Fiche de révision : Couche physique et supports réseau

📋 Plan du Cours

1. Rôle et système de transmission
2. Bande passante et performances
3. Caractéristiques des supports
4. Câble coaxial
5. Paire torsadée
6. Ethernet et accès au réseau
7. Fibre optique et transmission lumineuse
8. Transmission sans fil par ondes radio
9. Transmission infrarouge
10. Perturbations du signal transmis
11. Éléments et modes de transmission
12. Modes synchrone et asynchrone
13. Codages en bande de base
14. Limites de la bande de base
15. Modulations et protocoles physiques

📖 1. Rôle et système de transmission

🔑 Notions clés & Définitions

• Système de transmission : Un système de transmission comprend un émetteur, un récepteur, un canal de transmission et un sens de transmission ; l’information circule sur le canal sous forme de signal, grandeur physique variable dans le temps.
• Canal de transmission : La liaison entre un émetteur et un récepteur.

★ À maîtriser

• La couche physique assure la transmission des bits sur un support et définit les aspects électriques, mécaniques et fonctionnels des jonctions.

• La couche physique sert d’interface entre le terminal et le support physique et permet aux équipements d’échanger des informations entre nœuds adjacents.

Compléments

• Le protocole de la couche physique code les informations binaires sur un fil de cuivre, une fibre optique ou des ondes hertziennes.

• La couche physique est normalisée par l’EIA, l’UIT-T et l’ISO.

• L’ETTD désigne l’équipement terminal de traitement de données (DTE, Data Terminal Equipment), tandis que l’ETCD désigne l’équipement terminal de circuit de données (DCE, Data Communication Equipment).

📖 2. Bande passante et performances

🔑 Notions clés & Définitions

• Bande passante : La capacité maximale théorique d’une connexion réseau ou d’un lien de communication à transmettre des données par unité de temps, généralement exprimée en bits par seconde.
• Débit : La quantité réelle de données transmises avec succès d’un point à un autre pendant un temps donné.

★ À maîtriser

• Le débit peut être réduit par :
  • la congestion
  • les erreurs de transmission
  • les protocoles utilisés
  • les interférences
  • la latence
  • les goulots d’étranglement

📐 Formule - Le taux d’utilisation, ou efficacité, vérifie $U = \frac{\text{débit utile}}{\text{débit nominal}}$.

Compléments

• Une bande passante de 100 Mbps correspond théoriquement à un transfert maximal de 100 millions de bits par seconde.

• Sur une connexion de 100 Mbps, le débit réel peut être de 80 Mbps en raison de la surcharge réseau ou de la qualité de la connexion.

📐 Formule - Le débit utile réel vérifie $\text{débit utile} = \frac{\text{taille de l’information utile}}{\text{temps de transmission total}}$.

• Le débit nominal est le nombre de bits transmis par unité de temps sur un canal et s’exprime en bits par seconde.

• Les équivalences décimales indiquées sont 1 Kbit/s = 10³ bits/s, 1 Mbit/s = 10⁶ bits/s et 1 Gbit/s = 10⁹ bits/s.

📐 Formule - Le temps de transfert vérifie $T_{\text{transfert}} = T_{\text{émission}} + T_{\text{propagation}} + T_{\text{traitement équipement}}$.

📐 Formule - Le temps de propagation vérifie $T_{\text{propagation}} = \frac{\text{distance}}{\text{vitesse de propagation}}$.

📐 Formule - Le temps d’émission vérifie $T_{\text{émission}} = \frac{\text{taille des informations en bits}}{\text{débit}}$.

💡 Astuce mémo

Bande passante : capacité de la route ; débit : voitures réellement passées.

📖 3. Caractéristiques des supports

🔑 Notions clés & Définitions

• Rapport d’affaiblissement : Le rapport entre l’amplitude du signal reçu et celle du signal émis.

★ À maîtriser

• Les caractéristiques mentionnées sont : la bande passante, l’impédance, la longueur maximale du segment avant amplification, le rapport d’affaiblissement, le taux d’erreur binaire, la sensibilité aux bruits

📌 Les supports de transmission se répartissent entre transmission guidée, qui utilise des fils ou des câbles, et transmission non guidée, qui se fait sans fil.

Compléments

📐 Formule - Le taux d’erreur binaire vérifie $BER = \frac{\text{nombre de bits erronés}}{\text{nombre total de bits émis}}$.

📖 4. Câble coaxial

★ À maîtriser

• Un câble coaxial comprend une gaine protectrice, un blindage métallique contre les parasites et interférences, un isolant diélectrique qui évite le contact avec le blindage et un conducteur en cuivre qui transporte les données.

• Le blindage coaxial absorbe les signaux parasites, ou bruits, afin qu’ils ne pénètrent pas dans le câble et ne provoquent pas de distorsion des données.

📌 Le câble coaxial est plus résistant aux interférences et à l’atténuation que la paire torsadée.

• Le câble coaxial épais 10Base5 mesure environ 12 mm de diamètre, peut transporter un signal sur 500 m et est rigide, difficile à manier et relativement coûteux.

• Le câble coaxial fin 10Base2 mesure environ 6 mm de diamètre, transporte un signal jusqu’à 200 m et se branche à l’aide d’un connecteur BNC.

Compléments

• Le câble coaxial a été le premier support utilisé dans les réseaux locaux.

• Les sources d’interférences citées sont :

  • les moteurs électriques
  • les lignes à haute tension
  • les stations radio
  • les phénomènes naturels

• Les interférences peuvent interrompre, dégrader ou limiter la performance des systèmes.

• Le câble coaxial est adapté à l’envoi de données à des débits importants sur de longues distances.

• Les deux types de câble coaxial sont le câble fin Thinnet (10Base2) et le câble épais Thicknet (10Base5).

📌 Chaque segment de câble coaxial fin peut accueillir au maximum 30 stations, espacées de plus de 50 cm.

• Le câble coaxial fin et le câble coaxial épais utilisent les mêmes connecteurs BNC, et le connecteur BNC en T relie la carte réseau d’un ordinateur au câble.

• Le câble coaxial est utilisé entre une antenne TV et un récepteur, dans les réseaux câblés urbains, entre des équipements de traitement du son et pour transporter un signal vidéo sur plusieurs dizaines de mètres.

📖 5. Paire torsadée

★ À maîtriser

• Une paire torsadée est constituée de deux brins de cuivre torsadés, chacun protégé par une enveloppe isolante.

• La torsion des fils réduit les interférences électromagnétiques provenant des paires voisines et d’autres appareils électriques ; sans torsion, la paire tend à agir comme une antenne qui capte et émet des signaux.

• Le câble UTP utilisé dans les réseaux locaux selon la spécification 10/100baseT n’est pas entouré d’un blindage protecteur.

• Le débit indiqué pour le câble UTP va de 10 Mbits/s à 100 Mbits/s.

• Les catégories UTP mentionnées et leurs usages sont :

  • CAT1 : transport de la voix
  • CAT2 : données à basse vitesse jusqu’à 4 Mb/s, notamment pour les systèmes d’alarmes
  • CAT3 : réseaux locaux jusqu’à 10 Mbps
  • CAT4 : réseaux locaux jusqu’à 16 Mbps
  • CAT5 : bande passante de 100 Mbps

• Le câble STP possède un blindage métallique en tresse ou en feuille et une enveloppe d’aluminium entre et autour des paires torsadées, ce qui protège les données des interférences extérieures.

Compléments

• Après le câble coaxial, la paire torsadée a été le support le plus utilisé dans l’installation des réseaux locaux.

📌 Les paires torsadées se répartissent entre les types non blindé UTP et blindés STP et FTP.

• Un câble à paires torsadées regroupe souvent plusieurs paires sous une gaine externe protectrice.

• Les spécifications UTP déterminent le nombre de torsions autorisées par pied, soit 33 cm, de câble.

📌 Le câble STP permet des débits élevés sur de longues distances, mais il est moins flexible et plus difficile à installer.

• Le câble FTP constitue une solution intermédiaire entre l’UTP et le STP : une feuille d’aluminium forme un blindage général entre la gaine extérieure et les quatre paires torsadées.

• La paire torsadée se raccorde à la carte réseau au moyen d’un connecteur RJ45, couramment utilisé en terminaison de câble à paires torsadées.

💡 Astuce mémo

UTP sans blindage, STP blindé par paire, FTP blindé globalement

📖 6. Ethernet et accès au réseau

🔑 Notions clés & Définitions

• Ethernet : Norme de communication réseau qui définit la transmission et le contrôle des données dans les réseaux locaux (LAN).

📝 Points essentiels

• Une trame Ethernet contient notamment : les adresses MAC source et destination, le type de protocole, comme IPv4 ou IPv6, les données transportées, un contrôle CRC de l’intégrité des données reçues

• Chaque périphérique d’un réseau Ethernet possède une adresse MAC unique de 48 bits qui le différencie des autres appareils.

• Ethernet utilise le mécanisme CSMA/CD pour gérer l’accès au média et réagir aux collisions : chaque appareil écoute le réseau, plusieurs appareils peuvent tenter d’émettre simultanément, puis, en cas de collision détectée, chacun attend un délai aléatoire avant de réessayer.

💡 Astuce mémo

Écouter, partager, détecter la collision, attendre puis réessayer

📖 7. Fibre optique et transmission lumineuse

★ À maîtriser

• La fibre optique transmet la lumière plutôt que des signaux électriques, ce qui élimine le problème des interférences électriques.

• La fibre optique peut atteindre un débit de 1 Gbps, transmettre sur des distances bien plus longues que les paires coaxiales et torsadées et résister aux bruits électromagnétiques ; son coût d’installation est très élevé.

📌 La fibre multimode (MMF), dont le cœur est plus grand que celui de la fibre monomode, laisse passer plusieurs longueurs d’onde lumineuses et sert aux courtes distances, notamment moins de 5 km.

📌 La fibre monomode (SMF) n’autorise qu’un seul mode de propagation : la lumière traverse le centre de la fibre et cette fibre convient aux distances supérieures à 5 km.

Compléments

• Une fibre optique comprend un noyau central fin en verre ou en plastique, entouré d’une gaine optique en verre.

• Un câble à fibres optiques est constitué de deux fibres, l’une pour l’émission et l’autre pour la réception.

• Les performances mentionnées pour la fibre multimode comprennent 100 Mbps sur 300 m et 10 Gbps.

• Le connecteur fibre ST utilise un verrouillage à baïonnette et présente une perte de connectivité de 0,3 à 0,5 dB.

• Le connecteur fibre SC est carré, utilise un verrouillage coulissant, est utilisé pour les applications de bureaux et présente une perte d’insertion de 0,3 dB.

• Les avantages de la fibre optique comprennent : une bande passante supérieure au Gbit/s, un faible poids, une très faible atténuation, une vitesse de propagation élevée, égale à celle de la lumière, une sécurité liée à l’absence de rayonnement extérieur et à la difficulté d’écoute

• La fibre optique est bon marché, mais sa connectique coûte cher en raison de la grande précision requise.

💡 Astuce mémo

MMF : plusieurs modes sur courte distance ; SMF : un mode sur longue distance

📖 8. Transmission sans fil par ondes radio

🔑 Notions clés & Définitions

• Réseau sans fil : Réseau de machines qui n’utilise pas de câbles et permet aux particuliers, aux réseaux de télécommunications et aux entreprises de limiter l’usage de câbles entre différentes localisations.

★ À maîtriser

• La capacité d’une onde électromagnétique à traverser un milieu physique dépend de sa fréquence.

• Les ondes radio sont sensibles aux perturbations extérieures, notamment à l’utilisation des mêmes fréquences par d’autres systèmes réseau, ce qui peut dégrader la qualité des communications.

• Les bandes Wi-Fi à 2,4 GHz offrent une meilleure couverture et une meilleure pénétration à travers les murs que les bandes à 5 GHz et 60 GHz.

• Les fréquences Wi-Fi plus élevées, notamment 5 GHz et 60 GHz, favorisent des vitesses élevées mais ont une portée plus courte.

• Le Wi-Fi utilise des ondes radio pour transmettre des données sans câble physique, ce qui le rend flexible et pratique lorsque le câblage est peu pratique.

• Les trames IEEE 802.11 se répartissent en : trames de gestion, trames de contrôle, trames de données

• Avec CSMA/CA, un appareil écoute le canal avant de transmettre, attend un délai aléatoire si le canal est occupé, puis transmet lorsque le canal est libre et attend un accusé de réception ; en l’absence d’ACK, il retransmet après une nouvelle attente.

Compléments

• Les caractéristiques d’une onde électromagnétique comprennent sa fréquence, mesurée en hertz, et sa longueur d’onde, mesurée en mètres.

• Les normes Wi-Fi 802.11ac et 802.11ax se distinguent par un débit élevé, tandis que 802.11n en 2,4 GHz offre une portée longue.

• Les bandes Wi-Fi élevées, comme celles utilisées par 802.11ad et 802.11ay, sont sensibles aux obstacles.

💡 Astuce mémo

2,4 GHz couvre mieux ; 5 et 60 GHz accélèrent mais portent moins loin

📖 9. Transmission infrarouge

★ À maîtriser

• La lumière infrarouge sert à communiquer directement entre des équipements proches, par exemple une télécommande de télévision ou des équipements électroménagers et audiovisuels commandés à distance.

• La puissance du signal infrarouge se dissipe rapidement et la transmission est bloquée par les obstacles.

• La transmission infrarouge offre une bande passante très faible et une portée de quelques mètres à quelques dizaines de mètres.

• La couche physique transmet les signaux électriques, électromagnétiques ou optiques entre les interlocuteurs et prend en charge l’émission et la réception d’un bit ou d’un train continu de bits.

• La couche physique code l’information pour l’adapter au support de transmission et convertit les bits en signaux électriques, électromagnétiques ou optiques, et inversement.

Compléments

• La transmission infrarouge ne nécessite ni câblage ni autorisation d’utilisation de fréquences.

• La couche physique transmet un flot de bits sans en connaître la signification ni la structure.

• La couche physique normalise les signaux transmis ainsi que le type et la longueur des câbles et les connecteurs utilisés.

📖 10. Perturbations du signal transmis

🔑 Notions clés & Définitions

• Atténuation : Perte de puissance ou de force d’un signal lors de sa transmission sur un support physique.

• Bruit : Ajout d’un signal indésirable à un signal transmis.

★ À maîtriser

• Un signal transmis sur un lien de communication arrive toujours déformé à l’autre extrémité, et une distance plus grande augmente le risque de déformation.

• Les perturbations du signal comprennent :

  • l’atténuation ou l’affaiblissement
  • le déphasage
  • le bruit

Compléments

• Les défauts du support limitent le débit et l’étendue de la transmission, ce qui impose d’adapter les techniques de transmission aux caractéristiques du support.

• L’atténuation peut être causée par des câbles dépassant leur longueur maximale ou par la présence d’une résistance électrique.

• Les principales causes citées du bruit sont :

  • les intempéries, comme la pluie et la chaleur
  • les champs électriques
  • les champs magnétiques

💡 Astuce mémo

Distance accrue → déformation plus probable du signal

📖 11. Éléments et modes de transmission

🔑 Notions clés & Définitions

• ETCD : L’ETCD, ou équipement terminal de communication de données, est un équipement spécifique, comme un modem, chargé d’adapter les données à transmettre au support de communication.
• ETTD : L’ETTD, ou équipement terminal de traitement de données, est un équipement comme un ordinateur qui traite les données et supervise la transmission.

★ À maîtriser

📌 En simplex, les données circulent dans un seul sens ; en half-duplex, elles circulent dans un sens ou l’autre, mais pas simultanément ; en full-duplex, elles circulent simultanément dans les deux sens.

📌 En transmission série, les bits d’un mot sont transmis successivement sur une même ligne, de manière synchrone ou asynchrone, tandis qu’en transmission parallèle les bits d’un même caractère sont transmis simultanément.

Compléments

• Une transmission comporte notamment :

  • un ETTD émetteur
  • un ETCD émetteur
  • le support ou canal de transmission
  • un ETCD récepteur
  • un ETTD récepteur

• Des exemples de transmission simplex sont :

  • la radiodiffusion
  • la télédiffusion
  • le multicast sur Internet

• Le talkie-walkie est un exemple de transmission half-duplex, tandis que le téléphone est un exemple de transmission full-duplex.

💡 Astuce mémo

Simplex : un seul sens ; half-duplex : chacun son tour ; full-duplex : simultanément

📖 12. Modes synchrone et asynchrone

🔑 Notions clés & Définitions

• Mode synchrone : Associe toujours aux données un signal de base de temps ou top d’horloge, envoyé en même temps que les informations.

★ À maîtriser

• En transmission parallèle, les données sont transférées par mot sur un bus de n liaisons, avec une liaison et un conducteur par bit.

📌 La transmission parallèle transmet simultanément les bits d’un caractère sur plusieurs liaisons, tandis que la transmission série les transmet successivement sur une même ligne.

• En mode asynchrone, chaque caractère est précédé d’un bit START, qui déclenche l’horloge de la station réceptrice, puis suivi d’un bit STOP, qui marque la fin des bits d’information et arrête l’horloge.

Compléments

• La transmission parallèle permet un haut débit, mais elle est coûteuse en conducteurs, présente des problèmes de synchronisation entre les bits et ne franchit que de faibles distances.

• En mode synchrone, l’émetteur et le récepteur s’accordent sur une base de temps qui se répète régulièrement pendant tout l’échange.

• En mode synchrone, les caractères sont émis en séquence sans séparation et ce mode est utilisé pour les très hauts débits.

• En mode asynchrone, le début de la transmission peut se placer à un instant quelconque.

💡 Astuce mémo

Horloge partagée en continu en synchrone ; START et STOP encadrent chaque caractère en asynchrone.

📖 13. Codages en bande de base

🔑 Notions clés & Définitions

• Code : L’affectation d’un symbole ou d’une impulsion à chaque bit d’une séquence de zéros et de uns à transmettre sous forme de signal numérique.

★ À maîtriser

• En NRZI, le signal ne change pas pour coder un 0 et effectue une transition à chaque 1.

Compléments

• Les codages en bande de base cités sont :

  • le code bipolaire
  • le code RZ
  • le NRZ
  • le NRZI
  • le code biphasé Manchester
  • le Manchester différentiel
  • le code Miller

• Le code bipolaire représente le 1 par des tensions positives et négatives alternativement et le 0 par une tension nulle.

• Le code RZ fait retourner le signal à zéro à chaque pulsation et représente le 1 par un front descendant au milieu et le 0 par une tension nulle.

📌 En NRZ, une tension positive représente le 1, une tension négative représente le 0 et une tension nulle indique l’absence de transmission.

📌 En Manchester, un front descendant au milieu du bit représente le 1 et un front montant au milieu représente le 0.

• Le code Manchester différentiel ne présente pas de problème de composante continue ni de synchronisation, mais son spectre est plus large, et il est utilisé dans les réseaux Token Ring.

• En code Miller, le bit 1 provoque une transition au milieu du temps d’horloge, le bit 0 n’en provoque pas, sauf qu’une transition apparaît au début d’un 0 suivi d’un autre 0.

📖 14. Limites de la bande de base

★ À maîtriser

• La dégradation du signal en bande de base par pertes et affaiblissements augmente rapidement avec la distance parcourue.

• La transmission en bande de base est utilisée dans les réseaux locaux à grand débit et faible portée, sur une distance inférieure à 1 km.

Compléments

• Les fréquences situées en dehors de la bande passante du support ne se propagent pas.

💡 Astuce mémo

La dégradation rapide avec la distance conduit à réserver la bande de base aux liaisons courtes.

📖 15. Modulations et protocoles physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmission modulée : Transforme un signal numérique en un signal analogique transmissible sur un média, en modifiant les caractéristiques d’une porteuse telles que l’amplitude, la fréquence ou la phase.

★ À maîtriser

📌 La modulation ASK code l’information en faisant varier l’amplitude de la porteuse, la FSK en faisant varier sa fréquence et la PSK en décalant sa phase.

Compléments

• Le modem, ou ETCD, permet la transmission modulée de données numériques sur une voie analogique.

• La modulation mixte peut faire varier simultanément l’amplitude et la phase, l’amplitude et la fréquence, ou la fréquence et la phase afin de coder davantage de bits par modulation.

• Un protocole de niveau physique définit les aspects mécaniques, électriques et fonctionnels du câble et est normalisé par l’UIT-T, l’EIA et l’ISO.

• V.24/V.28 est une interface entre l’ETTD et l’ETCD en mode asynchrone, notamment pour un modem.

• X.21 est une interface entre l’ETTD et l’ETCD pour la transmission de données en mode synchrone.

📊 Tableaux de synthèse

Normes et bandes Wi-Fi