01 transmission de donnees

RseauxTransmission de DonnesMaster Miage 1 Universit de Nice-Sophia Antipolis(Second semestre 2009-2010)

Jean-Pierre Lips ([email protected])( partir du cours de Jean-Marie Munier)

Plan gnral

Introduction

Transmission des donnesLiaison de donnes Architecture de Rseaux, modle 0SI, services de rseaux Rseaux locaux d'tablissement, interconnexion Services de circuit virtuels : X25, relais de trame, ATM Architectures TCP/IP, UDP Protocoles applicatifs de bas niveaux ConclusionRseaux : Transmission de Donnes 2

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Introduction historiqueNature du mode de transmission Analogique Analogique ----(1)

Numrique CoDec(4)

Nature de la source des informations

Numrique

MoDem(3)

----(2)

(1) Rseau tlphonique analogique (2) Ordinateur et priphriques (3) Connexion de terminaux distants un ordinateur central (4) Numrisation du rseau tlphonique

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Rseaux : Transmission de Donnes

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Dfinitions : analogique/numrique

Une grandeur est dite : analogique si sa mesure donne un nombre rel variant de faon continue. Il existe une infinit de valeurs pour une grandeur analogique. A toute grandeur analogique on associe une unit. numrique si elle est contrainte ne prendre quun nombres restreints de valeurs.

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Signaux analogiques/numriques

Signaux analogiques reprsents par une grandeur physique variant de manire continue

Signaux numriques Reprsents par une grandeur physique de prenant qu'un certains nombre de valeurs discrtesAmplitudeV5 V4 V3

Amplitude

temps

V2 V1

temps

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Types d'information

Donnes continues ou analogiques Variation continue d'un phnomne physique Signal lectrique analogique : dont les variations sont analogues celles du phnomne physique Infinits de valeur possibles (entre deux limites) Ex : voix, images fixes, images animes Numrisation

Donnes discrtes Suite d'lments indpendants les uns des autres Nombre finis d'lments Ex : texte (caractres alphanumriques) Codage (Baudot, ASCII, EBCDIC,Unicode, Morse, Huffman, ...)Rseaux : Transmission de Donnes 6

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Numrisation

3 tapes : chantillonnage Quantification Codage

Exemple : numrisation de la voix MIC : Modulation par Impulsion et Codage (PCM : Pulse Coded Modulation)Il existe de nombreuses autres techniques

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chantillonnage

Thorme de Nyquist-Shannon Un signal spectre limit la bande -F/2, +F/2 (0, F/2 dans la pratique) est compltement dtermin par les valeurs chantillonnes des instant uniformment rpartis dans le temps et gaux 1/F. => le frquence d'chantillonage doit tre au minimum gale au double de la frquence maximale du signal chantillonner.

Passage du continu au discret sur l'axe des temps (abscisse)

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chantillonnage Exemples

Canal tlphonique : plage de frquences : 4000Hz ( en fait 300-3400Hz) Fe = 4000 x 2 = 8000 Hz (1 chantillon toutes les 125 s)

CD audio : Plage de frquence : 20 kHz Fe = 20 x 2 = 40 kHz (normalis 44,1 kHz)

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Quantification

Mesure des chantillons l'aide d'un nombre fini de valeurs Numrisation des chantillons Passage du continu au discret sur l'axe des ordonnes. Mesure de lamplitude du signal avec un nombre fini de valeurs Approximation la valeur discrte possible la plus proche => erreur (ou bruit) de quantification Compression logarithme pour obtenir un bruit de quantification relatif constant

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Codage

8 bits par chantillon en codage MIC (256 valeurs) => dbit binaire = 8000 x 8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s

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Code ASCII

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Circuit de donnesETTD ETTD

Circuit de donnes : = Data Circuit = Data ChannelCouche physique JonctionETTD / ETCD

Couche physique Support de transmission Jonction ETCDETTD / ETCD

= Data communications facility (DCF)

ETCD

Circuit de donnes

ETTD : Equipement Terminal de Transmission de Donnes DTE : Data Terminal Equipement ETCD : Equipement de Terminaison de Circuit de Donnes DCE : Data Circuit Terminating Equipement Jonction ETTD/ETCD = DTE/DCE InterfaceRseaux : Transmission de Donnes 13

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Reprsentation lectrique des donnes (1/2)Amplitude (V) 1 V 1) Signal bivalent 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0

0

0

V3 11 2) Signal quadrivalent (Valence = 2) V2 10 V1 V0 1 0

V 3) Signal biphase (Manchester) 0 Temps (s) T

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Reprsentation lectrique des donnes (2/2)

Type du signal 1) 2) 3) Bivalent Quadrivalent Biphase

Dbit binaire (bit/s) D = 1/T D = 1/T D = 1/T

Rapidit de modulation (bauds) R = 1/T R = 1/2T (*) R = 2/T

(*) De faon plus gnrale, si v est la valence du signal : D = R x log2 v2008-2009 Rseaux : Transmission de Donnes 15

Mode de transmission (1/2)

Transmission synchrone

Horloge

Donness Caractre n Caractre n+1

Synchronisation-bit Synchronisation-caractre2008-2009 Rseaux : Transmission de Donnes 16

Mode de transmission (2/2)

Transmission asynchrone

St20ms

Sp Caractre 160 ms

Sp

st

(Exemple de transmission asynchrone 50 bauds)

St : Start bit Sp : Stop bit

Ncessit de reconnatre le dbut et la fin de chaque caractre Pas de synchronisation entre 2 caractres

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Analyse spectrale (1/2)

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Analyse spectrale (2/2)

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Bande passante d'un circuit de donnes

Circuit de donnes = Filtre passe-bande Rponse spectralePuissance P0 Puissance P0P1= P0 / 2

W

W

Bande passante : W = f2 f1 Bande passante -3 dcibels d'un circuit rel : 10 log10 P0/P1 = 10 log10 2 3dB Ex: Circuit tlphonique : W = f2 f1 = 3400 -300 = 3100 HzRseaux : Transmission de Donnes 20

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Rapidit de Modulation / Dbit Binaire

La rapidit de modulation caractrise le nombre de changements d'tats (ou nombre d'tats significatifs) par unit de temps. Unit : baud Le dbit binaire mesure la quantit d'informations binaires mises par unit de temps. Unit : Bits par seconde (bps)

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Capacit d'un canal de communication (1/2)

Limite de Nyquist (1924) Pour un canal de communication de bande passante W (Hertz) la rapidit de modulation maximale Rmax (bauds) est de 2W. Ex : ligne tlphonique 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 dbit binaire ? (rponse page suivante)

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Capacit d'un canal de communication (2/2)

Limite de Shannon (1948) La capacit C (bit/s) d'un canal de transmission est limite par : sa bande passante W (Hertz) le rapport signal sur bruit

S C =W log 2 1 B

Ex : ligne tlphonique :W =3100 Hz S =20 dB=100 B

=> C =3100 x log 2 101 C 3100 x 6,6620 000 bits / s

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Mode d'exploitation d'un circuit de donnes

Mode unidirectionnel : Circuit simplexSource de donnes Contrleur de communication Modem (ETCD) Modem (ETCD) Contrleur de communication Source de donnes

Mode bidirectionnel l'alternat : Circuit semi-duplex (Half-duplex HDx)Source Contrleur de communication Modem (ETCD) Modem (ETCD) Contrleur de communication Collecteur

Collecteur

Source

Mode bidirectionnel simultan : Cicuit duplex (intgral) (Full-duplex FDx)Source Contrleur de communication Modem (ETCD) Modem (ETCD) Contrleur de communication Collecteur

Collecteur

Source

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Multiplexage

Mutiplexage Frquentiel FDM : Frequency Division Multiplexing Analogique Exemple : transmission longue distance dans le rseau tlphonique

Multiplexage temporel TDM : Time Division Multiplexing numrique Exemple : transmission longue distance dans le rseau tlphonique Technique MIC (Modulation par Impulsion et Codage) PCM (Pulse Coded Modulation)

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Multiplexage frquentiel analogique (1/3)voie 3 M P3 M P2 M P1 F1 A A A F1 D P1 F2 F2 D P2 F3 F3 D P3 voie 3

voie 2

voie 2

voie 1

voie 1

Support large bandeF1 A A A F1

voie 1

D P1 D P2 D P3

M

v oie 1

P1 F2 F2 M P2 F3

voie 2

voie 1

voie 3

M : modulateur Fi : filtreD : dmodulateur A : amplificateur-rpteur

F3

M P3

voie 1

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Multiplexage frquentiel analogique (2/3)

Pvoie 1

f Pvoie 2

P voie 1 f 4 kHz P1voie3

voie 2 4 kHz P2 P3

voie 3 4 kHz f

P

f

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Multiplexage frquentiel analogique (3/3)Multiplex Groupe primaire GP Groupe secondaire GS (5GP) Groupe tertiaire GT (5GS) Groupe quartenaire GQ (3GT) Nombre de voies 12 60 300 900 Largeur de bande 48 kHz 240 kHz 1232 kHz 3872 kHz Bande dce frquences 60-108kHz 312-552 kHz 812-2044 kHz 8516-12388 kHz

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Multiplexage temporel numrique (1/5)voie 3 F C IT3 F C IT2 F C IT1 A A A D IT'1 D IT'2 F D IT'3 F F voie 3

voie 2

voie 2

voie 1

voie 1

Support large bandeA A A C

voie 1

F

D IT1

F IT'1

voie 1

voie 2

F

D IT2

C IT'2

F

voie 2

voie 3

F

D IT3

C: codeur D: dcodeur F : filtre A : amplificateur-rpteur Rseaux : Transmission de Donnes

C IT'3

F

voie 3

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Multiplexage temporel numrique (2/5)IT 1 IT 2 IT 3

voie 1

voie 2 125 microsecondes

voie

IT : Intervalle de Temps

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Multiplexage temporel numrique (3/5)

2 normes : MIC 30 voies europen E1, E2, ... 32 voies (30 utiles + 1 synchro + 1 signalisation) 1 voie => 8 bits / 125s => 64 kbit/s multiplex : E1 : 32 voies = 32 x 64 kbit/s = 2,048 Mbit/s Systmes 24 voies (USA, Japon) T1, T2, ..., J1, J2, ... 1 voie = 7 bits d'chantillon + 1 bit de signalisation (toute les 6 trames) 1 trame = (24 x 8bits) + 1 bit de synchro => 193 bits /125s => 1,544 Mbit/s

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PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) Avis ITU-T G.702, G.703, G.704 Multiplex europens

E1 : 2,048 Mbit/s, quivalent 32 slots (E2 : 8,448 Mbit/s, construit partir de E3 : 34,368 Mbit/s, construit partir de E4 : 139,264 Mbit/s, construit partir de

64 kbit/s 4 E1) 4 E2 4 E3

Multiplex amricains T1 : 1,544 Mbit/s, quivalent 24 slots 64 kbit/s (T2 : 6,312Mbit/s, construit partir de 4 T1) T3 : 44,736 Mbit/s, construit partir de 7 T2

Multiplex japonais J1 : 1,544 Mbit/s, quivalent 24 slots 64 kbit/s (J2 : 6,312 Mbit/s, construit partir de 4 J1) J3 : 32,064 Mbit/s, construit partir de 5 J2 J4 : 97,728 Mbit/s, construit partir de 3 J3Rseaux : Transmission de Donnes 32

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SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Avis ITU-T G.707, G.708, G.709 Equivalence avec les trames de la hirarchie SONET (Synchronous Optical NETwork)Trame SDH STM-N Dbit (Mbit/s) 51,840 STM-1 STM-4 155,520 622,080 1244,160 STM-16 2488,320 Trame SONET STS-N (OC-N) STS-1 STS-3 STS-12 STS-24 STS-48 (OC-1) (OC-3) (OC-12) (OC-24) (OC-48)33

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Support de transmission

Paires Mtalliques Paires coaxiales Faisceaux hertziens Satellites de communications Fibre optiques

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Paires mtalliques (1/3)

Paires de fils mtalliques torsades (twisted pairs) : Limitation de la diaphonie (crosstalk)

CaractristiquesDiamtre des fils de cuivre souvent infrieur 1 mm Attnuation pour une paire de 0,6 mm de diamtre :

10 dB/km 100kHz,

40 dB/km 10MHz

Impdance caractristique dpend de : la frquence (ex: 600 1000Hz, 100 1MHz) des caractristiques de l'isolant (souvent 100, 120 ou 150 aux frquences considres) Adjonction possible d'un blindage (par paire ou pour l'ensemble des paires)

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Paires mtalliques (2/3)

Lignes d'abonns : 30 millions de lignes principales en France Ligne 2 fils : Lmoy 3km = 0,4 0,8 mm Utilises au dbut pour la transmission de signaux analogiques Rutiliss (le plus souvent) dans l'accs de base RNIS (144 kbit/s)

Cblage d'tablissement Raccordement tlphonique intrieur (paires de qualit voix ou catgorie 3) autour d'un PABX (Private Automatic Branche eXchange) d' impdance proche de 100 Transmission de donnes sur paires de qualit donne ou catgorie 5 d'impdance proche de 150

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Paires mtalliques (3/3) Type de cbles : Paires non blindes UTP : Unshielded Twisted Pair

Paires blindes STP : Shielded Twisted Pair

Systmes de pr-cblage ICS (IBM) : IBM Cabling System BCS (Bull) : Bull Cabling System Open Link (DEC) PDS Systimax (AT&T)

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Paires coaxiales

Grande bande passante Exemples: Systme 12MHz = 2700 voies sur coax 1,2 / 4,4 Rpteurs tous les 2 km Systme 140 Mbit/s = = 1920 voies sur coax 1,2 / 4,4

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Liaisons optiques (1/3)

Composants : Source de lumire Longueur d'onde 1000 nm Diode lctroluminescente (LED Light Emitting Diode) 0,1mW Laser 10mW

Fibre optique : guide d'ondes lumineuses Dtecteur de lumire Photodiode de type PIN (Positive Intrinsic Negative) ou diode avalanche

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Caractristiques PRO Bande passante leve : 1 GHz.km => dbits binaires importants Affaiblissement linique faible : 1 db/km => pas d'amplification de plusieurs dizaines de km Insensibilit aux perturbations lectromagntiques Aucun rayonnement gnr Matires premires bon march Faible poids et faible volume CON Raccordements (pissures optiques) dlicats sur le terrain Drivations difficiles => limitation aux liaisons point point Progrs sur amplification optique et le Mux en longueur d'onde

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Dimensions Diamtre du cur et de la gaine : quelques dizaines de m Exemples : 62,5/125 50/125 100/140 10/125

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Propagation sur fibbe optique

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Types de fibres optiques (1/3)

Multimode saut d'indice

Largeur de bande : 50 MHz.km Attnuation : 3 dB/km = 850nm (porte 10km) GaAS pour LED, Si pour photodiode

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Multimode gradient d'indice

Largeur de bande : 1 GHz.km Attnuation : 1 dB/km = 1300nm (porte 30km) AIGaAS pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode

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Monomode

Largeur de bande : 100 GHz.km Attnuation : 0,3 dB/km = 1550nm (porte 100km) InGaASP pour LED, Ge ou InGaAsP pour photodiode

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Faisceaux hertziens

Gamme 1-15GHz (surtout 4-6 GHz) Directivit du faisceau Porte: 50 100 Km

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Satellites de communications

Gostationnaires Orbite quatoriale Altitude = 36000 Km (loi de Keppler) Dlai de transmission aller-retour 300 ms Bandes de frquences : 6/4 GHz, 14/12 GHz, ... Plusieurs rpteurs (transpondeurs) Fonction de diffusion

Non gostationnaires Satellites dfilement orbite basse LEO : Low Earth Orbit

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Satellites dfilement (1/2)

Orbite basse : 700 1500 Km Exemples : Skybridge (Alcatel)

http://www.skybridgesatellite.com

80 satellites Orbite = 1470km => retard 30ms Dbits rsidentiels : 20 Mbit/s (downlink) / 2Mbit/s (uplink professionnels : 3 5 fois plushttp://www.globalstar.com/

Globalstar (consortium Loral-Qualcom)

48 satellites Orbite = 1414 km Service : tlphonie

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Satellites dfilement (2/2)

Exemples (suite) : TeledesicPartenaires : Bill Gates, Mc Caw, Motorola, Boeing 288 satellites en 12 plans de 24 satellites Dbits : uplink 2 Mbit/s downlink 64 Mbit/s Projet arrt en octobre 2002 Orbcomm (Canada) http://www.orbcomm.com/ Constelletion de 29 satellites (48 max prvus) Orbite = 825 km Dbits : uplink 2400 bit/s downlink 4800-9600 bit/s En service depuis 1995

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ETCD

Equipement de Terminaison de Circuit de Donnes

ETTD

ETCD

Support de transmission

Jonction ETTD / ETCD

2 Types MoDems transposition en frquence Convertisseurs (MoDems) en bande de base

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Modem transposition en frquences (1/2)

Modulation d'une porteuse : Le signal mettre fait varier un des paramtres d'une onde sinusodale :

A sin t

Amplitude : A Pulsation : = Phase:

2 =2 N T

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Modem transposition en frquences (2/2)

Le signal peut tre prcdemment trait pour assurer un maximum de transitions (brouillage) Stockage temporaire des signaux mettre dans le cas de modulations plusieurs niveaux Caractristiques: vitesse de transmission type de connexion : 2fils, 4 fils mode de transmission : synchrone, asynchrone type de modulation rapidit de modumation

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Convertisseurs en bande de base

Codage des informations binaires pour : supprimer la composante continue du signal limiter la largeur de bande du signal

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Transmission en bande de base (1/2)

Bande de base 2 niveauxSignal d'horloge Messages de donnes1 0 1 0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

Code binaire NRZ Code biphase Code biphase diffrentiel Code de Miller

a -a a -a a -a a -a

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Transmission en bande de base (2/2)

Bande de base 3 niveauxSignal d'horloge Messages de donnes1 0 1 0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

a

Code bipolaire Code bipolaire d'ordre 2

-a a -a

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Bande de base : spectres

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Types de modulation simples

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57

01 transmission de donnees

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