Fiche de révision : Fondements des réseaux locaux

📋 Plan du Cours

1. Rôle et supports de la couche physique
2. Signaux, bande passante et débits
3. Limites de Nyquist et Shannon
4. Délais de transmission et propagation
5. Codages en bande de base et modulation
6. Cadrage et détection des erreurs
7. Accès au médium et adresses MAC
8. Trames Ethernet et commutation
9. VLAN et étiquetage 802.1Q
10. Portée des couches OSI

📖 1. Rôle et supports de la couche physique

★ À maîtriser

• La couche physique transmet une séquence brute de bits entre un émetteur et un récepteur en convertissant les bits en tensions, impulsions lumineuses ou ondes électromagnétiques, sans interpréter leur signification.

• Les signaux subissent une atténuation de puissance avec la distance, une distorsion et une dispersion temporelle dues aux vitesses différentes des fréquences, ainsi que du bruit thermique et des interférences externes.

• La fibre optique guide la lumière dans un cœur entouré d’une gaine ; la fibre multimode subit une dispersion modale qui limite sa portée, tandis que la monomode convient aux longues distances.

Compléments

• Une paire torsadée transporte des tensions différentielles, réduit les perturbations par torsade et transmission différentielle, et sa portée maximale indiquée est de 100 m.

• La radio permet la mobilité, mais sa réception dépend de la distance, des obstacles et des trajets multiples, et plusieurs équipements peuvent se disputer le temps d’utilisation du canal.

📖 2. Signaux, bande passante et débits

★ À maîtriser

📌 La bande passante est la largeur de l’intervalle de fréquences transmis sans atténuation excessive et se mesure en hertz, tandis que le débit binaire est la quantité de bits transportés par seconde.

📐 Formule - Pour une valence $M$, un symbole transporte $n = \log_2(M)$ bits et le débit binaire vérifie $D = R\log_2(M)$.

Compléments

📐 Formule - La rapidité de modulation vaut $R = \frac{1}{T_s}$, où $T_s$ est la durée d’un symbole.

• À 1200 bauds avec une valence de 4 états, le débit binaire est de 2400 bits/s.

• Le débit Wi-Fi annoncé ne garantit pas le débit de téléchargement disponible en permanence pour chaque utilisateur.

📖 3. Limites de Nyquist et Shannon

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un canal passe-bas idéal sans bruit, le théorème de Nyquist donne $R_{\max}=2B$ et $D_{\max}=2B\log_2(M)$.

📐 Formule - Pour un canal bruité, la capacité maximale de Shannon-Hartley est $C=B\log_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$.

Compléments

• À bande passante fixe, augmenter le débit selon Nyquist exige d’augmenter la valence, mais des niveaux plus rapprochés deviennent plus difficiles à distinguer en présence de bruit.

📐 Formule - Le rapport signal/bruit en décibels vérifie $SNR_{dB}=10\log_{10}\left(\frac{S}{N}\right)$ et $\frac{S}{N}=10^{SNR_{dB}/10}$.

• Pour une bande passante de 3000 Hz et un SNR de 30 dB, la capacité de Shannon est d’environ 29 900 bps, soit 30 kbps, et la modulation peut employer au maximum 32 états selon le calcul de Nyquist.

💡 Astuce mémo

Nyquist borne les symboles sans bruit ; Shannon borne le débit avec bruit.

📖 4. Délais de transmission et propagation

★ À maîtriser

📐 Formule - Le délai d’émission d’un paquet de $L$ bits transmis au débit $D$ vaut $T_{trans}=\frac{L}{D}$.

📐 Formule - Le délai de propagation sur une distance $d$ à la vitesse $v$ vaut $T_{prop}=\frac{d}{v}$ et ne dépend pas du débit.

Compléments

📐 Formule - Le délai total d’un paquet est la somme des délais d’émission, de propagation, de traitement et d’attente : $T_{total}=T_{trans}+T_{prop}+T_{traitement}+T_{attente}$.

• La vitesse de propagation indiquée dans le cuivre ou le verre est d’environ $2\times10^8$ m/s.

💡 Astuce mémo

Émission : taille et débit ; propagation : distance et vitesse.

📖 5. Codages en bande de base et modulation

★ À maîtriser

📌 En NRZ, un niveau haut représente 1 et un niveau bas représente 0, mais une longue suite identique ne produit aucune transition et peut entraîner une perte de synchronisation ainsi qu’une composante continue non nulle.

• Le codage Manchester représente 1 par un front montant et 0 par un front descendant au milieu du bit, ce qui assure une transition par bit et une composante continue nulle.

📌 La transmission en bande de base envoie directement le signal logique, tandis que la modulation adapte le signal numérique à un canal passe-bande en modifiant l’amplitude, la fréquence ou la phase d’une porteuse.

Compléments

• Manchester peut produire jusqu’à deux changements d’état par bit, de sorte que sa rapidité de modulation est $R=2D$ et son rendement spectral est de 50 %.

• ASK code les bits par l’amplitude et est vulnérable au bruit d’amplitude, FSK les code par la fréquence et consomme davantage de bande passante, tandis que PSK les code par la phase et résiste fortement au bruit.

• QPSK utilise quatre phases et transporte 2 bits par symbole, tandis que 16-QAM transporte 4 bits par symbole et 64-QAM ou 256-QAM jusqu’à 8 bits par symbole.

💡 Astuce mémo

Manchester synchronise par transition ; NRZ peut rester plat.

📖 6. Cadrage et détection des erreurs

★ À maîtriser

• La couche liaison transforme le flot brut de bits en trames délimitées, détecte les altérations, adresse les machines du réseau local et contrôle l’accès au support partagé.

• Le fanion de cadrage est le motif binaire 01111110, utilisé comme délimiteur de début et de fin de trame.

• Avec le bit stuffing, l’émetteur insère un 0 après cinq bits 1 consécutifs dans les données, et le récepteur supprime ce 0 ; un sixième 1 permet de reconnaître le fanion.

• Le CRC traite les bits comme des polynômes sur GF(2), calcule le reste de la division de $M(x)x^r$ par le générateur $G(x)$, puis ajoute ce reste pour former une trame divisible par $G(x)$.

📌 À la réception, une trame CRC est validée si sa division par le même polynôme générateur produit un reste nul ; sinon, elle est rejetée sans correction en couche 2.

Compléments

• Le comptage d’octets dans l’en-tête est fragile, car l’altération de sa valeur peut désynchroniser en cascade la lecture des trames suivantes.

📌 La parité simple détecte les altérations d’un nombre impair de bits mais pas celles de deux bits, tandis que le checksum additionne des mots de 16 bits en complément à 1 et ne détecte pas les inversions ou permutations d’octets.

• Le CRC-32 Ethernet détecte toutes les erreurs isolées sur un bit, toutes les doubles erreurs indépendantes et toutes les salves d’une longueur inférieure ou égale à 32 bits.

📖 7. Accès au médium et adresses MAC

🔑 Notions clés & Définitions

• Domaine de collision : Zone physique d’un réseau où plusieurs transmissions simultanées interfèrent et rendent les signaux inexploitables.

★ À maîtriser

• CSMA/CD impose d’écouter le canal avant d’émettre, de détecter une collision pendant l’émission, d’interrompre l’envoi, de transmettre un signal Jam de 32 bits et d’attendre un délai aléatoire avant une nouvelle tentative.

📌 Pour détecter une collision dans CSMA/CD, la durée d’émission doit vérifier $T_{trans}\geq2T_{prop}$.

• Une adresse MAC EUI-48 contient 48 bits, répartis entre un OUI de 24 bits et un numéro de série NIC de 24 bits.

Compléments

• En Ethernet à 10 Mbps, le temps aller-retour maximal de propagation est calibré à 51,2 μs, ce qui impose une taille minimale de trame de 512 bits, soit 64 octets.

• Après la i-ème collision, le BEB tronque k à min(i,10), tire uniformément r dans l’ensemble des entiers de 0 à $2^k-1$ et attend r fois le SlotTime de 51,2 μs ; après 16 collisions consécutives, la trame est abandonnée.

📌 Dans une adresse MAC, le bit I/G vaut 0 pour unicast et 1 pour multicast ou broadcast, tandis que le bit U/L vaut 0 pour une adresse universelle attribuée par l’IEEE et 1 pour une adresse administrée localement.

💡 Astuce mémo

Écouter, émettre, détecter, signaler, attendre au hasard.

📖 8. Trames Ethernet et commutation

★ À maîtriser

• Une trame Ethernet II utile mesure de 64 à 1518 octets et contient les adresses MAC destination et source, un champ EtherType, une charge utile et un FCS.

📌 Un hub répète chaque bit reçu vers tous ses ports et partage un domaine de collision, tandis qu’un switch commute sélectivement selon l’adresse MAC et isole les domaines de collision par port.

• Un switch apprend l’adresse MAC source sur le port d’arrivée et met à jour sa table CAM, puis envoie une destination connue sur son port, filtre une destination située sur le port d’entrée et inonde les ports sauf celui d’entrée pour une destination inconnue ou un broadcast.

Compléments

• Le préambule de 7 octets suivi du SFD de 1 octet permet au récepteur de verrouiller son horloge binaire.

• Le champ EtherType fait 2 octets et identifie notamment IPv4 par 0x0800, ARP par 0x0806 et IPv6 par 0x86DD.

• Le FCS Ethernet fait 4 octets et contient le CRC-32 calculé sur les champs allant de l’adresse MAC destination à la charge utile.

• La table CAM associe dynamiquement des adresses MAC à des ports physiques et à un horodatage ; son timer d’expiration est usuellement de 300 secondes.

• Une attaque MAC Flooding sature la table CAM avec des adresses sources forgées aléatoires, ce qui peut faire basculer le switch en flooding de toutes les trames et permettre l’espionnage du trafic.

• Un switch transmet les broadcasts sur tous ses ports, de sorte que les machines d’un même réseau local partagent un domaine de diffusion et qu’une boucle peut provoquer une tempête de broadcast.

📖 9. VLAN et étiquetage 802.1Q

🔑 Notions clés & Définitions

• VLAN : Segmentation logique qui découpe un commutateur physique en plusieurs commutateurs virtuels indépendants, chacun constituant son propre domaine de diffusion étanche.

★ À maîtriser

📌 La communication entre deux VLANs différents exige un routeur de niveau 3, car le switch ne propage pas les trames de diffusion d’un VLAN vers les autres.

📌 Un port Access relie généralement un équipement terminal à un seul VLAN statique et transporte des trames non étiquetées, tandis qu’un port Trunk transporte plusieurs VLANs et utilise un identifiant dans les trames.

• Lorsqu’une trame d’un port Access traverse un Trunk, le switch ajoute un tag 802.1Q contenant le VID ; le switch de destination utilise ce VID pour l’orienter vers le VLAN correspondant, puis retire le tag avant l’émission sur un port Access.

Compléments

• Dans 802.1Q, le TPID vaut 0x8100, le PCP occupe 3 bits, le DEI 1 bit et le VID 12 bits ; les VID utilisables vont de 1 à 4094, car 0 et 4095 sont réservés.

• Les VLANs limitent le trafic de broadcast, permettent l’isolation logique des départements et regroupent les hôtes selon leur fonction plutôt que leur emplacement physique.

💡 Astuce mémo

Access natif → tag sur le trunk → retrait en sortie access.

📖 10. Portée des couches OSI

★ À maîtriser

📌 La couche physique traite les bits et assure leur transport sans adressage, tandis que la couche liaison traite des trames, utilise les adresses MAC et détecte les erreurs par CRC-32.

Compléments

• La communication entre VLANs distincts et avec un serveur distant relève des fonctions de la couche réseau, notamment de l’adressage IPv4/CIDR et du routage IP.

💡 Astuce mémo

L1 transporte des bits ; L2 délimite et adresse des trames.

📊 Tableaux de synthèse

Couches physique et liaison