Architectures matérielles, systèmes d'exploitation et réseaux

On souhaite concevoir un boîtier de vidéosurveillance autonome sur batterie, qui doit être le plus compact et le moins gourmand en énergie possible.

1. Un tel boîtier devrait-il plutôt être conçu autour d'une carte mère classique ou d'un système sur puce (SoC) ? Justifier avec deux arguments.
2. Citer un inconvénient du choix fait à la question 1, dans le cas où un seul composant du boîtier tombe en panne après la fin de la garantie.
3. La puce choisie intègre un CPU, une RAM, un GPU et un module Wifi sur un seul circuit de quelques centimètres carrés. Pourquoi cette proximité physique des composants améliore-t-elle la vitesse de communication entre eux ?

Voici la liste des éléments présentés comme intégrés sur la puce d'un smartphone récent, d'après sa fiche technique :

• un processeur (CPU) 8 cœurs ;
• 8 Go de mémoire vive (RAM) ;
• un circuit graphique (GPU) ;
• un modem 5G et un module Wifi/Bluetooth ;
• un module de traitement d'image, utilisé par l'appareil photo ;
• une carte réseau Ethernet, reliée par un câble RJ45 au routeur du domicile.

1. Parmi ces six éléments, lequel n'a normalement pas sa place sur la puce (le SoC) d'un smartphone ? Pourquoi ?
2. Pour les cinq éléments restants, à quelle catégorie de composants du cours chacun correspond-il (processeur, mémoire vive, circuit graphique, contrôleur de communication, ou composant spécialisé) ?
3. À l'aide de la notion de « distance électrique » vue en cours, expliquer pourquoi regrouper ces composants sur une seule puce, plutôt que de les répartir sur des cartes séparées reliées par des bus, améliore à la fois la vitesse et la consommation.

D'après le cours, la loi de Moore énonce que le nombre de transistors présents sur une puce double environ tous les deux ans.

1. On suppose qu'une puce comportait environ 1 milliard de transistors en 2010. En supposant que la loi de Moore se soit vérifiée depuis, combien de transistors compterait, en théorie, une puce comparable en 2026 ? Détailler le calcul (nombre de périodes de deux ans écoulées, puis facteur multiplicatif).
2. Ce nombre vous semble-t-il facile à obtenir en pratique ? À l'aide du tableau de comparaison du cours, citer un inconvénient de l'intégration qui devient de plus en plus difficile à gérer à mesure que l'on entasse un tel nombre de composants sur une puce de quelques centimètres carrés.
3. La loi de Moore décrite dans le cours est-elle une loi physique, comparable à la loi de la gravitation, ou autre chose ? Justifier en une phrase.

Trois processus P1, P2, P3 arrivent tous à l'instant 0, avec les durées d'exécution suivantes : P1 : 5 ms, P2 : 3 ms, P3 : 4 ms. On utilise un ordonnancement tourniquet avec un quantum de 2 ms (le processeur passe systématiquement au processus suivant de la file après 2 ms, si le processus en cours n'a pas terminé).

1. Dérouler l'ordonnancement (donner la suite des processus élus, avec leur durée d'exécution à chaque tour) jusqu'à ce que les trois processus soient terminés.
2. Donner l'instant auquel chaque processus se termine.
3. Quel est l'intérêt du tourniquet par rapport à une politique « premier arrivé, premier servi » dans ce contexte ?

Exercice tiré du sujet zéro 0.B du bac NSI (2024), sur les systèmes d'exploitation, les commandes UNIX et l'ordonnancement de processus.

1. Différence entre logiciel libre et logiciel propriétaire. Rôle d'un système d'exploitation.

2. Chemin absolu de /home/elsa/documents/boulot/rapport.odt (déjà donné) ; chemin relatif de /home/max/images/photos_vac/photo_1.jpg depuis /home/elsa.

3. Depuis /home/elsa, on exécute cp documents/fiche.ods documents/boulot. Que contiennent documents et documents/boulot ensuite ?

4. Décrire le schéma à trois états d'un processus (prêt / élu / bloqué) avec ses transitions (élection, blocage, déblocage). Donner un exemple de passage élu→bloqué. Nommer une structure de données LIFO.

5. Ordonnancement FIFO (« par ordre de soumission ») pour 5 processus :

Représenter le chronogramme d'exécution.

6. Reprendre avec l'algorithme « par tourniquet » (round-robin), quantum Q=2.

7. Décrire une situation d'interblocage entre deux processus P1, P2 se disputant deux ressources R1, R2.

Exercice tiré du sujet NSI 2021 dit « 2 annulé », sur les processus et l'interblocage.

Partie A. 3 programmes partagent table traçante, modem, imprimante :

Programme 1              Programme 2              Programme 3
demander(table traçante) demander(modem)          demander(imprimante)
demander(modem)          demander(imprimante)     demander(table traçante)
exécution                exécution                exécution
libérer(modem)           libérer(imprimante)      libérer(table traçante)
libérer(table traçante)  libérer(modem)            libérer(imprimante)

1. Justifier qu'un interblocage peut se produire (p1, p2, p3 les processus associés).

2. Modifier l'ordre du Programme 3 pour l'empêcher.

3. Si p1 demande la table traçante déjà utilisée par p3, quel est l'état de p1 en attendant (élu/bloqué/prêt/terminé) ?

Partie B. Une commande Linux liste des processus (colonnes UID, PID, PPID, C, STIME, TTY, TIME, CMD), avec une chaîne de processus chromium-browser tous rattachés au PID 831, et un processus PID 6211 au temps d'exécution le plus long (00:01:16).

4. Quelle commande a produit cet affichage ? Quel est le PID parent des processus chromium-browser ? Quel PID a le temps d'exécution le plus long ?

Exercice tiré d'un bac NSI de la session 2021 (centre d'examen non confirmé), sur les processus, l'ordonnancement, l'interblocage et les opérateurs booléens (chiffrement XOR).

QCM. 1. Commande affichant les processus en cours : dir, ps, man ou ls ? 2. Identifiant d'un processus sous UNIX : PIX, SIG, PID ou SID ? 3. Gestion du partage du processeur entre processus : interblocage, ordonnancement, planification ou priorisation ? 4. Commande interrompant un processus sous UNIX : stop, interrupt, end ou kill ?

Ordonnancement. Un processeur exécute, à chaque cycle, le processus disponible de plus petite valeur de priorité (préemption possible). P1 (durée 3, arrivée 3, priorité 1), P2 (durée 3, arrivée 2, priorité 2), P3 (durée 4, arrivée 0, priorité 3). Donner le processus exécuté à chaque cycle de 0 à 9.

Interblocage. Trois processus utilisent des ressources R1, R2, R3. Lequel des trois scénarios suivants provoque un interblocage ? Justifier.

• Scénario 1 : P1 acquiert R1 ; P2 acquiert R2 ; P3 attend R1 ; P2 libère R2 ; P2 attend R1 ; P1 libère R1.
• Scénario 2 : P1 acquiert R1 ; P2 acquiert R3 ; P3 acquiert R2 ; P1 attend R2 ; P2 libère R3 ; P3 attend R1.
• Scénario 3 : P1 acquiert R1 ; P2 acquiert R2 ; P3 attend R2 ; P1 attend R2 ; P2 libère R2 ; P3 acquiert R2.

XOR. Avant chiffrement (masque jetable), m = 0b 0110 0011 0100 0110 (deux caractères ASCII de 8 bits). a) Identifier ces deux caractères. b) Avec la clé k = 0b 1110 1110 1111 0000, donner le message chiffré (XOR bit à bit). c) Dresser la table de vérité de (a XOR b) XOR b, et en déduire l'opération que doit effectuer un destinataire connaissant la clé pour déchiffrer.

Exercice tiré du bac NSI Amérique du Nord 2024 (jour 1), exercice 1, sur une situation d'interblocage entre processus ordonnancés par tourniquet.

Reprenons l'exemple des processus A (créé cycle 2, durée 3), B (créé cycle 1, durée 4), C (créé cycle 4, durée 3), D (créé cycle 0, durée 5), ordonnancés par la méthode du tourniquet décrite précédemment (voir l'exercice sur la file et l'ordonnancement). Ils utilisent des ressources partagées : un fichier commun, le clavier, le GPU, le port 25000. Détail des actions de chaque processus, dans l'ordre :

• A : acquérir le GPU ; faire des calculs ; libérer le GPU.
• B : acquérir le clavier ; acquérir le fichier ; libérer le clavier ; libérer le fichier.
• C : acquérir le port ; faire des calculs ; libérer le port.
• D : acquérir le fichier ; faire des calculs ; acquérir le clavier ; libérer le clavier ; libérer le fichier.

Chaque processus effectue une action de sa liste à chaque cycle où il est élu par le tourniquet. Montrer que l'ordre d'exécution obtenu aboutit à une situation d'interblocage.

Exercice 3 (4 points) du sujet de bac NSI Polynésie 2023, jour 2.

1. Avec ps -aef on obtient un extrait montrant, entre autres, les processus de PID 9617 (PPID 8887, commande /usr/lib/firefox/firefox), 9657, 9697, 9750, 9794 (tous de PPID 9617), et 9795 (PPID 9794) ; le processus 8887 a pour commande bash. a. Donner, sous forme d'un arbre de PID, la hiérarchie des processus liés à firefox. b. Indiquer la commande qui a lancé le premier processus de firefox. c. La commande kill supprime un processus via son PID (ex. kill 8600). Indiquer la commande permettant de supprimer tous les processus liés à firefox, et uniquement ceux-là.

2. a. Recopier et compléter le schéma d'ordonnancement des processus (Nouveau → un premier état → un deuxième état → Terminé, avec un aller-retour vers un troisième état) avec les termes : Élu, En attente, Prêt, Blocage, Déblocage, Mise en exécution.

Quatre processus : P1 (arrivée 0, durée 8), P2 (arrivée 2, durée 6), P3 (arrivée 3, durée 2), P4 (arrivée 7, durée 2). Méthode : parmi les processus en attente, on exécute un cycle de celui dont la durée restante est la plus courte (égalité départagée par l'arrivée la plus ancienne), et on recommence jusqu'à épuisement.

Ordonnancement obtenu (exemple donné) : P1,P1,P1,P3,P3,P1,P1,P4,P4,P1,P1,P1,P2,P2,P2,P2,P2,P2 (18 cycles).

b. Le temps d'exécution d'un processus est la différence entre son instant de terminaison et son instant d'arrivée. Calculer la moyenne des temps d'exécution des quatre processus.

On modifie l'ordonnancement : le processeur exécute désormais deux cycles à chaque fois (au lieu d'un seul) du processus choisi.

c. Déterminer le nouvel ordonnancement (par blocs de 2 cycles). d. Calculer la nouvelle moyenne des temps d'exécution, et indiquer si cet ordonnancement est plus performant que le précédent.

3. Chaque processus est représenté par une liste comportant autant d'éléments que de durées (en cycles), suivis d'autant de chaînes vides que sa date de création :

p1 = ['1.8','1.7','1.6','1.5','1.4','1.3','1.2','1.1']
p2 = ['2.6','2.5','2.4','2.3','2.2','2.1','','']
p3 = ['3.2','3.1','','','']
p4 = ['4.2','4.1','','','','','','','']
liste_proc = [p1, p2, p3, p4]

a. Recopier (sans les commentaires) et compléter choix_processus, qui renvoie l'indice du processus le plus court parmi ceux en liste d'attente :

def choix_processus(liste_attente):
    if liste_attente != []:
        mini = len(liste_attente[0])
        indice = 0
        ...
        return indice

b. Une fonction scrutation (non étudiée) parcourt liste_proc et renvoie la liste d'attente des processus en fonction de leur arrivée. Recopier et compléter ordonnancement :

def ordonancement(liste_proc):
    execution = []
    attente = scrutation(liste_proc, [])
    while attente != []:
        indice = choix_processus(attente)
        ... # A FAIRE (plusieurs lignes de code) ...
        attente = scrutation(liste_proc, attente)
    return execution

D'après le sujet de bac NSI 2021 (Métropole, candidats libres, sujet 2).

1. Les états possibles d'un processus sont : prêt, élu, bloqué et terminé.

• a. À quoi correspond l'état élu ?
• b. Représenter par un schéma les passages possibles entre ces états.

2. Quatre processus C1, C2, C3 et C4 sont créés sur un ordinateur, et aucun autre processus n'y est lancé. L'ordonnanceur place les processus prêts dans une file : un processus qui devient prêt est enfilé, et le processus élu est défilé. Un processus élu s'exécute jusqu'à ce qu'il se termine ou qu'il soit bloqué.

• a. Une file fonctionne-t-elle selon le principe « premier entré, premier sorti » ou « dernier entré, premier sorti » ?
• b. Les processus arrivent dans la file dans l'ordre C1, C2, C3, C4. Leurs durées d'exécution totales sont respectivement de 100, 150, 80 et 60 ms. Après 40 ms d'exécution, C1 lance une écriture sur disque qui dure 200 ms, pendant laquelle il est bloqué ; après 20 ms d'exécution, C3 lance une écriture de 10 ms, pendant laquelle il est bloqué. On sait que C2 est prêt de 0 à 40 ms, élu de 40 à 190 ms, puis terminé.

Donner, sur l'intervalle de 0 à 400 ms, les états successifs de C1, C3 et C4, avec les dates de changement.

D'après le sujet de bac NSI 2021 (Amérique du Nord).

Un constructeur automobile équipe ses bureaux d'ordinateurs munis d'un système d'exploitation et de plusieurs applications : un traitement de texte, un tableur, un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) et un système de gestion de bases de données (SGBD).

1. Dans ses véhicules, il intègre des systèmes embarqués (GPS, freinage antiblocage ABS…) construits sur des systèmes sur puce (SoC). Citer deux avantages des systèmes sur puce par rapport à l'architecture classique d'un ordinateur.

2. Un ingénieur utilise en même temps les quatre applications. À un instant donné, l'état de leurs processus vis-à-vis de cinq données D1 à D5 est le suivant : M signifie que l'application mobilise la donnée, A qu'elle est en attente de cette donnée.

Montrer que les applications s'attendent mutuellement. Comment appelle-t-on cette situation ?

On reprend la table de routage du routeur 1, présentée dans le cours :

1. Un paquet arrive sur le routeur 1, à destination de la machine 192.168.1.101. Vers quelle passerelle est-il envoyé ?
2. Un paquet est à destination de 192.168.4.1 (un serveur sur Internet). Quelle ligne de la table s'applique ? Vers quelle passerelle le paquet est-il envoyé ?
3. Expliquer pourquoi cette table ne peut pas fonctionner si elle doit être tenue à jour manuellement pour un réseau de plusieurs milliers de machines, et donner le nom d'un algorithme permettant de l'automatiser.

Exercice tiré du sujet zéro officiel du bac NSI (2021), sur les protocoles de routage RIP et OSPF.

Réseau de 7 routeurs A à G, reliés par : A-B, A-C, A-D, B-D, C-E, C-F, D-E, E-G, F-G.

RIP (métrique = nombre de sauts). Tables partielles données :

Table de A : B(B,1), C(C,1), D(D,1), E(C,2), F(C,2), G(C,3). Table de C : A(A,1), E(E,1), F(F,1), G(F,2).

1. Trajet de A à G en nombre minimal de sauts ? En déduire une table de routage possible pour G.

2. Le routeur C tombe en panne : reconstruire la table de A.

OSPF (métrique = somme des coûts, coût $=10^8/d$). Débits : A-B 10 Gb/s, A-C 10 Mb/s, A-D 100 Mb/s, B-D 20 Mb/s, C-E 50 Mb/s, C-F 100 Mb/s, D-E 100 Gb/s, E-G 100 Mb/s, F-G 100 Mb/s.

3. Vérifier que le coût de A-B vaut 0,01. La liaison B-D a un coût de 5 : quel est son débit ?

4. Déterminer le chemin de A à G de coût total minimal (en détaillant le raisonnement).

Exercice tiré du sujet zéro 0.A du bac NSI (2024), sur les routeurs et les protocoles de routage RIP/OSPF.

Réseau local N1 : M1 (192.168.1.1/24), M2 (192.168.1.2/24), M3 (192.168.2.3/24). Depuis M1, ping 192.168.2.3 échoue (« Hôte inaccessible »).

1. Expliquer ce résultat.

2. Définir RAM ; expliquer le terme Linux ; expliquer pourquoi un routeur a besoin d'au moins deux interfaces réseau.

3. Attribuer une adresse IP valide à l'interface eth0 d'un routeur R1 ajouté à N1 (sachant M1=.1, M2=.2 déjà pris, réseau 192.168.1.0/24).

N1 est relié à N2, N3, N4 via des routeurs R1-R6. Table RIP de R1 (métrique = nb de routeurs traversés) :

4. Chemin d'un paquet de N1 vers N2 ?

5. Le routeur R3 (sur le chemin de N3 et de l'une des routes vers N4) tombe en panne : reconstruire la table de R1.

Protocole OSPF (coût $=10^8/d$). Types de liaison : Fibre (1 Gb/s), Fast-Ethernet (100 Mb/s), Ethernet (10 Mb/s).

6. Calculer le coût de chaque type de liaison.

R1-R2 est en Fibre, R1-R3 en Ethernet, R3-R6 en Fast-Ethernet, R2-R6 est de type inconnu. Table OSPF de R1 : N2 via eth1, coût 0,1 ; N4 via eth1 (R1-R2-R6), coût 1,1 ; N4 via eth2 (R1-R3-R6), coût 11.

7. En déduire le type et le débit de la liaison R2-R6.

8. La liaison R1-R3 devient Fibre : mettre à jour la table OSPF de R1 (entrées N3, N4).

Exercice tiré du sujet NSI 2021 dit « 2 annulé », sur le sous-réseautage IP et les protocoles de routage.

Réseau d'entreprise : L1 (192.168.1.0/24, PC P1/P2 via R1), L2 (172.16.0.0/16, serveurs S1/S2 via R6), interconnectés par R2, R3, R4, R5.

1. Adresses réseau de L1 et L2 ? Plus petite/plus grande adresse attribuable sur chacun ? Nombre maximal de machines sur chacun ?

2. Utilité de plusieurs chemins entre L1 et L2 ? Avec la topologie R1-R2, R2-R3, R2-R5, R3-R4, R3-R5, R4-R5, R5-R6, chemin le plus court (en sauts) entre R1 et R6 ? Avec coûts Ether=10, FastEther=1 sur R1-R2(Ether), R2-R5(Ether), R5-R6(Ether), R2-R3(FastEther), R3-R4(FastEther), R4-R5(FastEther), R3-R5(Ether), quel chemin R1→R6 a le coût minimal ?

3. Compléter les tables de routage de R5 et R6 pour que le trafic L1↔L2 emprunte le chemin le plus court en sauts.

Exercice tiré du bac NSI La Réunion 2022 (Jour 1), sur l'adressage IP et la notation CIDR.

Deux réseaux non reliés physiquement pour une "LAN party" : réseau 1 (switch1) avec des serveurs 172.150.4.10, 172.150.4.3, et le PC3 en 172.150.4.30/24 ; réseau 2 (switch2) avec des PC en 192.168.5.10, .25, .27, .28.

1.a. Combien d'octets compose une adresse IPv4 ? 1.b. Notation décimale du masque associé à /24 ?

2. Pour le PC3 (172.150.4.30/24) : conversion binaire de l'IP, masque en binaire, ET logique bit à bit, adresse réseau décimale.

3.a. Parmi ces propositions, laquelle/lesquelles conviendrai(en)t pour un 4ᵉ PC du réseau 1 ? 1) 172.154.4.30 2) 172.150.4.10 3) 172.150.10.257 4) 172.150.4.11 5) 172.150.4.0 6) 172.150.4.200 3.b. Commande système pour connaître sa propre adresse IP ?

4. On relie directement switch1 à switch2 pour que toutes les machines communiquent. Pourquoi est-ce insuffisant ? Proposer une alternative.

5. liste_IP = [[192,168,10,1],[192,168,10,25],[192,168,10,13]]. Écrire adresse(ip, liste_IP) qui ajoute ip et affiche "pas trouvée, ajoutée" si absente, ou affiche "trouvée" sinon.

Exercice tiré du bac NSI Métropole 2022 (Jour 1), sur les représentations binaires et les protocoles de routage RIP/OSPF.

1.a. Donner en décimal l'adresse IPv4 11000000.10101000.10000000.10000011. 1.b. Réseau A : toutes les adresses en 192.168.128._ _ _. Combien d'adresses différentes possibles ?

2. Tables RIP (métrique = sauts) de 5 routeurs : A(A0,B1,C1,D1,E2), B(A1,B0,C2,D1,E2), C(A1,B2,C0,D1,E2), D(A1,B1,C1,D0,E1), E(A2,B2,C2,D1,E0). 2.a. Routeurs directement reliés à A ? 2.b. Représenter sommairement le graphe des 5 routeurs.

3. OSPF : métrique $=10^8/\text{débit(bps)}$. Compléter :

4. Réseau de 7 routeurs F à L. Liaisons : F–G(8), F–H(5), F–I(20), G–I(6), G–L(3), H–J(4), H–I(20), I–J(5), L–J(2), J–K(3), I–K(15). Table partielle de F (F=0,G=8,H=5). 4.a. Chemin de F vers I (justifier). 4.b. Compléter la table de routage de F (I,J,K,L). 4.c. Une unique panne qui force tout le trafic vers F à passer par G ?

Exercice tiré du bac NSI Métropole (session de remplacement) 2022, sur l'architecture de Von Neumann et les réseaux (adressage IP, protocole RIP).

1. Entre deux schémas proposés (l'un montrant Mémoire ↔ Processeur{UC,UAL} avec Entrées/Sorties reliées au Processeur ; l'autre isolant l'UAL seule comme "Processeur", l'UC étant séparée), lequel représente le mieux une architecture de Von Neumann ?

Réseau : R1 (LAN01, 192.168.10.0/24, DHCP+PC01-03) relié à R2 (Internet, 90.10.20.0/24, via 2.100.40.0/24), R3 (via 3.100.30.0/24), R4 (via 4.10.10.0/24) ; R3–R4 via 4.20.10.0/24 ; R3–R5 via 5.30.20.0/24 ; R5–R7 via 7.30.40.0/24 ; R4–R6 via 6.10.30.0/24.

2. Proposer une adresse IPv4 pour PC02 de LAN01. 3. Combien de machines maximum sur LAN01 (masque /24) ? 4. Rôle d'un switch ? 5. Rôle d'un routeur ?

Table de routage RIP partielle de R1 :

6. Compléter les lignes incomplètes. 7. Si la liaison R1–R2 tombe : que devient la ligne « Internet » ?

Exercice tiré du bac NSI Centres étrangers 2021 (Jour 1), sur l'adressage IP et la notation CIDR.

Réseau de 8 PC, 3 switchs et 3 routeurs organisés en 3 sous-réseaux : SWITCH1 (172.16.0.0/16, PC1-3), SWITCH2 (192.168.20.0/24 : PC6 en 192.168.20.11/24, PC7 en 192.168.20.10/24, PC8 à déterminer), SWITCH3 (192.168.0.0/24, PC4-5).

1.a. Combien d'octets compose une adresse IPv4 ? 1.b. PC7 = 192.168.20.10/24. Conversion binaire sur 4 octets ? 1.c. Masque /24 en binaire ? 1.d. Masque en décimal ?

2. Adresse réseau = ET logique bit à bit (IP ∧ masque). Donner l'adresse réseau en binaire, puis en décimal.

3. Parmi ces adresses, laquelle/lesquelles conviendrai(en)t pour PC8 (même réseau que PC6/PC7) ? 192.168.20.0 / 192.256.20.11 / 192.168.20.30 / 192.168.20.230 / 192.168.20.260 / 192.168.27.11

4. dec_bin(n) prend un entier 0-255 et renvoie sa conversion binaire (liste de 8 éléments). Exemple : dec_bin(10) → [0,0,0,0,1,0,1,0]. Écrire IP_bin(adresse), qui prend une liste de 4 entiers et renvoie une liste de 4 listes binaires, via dec_bin. Exemple : IP_bin([192,168,0,1]) → [[1,1,0,0,0,0,0,0],[1,0,1,0,1,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0,1]].

Exercice tiré du bac NSI Nouvelle-Calédonie 2022 (jour 2), sur l'adressage IP et les protocoles de routage (RIP, OSPF).

Trois salles T1, T2, T3 (réseaux locaux avec commutateurs S1, S2, S3) plus un serveur (S4), interconnectés par les routeurs R1 à R4 (masque /24 partout). Extrait des adresses : R1 (eth1 195.168.1.1 côté S1, eth2 196.163.2.1 côté R2, eth3 194.162.1.1 côté R4) ; R2 (eth1 197.162.1.1 côté S2, eth2 196.163.2.2 côté R1, eth3 198.164.3.1 côté R3, eth4 193.154.5.1 côté R4) ; R4 (eth1 220.10.1.1 côté S4, eth2 194.162.1.2 côté R1, eth3 193.154.5.2 côté R2, eth4 200.158.4.2 côté R3). Portable 1 (S1) : 195.168.1.40 ; Portable 5 (S2) : 197.162.1.50 ; Portables 6-9 (S3) : 199.160.1.60-63 ; Serveur (S4) : 220.10.1.12.

1. a) Adresse du réseau local de Portable 3 (relié à S1). b) Une adresse possible pour Portable 3. c) Nombre d'adresses encore disponibles pour Portable 4 (réseau T2), en justifiant.

2. Donner les adresses IP des trois interfaces de R3 (première adresse disponible de chaque réseau connecté : S3, R2, R4).

3. Portable 1 veut joindre Portable 5. a) Trois parcours possibles. b) Le plus court chemin RIP (sauts). c) Si R1-R2 se rompt, le nouveau plus court chemin RIP.

4. Type de câble pour reconnecter R1-R2 (Internet / VGA / Ethernet / HDMI) ?

5. OSPF : coût = 10^9/d (d en bit/s). Débits (Mbps) : R1-R4:1000, R2-R3:10, R2-R4:1000, R3-R4:20, R1-R2:inconnu. a) La liaison R1-R2 a un coût de 10 : son débit en Mbps ? b) Portable 1 -> Portable 5, R1 doit envoyer à R2 : chemin de meilleur coût entre R1 et R2, en justifiant.

Exercice tiré du bac NSI Nouvelle-Calédonie 2022 (jour 2), sur les masques de réseau et les tables de routage RIP (avec une fonction Python).

1. Un masque de réseau valide, sur 32 bits, est une suite de 1 suivie d'une suite de 0. a) 255.255.225.0 et 255.255.224.0 sont-ils valides ? Justifier. b) convBin(liste) convertit 4 entiers (0 à 255) en liste de 32 bits. En considérant /0 et /32 comme valides, écrire cidr(bits), qui renvoie l'entier n de la notation CIDR si bits code un masque valide, -1 sinon.

2. Quelle commande affiche la table de routage : dir/ls, cacls/chmod, route print/ip route, ping, ou tracert/traceroute ?

3. Réseau à 3 routeurs R1 (eth0 192.168.1.1 côté PC, eth1 192.168.2.1 côté R2), R2 (eth0 192.168.2.2 côté R1, eth1 192.168.3.2 côté R3), R3 (eth0 192.168.3.3 côté R2, eth1 192.168.4.3 côté serveur). a) À l'étape 1 (mise en service), donner les tables de R2 et R3 (réseaux directement connectés uniquement). b) À l'étape 2 (R2 diffuse d'abord sa table, puis R1/R3 diffusent la leur à R2, qui se stabilise à : 2.0/24 direct, 3.0/24 direct, 1.0/24 via 192.168.2.1 - 1 saut, 4.0/24 via 192.168.3.3 - 1 saut), donner la table de R1. c) À l'étape 3 (même mécanisme), donner à nouveau la table de R1.

Exercice tiré d'un bac NSI de la session 2021 (centre d'examen non confirmé), sur les réseaux et les protocoles de routage RIP et OSPF.

Réseau à 6 routeurs R1-R6 ; le réseau local L1 est relié à R1, L2 à R6. Liaisons : R1-R3, R1-R2, R3-R2, R3-R4, R2-R4, R4-R5, R2-R5, R4-R6, R2-R6, R5-R6, R1-L1, R6-L2 (réseau 54.37.122.0/24).

Extraits de tables de routage vers 54.37.122.0/24 : R1 (passerelle 86.154.10.1, sur le lien R1-R2) ; R2 (passerelle 37.49.236.22, sur le lien R2-R6) ; R3 (passerelle 62.34.2.8, sur le lien R3-R4) ; R4 (passerelle 94.23.122.10, sur le lien R4-R6) ; R5 (passerelle 218.32.15.1, sur le lien R5-R6).

1. a) D'après la table de R1, vers quel routeur envoie-t-il un paquet de L1 vers L2 ? Justifier. b) Nommer les routeurs traversés.

2. La liaison R1-R2 est rompue. a) Donner, avec RIP (nombre de sauts), l'un des deux chemins possibles de L1 vers L2. b) Quelle(s) ligne(s) du tableau des passerelles est (sont) modifiée(s) ?

3. La liaison R1-R2 est rétablie ; on passe à OSPF (coût = 10^9/BP). Coûts : R1-R2:100, R1-R3:100, R2-R3:?, R2-R4:1, R2-R5:10, R2-R6:10, R3-R4:10, R4-R5:1, R4-R6:10, R5-R6:1. a) La bande passante de R2-R3 est 10 Mbps : calculer son coût. b) Déterminer le chemin de L1 à L2 selon OSPF. c) Indiquer pour quel(s) routeur(s) la table de routage vers L2 est modifiée par rapport à RIP.

Exercice tiré du bac NSI Amérique du Nord 2024 (jour 2), exercice 3 (question sur l'adressage IP, préalable à l'étude de la blockchain nsicoin).

Un réseau local relie les machines d'Alice (192.168.1.1) et de Bob (192.168.1.2). L'adresse de diffusion, réservée, est 192.168.1.255 ; le masque de ce réseau local est 255.255.255.0.

Donner une adresse IP possible pour la machine de Charlie afin qu'elle puisse communiquer avec celles d'Alice et de Bob dans ce réseau local. Justifier en donnant toutes les conditions à respecter dans le choix de cette adresse IP.

Exercice 2 (6 points) du sujet de bac NSI Centres étrangers (groupe 1) 2024, jour 1.

Une adresse IPv4 (32 bits) est notée en 4 octets a.b.c.d. La notation a.b.c.d/n (CIDR) signifie que les n premiers bits représentent la partie « réseau », les bits restants la partie « machine ». L'adresse dont tous les bits « machine » sont à 0 est l'« adresse du réseau » ; celle dont ils sont tous à 1 est l'« adresse de diffusion ».

Un réseau relie deux réseaux locaux L1 et L2 par l'intermédiaire de 8 routeurs (A à H). L1 utilise un masque sur 24 bits (255.255.255.0) ; L2 utilise un masque sur 16 bits, avec des adresses 172.16.x.x.

Partie A : adresses IP

1. Donner le masque de sous-réseau des machines de L2, en notation décimale pointée.

Concernant L2 :

2. Donner l'adresse du réseau.
3. Donner l'adresse de diffusion.
4. Donner le nombre maximum de machines pouvant être connectées à ce réseau.

Partie B : protocoles de routage

Extraits des tables de routage des 8 routeurs (règle vers L2) : A route via H ; B route via C ; C route via D ; D est directement connecté à L2 ; E route via D ; F route via E ; G route via H ; H route via D.

5. À l'aide de ces informations, donner un chemin (nommer les routeurs traversés) suivi par un message envoyé de L1 (connecté à A) vers L2.

La liaison entre les routeurs H et D est rompue.

6. Sachant que le protocole de routage RIP est utilisé (distance en nombre de sauts), et que le graphe des liaisons restantes est A–B, A–H, A–G, B–C, C–H, C–D, D–E, E–F, F–H, F–G, G–H, donner les nouveaux chemins que pourra suivre un message allant de L1 vers L2.
7. Choisir un des chemins de la question précédente. Donner le(s) routeur(s) dont la règle de routage à destination de L2 est obligatoirement modifiée, et écrire la (les) nouvelle(s) règle(s).

La liaison H–D est rétablie. Pour tenir compte du débit des liaisons, on utilise désormais le protocole OSPF (distance liée au coût des liaisons), avec $\text{coût} = \dfrac{10^9}{BP}$ (BP : bande passante en bit/s).

Bandes passantes des liaisons du réseau : A–B, A–H, A–G, B–C, C–D, F–H, G–H : 1 Gbit/s ; C–H, D–H : 100 Mbit/s ; D–E, E–F, F–G : 10 Gbit/s.

8. Calculer le coût des liaisons pour les 3 valeurs de bande passante présentes ci-dessus.
9. Déterminer le chemin que suivra un message allant de L1 vers L2, et donner son coût.
10. La liaison entre les routeurs G et F est rompue. Déterminer le nouveau chemin suivi par un message allant de L1 vers L2, et donner son coût.

Partie A. En utilisant les fonctions chiffre_cesar et dechiffre_cesar du cours :

1. Donner le résultat de chiffre_cesar("NSI", 3).
2. Un message a été chiffré par décalage de César et donne "KHOOR". Sachant que le message original est "HELLO", quelle est la clé utilisée ?

Partie B. Lors d'une connexion HTTPS à un site web :

3. Quelle clé (publique ou privée) le serveur envoie-t-il au client en clair ? Pourquoi cela ne compromet-il pas la sécurité de l'échange ?
4. Pourquoi le client et le serveur n'utilisent-ils pas le chiffrement asymétrique pour toute la communication, plutôt que de l'utiliser seulement pour échanger une clé de session symétrique ?

Exercice tiré du bac NSI Amérique du Nord 2024 (jour 2), exercice 3 partie B, sur la sécurisation d'une blockchain par hachage et minage (preuve de travail).

On enrichit la classe Bloc de trois attributs : hash_bloc_precedent (le hash du bloc précédent, ou "0" s'il n'y en a pas), nonce (entier, fixé à 0 avant minage), hash (calculé par calculer_hash, non détaillé ici). Propriétés du hash : il dépend de tout le contenu du bloc et uniquement de lui ; il se calcule rapidement ; la moindre modification du bloc change complètement le hash ; il est impossible de retrouver le bloc à partir de son hash ; deux blocs de même hash sont identiques. « Miner » un bloc consiste à trouver une valeur de nonce telle que hash commence par "00".

11. Expliquer en quoi consiste la recherche exhaustive de cette valeur de nonce.

12. Donner, en justifiant, la valeur de hash_bloc_precedent du bloc0 (premier bloc de la chaîne).

13. Le hash étant codé sur 256 bits, donner le calcul du nombre de hash possibles.

14. Compléter le code de minage_bloc :

def minage_bloc(self):
    """modifie le nonce d'un bloc pour que son hash commence par '00'
    en enumerant tous les entiers naturels en partant de 0."""
    self.nonce = 0
    self.hash = self.calculer_hash()
    while ... :
        self.nonce = ...
        self.hash = ...

D'après un cours de cryptographie de NSI Terminale.

Le chiffre de César décale chaque lettre d'un même nombre de rangs dans l'alphabet (avec un décalage de 3, A devient D, B devient E… et X devient A). On ne chiffre que des lettres majuscules.

1. Combien de clés différentes le chiffre de César offre-t-il ?
2. Compléter les fonctions suivantes, à l'aide de ord (code d'un caractère) et de chr (caractère d'un code).

def decale(lettre, cle):
    """Décale une lettre majuscule de cle rangs dans l'alphabet."""
    rang = ...(lettre) - ...("A")
    rang = (rang + ...) % ...
    return ...(rang + ord("A"))
 
def chiffre_cesar(phrase, cle):
    texte_chiffre = ""
    for ... in ...:
        texte_chiffre += ...
    return texte_chiffre

3. Un message a été chiffré avec une clé inconnue : PRZRFFNTRARPBAGVRAGEVRAQVAGRERFFNAG. Écrire un programme qui le déchiffre par force brute, puis donner la clé et le message.
4. Le chiffre de Vigenère utilise une clé de plusieurs lettres, répétée le long du message : avec la clé NSI, on décale les lettres de rang 1, 4, 7… de 14 (N est la 14ᵉ lettre), celles de rang 2, 5, 8… de 19 (S), et celles de rang 3, 6, 9… de 9 (I). Chiffrer RENDEZVOUS, puis écrire une fonction vigenere(texte, cle). Pourquoi ce chiffre résiste-t-il mieux à l'analyse que celui de César ?

D'après un cours de cryptographie de NSI Terminale.

Le OU exclusif (XOR, opérateur ^ en Python) s'applique bit à bit à deux entiers : 110 ^ 66 vaut 44. Pour chiffrer un caractère avec un caractère de la clé, on calcule le XOR de leurs codes.

1. Chiffrer à la main le mot NSI avec la clé 42 (appliquée à chaque lettre), sachant que les codes de N, S et I sont 78, 83 et 73.
2. Dresser la table de vérité de $(x \oplus y) \oplus y$. Quelle propriété en déduit-on pour déchiffrer ?
3. Écrire une fonction xor(a, b) qui renvoie le caractère dont le code est le XOR des codes des caractères a et b, puis une fonction masque_jetable(message, cle) qui chiffre le message caractère par caractère, en revenant au début de la clé si elle est plus courte que le message.
4. Bob reçoit d'Alice le message chiffré avec la clé "KEY", sous forme de codes : [25, 1, 15, 107, 4, 121, 6, 12, 29, 2]. Le déchiffrer.
5. Pourquoi ce chiffrement est-il incassable si la clé est aléatoire, aussi longue que le message, et utilisée une seule fois ? Que se passe-t-il si Alice réutilise la même clé pour deux messages ?

D'après un cours de cryptographie de NSI Terminale.

Dans le chiffrement asymétrique RSA, Alice fabrique une clé publique et une clé privée :

• elle choisit deux nombres premiers $p$ et $q$, et calcule $n = p \times q$ et $\varphi = (p - 1)(q - 1)$ ;
• elle choisit un entier $e$ premier avec $\varphi$ : sa clé publique est le couple $(e, n)$ ;
• elle calcule l'entier $d$ tel que $e \times d$ ait pour reste 1 dans la division par $\varphi$ : sa clé privée est le couple $(d, n)$.

Pour envoyer un nombre $m$ (avec $0 \leqslant m < n$), Bob calcule le reste $c$ de $m^e$ dans la division par $n$. Alice retrouve $m$ comme reste de $c^d$ dans la division par $n$.

1. Alice choisit $p = 3$, $q = 11$ et $e = 3$. Calculer $n$, $\varphi$, puis vérifier que $d = 7$ convient.
2. Bob envoie le message $m = 4$. Calculer le message chiffré $c$, puis vérifier qu'Alice retrouve bien 4.
3. En Python, pow(a, b, n) calcule le reste de $a^b$ dans la division par $n$. Écrire une boucle qui vérifie que le déchiffrement redonne le bon message pour tous les messages possibles de 0 à $n - 1$.
4. Un espion connaît la clé publique $(3, 33)$. Comment pourrait-il retrouver la clé privée ? Pourquoi est-ce impossible en pratique avec les clés réelles ?
5. Dans HTTPS, pourquoi n'utilise-t-on pas RSA pour chiffrer toute la communication ?