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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



2008-2009                               Réseaux : Transmission de Données             3
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.




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données          4
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




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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, ...)

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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




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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)




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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)




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données     9
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




2008-2009                     Réseaux : Transmission de Données            10
Codage
           8 bits par échantillon en codage MIC (256 valeurs)
            => débit binaire = 8000 x 8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données      11
Code ASCII




2008-2009          Réseaux : Transmission de Données   12
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

2008-2009                                Réseaux : Transmission de Données                                 13
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


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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


2008-2009                       Réseaux : Transmission de Données                            15
Mode de transmission (1/2)
           Transmission synchrone



             Horloge




             Donnéess


                            Caractère n                          Caractère n+1




            – Synchronisation-bit
            – Synchronisation-caractère

2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données                   16
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



2008-2009                               Réseaux : Transmission de Données                    17
Analyse spectrale (1/2)




2008-2009          Réseaux : Transmission de Données   18
Analyse spectrale (2/2)




2008-2009          Réseaux : Transmission de Données   19
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
2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données             20
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)




2008-2009                        Réseaux : Transmission de Données                   21
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)


2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données         22
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



2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données                23
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




2008-2009                                Réseaux : Transmission de Données                                24
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)



2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données          25
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

2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données                             26
Multiplexage fréquentiel analogique (2/3)


            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




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données                              27
Multiplexage fréquentiel analogique (3/3)

                                             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




2008-2009                          Réseaux : Transmission de Données                      28
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


2008-2009                          Réseaux : Transmission de Données                           29
Multiplexage temporel numérique (2/5)


                              IT 1                      IT 2               IT 3




                            voie 1                     voie 2              voie

                                                 125 microsecondes




            IT : Intervalle de Temps




2008-2009                              Réseaux : Transmission de Données          30
Multiplexage temporel numérique (3/5)

           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



2008-2009                     Réseaux : Transmission de Données              31
Multiplexage temporel numérique (4/5)
           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

2008-2009                           Réseaux : Transmission de Données               32
Multiplexage temporel numérique (5/5)

           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)

2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données                     33
Support de transmission

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




2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données   34
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)




2008-2009                          Réseaux : Transmission de Données                      35
Paires métalliques (2/3)

           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


2008-2009                     Réseaux : Transmission de Données           36
Paires métalliques (3/3)

            – 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)




2008-2009                       Réseaux : Transmission de Données   37
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




2008-2009                     Réseaux : Transmission de Données       38
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




2008-2009                     Réseaux : Transmission de Données            39
Liaisons optiques (2/3)
           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


2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données               40
Liaisons optiques (3/3)
           Dimensions
            – Diamètre du cœur et de la gaine :
               ✓ quelques dizaines de μm
               ✓ Exemples : 62,5/125 50/125 100/140 10/125




2008-2009                   Réseaux : Transmission de Données   41
Propagation sur fibbe optique




2008-2009          Réseaux : Transmission de Données   42
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




2008-2009                   Réseaux : Transmission de Données   43
Types de fibres optiques (2/3)

           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




2008-2009                   Réseaux : Transmission de Données    44
Types de fibres optiques (3/3)

           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




2008-2009                   Réseaux : Transmission de Données       45
Faisceaux hertziens

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




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données   46
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




2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données   47
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




2008-2009                          Réseaux : Transmission de Données                            48
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




2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données      49
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



2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données                  50
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: 




2008-2009                      Réseaux : Transmission de Données        51
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




2008-2009                       Réseaux : Transmission de Données     52
Convertisseurs en bande de base

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




2008-2009                    Réseaux : Transmission de Données   53
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




2008-2009                             Réseaux : Transmission de Données                           54
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




2008-2009                              Réseaux : Transmission de Données                           55
Bande de base : spectres




2008-2009         Réseaux : Transmission de Données   56
Types de modulation simples




2008-2009         Réseaux : Transmission de Données   57

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Réseaux de transmission des données

  • 1. 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)
  • 2. 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
  • 3. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 3
  • 4. 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. 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 4
  • 5. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 5
  • 6. 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, ...) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 6
  • 7. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 7
  • 8. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 8
  • 9. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 9
  • 10. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 10
  • 11. Codage  8 bits par échantillon en codage MIC (256 valeurs) => débit binaire = 8000 x 8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 11
  • 12. Code ASCII 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 12
  • 13. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 13
  • 14. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 14
  • 15. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 15
  • 16. Mode de transmission (1/2)  Transmission synchrone Horloge Donnéess Caractère n Caractère n+1 – Synchronisation-bit – Synchronisation-caractère 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 16
  • 17. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 17
  • 18. Analyse spectrale (1/2) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 18
  • 19. Analyse spectrale (2/2) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 19
  • 20. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 20
  • 21. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 21
  • 22. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 22
  • 23. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 23
  • 24. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 24
  • 25. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 25
  • 26. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 26
  • 27. Multiplexage fréquentiel analogique (2/3) 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 27
  • 28. Multiplexage fréquentiel analogique (3/3) 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 28
  • 29. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 29
  • 30. Multiplexage temporel numérique (2/5) IT 1 IT 2 IT 3 voie 1 voie 2 voie 125 microsecondes IT : Intervalle de Temps 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 30
  • 31. Multiplexage temporel numérique (3/5)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 31
  • 32. Multiplexage temporel numérique (4/5)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 32
  • 33. Multiplexage temporel numérique (5/5)  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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 33
  • 34. Support de transmission  Paires Métalliques  Paires coaxiales  Faisceaux hertziens  Satellites de communications  Fibre optiques 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 34
  • 35. 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 35
  • 36. Paires métalliques (2/3)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 36
  • 37. Paires métalliques (3/3) – 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) 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 37
  • 38. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 38
  • 39. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 39
  • 40. Liaisons optiques (2/3)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 40
  • 41. Liaisons optiques (3/3)  Dimensions – Diamètre du cœur et de la gaine : ✓ quelques dizaines de μm ✓ Exemples : 62,5/125 50/125 100/140 10/125 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 41
  • 42. Propagation sur fibbe optique 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 42
  • 43. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 43
  • 44. Types de fibres optiques (2/3)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 44
  • 45. Types de fibres optiques (3/3)  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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 45
  • 46. Faisceaux hertziens  Gamme 1-15GHz (surtout 4-6 GHz)  Directivité du faisceau  Portée: 50 à 100 Km 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 46
  • 47. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 47
  • 48. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 48
  • 49. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 49
  • 50. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 50
  • 51. 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:  2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 51
  • 52. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 52
  • 53. Convertisseurs en bande de base  Codage des informations binaires pour : – supprimer la composante continue du signal – limiter la largeur de bande du signal 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 53
  • 54. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 54
  • 55. 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 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 55
  • 56. Bande de base : spectres 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 56
  • 57. Types de modulation simples 2008-2009 Réseaux : Transmission de Données 57