8 - Chapitre 8 – Couche physique OSI 1 / 9

8,0 Présentation 8,0,1 Présentation

Rôle de la couche physique : contrôler la manière dont les données sont transmises sur le support coder les chiffres binaires en signaux électrique, optique ou micro-ondes et inversement

8,1 Couche physique : signaux de communication8,1,1 Objectif

fournir le moyen de transporter sur le support réseau les bits constituant une trame de couche liaison de données

cela exige : le support physique et ses connecteurs une représentation des bits sur le support le codage des données et des informations de contrôle l'ensemble des circuits émetteur et récepteur

8,1,2 Fonctionnement le support transporte des signaux, individuellement, pour représenter les bits constituant la

trame Trois formes élémentaires de support et de signaux :

câble de cuivre => variations d'impulsions électriques fibre => variations lumineuses sans fil => variations de transmission radio

Identification d'une trame il y a les indications de début et de fin de trame de couche 2 la couche 1 peut ajouter ses propres signaux en début et fin de trame

8,1,3 Normes définies par : ISO, IEEE, ANSI, ITU, EIA/TIA, et des autorités nationales de télécommunication

(FCC, ...) pour rappel, les autres couches sont définies par les protocoles TCP/IP (IETF) quatre domaines de normes de couche 1

propriétés physiques et électriques du support propriétés mécaniques des connecteurs (matériaux, dimensions, brochage)

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représentation binaire par les signaux (codage) définition de signaux d'informations de contrôle

8,1,4 Principes fondamentaux de la couche physique

Composants physiques : périphériques électroniques, supports et connecteurs Codage : méthode de conversion d'un flux de bits en code prédéfini

pouvant être reconnu par l'émetteur et le récepteur distinguant les bits de données des bits de contrôle fournissant ses propres codes de contrôle (début et fin de trame, par ex)

Signalisation : méthode de représentation des bits 1 et 0

8,2 Signalisation et codages physiques : représentation de bits8,2,1 Signalisation de bits pour le support

tous les bits constituant une trame présentent une unité liée à la trame, mais ... ... la transmission de la trame sous forme d'un signal sur le support s'effectue bit par bit !!! chaque signal placé sur le support dispose d'une durée de bit

ce qui nécessite une synchronisation au moyen d'une horloge entre émetteur et récepteur à la réception,

les signaux sont rétablis dans leur forme binaire les bits sont analysés afin de vérifier si la trame est complète et transmis à la couche 2

Méthodes de signalisation Caractéristiques d'un signal : amplitude, fréquence, phase (les bits influent sur ces

caractéristiques) utilisation normée et conjointe entre émetteurs et récepteurs d'un attribut de signal pour

représenter 0 et un autre pour représenter 1 (si absence d'accord, échec de communication) Système NRZ : 0 => un niveau de tension pendant la durée du bit; 1 => une autre tension Codage Manchester

0 => transition de tension faible à élevée au milieu de la durée du bit 1 => transition de tension élevée à faible au milieu de la durée du bit

Signalisation NRZ le flux de bits est transmis en tant que série de valeurs de tensions valeur de tension faible = 0 ; valeur de tension élevée = 1; durée = durée du bit/signal méthode

qui convient aux liaisons de données à bas débit sensible aux interférences électromagnétique inconvénient : en cas de longue chaînes de 1 ou de 0: pas de transition entre les signaux

Codage Manchester au lieu de valeurs de tension, il s'agit de transitions de tension

1 = au milieu de la durée du bit, transition tension faible à élevée 0 = au milieu de la durée du bit, transition tension élevée à faible !!!!! inverse de ce qui est plus haut

Codage inefficace pour des vitesses supérieures de transmission Codage utilisé par Ethernet 10BaseT

8,2,2 Codage: groupement de bits possibilité d'améliorer l'efficacité des transmissions en groupant les bits les groupes de codage permettent :

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des vitesses de transmission plus élevées une économie de bits la détection d'erreurs

Variation de signal organisée en début et fin de trame, elles permet de reconnaître la trame et d'ignorer les

autres signaux non tramés liés à des interférences diverses les groupes de codes :

sont une représentation de données codées ou d'informations de contrôle par des groupes de codes

sont élaborés avant la transformation en signaux (tension, lumière, radio) améliorent (malgré la surcharge sous formes de bits supplémentaires)

la robustesse des liaisons de communication la limitation de l'énergie transmise et du risque de surchauffe (et donc, d'erreurs) des

laser/diodes photos en cas de longue série de 1 grâce au processus « équilibrage DC » qui vise à équilibrer les 1 et 0 réduit les interférences rayonnées à partir du support

la transmission haut débit la détection d'erreurs

erreurs au niveau du bit : les groupes de code forcent les transitions de bit sur le support ( pas trop de chaînes de 0 ou de 1)

la distinction données/contrôle via les trois types de symboles (non confondables): les symboles de données (la trame) les symboles de contrôle de la transmission (début/fin de trame et support inactif) les symboles non valides (longue série de 1 ou de 0) en cas d'erreur de trame

la synchronisation émetteurs/récepteurs Un exemple de groupe de codes : 4B/5B

transformation de 4 bits (quartet) en un code 5 bits (symbole) il y a surcharge mais amélioration de la transmission grâce à

rééquilibrage des 1 et 0 sur les 32 combinaisons de symboles possibles

16 sont allouées aux bits de données 6 sont allouées à des fonctions spéciales (début/fin de flux, ...) 16 indiquent des codes non valides

8,2,3 Capacité de transport de données le transfert des données se mesure de 3 manières: la bande passante, le débit, le débit applicatif Bande passante

quantité d'informations pouvant circuler d'un emplacement à un autre / période donnée facteurs déterminants : le support physique et les technologies (signalisation et détection)

Débit mesure du transfert de bits sur le support / période donnée unité : bits:s, Kbits/s, Mbits/s, Gbits/s, Tbits/s facteurs d'influence sur le débit :

quantité de trafic, nombre de périphériques, concurrence entre nœuds, ... (Ethernet) si réseau à segments multiples ou inter-réseau : principe du maillon faible

Débit applicatif données utilisables transférées entre applications / période donnée mesure qui intéresse plus les utilisateurs

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débit applicatif = débit – surcharge liée à la mise en œuvre des processus et protocoles(établissement de sessions, accusés de réception, encapsulation)

8,3, Support physique : connexion de communication8,3,1 Types de supports physiques

Des normes établissent les spécifications des différents supports : Ethernet, Sans fil voir chapitres IT Essentials

8,3,2 Supports en cuivre câblage avec série de fils de cuivre individuels => circuits dédiés câble coaxial avec un seul conducteur recouvert par l'autre blindé et isolé connecteur RJ-45 pour plusieurs types de connexion/support Dégradation des signaux liée au bruit électronique provoqué par

les ondes radio, les appareils électromagnétiques

(moteurs électriques, lampes fluorescentes, ... autres sources de parasites) Réduction de cette dégradation :

par le blindage et la torsion des paires de fils bonne sélection des câbles / milieu spécifique bonne conception d'infrastructure de câblage bonne utilisation des techniques de manipulation et de terminaison des câbles

8,3,3 Câbles à paires torsadées non blindées (UTP) quatre paires de fils à code de couleur torsadées et logées dans une gaine souple la torsion annule les interférences électromagnétiques externes un nombre différent de torsades par mètre annule les interférences internes appelées diaphonie la norme TIA/EIA-568A définit pour les câbles : leur type, leur longueur, leur raccordement, les

méthode de test et les connecteurs l'IEEE classe les performances : Cat5, Cat5e (min acceptable), Cat6 (nvx bâtiments)

qualité du câblage téléphonique < normes cat5x (analyse du coût à court/long terme) Type de câblage UTP

Ethernet droit pour connexion hôte réseau à périphérique réseau

Ethernet croisé pour connexion deux hôtes réseau, deux périphériques réseau identiques

Renversement pour connexion série de station de travail à console de routeur (exclusif CISCO)

8,3,4 Autre câble en cuivre coaxial

le blindage réduit les interférences électromagnétiques externes utilisé pour le transport de l'énergie

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en radiofréquence entre antenne et matériel radio en radiofréquence élevée comme les signaux de télévision par câble système unilatéral actuellement converti en bilatéral pour la connectivité internet de manière mixte avec la fibre optique (réseau hybride fibre et coaxial - HFC)

la bande passante avec UTP > avec coaxial pour un coût moindre paires torsadées blindées (STP)

quatre pairs de fils dans un revêtement tressé ou un film métallique meilleure protection contre les parasites que UTP, mais plus cher câblage pertinent pour la norme Ethernet 10 Go

8,3,5 Sécurité des supports en cuivre risques électriques :

problème potentiel avec les fils en cuivre liés à des mises à la terre différentes, la foudre, ... dégâts aux équipements => soin dans l'installation et la maintenance

Risques d'incendie : isolation et gaines inflammables, dégagement toxiques, ...

8,3,6 Supports en fibre optique fibres de verre ou de plastique qui guident les impulsions lumineuses (codage de bits) débits de bande passante de données brutes très élevés pas d'interférence électromagnétiques liée à l'absence d'électricité perte de signal relativement faible => plusieurs km sans régénération du signal problèmes :

coût plus élevé que les supports en cuivre / même distance mais capacité supérieure manipulation, compétences et matériel spécifique

utilisée pour la câblage du réseau fédérateur PPP de trafic élevé fabrication :

fibre en plastique ou en verre enveloppe pour empêcher la perte de lumière émission de lumière dans un sens seulement => nécessité de deux fibres pour assurer un

fonctionnement bidirectionnel simultané connecteurs mono-voies standard et parfois double-voies

génération et détection du signal optique des lasers ou diodes électroluminescentes traduisent les bits en impulsions lumineuses des photodiodes détectent les impulsions et les convertissent en tensions

Fibre monomode : un seul rayon – sur très longues distances – source lumineuse = lasers Fibre multimode : plusieurs rayons émis par un émetteur à DEL selon différents angles – plus de

temps – effet de distorsion modale compensé par longueur plus réduite (max 2 km) – plus économique

8,3,7 Supports sans fil des signaux électromagnétiques à des fréquences radio et micro-ondes traduisent les bits de

données ces signaux

fonctionnent bien dans les milieux ouverts sont parfois limités par certains matériaux de construction sont sensibles aux interférences (téléphone sans fil, éclairage fluo, fours à micro-ondes, ...) sont accessibles sans sécurité spécifique

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Types de réseaux sans fil (normes IEEE) 802,11 ou Wi-fi pour réseau WLAN : système non-déterministe avec méthode de résolution

de conflit CSMA/CA exige un point d'accès sans fil (concentration des signaux des utilisateurs et connexion à

l'infrastructure réseau) et des adaptateurs de carte réseau sans fil pour les hôtes du réseau

Fréq. Débit Commentaires 802,11a : 5 Ghz 54Mb/s couverture et pénétration limitée – incompatible avec /b /g 802,11b : 2,4 Ghz 11Mb/s portée et pénétration meilleure 802,11g : 2,4 Ghz 54Mb/s points forts de /a et /b 802,11n : à l'étude (2,4 à 5 Ghz, 100 à 210 Mb/s, distance max 70 m.)

802,15 ou Blue-tooth pour réseau PAN : processus de jumelage pour distance de 1 à 100 m. 802,16 ou WiMAX : topologie point-à-multipoint – accès large bande sans fil GSM comprenant le protocole GPRS de couche 2 – tft de données via la téléphonie mobile satellite avec protocoles GPRS

normes de signal radio, fréquence et puissance de transmission, réception du signal, décodage des signaux et déchiffrement, conception et construction d'antennes

Exercice

8,3,8 Connecteurs de supports Connecteurs courants de supports en cuivre

RJ45, supports Cat5, panneau de brassage 110, ... normes ISO 8877, EIA-TIA 568, ...

Raccordement correct des connecteurs à chaque raccordement : risque de perte de signal ou d'introduction de parasites raccordements de qualité supérieure => performance optimale risque de niveau de tensions nuisibles

Connecteurs courants de fibre optique Types :

ST : connecteur à baïonnette avec fibre optique multimode SC : connecteur « pousser-tirer » avec fibre optique monomode LC : connecteur avec fibres monomode et multimode

Raccordement et épissage matériel et formation spécifique (au risque de perte de distance ou échec complet) test avec réflectomètre optique (OTDR) types d'erreurs :

mauvais alignement des supports lors de la jonction écart à l'extrémité des supports qui ne se touchent donc pas finition de l'extrémité (pas bien polie ou encombrée de poussière)

8,4,1 Travaux pratiques8,5 Résumé du chapitre8,5,1 Résumé et révision

La couche 1 du modèle OSI est chargée de l’interconnexion physique des périphériques. Des normes au niveau de cette couche définissent les caractéristiques de la représentation électrique, optique et en radiofréquence des bits comprenant des trames de la couche liaison de données à transmettre. Les valeurs des bits peuvent être représentées comme impulsions électroniques,

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impulsions lumineuses ou changements d’ondes radio. Les protocoles de couche physique codent les bits pour transmission et les décodent à destination.

Des normes au niveau de cette couche sont également chargées de décrire les caractéristiques physiques, électriques et mécaniques des supports physiques et connecteurs reliant entre eux les périphériques réseau.

Les capacités de transport de données varient selon les supports et protocoles de couche physique. La bande passante de données brutes est la limite supérieure théorique d’une transmission de bits. Le débit et le débit applicatif constituent différentes mesures du transfert de données observé sur une période spécifique.

Ce chapitre a permis de : expliquer le rôle des protocoles et services de couche physique dans la prise en charge des

communications sur les réseaux de données ; décrire l’objectif de la signalisation et du codage de la couche physique tels qu’ils sont utilisés

dans les réseaux ; décrire le rôle des signaux utilisés pour représenter des bits lors du transport d’une trame sur le

support local ; identifier les caractéristiques de base des supports réseau en cuivre, en fibre optique et sans fil ; décrire les usages courants des supports réseau en cuivre, en fibre optique et sans fil.

2, Pourquoi les bits peuvent-ils etre codés comme symboles avant transmission ?

Une technique de codage consiste à utiliser des symboles. La couche physique peut utiliser un ensemble de symboles codés, appelés groupes de codes, pour représenter des données codées ou des informations de contrôle. Un groupe de codes est une séquence consécutive de bits de code interprétés et mappés comme configurations binaires de données. Par exemple, les bits de code 10101 peuvent représenter les bits de données 0011.

Tandis que les groupes de codes introduisent une surcharge sous la forme de bits supplémentaires à transmettre, ils améliorent la robustesse d’une liaison de communication. Ceci est particulièrement vrai pour les transmissions de données à haut débit.

La transmission de symboles permet d’améliorer les capacités de détection d’erreurs et la synchronisation entre les périphériques émetteur et récepteur. Ces considérations sont importantes pour la prise en charge de transmission à haut débit sur le support.

Parmi ces avantages :

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Réduction des erreurs au niveau du bit Limitation de l’énergie effective transmise dans le support Meilleure distinction entre les bits de données et les bits de contrôle Meilleure détection des erreurs de support

3, Quels sont les problèmes de sécurité à prendre en compte lors de l'utilisation de câblage en cuivre ?

Risques électriques Les fils de cuivre peuvent conduire l’électricité de manière indésirable. Ceci peut soumettre le

personnel et le matériel à une série de risques électriques. Un périphérique réseau défectueux peut conduire le courant dans le châssis d’autres périphériques du réseau. De plus, le câblage réseau peut présenter des niveaux de tension indésirables lorsqu’il sert à connecter des périphériques dont les sources d’alimentation ont des mises à la terre différentes. Le câblage en cuivre peut également conduire des tensions causées par la foudre vers des périphériques réseau. Les tensions et courants indésirables peuvent entraîner des dommages aux périphériques réseau et ordinateurs connectés, ou des blessures du personnel.

Risques d’incendie L’isolation et les gaines du câble peuvent être inflammables ou dégager des émanations

toxiques lorsqu’elles sont chauffées ou brûlées. Les organismes de construction peuvent également stipuler des normes de sécurité pour le câblage et les installations matérielles.

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Exercices