Protocoles Réseaux

Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Préambule
Le modèle hybride
Couche
5 Application
Protocoles Réseaux
Protocole d'application
Application
Interface
4
Protocole de transport
Transport
Matthieu Picantin
Transport
message
Réseau
é
paquet
trame
Frontière du sous-réseau de communication
3
Réseau
seau
Réseau
Protocoles internes au sous-ré
sous-réseau
LIAFA CNRS UMR 7089
Université Paris 7 Denis Diderot
6 mars 2009
2
Liaison
Liaison
Liaison
Liaison
1
Physique
Physique
Physique
Physique
Hôte
ô A
Pont
Routeur
Hôte B
Protocole de couche rréseau
seau h
hôte-routeur
te-routeur
Protocole de couche liaison de donn
données hôte-pont
Protocole de couche physique hôte-pont
bit
Nom des
unités
échangées
2 / 36
1 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Préambule
Techniques de transmission
Rôle de la couche physique
Bande de base vs large bande
Objectif
Signal numérique
Transport d’un flot de bits d’une machine à une autre sur
un canal de communication
Couche réseau
Couche transport
S(t)
Signal variant de
manière
discontinue dans
le temps
Maintien et désactivation des connections physiques
Technologie de la transmission
Signal analogique
Connaître le support (avec ou sans guide physique, etc)
Signal variant de
manière continue
dans le temps
Définir la technologie utilisée pour la transmission
Contrôler les aspects optiques, électriques & mécaniques
3 / 36
t
S(t)
t
4 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Bande de base vs large bande
Perturbations de la transmission
Couche réseau
Atténuation
Signaux numériques (baseband)
atténu
ation
↑ Mise en oeuvre très simple et peu coûteuse
Elle dépend de la fréquence et de la
puiss. reçue
distance : A=10 log10 puiss.
(en dB)
émise
↓ Débits très élevés seulement sur de courtes distances
Distorsion temporelle
↑ Adaptés à la transmission de données
Couche transport
Elle est due aux différentes vitesses
des harmoniques
Signaux analogiques (broadband)
↓ Mise en oeuvre plus complexe (et coûteuse)
Bruit
↓ Moins adaptés à la transmission de données
Il s’agit d’énergies parasites : bruit
thermique, diaphonie, bruit impulsif
↑ Débits élevés sur de longues distances
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
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Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Bande passante
Analyse de Fourier
P
Filtres passe bas naturels
f (en Hz)
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Série de Fourier
Toute fonction T -périodique g se décompose comme
Au delà d’une certaine fréquence, on observe
une trop forte atténuation
fc
P
f (en Hz)
Bande passante
Intervalle de fréquences
pour lequel le signal est
atténué dans une limite
raisonnable
∞
∞
n=1
n=1
la fréquence fondamentale est f =
1
T
!
!
1
g(t) = a0 +
an cos(2πnft) +
bn sin(2πnft)
2
Filtres passe haut artificiels
On interdit les très basses fréquences trop
perturbées par le bruit
P
3 dB
bande passante (en Hz)
f (en Hz)
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les amplitudes des harmoniques sont
"T
"T
an = T2 0 g(t) cos(2πnft)dt et bn = T2 0 g(t) sin(2πnft)dt
#
2
2
n
les amplitudes efficaces sont an +b
2
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Analyse de Fourier
Analyse de Fourier
1
1 harmonique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Harmoniques transmissibles
Soit b le débit binaire (en bit/s) et H la bande passante (en Hz)
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
Il faut 8/b secondes pour transmettre l’octet 01100010
1
La fréquence fondamentale f est b/8 (en Hz)
2 harmoniques
0
T
temps
amplitudes
efficaces
0.50
Le nombre d’harmoniques transmissibles est environ 8H/b
1 2
0
1
4 harmoniques
0.25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
nombre d'harmoniques
Harmoniques transmissibles pour H = 3 kHz
b (bit/s)
T (ms)
f (Hz)
# harmoniques
1 2 3 4
0
1
8 harmoniques
300
26,67
37,5
80
1200
6,67
150
20
4800
1,67
600
5
9600
0,83
1200
2
38400
0,21
4800
0
1 2 3 4 5 6 7 8
0
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
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Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Vitesse de modulation
Valence
Temps élémentaire
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Valence
Nombre d’états différents que peut prendre un signal
Fraction (temporelle) du signal représentant la transmission
d’une même information
Signal de valence 4
Signal de valence 2
S(t)
S(t)
S(t)
t
t
temps élémentaire
t
Valence, vitesse de modulation et débit
Si la valence est V = 2m et la vitesse de modulation est R,
alors le débit binaire est le produit R × m, soit R × log2 V
Vitesse de modulation (exprimée en Baud)
Nombre de temps élémentaires transmis par unité de temps
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Limitation du débit
Transmission en bande de base
Exemple
Pour une bande passante H (en Hz)
et une valence V
débit binaire maximal = 2H log2 V (en bit/s)
Un canal ayant une
bande passante
de 3 kHz et exempt de
bruit ne peut
transmettre un signal
numérique à un débit
excédant 6 kbit/s
Théorème de Shannon (canal bruité)
Exemple
Pour une bande passante H (en Hz)
et un rapport signal sur bruit 10 log10
Un canal de 6 kHz dont
le rapport signal sur
bruit est de 20dB ne
peut transmettre un
signal à un débit
supérieur à 40 kbit/s
(en dB)
débit binaire maximal = H log2 (1+ NS ) (en bit/s)
Couche transport
Transmission synchrone de bits
Théorème de Nyquist (canal parfait)
S
N
Couche réseau
tous les bits transmis calés sur une même horloge
synchronisation
par régénération du signal d’horloge à la réception
par utilisation de séquences de synchronisation
le signal doit présenter de nombreuses transitions
Codage en bande de base
choix du temps élémentaire
choix de la valence
choix des états
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission en bande de base
Transmission en bande de base
Couche réseau
Couche transport
Code NRZ (Non Return to Zero)
Code tout-ou-rien
horloge
horloge
V
V
t
0
1
1
0
0
0
1
t
0
0
1
1
0
0
0
1
0
Problème 1 : composante continue non-nulle = échauffement
pas effet de Joule
Problème 1 : désynchronisation possible sur de longues
séquences identiques
Problème 2 : pas de distinction entre 0 et pas de transmission
Problème 2 : dépendance vis-à-vis de la polarité
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission en bande de base
Transmission en bande de base
Couche réseau
Couche transport
Code RZ (Return to Zero)
horloge
V
horloge
Code NRZI (Non Return to Zero Inverted)
V
t
t
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
Si 0 : V=0 sur la période,
Principe : transition seulement si 0
Si 1 : front montant en début, descendant en milieu de période
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission en bande de base
Transmission en bande de base
Couche réseau
Code biphase ou Manchester
Code bipolaire
horloge
horloge
V
V
t
t
0
Couche transport
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
Avantage : indépendant de la polarité
Principe : XOR entre les données et l’horloge
Problèmes de désynchronisation et de détection de transmission
C’est le codage utilisé pour Ethernet à 10 Mbit/s
19 / 36
0
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission en bande de base
Transmission en bande de base
Code Manchester différentiel
horloge
V
t
0
1
1
0
0
0
1
Couche transport
Code Miller
horloge
V
Couche réseau
t
0
0
Une transition à chaque demi-période
1
1
0
0
0
1
0
Une transition à chaque demi-période si 1,
Une transition au début de la période seulement si 0
Une transition en fin de la période si 0 suivi de 0
Avantage : indépendant de la polarité
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission large bande
Transmission large bande
Modulation
Obligatoire au délà de quelques kilomètres
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Modulation d’amplitude
Utilisation d’un modem (modulateur-démodulateur)
liaison courte
Principaux types de modulation
liaison longue
modem
modem
Le but est de moduler une onde porteuse en modifiant une de
ses caractéristiques
modulation d’amplitude
modulation de fréquence
modulation de phase
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24 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission large bande
Transmission large bande
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Modulation de phase
Modulation de fréquence
liaison courte
liaison longue
liaison courte
modem
liaison longue
modem
modem
modem
25 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
26 / 36
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission large bande
Transmission large bande
90
90
10
90
00
0
180
180
0
01
270
Couche transport
90
00
11
Couche réseau
Modulation d’amplitude en quadrature de phase
Modulation de phase en quadrature
10
Couche liaison
180
180
0
0
11
01
270
27 / 36
270
270
QAM-16
QAM-64
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Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Transmission large bande
Multiplexage
Modulation avec codage en treillis
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Problématique
90
90
évolution de la demande de bande passante
coût d’installation et d’entretien d’une ligne indépendant de son débit
Solutions techniques
0
180
180
0
270
multiplexage fréquenciel (FDM)
le spectre des fréquences disponibles est divisé en bandes plus étroites
dont chacune est affectée à l’usage exclusif d’une communication
multiplexage temporel (TDM)
chaque communication bénéficie de la totalité de la bande passante
mais pendant un laps de temps limité
270
V.32bis
V.32
29 / 36
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Multiplexage
Multiplexage
Multiplexage fréquenciel (FDM Frequency Division Multiplexing)
intéressant (signaux optiques limités au Gbit/s vs bandes de 25THz)
Puissance
Atténuation
Canal 2
Canal 3
λ
1
Fibre 1
Canal 3
64
68
72 (kHz)
Fibre 2
Canal multiplexé
1
Fibre 3
300 3100 (Hz)
Bandes passantes
originales
60
72 (kHz)
64
68
Bandes des fréquences
transposées
Fibre 4
31 / 36
Spectre fibre 2
Puissance
Spectre fibre 1
Canal 1
60
Couche transport
principe du FDM mais utilisation de la diffraction (mécanisme passif)
1
Canal 1
Couche réseau
Multiplexage en longueur d’ondes (WDM Wavelength Division Multiplexing)
groupe primaire = 12×4000Hz (500+3000+500) de 60 à 108 kHz
groupe secondaire = 5 groupes primaires = 60 voies
groupe tertiaire = 5 groupes secondaires = 300 voies
Canal 2
Couche liaison
Spectre fibre 3
λ
Spectre fibre 4
λ
Puissance
Couche liaison
Puissance
Couche physique
Puissance
Introduction
30 / 36
λ
λ2
λ2
λ4
λ
Filtre
λ1
λ3
Spectre sur
la fibre
partagée
Multiplexeur
optique
λ1+λ2+λ3+λ4
Séparateur
optique
λ4
λ1
Fibre longue distance partagée
λ3
32 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Multiplexage
Multiplexage
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Principe OFDM : émetteur vs récepteur
Multiplexage par répartition en fréquences orthogonales (OFDM)
x0
utilisation optimale de la bande de fréquence allouée
par orthogonalisation des porteuses
Re
DAC
x1
bonne immunité contre l’évanouissement de propagation multitrajet
fc
FFT-1
s[n]
r(t)
π/2
faible complexité de l’algorithme de multiplicité de la modulation
xn-2
diminution du taux d’erreur par codage et entrelacement adapté
Im
DAC
xn-1
Nombreuses applications
ADC
radiodiffusion pour la télévision numérique terrestre (normes DVB, etc)
y0
Re
y1
fc
internet pour l’ADSL (norme G.DMT)
r(t)
réseaux sans-fil (normes 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.16, etc)
^s[n]
FFT
π/2
yn-2
réseaux mobiles de nouvelle génération (4G).
Im
ADC
yn-1
33 / 36
Introduction
Couche physique
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
34 / 36
Introduction
Couche physique
Techniques de transmission
Techniques de transmission
Multiplexage
Multiplexage
Couche liaison
Couche réseau
Couche transport
Accès Multiple par Division de Code (CDMA)
Accès Multiple par Division de Code (CDMA)
notation bipolaire : 0 noté −1 et 1 noté +1
P
produit interne normalisé : S • T = m1 m
i=1 Si Ti
procédé d’étalement de spectre : temps de transmission d’un bit
divisé en m intervalles appelés chips (m = 64 ou 128)
chip sequences 2-à-2 orthogonales : S • T = 0 pour chaque {S, T }
un code unique S de m bits (chip sequence) attribué à chaque
station s
propriétés :
S•T =0 ⇒ S•T =0
S • S = 1 = −S • S
pour transmettre 1, s envoie sa chip sequence S
pour transmettre 0, s envoie son complément S
recouvrement du signal au niveau du récepteur
le récepteur dispose du code utilisé par la station émettrice
il doit connaître la séquence utilisée par l’émetteur b
il calcule le produit interne normalisé de la séquence reçue R et de
la chip sequence B de l’émetteur
les codes ont des propriétés permettant à tout récepteur de récupérer
le signal qui lui est destiné
par exemple
ou bien
35 / 36
R • B = (A + B + C) • B = A • B + B • B + C • B = B • B = +1
R • B = (A + B + C) • B = A • B + B • B + C • B = B • B = −1
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