Travaux Dirigés de Réseaux - DUT 1ère année

Ce TP permet d’étudier les couches du modèle OSI, les principes de la transmission numérique, la modulation d’ondes porteuses, ainsi que le protocole Kermit pour la transmission de données. Il inclut des exercices pratiques sur l’échantillonnage, l’atténuation, les délais, la modulation, la transmission en bande de base, et la liaison de données Ethernet. Il se termine par un travail pratique d’analyseur de trames Kermit à développer en C. Pour réaliser ce TP, il faut disposer des connaissances de base en réseaux, en codage binaire, et en programmation C.

Objectifs

• Comprendre les fonctions des différentes couches du modèle OSI.
• Appliquer les principes d’échantillonnage et calculer les débits numériques.
• Analyser les effets d’atténuation, de bruit et de délais sur la transmission.
• Étudier les techniques de modulation d’une onde porteuse (amplitude, fréquence, phase).
• Connaître les codages NRZ, Manchester et Manchester différentiel.
• Comprendre le protocole Ethernet et ses contraintes (CSMA/CD).
• Développer un analyseur de trames Kermit en C, capable de décoder les trames et vérifier leur intégrité.

Prérequis et installation

• Connaissances en réseaux informatiques, notamment le modèle OSI.
• Notions de traitement du signal et de transmission numérique.
• Maîtrise des bases du langage C pour la programmation de l’analyseur de trames.
• Un environnement de développement C avec un compilateur (gcc ou autre).
• Accès à des fichiers texte contenant des trames Kermit codées en hexadécimal.

Étude des couches du modèle OSI

Commencez par revoir les sept couches du modèle OSI et leur rôle :

• Couche physique : transmission brute des bits sur le canal, gestion des caractéristiques physiques (câbles, connecteurs, codage, synchronisation).
• Couche liaison de données : transformation de la couche physique en liaison fiable, découpage en trames, détection et correction d’erreurs, contrôle de flux.
• Couche réseau : gestion du routage des paquets entre sous-réseaux, calcul des tables de routage, contrôle de congestion.
• Couche transport : acheminement fiable des messages complets, découpage et réassemblage, multiplexage des connexions.
• Couche application : interface utilisateur, services réseau (Web, mail, NFS, etc.).

Observez les exemples Unix et TCP/IP, où la couche réseau correspond à IP, la couche liaison à Ethernet, etc.

Physique des transmissions : échantillonnage et débits

1. Considérez le signal périodique x(t) = sin(2π3t) et numérisez-le avec une fréquence d’échantillonnage fe.

• Écrivez l’équation de la suite des valeurs échantillonnées en fonction de fe.
• Pour fe = 8, calculez les 8 premiers termes de la suite.
• Pour fe = 6, faites de même.
• Si le codage utilise V niveaux, calculez le débit binaire du convertisseur et retrouvez le théorème de Nyquist.

2. Pour une ligne téléphonique avec bande passante 300 Hz à 3400 Hz et rapport signal/bruit (S/N) entre 100 et 1000 :

• Calculez la capacité minimale et maximale de la ligne.
• Avec S/N = 1000, calculez le nombre de bits par modulation et le débit pratique.

3. Pour la voix (bande passante 4000 Hz), déterminez la fréquence minimale d’échantillonnage et le débit minimal si chaque échantillon est codé sur 8 bits.

4. Pour une sortie audio échantillonnée à 44 kHz et codée sur 16 bits en stéréo, calculez le volume de données pour 1 minute et le rapport signal/bruit maximal.

5. Calculez la capacité maximale (bps) d’une ligne avec bande passante 105 Hz et rapport signal/bruit de 10 dB, puis de 20 dB.

Atténuation et gain

1. Montrez que l’atténuation totale d’un canal composé de plusieurs sections s’obtient en additionnant les gains (ou en soustrayant les atténuations) exprimés en dB.

2. Pour un canal avec trois sections : 16 dB d’atténuation, 20 dB d’amplification, puis 10 dB d’atténuation, calculez la puissance à chaque extrémité sachant que le signal initial est de 400 mW.

Bruits et délais

1. Calculez le rapport S/N en valeur décimale pour les valeurs en dB suivantes : 3, 10, 12, 100 dB.

2. Étudiez les délais de propagation et de transmission pour une trame de 1000 bits dans différents cas :

• 100 m de paire torsadée à 1 Mbps
• 2,5 km de câble coaxial à 10 Mbps
• 50 000 km dans l’espace à 512 kbps

Déterminez dans quels cas le délai de propagation est supérieur au délai de transmission.

3. Calculez le nombre de bits pouvant être présents simultanément sur le support dans chaque cas.

4. Calculez le Round Trip Time (RTT) pour un canal passant par un satellite géostationnaire (36 000 km).

5. Étudiez un réseau avec deux machines et un équipement intermédiaire, transmettant un fichier de 10 Mo à 100 Mb/s avec différentes tailles de paquets (10 000 000, 100 000, 1000, 100 octets). Calculez le temps de transfert en négligeant les délais de propagation.

6. Analysez la transmission d’un fichier de 3,5 Mo à 45 kbps via satellite géostationnaire avec un buffer de réception de 3000 octets et un buffer d’émission. Répondez aux questions sur le temps d’arrivée du début et de la fin du fichier, le nombre de remplissages des buffers, et l’impact d’un buffer de 3,5 Mo.

7. Calculez le décalage temporel entre l’image et le son retransmis d’un match de tennis depuis les USA vers la France, sachant que l’image passe par un satellite géostationnaire et le son par câble sous-marin.

Modulation d’une onde porteuse

Étudiez les trois types de modulation :

• Modulation d’amplitude (AM)
• Modulation de fréquence (FM)
• Modulation de phase (PM)

Observez les exemples graphiques de sinusoïdes modulées en amplitude, fréquence et phase.

Le diagramme de Fresnel représente le couple (amplitude, phase) en coordonnées polaires.

Exemple : modulation de phase à 4 états (0°, 90°, 180°, 270°) codant 2 bits par phase. La séquence binaire "10011111" est divisée en 4 groupes de 2 bits : 10 01 11 11, chacun correspondant à une phase différente.

Exercices sur modems V27 et V29

1. Pour un modem V27 à modulation de phase à 8 positions et débit 4800 bps :

• Calculez la rapidité de modulation (baud).
• Tracez le diagramme spatial des phases réparties régulièrement.
• Attribuez un code binaire aux modulations pour que deux modulations voisines diffèrent d’un seul bit.

2. Pour un modem V29 à 9600 bps avec constellation donnée :

• Déterminez le nombre de bits par modulation et la rapidité de modulation.
• Comptez le nombre de phases et d’amplitudes différentes.
• Expliquez pourquoi toutes les configurations ne sont pas utilisées.
• Proposez un codage pour l’amplitude (1 bit) et la phase (3 bits) avec un seul bit de différence entre voisins.

Transmission en bande de base

Étudiez les codages :

• NRZ : codage simple sans retour à zéro.
• Manchester : transition au milieu du bit : 0 correspond à une transition bas vers haut, 1 à une transition haut vers bas. Utilisé pour Ethernet.
• Manchester différentiel : transition au début du bit si bit = 0, transition au milieu du bit codant l’information, avec inversion possible du sens.

Tracez les signaux pour la séquence 010101 et décodez des signaux donnés.

Réseau Ethernet et protocole CSMA/CD

1. Pour un réseau Ethernet en bus de longueur D km, vitesse de propagation V km/s, capacité C bit/s :

• Donnez la formule de la longueur minimale L d’une trame pour que CSMA/CD fonctionne.
• Calculez L pour C=10 Mbps, D=2,5 km, V=100 000 km/s, et exprimez en mots de 16 bits.
• Pour un réseau à 100 Mbps, calculez la distance maximale entre deux stations et en déduisez la distance maximale entre une machine et un hub.

2. Analysez un réseau avec deux switches et plusieurs machines, en suivant les événements d’émission des machines A à F, et complétez les tables de routage des switches.

3. Calculez les débits nécessaires dans un réseau local avec deux hubs à 10 Mbps, 24 postes et 3 serveurs, en fonction des trafics moyens et en cas de pics.

4. Remplacez les hubs par des switches et calculez les débits entre eux selon le nombre d’utilisateurs.

Topologies réseau

Réalisez les schémas logiques et physiques pour :

• Un bureau avec 2 postes fixes et 2 portables en Ethernet 100BaseT (dimensions 5m x 3m).
• Un couloir de 20 bureaux similaires (10 de chaque côté, 2m de large, faux plafond).
• Trois étages composés chacun d’un couloir comme ci-dessus (hauteur 3m).
• Organisation des bureaux en 3 réseaux logiques séparés par switches et hubs pour services administratifs, développement et production, permettant la communication entre services.

Protocole Kermit : format et codage des trames

Les trames Kermit ont la structure :

Début | Long. | Num. | Type | Données | Ctrl | Fin

Chaque champ sauf Données fait 1 octet. Début = 0x01, Fin = 0x0D. Le champ Long. donne le nombre d’octets de Num à Ctrl inclus, max 94 octets. Num varie cycliquement de 0 à 63. Type est une lettre (S, D, Y, etc.). Le champ Ctrl est calculé par :

Ctrl = ((S + ((S AND 0xC0)/40)) AND 0x3F) + 0x20

où S est la somme des octets entre Long. inclus et Ctrl exclu.

Les octets doivent être affichables ASCII 7 bits (valeurs entre 32 et 126). Pour cela :

• Aux champs Long, Num, Ctrl on ajoute 32 aux valeurs 0-94.
• Les données hors plage 32-126 sont codées avec un préfixe :
• 0 à 31 et 127 : XOR bit à bit avec 64 (0x40) et précédé de "#".
• 128 à 255 : on enlève 128 et on précède de "&".
• Le caractère "#" lui-même est codé par "##", "&" par "#&", "~" par "#~".
• La répétition de caractères est codée avec "~" suivi du nombre de répétitions puis du caractère.

TP : Analyseur de trames Kermit

Le but est d’écrire un programme C qui lit un fichier texte contenant une trame Kermit codée en hexadécimal (un octet par ligne), décode les octets selon les règles Kermit, affiche la trame décodée et vérifie le CRC.

Étapes à suivre :

1. Lire le fichier ligne par ligne, stocker les octets hexadécimaux dans un tableau.
2. Analyser la trame en reconnaissant les séquences d’échappement (#, &, ~).
3. Décoder chaque octet en appliquant les règles de transformation (tochar, unchar).
4. Gérer les répétitions de caractères codées avec "~".
5. Vérifier le CRC avec la formule donnée.
6. Afficher la trame décodée avec les numéros d’octets et leurs valeurs ASCII ou '.' pour non imprimables.

Conseils :

• Commencez par une version simple sans gestion des préfixes (#, &, ~).
• Ajoutez ensuite la gestion du préfixe "#".
• Puis ajoutez la gestion combinée des préfixes "&" et "#".
• Enfin, gérez les répétitions avec "~".
• Terminez par la vérification du CRC.

Exemples de codage/décodage :

• A reste A
• #A devient 1 (caractère contrôle SOH)
• ## devient #
• &#A devient 129 (0x81)
• ~"&#C code la répétition de l’octet 0x53 trois fois

Résultats attendus

• Compréhension claire des couches OSI et de leurs unités d’information (bit, trame, paquet, message).
• Calculs corrects des débits, capacités, délais et atténuations.
• Représentation correcte des modulations et codages.
• Schémas de topologies réseau adaptés aux contraintes données.
• Programme C capable de décoder une trame Kermit, d’afficher les octets décodés et de vérifier le CRC.
• Identification des erreurs de transmission dans les trames et affichage des messages d’erreur.

Pièges courants

• Confondre les unités d’information entre couches (bit, trame, paquet, message).
• Oublier d’ajouter 32 aux champs Long, Num, Ctrl pour respecter la plage ASCII imprimable.
• Mal gérer les séquences d’échappement dans Kermit, notamment la combinaison des préfixes.
• Ne pas tenir compte des répétitions codées avec "~".
• Ignorer la vérification du CRC ou mal appliquer la formule.
• Dans les calculs de délais, ne pas distinguer vitesse de propagation et débit.
• Dans la modulation, confondre vitesse de modulation (baud) et débit binaire (bit/s).
• Dans les topologies, ne pas respecter les longueurs maximales des câbles ou les contraintes des hubs et switches.