INFO 3020 Introduction aux réseaux d’ordinateurs Philippe Fournier-Viger Département d’informatique, U.de M. Bureau D216, philippe.fournier-viger@umoncton.ca Automne 2014

CHAPITRE 8 – LA COUCHE PHYSIQUE

La couche physique La couche 1 du modèle OSI Principales fonctions: encoder les bits composants les trames en signaux, transmettre et recevoir ces signaux sur le support physique (ex.: fils de cuivre, fibre optique, sans fil).

La couche physique (suite) Pour l’envoi d’une trame sur le support physique, la couche physique nécessite: le support et les connecteurs appropriés, une représentation des bits, l’ajout d’information de contrôle, que les périphériques réseau soient équipés de circuits émetteurs et récepteurs.

La couche 1 au sein du modèle OSI

Fonctionnement Trois principaux types de support: câble de cuivres, fibre optique, sans fil La représentation des bits dépend du type de support: variations d’impulsion électriques, variations lumineuses, variations d’ondes radio.

Identification d’une trame La couche physique doit également pouvoir distinguer le début et la fin d’une trame pour savoir quand une trame est entièrement reçue. L’indication du début/fin de trame est souvent fait à la couche 2. Toutefois, la couche physique peut ajouter ses propres signaux pour l’indiquer.

Normes de la couche physique La couche physique est mise en œuvre au niveau matériel. Normes définies par des associations d’ingénieurs, car ce sont eux qui conçoivent les supports, connecteurs et circuits. Ceci contraste avec les couches supérieures, majoritairement conçues par des informaticiens (à l’exception de la couche 2 qui est partiellement définie par des ingénieurs). Organisations: ISO, IEEE, ANSI, FCC…

Normes (suite) Spécifier quoi? Pourquoi? propriétés physiques et électriques, aspects mécaniques, représentation binaire, signaux de contrôle Pourquoi? pour que différentes sociétés puissent fabriquer du matériel compatible (câbles, connecteurs, cartes réseau,…), pour permettre l’interaction de différents périphériques.

Les trois éléments de la couche physique éléments physiques codage: conversion d’un flux de bits en code prédéfini à l’aide de groupement de bits signalisation: la méthode de représentation des bits sur le support est appelée méthode de signalisation.

Signalisation et codages physiques Chaque bit est transmis sur le support sous la forme d’un signal. Le temps alloué à la transmission d’un bit est appelé durée de bit. Une bonne transmission exige une méthode de synchronisation entre l’émetteur et le récepteur pour savoir quelle partie des signaux doit être examinée. La synchronisation est faite grâce à l’utilisation d’horloges et l’utilisation de signaux prévisibles pour permettre la synchronisation.

Méthodes de signalisation Les bits sont représentés en changeant une ou plusieurs caractéristiques d’un signal. L’émetteur et le récepteur doivent utiliser la même méthode de signalisation sinon la communication échoue.

Exemple: codage NRZ NRZ (Non Return to Zero) 1: tension positive, 0: tension négative Exemple: Utile pour des connexions à faible débit. Synchronisation difficile en particulier si de longues séquences de 0 et de 1. Sensible aux interférences. Image: wikipédia

Exemple: codage NRZI NRZI (Non Return to Zero Inverted) 1: aucune transition, 0: une transition Exemple: Pour éviter la perte de synchronisation avec l’horloge, un 0 est envoyé après six 1 consécutifs. Application dans la norme USB 1. Résultat: il est plus long de transférer une séquence de 1 qu’une séquence de 0. Image: wikipédia

Exemple: codage de Manchester utilisé pour Ethernet 10 mégabits/s (IEEE 802.3) les bits sont indiqués par une transition lors du milieu de la « durée de bit » 0: transition du haut vers le bas 1: transition du bas vers le haut (ou inversement)

Exemple: codage de Manchester Propriétés: Il est possible de se synchroniser avec l’horloge en observant le flux de bits (car observation: au début de la durée de bit, il n’y pas toujours de transition). Réduit le débit de moitié par rapport à des solutions plus simples comme le codage NRZ. Image modifiée de: wikipédia

Détection de trame Plus les vitesses sont élevées sur un support, plus il y a de risque d’avoir des données corrompues. Des signaux parasites ou interférences peuvent créer des signaux aléatoires. Détection de trame: une variation de bits en début et en fin de trame, la méthode de tramage peut être fournie par la couche 1, la couche 2 ou les deux ensemble, la détection de trame permet d’ignorer les signaux aléatoires présents sur le support lorsque rien n’est transmis.

Codage - groupe de codes Un groupe de codes défini des équivalences pour remplacer des données binaires. Ex.: le code 10101 peut représenter les bits de données 0011. Améliore la distinction entres les bits de données et bits de contrôle (des codes différents sont utilisés). Améliore la détection d’erreurs (ex.: si une longue série de 1 apparaît mais qu’elle n’est pas permise, il y a eu une erreur), Introduit une surcharge (ajout de bits).

Exemple

Réduction des erreurs au niveau de la détection d’un bit Il faut savoir quand et comment échantillonner le signal. Cela demande une synchronisation entre émetteur et récepteur. En général, cela est réalisé par les transitions. Si trop de 1 ou 0, la synchronisation peut se perdre et une erreur de bit peut survenir Les groupes de codes permettent d’éviter de trop longues séquences de 0 ou 1.

Limitation de l’énergie transmise Équilibrage DC: technique pour s’assurer que le nombre de 0 et de 1 transmis est similaire. Cela réduit la consommation d’énergie. Ex.: une longue série de 1 (transmission d’énergie) pourrait faire surchauffer certains composants et provoquer des erreurs.

Le groupe de codes 4B/5B Les octets sont décomposés en mot de 4 bits, puis chaque mot de 4 bits est encodé par un code de 5 bits. 25 = 32

Le groupe de codes 4B/5B (suite) Propriétés Certains codes sont réservés comme codes de contrôles. Les codes sont conçus pour essayer d’équilibrer le nombre de 0 et 1. Chaque code contient au moins une transition pour faciliter la synchronisation.

Mesures de capacité de transport de données Bande passante: quantité d’information pouvant être transmise d’un endroit à un autre pendant un certain temps. Exemple d’unités: Pbits/s (1015 bits/s), Tbit/s (1012 bits/s), Gbit/s(109 bits/s), Mbit/s (106 bits/s) ou Kbit/s (103 bits/s). En pratique la bande passante sur un support dépend: du support physique, des technologies de signalisation et de détection des signaux,

Mesures de capacité de transport de données (suite) Débit: mesure du transfert de bits sur le support pendant une période données (performances réelles du réseau). Plusieurs facteurs: quantité de trafic sur le réseau, type de trafic, le nombre de périphériques. Ex. 1: avec Ethernet, le débit de chaque nœud se dégrade s’il y a plus de nœuds sur le réseau. Ex. 2: pour un intérréseau, le réseau n’est pas plus rapide que la liaison la plus lente.

Mesures de capacité de transport de données (suite) Débit applicatif: les données utilisables transférées pendant une période de temps. Ex.: la quantité de données effectivement transmise entre un serveur Web et un navigateur. Le débit applicatif tient compte de la surcharge liés aux divers protocoles utilisés (incluant l’établissement de sessions, les reçus, l’encapsulation…). Ex.: un lien Ethernet avec un débit de 100 Mbits /s peut avoir un débit applicatif de 40 Mbits /s

Types de support Des organismes de normalisation ont établi des spécifications portant sur les propriétés physiques, électriques et mécaniques des supports pour garantir que les câbles et connecteurs fonctionnent comme prévu avec différentes mises en œuvre de couche liaison de données. Ex. pour Ethernet:

Types de support (suite)

Supports en cuivre contiennent généralement un ensemble de fils dédiés à des utilisations spécifiques. les câbles coaxiaux possède un seul fil avec un blindage. généralement des prises modulaires facilitant la connexion/déconnexion. Un même connecteur (ex.: RJ45) peut être utilisé pour plusieurs supports. les supports peuvent servir à connecter des nœuds à un périphérique intermédiaire, etc.

Supports en cuivre (suite) Les données sont transmises sous forme d’impulsions électriques Signaux parasites externes. Ex. de cause: moteurs électriques (ex.: perceuse), éclairage fluorescent, ondes radio. Pour contrer les parasites: torsions des fils, blindage, identifier les sources potentielles d’interférence et essayer de les éviter, choisir le type ou catégorie de câbles/fils approprié.

Câble à paires torsadées non blindées (UTP) Utilisé dans les réseaux locaux Ethernet. Quatre paires de fils de couleurs. La torsion annule les signaux indésirables. Les différents fils dans un câble utilisent un différent nombre de torsade par mètre. UTP = Unshielded Twisted Pair

Normes de câblage UTP Des normes définissent: les types de câbles, les longueurs de câbles, les connecteurs, le raccordement des câbles, les méthodes de test des câbles. Les caractéristiques électriques des câbles sont définies par l’IEEE. Les câbles sont classés par catégories en fonction de leur capacité: cat5: jusqu’à 100 Mbits/s (minimum acceptable pour Ethernet) cat6: jusqu’à 1 Gbit /s cat7: jusqu’à 10 Gbit /s Choisir des fils de catégorie élevée coûte plus cher mais permet d’élever le débit éventuellement sans avoir à changer les fils…

Types de câbles UTP Différents câbles UTP peuvent être nécessaires pour différentes situations: Ethernet direct (câble droit) Ethernet croisé (câble croisé) Câble de renversement. Utiliser le mauvais câble peut rendre la communication impossible.

Normes T568A et T568B

Câble coaxial Un blindage réduit les interférences extérieures. Tous les élément du câble entourent le conducteur central (ils sont sur le même axe, donc « coaxial »).

Câble coaxial (suite) Utilisé à différentes fins: signaux de radiofréquences élevées (ex.: télévision par câble classique qui était unidirectionnelle), internet (des équipements ont été adaptés pour permettre une communication bidirectionnelle), par le passé les câbles coaxiaux étaient utilisés pour Ethernet, mais les câbles UTP sont moins coûteux et offrent une bande passante supérieure. Plusieurs types de connecteurs peuvent être utilisés avec un câble coaxial.

Autres câbles en cuivre Câble STP (câble à paires torsadées blindées). Deux paires de fils enveloppées. Meilleure protection que les câbles UTP, mais plus cher. Token Ring, norme 10Gbit/s Ethernet Blindage métallique Blindage tressé Paires torsadées Gaine

Sécurité des supports en cuivre Risques électriques: le cuivre conduit l’électricité donc peut conduire à plusieurs risques. Un périphérique réseau défectueux peut transmettre le courant électrique dans d’autres câbles. Des tensions indésirables peuvent apparaître quand les appareils utilisent des mises à terre différentes. Dans tous les cas, cela peut endommager les périphériques et les ordinateurs ou blesser le personnel. Le câblage doit être installé de façon appropriée. Les normes de construction doivent être suivies.

Sécurité des supports en cuivre Risques d’incendie Des câbles chauffés ou brûlés peuvent dégager des gaz toxiques ou propager le feu. Il est important: d’inspecter les installations, de séparer les câbles de données et d’alimentation, de connecter correctement les câbles.

Interférences externes pour support en cuivre

Supports en fibre optique utilise des fibres de verre ou de plastique pour transmettre des impulsions lumineuses. Débits très élevés. Normes actuelles n’atteignent pas le potentiel du support. À l’abri des interférences électromagnétiques et problèmes d’électricité. Peut fonctionner sur de longues distances (plusieurs kms) sans régénérateurs de signaux, car perte de signal faible.

Supports en fibre optique (suite) coût élevé, plus délicat à manipuler, demande des compétences différentes que les câbles en cuivre. Généralement utilisé pour les réseaux fédérateurs points à points à haut débit en entreprise, avec des points de distributions.

Supports en fibre optique (suite) Fabrication d’un câble L’enveloppe du câble empêche la perte de lumière. La fibre optique permet à la lumière de ne voyager que dans une seule direction (il faut deux câbles pour une communication bidirectionnelle). Certains connecteurs de fibre optique permettent de prendre en charge deux câbles. Ex.:

Supports en fibre optique (suite) Génération du signal: laser ou diodes Détection du signal: des photodiodes détectent les impulsions et les convertissent en tensions. Attention: le laser peut endommager l’œil humain! Deux types de câbles: fibre monomode: un seul rayon lumineux généralement émis par un laser, peut être utilisé sur de très longues distances. fibre multimode: utilisation de LEDs qui produisent des signaux lumineux entrant sous différents angles. Cela peut causer des signaux troubles à l’arrivée. Toutefois, cela est plus économique qu’un laser.

1 micron (µm) = 0.001 mm

Supports sans fil Les bits sont transmis sous la forme de fréquences radio et micro-ondes. Fonctionne bien dans les environnement ouverts. Certains matériaux ou construction peuvent nuire à la couverture. Une transmission sans fil est sensible aux interférences (four micro-onde, etc.). Puisqu’aucun fil n’est nécessaire pour accéder au réseau, cela peut causer des problèmes de sécurité.

Supports sans fil (suite) 4 principales normes pour les réseaux sans fil: IEEE 802.11: réseaux locaux sans fil (WIFI): non déterministe, méthode d’accès CSMA/CA. IEEE 802.15: Bluetooth: processus de jumelage, distances de 1 à 100 mètres. IEEE 802.16 (WIMAX): topologie point à multipoint, accès à large bande sans fil. GSM: transfert de données par réseaux téléphoniques cellulaires et mobiles. Autres: communications satellite (ex.: protocole GPRS). Les spécifications de couche 1 spécifient des normes pour les antennes, le codage en signal radio, la fréquence et la puissance de transmission, etc.

Supports sans fil (suite) Un réseau local sans fil nécessite un point d’accès sans fil et des adaptateurs sans fil. Plusieurs normes pour les réseaux locaux sans fils: IEEE 802.11a: bande de fréquence 5Ghz, débit jusqu’à 54 Mbits/s, zone de couverture petite, faible capacité à traverser les structures de bâtiments. IEEE 802.11b: bande 2.4 Ghz, débit jusqu’à 11 Mbits/s, portée plus longue. IEEE 802.11g: 2.4 Ghz, débit jusqu’à 54 Mbits/s. IEEE 802.11n: 2.4 Ghz ou 5 Ghz, 100 Mbits/s à 210 Mbits/s, jusqu’à 70 mètres.

Supports sans fil (suite) Avantages du sans fil: pas besoin d’acheter des câbles coûteux, mobilité des hôtes, Désavantages: pose des problèmes de sécurité, Excercice Packet Tracer 8.3.7

Connecteurs de supports pour le cuivre. les normes définissent les dimensions et propriétés physiques acceptables d’un connecteur, certains connecteurs semblables peuvent être câblés différemment (ex.: câbles croisés et câbles droits), il est possible d’acheter des câbles avec connecteurs ou bien d’ajouter ou remplacer les connecteurs soi-même (ex.: pour transformer un câble croisé en câble droit).

Connecteurs de supports chaque fois qu’un câble est raccordé, il y a un risque de perte de signal et d’introduction de parasites. pour éviter ces problèmes, il importe d’utiliser des câbles de qualité pour les raccordements.

Connecteurs de supports Fibre optique Plusieurs connecteurs, la manipulation de câblage en fibre optique exige une formation et un matériel spécial. Trois problèmes potentiels pour le raccordement de fibre optique: mauvais alignement des supports, les supports ne se touchent pas à l’extrémité, les extrémités ne sont pas polies ou des poussières sont présentes. Chaque segment de câble doit être testé avec un réflectomètre optique, un appareil qui injecte une impulsion test de lumière dans le câble et mesure la rétrodiffusion et la réflexion de lumière détectée en fonction du temps. Il aussi possible d’utiliser une lampe de poche pour faire un test rapide de la fibre optique.

Références Chapitre 8 de CCNA Exploration 1 (