Université Technique de Sofia, Filière Francophone d Informatique Notes de cours de Réseaux Informatiques, G. Naydenov Maitre de conférence, PhD

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1 LA COUCHE PHYSIQUE 1 FONCTIONS GENERALES Cee couche es chargée de la conversion enre bis informaiques e signaux physiques Foncions principales de la couche physique : définiion des caracérisiques de la voie de la ransmission e du branchemen à la care réseau; gesion des signaux, élecriques, opiques, mécaniques : encodage e la synchronisaion du flux de bis Emeeur de séquence binaire Voie de ransmission Récepeur de séquence binaire Signaux physiques Fig 1: Transmission de données par la couche physique La voie de ransmission es une liaison enre deux machines désignées généralemen par le erme émeeur e récepeur Elle peu êre qualifiée par: le câblage: méal, verre, air; les conneceurs 2 LE CABLAGE câbles à paires orsadées; câbles coaxiaux; câbles opiques ; l air La couche physique 41

2 21 CABLES A PAIRES TORSADEES Une paire orsadée es une liaison symérique formée de deux fils conduceurs isolés, enroulés en hélice l un auour de l aure Cee configuraion a pour bu de mainenir précisémen la disance enre les fils e de diminuer l'inerférence de leurs signaux la diaphonie L uilisaion de la signalisaion différenielle symérique perme de réduire davanage les inerférences Elle consise à envoyer sur un fil le signal e sur l'aure le signal opposé On reconsiue le signal à l'arrivée en effecuan la différence des signaux Un câble es souven fabriqué à parir de plusieurs paires orsadées généralemen 4, regroupées e placées à l inérieur d une gaine proecrice Fig 2: Câble à paires orsadées Le câble à paires orsadées peu êre blindé afin de limier les inerférences Comme le blindage es fai de méal, celui-ci consiue égalemen un référeniel de masse Le blindage peu êre appliqué individuellemen aux paires ou à l ensemble formé par celles-ci Lorsque le blindage es appliqué à l ensemble des paires, on parle d écranage Il exise plusieurs ypes de câbles à paires orsadées: paire orsadée non blindée (Unshielded wised pair UTP): le câble e les paires individuelles ne son pas enourés d un blindage proeceur; paire orsadée écranée (Foiled wised pair FTP): les paires orsadées on un blindage général assuré par une feuille d aluminium L écran es disposé enre la gaine exérieure e les paires orsadées; paire orsadée blindée (Shielded wised pair STP): chaque paire orsadée es enourée d un blindage individuel La couche physique 42

3 Les câbles à paires orsadées son sandardisés en diverses caégories: Caégorie Bande passane Foncion 1 n'es plus d'acualié 2 4 Mhz n'es plus d'acualié 3 10 Mhz en cours d'abandon 4 16 Mhz remplacé par les caégories 5, 5e Mhz ransmission de données à 100 Mbi/s; 5 e 155 Mhz ransmission de données à 1000 Mbis/s Mhz ransmission de données à 1000 Mbis/s; Mhz ransmission de données à 10 Gbis/s Le câble à paires orsadées se branche à un conneceur RJ-45 composé de 8 broches Fig 3: Conneceur RJ-45 Les câbles à paires orsadées son uilises surou dans les réseaux locaux de opologie en éoile La longueur maximale d un segmen es de 100 mères La couche physique 43

4 22 CABLE COAXIAL Le câble coaxial es composé de deux fils méalliques un conduceur cenral e une resse conducrice de blindage Le conduceur cenral es enouré d'un maériau isolan diélecrique Le diélecrique es enouré de la resse de blindage e puis d une gaine isolane e proecrice en plasique Fig 4: Câble coaxial A: Gaine exérieure en plasique B: Tresse de blindage méallique C: Diélecrique D: Conduceur cenral méallique Le câble coaxial es une liaison asymérique Le signal es envoyé sur le fil cenral La resse de blindage es branchée au zéro élecrique e consiue égalemen un référeniel de masse La bande passane es jusqu à 450 MHz Grâce à son blindage, le câble coaxial peu êre uilisé sur des longues disances aeignan jusqu à 1000 mères L'avanage d'un câble coaxial es que la resse de blindage crée un écran qui proège le signal des perurbaions élecromagnéiques e qui évie que les conduceurs ne produisen eux-mêmes des perurbaions Le câble coaxial es mainenan remplacé par la fibre opique sur les longues disances supérieures à quelques kilomères Il es possible encore de rouver un câble coaxial: dans un réseau câblé urbain; dans les anciennes versions des réseaux de ype Eherne dans ses anciennes versions : 10BASE2 e 10BASE5; La couche physique 44

5 Fig 5: Conneceur BNC Le câble coaxial se branche à un conneceur BNC (Briish Naval Connecor) 23 CABLE OPTIQUE Une fibre opique es un fil de cœur en verre ou en plasique rès fin qui a la propriéé d'êre un conduceur de la lumière Une gaine exerne de proecion mainien la lumière à l inérieur du fil Le sysème de ransmission es basé sur le principe de réflexion inerne La fibre opique peu êre uilisée pour conduire de la lumière enre deux lieux disans de plusieurs cenaines de kilomères En permean les communicaions à rès longue disance, les fibres opiques offren un débi d'informaions neemen supérieur à celui des câbles coaxiaux e des paires orsadées Cœur Gaine Proecion Fig 6: Srucure d une fibre opique Les fibres opiques peuven êre classées en deux caégories selon le diamère de leur cœur e la longueur d'onde uilisée : les fibres monomodes e mulimodes Les fibres mulimodes on éé les premières sur le marché Elles son caracérisées par un diamère de cœur de plusieurs dizaines de micromères Elles on pour caracérisique de ransporer plusieurs modes (rajes lumineux) En conséquence, elles son uilisées uniquemen pour des bas débis ou de coures disances, permean d'aeindre le Gbi/s sur des disances de l'ordre du km La couche physique 45

6 Les fibres monomodes son uilisées pour de plus longues disances e/ou de plus haus débis Elles son caracérisées par un diamère de cœur d une dizaine de micromères e echnologiquemen plus avancées Leur cœur n'adme ainsi qu'un mode de propagaion Les peres son donc minimes - moins de réflexion sur l'inerface cœur/gaine Les fibres monomodes son de ce fai adapées pour les lignes inerconinenales de rès haus débis e de rès longues disances Les émeeurs uilisés on pour foncion de converir des impulsions élecriques en signaux opiques Ils son de rois ypes: les LED (Ligh Emiing Diode) diodes élecroluminescenes qui foncionnen dans le rouge visible ; les diodes à infrarouge qui émeen dans l infrarouge ; les LASERs, uilisés pour la fibre monomode Les récepeurs on pour foncion de converir les signaux opiques en impulsions élecriques Ils son de deux ypes: les phoodiodes PIN, les plus uilisées car elles son peu coûeuses e simples à uiliser avec une performance saisfaisane, les phoodiodes à avalanche - employées pour déecer des inensiés de lumière exrêmemen faibles La fibre opique grâce aux performances avanageuses qu'elle perme, es uilisée de plus en plus à l'inérieur des réseaux de élécommunicaions La lumière qui y circule n'es pas sensible aux perurbaions élecromagnéiques e elle s'aénue beaucoup moins vie que le signal élecrique ransporé sur du cuivre On peu ainsi facilemen relier des équipemens disans de plusieurs kilomères Elle rese efficace dans des environnemens perurbés à des débis plusieurs fois supérieurs aux simples câbles réseaux Le domaine des conneceurs fibre compore plus de 100 conneceurs différens, mais seul un pei nombre d'enre eux es uilisé de façon significaive Fig 7: Conneceurs fibre opique La couche physique 46

7 3 MODES DE TRANSMISSION DE L'INFORMATION La communicaion enre deux machines peu s'effecuer de différens modes Les modes de ransmission diffèren selon : le nombre de bis envoyés simulanémen- liaison parallèle e liaison série; la synchronisaion enre émeeur e récepeur liaison asynchrone e liaison synchrone 31 LIAISON PARALLELE On désigne par liaison parallèle la ransmission simulanée de N bis Ces bis son envoyés simulanémen sur N voies différenes - une voie éan par exemple un fil, un câble ou ou aure suppor physique Médium physique Regisre émeeur b7 b7 Regisre récepeur b6 b6 Données Données b1 b1 b0 b0 Fig 8: Liaison de communicaion parallèle Problèmes: éan donné que les fils conduceurs son proches sur une nappe, il exise des perurbaions (noammen à hau débi e à grandes disances) dégradan la qualié du signal; le cou du câblage devien rès imporan à grandes disances 32 LIAISON SERIE Dans une liaison en série, les données son envoyées bi par bi sur la voie de ransmission Touefois, éan donné que la plupar des processeurs raien les informaions de façon parallèle, il s'agi de ransformer des données arrivan de façon parallèle en données en série au niveau de l'émeeur, e inversemen au niveau du récepeur La couche physique 47

8 Ces opéraions son réalisées grâce à un conrôleur de communicaion UART (Universal Asynchronous Receiver Transmier) qui effecue des ransformaions parallèle-série e série-parallèle de l informaion échangée b0 b1 Médium physique b6 b7 Regisre émeeur b7 b7 Regisre récepeur b6 b6 Données Données Horloge de décalage b1 b0 b1 b0 Horloge de décalage Fig 9: Liaison de communicaion en série La ransformaion parallèle-série se fai grâce à un regisre de décalage qui es ryhmé par une horloge Chaque décalage de l'ensemble des données présenes en parallèle d'une posiion, perme d'émere le bi de poids for e ainsi de suie La ransformaion série-parallèle se fai quasimen de la même façon grâce au regisre de décalage Le regisre de décalage perme de décaler l informaion d'une posiion à chaque récepion d'un bi, puis d'émere la oalié du regisre en parallèle lorsque celui-ci es plein e ainsi de suie 4 MODES DE TRANSMISSION EN SERIE Ean donné les problèmes que pose la liaison de ype parallèle, c'es la liaison série qui es la plus uilisée dans les réseaux de élécommunicaion Touefois, puisqu'un seul fil ranspore l'informaion, il exise un problème de synchronisaion enre l'émeeur e le récepeur, c'es-à-dire que le récepeur ne peu pas à priori disinguer les séquences de bis envoyés successivemen Il exise donc deux ypes de ransmission permean de remédier à ce problème La couche physique 48

9 41 LA LIAISON ASYNCHRONE La communicaion asynchrone signifie qu'aucun signal de synchronisaion (appelé horloge) n'es nécessaire Les données son êre envoyées oce par oce à inervalles de emps arbiraires Oces de données Récepeur Emeeur Repos Fig 10: Transmission de données en liaison asynchrone Comme l'horloge n'es pas ransmise, le récepeur ne sai pas quand commence e quand fini la ransmission C'es la raison pour laquelle dans ce ype de ransmission, chaque oce es précédé d'un bi de dépar appelé bi START e suivi de 1, 15 ou 2 bis d arrê - bis STOP Un bi de parié paire ou impaire es évenuellemen ajoué pour déecer les erreurs de ransmission Silence Transmission d'un oce Silence "1" 0 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 C 1 1 "0" Sar bi Données Parié Sop bis Fig 11: Forma de ransmission d'un oce en mode asynchrone La couche physique 49

10 Ces bis de conrôle, nécessaires pour une ransmission série, gaspillen jusque 33% de la bande passane Pour 12 bis envoyés, 8 serven à coder le caracère, 4 serven à assurer la récepion 42 LA LIAISON SYNCHRONE Dans ce ype de liaison, les bis successifs consiuan un message son envoyés les uns après les aures sans repos e sans séparaion enre chaque caracère Pour prévenir le récepeur du débu e de la fin d'un envoi, il es donc nécessaire d'insérer des élémens de synchronisaion, on parle alors de synchronisaion au niveau caracère Blocs de données Récepeur Emeeur Caracères de synchronisaion Fig 12: Forma de ransmission de données en liaison synchrone Le message es précédé e suivi d'un ou plusieurs caracères de synchronisaion de débu de ransmission e de fin de ransmission Transmission d'un bloc de données S S D D D D Caracères de synchronizaion Séquence binaire de données Fig 13: Forma de ransmission d'un bloc de données en liaison synchrone La couche physique 50

11 S Séquence binaire de données Regisre de récepion = S Décalage à l'arrivée de chaque bi Fig 14: Récepion d'un bloc de données en liaison synchrone La liaison synchrone perme d'obenir des débis informaionnels plus élevés qu'une liaison asynchrone, mais il nécessie un foncionnemen parfaiemen synchrone de l'émeeur e du récepeur Cee synchronisaion es généralemen assurée par l'une des deux méhodes suivanes : ransmere sur deux canaux parallèles l'informaion e l'horloge; le signal d'horloge es inégré à l'informaion (par exemple le codage Mancheser) 5 LE CODAGE LOGIQUE A DEUX NIVEAUX 51 LE CODAGE NRZ (NON RETURN TO ZERO) Le codage es à deux niveaux: le niveau hau lorsque des 1 binaires son ransmis e le niveau bas lorsque des 0 binaires son ransmis Ce codage es rès facile à mere en œuvre Il n y a pas de ransiion générée lors d une longue séquence de 1 ou 0, ce qui rend la synchronisaion difficile TxD Fig 15: Le codage NRZ La couche physique 51

12 Pour réaliser le décodage correc du code NRZ, il es nécessaire de ransmere avec le signal de données TxD, un second signal de synchronisaion - TxC TxD TxC Fig 16: Le décodage NRZ Le codage NRZ es souven uilisé dans l ordinaeur ou enre l ordinaeur e ses périphériques, par exemple la liaison série RS LE CODAGE NRZI (NON RETURN TO ZERO INVERTED) Le codage es à deux niveaux: la ransmission de la valeur binaire 0 crée une ransiion du niveau précéden e la ransmission de la valeur binaire 1 garde le niveau précéden Il n y a pas de ransiion générée lors d une longue séquence de 1, ce qui rend la synchronisaion difficile Pour réaliser le décodage correc du code NRZI, il es nécessaire d envoyer un zéro supplémenaire après quelques 1 consécuifs Le récepeur doi prendre en compe ces élémens de remplissage (suffing) Les réseaux à fibres opiques (FDDI) e le bus USB uilisen le codage NRZI TxD Fig 17: Le codage NRZI La couche physique 52

13 63 LE CODAGE MANCHESTER Le principe du codage Mancheser es de provoquer une ransiion du niveau au milieu de chaque bi ransmis Si le signal passe d un niveau hau à un niveau bas, il s agi d un 0 binaire e si le signal passe d un niveau bas à un niveau hau, il s agi d un 1 binaire 1 0 TxDM Fig 18: Le codage Mancheser La couche physique 53

14 Le codage NRZ Mancheser es simple : il s'agi d'un "ou exclusif" enre le signal des données à coder TxD e l'horloge TxC TxD TxC TxDM TxD TxC TxD M Fig 19: Le codage NRZ Mancheser La couche physique 54

15 Le décodage MANCHESTER NRZ se fai en échanillonnan le signal reçu par une horloge locale à 10 fois le ryhme binaire: 1 0 Fig 20: Le décodage Mancheser la valeur du bi es formée en comparan les valeurs réelles du signal reçu avec les valeurs des éalons des uniés binaires 0 e 1 : Ee 0 = Ee 1 = Le codage MANCHESTER es largemen uilisé dans les réseaux de élécommunicaion Sa mise en œuvre simple, le codage facile e le décodage son faciles à réaliser Il n y a pas de composane coninue - donc pas de pere de synchronisaion sur les suies de symboles ideniques La couche physique 55