Transmission de Données -...

RéseauxRéseaux

Transmission de DonnéesTransmission de Données

Master Miage 1

Université de Nice-Sophia Antipolis

(Second semestre 2009-2010)

Jean-Pierre Lips ([email protected])

(à partir du cours de Jean-Marie Munier)

mailto:[email protected]

2Réseaux : Transmission de Données2008-2009

Plan généralPlan 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 historiqueIntroduction historique

(1) Réseau téléphonique analogique

(2) Ordinateur et périphériques

(3) Connexion de terminaux distants à un ordinateur central

(4) Numérisation du réseau téléphonique

Analogique Numérique

Analogique

Numérique

Nature du modede transmission

Nature de lasource desinformations

----- (1)

CoDec (4)

MoDem (3)

----- (2)


Définitions : analogique/numérique 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/numériquesSignaux analogiques/numériques

Signaux analogiques – représentés par une

grandeur physique variant de manière continue

Amplitude Amplitude

temps temps

V5

V4

V3

V2

V1

Signaux numériques– Représentés par une grandeur

physique de prenant qu'un certains nombre de valeurs discrètes


Types d'informationTypes 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)– Codage (Baudot, ASCII, EBCDIC,Unicode,

Morse, Huffman, ...)


NumérisationNumérisation

3 Étapes :– Échantillonnage– Quantification– Codage

Exemple : numérisation de la voix– MIC : Modulation par Impulsion et Codage

(PCM : Pulse Coded Modulation)Il existe de nombreuses autres techniques


ÉchantillonnageÉchantillonnage

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 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 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)


QuantificationQuantification

Mesure des échantillons à l'aide d'un nombre fini de valeursNumérisation des échantillons

Passage du continu au discret sur l'axe des ordonnées. Mesure de l´amplitude du signal avec un nombre fini de valeurs– Approximation à la valeur discrète possible la plus proche

=> erreur (ou bruit) de quantification– Compression logarithme pour obtenir un bruit de

quantification relatif constant


CodageCodage

8 bits par échantillon en codage MIC (256 valeurs)

=> débit binaire = 8000 x 8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s


Code ASCIICode ASCII


Circuit de donnéesCircuit de données

E T T D E T T D

Circuit de données

Couchephysique

Couchephysique

JonctionETTD / ETCD E T C D

Support de transmission E T C D

Jonction ETTD / ETCD

Circuit de données : = Data Circuit

= Data Channel

= Data communications facility (DCF)

ETTD : Equipement Terminal de Transmission de Données DTE : Data Terminal Equipement

ETCD : Equipement de Terminaison de Circuit de Données DCE : Data Circuit Terminating Equipement

Jonction ETTD/ETCD = DTE/DCE Interface


Représentation électrique des données (1/2)Représentation électrique des données (1/2)

Amplitude (V)

1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0

V 1

1) Signal bivalent

0 0

V3 11

V2 10

(Valence = 2)V1 1

V0 0

V

(Manchester)

0Temps (s)

T

2) Signal quadrivalent

3) Signal biphase


Représentation électrique des données (2/2)Représentation électrique des données (2/2)

(*) De façon plus générale, si v est la valence du signal :

D = R x log2 v

Type du signalDébit binaire Rapidité de modulation

(bit/s)

1) Bivalent D = 1/T R = 1/T

2) D = 1/T R = 1/2T (*)

3) D = 1/T R = 2/T

(bauds)

Quadrivalent

Biphase


Mode de transmission (1/2)Mode de transmission (1/2)

Horloge

Caractère n Caractère n+1

Donnéess

Transmission synchrone

– Synchronisation-bit– Synchronisation-caractère


Mode de transmission (2/2)Mode de transmission (2/2)

Transmission asynchrone

– Nécessité de reconnaître le début et la fin de chaque caractère– Pas de synchronisation entre 2 caractères

St Sp Sp st

20ms Caractère

160 ms

St : Start bitSp : Stop bit

(Exemple de transmission asynchrone à 50 bauds)


Analyse spectrale (1/2)Analyse spectrale (1/2)


Analyse spectrale (2/2)Analyse spectrale (2/2)


Bande passante d'un circuit de donnéesBande passante d'un circuit de données

Circuit de données = Filtre passe-bande

Réponse spectrale

Bande passante : W = f2 – f1

Bande passante à -3 décibels d 'un circuit réel :

10 log10 P0/P1 = 10 log10 2 ≈ 3dB

– Ex: Circuit téléphonique : W = f2 – f1 = 3400 -300 = 3100 Hz

Puissance Puissance

W W

P0 P0

P1= P0 / 2


Rapidité de Modulation / Débit BinaireRapidité 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)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 Rmax (bauds) est de 2W.

– Ex : ligne téléphonique

W = 3100Hz => Rmax = 6200 bauds

Il est possible de transmettre plusieurs bits 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)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

Ex : ligne téléphonique :

=>

C=W log21SB

W=3100 HzSB=20 dB=100

C=3100 x log2 101

C≃3100 x 6,66≃20 000 bits / s


Mode d'exploitation d'un circuit de donnéesMode d'exploitation d'un circuit de données

Source Collecteur

Collecteur Source

Source Collecteur

Collecteur Source

Sourcede

données

Contrôleurde

communication

Modem(ETCD)

Modem(ETCD)

Contrôleurde

communication

Sourcede

données

Contrôleurde

communication

Modem(ETCD)

Modem(ETCD)

Contrôleurde

communication

Contrôleurde

communication

Modem(ETCD)

Modem(ETCD)

Contrôleurde

communication

Mode unidirectionnel : Circuit simplex

Mode bidirectionnel à l'alternat : Circuit semi-duplex (Half-duplex HDx)

Mode bidirectionnel simultané : Cicuit duplex (intégral) (Full-duplex FDx)


MultiplexageMultiplexage

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 Multiplexage fréquentiel analogique (1/3)(1/3)

M F3 F3 Dvoie 3 voie 3

P3 P3

M F2 F2 Dvoie 2 voie 2

P2 P2

M F1 A A A F1 Dvoie 1 voie 1

P1Support à large bande

P1

D F1 A A A F1 Mvoie 1

P1 P1

D F2 F2 Mvoie 2 voie 1

P2 P2

D F3M : modulateur

F3 Mvoie 3 Fi : filtre voie 1

P3 A : amplificateur-répéteur P3

v oie 1

D : démodulateur



P

voie 1

f

P P

voie 2 voie 1 voie 2 voie 3

f 4 kHz 4 kHz 4 kHz f

P P1 P2 P3

voie3

f



Multiplex

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

900 3872 kHz 8516-12388 kHz

Nombrede voies

Largeurde bande

Bande dcefréquences

Groupe quartenaire GQ (3GT)


Multiplexage temporel numérique Multiplexage temporel numérique (1/5)(1/5)

F C D Fvoie 3 voie 3

IT3 IT'3

F C D Fvoie 2 voie 2

IT2 IT'2

F C A A A D Fvoie 1 voie 1

IT1 IT'1

F D A A A C Fvoie 1 voie 1

IT1 IT'1

F D C Fvoie 2 voie 2

IT2 IT'2

F D C Fvoie 3 voie 3

F : filtre IT3 A : amplificateur-répéteur IT'3

Support à large bande

C: codeurD: décodeur



IT 1 IT 2 IT 3

voie 1 voie 2 voie

125 microsecondes

IT : Intervalle de Temps



2 normes :– MIC 30 voies européen

✓ E1, E2, ...✓ 32 voies (30 utiles + 1 synchro + 1 signalisation)✓ 1 voie => 8 bits / 125μs => 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 /125μs => 1,544 Mbit/s



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



SDH (Synchronous Digital Hierarchy)– Avis ITU-T G.707, G.708, G.709– Equivalence avec les trames de la hiérarchie SONET

(Synchronous Optical NETwork)

51,840 STS-1 (OC-1)

STM-1 155,520 STS-3 (OC-3)

STM-4 622,080 STS-12 (OC-12)

1244,160 STS-24 (OC-24)

STM-16 2488,320 STS-48 (OC-48)

Trame SDHSTM-N

Débit(Mbit/s)

Trame SONETSTS-N (OC-N)


Support de transmissionSupport de transmission

Paires Métalliques

Paires coaxiales

Faisceaux hertziens

Satellites de communications

Fibre optiques


Paires métalliques (1/3)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)



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 téléphonique intérieur (paires de qualité

voix ou catégorie 3) autour d'un PABX (Private Automatic Branche eXchange) d' impédance proche de 100Ω

– Transmission de données sur paires de qualité donnée ou catégorie 5 d'impédance proche de 150Ω



– Type de câbles :✓ Paires non blindées

UTP : Unshielded Twisted Pair✓ Paires blindées

STP : Shielded Twisted Pair– Systèmes de pré-câblage

✓ ICS (IBM) : IBM Cabling System ✓ BCS (Bull) : Bull Cabling System✓ Open Link (DEC)✓ PDS Systimax (AT&T)


Paires coaxialesPaires 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)Liaisons optiques (1/3)

Composants :– Source de lumière

✓ Longueur d'onde ≈ 1000 nm✓ Diode

éléctroluminescente (LED Light Emitting Diode) 0,1mW Laser 10mW

– Fibre optique : guide d'ondes lumineuses– Détecteur de lumière

✓ Photodiode de type PIN (Positive Intrinsic Negative)ou diode avalanche



Caractéristiques– PRO

✓ Bande passante élevée : ≈ 1 GHz.km => débits binaires importants

✓ Affaiblissement 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



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 optiquePropagation sur fibbe optique


Types de fibres optiques (1/3)Types de fibres optiques (1/3)

Multimode à saut d'indice

– Largeur de bande : 50 MHz.km – Atténuation : 3 dB/km à λ = 850nm (portée 10km)– GaAS pour LED, Si pour photodiode



Multimode à gradient d'indice

– Largeur de bande : 1 GHz.km – Atténuation : 1 dB/km à λ = 1300nm (portée 30km)– AIGaAS pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode



Monomode

– Largeur de bande : 100 GHz.km – Atténuation : 0,3 dB/km à λ = 1550nm (portée 100km)– InGaASP pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode


Faisceaux hertziensFaisceaux hertziens

Gamme 1-15GHz (surtout 4-6 GHz)

Directivité du faisceau

Portée: 50 à 100 Km


Satellites de communicationsSatellites de communications

Géostationnaires– Orbite équatoriale

✓ Altitude = 36000 Km (loi de Keppler)✓ Délai de transmission aller-retour ≃ 300 ms

– Bandes de fréquences : 6/4 GHz, 14/12 GHz, ...– Plusieurs répéteurs (transpondeurs)– Fonction de diffusion

Non géostationnaires – Satellites à défilement à orbite basse

✓ LEO : Low Earth Orbit


Satellites à défilement (1/2)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

http://www.skybridgesatellite.com/

http://www.globalstar.com/


Satellites à défilement (2/2)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 bit/s✓ En service depuis 1995

http://www.orbcomm.com/


ETCDETCD

E T C D E T T DSupport de

transmission

JonctionETTD / ETCD

Equipement de Terminaison de Circuit de Données

2 Types– MoDems à transposition en fréquence– Convertisseurs (« MoDems ») en bande de base


Modem à transposition en fréquences (1/2)Modem à transposition en fréquences (1/2)

Modulation d'une porteuse :– Le signal à émettre fait varier un des paramètres d'une

onde sinusoïdale :

✓ Amplitude : A

✓ Pulsation :

✓ Phase:

=2

T=2N

A sin t


Modem à transposition en fréquences (2/2)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 : 2fils, 4 fils– mode de transmission : synchrone, asynchrone– type de modulation– rapidité de modumation


Convertisseurs en bande de base 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)Transmission en bande de base (1/2)

1

0

1

0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 00

a

-a

a

-a

a

-a

a

-a

Signal d'horloge

Messagesde données

Code binaireNRZ

Code biphase

Code biphasedifférentiel

Code deMiller

Bande de base à 2 niveaux


Transmission en bande de base (2/2)Transmission en bande de base (2/2)

1

0

1

0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 00

a

-a

a

-a

Signal d'horloge

Messagesde données

Code bipolaire

Code bipolaired'ordre 2

Bande de base à 3 niveaux


Bande de base : spectresBande de base : spectres


Types de modulation simplesTypes de modulation simples

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