M1 Informatique Réseaux Cours 1bis – Couche Physique Notes de Cours par laquelle l’information est effectivemnt transmise. Les technologies utilisées sont celles du traitement du signal. Nous les aborderons brièvement ici. L 1 A COUCHE PHYSIQUE EST LA COUCHE Plan OSI 2 TCP/IP Application 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport Transport 3 Network Internet 2 Data link Host-to-network 1 Physical Not present in the model Fonctions de la Couche Physique 2.a Fonctions Fondamentales — Transmission physique : support électrique, électromagnétique, ... E. Godard http://www.lif.univ-mrs.fr/~egodard/ens/reseaux/ M1 Informatique R ÉSEAUX Réseaux : Cours 1bis — Tranformation d’une suite de bits en signaux et inversement — Faire abstraction du support physique : adaptation au support, — Partage du support, 2.b Transmission — Information : état logique (suite de 0 et 1) ←→ état du support (signal) — Signal : — états physiques possibles : amplitude, fréquence, phase — un symbole correspond à un état physique du système — valence V : nombre de symboles physiques utilisés 2.c Signaux 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 (a) (b) (c) (d) Phase changes (a) Signal binaire (b) modulation d’amplitude (c) modulation de fréquence (d) modulation de phase 2 2.d M1 Informatique R ÉSEAUX Réseaux : Cours 1bis Débits Rapidité de modulation — nombre de symboles physiques par unité de temps, — k est le nombre de tels “états physiques codants” émis pendant T secondes. — Rm = k/T (en bauds) : Débit binaire : — nombre de bits transmis par unité de temps, — un signal de valence V transmet donc log2 V bits par symbole, — D = Rm log2 V : Attention : un baud peut correspondre à plusieurs bits/s. 2.e Exemple : Modem La modulation consiste à tranformer une suite binaire en signal physique en faisant varier une de ces caractéristiques physiques : — amplitude, — phase, — fréquence. La démodulation est l’opération inverse. — Modem : Modulateur / Démodulateur — Modulation combinée : variation sur plusieurs caractéristiques (en général phase et amplitude). 2.f Diagramme de Constellation Représentation de l’onde ( amplitude + phase ) dans le plan complexe : ” z(t) = Aeiωt+ ϕ = Aeiϕ × eiωt ” ” = z0 eiωt ” 90 90 180 90 0 0 180 0 270 270 270 (a) (b) (c) Les positions des points dans le plan complexe représentent z0 , les paramètres (phase et amplitude) des ondes électriques correspondantes. 3 2.g M1 Informatique R ÉSEAUX Réseaux : Cours 1bis Multiplexage Objectif : utiliser le même support physique pour transmettre simultanément plusieurs signaux physiques, => plusieurs suites binaires en parallèle — même type de codage — fréquence de base différente — Traitement du signal via la numérisation Exemple : ADSL (Assymetric Digital Suscriber Line) Power 256 4-kHz Channels 0 25 Voice 3 3.a 1100 kHz Upstream Downstream Traitement du Signal Définitions La numérisation est la transformation d’un signal physique en suite binaire. L’échantillonnage est une des étapes de la numérisation, elle consiste à mesurer la valeur du signal à (petits) intervalles réguliers. Analyse Harmonique ( Coef. de Fourier ) — Fonction ” f : R −→ R”, ”2π” périodique 1 0 0 1 1 0 Time — On a 0 0 1 rms amplitude 3.b 0 T 0.50 0.25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Harmonic number (a) 1 1 harmonic f (t) = c ∞ ∑0 an sin(nt) ∞ ∑0 bn cos(nt) + + an = bn = 1 (b) 2 harmonics 1 0 — avec c = 0 1 2 (c) Z 2π 1 2π Z 1 π Z 1 π 0 2π 0 2π 0 4 harmonics 1 f (t)dt 0 1 2 3 4 (d) f (t) sin(nt)dt 8 harmonics 1 f (t) cos(nt)dt 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Harmonic number Time (e) 4 R ÉSEAUX Réseaux : Cours 1bis 3.c M1 Informatique Débits Maximaux Théoriques Théorème de Nyquist pour un canal parfait (=> sans bruit) ” debit binaire maximal = 2F log2 V bit/s ” Idée de la preuve Un signal émis en dessous d’une bande passante F peut être reconstitué avec un échantillonnage équivalent à 2F par seconde. Ex : canal 3000Hz avec signal binaire (=> deux niveaux de valence) => débit ne peut pas dépasser 6000 bits/s Conséquence Pour augmenter le débit, il suffit( ?) d’augmenter la valence 3.d Théorie de l’Information Rapport Signal/Bruit ce rapport est exprimé en Décibels (dB) ” (S/B)db = 10 log10 (S/B)bits/s ” Théorème de Shannon Débit binaire maximal (théorique) dans un canal bruité de bande passante F et de rapport signal-bruit S/B : ” debit = FHz log2 (1 + S/B) ” Exemple Ligne téléphonique classique, bande passante de 3000 Hz, rapport signal bruit de 30 dB. Celle-ci ne pourra jamais transmettre à un débit supérieur à 30000 bit/s, quels que soient le nombre de niveaux utilisés ou la fréquence d’échantillonnage. 4 4.a Pour Résumer Pour Résumer : Paire Torsadée - Câble électrique torsadé en cuivre Ex : Ethernet RJ45, réseau téléphonique (boucle locale) — Propagation en 5,3 µs/km, — Débit jusqu’a 1000 Mbit/s, — Jusqu’à 1 km sans répéteur (selon catégorie), — Coût faible => très répandu. Exemple Ethernet 100BaseTX à 100Mbits/s, 2 paires torsadées, catégorie 5, transmission en bande de base, codage Manchester, topologie bus avec hub, segment de 100m maximum. 5 R ÉSEAUX Réseaux : Cours 1bis 4.b M1 Informatique Pour Résumer : Câble coaxial — Meilleur blindage que la paire torsadée. — Propagation en 4,1 µs/km, haut débit : jusqu’à plusieurs GHz. — Propagation sur plusieurs kilomètres. — Peu sensible au bruit. — Coût plus élevé que la paire torsadée. Exemple Ethernet 10Base5 à 10Mbits/s, coaxial 50 , transmission en bande de base, codage Manchester, topologie en bus, segment de 500m maximum Télévision câblée, signal modulé, distances jusque 100km, multiplexage multicanaux. 4.c Pour Résumer : Fibre optique — Très peu sensible au bruit => “abolit” limite Nyquist / Shannon — Très haut débit théorique (> 50Tbits/s) — Propagation en 5 µs/km, débit courant de 1GHz. — Propagation sur de très longues distances. Exemple Ethernet 1000BaseSX à 1Gbits/s, fibre monomode, transmission en bande de base, codage manchester, topologie en bus, segment de 5km maximum 4.d Pour Résumer : Courant Porteur en Ligne — Utilisation du réseau électrique domestique (220V, 50Hz) — Gros problème de bruits, atténuations, échos ... — Bas débit : modulation de fréquence, 20kbits/s — Haut débit : multiplexage OFDM, de 14Mbits/s à 800Mbits/s 6 Réseaux : Cours 1bis 4.e — — — — — — R ÉSEAUX M1 Informatique Pour Résumer : Transmission sans fil Wifi, Bluetooth, ... Plus de câbles, Itinérance des systèmes, Réseau à diffusion : sécurité par cryptage, Système/système ou système/station, Problème de l’allocation du spectre électromagnétique. Exemple WiFi à 54 Mbits/s, modulation de phase, bande ISM des 2,4GHz, jusqu’à 400m sans obstacles, 100m avec obstacles. 7 Réseaux : Cours 1bis 4.f — — — — — R ÉSEAUX M1 Informatique Pour Résumer : USB sans fil Norme future pour étendre et remplacer l’USB (filaire) fréquence 3,1 à 10,6 GHz portée 10m débit de 110 à 480 Mbits/s chiffré (authentification manuelle) 8