Réseaux, protocoles et périphériques

Envoyer un message, charger une page, synchroniser un jeu : tout passe par un réseau.

Ce chapitre explique comment les données sont découpées en paquets et encapsulées couche par couche, comment un protocole simple, le bit alterné, permet de récupérer un paquet perdu, et comment est organisé le réseau local d'un établissement.

Il se termine par les périphériques, les capteurs et actionneurs des objets connectés, et la conception d'une interface homme-machine à partir d'un cahier des charges.

1. Transmettre des données : paquets et encapsulation

1.1 Pourquoi découper en paquets

Un fichier de plusieurs mégaoctets n'est jamais envoyé d'un bloc.

Il est découpé en paquets de taille limitée (environ $1\,500$ octets sur Ethernet), chacun numéroté.

def decouper(message, taille):
    """Découpe le message en paquets numérotés d'au plus taille caractères."""
    paquets = []
    numero = 0
    for debut in range(0, len(message), taille):
        paquets.append((numero, message[debut:debut + taille]))
        numero = numero + 1
    return paquets

for p in decouper("Rendez-vous demain à midi devant le lycée.", 10):
    print(p)

Chaque paquet porte son numéro : même s'ils arrivent dans le désordre, le destinataire peut reconstituer le message.

def octets_transmis(taille_fichier, taille_paquet, entete):
    paquets = taille_fichier // taille_paquet
    # à toi : et s'il reste des octets ?
    return paquets, taille_fichier

1.2 Les couches et l'encapsulation

Le réseau est organisé en couches, chacune avec son protocole.

Un routeur ne regarde que l'en-tête IP. Un commutateur ne regarde que l'en-tête Ethernet.

1.3 Lien avec TCP/IP

IP livre les paquets « au mieux », sans garantie : ils peuvent se perdre, arriver en désordre ou en double.

TCP apporte la fiabilité : connexion établie avant l'échange, accusés de réception, renvoi des paquets manquants, remise dans l'ordre.

C'est TCP qui utilise, dans une version élaborée, le principe du bit alterné.

2. Un protocole de récupération : le bit alterné

2.1 Le problème

Un émetteur envoie des paquets à un récepteur, sur un lien qui peut perdre des paquets ou des accusés de réception.

Comment garantir que chaque paquet arrive une fois et une seule, dans l'ordre ?

2.2 Les règles

2.3 Dérouler les scénarios

La simulation ci-dessous applique exactement ces règles. Le lien perd un message sur trois en moyenne : relance plusieurs fois, puis essaie perte = 0 et perte = 0.6.

from random import random

perte = 0.33                      # probabilité qu'un message se perde
paquets = ["A", "B", "C"]

recu = []                         # ce que l'application du récepteur a reçu
bit_attendu = 0                   # état du récepteur
bit = 0                           # état de l'émetteur

for contenu in paquets:
    accuse = False
    while not accuse:
        print("émetteur  : envoie", contenu + str(bit))
        if random() < perte:
            print("            paquet perdu, le délai expire")
            continue
        if bit == bit_attendu:
            recu.append(contenu)
            bit_attendu = 1 - bit_attendu
            print("récepteur : accepte", contenu, "et envoie ACK" + str(bit))
        else:
            print("récepteur : doublon ignoré, renvoie ACK" + str(bit))
        if random() < perte:
            print("            accusé perdu, le délai expire")
            continue
        accuse = True
    bit = 1 - bit

print("reçu :", recu)

Quel que soit le nombre de pertes, la dernière ligne est toujours ['A', 'B', 'C'] : chaque paquet est reçu une fois et une seule, dans l'ordre.

3. Le réseau local de l'établissement

3.1 Les constituants

3.2 Adresses IP

Chaque machine du réseau local reçoit une adresse IP privée, unique dans le réseau : 192.168.1.21, 10.0.0.5.

Un masque indique quelle partie de l'adresse désigne le réseau (192.168.1.) et quelle partie désigne la machine.

def meme_reseau(ip1, ip2):
    """Vrai si les deux adresses ont les trois mêmes premiers nombres (masque 255.255.255.0)."""
    return ip1.split(".")[0:3] == ip2.split(".")[0:3]

print(meme_reseau("192.168.1.21", "192.168.1.50"))
print(meme_reseau("192.168.1.21", "192.168.2.50"))

Dans le second cas, les deux machines ne sont pas dans le même réseau : les paquets devront passer par un routeur.

3.3 Simuler un réseau

Des logiciels comme Filius ou Packet Tracer permettent de construire un réseau virtuel (machines, commutateur, routeur, serveur DNS), d'attribuer les adresses et d'observer les paquets.

4. Périphériques, capteurs et actionneurs

4.1 Entrées et sorties

Le système d'exploitation les gère grâce à des pilotes, et les programmes y accèdent par des bibliothèques.

4.2 Capteurs et actionneurs

Dans un objet connecté, un système embarqué ou un robot, le programme du microcontrôleur (Arduino, micro:bit, Raspberry Pi) répète sans fin la même boucle : lire les capteurs, décider, commander les actionneurs.

Ici, on n'a pas de vrai capteur : on le remplace par une liste de mesures.

mesures = [22.5, 24.0, 25.5, 27.0, 25.2, 24.8, 23.0]   # une mesure par seconde
seuil = 25

ventilateur = False
for temperature in mesures:            # sur un vrai microcontrôleur : while True
    if temperature > seuil:            # décider
        ventilateur = True
    else:
        ventilateur = False
    print(temperature, "°C  ventilateur :", "allumé" if ventilateur else "éteint")

4.3 Réaliser une IHM selon un cahier des charges

Voici une réalisation. Teste les cas limites : peut-on dépasser $25$ ? descendre sous $15$ ?

<p>Température mesurée : <strong id="mesure">19</strong> °C</p>
<p>
  Consigne :
  <button id="moins">−</button>
  <strong id="consigne">20</strong> °C
  <button id="plus">+</button>
</p>
<p id="voyant"></p>

<script>
  let mesure = 19;
  let consigne = 20;

  function afficher() {
    document.getElementById("consigne").textContent = consigne;
    if (mesure < consigne) {
      document.getElementById("voyant").textContent = "🔴 Chauffage actif";
    } else {
      document.getElementById("voyant").textContent = "⚪ Chauffage arrêté";
    }
  }
  function augmenter() {
    if (consigne < 25) { consigne = consigne + 1; }
    afficher();
  }
  function diminuer() {
    if (consigne > 15) { consigne = consigne - 1; }
    afficher();
  }
  document.getElementById("plus").addEventListener("click", augmenter);
  document.getElementById("moins").addEventListener("click", diminuer);
  afficher();
</script>

function aerer() {
  mesure = mesure - 1;
  document.getElementById("mesure").textContent = mesure;
  afficher();
}
document.getElementById("aerer").addEventListener("click", aerer);

5. Exemple résolu pas à pas

À retenir