Fiche de révision : Routage et supports de transmission

📋 Plan du Cours

1. Rôle de la couche physique
2. Transmission et performance réseau
3. Caractéristiques des supports
4. Câble coaxial
5. Paire torsadée
6. Ethernet et accès au réseau
7. Fibre optique et caractéristiques
8. Transmission sans fil par ondes radio
9. Normes Wi-Fi et fréquences
10. Trames et accès Wi-Fi
11. Transmission infrarouge
12. Transmission en bande de base
13. Codages en bande de base
14. Transmission par modulation
15. Protocoles physiques normalisés

📖 1. Rôle de la couche physique

★ À maîtriser

• La couche physique assure la transmission des bits sur le support et sert d’interface entre le terminal et le support physique.

• Le protocole de la couche physique code les informations binaires sur un fil de cuivre, une fibre optique ou des ondes hertziennes, permettant aux équipements d’échanger avec des nœuds adjacents.

Compléments

• La couche physique définit les aspects électriques des jonctions, les aspects mécaniques des connecteurs et les aspects fonctionnels des procédures d’établissement d’un circuit de données entre équipements.

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

📖 2. Transmission et performance réseau

🔑 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 y circule sous forme d’un signal, grandeur physique variable dans le temps.
• Bande passante : Capacité maximale théorique d’une connexion réseau ou d’un lien de communication à transmettre des données par unité de temps, généralement mesurée en bits par seconde.
• Débit : Quantité réelle de données transmises avec succès d’un point à un autre par unité de temps ; il est généralement inférieur ou égal à la bande passante.
• Canal de transmission : Liaison entre un émetteur et un récepteur.

📝 Points essentiels

• L’ETTD désigne l’équipement terminal de traitement de données, appelé DTE en anglais, tandis que l’ETCD désigne l’équipement terminal de circuit de données, appelé DCE en anglais.

• Une connexion ayant une bande passante de 100 Mbps peut théoriquement transférer 100 millions de bits par seconde, tandis que son débit réel peut être de 80 Mbps en raison de la surcharge réseau ou de la qualité de la connexion.

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

📐 Formule - Le débit utile est calculé par $D_{utile} = \frac{\text{taille de l’information utile}}{\text{temps de transmission total}}$.

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

📐 Formule - Le temps de transfert est $T_{transfert} = T_{émission} + T_{propagation} + T_{traitement\_équipement}$.

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

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

💡 Astuce mémo

Imaginez une autoroute : les voies représentent la bande passante, les voitures qui passent le débit réel.

📖 3. Caractéristiques des supports

★ À maîtriser

• Les caractéristiques d’un support comprennent :
  • la bande passante
  • l’impédance
  • la longueur maximale du segment
  • le rapport d’affaiblissement
  • le taux d’erreur binaire
  • la sensibilité au bruit
  • le coût

Compléments

• La bande passante d’un support est la plage de fréquences sur laquelle la voie transmet des signaux sans affaiblissement important.

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

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

• Les transmissions sont guidées lorsqu’elles utilisent des fils, comme les câbles, et non guidées lorsqu’elles sont sans fil.

📖 4. Câble coaxial

★ À maîtriser

• Le câble coaxial, premier support historiquement utilisé par les réseaux locaux, comprend une gaine, un blindage métallique, un isolant diélectrique et un conducteur en cuivre.

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

Compléments

• Les interférences peuvent provenir : de tensions non souhaitées dues à des rayonnements internes ou externes, de moteurs électriques, de lignes à haute tension, de stations radio, de phénomènes naturels

📌 Le câble coaxial résiste mieux aux interférences et à l’atténuation que la paire torsadée.

• Le câble coaxial épais (10Base5) mesure environ 12 mm de diamètre, transporte un signal jusqu’à 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, se raccorde par un connecteur BNC et peut accueillir au maximum 30 stations par segment espacées de plus de 50 cm.

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

📖 5. Paire torsadée

🔑 Notions clés & Définitions

• Paire torsadée : Constituée de deux brins de cuivre torsadés, chacun protégé par une enveloppe isolante.

★ À maîtriser

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

📌 Les câbles à paires torsadées comprennent les types non blindé UTP, blindé STP et à blindage général FTP.

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

Compléments

• La paire torsadée est un support qui a été largement utilisé dans l’installation des réseaux locaux après le câble coaxial.

• Pour former un câble, plusieurs paires torsadées sont souvent regroupées sous une gaine externe protectrice.

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

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

• Les catégories UTP citées et leurs usages sont :

  • CAT1 pour la voix
  • CAT2 pour les données à 4 Mb/s et certains systèmes d’alarme
  • CAT3 jusqu’à 10 Mbps en réseau local
  • CAT4 jusqu’à 16 Mbps en réseau local
  • CAT5 pour une bande passante de 100 Mbps

• Le câble STP possède un blindage constitué d’une tresse ou d’une feuille métallique, avec une protection en aluminium disposée entre et autour des paires torsadées.

• Le blindage du câble STP protège les données contre les interférences extérieures et permet des débits élevés sur de longues distances, mais rend le câble moins flexible et plus difficile à installer.

📌 Le FTP constitue une solution intermédiaire entre l’UTP et le STP : ses paires bénéficient d’un blindage général par feuille d’aluminium, placé entre la gaine extérieure et les quatre paires torsadées.

• Le connecteur RJ45, couramment utilisé pour terminer un câble à paires torsadées, relie celui-ci à la carte réseau et comporte 8 broches de connexion électrique ; il est également utilisé en téléphonie.

💡 Astuce mémo

La torsion réduit les interférences électromagnétiques

📖 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).

★ À maîtriser

• Une trame Ethernet comporte notamment : les adresses MAC source et destination, le type de protocole, les données, un contrôle CRC de l’intégrité des données reçues

• En CSMA/CD, chaque périphérique écoute d’abord si le réseau est libre, plusieurs périphériques peuvent tenter d’y accéder, puis une collision simultanée est détectée et les appareils concernés attendent un délai aléatoire avant de réessayer.

Compléments

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

• Dans une trame Ethernet, le champ Type indique le protocole utilisé pour la transmission, par exemple IPv4 ou IPv6.

💡 Astuce mémo

Écouter le canal, accéder, détecter la collision, attendre puis réessayer

📖 7. Fibre optique et caractéristiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fibre optique : Constituée d’un noyau cylindrique fin en verre ou en plastique, entouré d’une gaine optique en verre.

★ À maîtriser

• La fibre optique transmet des données sous forme de lumière plutôt que de signaux électriques, ce qui élimine les interférences électriques.

📌 La fibre multimode (MMF) possède un cœur de plus grand diamètre que la fibre monomode et permet plusieurs modes de propagation de la lumière, tandis que la fibre monomode (SMF) n’autorise qu’un seul mode de propagation.

Compléments

• La fibre optique peut atteindre un débit de 1 Gbps et transmettre sur des distances bien plus longues que les câbles coaxiaux et à paires torsadées, mais son installation est très coûteuse.

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

• La fibre multimode est utilisée sur de courtes distances, notamment à moins de 5 km, avec les indications de débit et de portée suivantes : 100 Mbps sur 300 m et 10 Gbps.

• La fibre monomode guide la lumière le long du centre de la fibre et convient aux longues distances supérieures à 5 km.

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

💡 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’utilisent pas de câbles et qui permet de limiter leur usage entre différentes localisations.

★ À maîtriser

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

Compléments

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

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

📖 9. Normes Wi-Fi et fréquences

★ À maîtriser

• Les bandes de fréquence plus basses, comme 2,4 GHz, offrent une meilleure couverture et traversent mieux les murs que les bandes plus élevées.

• Les bandes plus élevées, comme 5 GHz et 60 GHz, favorisent les vitesses élevées, mais leur portée est plus courte.

Compléments

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

• Les normes 802.11ad et 802.11ay sont sensibles aux obstacles en raison de l’utilisation de bandes de fréquence plus élevées.

💡 Astuce mémo

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

📖 10. Trames et accès Wi-Fi

★ À maîtriser

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

• Les trames IEEE 802.11 se répartissent en trois catégories :

  • les trames de gestion
  • les trames de contrôle
  • les trames de données

• 🔄 La méthode CSMA/CA suit ces étapes :

  1. L’appareil écoute le canal avant d’émettre.
  2. Si le canal est occupé, l’appareil attend un délai aléatoire avant de vérifier à nouveau.
  3. Lorsque le canal est libre, l’appareil transmet les données.
  4. Si la transmission réussit, le récepteur envoie un accusé de réception (ACK).
  5. En l’absence d’ACK, l’émetteur suppose un échec et retransmet après une nouvelle attente.

Compléments

• Les trames IEEE 802.11 servent à transporter les informations et à contrôler les communications entre appareils d’un réseau sans fil.

💡 Astuce mémo

Écouter, attendre au hasard, transmettre, recevoir l’ACK.

📖 11. Transmission infrarouge

★ À maîtriser

• La lumière infrarouge permet la communication directe entre équipements proches, notamment avec les télécommandes de télévision et les commandes à distance d’équipements électroménagers et audiovisuels.

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

📌 En mode synchrone, un signal d’horloge accompagne les données et les caractères sont émis sans séparation ; en mode asynchrone, chaque caractère est encadré par un bit START et un bit STOP.

Compléments

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

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

• En mode synchrone, l’émetteur et le récepteur s’accordent sur une base de temps régulière, ce mode étant utilisé pour les très hauts débits.

• En mode asynchrone, le bit START déclenche l’horloge de la station réceptrice, puis le bit STOP marque la fin des bits d’information et arrête cette horloge.

💡 Astuce mémo

Sans câble ni autorisation de fréquence, mais bloqué par les obstacles.

📖 12. Transmission en bande de base

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmission en bande de base : Transmission directe d’un signal numérique sur sa bande spectrale d’origine, avec une légère transformation.

★ À maîtriser

📌 La transmission en bande de base est utilisée principalement dans les réseaux locaux à grand débit et faible portée, car le signal se dégrade rapidement avec la distance.

Compléments

• La transmission en bande de base utilise des signaux carrés constitués par un courant électrique pour envoyer des suites de bits sur le support.

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

💡 Astuce mémo

La distance dégrade rapidement le signal, donc la bande de base reste réservée aux liaisons courtes

📖 13. Codages en bande de base

★ À maîtriser

📌 En NRZI, le signal ne change pas pour coder 0, tandis qu’une transition du signal code 1.

📌 En Manchester, un front descendant au milieu du bit représente 1 et un front montant au milieu représente 0 ; ce code évite les problèmes de composante continue et de synchronisation, mais possède un spectre plus large.

Compléments

• Les codages en bande de base présentés sont :

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

• Dans le code bipolaire, les bits 1 sont représentés alternativement par une tension positive et une tension négative, tandis que les bits 0 sont représentés par une tension nulle.

• Dans le code RZ, le signal retourne à zéro à chaque pulsation et le front descendant au milieu représente 1, tandis qu’une tension nulle représente 0.

• En NRZ, une tension positive représente 1, une tension négative représente 0 et une tension nulle signifie l’absence de transmission.

• Le code Manchester est utilisé dans les réseaux Ethernet.

📌 En Manchester différentiel, une transition au milieu du bit représente 1 et une transition au début représente 0 ; ce code évite les problèmes de composante continue et de synchronisation, mais possède un spectre plus large.

📌 En code Miller, le bit 1 provoque une transition au milieu du temps d’horloge, tandis que le bit 0 n’en provoque pas, sauf une transition au début lorsqu’il est suivi d’un autre bit 0.

💡 Astuce mémo

Manchester : transition au milieu ; NRZI : transition pour le bit 1

📖 14. Transmission par modulation

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmission par modulation : Transformation d’un signal numérique en signal analogique transmissible sur des médias tels que les lignes téléphoniques, en modifiant les caractéristiques d’une porteuse.

★ À maîtriser

• Les paramètres de la porteuse susceptibles d’être modifiés sont :

  • l’amplitude
  • la fréquence
  • la phase

• La modulation mixte fait varier simultanément deux paramètres parmi l’amplitude, la fréquence et la phase afin de coder davantage de bits par modulation.

Compléments

• La modulation permet de transmettre des données numériques sur une voie analogique, et l’ETCD qui la réalise est appelé modem.

📌 En modulation ASK, l’information est portée par la variation de l’amplitude de la porteuse ; l’exemple donné associe 1 à 10 V et 0 à 5 V.

• Un exemple de modulation ASK à deux bits par symbole associe 00 à 5 V, 01 à 10 V, 10 à 15 V et 11 à 20 V.

📌 En modulation FSK, l’information est codée en changeant la fréquence du signal ; l’exemple associe F1 à 0 et F2 à 1.

📌 En modulation PSK, l’information est codée par le décalage de phase ; l’exemple associe 0° à 0 et 180° à 1.

• Dans l’exemple de modulation mixte amplitude-phase, les couples phase-amplitude 0°-10 V, 0°-20 V, 180°-10 V et 180°-20 V représentent respectivement les symboles 00, 01, 11 et 10.

💡 Astuce mémo

ASK : amplitude, FSK : fréquence, PSK : phase

📖 15. Protocoles physiques normalisés

🔑 Notions clés & Définitions

• Protocole de niveau physique : Définit les aspects mécaniques, électriques et fonctionnels du câble.

📝 Points essentiels

• Les protocoles de niveau physique sont normalisés par l’UIT-T, l’EIA et l’ISO.

• La norme V.24/V.28 définit l’interface entre l’ETTD et l’ETCD pour un modem en mode asynchrone.

• La norme X.21 définit l’interface entre l’ETTD et l’ETCD pour la transmission de données en mode synchrone.

📊 Tableaux de synthèse

Codages en bande de base