit l'encombrement global.
• Économiser du temps de calcul. Les diffusions obligent chaque nœud du réseau à réagir avant d'accepter ou de rejeter le paquet.
• Isoler une panne. Diviser un grand réseau limite l'impact d'une défaillance — une erreur matérielle, une connexion fautive — au seul segment concerné.
• Renforcer la sécurité. Sur un support de diffusion comme Ethernet, tous les nœuds voient les paquets. Si le trafic sensible n'est autorisé que sur un réseau, les autres hôtes n'y ont pas accès.
• Optimiser l'espace d'adressage. Avec un seul numéro de réseau de classe A ou B, on peut couvrir plusieurs réseaux physiques sans demander de numéros supplémentaires.

Combien de sous-réseaux ?

Le nombre théorique de sous-réseaux est égal à 2ⁿ, où n est le nombre de bits à 1 empruntés pour coder les sous-réseaux.

Exemple. Réseau 200.100.40.0, masque 255.255.255.224. 224 = 11100000, donc 3 bits pour le numéro de sous-réseau et 5 bits pour l'hôte. Le nombre de sous-réseaux est 2³ = 8.

Quelles sont les adresses de ces sous-réseaux ?

Il faut faire varier les 3 bits empruntés, en laissant les bits d'hôte à 0 :

000 00000 =   0   →  200.100.40.0
001 00000 =  32   →  200.100.40.32
010 00000 =  64   →  200.100.40.64
011 00000 =  96   →  200.100.40.96
100 00000 = 128   →  200.100.40.128
101 00000 = 160   →  200.100.40.160
110 00000 = 192   →  200.100.40.192
111 00000 = 224   →  200.100.40.224

Le pas entre deux adresses de sous-réseau est de 32 = 2⁵, c'est-à-dire la taille complète d'un bloc.

Adresse de diffusion d'un sous-réseau

Il faut mettre tous les bits de la partie hôte à 1.

sous-réseau 200.100.40.32   →  32 = 001 00000
diffusion                      001 11111 = 63   →  200.100.40.63

sous-réseau 200.100.40.64   →  diffusion 200.100.40.95
sous-réseau 200.100.40.96   →  diffusion 200.100.40.127
…et ainsi de suite, de 32 en 32.

Combien de postes par sous-réseau ?

Le nombre de postes est égal à 2ⁿ − 2, où n est le nombre de bits à 0 du masque. On retranche deux numéros réservés :

• tous les bits à zéro, qui identifient le sous-réseau lui-même ;
• tous les bits à un, qui forment l'adresse de diffusion du sous-réseau.

Avec 255.255.255.224 : 5 bits d'hôte, donc 2⁵ − 2 = 30 postes.

07VLSM : masques de longueur variable

Le subnetting classique découpe un réseau en morceaux tous de la même taille. C'est un gâchis dès que les besoins diffèrent : donner 30 adresses à une liaison entre deux routeurs, qui n'en réclame que 2, gaspille 28 adresses. Le VLSM (Variable Length Subnet Mask) autorise des masques différents pour chaque sous-réseau.

Démonstration

Cahier des charges : découper 192.168.1.0/24 pour un département de 28 machines.

• 2⁴ = 16 → trop petit. 2⁵ = 32 → valide, car 32 − 2 = 30 adresses utiles, ce qui couvre les 28. Donc n = 5.
• Masque CIDR = 32 − 5 = /27, soit 255.255.255.224.
• Sur le dernier octet, 3 bits vont au réseau (8 − 5) et 5 restent aux machines.
• Pas = 2⁵ = 32.

Un plan d'adressage complet

Réseau de départ 192.168.1.0/24. Besoins : Commercial 50 postes, Technique 25 postes, Direction 10 postes, liaison entre deux routeurs 2 adresses.

Le reste, de 192.168.1.116 à 192.168.1.255, demeure disponible pour les extensions futures. Avec un découpage à masque fixe en /26, les quatre services auraient consommé la totalité du /24 sans laisser un seul bloc libre.

08Table de référence CIDR

À garder sous les yeux pendant les TP. La colonne « hôtes » donne le nombre d'adresses utilisables (2ⁿ − 2).

Masques sur les octets supérieurs

09La méthode d'examen

Face à n'importe quelle question d'adressage, dérouler toujours la même séquence. Elle ne rate jamais et fait gagner un temps considérable.

Exemple déroulé : 10.1.8.200/26

1. /26  =  255.255.255.192          (24 bits pleins + 2 bits)
2. octet coupé : le 4ᵉ (192)
3. pas = 256 − 192 = 64
4. multiples de 64 : 0, 64, 128, 192 …  200 tombe entre 192 et 255
   →  adresse réseau  = 10.1.8.192
5. diffusion    = 192 + 64 − 1 = 255  →  10.1.8.255
   premier hôte = 10.1.8.193
   dernier hôte = 10.1.8.254
6. contrôle : 2^(32−26) − 2 = 2⁶ − 2 = 62 hôtes
              de .193 à .254 → 254 − 193 + 1 = 62  ✓