Physique - Ingénierie Système et Réseaux Informatique
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INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Chapitre 3 Couche Physique I. Introduction Elle se préoccupe de résoudre les problèmes matériels. Elle a pour fonction de gérer la transmission brute des bits de données sur un canal de communication. Cette couche manipule des bits pour l'ordinateur, et des signaux analogiques pour la connectique. Cette couche normalise l'utilisation des câbles (type, tension, longueur, etc.), les communications hertziennes (fréquence, amplitude, etc.), les fibres optiques, etc. Les problèmes de conceptions peuvent être d'ordre mécanique, électrique, fonctionnel ou encore une défaillance du support physique (se trouvant sous la couche physique). II. Notions de base sur les signaux de communication : Les systèmes de communication assurent le transport de l’information entre un émetteur et un récepteur. Canal de communication Récepteur Émetteur 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, 1 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 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. III. Modes de transmission La couche physique fournit les moyens mécaniques, électriques, fonctionnels et procéduraux nécessaires à l’activation, au maintien et à la désactivation des connexions physiques destinées à la transmission de bits entre deux entités de liaison de données. Tout d'abord une liaison entre 2 équipements A et B peut être : o Simplex (unidirectionnelle), dans ce cas A est toujours l'émetteur et B le récepteur. C'est ce que l'on trouve par exemple entre un banc de mesure et un ordinateur recueillant les données mesurées. 2 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 o o half-duplex (bidirectionnelle à l'alternat) quand le rôle de A et B peut changer, la communication change de sens à tour de rôle (comme avec des talkies-walkies). o Full-duplex (bidirectionnelle simultanée) quand A et B peuvent émettre et recevoir en même temps (comme dans le cas du téléphone). 3 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 La transmission de plusieurs bits peut s'effectuer en série ou en parallèle. En série, les bits sont envoyés les uns derrière les autres de manière synchrone ou asynchrone. Dans le mode synchrone l'émetteur et le récepteur se mettent d'accord sur une base de temps (un top d'horloge) qui se répète régulièrement durant tout l'échange. Dans le mode asynchrone, il n'y a pas de négociation préalable mais chaque caractère envoyé est précédé d'un bit de start et immédiatement suivi d'un bit de stop. Quel que soit le mode de transmission retenu, l'émission est toujours cadencée par une horloge dont la vitesse donne le débit de la ligne en bauds, c'est-à-dire le nombre de tops d'horloge en une seconde. Ainsi, une ligne d'un débit de 100 bauds autorise 100 émissions par seconde. Si à chaque top d'horloge un signal représentant 0 ou 1 est émis, alors dans ce cas le débit en bit/s est équivalent au débit en baud. IV. Les techniques de transmission IV.1. Transmission en bande de base La transmission en bande de base consiste à envoyer directement la suite de bits sur le support à l'aide de signaux carrés constitués par un courant électrique pouvant prendre 2 valeurs (5 Volts ou 0 par exemple). 4 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Cependant, le câble sur lequel est émis le signal possède une bande passante qui est l'intervalle des fréquences possibles sur ce support, donc à la réception on ne retrouve pas toute la richesse du signal initial et dans la plupart des cas le signal carré sera très déformé. Par exemple, le câble téléphonique a une bande passante de 300 à 3400 Hz, donc tous les signaux de fréquence inférieure à 300 ou supérieure à 3400 seront éliminés. Les principaux types de codage des signaux sont les suivants : le code tout ou rien : c'est le plus simple, un courant nul code le 0 et un courant positif indique le 1 le code NRZ (non retour à zéro): pour éviter la difficulté à obtenir un courant nul, on code le 1 par un courant positif et le 0 par un courant négatif. le code bipolaire : c'est aussi un code tout ou rien dans lequel le 0 est représenté par un courant nul, mais ici le 1 est représenté par un courant 5 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 alternativement positif ou négatif pour éviter de maintenir des courants continus. le code RZ : le 0 est codé par un courant nul et le 1 par un courant positif qui est annulé au milieu de l'intervalle de temps prévu pour la transmission d'un bit. le code Manchester : ici aussi le signal change au milieu de l'intervalle de temps associé à chaque bit. Pour coder un 0 le courant sera négatif sur la première moitié de l'intervalle et positif sur la deuxième moitié, pour coder un 1, c'est l'inverse. Autrement dit, au milieu de l'intervalle il y a une transition de bas en haut pour un 0 et de haut en bas pour un 1. Le code Miller : on diminue le nombre de transitions en effectuant une transition (de haut en bas ou l'inverse) au milieu de l'intervalle pour coder un 1 et en n'effectuant pas de transition pour un 0 suivi d'un 1. Une transition est effectuée en fin d'intervalle pour un 0 suivi d'un autre 0. IV.2. Transmission modulée Le principal problème de la transmission en bande de base est la dégradation du signal très rapide en fonction de la distance parcourue, c'est pourquoi elle n'est utilisée qu'en réseau « local » (<5km). Il serait en effet trop coûteux de prévoir des répéteurs pour régénérer régulièrement le signal. C'est pourquoi sur les longues distances on émet un signal sinusoïdal qui, même s'il est affaibli, sera facilement décodable par le récepteur. Ce signal sinusoïdal est obtenu grâce à un modem (modulateur-démodulateur) qui est un équipement électronique capable de prendre en entrée un signal en bande de base pour en faire un signal sinusoïdal (modulation) et l'inverse à savoir restituer un signal carré à partir d'un signal sinusoïdal (démodulation). Il existe trois types de modulation : la modulation d'amplitude envoie un signal d'amplitude différente suivant qu'il faut transmettre un 0 ou un 1. Cette technique est efficace si la bande passante et la fréquence sont bien ajustées. Par contre, il existe des possibilités de perturbation (orage, lignes électriques...), car si un signal de grande amplitude (représentant un 1) est momentanément affaibli le récepteur l'interprétera à tort en un 0. la modulation de fréquence envoie un signal de fréquence plus élevée pour transmettre un 1. Comme l'amplitude importe peu, c'est un signal très résistant aux perturbations (la radio FM est de meilleure qualité que la radio AM) et c'est assez facile à détecter. 6 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 la modulation de phase change la phase du signal (ici de 180 ) suivant qu'il s'agit d'un 0 (phase montante) ou d'un 1 (phase descendante). 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. 7 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA V. 2008/2009 Les supports de transmission V.1. Les supports filaires Pour assurer la transmission des signaux entre un émetteur et un récepteur, on peut utiliser plusieurs technologies de communication. Il existe actuellement, deux types de supports : les supports filaires et les supports non filaires. LA PAIRE TORSADÉE Ce câble est formé par un ensemble de paire de fils de cuivre mutuellement isolés, et enroulés l'un autour de l'autre. Les fils de cuivre ou d’aluminium des différentes paires sont isolés les uns des autres par du plastique et enfermés dans un câble. Chaque paire est formée de fils de cuivre enroulés l’un autour de l’autre pour former une torsade afin d’éviter les problèmes de diaphonie (interférence entre conducteurs). La structure d’une paire torsadée est représentée par la figure suivante : La norme EIA/TIA 568 a utilisé UTP pour créer des normes applicables à toutes sortes de contextes de câblage qui garantissent au public l’homogénéité des produits. Ces normes incluent différentes catégories de câbles UTP : 8 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Catégorie 1 : Câble téléphonique traditionnel (transfert de voix mais pas de données). Catégorie 2 : Transmission voix et données à 4Mbit/s maximum (RNIS). Il est composé de 4 paires torsadées. Catégorie 3 : 10 Mbit/s maximums. Il est composé de 4 paires torsadées et de 3 torsions par pied. Catégorie 4 : 16 Mbit/s maximums. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre. Catégorie 5 et Catégorie 5 étendue : 155 Mbit/s maximums. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre. C’est le câblage le plus courant (peut être utilisé pour plusieurs services). Catégorie 6 : jusqu’à 200 Mbit/s. Catégorie 7 : jusqu’à 6 Gbit/s. Dans la pratique, ce câble est utilisé dans les architectures en étoile et en anneau. Avantages: Une bande passante par appareil plus importante. Plus d'interruption par coupure du câble contrairement au bus. Installation très facile. Coût faible. Inconvénients : Des câbles plus nombreux qu'avec le coaxial. Câblage plus cher qui prend plus de place dans les gaines techniques. 9 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Des appareils actifs (HUBs, Switchs) qui doivent être alimentés électriquement. LE CÂBLE COAXIAL Le câble coaxial est constitué par : L’âme (cœur en cuivre), accomplissant la tâche de transport des données, est généralement composée d’un seul brin en cuivre ou de plusieurs brins torsadés. 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). Le blindage (tresse métallique) entourant les câbles permet de protéger les données transmises sur le support des parasites (autrement appelés bruit) pouvant causer une distorsion des données. La gaine de protection permet de protéger le câble de l'environnement extérieur. Elle est habituellement en caoutchouc (parfois en Chlorure de polyvinyle (PVC), éventuellement en téflon). 10 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 On distingue deux types de raccordements pour le câble coaxial: Le raccordement utilisant une prise en T Le raccordement utilisant une prise vampire Avec le premier type de raccordement, le câble doit être coupé pour ajouter un autre périphérique aux réseaux. Par contre l’ajout d’un périphérique à un réseau utilisant des prises en vampire n’exige pas la coupure du canal. Ce support de transmission présente des avantages et des inconvénients. Avantages : Un coût faible. Un blindage qui le rend résistant aux interférences électromagnétiques Inconvénients : Un débit limité à 10 Mbits/s (Mégabits par seconde). 11 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Toute coupure du câble est fatale au réseau. FIBRE OPTIQUE Une fibre optique est constituée d’un tube (diamètre 0,1 mm environ) qui transporte l'information sous la forme de signaux lumineux produits par un laser ou une led. Avantages : Immunité quasi totale à l'électromagnétisme Débit élevé : plusieurs Gbit/s Légèreté. Perte presque nulle. Faible atténuation. Tolère des débits de l'ordre de plusieurs GBps. 12 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Inconvénients : Coût de la connectique Fragilité physique Difficulté de mise en œuvre. V.2. Les supports non filaires ONDES RADIO En 1887 Heinrich Hertz découvre les ondes radio. En 1896, à Bologne Gugliemo Marconi réalise la première transmission radio. Grâce aux ondes radios, on peut transmettre des signaux de données numériques ou analogiques. Ce type de transmission présente quelques avantages comme il présente aussi des inconvénients. Avantages : Pas de problème de câblage comme le cas pour les supports de transmissions filaires. Inconvénients : La transmission est sensible à l'environnement et aux bruits produits par les ondes sonores et électromagnétiques La bande passante non suffisante qu’offre la transmission radio est un peu limitée car il existe une législation L’infrastructure de la transmission radio est coûteuse (installation de stations de base d’émission et de réception). 13 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 INFRAROUGE Cette technologie de transmission est non filaire. Elle utilise des ondes de longueurs d’ondes qui s'étendent approximativement de 0,7 μm à 100 μm. Elle est utilisée dans le domaine de télédétection et la transmission à faible portée comme pour les commandes des télévisions et des systèmes commandables à distance tels que les équipements électroménagers et audiovisuels. Cette technologie présente quelques avantages comme elle présente aussi des inconvénients. Avantages : Pas de problème de câblage comme le cas pour les supports de transmissions filaires. Pas de demande d'autorisation d'utilisation de fréquences Inconvénients : La transmission est bloquée par la présence des obstacles. La bande passante très faible qu’offre la transmission infra rouge L’infrastructure de la transmission infra rouge est coûteuse. Faible portée avec la transmission infra rouges vue que les courte ondes n’ira pas loin (de quelques mètres à quelques dizaines de mètres). 14 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Transmission non super directionnel c'est-à-dire l’émetteur doivent se mettre en regard l’un par rapport à l’autre pour établir une connexion infra rouge. ONDES LUMINEUSES (LASER + PHOTORECEPTEUR) Avantages : Pas de problème de câblage comme le cas pour les supports de transmissions filaires. La bande passante très grande et offre un débit très élevé. L’infrastructure de la transmission avec les ondes lumineuse est peu coûteuse. Inconvénients : La transmission est sensible à l'environnement extérieur tel que la neige, le brouillard et les courants de convection thermiques. VI. Les équipements de la couche physique Les équipements de la couche physique, passifs ou actifs, créent ou manipulent des bits. Ils ne reconnaissent aucune information dans les bits, ni les adresses, ni les données. LES REPETEURS Un répéteur est un connecteur spécial qui a pour rôle de faire suivre les signaux transmis sur un réseau en empêchant toute perte de signal Un répéteur permet de prolonger facilement un support de transmission existant tel qu’un câble. 15 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Les répéteurs sont particulièrement utiles lorsque les ordinateurs d’un réseau sont éloignés les uns des autres. Un répéteur est un appareil très simple qui n’offre pas des performances suffisantes pour les réseaux qui servent à transférer des volumes d’informations importants. Les répéteurs ne sont pas donc adaptés aux réseaux très actifs. Plus le signal doit parcourir une longueur de câble importante, plus il devient faible. On parle alors d’atténuation du signal. Les répéteurs permettent de résoudre les dysfonctionnements provoqués par un manque de puissance du signal. Le rôle d’un répéteur consiste à amplifier le signal qu’il reçoit, puis à le faire suivre le long du câble. Une fois amplifié, le signal peut parcourir une distance plus longue. Afin d’éviter des interférences au cours de la transmission des signaux, les répéteurs filtrent généralement les distorsions et les parasites avant d’amplifier et de faire suivre le signal. On parle dans ce cas de Régénération du signal. LES CONCENTRATEURS Un concentrateur est un élément matériel permettant de concentrer le trafic réseau provenant de plusieurs hôtes, et de régénérer le signal. Le concentrateur est ainsi une entité possédant un certain nombre de ports (il possède autant de ports qu'il peut connecter de machines entre elles, généralement 5, 8, 16 ou 32). Son unique but est de récupérer les données binaires parvenant sur un port et de les diffuser sur l'ensemble des ports. Tout comme le répéteur, le concentrateur opère au niveau 1 du modèle OSI, c'est la raison pour laquelle il est parfois appelé répéteur multi ports. Le concentrateur permet ainsi de connecter plusieurs machines entre elles, parfois disposées en étoile, ce qui lui vaut le nom de HUB (signifiant moyeu de roue en anglais; la traduction française exacte est répartiteur), pour illustrer le fait qu'il s'agit du point de passage des communications des différentes machines. On distingue deux catégories de concentrateurs : 16 INRODUCTION AUX RESEAUX COUCHE PHYSIQUE ISET MAHDIA 2008/2009 Les concentrateurs dits "actifs" : ils sont alimentés électriquement et permettent de régénérer le signal sur les différents ports Les concentrateurs dits "passifs" : ils ne permettent que de diffuser le signal à tous les hôtes connectés sans amplification 17
