Réseaux Transmission de Données Master Miage 1 Université de Nice-Sophia Antipolis (Second semestre 2009-2010)
Jean-Pierre Lips (
[email protected] )
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
Introduction historique Nature du mode de transmission
Analogique Nature de la source des informations
Analogique
Numéri mériq que
-----
CoDec (1)
Numérique
MoDem
(4)
----(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
– représentés par une
grandeur physique variant de manière continue
Amplitude
Signaux numériques – Représentés par une grandeur
physique de prenant qu'un certains nombre de valeurs discrètes
Amplitude V5 V4 V3
temps
V2 V1
temps
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) 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 : P ulse ulse Coded M odulation) odulation) 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 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 d es ordonnées. Mesure de l´amplitude du signal avec un nombre nomb re fini de valeurs – Approximation Approximation à la valeur discrète possible la plus proche
=> erreur (ou bruit) de quantification – Compression logarithme pour obtenir obtenir un bruit de quantification 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 physique
Couche physique
= Data communications facility (DCF)
Jonction ETTD / ETCD
ETCD
Support de transmission
Jonction ETCD
ETTD / ETCD
Circuit de données
ETTD : Equipement Terminal de Transmission de Données DTE : Data T erminal erminal E quipement quipement ETCD : Equipement de Terminaison de Circuit de Données DCE : Data Circuit Terminating E quipement quipement
Jonction ETTD/ETCD = DTE/DCE Interface
Représentation électrique des données (1/2) Amplitude (V) 1 V
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1) Signal bivalent
V3 11 2) Signal quadrivalent (Valence = 2)
V2 10 V1
1
V0
0
V 3) Signal biphase (Manchester) 0 Temps (s) T
Représentation électrique des données (2/2)
Type du signal
Débit binaire
Rapidité de modulation
(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 log 2 v
Mode de transmission (1/2)
Transmission synchrone
Horloge
Donnéess
Caractère n
– Synchronisation-bit – Synchronisation-caractère
Caractère n+1
Mode de transmission (2/2)
Transmission asynchrone St 20ms
Sp
Sp
st
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
W
P1= P0 / 2
W
Bande passante : W = f 2 – f 1 Bande passante à -3 décibels d 'un circuit réel : 10 log10 P0/P1 = 10 log10 2 ≈ 3dB – Ex: Circuit téléphonique : W = f 2 – f 1 = 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 R max (bauds) est de 2W. – Ex : ligne téléphonique
W = 3100Hz
=> R max = 6200 bauds
Il est possible de transmettre plusieurs bits bi ts 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 W log 2 1 B
Ex : ligne téléphonique : W = 3100 Hz S = 20 dB = 100 B
=>
C =3100 x log 2 101 C ≃3100 x 6,66 ≃ 20000 bits / s
Mode d'exploitation d'un circuit de données
Mode unidirectionnel : Circuit simplex Source de données
Contrôleur de communication
Modem (ETCD)
Modem (ETCD)
Contrôleur de communication
Mode bidirectionnel à l'alternat : Circuit semi-duplex (Half-duplex HDx) Source
Collect eur
Source de données
Collecteur Contrôleur de communication
Modem (ETCD)
Modem (ETCD)
Contrôleur de communication
S ource
Mode bidirectionnel simultané : Cicuit duplex (intégral) (Full-duplex FDx) Source
Collect eur
Contrôleur de communication
Modem (ETCD)
Modem (ETCD)
Contrôleur de communication
Collecteur
S ource
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) voie 3
M
F3
F3
D
P3
voie 2
M
P3
F2
F2
D
P2
voie 1
M
D
F1 F1
A
A
A
F1
F1 F1
A
A
A
D
F1
D
P3
voie 1
M
v oie 1
P1
F2
F2
P2
voie 3
D
P1
Support à large bande
P1
voie 2
voie 2
P2
P1
voie 1
voie 3
M
voie 1
P2
F3
M : modulateur mod ulateur Fi : filtre D : démodulateur A : amplificateur-répéteur
F3
M
voie 1 P3
Multiplexage fréquentiel analogique (2/3) P voie 1
f P
P voie 2
f P
P1 voie3
f
voie 1
voie 2
voie 3
4 kHz
4 kHz
4 kHz
P2
P3
f
Multiplexage fréquentiel analogique (3/3) Multiplex
Nombre de voies
Largeur de bande
Bande dce 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) voie 3
F
C
D
IT3
voie 2
F
F
C
D
C
voie 1
F
D
A
A
D
F
A
A
A
F
F
C
D
F
C
D
IT3
voie 1
voie 1
IT'1
IT2
voie 3
voie 2
IT'1
Support à large bande
IT1
voie 2
F
IT'2
A
IT1
voie 3
IT'3
IT2
voie 1
F
F
voie 2
IT'2
C: codeur D: décodeur F : filtre A : amplificateur-répéteur
C
IT'3
F
voie 3
Multiplexage temporel numérique (2/5) IT 1
IT 2
IT 3
voie 1
voie 2
voie
125 microsecondes
IT : Intervalle de Temps
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 / 125 μs => 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 /125 μs => 1,544 Mbit/s ✓
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
Multiplexage temporel numérique (5/5)
SDH (S ynchronous Digital Hierarchy) – Avis ITU-T G.707, G.708, G.709 – Equivalence avec les trames de la hiérarchie SONET (S ynchronous Optical NETwork) Trame SDH STM-N
Débit (Mbit/s)
Trame SONET STS-N (OC-N)
51,840
STS-1
(OC-1)
ST M -1
1 5 5 ,52 0
ST S- 3
(O C - 3)
ST M -4
6 2 2 ,08 0
S T S- 1 2
(O C - 1 2 )
1244,160
STS-24
(OC-24)
24 88 ,3 2 0
S T S- 4 8
(O C - 4 8 )
ST M -1 6
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)
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 Raccordement téléphonique intérieur (paires de qualité voix ou catégorie 3) autour d'un PABX ( P rivate rivate Automatic change) d' impédance proche de 100 Ω Branche e X change) – Transmission de données sur paires de qualité donnée ou catégorie 5 d'impédance proche de 150 Ω
Paires métalliques (3/3) – Type de câbles : ✓
Paires non blindées UTP :
✓
U nshielded nshielded T wisted wisted P air air
Paires blindées STP :
Shielded T wisted wisted P air air
– Systèmes de pré-câblage ✓ ICS (IBM) : I BM Cabling S ystem ✓ BCS (Bull) : Bull Cabling S ystem
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 E mitting mitting Diode) 0,1mW Laser 10mW
– Fibre optique : guide d'ondes lumineuses – Détecteur de lumière ✓ Photodiode de type PIN ( P ositive ositive I ntrinsic ntrinsic N egative egative)
ou diode avalanche
Liaisons optiques (2/3)
Caractéristiques – PRO
Bande passante élevée : ≈ 1 GHz.km => débits binaires importants ✓ Affaiblissement linéique 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 ✓
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 ✓
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 dB/km à λ = 850nm (portée 10km) 10km) – GaAS pour LED, Si pour photodiode
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) 30km) – AIGaAS pour pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode photodiode
Types de fibres optiques (3/3)
Monomode
– Largeur de bande : 100 GHz.km – Atténuation : 0,3 dB/km dB/km à λ = 1550nm (portée 100km) 100km) – InGaASP pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode 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 aller-retour ≃ 300 ms – Bandes de fréquences : 6/4 GHz, 14/12 GHz, ... – Plusieurs répéteurs (transpondeurs) (transpondeurs) – Fonction de diffusion
Non géostationnaires – Satellites à défilement à orbite basse ✓ LEO : Low E arth arth 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 4800-9600 bit/s ✓ En service depuis 1995 ✓
ETCD
Equipement de Terminaison de Circuit de Données
ETCD
ETTD
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 s in t ✓
Amplitude : A
✓
Pulsation : =
✓
Phase:
2 T
=2 N
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 connexion : 2fils, 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 Signal d'horloge Messages de données
Code binaire NRZ
0
a -a a
Code biphase
Code biphase différentiel Code de Miller
-a a -a a -a
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
Transmission en bande de base (2/2)
Bande de base à 3 niveaux Signal d'horloge Messages de données
0
a
Code bipolaire Code bipolaire d'ordre 2
-a
a
-a
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
Bande de base : spectres
Types de modulation simples
