La couche physique
* 1. Notions de base sur les signaux de communication :
Les systèmes de communication assurent le transport de l’information entre un émetteur et un récepteur.
Émetteur
Canal de communication
Récepteur
**Signal**
* + 1. Le signal :
Le signal qui transporte l'information peut être une tension électrique, une impulsion lumineuse ou une onde électromagnétique. Il se présente en 2 formes : analogique ou numérique.
* Le signal **analogique** varie constamment en fonction du temps et il est caractéristique de la nature (les signaux réels sont analogiques : son, température, vitesse, humidité, …). Plusieurs valeurs de tensions sont significatives. * Le signal **numérique** est discret ou sautillant dans le temps. Il est caractéristique de la technologie plutôt que de la nature (l’informatique est de nature numérique binaire). Deux valeurs de tension seulement sont possibles.
* + 1. Les facteurs pouvant affecter un signal
Il existe différents facteurs pouvant affecter le signal et de ce fait les bits transportés sur les supports ou voies de transmission :
* La propagation de signaux réseau : Le terme de propagation fait référence au temps que met un bit ; c’est-à-dire une impulsion à se déplacer dans les supports. * L’atténuation du signal réseau : perte de la force du signal. Ce problème est limitable par un bon choix des supports de transmission réseaux. * La réflexion réseau : retour de l’énergie causé par le passage des impulsions dans le support. Si ce retour est trop fort, il peut perturber le signal des impulsions suivantes. Le système binaire peut être perturbé par ces énergies supplémentaires se déplaçant dans les supports. * Le bruit : Ajout indésirable à un signal. Des sources d’énergie situées à proximité de support fournissent un supplément d’énergie venant perturber le signal. (exemple : Diaphonie, paraphonie). Le bruit peut être causé par des sources d’alimentations externes, des variations thermiques, des interférences électromagnétiques ou encore des interférences de radio fréquences. * La dispersion : Etalement des impulsions dans le temps. Si la dispersion est trop forte, le signal d’un bit peut recouper le signal du précédent ou du suivant. La durée d’une impulsion est fixe, la dispersion correspond à une modification de cette durée au fur et à mesure que le signal se propage dans le support. * La gigue : Les systèmes numériques sont synchronisés, tout est réglé par des impulsions d’horloge. Si les horloges de la source et du destinataire ne sont pas synchronisées, on obtient alors une gigue de synchronisation. * La latence : Retard de transmission. Principalement du au déplacement du signal dans le support et à la présence de composants électroniques entre la source et la destination. * Les collisions : Se produit lorsque deux ordinateurs utilisant le même segment de réseau émettent en même temps. Les impulsions se mélange, détruisant alors les données. 1. Notions de base sur le codage de signaux réseau 1. Éléments intervenant dans la transmission * L'ETCD (équipement terminal de communication de données) : c’est un équipement spécifique chargé d'adapter les données à transmettre au support de communication * L'ETTD (équipement terminal de traitement de données) : l'ordinateur * Le support de transmission
* + 1. Les modes d’exploitation d’une voie de transmission :
L’exploitation d’une ligne de transmission peut s’effectuer suivant différents modes qui sont :
* **Mode simplex** : la transmission est unidirectionnelle, une extrémité émet et l’autre reçoit. Les diffusions radio et TV en sont les exemples les plus caractéristiques.
* **Mode semi-duplex** (half-duplex) : ce mode, appelé aussi bidirectionnel à l’alternat, permet une transmission dans les deux sens, mais alternativement. Chacune des deux extrémités reçoit et émet à tour de rôle, jamais simultanément.
* **Mode duplex** (full-duplex) : ce mode appelé aussi bidirectionnel simultané permet une transmission simultanée dans les deux sens.
**Remarque :**
On utilise ces termes pour caractériser aussi bien les modes d’exploitation possibles des voies de transmission que le protocole de liaison utilisé. Dans la pratique, une voie peut avoir certaines capacités tel que le mode duplex, bien que le protocole de liaison n’utilise que le mode simplex.
* + 1. Transmission Série et Parallèle :
Quand la liaison physique est établie, on essaie alors de transmettre de l’information (en l’occurrence des bits), ce qui peut être effectué de deux manières :
Transmission parallèle : transmission de plusieurs bits simultanément. Par exemple le bus d’un microordinateur peut transmettre 8 ou 16 bits simultanément, une ligne téléphonique longue distance peut transmettre 12 communications simultanées. Le parallélisme est réalisé, soit par duplication des lignes (cas du bus), soit par partage de la voie (cas de la ligne téléphonique).
Transmission série : les informations sont transmises sur la même ligne les unes après les autres et se succèdent dans le temps.
* 1. Modes de transmission et synchronisation :
Tout transfert d’informations utilisant les télécommunications est généralement réalisé sous forme **série**. Un des principaux problèmes de la transmission série est la synchronisation de l’émetteur et du récepteur. La transmission **parallèle** pose des problèmes de synchronisation plus complexes et n’est utilisé que sur de courtes distances.
La synchronisation détermine les instants d’échantillonnage du signal transmis pour reconnaître les bits constituant l’information. Une séquence de bits correspond à un changement d’état du signal, chaque état ne durant qu’un laps de temps très court. Le récepteur doit être synchronisé pour le début et la fin des instants d’échantillonnage correspondant aux changements d’état pendant un instant d’échantillonnage. C’est ce que l’on appelle la synchronisation bit. Dès que le récepteur reçoit les bits d’informations, il doit encore reconnaître les caractères, c’est la synchronisation caractère.
On distingue alors deux modes de transmission : la transmission asynchrone et la transmission synchrone :
* Transmission asynchrone :les caractères sont émis de façon très irrégulière, comme par exemple des caractères tapés au clavier. L’intervalle de temps entre deux caractères est aléatoire, le début d’un message peut survenir à n’importe quel moment. Il n’y a synchronisation entre l’émetteur et le récepteur que pendant la transmission de chaque caractère, les bits composant les caractères sont transmis de manière régulière. Mais il faut reconnaître le début et la fin de ces caractères, pour permettre la synchronisation bit, ce qui est réalisé en ajoutant un bit du début (bit-start) et un ou deux bits à la fin du caractère (stop-bit).
* Ce mode de transmission est relativement simple et peu coûteux, mais la redondance due aux bits ajoutés ne permet pas d’atteindre une grande capacité de transmission, et son utilisation est limitée aux terminaux lents, comme un clavier ou une petite imprimante ; * Transmission synchrone : les bits sont émis de façon régulière, sans séparation entre les caractères. Pour cela le récepteur possède une horloge-bit de même fréquence que celle de l’émetteur. La synchronisation- caractère (reconnaissance du début et de la fin du message) est réalisée par la reconnaissance de séquences particulières de bits, ou par l’insertion régulière d’éléments de synchronisation au cours de la transmission.
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Ce mode de transmission est bien adapté aux données volumineuses et aux nécessités de transmission rapide
* 1. Techniques de transmission des données :
La transmission d’informations nécessite la prise en compte des caractéristiques du canal de transmission. Il est dons nécessaire, pour transmettre un signal, de l’adapter au canal de transmission ; deux solutions sont possibles : la transmission en bande de base (l’adaptation s’appelle alors codage), ou la modulation (l’adaptation correspond alors à la transmission sur une fréquence porteuse).
* + 1. Transmission en bande de base
Après numérisation de l'information, on est confronté au problème de la transmission des "0" et des "1". Une première possibilité est l'utilisation de signaux numériques : il s'agit de faire correspondre un signal numérique pour le "0" et un autre signal numérique pour le "1". Il y a plusieurs manières de procéder :
| | | | --- | --- | | a) Codes NRZ (Non Retour à Zéro), RZ (Retour à Zéro), bipolaire NRZ et RZa) NRZ : le codage est simple : un niveau 0 pour le "0", un niveau V0 pour le "1" |  | | b) RZ : chaque "1" est représenté par une transition de V0 à 0. | | c) bipolaire NRZ : alternativement, un "1" est codé positivement, puis négativement | | d) bipolaire RZ : même traitement que précédemment. |
Codes biphases : le signal d'horloge et le signal de données sont convolués.
| | | | --- | --- | | ces codes sont définis sur le schéma ci-contre par comparaison au codage NRZ |  | | a) codage biphase cohérent ou Manchester : le "0" est représenté par une transition positive-négative et le "1" par une transition négative-positive. | | b) codage biphase différentiel : saut de phase de 0 pour un "0" et saut de phase de π pour un "1" |
Le code Miller : Peut être réalisé de la manière suivante
* transition (front montant ou descendant) au milieu du bit "1" * pas de transition au milieu du bit "0" * une transition en fin de bit "0" si celui-ci est **suivi** d'un autre "0"
Le code HDB3 (Haute Densité Bipolaire) :
* un "0" est codé par "0" * un niveau "1" est codé alternativement par un niveau +V ou –V, s’il n’y a pas plus de trois "0" successifs entre ces "1". * Si la suite de bits à émettre comporte au moins quatre "0" successifs, le dernier "0" est codé par un "1" de même sens que le dernier "1". On parle de viol de parité. * Si deux viols successifs ont la même parité, il y a bourrage : le premier "0" de la suite de quatre "0" est remplacé par un "1". * Pour chaque groupe de quatre "0", on regarde la polarité du dernier viol ainsi que celle du dernier "1", et on remplace cette suite de quatre "0" par :
-V00-V : si le dernier viol était positif et le dernier "1" positif,
000-V : si le dernier viol était positif et le dernier "1" négatif,
+V00+V : si le dernier viol était négatif et le dernier "1" négatif,
000+V : si le dernier viol était négatif et le dernier "1" positif,
*Remarque :* L’inconvénient du code NRZ est que l’horloge n’est pas transportée alors qu'avec le code biphase (Manchester) l’horloge est transportée car on a une transition à chaque bit émis (1:↑ et 0:↓).
Le choix entre les différents codages est effectué en fonction des caractéristiques du canal, du type de transmission et du débit binaire exigé. Le codage NRZ/NRZI est simple, mais pose d'importants problèmes de synchronisation. Le codage Manchester, le codage de Miller et le codage bipolaire sont plus sensibles au bruit (pour Manchester, le spectre est deux fois plus large ; pour Miller, l'annulation de la composante continue n'est pas totale ; pour les codes bipolaires trois niveaux de tension sont employés). Les plus utilisés pour des transmissions synchrones sont les codages Manchester différentiel, Miller et HDB*n*.
La transmission en bande de base présente l'avantage de la simplicité et donc du coût réduit des équipements. Elle exige en revanche des supports n'introduisant pas de décalage en fréquence (transmission sur câble).
* + 1. Transmission par transposition de fréquence (modulation)
L’utilisation des modulations numériques répond à deux besoins :
* Lorsque la transmission en bande de base n’est pas possible (dans l’air ou sur les lignes téléphoniques), on est obligé de translater le spectre bande de base vers les hautes fréquences : il faut réaliser une modulation. * Lorsque le signal à transmettre n’est pas dans un domaine de fréquence correspondant au support.
Plusieurs types de modulations sont utilisées :
Les modulations ASK, FSK et PSK
| | | | --- | --- | |  | Dans chacun des exemple, la suite de bits à émettre est la suite ci-contre. Les modulations les plus simples sont l’ASK (Amplitude Shift Keying), la FSK (Frequency SK) et la PSK (Phase SK). La modulation d’amplitude ou ASK : L’amplitude du signal varie du simple au double suivant que l’on veuille transmettre un 0 ou un 1. La modulation de fréquence ou FSK : La fréquence du signal varie du simple au double suivant que l’on transmette un 0 ou un 1. La modulation de phase ou PSK : La phase du signal varie en fonction du bit à envoyer. Chacune de ces modulations peut avoir 2 états (0 ou 1), comme sur les exemples précédents, mais également 4, 8, 16 ou plus états. L’exemple ci-contre illustre une modulation PSK à 4 états. |
* + 1. La modulation QAM :
La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou modulation d’amplitude en quadrature de phase est une technique qui emploie une combinaison de modulation de phase et d’amplitude. Elle est largement employée par les modems pour leur permettre d’offrir des débits binaires élevés.
Prenons par exemple un signal modulé QAM avec 3 bits transmis par baud. Une telle modulation requiert donc 23 soit 8 combinaisons binaires différentes. Dans notre exemple, nous prendrons 2 amplitudes combinées avec 4 décalages de phase différents. La table de correspondance pourra être du type :
Exemple de codage de la suite binaire 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 à partir de la table ci-dessus :
Les combinaisons possibles en modulations QAM sont souvent représentées par une constellation de points représentant chacun un groupe de bits.
 Exemple de constellation QAM8 (3 bits par baud)
Les diverses informations subies par une information numérique pour être convertie en une information analogique sont en général réalisé à l’intérieur de l’émetteur. A l’autre extrémité, le récepteur effectue les opérations inverses pour retrouver l’information initiale. Comme les transmissions sont, en général bidirectionnelle, on regroupe l’émetteur et le récepteur dans un même ensemble que l’on appelle modem et dont on place un exemplaire de chaque bout de la ligne.
L’architecture d’un modem est donc la suivante :
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Du côté du PC, on retrouve des fils contenant les signaux d’horloge, les signaux de contrôle, ainsi que ceux contenant les données émises et reçues. Ces données reçues en numérique seront adaptées puis modulées pour être ensuite envoyées sur la ligne de transmission. A la réception, les signaux sont démodulés pour être retransmis vers le PC en numérique. Un module particulier s’occupe de la détection des appels, ainsi que du contrôle et du séquencement des opérations.
* 1. Partage d’une voie de communication « Multiplexage » :
Une liaison est l’établissement d’une communication entre deux équipements informatique.
Le multiplexage est une opération consistant à établir plusieurs liaison sur une même voie de transmission sans qu’il y ait de gène mutuelle.
MUX
DEMUX
MUX
DEMUX
Support Partagé
Voie 1
Voie1
Voie 2
Voie2
Voie n
Voie n
*Le multiplexeur* : permet de grouper les informations à émettre pour les acheminer sur le support et dissocier celles reçues pour les faire parvenir aux circuits de données concernés tel que: « Débit support ≥ Σ débits des voies ».
On distingue 3 types de multiplexage: statique fréquentiel, statique temporel et dynamique temporel.
* + 1. Le multiplexage statique fréquentiel:
*☞ Principe*: découper la bande passante du support en plages de fréquences suffisantes pour transmettre les signaux.
Voie i (sous bande i)
Bande de garde pour éviter les chevauchements à cause des parasites
figure : Multiplexage fréquentiel
*☞ Inconvénients:* (☹ débit)
- Gaspillage de la bande passante par les bandes de garde.
- Si un circuit n’a rien à émettre alors sa sous bande ne pourra jamais être exploitée par un autre.
*☞ Utilisation:* de moins en moins à cause de la numérisation des voies pour les hauts débits.
* + 1. Le multiplexage statique temporel:
figure 12 : Multiplexage temporel
*☞ Principe* : partage dans le temps de la bande passante.
Bloc émis sur la voie n°1 : a1a2 … am
Bloc émis sur la voie n°2 : b1b2 … bm
Bloc émis sur la voie n°n : z1z2 … zm
| | | | | | --- | --- | --- | --- | | a1b1 … z1 | a2b2 … z2 | … | ambm … zm | | Trame 1 | Trame 2 | | Trame m |
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*Débit support = Σ débits des voies*
*☞ Avantage* : partage de toute la bande passante.
*☞ Inconvénient :* si un circuit n’a rien à émettre pendant sa tranche de temps alors celle-ci sera perdue et aucun autre ne peut bénéficier d’elle.
*☞ Utilisation*: réseaux numériques.
* + 1. Le multiplexage dynamique temporel:
*☞ Principe* : partager dans le temps la bande passante et n’accorder la tranche de temps correspondante à un circuit que si ce dernier a des informations à émettre.
*☞ Comment ?* : utiliser l’un des ETTD comme étant un maître qui va prendre en charge l’interrogation des autres pour savoir s’ils veulent émettre afin de leurs affecter ses tranches de temps.
* 1. Les modes de connexion 1. Mode point à point (bipoint) :
Les deux équipements dont interconnectés directement via un même et unique support de transmission.
Support de communication
Station A
Station B
* + 1. Mode multipoint (Réseau à diffusion):
Plusieurs équipements sont interconnectés directement via un même et unique support (exemple : les réseaux locaux). Les informations envoyées par un équipement sont reçues par tous les autres équipements ;
* + 1. Les réseaux commutés
Généralement le chemin suivi par l’information, de l’expéditeur au destinataire, emprunte un certain nombre de nœuds intermédiaire qui doivent faire suivre correctement les information qu’ils reçoivent. Plusieurs techniques permettent d’effectuer les commutations nécessaires à chaque nœud :
* **Commutation de circuit** : on établit une connexion physique temporaire entre les nœuds désirants échanger de l’information le transfert a lieu dès que la connexion est établie et elle le reste pendant toute la durée de la communication même pendant les périodes où aucune information n’est échangée. Ce type de commutation est rentable pour une ligne n’ayant que peu d’échanges d’informations. L’exemple le plus représentatif est celui du réseau téléphonique.
**Commutation de message**: avec cette technique, il n’y a plus besoin de réserver une ligne, on envoie simplement un message, avec son adresse, dans le réseau qui se charge de l’acheminement. Un message est donc l’ensemble des informations transférées en un envoie. Cette technique oblige chaque nœud à réceptionner des messages complets et les stocker temporairement et à les renvoyer s’il n’y a pas eu d’erreur de transmission. Dans tous les cas le nœud doit envoyer un accusé de réception indiquant s’il a bien, ou mal, reçu le message. La taille des messages peut varier considérablement, ce qui oblige les nœuds à disposer d’importants moyens de stockage. Cette commutation est plus souple que la précédente car elle permet de différer l’envoie d’un message, si le nœud récepteur n’est pas disponible. Les inconvénient de cette technique viennent des messages de taille importante : il faut les stocker et surtout les longs messages sont sujets à des taux d’erreurs plus élevés que les petits messages. De plus, en cas d’erreur, il faut retransmettre le message entier.
Ce type de commutation tend à disparaître au profit du type suivant : la commutation de paquet.
* **Commutation de paquet** : ce type de commutation est similaire à la commutation de message, mais limite la taille des informations transmises. On divise un message en paquets de longueur limité et on envoie les paquets séparément sur le réseau. Du fait de leurs tailles réduites, les paquets sont moins sensibles aux erreurs, ils sont plus facile à stocker et ainsi l’acheminement est plus rapide. Dans ce cas, les paquets n’emprunte pas forcément la même route à travers le réseau, suivant la charge de celui ci. Leur ordre d’arrivée peut donc différer de l’ordre de départ. Il faut simplement numéroter les paquets pour pouvoir reconstituer le message à l’arrivée. 1. Les équipements et les composants de la couche1 : 1. Les connecteurs
Les connecteurs utilisés pour le câble à paire torsadées sont des connecteurs RJ-45. Ils permettent de réduire les problèmes de bruit, de réflexion ainsi que les problèmes de stabilité mécanique.
Ils ont la même apparence que les connecteurs téléphoniques mais utilisent deux fois plus de paires torsadées (8). Il existe des connecteurs mâles (*connecteurs RJ-45*) et des connecteurs femelles (*prise RJ-45*).
Pour regrouper un grand nombre de prises RJ-45 des tableaux de connexions sont utilisés. Généralement fournis avec 12, 24 ou 48 ports, ils comprennent une face avant permettant de brancher les connecteurs RJ45 et une face arrière permettant de relier les câbles.
Les connecteurs utilisés pour le câble coaxial est le BNC
* + 1. Les émetteurs-récepteurs
Un émetteur –récepteur (tranceiver) convertit un signal en un autre. Il est souvent intégré aux cartes.
* + 1. Les répéteurs et les concentrateurs
Le répéteur est un composant actif. Son rôle est de re-synchroniser le signal afin de pouvoir étendre la portée des câbles.
Le concentrateur ou répéteur multi ports ; reprend le fonctionnement du répéteur en ajoutant une fonctionnalité de connectivité. En effet, il dispose de plusieurs équipements réseaux. Chaque signal arrivant sur un port est régénéré, re-synchronisé et réémis au travers de tous les autres ports.
Tous ces équipements, passifs ou actifs, créent ou manipulent des bits. Ils ne reconnaissent aucune information dans les bits, ni les adresses, ni les données. Leur fonction se limite donc à déplacer les bits