Réseaux Informatiques : Chapitre 1 transmission des données réseaux informatiques
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Télécharger packChapitre 1 : Transmission des données 1.1 Transmissions de données et caractéristiques: Qu’est ce qu’un canal de transmission ? Un canal de transmission n’est pas forcément constitué d’un seul support physique de transmission , c’est pour cela que chaque ETTD (terminal) utilise un ETCD adapté au type de support au quel il est relié. Représentation de données La transmission de données sur un support physique se fait par propagation d’un phénomène vibratoire ( lumière son, électricité). Il en résulte un signal de la grandeur physique que l’on fait varier: Les ondes électromagnétiques sont caractérisés par leur fréquence, leur amplitude et leur phase, on parle alors de transmission analogique. S=A Sin(f t + ). A: amplitude du signal. P : période du signal (secondes) F : fréquence du signal (Hertz) f=1/p. phase du signal (radian). L’information peut être représentée aussi par la variation d’une seule grandeur physique (tension électrique, intensité lumineuse,..etc). On parle alors de transmission numérique. Perturbations: La transmission de données sur une ligne ne se fait pas sans pertes. Tout d’abord le temps de transmission n’est pas immédiat, ce qui impose une certaine « synchronisation » des données à la réception. D’autre part des parasites ou des dégradations du signal peuvent apparaître. Les parasites (bruit): sont l’ensemble
des perturbations modifiant localement la forme du signal, on distingue généralement trois type de bruits Le bruit blanc : est une perturbation uniforme du signal, c’est à dire qu’il rajoute au signal une petite amplitude dont la moyenne sur le signal est nulle. Le bruit blanc est généralement caractérisé par un ratio appelé « rapport signal / bruit » qui traduit le pourcentage d’amplitude du signal par rapport au bruit (son unité est le décibel). Celui-ci doit être le plus élevé possible. Les bruits impulsifs : sont des petits pics d’intensité provoquant des erreurs de transmissions. L’affaiblissement: représente la perte de signal en énergie dissipée dans la ligne. L’affaiblissement se traduit par un signal de sortie plus faible que le signal d’entrée et est caractérisée par la valeur. Le rapport d’affaiblissement =
émis signaldu Amplitude
reçu signaldu Amplitude
A = 10 log
10 (Le rapport d’affaiblissement) L’affaiblissement est proportionnel à la longueur de la voie de transmission et à la fréquence du signal. La distorsion: caractérise le déphasage entre le signal en entrée et le signal en sortie.
Taux d’erreur: Probabilité de perte ou d’altération d’une information (1 bit). On peut la mesurer en calculant pendant un temps significatif le rapport du nombre de bits erronés sur le nombre de bits émis. Amplitude Période = /2 V1 V2 La vitesse de transmission : Un état: est le plus petite portion du signal échangée entre deux ETCD. La durée d’un état est notée t voire La rapidité de modulation R est la quantité d’états transmis en une seconde. R = 1 / t en bauds) Le débit binaire : D d’une voie de transmission est le nombre maximum de symbole binaire transmis par seconde sur cette voie. Pour ce faire, il suffit de regarder dans chaque état le nombre de bits qui sont transmis, ou de déterminer sur la ligne le nombre de valeur ou d’états différents qui existent et d’appliquer la formule suivante (Karbowiak 1969):
n= log2 V
Avec n : La quantité d’information contenue représentée par un état, V: La valence du signal désignant le nombre d’états différents dans le signal. La relation entre D et R peut s’exprimer de la façon suivante:
D = R n
en bits/s Temps de transfert : Durée qui sépare le début d’émission de la fin de réception : T transfert = T émission + T propagation
. Le temps d’émission dépend du débit, le temps de propagation dépend de la distance couverte et du support. Remarque: dans le cas où l’on transporte 1 bit (cas où n =2 ), par état nous obtenons: R = D Exemple : On considère le signal numérique dont on relève un échantillon représentatif suivant Bande passante: La bande passante d’une voie de transmission est l’intervalle de fréquence sur lequel le signal ne subit pas un affaiblissement supérieur à une certaine valeur (généralement 3db car 3db correspondent à un affaiblissement du signal de 50 % ). Un circuit de données est assimilable à un filtre de type Passe Bande. Autrement dit, seule une certaine bande de fréquence est correctement transmise. La réponse spectrale d’un circuit parfait indique une atténuation totale de toutes les fréquences extérieures à la bande. Dans la pratique, la réponse n’est pas aussi franche, et on définit en général la bande passante (encore appelé largeur de bande du circuit par :W = f2 - f1 Ces 2 fréquences f1 et f2, limitant la bande passante, correspondent à une puissance transmise P
1 =P
0 / 2 avec P0 représentant la puissance dans la bande. Cette largeur de bande est dite à 3 dB (décibel) : 10 log10 P0 / P
1 = 10 log10 2 = 3 dB La bande passante est très importante pour un circuit de données puisqu’elle détermine directement sa capacité de transmission. Capacité: (formule de Shanon) La capacité d’une voie est la quantité d’informations en (bits) pouvant être transmis sur la voie en une seconde.
C = W log2 (1 + S / B) Où : C la capacité en bps , W= f2 - f
1 la largeur de bande en (HZ) et S / B représente le rapport signal sur le bruit de la voie. Exemple: Avec une ligne téléphonique usuelle (W = 3100 Hz) et un rapport Signal/Bruit de 30 dB, la capacité de transmission est d’environ à déterminer bits/s. En pratique, les débits binaires sur de telles voies n’excédaient guère 9600 bits/s. De manière empirique il a été constaté aussi que la rapidité maximale que peut atteindre un ETCD est contrainte par la bande passante du support physique auquel elle est connecté : Rmax ≤ 2 W 1.2-Représentation des données: Transmission analogique : La transmission analogique de données consiste à faire circuler des informations sur un support physique de transmission sous forme d’une onde. La transmission des données se fait par l’intermédiaire d’une onde porteuse, une onde simple dont le seul but est de transporter les données par modification de l’une de ces caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase), c’est la raison pour laquelle la transmission analogique est généralement appelée "transmission par modulation d’onde porteuse ». Selon le paramètre de l’onde porteuse que l’on fait varier, on distinguera trois types de transmissions analogiques: Lorsque les données numériques on fait leur apparition, les systèmes de transmissions étaient encore analogiques, il a fallu donc trouver un moyen de transmettre des données numériques de façon analogiques. La solution à ce problème était le Modem, son rôle est : A l’émission : de convertir des donnée numériques (un ensemble de 0 et1) en signaux numériques en signaux analogiques. On appelle ce procédé « la modulation » A la réception de convertir le signal analogique en données numériques. Ce procédé est appelé démodulation. C’est pour cela que le modem est en réalité l’acronyme de Modulateur/Démodulateur La modulation de base : Pour transmettre des signaux en analogique, on utilise des signaux avec un fréquence choisie, ce qui permet de limiter les pertes et donc de transmettre sur des distances plus longues. Dans chacun des exemples n la suite de bits à émettre est la suite ci-contre. Les modulations les plus simples sont ASK (amplitude shift Keying) la FSK (frequency SK) et la PSK (phase SK). Le signal analogique est donné par ftAta2sin
, et est déterminé par son amplitude, sa phase et sa période. La modulation d’amplitude ou l’ASK: L’amplitude du signal varie du simple ou 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 ou double suivant que l’on transmet un 0 ou un 1. La modulation de phase ou PSK : la phase du signal varie en fonction du bit à envoyer. Transmission numérique: La transmission numérique consiste à faire transiter les informations sur le support physique de communication sous forme de signaux numériques. Pour faire passer 0 ou 1 il faut coder par un signal possédant deux états par exemple: Deux niveaux de tensions par rapports à la masse. La présence ou absence de courant dans un fil. La présence / absence de lumière, .... Cette transformation de l’information binaire sous forme d’un signal à deux états est réalisée par l’ETCD, appelé aussi codeur bande de base, d’où l’appellation de transmission en bande de base pour désigner la transmission numérique. Codage des signaux : pour que la transmission soit optimale, il est nécessaire que le signal soit codé de façon à faciliter sa transmission sur le support physique. Il existe deux grandes catégories de codages. Codage RZ : (utilise deux valeurs V=+V pour le 1 et V=0 pour le bit zéro. Inconvénients : Consommation d’électricité importante dans le cas ou on émet une série de 1. Problème de détection du signal. Problème de désynchronisation lors d’une série de 1 ou de 0. Codage NRZ : le codage NRZ (signifiant No return to zero) est le premier système de codage car le plus simple. Il consiste à coder un 1 avec un signal +v et un 0 par un signal –V. De cette façon, la composante continue du signal est nulle (s’il y a globalement autant de 1 que de 0) ce qui donne une consommation moins importante. Comme le signal n’est jamais nul, cela permet au récepteur de détecter ou non l’absence du signal. Son défaut est que le signal continue gène la synchronisation entre émetteur et récepteur. Codage Manchester : Propose une inversion du signal systématique au milieu de la période de l’horloge ce qui garantit l’impossibilité d’avoir un signal continue. Pour transmettre un 1, il s’agira par exemple de considérer un front montant et, et d’un front descendant pour un 0. 1.3- Les supports physiques : Les supports physiques sont des éléments permettant de faire circuler les informations entre les équipements de transmission. On classe généralement ces supports en trois catégories, selon le type de grandeur physique qu’ils permettent de faire circuler, et de leur constitution physique: les supports filaires : permettent de faire circuler une grandeur électrique sur un câble généralement métallique. Paire de fils torsadés. Câble coaxial : – câble fin (Ethernet fin) – gros câble (gros Ethernet). Données numériques ETCD Codeur / bande de base Données analogiques convertisseur analogique / numérique 11000 11000 ETCD Codeur / bande de base 0 1 0 0 1 1 0 ManchesterNRZ Horloge
RZ Les supports aériens : désignent l’air ou le vide, ils permettent la circulation d’ondes électromagnétiques ou radioélectriques diverses. La propagation se fait par ligne droite (radio, télé, ...) pour permettre des liaisons grandes distance, on utilise des satellites. Avantages : liaison grande distance. Pas de câblage. Inconvénients : affaiblissement des signaux et le temps de propagation est de 260 ms pour un aller – retour. Les supports optiques : permettent d’acheminer les informations sous forme lumineuse. Selon le type de support physique, la grandeur physique a une vitesse de propagation plus ou moins rapide (par exemple le son se propage dans l’air à une vitesse de l’ordre de 300m/s alors que la lumière a une célérité de 300 000 km/s) (i) Le câble coaxial : le câble coaxial a longtemps été le câblage de prédilection pour le simple raison qu’il est peu coûteux et facilement manipulable (poids, flexibilité,...). Un câble coaxial est constitué d’une carte centrale (appelée âme), c’est à dire un fil de cuivre enveloppé dans un isolant, puis d’un blindage métallique tressé et enfin d’une gaine extérieure. La gaine permet de protéger le câble de l’environnement extérieur. Elle est habituellement en caoutchouc (parfois en chlorure de polyvinyle (PVC) éventuellement en Téflon. Le blindage (enveloppe métallique) entourant les câbles permet de protéger les données transmises sur le support des parasites (autrement appelé bruit). Pouvant causer une distorsion du des données. L’isolant entourant la partie centrale est constitué d’un matériau diélectrique permettant d’éviter tout contact avec le blindage provoquant des interactions électriques (court circuit). L’âme, accomplissant la tâche de transport des données est généralement composée d’un seul brin en cuivre ou de plusieurs brins torsadés. Grâce à son blindage le câble coaxial peut être utilisé sur les longues distances et à haut débit (contrairement à un câble de type paire torsadée) on le réserve toutefois pour des installations de base. On distingue habituellement deux types de câbles coaxiaux. 10 BASE 2 (câble coaxial fin ): (thinnet ou cheapernet) câble fin de diamètre 6mm, très flexible et peut être utilisé dans la majorité des réseaux sur une distance de 185 m sans affaiblissement. Il fait partie de la famille des RJ58 don la l’impédance (résistance) est égale à 50 ohm. 10 BASE 5 (câble coaxial épais) : (thicknet ou yellow cable) est un câble blindé de plus gros diamètre (12 mm) et de 50 ohm d’impédance. Il a longtemps été utilisé dans les réseaux ethernet. Etant donné que son âme a un plus gros diamètre, la distance susceptible d’être parcourue par des signaux sans affaiblissement est de de 500 M et sa bande passante est de 10 Mbps. Il est donc employé souvent comme câble principal (backbone) pour relier des petits réseaux. Pour connecter un câble Thinnet ou Thicknet on a besoin d’un transceiver (transmetteur). Ces câbles coaxiaux présentent de meilleures caractéristiques électriques que les câbles à paires torsadées. Il offre une bande passante de grande largeur, et une gaine isolant blindage âme protection contre les rayonnements électromagnétiques parasites satisfaisantes. Les performances de ces types de câble dépendent eux aussi de la qualité des isolants des conducteurs et de la longueur des câbles. Les plus couramment utilisés sont des câbles de 2,6/9,5 et de 1,2/4,4. Plus la distance à parcourir pour le signal est faible, plus la vitesse de transmission peut être élevée. On atteint des vitesses de transmission de 100 Mbit/s sur des distances inférieures au kilomètre. Sur plusieurs
centaines de Km les vitesses de transmission sont de l’ordre de 100 Kbit/s à quelques Mbit/s. On transmet généralement avec ce type de câble des signaux en bande de base (Manchester, BHD, NRZ,etc...) dans le cas d’une utilisation sur des réseaux locaux. On transmet également des signaux analogiques (sinusoïdaux en modulation de phase, amplitude, fréquence) dans le cas d’une utilisation pour la distribution de la TV par câble et dans les grandes artères de raccordement interurbaines pour le téléphone. On peut transmettre avec ces derniers câbles des signaux pouvant atteindre une fréquence de 450 Mhz sur des distances de plusieurs kilomètres. (ii) La paire torsadée: (Twisted pair cable) chaque câble est constitué au moins de deux brins de cuivre (paire torsadé) entrelacés en torsade et recouverts d’isolants. Un câble est souvent fabriqué à partir de plusieurs paires torsadées regroupées et placées dans une gaine protectrice. L’entrelacement permet de supprimer les bruits (interférences électriques) dus aux autres paires adjacentes ou autres sources. Elle est adaptée pour les réseaux locaux à faible distance. Paire torsadée non blindée (UTP): parmi ces caractéristiques :
Longueur maximale d’un segment : 100 mètres Composition : 2 fils de cuivre recouverts d’isolant Normes UTP : conditionnent le nombre de torsions par pied (33cm) de câble en fonction de l’utilisation prévue. UTP : répertorié dans la norme Commercial Building Wiring Standard 568 de l’EIA/TIA. La ,norme EIA/TIA 568 a utilisé UTP pour créer des normes applicables à toutes sortes de locaux et de contextes de câblage qui garantissent au public l’homogénéité des produits. Ces normes incluent cinq catégories de câbles UTP : Catégorie 1 : Câble téléphonique traditionnel (transfert de voix mais pas de données) Catégorie 2 : Transmission des données à 4Mbit/s maximum (RNIS). Il est composé de 4 paires torsadées Catégorie 3 : 10 Mbit/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées et de 3 torsions par pied Catégorie 4 : 16 Mbit/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre Catégorie 5 : 100 Mbit/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre La plupart des installations téléphoniques utilisent un câble UTP. Beaucoup de locaux sont pré-câblés pour ce genre d’installation (souvent en nombre suffisant pour satisfaire les futurs besoins). Si la paire torsadée pré-installée est de bonne qualité, il est possible de transférer des données et donc l’utiliser en réseau informatique. Il faut faire attention cependant aux nombres de torsades et aux autres caractéristiques électriques requises pour une transmissions de données de qualité. Le majeur problème provient du fait que le câble UTP est particulièrement sujet aux interférences (signaux d’une ligne se mélangeant à ceux d’une autre ligne). La seule solution réside dans le blindage. La paire torsadée blindée (STP) : Le câble STP (Shielded Twisted Pair) utilise une gaine de cuivre de meilleure qualité et plus protectrice que la gaine utilisée par le câble UTP. Il contient une enveloppe de protection entre les paires et autour des paires. Dans le câble STP, les fils de cuivre d’une paire sont eux-mêmes torsadés, ce qui fournit au câble STP un excellent blindage, c'est-à-dire une meilleure protection contre les interférences). D'autre part il permet une transmission plus rapide et sur une plus longue distance. Les connecteurs pour paire torsadée : La paire torsadée se branche à l’aide d’un connecteur RJ-45. Ce connecteur est similaire au RJ-11 utilisé dans la téléphonie mais différent sur certains points : le RJ-45 est légèrement plus grand et ne peut être inséré dans une prise de téléphone RJ-11. De plus, la RJ-45 se compose de huit broches alors que la RJ-11 n’en possède que quatre. (iii) Fibre optique: La câblage optique est particulièrement adapté à la liaison entre répartiteurs (liaison centrale entre plusieurs bâtiments, appelé backbone) car elle permet des connexions sur des longues distances (de quelques kilomètres à 60 km dans le cas de fibre monomode) sans nécessiter de mise à la masse. De plus ce type de câble est très sûr car il est extrêmement difficile de mettre un tel câble sur écoute. Un système de transmission optique comporte 3 composants principaux : - Un émetteur de lumière qui peut être : - Une diode électroluminescente (LED Light Emitting Diode), Diode qui fonctionnent dans le rouge visible (850nM). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet FOIRL - Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300nM - Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1300 ou 1550nM - un guide cylindrique qui n’est autre qu’une fibre optique de 100 à 300 microns de diamètre et recouvert d’un isolant, - un récepteur de lumière qui peut être : - une photo diode, - un photo transistor (Phototransistor). La fibre à saut d'indice 200/380 Cette fibre provoque une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu. La fibre à gradient dont le coeur est constitué de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. Bande passante typique 200-1500Mhz par km. C'est ce type de fibre qui est utilisé à l'intérieur des bâtiments de l'Université (62.5/125) et entre certains sites desservis par les PTT (50/125). La fibre monomode dont le coeur est si fin que le chemin de propagation des différents mode est pratiquement direct. La dispersion nodale devient quasiment nulle. La bande passante transmise est presque infinie (> 10Ghz/km). Cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance. Le petit diamètre du coeur (10um) nécessite une grande puissance lors de l'émission. Cette opération est réalisée par des diodes au laser qui sont relativement onéreuses. Avantages : La fibre optique est un câble possédant de nombreux avantages : - Très grande bande passante : 1Ghz pour 1 Km, - Faible volume, - Grande légèreté (quelques grammes par Km), - Très faible atténuation(régénération > 10 Km) (voir 50 km avec 0,85 micron), - Très bonne qualité de transmission, - Résistance au chaud et au froid, - pas de rayonnement (protection en cas d’application militaire), Inconvénients : - difficultés de raccordement entre 2 fibres. - Dérivations difficiles, - difficultés sur le multiplexage de l’onde. (iv) Les ondes en transmission à vue directe : Ici le support de transmission est immatériel (pas de support physique entre deux extrémités du réseau). On retrouve dans cette catégorie les transmissions: - Par faisceaux hertziens, - Par rayons infrarouges, - Par rayons lasers, - Par ondes radio-électromagnétiques. On utilise les rayons infrarouges ou laser lorsque que l'on a pas la possibilité d'établir une liaison par fibre optique ou ligne téléphonique dédiée et que l’on souhaite relier entre eux des bâtiments avec des réseaux LAN. Conclusion : Support de transmission Caractéristique fil métallique 100 Mbits/s (courte distance) câble coaxial haut débit (réseaux locaux) fibre optique supérieur à 100 Mbits/s transmission par onde antenne hertzienne antenne infrarouge 10 Mbits/s satellite géostationnaire 2 Mbits/s 1.4 Les modes de Transmission de données: Pour une transmission donnée sur une voie de communication entre deux machines de communications peut s’effectuer de différentes manières. La transmission est caractérisé par: Le sens des échanges Le mode de transmission: il s’agit du nombre de bit envoyés simultanément. 1.4.1- Le sens des échanges : (a) Liaison Simplex: caractérise une liaison dans laquelle les données circulent dans un seul sens, c’est à dire de l’émetteur vers le récepteur, Ce mode est très utile lorsque les données n’ont pas besoin de circuler dans les deux sens (par exemple de votre ordinateur vers l’imprimante ou de la souris vers l’ordinateur ...) (b) Liaison Half duplex : caractérise une liaison dans laquelle les données circulent dans un sens ou l’autre, mais pas les deux simultanément. Ainsi avec ce genre de liaison chaque extrémité de la liaison émet à son tour. Ce type de liaison permet d’avoir une liaison bidirectionnelle utilisant la capacité totale de la ligne (c) Liaison Full duplex: caractérise une liaison dans laquelle les données circulent de façon bidirectionnelle et simultanément. Ainsi, chaque extrémité de la ligne peut émettre et recevoir en même temps, ce qui signifie que la bande passante est divisée par deux pour chaque sens d’émission des données si un même support est utilisé pour les transmissions.
1.4.2 Transmission série et parallèle : désigne le nombre d'unité élémentaires d'informations (bits) pouvant être simultanément transmise par le canal de communication. En effet,