Dossier complet — Réseaux informatiques

L3 · S5 · Ingénierie informatique

Dossier pédagogique original Matrice MI. Contenu d’entraînement non officiel; il ne remplace pas le support ou la maquette d’un établissement.

Objectifs d’apprentissage

• Décrire le modèle TCP/IP et suivre l’encapsulation d’une donnée entre application, transport, Internet et accès réseau.

• Calculer un sous-réseau IPv4 en notation CIDR et justifier sa plage d’adresses utilisables.

• Interpréter une table de routage en appliquant la règle du plus long préfixe.

• Expliquer le fonctionnement local d’Ethernet, des adresses MAC et de la commutation.

• Retracer une consultation Web en distinguant DNS, TCP, TLS et HTTP et diagnostiquer des pannes simples.

Prérequis

• Savoir manipuler les puissances de deux, l’écriture binaire et les opérations bit à bit élémentaires.

• Connaître les bases d’un système d’exploitation : processus, terminal, fichiers et permissions simples.

• Lire une spécification technique et interpréter une adresse, un port et un échange requête-réponse.

Cours

1. Modèles et encapsulation

Un réseau se décrit par des fonctions séparées : transmettre un signal, acheminer un paquet, fiabiliser un flux et donner un sens aux données. Le modèle TCP/IP regroupe ces responsabilités en accès réseau, Internet, transport et application ; il ne faut pas le confondre avec une obligation d’implémenter exactement quatre matériels ou quatre programmes. L’encapsulation ajoute un en-tête à chaque niveau, puis la désencapsulation le retire chez le destinataire.

Exemple guidé : une requête HTTP est produite par l’application. TCP lui attribue un port et un numéro de séquence ; IP ajoute les adresses source et destination ; Ethernet ajoute les adresses MAC du prochain lien. À la réception, Ethernet vérifie sa trame, IP choisit la charge utile, TCP réordonne les octets, puis HTTP lit la requête. Le contenu applicatif reste donc identique malgré plusieurs enveloppes.

Erreur fréquente : dire qu’un routeur lit les ports TCP ; il lit surtout IP, tandis qu’un commutateur Ethernet consulte les MAC. Point de contrôle : associer DNS, TCP, IP et Ethernet à leur couche et justifier chaque association.

Points-clés

• Les couches séparent les responsabilités et les protocoles.
• L’encapsulation ajoute puis retire des informations de contrôle.
• Un commutateur et un routeur ne prennent pas leurs décisions sur les mêmes adresses.

2. Adressage IP et routage

Une adresse IPv4 comporte 32 bits. En notation CIDR, le préfixe /p désigne p bits de réseau et 32-p bits hôtes. Le masque transforme l’adresse par un ET bit à bit ; l’adresse réseau met tous les bits hôtes à zéro et l’adresse de diffusion tous ces bits à un. Dans un sous-réseau classique, les hôtes utilisables sont donc $2^{32-p}-2$, sauf cas particuliers comme /31 et /32.

Exemple guidé : pour 192.168.10.77/26, un bloc contient $2^{6}=64$ adresses. Les bornes de bloc sont 0, 64, 128 et 192 ; 77 appartient au bloc 64–127. L’adresse réseau est 192.168.10.64, la diffusion 192.168.10.127, et les hôtes usuels vont de .65 à .126, soit 62 adresses.

Pour dimensionner un réseau, choisir le plus petit nombre h de bits tel que $2^h-2$ couvre les hôtes, puis poser $p=32-h$. Erreur fréquente : soustraire 2 au nombre de bits plutôt qu’au nombre d’adresses. Point de contrôle : vérifier réseau, diffusion, plage et capacité pour 10.4.8.130/27.

Points-clés

• Le préfixe CIDR partage les 32 bits entre réseau et hôtes.
• Le masque, le réseau et la diffusion se calculent par blocs de taille puissance de deux.
• Le dimensionnement part du nombre d’hôtes requis et des bits hôtes nécessaires.

3. TCP, DNS et HTTP

DNS traduit un nom en information comme une adresse IP, avec une durée de vie contrôlée par le TTL. TCP fournit un flux fiable, ordonné et orienté connexion ; son établissement classique utilise SYN, SYN-ACK puis ACK. HTTP transporte des requêtes et réponses applicatives ; HTTPS ajoute la protection TLS, qui ne change pas le rôle de DNS ni celui du routage. Une même page peut produire plusieurs résolutions et connexions selon le navigateur, le cache et les ressources demandées.

Exemple guidé : pour consulter https://exemple.test/, le client vérifie son cache DNS puis interroge un résolveur si nécessaire. Il obtient une adresse, choisit une route, établit TCP vers le port 443, négocie TLS, puis envoie GET / HTTP/1.1. Le serveur répond par un code, des en-têtes et un corps ; TCP accuse réception et retransmet en cas de perte détectée.

Erreur fréquente : appeler « DNS » une requête HTTP ou croire que TCP chiffre les données. Point de contrôle : placer DNS, TCP, TLS et HTTP dans l’ordre chronologique et attribuer à chacun une panne observable.

Points-clés

• DNS résout des noms avec un cache et un TTL.
• TCP assure ordre et fiabilité, mais ne fournit pas le chiffrement applicatif.
• Une requête HTTPS combine résolution, routage, TCP, TLS puis HTTP.

4. Réseaux locaux, Ethernet et commutation

Dans un réseau local, Ethernet transporte des trames entre interfaces identifiées par des adresses MAC. Un commutateur apprend l’association entre une MAC et un port en observant les trames reçues ; si la destination est connue, il transmet sur ce port, sinon il diffuse dans le domaine de niveau 2. Les collisions des anciens concentrateurs expliquent l’intérêt historique de CSMA/CD, mais les liaisons commutées modernes sont en duplex intégral. Un VLAN sépare logiquement des domaines de diffusion, sans supprimer le besoin d’un routage entre VLAN.

Exemple guidé : A, de MAC AA, est sur le port 1 et B, de MAC BB, sur le port 4. Après réception d’une trame de A vers B, le commutateur mémorise AA→1. Si BB est déjà associée à 4, il envoie uniquement vers 4 ; si BB est inconnue, il inonde les ports, sauf 1, puis apprend BB à la réponse.

Erreur fréquente : confondre MAC et IP, ou croire qu’un VLAN rend deux sous-réseaux automatiquement joignables. Point de contrôle : dessiner la table MAC après trois trames et indiquer quelles transmissions sont diffusées.

Points-clés

• Ethernet utilise des trames et des adresses MAC sur le lien local.
• Un commutateur apprend dynamiquement les ports associés aux MAC.
• Les VLAN séparent des domaines de diffusion mais ne remplacent pas le routage.

5. Routage et choix du prochain saut

Le routage décide par où faire progresser un paquet IP. Chaque route associe un préfixe, un prochain saut ou une interface de sortie, et parfois une métrique. Lorsqu’il existe plusieurs correspondances, la règle fondamentale est le plus long préfixe : /25 est préféré à /24, indépendamment de l’ordre d’écriture. Une route par défaut, souvent 0.0.0.0/0 en IPv4, sert lorsque rien de plus précis ne correspond. Les protocoles de routage peuvent apprendre ces routes, mais la table locale peut aussi être configurée statiquement.

Exemple guidé : un routeur possède 10.0.0.0/8 vers R1, 10.2.0.0/16 vers R2 et 0.0.0.0/0 vers R3. Pour 10.2.7.9, les deux premiers préfixes correspondent ; /16 est plus long, donc R2 est choisi. Pour 10.8.1.4, seul /8 correspond et R1 est choisi. Pour 192.0.2.4, la route par défaut mène à R3.

Erreur fréquente : choisir la route numériquement la plus proche ou oublier la passerelle du réseau local. Point de contrôle : annoter chaque saut d’un paquet et distinguer route directe, route statique et route par défaut.

Points-clés

• Une table de routage associe préfixe, sortie et éventuellement métrique.
• Le plus long préfixe gagne parmi les routes correspondantes.
• La route par défaut est un dernier recours, pas une preuve de connectivité complète.

Exercices corrigés

Exercice 1 · Fondamental

Pour une requête HTTP envoyée d’un ordinateur vers un serveur situé sur un autre réseau, associez dans l’ordre les éléments suivants à leur rôle : port TCP, adresse IP de destination, adresse MAC de destination sur le premier lien, méthode GET. Indiquez aussi quel équipement exploite principalement chaque information.

Correction détaillée

1. La méthode GET appartient à HTTP, donc à l’application ; elle demande une ressource. 2. Le port TCP identifie le service de transport du serveur, par exemple 443 pour HTTPS. 3. L’adresse IP de destination reste celle du serveur pendant le routage de bout en bout, sauf mécanisme particulier ; les routeurs la consultent pour choisir un prochain saut. 4. La MAC de destination sur le premier lien est celle du prochain voisin Ethernet, souvent la passerelle, et non celle du serveur distant. Le commutateur exploite les MAC, le routeur exploite l’IP et TCP exploite les ports. L’ordre logique d’encapsulation est GET dans HTTP, puis TCP, puis IP, puis Ethernet.

Exercice 2 · Fondamental

Calculer le réseau, l’adresse de diffusion, la plage d’hôtes usuels et le nombre d’hôtes d’un sous-réseau contenant 172.16.5.200/27.

Correction détaillée

1. /27 laisse 5 bits hôtes, donc un bloc contient 2^5 = 32 adresses et 30 hôtes usuels. 2. Les bornes de bloc dans le dernier octet sont 0, 32, 64, 96, 128, 160, 192 et 224. 3. 200 appartient au bloc 192–223. 4. Le réseau est 172.16.5.192. 5. La diffusion est 172.16.5.223. 6. La plage usuelle est 172.16.5.193 à 172.16.5.222, soit 30 adresses.

Exercice 3 · Intermédiaire

Une table contient les routes 0.0.0.0/0 vers R0, 192.168.0.0/16 vers R1, 192.168.20.0/24 vers R2 et 192.168.20.128/25 vers R3. Déterminer le prochain saut pour 192.168.20.140, 192.168.20.80 et 192.169.1.2, en justifiant chaque choix.

Correction détaillée

Pour 192.168.20.140, les préfixes /0, /16, /24 et /25 correspondent ; le plus long est /25, donc le prochain saut est R3. Pour 192.168.20.80, /0, /16 et /24 correspondent, mais pas 192.168.20.128/25 ; /24 gagne, donc R2. Pour 192.169.1.2, seul /0 correspond ; le paquet part vers R0. La règle compare la longueur du préfixe parmi les correspondances, pas la valeur décimale de l’adresse.

Exercice 4 · Intermédiaire

Un client possède une entrée DNS expirée pour api.exemple.test. Décrire les étapes observables pour obtenir une réponse HTTPS, puis proposer une observation permettant de distinguer un échec DNS d’un refus TCP.

Correction détaillée

1. L’entrée étant expirée, le client interroge son résolveur DNS et reçoit une adresse ou une erreur de résolution. 2. En cas d’adresse, il consulte sa route et envoie un SYN TCP vers le port 443. 3. Un SYN-ACK suivi d’un ACK établit TCP ; un refus immédiat (RST) indique qu’un hôte répond mais n’accepte pas ce port. 4. Le client négocie ensuite TLS puis envoie une requête HTTP dans le tunnel. Pour distinguer les pannes, une capture ou la sortie d’un outil DNS montrant NXDOMAIN indique un échec DNS ; une résolution réussie suivie d’un RST ou d’un délai sans SYN-ACK indique un problème TCP, de filtrage ou de service.

Exercice 5 · Avancé

On dispose du bloc 10.20.0.0/24. Concevoir un plan VLSM non chevauchant pour un service de 100 hôtes, un laboratoire de 50 hôtes et trois liens point à point nécessitant chacun 2 adresses. Donner réseau, préfixe, diffusion et plage utilisable de chaque sous-réseau, puis justifier qu’il reste de l’espace.

Correction détaillée

On trie les besoins décroissants. 100 hôtes exigent 7 bits hôtes car 2^6-2=62 et 2^7-2=126 : 10.20.0.0/25, diffusion 10.20.0.127, hôtes .1 à .126. 50 hôtes exigent 6 bits : le bloc suivant est 10.20.0.128/26, diffusion .191, hôtes .129 à .190. Chaque lien point à point prend un /30 de 4 adresses, dont 2 utilisables : 10.20.0.192/30 (diffusion .195, hôtes .193-.194), 10.20.0.196/30 (diffusion .199, hôtes .197-.198) et 10.20.0.200/30 (diffusion .203, hôtes .201-.202). Les blocs ne se chevauchent pas et l’espace .204 à .255 reste disponible, soit 52 adresses. Un déploiement moderne pourrait choisir /31 pour des liens point à point si les équipements le supportent, mais le /30 est retenu ici pour conserver la convention réseau/diffusion.

Quiz d’autoévaluation

Question 1

Quelle information un commutateur Ethernet apprend-il principalement ?

✓ Une association adresse MAC-port • Une association nom DNS-port • Une route IP-métrique • Un certificat TLS-clé

Explication : Le commutateur observe la MAC source d’une trame et l’associe au port d’entrée ; il utilise ensuite cette table pour transmettre au niveau Ethernet.

Question 2

Combien d’adresses contient un bloc IPv4 /26 ?

• 26 • 32 ✓ 64 • 128

Explication : Il reste 32-26 = 6 bits hôtes, donc 2^6 = 64 adresses au total.

Question 3

Quelle route est choisie entre 10.0.0.0/8 et 10.4.0.0/16 pour 10.4.2.1 ?

• La route /8 ✓ La route /16 • Les deux simultanément • La route par défaut uniquement

Explication : Les deux préfixes correspondent, mais /16 est plus long et décrit une destination plus précise.

Question 4

Quel protocole associe typiquement un nom de domaine à une adresse IP ?

• ARP uniquement ✓ DNS • TCP • HTTP

Explication : DNS fournit la résolution de noms, souvent via un résolveur qui exploite des caches et des serveurs faisant autorité.

Question 5

Quelle séquence correspond à l’établissement TCP classique ?

• ACK, ACK, FIN ✓ SYN, SYN-ACK, ACK • GET, 200, FIN • DNS, TLS, ARP

Explication : Le client envoie SYN, le serveur répond SYN-ACK, puis le client confirme par ACK avant l’échange fiable de données.

Question 6

Quelle affirmation décrit correctement TCP ?

• Il chiffre toujours le contenu ✓ Il fournit un flux fiable et ordonné • Il remplace le routage IP • Il traduit les noms DNS

Explication : TCP numérote, acquitte et retransmet les données pour fournir un flux fiable et ordonné ; le chiffrement relève notamment de TLS.

Question 7

Dans 192.168.10.77/26, quelle est l’adresse réseau ?

• 192.168.10.0 ✓ 192.168.10.64 • 192.168.10.77 • 192.168.10.128

Explication : Un /26 forme des blocs de 64 ; 77 est dans le bloc 64–127, dont l’adresse réseau est .64.

Question 8

Dans une URL HTTPS, quel rôle est principalement ajouté par TLS ?

• Le choix du prochain saut IP • La séparation en VLAN ✓ La protection cryptographique de l’échange • La création d’une adresse MAC

Explication : TLS authentifie généralement le serveur et protège la confidentialité et l’intégrité de l’échange applicatif ; il ne remplace ni IP ni Ethernet.

Glossaire

• Adresse MAC — Identifiant de niveau liaison associé à une interface Ethernet et utilisé pour acheminer une trame sur le lien local.
• CIDR — Notation d’adressage qui indique le nombre de bits du préfixe réseau, par exemple /24.
• Encapsulation — Ajout successif d’en-têtes de protocoles lorsqu’une donnée descend les couches du réseau.
• Route par défaut — Entrée utilisée lorsqu’aucun préfixe plus spécifique ne correspond à une destination IP.
• DNS — Système distribué qui publie et résout des noms de domaine en informations comme des adresses IP.
• TCP — Protocole de transport orienté connexion fournissant un flux fiable, ordonné et contrôlé par des ports.
• VLAN — Segmentation logique d’un réseau Ethernet en domaines de diffusion distincts sur une infrastructure commutée.
• TTL — Durée, en secondes ou en unités de protocole, pendant laquelle une information DNS ou un paquet peut rester valide.

TP · Diagnostiquer le parcours d’une requête Web dans un petit réseau

Une équipe doit expliquer pourquoi un poste du réseau 192.168.50.0/24 n’accède plus à https://intranet.example.test. Elle dispose d’une capture fournie ou d’un environnement local simulé, sans sonder de système tiers.

Objectifs

• Cartographier les couches et les équipements impliqués.

• Vérifier le sous-réseau, la passerelle et les routes utiles.

• Distinguer une panne DNS, TCP ou HTTP à partir d’observations.

• Présenter des preuves reproductibles et respecter un périmètre autorisé.

Étapes

1. Dessiner le poste, le commutateur, la passerelle, le résolveur DNS et le serveur, avec adresses et ports connus.

2. Calculer le réseau 192.168.50.0/24 et relever adresse, masque, passerelle et DNS du poste dans l’environnement fourni.

3. Exécuter des vérifications limitées comme résolution DNS, test de route et connexion TCP vers le port prévu ; consigner heure et résultat.

4. Lire une capture avec un analyseur autorisé et annoter au moins une trame Ethernet, un paquet IP, un échange TCP et une requête HTTP ou TLS.

5. Formuler une hypothèse, reproduire le test après la correction simulée ou proposée, puis rédiger une conclusion séparant faits et interprétations.

Livrables attendus

• Un schéma annoté du chemin et une table d’adressage.

• Un journal de commandes ou de capture avec observations et horodatage.

• Un diagnostic de deux pages maximum avec cause probable, limites et mesure corrective.

Critères d’évaluation

• Exactitude des couches, adresses, ports et directions : 30 %.

• Calcul IPv4 et interprétation des observations : 25 %.

• Méthode reproductible, preuves et respect du périmètre : 25 %.

• Clarté du schéma, du diagnostic et des limites : 20 %.

Piste de résolution

Une solution attendue vérifie d’abord la configuration locale et la route par défaut, puis sépare résolution DNS et connectivité TCP. Une résolution réussie suivie d’un échec TCP oriente vers service, pare-feu ou chemin ; un TCP établi avec réponse HTTP d’erreur oriente vers l’application. Le rapport doit citer des preuves précises plutôt que conclure à partir d’un seul délai.

Sujets originaux d’entraînement (non officiels)

Sujet original de préparation — Réseaux informatiques, session normale

Sujet original conçu pour l’entraînement, non officiel et jamais présenté comme une épreuve d’années passées. Les valeurs et formulations sont propres à ce dossier.

Exercice 1

Pour 192.168.40.139/28, donner réseau, diffusion, plage d’hôtes et capacité. Expliquer la méthode.

Correction : /28 laisse 4 bits hôtes : 16 adresses par bloc et 14 hôtes usuels. Les bornes sont des multiples de 16 ; 139 appartient au bloc 128–143. Réseau : 192.168.40.128. Diffusion : 192.168.40.143. Hôtes : .129 à .142. Capacité : 14.

Exercice 2

Une table a 172.16.0.0/12 vers A, 172.20.0.0/16 vers B et 0.0.0.0/0 vers C. Choisir le prochain saut pour 172.20.4.5 et 172.30.1.1.

Correction : 172.20.4.5 appartient à 172.16.0.0/12 et 172.20.0.0/16 ; /16 est plus spécifique, donc B. 172.30.1.1 appartient au /12 mais pas au /16 ; le prochain saut est A. La route par défaut C ne sert dans aucun des deux cas.

Exercice 3

Décrire l’ordre d’une consultation HTTPS en distinguant DNS, TCP, TLS et HTTP, puis indiquer une panne observable pour chaque étape.

Correction : Le client résout d’abord le nom par DNS ; une réponse NXDOMAIN ou un délai du résolveur signale une panne DNS. Il choisit ensuite une route et ouvre TCP vers 443 ; absence de SYN-ACK ou RST signale un problème de chemin, filtrage ou service. TLS négocie et authentifie le serveur ; une alerte de certificat signale un problème TLS. Enfin HTTP envoie GET et reçoit un code ; un 404 ou 500 est une réponse applicative, pas un échec DNS.

Sujet original de préparation — Réseaux informatiques, seconde session

Sujet original conçu pour l’entraînement, non officiel et jamais présenté comme une épreuve d’années passées. Il propose un autre jeu de situations que le sujet de session normale.

Exercice 1

Concevoir des sous-réseaux à partir de 192.168.100.0/24 pour 60 hôtes et 25 hôtes. Donner deux blocs non chevauchants avec réseau, diffusion et hôtes.

Correction : 60 hôtes exigent 6 bits hôtes, donc /26 : 192.168.100.0/26, diffusion .63, hôtes .1-.62. 25 hôtes exigent 5 bits, donc /27 : on prend le bloc suivant 192.168.100.64/27, diffusion .95, hôtes .65-.94. Les blocs sont contigus mais ne se chevauchent pas ; il reste .96-.255 pour d’autres besoins.

Exercice 2

Expliquer ce que fait un commutateur lorsqu’il reçoit successivement une trame de MAC AA vers BB sur le port 2, puis une réponse de BB vers AA sur le port 5.

Correction : À la première trame, il apprend AA→2. Si BB est inconnue, il diffuse la trame vers les ports autorisés sauf 2. À la réponse, il apprend BB→5 ; comme AA→2 est connue, il envoie la réponse uniquement vers le port 2. Les apprentissages sont fondés sur les MAC sources, tandis que la destination sert au choix de transmission.

Exercice 3

Un nom est résolu correctement et un SYN sort du client, mais aucun SYN-ACK ne revient. Proposer une démarche de diagnostic ordonnée et trois hypothèses différentes.

Correction : On confirme d’abord la résolution et l’adresse obtenue, puis la route et la passerelle locales. On vérifie ensuite, dans une capture autorisée, si le SYN quitte réellement l’interface et s’il revient éventuellement bloqué. On teste un service connu du même segment sans contourner de contrôle. Hypothèses : serveur ou port indisponible, filtrage sur le chemin, route de retour absente ou mauvaise, sans conclure entre elles sans preuve. Un échec TCP est ici plus plausible qu’un échec DNS, puisque l’adresse a été résolue.

Parcours de révision sur quatre semaines

Semaine 1 · Couches, encapsulation, Ethernet et VLAN

Refaire le parcours d’une requête sur papier, construire deux tables MAC et répondre au quiz 1, 5 et 8. Avant de terminer, reformule les notions sans tes notes, vérifie les résultats dans le cours et note une difficulté précise à reprendre la semaine suivante.

Semaine 2 · IPv4, masques et CIDR

Résoudre dix calculs réseau/diffusion, puis inventer trois plans d’adressage en vérifiant les chevauchements. Avant de terminer, reformule les notions sans tes notes, vérifie les résultats dans le cours et note une difficulté précise à reprendre la semaine suivante.

Semaine 3 · Routage et diagnostic

Annoter des tables de routage avec le plus long préfixe et rédiger trois arbres de diagnostic à partir de symptômes. Avant de terminer, reformule les notions sans tes notes, vérifie les résultats dans le cours et note une difficulté précise à reprendre la semaine suivante.

Semaine 4 · TCP, DNS, HTTP et synthèse

Réaliser le TP, corriger les cinq exercices sans regarder les solutions, puis traiter un sujet de préparation chronométré. Avant de terminer, reformule les notions sans tes notes, vérifie les résultats dans le cours et note une difficulté précise à reprendre la semaine suivante.