Réseaux de transmission des données

Réseaux
Transmission de Données

Master Miage 1
Université de Nice-Sophia Antipolis
(Second semestre 2009-2010)

Jean-Pierre Lips (jean-pierre.lips@unice.fr)
(à partir du cours de Jean-Marie Munier)

Plan général

 Introduction
 Transmission des données
 Liaison de données
 Architecture de Réseaux, modèle 0SI, services de réseaux
 Réseaux locaux d'établissement, interconnexion
 Services de circuit virtuels : X25, relais de trame, ATM
 Architectures TCP/IP, UDP
 Protocoles applicatifs de bas niveaux
 Conclusion

2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 2

Introduction historique

Nature du mode
de transmission

Analogique Numérique

Analogique ----- CoDec
Nature de la (1) (4)
source des
informations
Numérique MoDem -----
(3) (2)

 (1) Réseau téléphonique analogique
 (2) Ordinateur et périphériques
 (3) Connexion de terminaux distants à un ordinateur central
 (4) Numérisation du réseau téléphonique


Définitions : analogique/numérique

 Une grandeur est dite :
– analogique si sa mesure donne un nombre réel variant de
façon continue.
Il existe une infinité de valeurs pour une grandeur
analogique.
A toute grandeur analogique on associe une unité.

– numérique si elle est contrainte à ne prendre qu’un
nombres restreints de valeurs.


Signaux analogiques/numériques

 Signaux analogiques  Signaux numériques
– représentés par une – Représentés par une grandeur
grandeur physique variant physique de prenant qu'un
de manière continue certains nombre de valeurs
discrètes

Amplitude Amplitude

V5

V4

V3
temps temps
V2

V1


Types d'information

 Données continues ou analogiques
– Variation continue d'un phénomène physique
– Signal électrique analogique : dont les variations sont
analogues à celles du phénomène physique
– Infinités de valeur possibles (entre deux limites)
– Ex : voix, images fixes, images animées
– Numérisation
 Données discrètes
– Suite d'éléments indépendants les uns des autres
– Nombre finis d'éléments
– Ex : texte (caractères alphanumériques)
– Codage (Baudot, ASCII, EBCDIC,Unicode,
Morse, Huffman, ...)


Numérisation

 3 Étapes :
– Échantillonnage
– Quantification
– Codage
 Exemple : numérisation de la voix
– MIC : Modulation par Impulsion et Codage
(PCM : Pulse Coded Modulation)
Il existe de nombreuses autres techniques


Échantillonnage

 Théorème de Nyquist-Shannon
– Un signal à spectre limité à la bande -F/2, +F/2 (0, F/2 dans
la pratique) est complètement déterminé par les valeurs
échantillonnées à des instant uniformément répartis dans le
temps et égaux à 1/F.

=> le fréquence d'échantillonage doit être au minimum
égale au double de la fréquence maximale du signal à
échantillonner.
 Passage du continu au discret sur l'axe des temps
(abscisse)


Échantillonnage – Exemples

● Canal téléphonique :
– plage de fréquences : 4000Hz ( en fait 300-3400Hz)
– Fe = 4000 x 2 = 8000 Hz
(1 échantillon toutes les 125 μs)

● CD audio :
– Plage de fréquence : 20 kHz
– Fe = 20 x 2 = 40 kHz (normalisé à 44,1 kHz)


Quantification

 Mesure des échantillons à l'aide d'un nombre fini de
valeurs
Numérisation des échantillons
 Passage du continu au discret sur l'axe des ordonnées.
Mesure de l´amplitude du signal avec un nombre fini de
valeurs
– Approximation à la valeur discrète possible la plus proche
=> erreur (ou bruit) de quantification
– Compression logarithme pour obtenir un bruit de
quantification relatif constant


Codage
 8 bits par échantillon en codage MIC (256 valeurs)
=> débit binaire = 8000 x 8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s


Code ASCII


Circuit de données
ETTD ETTD

Circuit de données :

= Data Circuit

= Data Channel
Couche Couche
physique physique = Data communications
facility (DCF)
Jonction Support de Jonction
ETTD / ETCD ETCD transmission ETCD ETTD / ETCD

Circuit de données

 ETTD : Equipement Terminal de Transmission de Données
DTE : Data Terminal Equipement
 ETCD : Equipement de Terminaison de Circuit de Données
DCE : Data Circuit Terminating Equipement
 Jonction ETTD/ETCD = DTE/DCE Interface


Représentation électrique des données (1/2)

Amplitude (V)

1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0
V 1

1) Signal bivalent

0 0

V3 11

V2 10
2) Signal quadrivalent
(Valence = 2)
V1 1

V0 0

V

3) Signal biphase
(Manchester)

0
Temps (s)

T


Représentation électrique des données (2/2)

Débit binaire Rapidité de modulation
Type du signal
(bit/s) (bauds)
1) Bivalent D = 1/T R = 1/T
2) Quadrivalent D = 1/T R = 1/2T (*)
3) Biphase D = 1/T R = 2/T

(*) De façon plus générale, si v est la valence du signal :

D = R x log2 v


Mode de transmission (1/2)
 Transmission synchrone

Horloge

Donnéess

Caractère n Caractère n+1

– Synchronisation-bit
– Synchronisation-caractère


Mode de transmission (2/2)

 Transmission asynchrone

St Sp Sp st

20ms Caractère

160 ms

(Exemple de transmission asynchrone à 50 bauds) St : Start bit
Sp : Stop bit

– Nécessité de reconnaître le début et la fin de chaque caractère
– Pas de synchronisation entre 2 caractères


Analyse spectrale (1/2)


Analyse spectrale (2/2)


Bande passante d'un circuit de données
 Circuit de données = Filtre passe-bande
 Réponse spectrale

Puissance Puissance

P0 P0

P1= P0 / 2
W W

 Bande passante : W = f2 – f1
 Bande passante à -3 décibels d 'un circuit réel :
10 log10 P0/P1 = 10 log10 2 ≈ 3dB
– Ex: Circuit téléphonique : W = f2 – f1 = 3400 -300 = 3100 Hz

Rapidité de Modulation / Débit Binaire

 La rapidité de modulation caractérise le nombre de changements
d'états (ou nombre d'états significatifs) par unité de temps.
– Unité : baud
 Le débit binaire mesure la quantité d'informations binaires émises par
unité de temps.
– Unité : Bits par seconde (bps)


Capacité d'un canal de communication (1/2)

 Limite de Nyquist (1924)
– Pour un canal de communication de bande passante
W (Hertz) la rapidité de modulation maximale Rmax
(bauds) est de 2W.

– Ex : ligne téléphonique
W = 3100Hz => Rmax = 6200 bauds

 Il est possible de transmettre plusieurs bits par baud
(ex : 4 niveaux d'amplitude = 2bits par baud)
mais est-il possible d'augmenter autant qu'on le veut ce
nombre et donc le débit binaire ? (réponse page
suivante)


Capacité d'un canal de communication (2/2)

 Limite de Shannon (1948)
– La capacité C (bit/s) d'un canal de transmission est limitée
par :
✓ sa bande passante W (Hertz)
✓ le rapport signal sur bruit

S
C =W log 2 1 
B
 Ex : ligne téléphonique :
W =3100 Hz
S => C =3100 x log 2 101
=20 dB=100
B C ≃3100 x 6,66≃20 000 bits / s


Mode d'exploitation d'un circuit de données
 Mode unidirectionnel : Circuit simplex

Source Contrôleur Contrôleur Source
Modem Modem
de de de de
(ETCD) (ETCD)
données communication communication données

 Mode bidirectionnel à l'alternat : Circuit semi-duplex
(Half-duplex HDx)
Source Collecteur
Contrôleur Contrôleur
Modem Modem
de de
(ETCD) (ETCD)
communication communication
Collecteur Source

 Mode bidirectionnel simultané : Cicuit duplex (intégral)
(Full-duplex FDx)
Source Collecteur
Contrôleur Contrôleur
Modem Modem
de de
(ETCD) (ETCD)
communication communication
Collecteur Source


Multiplexage

 Mutiplexage Fréquentiel
– FDM : Frequency Division Multiplexing
– Analogique
– Exemple : transmission à longue distance dans le réseau
téléphonique
 Multiplexage temporel
– TDM : Time Division Multiplexing
– numérique
– Exemple : transmission à longue distance dans le réseau
téléphonique
✓ Technique MIC (Modulation par Impulsion et Codage)
 PCM (Pulse Coded Modulation)


Multiplexage fréquentiel analogique (1/3)

M F3 F3 D
voie 3 voie 3

P3 P3

M F2 F2 D
voie 2 voie 2

P2 P2

M F1 A A A F1 D
voie 1 voie 1

P1 P1
Support à large bande

D F1 A A A F1 M
voie 1 v oie 1

P1 P1

D F2 F2 M
voie 2 voie 1

P2 P2

M : modulateur
D F3 F3 M
voie 3 Fi : filtre voie 1
D : démodulateur
P3 A : amplificateur-répéteur P3



P

voie 1

f

P P

voie 2 voie 1 voie 2 voie 3

f 4 kHz 4 kHz 4 kHz f

P P1 P2 P3

voie3

f



Nombre Largeur Bande dce
Multiplex
de voies de bande fréquences
Groupe primaire GP 12 48 kHz 60-108kHz
Groupe secondaire GS (5GP) 60 240 kHz 312-552 kHz
Groupe tertiaire GT (5GS) 300 1232 kHz 812-2044 kHz
Groupe quartenaire GQ (3GT) 900 3872 kHz 8516-12388 kHz


Multiplexage temporel numérique (1/5)

F C D F
voie 3 voie 3

IT3 IT'3

F C D F
voie 2 voie 2

IT2 IT'2

F C A A A D F
voie 1 voie 1

IT1 IT'1
Support à large bande

F D A A A C F
voie 1 voie 1

IT1 IT'1

F D C F
voie 2 voie 2

IT2 IT'2

C: codeur
F D C F
voie 3 D: décodeur voie 3
F : filtre
IT3 A : amplificateur-répéteur IT'3



IT 1 IT 2 IT 3

voie 1 voie 2 voie

125 microsecondes

IT : Intervalle de Temps



 2 normes :
– MIC 30 voies européen
✓ E1, E2, ...
✓ 32 voies (30 utiles + 1 synchro + 1 signalisation)
✓ 1 voie => 8 bits / 125μs => 64 kbit/s
✓ multiplex : E1 : 32 voies = 32 x 64 kbit/s = 2,048 Mbit/s

– Systèmes à 24 voies (USA, Japon)
✓ T1, T2, ..., J1, J2, ...
✓ 1 voie = 7 bits d'échantillon + 1 bit de signalisation
(toute les 6 trames)
✓ 1 trame = (24 x 8bits) + 1 bit de synchro
=> 193 bits /125μs => 1,544 Mbit/s


 PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)
– Avis ITU-T G.702, G.703, G.704
✓ Multiplex européens
 E1 : 2,048 Mbit/s, équivalent à 32 slots à 64 kbit/s
 (E2 : 8,448 Mbit/s, construit à partir de 4 E1)
 E3 : 34,368 Mbit/s, construit à partir de 4 E2
 E4 : 139,264 Mbit/s, construit à partir de 4 E3
✓ Multiplex américains
 T1 : 1,544 Mbit/s, équivalent à 24 slots à 64 kbit/s
 (T2 : 6,312Mbit/s, construit à partir de 4 T1)
 T3 : 44,736 Mbit/s, construit à partir de 7 T2
✓ Multiplex japonais
 J1 : 1,544 Mbit/s, équivalent à 24 slots à 64 kbit/s
 (J2 : 6,312 Mbit/s, construit à partir de 4 J1)
 J3 : 32,064 Mbit/s, construit à partir de 5 J2
 J4 : 97,728 Mbit/s, construit à partir de 3 J3



 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
– Avis ITU-T G.707, G.708, G.709
– Equivalence avec les trames de la hiérarchie SONET
(Synchronous Optical NETwork)

Trame SDH Débit Trame SONET
STM-N (Mbit/s) STS-N (OC-N)

51,840 STS-1 (OC-1)

STM-1 155,520 STS-3 (OC-3)

STM-4 622,080 STS-12 (OC-12)

1244,160 STS-24 (OC-24)

STM-16 2488,320 STS-48 (OC-48)


Support de transmission

 Paires Métalliques
 Paires coaxiales
 Faisceaux hertziens
 Satellites de communications
 Fibre optiques


Paires métalliques (1/3)

 Paires de fils métalliques torsadées (twisted pairs) :
– Limitation de la diaphonie (crosstalk)
 Caractéristiques
✓ Diamètre des fils de cuivre souvent inférieur à 1 mm
✓ Atténuation pour une paire de 0,6 mm de diamètre :
≈ 10 dB/km à 100kHz, 40 dB/km à 10MHz
✓ Impédance caractéristique dépend de :
 la fréquence (ex: 600 Ω à 1000Hz, 100 Ω à 1MHz)
 des caractéristiques de l'isolant (souvent 100, 120 ou 150 Ω aux
fréquences considérées)
✓ Adjonction possible d'un blindage (par paire ou pour l'ensemble des
paires)



 Lignes d'abonnés :
– 30 millions de lignes principales en France
– Ligne « 2 fils » : Lmoy ≈ 3km Ø = 0,4 à 0,8 mm
– Utilisées au début pour la transmission de signaux
analogiques
– Réutilisés (le plus souvent) dans l'accès de base RNIS
(144 kbit/s)
 Câblage d'établissement
– Raccordement téléphonique intérieur (paires de qualité
voix ou catégorie 3) autour d'un PABX (Private Automatic
Branche eXchange) d' impédance proche de 100Ω
– Transmission de données sur paires de qualité donnée ou
catégorie 5 d'impédance proche de 150Ω



– Type de câbles :
✓ Paires non blindées
 UTP : Unshielded Twisted Pair
✓ Paires blindées
 STP : Shielded Twisted Pair
– Systèmes de pré-câblage
✓ ICS (IBM) : IBM Cabling System
✓ BCS (Bull) : Bull Cabling System
✓ Open Link (DEC)
✓ PDS Systimax (AT&T)


Paires coaxiales
 Grande bande passante
 Exemples:
– Système 12MHz = 2700 voies sur coax 1,2 / 4,4
Répéteurs tous les 2 km
– Système 140 Mbit/s = = 1920 voies sur coax 1,2 / 4,4


Liaisons optiques (1/3)

 Composants :
– Source de lumière
✓ Longueur d'onde ≈ 1000 nm
✓ Diode
 éléctroluminescente (LED Light Emitting Diode) 0,1mW
 Laser 10mW
– Fibre optique : guide d'ondes lumineuses
– Détecteur de lumière
✓ Photodiode de type PIN (Positive Intrinsic Negative)
ou diode avalanche


 Caractéristiques
– PRO
✓ Bande passante élevée : ≈ 1 GHz.km
=> débits binaires importants
✓ Affaiblissement linéique faible : ≈ 1 db/km
=> pas d'amplification de plusieurs dizaines de km
✓ Insensibilité aux perturbations électromagnétiques
✓ Aucun rayonnement généré
✓ Matières premières à bon marché
✓ Faible poids et faible volume

– CON
✓ Raccordements (épissures optiques) délicats sur le terrain
✓ Dérivations difficiles
=> limitation aux liaisons point à point
– Progrès sur amplification optique et le Mux en longueur d'onde


 Dimensions
– Diamètre du cœur et de la gaine :
✓ quelques dizaines de μm
✓ Exemples : 62,5/125 50/125 100/140 10/125


Propagation sur fibbe optique


Types de fibres optiques (1/3)

 Multimode à saut d'indice

– Largeur de bande : 50 MHz.km
– Atténuation : 3 dB/km à λ = 850nm (portée 10km)
– GaAS pour LED, Si pour photodiode



 Multimode à gradient d'indice

– Largeur de bande : 1 GHz.km
– Atténuation : 1 dB/km à λ = 1300nm (portée 30km)
– AIGaAS pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode



 Monomode

– Largeur de bande : 100 GHz.km
– Atténuation : 0,3 dB/km à λ = 1550nm (portée 100km)
– InGaASP pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode


Faisceaux hertziens

 Gamme 1-15GHz (surtout 4-6 GHz)
 Directivité du faisceau
 Portée: 50 à 100 Km


Satellites de communications

 Géostationnaires
– Orbite équatoriale
✓ Altitude = 36000 Km (loi de Keppler)
✓ Délai de transmission aller-retour ≃ 300 ms

– Bandes de fréquences : 6/4 GHz, 14/12 GHz, ...
– Plusieurs répéteurs (transpondeurs)
– Fonction de diffusion
 Non géostationnaires
– Satellites à défilement à orbite basse
✓ LEO : Low Earth Orbit


Satellites à défilement (1/2)

 Orbite basse : 700 à 1500 Km
 Exemples :
– Skybridge (Alcatel) http://www.skybridgesatellite.com
✓ 80 satellites
✓ Orbite = 1470km => retard ≃ 30ms
✓ Débits résidentiels : 20 Mbit/s (downlink) / 2Mbit/s (uplink
professionnels : 3 à 5 fois plus
– Globalstar (consortium Loral-Qualcom) http://www.globalstar.com/
✓ 48 satellites
✓ Orbite = 1414 km
✓ Service : téléphonie


Satellites à défilement (2/2)

 Exemples (suite) :
– Teledesic
✓ Partenaires : Bill Gates, Mc Caw, Motorola, Boeing
✓ 288 satellites en 12 plans de 24 satellites
✓ Débits : uplink ≤ 2 Mbit/s
downlink ≤ 64 Mbit/s
✓ Projet arrêté en octobre 2002

– Orbcomm (Canada) http://www.orbcomm.com/
✓ Constelletion de 29 satellites (48 max prévus)
✓ Orbite = 825 km
✓ Débits : uplink ≤ 2400 bit/s
downlink ≤ 4800-9600 bit/s
✓ En service depuis 1995


ETCD

 Equipement de Terminaison de Circuit de Données

ETTD ETCD
Support de
transmission

Jonction
ETTD / ETCD
 2 Types
– MoDems à transposition en fréquence
– Convertisseurs (« MoDems ») en bande de base


Modem à transposition en fréquences (1/2)

 Modulation d'une porteuse :
– Le signal à émettre fait varier un des paramètres d'une
onde sinusoïdale :
A sin t

✓ Amplitude : A
 2 
✓ Pulsation : = =2  N
T
✓ Phase: 


Modem à transposition en fréquences (2/2)

 Le signal peut être précédemment traité pour assurer un
maximum de transitions (brouillage)
 Stockage temporaire des signaux à émettre dans le cas
de modulations à plusieurs niveaux
 Caractéristiques:
– vitesse de transmission
– type de connexion : 2fils, 4 fils
– mode de transmission : synchrone, asynchrone
– type de modulation
– rapidité de modumation


Convertisseurs en bande de base

 Codage des informations binaires pour :
– supprimer la composante continue du signal
– limiter la largeur de bande du signal


Transmission en bande de base (1/2)

 Bande de base à 2 niveaux
1
Signal
d'horloge 0

1
Messages
0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0
de données 0

a
Code binaire
NRZ -a

a
Code biphase
-a

a
Code biphase
différentiel -a

a
Code de
Miller -a


Transmission en bande de base (2/2)

 Bande de base à 3 niveaux

1
Signal
d'horloge 0

1
Messages
0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0
de données 0

a

Code bipolaire -a

a
Code bipolaire
d'ordre 2
-a


Bande de base : spectres


Types de modulation simples


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