Réseaux Informatiques

La couche physique du modèle OSI

Transmission effective des informations binaires sur une voie physique en s’adaptant aux contraintes du support physique utilisé.

Problèmes à résoudre

  • Problèmes de synchronisation : délimitation des informations significatives.
  • Problèmes de modulation : représentation des bits (électronique ou optique).
  • Problèmes mécanique : réalisation des connecteurs (connectique).

Disposer d’un support Physique qui véhicule les  signaux électromagnétiques:

  • fils métalliques => signaux électriques
  • Atmosphère => ondes radio
  • fibre optique => lumière

Canal de transmission : une source (dispositif d’adaptation en émission), un médium (un milieu de transmission) et une destination (dispositif d’adaptation en réception).

Type de support physique 

Deux grandes classes de supports de transmission :

  • les supports à guide physique:
    • les paires torsadées, les câbles coaxiaux, les fibres optiques, ...
  • les supports sans guide physique:
    • les ondes hertziennes, radioélectriques, lumineuses,...

Les supports :

  • la paire torsadée
  • le câble coaxial
  • la fibre optique
  • les faisceaux hertziens (et autres)

1. La représentation d'un bit dans un support physique

Différents facteurs pouvant affecter un bit lors de sa transmission:

  • La propagation  
  • L’atténuation 
  • La réflexion 
  • Le bruit 
  • La dispersion  
  • La gigue 
  • La latence  
  • Les collisions

a. 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 le support. Il est impératif que la propagation soit homogène dans le réseau. 

b. L’atténuation du signal réseau

Perte de la force du signal. Ce problème est limitable par un bon choix des supports réseaux utilisés 

c. La réflexion réseau

Retour d’énergie causé par le passage des impulsions dans le support:

d. Bruit

Ajout indésirable à un signal. Des sources d’énergie situées à proximité du support fournissent un supplément d’énergie venant perturber le signal.

  • Diaphonie : bruit ajouté au signal d’origine d’un conducteur par l’action du champ magnétique provenant d’un autre conducteur
  • Paradiaphonie : diaphonie causée par un conducteur interne au câble
  • Thermiques : Bruit de fond des résistances.
  • Bruit d'alimentation secteur et bruit de fond de référence
  • Interférences électromagnétiques et interférences de radiofréquences

e. La dispersion

Étalement des impulsions dans le temps 

f. 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. 

g. La latence 

La latence est un retard de transmission causé par le déplacement du signal dans le support et à la présence de composants électroniques entre la source et la destination. 

h. 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.

 

2. Notions sur le codage 

Les différents types de communication:

  • Simple (unidirectionnelle) : A est toujours l'émetteur et B le récepteur 
  • Half-duplex (bidirectionnelle à l'alternat) Le rôle de A et B  peut changer, la communication change de sens à tour de  rôle (principe talkies-walkies) 
  • Full-duplex (bidirectionnelle simultanée) : A et B peuvent émettre et recevoir en même temps (comme dans le cas du téléphone).

Les différents types de transmission:

  • En série : les bits sont envoyés les uns derrière les autres de manière:
    • synchrone (négociation d’horloge)
    • asynchrone (bit start et stop)
  •  En parallèle : Les bits d'un même octet sont envoyés sur plusieurs fils différents en même temps

La transmission en bande de base: consiste à envoyer directement les suite de bits sur le support à l'aide de signaux carrés

signal carré de la séquence 1010

a. Le code tout ou rien 

c'est le plus simple, un courant nul code le 0 et un courant positif indique le 1 

b. 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. 

Exemple: Modem V24.

c. 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 alternativement positif ou négatif pour éviter de maintenir des courants continus.

Exemple: RNIS Bus d’abonné.

d. 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.

Exemple : Ethernet 100 Base T2.

e. 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. 

Exemple: Ethernet 10 Mb/s.

f. 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. 

3. Principe de transmission modulée 

Permet de combler les problèmes d’affaiblissement et déformation des signaux dus aux caractéristiques des câbles, ou des voies hertziennes....

L’équipement utilisé est le 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 permet de passer de signaux numériques discrets (0 ou 1) à des signaux analogiques continus. 

a. 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. 
  • 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.

b. La modulation de fréquence : 

  • envoie un signal de fréquence plus élevée pour  transmettre un 1. 
  • 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.

c. La modulation de phase :

change la phase du signal suivant qu'il s'agit d'un 0 (phase montante) ou d'un 1 (phase descendante).  

4. Technologie du niveau physique

  • ETTD : Équipement terminal de traitement des données
  • ETCD : Équipement de terminaison de circuit de données.

 5. Contrôleurs de communications - cartes réseaux

Carte réseau = carte d’entrée/sortie

  • Dirigée par des commandes d’entrées sorties
  • Générant des interruptions.
  • Lecture/écriture des informations en mémoire centrale (mode canal , DMA .Direct Memory Access).
  • Orientation principale: communications séries.

Transmission en émission

  • Gestion des délimiteurs.
  • Émission données: acquisition des mots mémoire, sérialisation, modulation.
  • Génération des codes détecteurs (ou correcteurs).

Transmission en réception

  • Gestion des délimiteurs.
  • Désérialisation, écriture avec gestion de mémoire tampon (registres à décalages, ou mémoire locale carte).
  • Vérification des codes.

Gestion de l’accès au médium (réseaux locaux).

Administration/configuration

  • Adaptation aux différents débits
  • Adaptation aux différents modes:synchrone, asynchrone
  • Gestion du mot d’état (statusword).

Logiciel système de pilotage : pilote (driver).

6. Voies de communications 

a. Les paires torsadées 

Deux conducteurs en cuivre, isolés. Enroulés de façon hélicoïdale autour de l’axe (l’enroulement permet de réduire les inductions électromagnétiques parasites de l’environnement).

  • Utilisation courante
  • Réseaux téléphoniques.
  • Réseaux locaux.

Paires torsadées non blindées UTP "UnshieldedTwisted Pairs"

Avantages :

  • Simple à installer 
  • Peu coûteux 
  • Petit diamètre (pour installation  dans des conduits existants) 

Inconvénient :

  • Sensible aux interférences

Le câble à paires torsadées blindées STP "ShieldedTwisted Pairs"  

  • Possibilités importantes -> 500 Mhz.
  • Plus coûteux à l’achat et à l’installation.
  • Assez encombrant.
  • Problèmes posés par les courants dans les blindages lorsque les appareils reliés sont à des potentiels différents.

b. Câbles coaxiaux 

Deux conducteurs concentriques : un conducteur central le coeur, un matériau isolant de forme cylindrique, une tresse concentrique conductrice:

Meilleures caractéristiques que les paires torsadées (largeur de la bande passante et protection contre les rayonnements parasites). Actuellement en perte de vitesse au profit des paires torsadées ou des fibres.

Le câble coaxial existe en plusieurs variantes :

  • Thicknet : Epais et raide à cause de son blindage, il est recommandé pour l'installation de câble fédérateur. Sa gaine est jaune. 
  • Thinnet : D’un diamètre plus réduit, il est plus pratique dans des installations comprenant des courbes. De plus il est plus économique mais dispose d’un blindage moins conséquent. 
  • Cheapernet : Version économique et de faible diamètre du câble coaxial.

Connecteurs :

prise vampire ;

  • perce le câble

prise en T :

  • Nécessite la coupure du câble (prise BNC British Naval Connector)

c. Fibres optiques 

Fibre optique = guide de lumière.

  • Un coeur transparent (plastique, verre)
  • Entouré d’une gaine puis une enveloppe
  • Le coeur a un indice de réfraction plus élevé que la gaine pour confiner la lumière

Système de transmission à fibre : Trois composants

  • Conversion d’un signal électrique en signal optique source de lumière : 
    • Diode LED "Light Emitting Diode«  ou diode électroluminescente (en AsGa) 
    • Diode laser:(+ puissant, coût + élevé, + faible durée de vie, mono fréquentiel)
  • Fibre optique : qui joue le rôle d’un guide d’ondes lumineuses.
  • Détecteur de lumière : photodiode de type PIN ("Positive IntrinsicNegative") ou à avalanche, qui restitue un signal électrique.

Trois types de fibres (bande passante):

  • Multimode à saut d’indice (50 Mhz.km) 
  • Multimode à gradient d’indice (500 Mhz.km) - 65/125 um 
  • Monomode (50 Ghz.km) 

 

Avantages des fibres optiques 

  • Bande passante très importante (de l’ordre de 1 GHz/km => débit binaire très important).
  • Faible affaiblissement de l’ordre de 0,25 dB/km.
  • Plusieurs dizaines de kilomètres entre amplificateurs.
  • Peu sensible aux perturbations électromagnétiques
  • Taux d’erreur très faibles
  • Utilisation dans des environnements difficiles (variation de température...).
  • Matière première bon marché.
  • Légèreté et faible volume qui permettent la pose de tronçons longs avec plusieurs fibres.
  • Possibilité de multiplexage en longueur d’onde (WDM).

Problèmes des fibres optiques

  • Les raccordements (épissures optiques) restent délicats à réaliser sur le terrain et introduisent un affaiblissement.
  • Les dérivations ne peuvent s’effectuer qu’au prix d’une perte de puissance importante (limitation de l’utilisation de la fibre optique pour la diffusion).
  • Régénération, amplification et commutation optique restent des sujets de recherche.

Malgré cela : Bande passante très importante, affaiblissement très bas => Les liaisons optiques sont très utilisées.

d. Les faisceaux hertziens 

Deux types d’utilisations :

  • transmission terrestre (direct ou par réflection) - portée : 50 à 1000km
  • transmission satellitaire - (géostationnaire ou à défilement, hauteur : 36000 ou 800 km)
    • VSAT (verysmallapperture terminal)
    • LEO (lowearthorbit), ex : système de satellites Iridium (Motorola)

Visibilité directe :

  • Perturbation atmosphérique

Guide d’onde :

  • modulation par transposition en fréquence
  • très grande largeur de bande : plusieurs Ghz

Diffusion naturelle.

  • Autres longueurs d’ondes : infrarouge (+ directionnel)

7. Le câblage

Le raccordement 10BaseT standard (le connecteur de point d'extrémité sans prise) est le RJ-45. Il réduit les parasites, la réflexion et les problèmes de stabilité mécanique et ressemble à une prise téléphonique, sauf qu'il compte huit conducteurs au lieu de quatre. 

Les normes TIA/EIA 

Les principales normes sont :

  • TIA/EIA-568-A : norme de câblage pour les télécommunications dans les édifices commerciaux 
  • TIA/EIA-569-A : Norme relative aux espaces et aux voies de télécommunications dans les édifices commerciaux 
  • TIA/EIA-570-A : Norme de câblage pour les télécommunications dans les résidences et les petits édifices commerciaux 
  • TIA/EIA-606 : Norme relative à l’administration de l’infrastructure de télécommunication dans les édifices commerciaux 
  • TIA/EIA-607 : Norme de mise à la terre et de liaison pour les télécommunication dans les édifices commerciaux

Les spécifications de câblage de la norme TIA/EIA-568-A : 

La norme autorise les longueurs suivantes :

  • Longueur maximale d’un câblage horizontal : 90m 
  • Longueur maximale des câbles d’interconnexion : 6m 
  • Longueur maximale des câbles de raccordement (pour relier les unités réseau au câblage horizontal) : 3m, de plus la norme exige la mise à la terre de tous les câbles.

8. Médias réseau et raccordements

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. 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 (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 câbles doivent éventuellement être raccordés pour fournir une connectivité, ce processus implique une grande transition et fait appel aux innovations en matière de réseau d'ordinateurs. Il représente un enjeu important pour apprendre les différentes normes régissant les médias réseau, les propriétés et les raccordements 

9. les équipements de couche 1

a. Emetteur-récepteur

Un émetteur-récepteur (tranceiver) convertit un signal en un autre, il est souvent intégré aux cartes réseaux 

  • Composant passif

b. Les répéteurs et les concentrateurs:

Le répéteur est un composant actif ,Son rôle est de régénérer et 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  

10. Les topologies réseaux de base

Le terme topologie peut être interprété comme une " étude d'emplacements ". 

La topologie est un sujet d'étude des mathématiques qui met en correspondance des nœuds (points) et des liaisons (lignes) en concordance avec un modèle 

une topologie physique décrit le plan de câblage des équipements physiques. une topologie logique pour savoir comment les informations circulent dans un réseau afin de déterminer les emplacements où les collisions peuvent se produire 

Un réseau peut avoir un type de topologie physique et un type de topologie logique complètement différents. 

Par exemple, la technologie Ethernet 10Base-T utilise une topologie physique en étoile étendue, mais elle se comporte comme si elle utilisait une topologie logique en bus. Les réseaux Token Ring utilisent une topologie physique en étoile et une topologie logique en anneau. Les réseaux FDDI utilisent une topologie physique et logique en anneau. 

a. La topologie en bus

Perspective Physique : Tous les hôtes sont connectés directement à une liaison : 

Perspective logique : Tous les hôtes voient tous les signaux provenant de tous les autres équipements 

b. La topologie en anneau

Perspective physique : Les éléments sont chaînés dans un anneau fermé 

Perspective logique : Chaque hôte communique avec ses voisins pour véhiculer l’information 

c. La topologie en étoile

Perspective physique : Cette topologie comporte un nœud central d’où partent toutes les liaisons avec les autres nœuds. 

Perspective logique : Toutes les informations passent par un seul équipement, par exemple un concentrateur 

d. La topologie en étoile étendue

Cette topologie est identique à la topologie en étoile si ce n’est que chaque nœud connecté au nœud central est également le centre d’une autre étoile.

e. La topologie hiérarchique

Perspective physique : Cette topologie ressemble à une topologie en étoile sauf qu’elle n’utilise pas de nœud central. Elle utilise un nœud de jonction à partir duquel elle se branche vers d’autres nœuds. 

Perspective logique : Le flux d’informations est hiérarchique 

f. La topologie complète (maillée)  

Perspective physique : Chaque nœud est connecté avec tous les autres 

Perspective logique : Dépend des équipements utilisés 


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Rédigé par Mostafa Sedoki
Professeur d'Informatique dans les CPGE

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