RSEAUXET TLCOMS

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19,5x25 Page II Jeudi, 22. juin 2006 12:02 12

RSEAUXET TLCOMS

Cours et exercices corrigs

Claude Servin

Charg de cours au CNAM de Pariset en coles dingnieur

Ancien responsable tlcomau ministre de la Dfense

Prface de

Jean-Pierre Arnaud

Professeur au CNAM

19,5x25 Page III Jeudi, 22. juin 2006 12:02 12

Nouveau tirage corrig Dunod, Paris, 2003ISBN 2 10 007986 7

Ce pictogramme mrite une explication.Son objet est dalerter le lecteur sur la menace que reprsente pour lavenirde lcrit, particulirement dansle domaine de ldition tech-nique et universitaire, le dvelop-pement massif du photo-copillage.

Le Code de la proprit intellectuelle du 1er juillet 1992interdit en effet expressment laphotocopie usage collectifsans autorisation des ayants droit. Or,cette pratique sest gnralise dans les

tablissements denseignement suprieur,provoquant une baisse brutale des achatsde livres et de revues, au point que la

possibilit mme pour les auteursde crer des uvres nouvelles etde les faire diter correctementest aujourdhui menace.

Nous rappelons donc quetoute reproduction, partielle outotale, de la prsente publicationest interdite sans autorisation duCentre franais dexploitation du

droit de copie (CFC, 20 rue des Grands-Augustins, 75006 Paris).

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Prface

Le domaine des Tlcommunications et des Rseaux est en pleine effervescence, chaquesemaine qui scoule apporte sa moisson de nouvelles offres, dannonces et de propositionsde norme. Confront ce flux incessant de nouveauts, le praticien doit faire des choix quisavreront stratgiques pour lentreprise et structurants pour lavenir de son systme dinfor-mation. Cest dire limportance de disposer de bases solides, seules aptes valuer sainementla pertinence des solutions proposes par les constructeurs de matriels et les diteurs de logi-ciels. Encore faut-il sentendre sur la constitution de cette base : il ne sagit pas damasser desconnaissances plus ou moins vagues ou plus ou moins utiles, mais de construire un socle surlequel pourra sappuyer une rflexion personnelle.

Dans la conjoncture actuelle, il nest gure de tche plus utile que de transmettre cesconnaissances et denseigner les mthodes qui permettent den tirer profit. Lvolutiontechnologique imposait une nouvelle dition des ouvrages de Claude Servin. Pour distinguerce qui, dans cette multitude dvolutions, est suffisamment assur pour mriter dtre enseign,il fallait la pratique du terrain dun homme de rseaux. Il fallait aussi allier cette expriencede lingnieur qui cre des projets celle de lenseignant qui transmet les savoirs ncessaires cette cration.

Claude Servin possde assurment lune et lautre et cest ce qui donne son ouvrage unintrt tout particulier. Ses lecteurs apprcieront une prsentation simple des concepts les plusfondamentaux, dbarrasss de tout hermtisme et orients vers laction et lingnierie, sanscder aux modes passagres ou aux complexits inutiles qui encombrent bien des manuels.

Ce sont ces qualits qui lui ont permis de sinscrire avec russite dans les enseignementsdispenss au Conservatoire National des Arts et Mtiers (CNAM) et de jouer le rle de pivotvers des enseignements plus spcialiss.

Dj insr dans le monde du travail, le public du CNAM est exigeant, il vient y chercherune mise en perspective et une rigueur sans faille. Il ne saurait se satisfaire de lautorit dunenseignant qui ne pourrait faire preuve de sa capacit matriser les enjeux technologiquesactuels. Claude Servin a su les convaincre et, comme les auditeurs qui se pressent nombreux ses cours et y trouvent limpulsion pour un approfondissement ultrieur, je suis certain que

VI Prface

le lecteur trouvera la lecture de cet ouvrage un intrt soutenu et quil sera son compagnonpendant encore de longues annes. Les manuels denseignement auxquels on continue de serfrer une fois entr dans la vie active ne sont pas si nombreux : ayant personnellement lexp-rience de la direction de socits dans le domaine des rseaux, je ne saurais faire cet ouvrageun meilleur compliment que de dire quil fait partie de ceux-l.

Jean-Pierre ARNAUDProfesseur au Conservatoire National des Arts et Mtiers

Titulaire de la chaire de Rseaux

Table des matires

PRFACE DE JEAN-PIERRE ARNAUD V

AVANT-PROPOS XXV

CHAPITRE 1 HISTORIQUE ET NORMALISATION 11.1 Objet des tlcommunications 11.2 Bref historique 31.3 La normalisation 41.4 Principes dlaboration dune norme (ISO) 51.5 Normes et agrment 5

CHAPITRE 2 LINFORMATION ET SA REPRSENTATION DANS LES SYSTMES DE TRANSMISSION 72.1 Gnralits 7

2.1.1 Les flux dinformation 72.1.2 Caractristiques des rseaux de transmission 8

2.2 Reprsentation de linformation 92.2.1 Les diffrents types dinformation 92.2.2 Codage des informations 102.2.3 Numrisation des informations 15

2.3 La compression de donnes 202.3.1 Gnralits 202.3.2 Quantification de la compression 202.3.3 La compression sans perte 202.3.4 Les codages rduction de bande 21

VIII Table des matires

2.4 Notion de qualit de service 242.4.1 Donnes et contraintes de transmission 242.4.2 Les classes de service 252.4.3 Conclusion 26

EXERCICES 27

CHAPITRE 3 LMENTS DE BASE DE LA TRANSMISSION DE DONNES 293.1 Classification en fonction du mode de contrle de lchange 29

3.1.1 Selon lorganisation des changes 293.1.2 Selon le mode de liaison 303.1.3 Les modes de contrle de la liaison 31

3.2 Classification en fonction des paramtres physiques 323.2.1 Transmission parallle, transmission srie 323.2.2 Transmission asynchrone, transmission synchrone 343.2.3 Selon le mode de transmission lectrique 40

3.3 Principe dune liaison de donnes 41

EXERCICES 43

CHAPITRE 4 LES SUPPORTS DE TRANSMISSION 454.1 Caractristiques des supports de transmission 46

4.1.1 Bande passante et systme de transmission 464.1.2 Impdance caractristique 494.1.3 Coefficient de vlocit 51

4.2 Les supports guids 514.2.1 La paire torsade 514.2.2 Le cble coaxial 544.2.3 La fibre optique 554.2.4 Les liaisons hertziennes 59

4.3 Conclusion 63

EXERCICES 64

CHAPITRE 5 LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION 675.1 Gnralits 675.2 La transmission en bande de base 68

5.2.1 Dfinitions 685.2.2 Fonctions dun codeur/dcodeur en bande de base 695.2.3 Les principaux codes utiliss 695.2.4 Le codeur bande de base ou metteur rcepteur en bande de base 735.2.5 Limitations de la transmission en bande de base 74

Table des matires IX

5.3 La transmission en large bande 785.3.1 Principe 785.3.2 Les liaisons full duplex 835.3.3 Dispositifs complmentaires 845.3.4 Exemples de modem 875.3.5 Principaux avis du CCITT 89

5.4 La jonction DTE/DCE ou interface 905.4.1 Ncessit de dfinir une interface standard 905.4.2 Les principales interfaces 91

5.5 Conclusion 99

EXERCICES 100

CHAPITRE 6 NOTIONS DE PROTOCOLES 1036.1 La dlimitation des donnes 104

6.1.1 Notion de fanion 1046.1.2 Notion de transparence 104

6.2 Le contrle dintgrit 1056.2.1 Notion derreur 1056.2.2 Dtection derreur par cl calcule 1076.2.3 Les codes autocorrecteurs 113

6.3 Le contrle de lchange 1146.3.1 Du mode Send and Wait aux protocoles anticipation 1146.3.2 Le contrle de flux 123

6.4 La signalisation 1266.4.1 Dfinition 1266.4.2 La signalisation dans la bande 1276.4.3 La signalisation hors bande 127

6.5 tude succincte dun protocole de transmission (HDLC) 1296.5.1 Gnralits 1296.5.2 Structure de la trame HDLC 1306.5.3 Les diffrentes fonctions de la trame HDLC 1306.5.4 Fonctionnement dHDLC 1336.5.5 Les diffrentes versions du protocole HDLC 1376.5.6 HDLC et les environnements multiprotocoles 137

6.6 Conclusion 138

EXERCICES 139c D

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X Table des matires

CHAPITRE 7 LA MUTUALISATION DES RESSOURCES 1417.1 La quantification de trafic 141

7.1.1 Gnralits 1417.1.2 Intensit de trafic et taux dactivit 142

7.2 Les concentrateurs 1447.2.1 Principe 1447.2.2 Fonctionnalits complmentaires, exemple dapplication 145

7.3 Les multiplexeurs 1467.3.1 Principe 1467.3.2 Le multiplexage spatial 1477.3.3 Le multiplexage temporel 1497.3.4 Comparaison multiplexeur/concentrateur 153

7.4 Conclusion 154

EXERCICES 155

CHAPITRE 8 LE CONCEPT DE RSEAU 1578.1 gnralits 157

8.1.1 Dfinitions 1578.1.2 Classification des rseaux 1588.1.3 Topologies physiques des rseaux 159

8.2 Les rseaux commutation 1628.2.1 Introduction la commutation 1628.2.2 La commutation de circuits 1638.2.3 La commutation de messages 1648.2.4 La commutation de paquets 1658.2.5 Les mcanismes mis en uvre dans le rseau 171

8.3 Notion dadressage 1728.3.1 Dfinitions 1728.3.2 Ladressage physique 172

8.4 Notions de nommage 1768.4.1 Le nommage 1768.4.2 Notion dannuaire 177

8.5 Lacheminement dans le rseau 1778.5.1 Dfinitions 1778.5.2 Les protocoles de routage 178

8.6 Adaptation de la taille des units de donnes 1878.6.1 Notion de MTU 1878.6.2 Segmentation et rassemblage 187

Table des matires XI

8.7 La congestion dans les rseaux 1888.7.1 Dfinition 1888.7.2 Les mcanismes de prvention de la congestion 1898.7.3 Rsolution ou gurison de la congestion 191

8.8 La voix sur les rseaux en mode paquets 1918.8.1 Intrt et contraintes 1918.8.2 Principe de la paquetisation de la voix 192

8.9 Conclusion 193

EXERCICES 194

CHAPITRE 9 LES ARCHITECTURES PROTOCOLAIRES 1959.1 Concepts de base 196

9.1.1 Principe de fonctionnement dune architecture en couches 1969.1.2 Terminologie 197

9.2 Organisation du modle de rfrence 2009.2.1 Concepts ayant conduit la modlisation 2009.2.2 Description du modle de rfrence 202

9.3 tude succincte des couches 2079.3.1 La couche physique 2079.3.2 La couche liaison de donnes 2089.3.3 La couche rseau 2089.3.4 La couche transport 2129.3.5 La couche session 2179.3.6 La couche prsentation 2189.3.7 La couche application 2209.3.8 Devenir du modle OSI 223

9.4 Les architectures constructeurs 2259.4.1 Architecture physique dun systme de tlinformatique 2259.4.2 Origine des architectures constructeurs 2259.4.3 SNA (System Network Architecture) dIBM 2269.4.4 DSA (Distributed System Architecture) de BULL 229

9.5 Conclusion 230

EXERCICES 231

CHAPITRE 10 LARCHITECTURE TCP/IP 23310.1 Gnralits 233

10.1.1 Origine 23310.1.2 Principe architectural 234c

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XII Table des matires

10.1.3 Description gnrale de la pile et applications TCP/IP 23510.1.4 Les mcanismes de base de TCP/IP 23610.1.5 Les instances de normalisation 238

10.2 Ladressage du rseau logique 23910.2.1 Principe de ladressage IP 23910.2.2 Les techniques dadressage dans le rseau IP 241

10.3 Le routage dans le rseau IP 25010.3.1 Ladressage dinterface 25010.3.2 Concept dinterface non numrote 251

10.4 Le protocole IP et les utilitaires rseaux 25110.4.1 Gnralits 25110.4.2 Structure du datagramme IP 25210.4.3 Contrle de la fragmentation sous IP 25510.4.4 Le protocole ICMP 25610.4.5 Lutilitaire PING 25710.4.6 La rsolution dadresses 25810.4.7 Les utilitaires de configuration 26110.4.8 Conclusion 262

10.5 Transmission Control Protocol (TCP) 26310.5.1 Gnralits 26310.5.2 Le message TCP et les mcanismes associs 263

10.6 Les protocoles de liaison (point point) 272

10.6.1 Gnralits 272

10.6.2 SLIP, Serial Line Internet Protocol (RFC 1055) 272

10.6.3 PPP, Point to Point Protocol (RFC 1548) 273

10.7 Exemples dapplications TCP/IP 27510.7.1 Le service de noms (DNS) 27510.7.2 Le transfert de fichiers 278

10.7.3 Lmulation de terminal (TELNET) 281

10.8 DIPv4 IPv6 283

10.8.1 Les lacunes dIPv4 283

10.8.2 Le datagramme IPv6 284

10.8.3 Ladressage dans IPv6 287

10.9 Conclusion 291

EXERCICES 292

Table des matires XIII

CHAPITRE 11 LES RSEAUX DE TRANSPORT X.25, FRAME RELAY, ATM ET BOUCLE LOCALE 29511.1 Le plan de transmission 295

11.1.1 Gnralits 29511.1.2 La synchronisation des rseaux 29711.1.3 La hirarchie plsiochrone (PDH) 30011.1.4 La hirarchie synchrone (SDH) 302

11.2 Le plan de service 30611.2.1 Gnralits 30611.2.2 Le protocole X.25 307

11.2.3 volution vers les hauts dbits 32311.2.4 Le Frame Relay 32411.2.5 LATM (Asynchronous Transfer Mode) 33511.2.6 Les rseaux doprateurs 355

11.3 Laccs aux rseaux, la boucle locale 35611.3.1 Dfinition 35611.3.2 Organisation de la distribution des accs 35611.3.3 La Boucle Locale Radio (BLR) 35811.3.4 Les accs hauts dbits 358

11.4 Conclusion 361

EXERCICES 362

CHAPITRE 12 LES RSEAUX LOCAUX ETHERNET, CSMA/CD, TOKEN RING, VLAN... 36712.1 Introduction 367

12.1.1 Dfinition 36712.1.2 Distinction entre rseau local et informatique traditionnelle 36812.1.3 Rseaux locaux et accs aux systmes traditionnels 36812.1.4 Constituants dun rseau local 36912.1.5 Les rseaux locaux et la normalisation 371

12.2 tude succincte des diffrentes couches 37212.2.1 La couche physique 37212.2.2 La sous-couche MAC 37712.2.3 La couche liaison (LLC) 381

12.3 Les rseaux CSMA/CD, IEEE 802.3/Ethernet 38512.3.1 Les origines dEthernet 38512.3.2 Principe du CSMA/CD 38512.3.3 Caractristiques communes aux rseaux Ethernet/802.3 38712.3.4 Trame Ethernet/IEEE 802.3 38912.3.5 Les diffrentes versions dEthernet 390c

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XIV Table des matires

12.4 Lanneau jeton, IEEE 802.5 39512.4.1 Gnralits 39512.4.2 Principe gnral du jeton sur anneau 39612.4.3 Comparaison Ethernet/Token Ring 401

12.5 Le jeton adress ou Token bus, IEEE 802.4 403

12.5.1 Gnralits 403

12.5.2 Fonctionnement du jeton sur bus 404

12.5.3 Format des donnes 40612.6 Le rseau 100 VG Any Lan, 802.12 407

12.6.1 Gnralits 407

12.6.2 Le DPAM 407

12.7 La commutation dans les LAN 40912.7.1 Principe de base 40912.7.2 Notion darchitecture des commutateurs 410

12.7.3 Les diffrentes techniques de commutation 412

12.7.4 Les diffrents modes de commutation 412

12.7.5 Ethernet Full Duplex 413

12.8 Les rseaux virtuels ou VLAN 413

12.8.1 Principes gnraux des VLAN 413

12.8.2 Les diffrents niveaux de VLAN 414

12.8.3 Lidentification des VLAN (802.1Q) 41512.9 Les rseaux sans fil 417

12.9.1 Gnralits 417

12.9.2 Architecture gnrale des rseaux sans fil 418

12.9.3 Les rseaux 802.11 41912.10 Aspect protocolaire 421

12.10.1Gnralits 421

12.10.2Les piles ISO 421

12.10.3La pile IPX/SPX 422

12.10.4La pile NETBIOS 424

12.11 Les canaux hauts dbits 42612.11.1HiPPI 42612.11.2Fibre Channel Standard 427

12.12 Conclusion 428

EXERCICES 429

Table des matires XV

CHAPITRE 13 LES RSEAUX MTROPOLITAINS FDDI, DQDB, ATM... 43113.1 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 431

13.1.1 Gnralits 43113.1.2 La mthode daccs : le jeton temporis 43313.1.3 Architecture du rseau FDDI 43513.1.4 Aspects physiques 43613.1.5 Format des trames FDDI 43813.1.6 Fonctionnement gnral de lanneau 43913.1.7 volution de FDDI : FDDI-II 43913.1.8 Conclusion 440

13.2 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 44013.2.1 Gnralits 44013.2.2 Architecture gnrale de DQDB 44213.2.3 Algorithme daccs au support 44313.2.4 Format de lunit de donne DQDB 44513.2.5 Le service SMDS et CBDS 446

13.3 Les rseaux locaux ATM 44713.3.1 Gnralits 44713.3.2 Classical IP ou IP over ATM 44913.3.3 LAN Emulation 45113.3.4 Interconnexion de rseaux LANE (MPOA) 458

13.4 Conclusion 460

EXERCICES 461

CHAPITRE 14 INTERCONNEXION DES RSEAUX 46314.1 Gnralits 463

14.1.1 Dfinition 46314.1.2 Problmatique de linterconnexion 46314.1.3 Notions de conversion de service et de protocole 46414.1.4 Lencapsulation ou tunneling 46514.1.5 Les diffrents types de relais 465

14.2 Les rpteurs 46614.3 Les ponts 467

14.3.1 Gnralits 46714.3.2 Les diffrents types de ponts 46814.3.3 Les ponts transparents 46914.3.4 Le Spanning Tree Protocol (STP) ou arbre recouvrant 47114.3.5 Ponts routage par la source 47414.3.6 Le pontage par translation 477c

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XVI Table des matires

14.4 Les routeurs 47714.4.1 Gnralits 47714.4.2 Les techniques de routage 48014.4.3 Routage et qualit de service 49414.4.4 Routage multicast 49814.4.5 Fonctions annexes des routeurs 502

14.5 Les passerelles applicatives 506

EXERCICES 507

CHAPITRE 15 LA TLPHONIE 51115.1 Principes gnraux de la tlphonie 51115.2 Organisation du rseau tlphonique 512

15.2.1 Architecture traditionnelle 51215.2.2 Gestion du rseau 513

15.3 tablissement dune communication tlphonique 51415.3.1 Principe dun poste tlphonique 51415.3.2 Principe du raccordement dusager 51515.3.3 La mise en relation Usager/Usager 51515.3.4 La numrotation 51715.3.5 Les modes de signalisation 518

15.4 volution de la tlphonie, le RNIS 52015.4.1 De laccs analogique laccs numrique 52015.4.2 Le concept dintgration de services 52015.4.3 Structure du rseau 52115.4.4 Le raccordement dusager 52215.4.5 Les services du RNIS 52415.4.6 Signalisation et le rseau RNIS 527

15.5 La tlphonie et la mobilit 53715.5.1 Principes gnraux 53715.5.2 Gestion de labonn et du terminal 53915.5.3 Linterface radio 54015.5.4 Description succincte des diffrents systmes en service 54315.5.5 Le service transport de donnes sur la tlphonie mobile 54315.5.6 La mobilit et laccs Internet 54515.5.7 volution des systmes de tlphonie mobile, lUMTS 54615.5.8 La tlphonie satellitaire 546

15.6 Conclusion 547

EXERCICES 548

Table des matires XVII

CHAPITRE 16 INSTALLATION DABONN ET RSEAU PRIV DE TLPHONIE 54916.1 Les autocommutateurs privs 549

16.1.1 Gnralits 54916.1.2 Architecture dun PABX 55016.1.3 Les tlservices et applications vocales offerts par les PABX 55016.1.4 PABX et transmission de donnes 556

16.2 Linstallation dabonn 55716.2.1 Gnralits 55716.2.2 Dimensionnement du raccordement au rseau de loprateur 558

16.3 Les rseaux privs de PABX 56016.3.1 Principes gnraux 56016.3.2 La signalisation et type de liens 562

16.4 Principes des rseaux voix/donnes 57016.4.1 Gnralits 57016.4.2 Les rseaux de multiplexeurs 57016.4.3 La voix paquetise 571

16.5 La voix sur ATM 57816.6 La voix et le Frame Relay 57916.7 La voix et tlphonie sur IP 581

16.7.1 Gnralits 58116.7.2 TCP/IP et le temps rel 58216.7.3 Larchitecture H.323 de lUIT 58516.7.4 Le protocole SIP de lIETF (RFC 2543) 58816.7.5 Le protocole MGCP 591

16.8 Conclusion 591

EXERCICES 592

CHAPITRE 17 LA SCURIT DES SYSTMES DINFORMATION 59517.1 Gnralits 59517.2 La sret de fonctionnement 595

17.2.1 Principes gnraux de la sret 59517.2.2 Les systmes tolrance de panne 59517.2.3 La sret environnementale 59717.2.4 Quantification 599

17.3 La scurit 60117.3.1 Gnralits 60117.3.2 La protection des donnes 60117.3.3 La protection du rseau 611c

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XVIII Table des matires

17.4 Le commerce lectronique 62017.4.1 Le paiement off-line (ecash) 62017.4.2 Le paiement on-line 620

17.5 Conclusion 621

EXERCICES 622

CHAPITRE 18 ADMINISTRATION DES RSEAUX 62518.1 Gnralits 625

18.1.1 Dfinition 62518.1.2 Principe gnral 62518.1.3 Structure dun systme dadministration 626

18.2 Ladministration vue par lISO 62618.2.1 Gnralits 62618.2.2 Les diffrents modles 627

18.3 Ladministration dans lenvironnement TCP/IP 63018.3.1 Principes gnraux 63018.3.2 Les MIB 63118.3.3 Le protocole SNMP 634

18.4 SNMP et ISO 63518.5 Les plates-formes dadministration 635

18.5.1 Les outils dadministration des couches basses 63618.5.2 Les hyperviseurs 63618.5.3 Les systmes intgrs au systme dexploitation 636

18.6 Conclusion 636

EXERCICES 637

CHAPITRE 19 INTRODUCTION LINGNIERIE DES RSEAUX 63919.1 Gnralits 63919.2 Services et tarification 64019.3 Elments darchitecture des rseaux 640

19.3.1 Structure de base des rseaux 64019.3.2 Conception du rseau de desserte 64119.3.3 Conception du rseau dorsal 643

19.4 Dimensionnement et valuation des performances 64419.4.1 Gnralits 64419.4.2 Les rseaux en mode circuit 64519.4.3 Les rseaux en mode paquets 647

19.5 Conclusion 652

EXERCICES 653

Table des matires XIX

CHAPITRE 20 SOLUTIONS DES EXERCICES 657

ANNEXES 745A. Dfinitions 746B. Abaques dErlang 747C. Liste des abrviations et sigles utiliss 749

BIBLIOGRAPHIE 757

GLOSSAIRE 759

INDEX 801

c D

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Liste des exercices

Exercice 2.1 Code ASCII, Algorithme de changement de casseExercice 2.2 Codage de HuffmanExercice 2.3 TlcopieurExercice 2.4 Numrisation du sonExercice 2.5 Numrisation et dbit binaireExercice 2.6 Rapport signal bruit et loi de quantification AExercice 2.7 Image RVB

Exercice 3.1 Organisation des changesExercice 3.2 Transmission parallleExercice 3.3 Transmission synchrone et asynchroneExercice 3.4 lments daccs au rseauExercice 3.5 Transmission asynchroneExercice 3.6 Temps de transfert dinformation

Exercice 4.1 Notion de dcibelExercice 4.2 Porte dune liaison hertzienneExercice 4.3 Bande passante dune fibre optique

Exercice 5.1 Caractristiques dun modemExercice 5.2 Dbit possible sur un canal TVExercice 5.3 Rapport Signal/BruitExercice 5.4 Le Null ModemExercice 5.5 Contrle de flux matriel

Liste des exercices XXI

Exercice 5.6 Modem dissymtriqueExercice 5.7 Rapidit de modulation

Exercice 6.1 Calcul de CRCExercice 6.2 Probabilit de recevoir un message erronExercice 6.3 Taux de transfertExercice 6.4 change HDLC version LAP-B

Exercice 7.1 Intensit de trafic et taux dactivitExercice 7.2 Application numrique E et uExercice 7.3 Trame MICExercice 7.4 Multiplexeur

Exercice 8.1 valuation du nombre de liaisonsExercice 8.2 Table de routageExercice 8.3 Temps de transfert sur un rseau

Exercice 9.1 Fonctions et couches OSIExercice 9.2 Adresse SAP dune mission FMExercice 9.3 EncapsulationExercice 9.4 Mode connect et mode non connectExercice 9.5 Terminal virtuelExercice 9.6 Contrle de flux et transferts isochronesExercice 9.7 Contrle de flux et classe de transport 0Exercice 9.8 Rfrencement dune connexion de transportExercice 9.9 Connexion de transport et connexion de sessionExercice 9.10 Les types de variables dASN-1

Exercice 10.1 Masque de sous-rseauExercice 10.2 Masque de sous-rseau et dysfonctionnement (figure 20.26)Exercice 10.3 Table ARPExercice 10.4 Trace TCP/IP

Exercice 11.1 SDH/PDHExercice 11.2 Reconstitution dun paquet dappelExercice 11.3 Dialogue X.25Exercice 11.4 Dfinition dun protocoleExercice 11.5 Protocole ATMExercice 11.6 Priorit ou rservation de ressourcesc

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XXII Liste des exercices

Exercice 11.7 Encapsulation de donnesExercice 11.8 volution de lencapsulation dIPExercice 12.1 Distinction entre CSMA/CD IEEE 802.3 et Ethernet.Exercice 12.2 Adressage MACExercice 12.3 Notation canonique et non canoniqueExercice 12.4 Comparaison des topologies et des mthodes daccsExercice 12.5 Squence de synchronisation bit en 802.3 et 802.5Exercice 12.6 Rapidit de modulationExercice 12.7 Longueur virtuelle de lanneau 802.5Exercice 12.8 Conception dun rseau Ethernet 100 Mbit/sExercice 12.9 Efficacit du protocole 802.5 100 Mbit/sExercice 12.10Temps de rotation du jetonExercice 12.11Commutateur ou hub ?Exercice 12.12Plan dadressage dune entreprise

Exercice 13.1 FDDI et Token RingExercice 13.2 Donnes de la classe IsochroneExercice 13.3 Lacquittement dans FDDIExercice 13.4 Rotation des donnes sur le rseau FDDIExercice 13.5 tat des compteurs dans DQDBExercice 14.1 Interconnexion dun rseau 802.3 et 802.5Exercice 14.2 Spanning Tree Protocol (STR)Exercice 14.3 Protocoles RIP/OSPFExercice 14.4 Agrgation de routesExercice 14.5 Adresses multicastExercice 14.6 Comparaison pont/routeurExercice 14.7 Masque de sous-rseauExercice 14.8 Routage statique

Exercice 15.1 Capacit dun autocommutateurExercice 15.2 ItinranceExercice 15.3 Systme IridiumExercice 15.4 Schma de rutilisation des frquencesExercice 15.5 Protocole D (Q.931)

Exercice 16.1 Utilisation de labaque dErlangExercice 16.2 Trafic sur un faisceau

Liste des exercices XXIII

Exercice 16.3 Raccordement dun PABXExercice 16.4 Trafic dun centre dappelExercice 16.5 Rseau voix/donnesExercice 16.6 Dimensionnement dun rseau Frame Relay voix/donnesExercice 16.7 Comparaison H.323 et SIP

Exercice 17.1 MTTR/MTBFExercice 17.2 Systmes cls symtriques ou secrtesExercice 17.3 Algorithme translation de CsarExercice 17.4 Algorithme de substitution de VigenreExercice 17.5 Algorithme du RSAExercice 17.6 Systme de Diffie-Hellman

Exercice 18.1 Analyse de la traceExercice 18.2 SNMP et charge du rseau

Exercice 19.1 Service de vidotexExercice 19.2 Informatisation dun magasinExercice 19.3 Ralisation dun rseau priv dentrepriseExercice 19.4 Caractristique mmoire dun routeurExercice 19.5 Temps de transit dans un rseau

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Avant-propos

Les rseaux de tlcommunication constituent aujourdhui une formidable passerelle entre leshommes et les cultures, mais transporter des informations aussi diffrentes que la voix, lesdonnes et les images ncessite des techniques de plus en plus labores, une bonne connais-sance des mcanismes de base et une matrise des technologies utilises. Bien connatre leslimites technologies pour tre capable de concevoir, de spcifier et dutiliser correctement lesmoyens mis notre disposition constitue lobjectif essentiel de cet ouvrage.

Le dbut de ce sicle est marqu par une volution considrable des techniques, or certainestechnologies, qui peuvent paratre vieillissantes certains, sont encore trs prsentes dans lesentreprises. De plus, elles constituent bien souvent le fondement des techniques actuelles etcest volontairement que lauteur a maintenu dans cet ouvrage une tude succincte des techno-logies propritaires, des rseaux X.25, des rseaux mtropolitains et les LAN ATM...

Ltude du modle OSI a t retenue car, par son formalisme, cest une rfrence archi-tecturale laquelle tous les dveloppements modernes, mme sils ne sont pas conformes aumodle, se rfrent. Le protocole TCP/IP est largement dvelopp, notamment par lintroduc-tion de ltude des mcanismes dIPv6. Les techniques dactualit font toutes lobjet dunetude approprie, en particulier les rseaux sans fils, la boucle locale et ADSL, MPLS, lesVLAN et les VPN. La tlphonie dentreprise et en particulier lintgration voix/donnes fontlobjet dun expos approfondi conduisant lintgration de la voix sur IP. lments fonda-mentaux des rseaux dentreprise, ltude de la scurit et ladministration sont traites endtail, tandis quune initiation lingnierie des rseaux conclut cet ouvrage.

la fin de chaque chapitre des exercices ou des tudes de cas corrigs sont proposs. Lescorrections sont dtailles afin de permettre tous de comprendre le cheminement du raison-nement.

REMERCIEMENTS

Il ne conviendrait pas de terminer cet avant-propos sans remercier tous ceux, amis et famille,qui grce leur soutien, leurs conseils et de fastidieuses relectures, ont permis que cet ouvragesoit ce quil est, et tout particulirement Laurence DUCHIEN, professeur luniversit de

XXVI Avant-propos

Lille pour ses nombreuses remarques et suggestions. Enfin, jexprime ma reconnaissance Maxime MAIMAN qui par son premier ouvrage ma fait dcouvrir et aimer le monde desrseaux ainsi qu Solange GHERNAOUTI-HLIE qui ma tmoign sa confiance en accueillantdans sa collection mes premiers ouvrages Tlcoms 1 et Tlcoms 2 dont le prsent ouvrageRseaux et Tlcoms est issu.

Chapitre 1

Historique et normalisation

1.1 OBJET DES TLCOMMUNICATIONS

Les tlcommunications recouvrent toutes les techniques (filaires, radio, optiques, etc.) detransfert dinformation quelle quen soit la nature (symboles, crits, images fixes ou animes,son, ou autres). Ce mot, introduit en 1904 par Estauri (polytechnicien, ingnieur gnral destlgraphes 1862-1942), fut consacr en 1932 la confrence de Madrid qui dcida de rebap-tiser lUnion Tlgraphique Internationale en Union Internationale des Tlcommunications(UIT).

Aujourdhui, avec la dferlante Internet, les tlcommunications ont dbord les domainesde la tlgraphie et de la tlphonie. Une re nouvelle est ne, celle de la communication. Cettervolution na t rendue possible que par une formidable volution des technologies. Lesprogrs raliss dans le traitement du signal ont autoris la banalisation des flux de donnes etla convergence des techniques. Cette convergence, illustre figure 1.1 implique de la part desprofessionnels une adaptation permanente. Cette dernire ne sera possible que si lingnieurou le technicien possde une base de connaissance suffisamment vaste, cest lobjectif de cetouvrage.

Dans la premire tape, illustre figure 1.1, les flux voix et donnes sont de nature fonc-tionnelle et physique diffrentes. Chaque systme dispose de son propre rseau. Notons que latransmission de donnes sur le rseau tlphonique fut interdite par France Tlcom jusquen1960. Lors de la libralisation de ce service, le dbit autoris tait dabord limit 1 200 bit/s,puis 2 400 bit/s en 1976 et 4 800 bit/s en 1980.

Dans la seconde tape, la voix fait lobjet dune numrisation. Les flux physiques sont bana-liss et comme tel, peuvent tre transports par un mme rseau (rseau de transport). Cepen-dant, les rseaux daccs restent fonctionnellement diffrents et les usagers accdent toujoursaux services par des voies distinctes.

2 1 Historique et normalisation

Rseau tlphonique

Rseau de donnes

Rseau de transport

VoixVoix

Data Data

Rseau Voix/Donnes

Rseau Voix/Donnes

1re tape

2me tape

3me tape

4me tape

Figure 1.1 Schmatisation de lvolution des tlcommunications.

La troisime tape poursuit la banalisation des flux. La voix nest plus seulement numri-se, les diffrents lments dinformations sont rassembls en paquets, comme la donne. Onparle alors de voix paqutise , permettant ainsi un traitement de bout en bout identiquepour les deux flux. Dans cette approche, le protocole de transport est identique, mais les pro-tocoles usagers restent diffrents. Lusager na plus besoin que dun seul accs physique aurseau de transport (rseau voix/donnes). Les flux sont spars par un quipement (quipe-ment voix/donnes) localis chez lusager et sont traits par des systmes diffrents.

La quatrime tape consiste en une intgration complte, les quipements terminaux ontune interface daccs identique mais des fonctionnalits applicatives diffrentes. La voix et ladonne peuvent, non seulement cohabiter sur un mme rseau, mais collaborer dans les appli-cations informatiques finales : cest le couplage informatique tlphonie de manire native.Dans cette approche les protocoles utiliss dans le rseau de transport et ceux utiliss dans lerseau de lusager sont identiques pour les deux types de flux.

Cependant, quelle que soit la complexit du systme, le principe reste toujours le mme :il faut assurer un transfert fiable dinformation dune entit communicante A vers une entitcommunicante B.

A BDONNEESAdaptateur AdaptateurFigure 1.2 Constituants de base dun systme de transmission de donnes.

1.2 Bref historique 3

Ce qui ncessite (figure 1.2) : des donnes traduites dans une forme comprhensible par les calculateurs, un lien entre les entits communicantes, que ce lien soit un simple support ou un rseau de

transport, la dfinition dun mode dchange des donnes, la ralisation dun systme dadaptation entre les calculateurs et le support, un protocole1 dchange.

Ces diffrents points seront traits dans les chapitres qui suivent. Cependant, on ne sauraitentreprendre ltude dune technique sans disposer, pour celle-ci, de quelques repres histo-riques sur son volution. Finalement, les tlcommunications nauraient pas connu un tel essorsi des organismes particuliers, les organismes de normalisation, navaient permis, grce leurstravaux, linteroprabilit des systmes.

1.2 BREF HISTORIQUE

On peut estimer que lhistoire des tlcommunications commence en 1832, date laquellele physicien amricain Morse (1791-1872) eut lide dun systme de transmission code(alphabet Morse). Les premiers essais, en 1837, furent suivis dun dpt de brevet en 1840.La premire liaison officielle fut ralise en 1844. Cest en 1856 que la France adopta le sys-tme Morse. La premire liaison transocanique, ralise en 1858, ne fonctionna quun mois(dfaut disolement du cble immerg).

Paralllement, la phonie (le tlphone) se dveloppait. Les principes formuls par le franaisCharles Bourseul conduisirent un dpt de brevet, pour un systme tlphonique, par GrahamBell (1847-1922) et Eliska Gray (1835-1901). Les demandes furent dposes deux heuresdintervalle.

Marconi (1874-1937) ralisa en 1899 une premire liaison tlgraphique par onde hert-zienne entre la France et lAngleterre. Mais, cest Lee de Forest (1873-1961) qui avec linven-tion de la triode ouvrit vritablement la voie aux transmissions longues distances. La premireliaison tlphonique transocanique par ondes hertziennes fut ralise en 1927.

Le principe de la numrisation du signal (MIC, Modulation par Impulsions Codes) futdcrit en 1938 par Alei Reever, mais il fallut attendre les progrs de llectronique pour raliserles premiers codeurs. Lvolution sacclra, en 1948, avec linvention du transistor (Bardeen,Brattain, Shockley des laboratoires Bell) qui par sa faible consommation et son chauffementlimit, ouvrit des voies nouvelles. Cest ainsi que le premier cble tlphonique transocaniquefut pos en 1956 avec 15 rpteurs immergs.

Enfin, en 1962, le satellite Telstar 1 autorise la premire liaison de tlvision transocanique,tandis que 7 ans plus tard, on peut vivre en direct les premiers pas de lHomme sur la Lune.

1. Protocole : convention dfinissant un ensemble de rgles suivre pour effectuer un change dinformations.Procdure : squence de rgles suivre pour accomplir un processus.Pour le tlcommunicant ces deux termes sont synonymes, cependant il semble prfrable dutiliser le terme procdurelorsque les rgles sont simples et de rserver le terme protocole un ensemble de rgles plus complexes.c

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4 1 Historique et normalisation

Lvolution des techniques conduit la cration de rseaux pour offrir des services detransport dinformation ou des tlservices au public. En 1978 la premire liaison numrique(Transfix) est effectue et 1979 voit louverture au public du premier rseau mondial de trans-mission de donnes par paquets X.25 (France : Transpac).

Lexplosion de la tlmatique se concrtise avec lexprience de Vlizy (1981), le Minitelenvahit les foyers domestiques. Les tlcommunications sont aujourdhui, de manire tout fait transparente, utilises journellement par tous : tlcopie, Minitel, cartes de crdit et surtoutInternet...

1.3 LA NORMALISATION

La normalisation peut tre vue comme un ensemble de rgles destines satisfaire un besoinde manire similaire. La normalisation dans un domaine technique assure une rduction descots dtude, la rationalisation de la fabrication et garantit un march plus vaste. Pour leconsommateur, la normalisation est une garantie dinterfonctionnement, dindpendance vis--vis dun fournisseur et de prennit des investissements.

En matire de tlcommunication, la normalisation est issue dorganismes divers. Dugroupement de constructeurs aux organismes internationaux, la normalisation couvre tousles domaines de la communication. Dune manire gnrale, la normalisation ne simposepas, sauf celle manant de lETSI (European Telecommunications Standard Institute) quinormalise les rseaux publics et leurs moyens daccs.

Les principaux groupements de constructeurs sont : ECMA (European Computer Manufactures Association), lorigine constitue uniquement

de constructeurs europens (Bull, Philips, Siemens...) lECMA comprend aujourdhui tousles grands constructeurs mondiaux (DEC, IBM, NEC, Unisys...). En matire de tlcommu-nications, lECMA comprend deux comits : le TC23 pour linterconnexion des systmesouverts et le TC24 pour les protocoles de communication ;

EIA (Electronic Industries Association) connue, essentiellement, pour les recommandationsRS232C, 449 et 442.Les principaux organismes nationaux auxquels participent des industriels, administrations

et utilisateurs sont : AFNOR, Association Franaise de NORmalisation, ANSI, American National Standard Institute (USA), DIN, Deutsches Institut fr Normung (Allemagne), bien connu pour sa normalisation des

connecteurs (prises DIN) ; BSI, British Standard Institute (Grande Bretagne).

Les organismes internationaux : ISO, International Standardization Organization, regroupe environ 90 pays. LISO est orga-

nise en Technical Committee (TC) environ 200, diviss en Sub-Committee (SC) eux-mmes subdiviss en Working Group (WG) ; la France y est reprsente par lAFNOR ;

CEI, Commission lectrotechnique Internationale, affilie lISO en est la branche lectri-cit ;

1.4 Principes dlaboration dune norme (ISO) 5

UIT-T, Union Internationale des Tlcommunications secteur des tlcommunications, quia succd en 1996 au CCITT (Comit Consultatif International Tlgraphie et Tlphonie),publie des recommandations. Celles-ci sont dites tous les 4 ans sous forme de recueils.Les domaines dapplication sont identifis par une lettre : V, concerne les modems et les interfaces, T, sapplique aux applications tlmatiques, X, dsigne les rseaux de transmission de donnes, I, se rapporte au RNIS, Q, intresse la tlphonie et la signalisation.LIEEE, Institute of Electrical and Electronics Enginers, socit savante constitue din-

dustriels et duniversitaires, est essentiellement connue par ses spcifications sur les bus dins-trumentation (IEEE 488) et par ses publications concernant les rseaux locaux (IEEE 802),reprises par lISO (IS 8802).

Le panorama serait incomplet si on omettait de citer lIAB, Internet Architecture Board, quia la charge de dfinir la politique long terme dInternet, tandis que lIETF (Internet Engi-neering Task Force) assure par ses publications (RFC Request For Comments) lhomognitde la communaut TCP/IP et Internet.

1.4 PRINCIPES DLABORATION DUNE NORME (ISO)

La rdaction dune norme est une succession de publications, la dure entre le projet et la publi-cation dfinitive peut tre trs longue. En effet, chaque partie tente dy dfendre ses intrtsconomiques et commerciaux. Dune manire gnrale, un projet de normalisation est forma-lis dans un document brouillon qui expose les concepts en cours de dveloppement (Draft) ;lorsque ce document arrive une forme stable, les drafts sont publis (Draft proposable),chaque pays met son avis (vote). Enfin, une forme quasi dfinitive est publie, elle constitueune base de travail pour les constructeurs (Draft International Standard). La norme appeleInternational Standard (IS) est ensuite publie.

1.5 NORMES ET AGRMENT

Gnralement, ce nest pas parce quun quipement rpond une norme que celui-ci est auto-ris, de fait, se raccorder un rseau public. En effet, loprateur public se doit de garantiraux usagers de son rseau une certaine qualit de service. Il lui appartient de vrifier quunnouvel quipement ne perturbe ni le fonctionnement du rseau sur lequel il est raccord, nidautres services tlmatiques.

Cette mesure, souvent perue comme une mesure protectionniste, est en vigueur danstous les pays. En France, cest la Direction Gnrale des Postes et Tlcommunications(ex-Direction de la Rglementation Gnrale ou DRG) qui est lorgane dhomologation desmatriels de tlcommunication.

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Chapitre 2

Linformation et sa reprsentationdans les systmes de transmission

2.1 GNRALITS

2.1.1 Les flux dinformation

Lacheminement, dans un mme rseau, dinformations aussi diffrentes que les donnes infor-matiques, la voix ou la vido implique que chacune de ces catgories dinformation ait unereprsentation identique vis--vis du systme de transmission et que le rseau puisse prendreen compte les contraintes spcifiques chaque type de flux dinformation (figure 2.1).

Voix interactiveSons

Donnesmultimdia

Donnes

Vido

Poste de travailmultimdia

Rseau de transport

Figure 2.1 Le rseau et les diffrents flux dinformation.

Afin de qualifier ces diffrents flux vis--vis du systme de transmission, nous dfinironssuccinctement les caractristiques essentielles dun rseau de transmission1. Nous examine-rons ensuite le mode de reprsentation des informations. Enfin, nous appliquerons les rsultats

1. Ces diffrentes notions seront revues et appronfondies dans la suite de cet ouvrage.

8 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

aux donnes, la voix et limage pour en dduire les contraintes de transfert spcifiques chaque type de flux.

2.1.2 Caractristiques des rseaux de transmission

Notion de dbit binaire

Les systmes de traitement de linformation emploient une logique deux tats ou binaire.Linformation traite par ceux-ci doit tre traduite en symboles comprhensibles et mani-pulables par ces systmes. Lopration qui consiste transformer les donnes en lmentsbinaires sappelle le codage ou numrisation selon le type dinformation transformer.

On appelle dbit binaire (D) le nombre dlments binaires, ou nombre de bits, mis sur lesupport de transmission pendant une unit de temps. Cest lune des caractristiques essen-tielles dun systme de transmission. Le dbit binaire sexprime par la relation :

D =Vt

avec D (dbit) en bits par seconde (bit/s2), V le volume transmettre exprim en bits et t ladure de la transmission en seconde.

Le dbit binaire mesure le nombre dlments binaires transitant sur le canal de transmissionpendant lunit de temps (figure 2.2).

Source Destination(Puits)Canal de transmission

Figure 2.2 Schmatisation dun systme de transmission.

Notion de rapport signal sur bruit

Les signaux transmis sur un canal peuvent tre perturbs par des phnomnes lectriques oulectromagntiques dsigns sous le terme gnrique de bruit. Le bruit est un phnomne quidnature le signal et introduit des erreurs.

Le rapport entre la puissance du signal transmis et celle du signal de bruit qualifie le canalvis--vis du bruit. Ce rapport, appel rapport signal sur bruit (S/N avec N pour Noise), sex-prime en dB (dcibel3) :

S/Nd B = 10 log10 S/N(en puissance)

Notion de taux derreur

Les phnomnes parasites (bruit) perturbent le canal de transmission et peuvent affecter lesinformations en modifiant un ou plusieurs bits du message transmis, introduisant ainsi des

2. Lunit officielle de dbit est le bit/s (invariable). Labrviation bps pouvant tre confondue avec byte par seconde nesera pas utilise dans cet ouvrage. Rappelons que le terme bit provient de la contraction des termes binary digit .3. Le dcibel ou dB (10e du bel) est une unit logarithmique sans dimension. Elle exprime le rapport entre deux gran-deurs de mme nature. Le rapport Signal/Bruit peut aussi sexprimer par le rapport des tensions, la valeur est alorsS/NdB = 20 log10 S/N(en tension).

2.2 Reprsentation de linformation 9

erreurs dans le message. On appelle taux derreur binaire (Te ou BER, Bit Error Rate) lerapport du nombre de bits reus en erreur au nombre de bits total transmis.

T e =Nombre de bits en erreurNombre de bits transmis

Notion de temps de transfert

Le temps de transfert, appel aussi temps de transit ou temps de latence, mesure le temps entrelmission dun bit, lentre du rseau et sa rception en sortie du rseau. Ce temps prenden compte le temps de propagation sur le ou les supports et le temps de traitement par leslments actifs du rseau (nuds). Le temps de transfert est un paramtre important prendreen compte lorsque la source et la destination ont des changes interactifs.

Pour un rseau donn, le temps de transfert nest gnralement pas une constante, il varieen fonction de la charge du rseau. Cette variation est appele gigue ou jitter.

Notion de spectre du signal

Le mathmaticien franais Joseph Fourier (1768-1830) a montr que tout signal priodiquede forme quelconque pouvait tre dcompos en une somme de signaux lmentaires sinu-sodaux (fondamental et harmoniques) autour dune valeur moyenne (composante continue)qui pouvait tre nulle. Lensemble de ces composantes forme le spectre du signal ou bande defrquence occupe par le signal (largeur de bande).

2.2 REPRSENTATION DE LINFORMATION

2.2.1 Les diffrents types dinformation

Les informations transmises peuvent tre rparties en deux grandes catgories selon cequelles reprsentent et les transformations quelles subissent pour tre traites dans lessystmes informatiques. On distingue : Les donnes discrtes, linformation correspond lassemblage dune suite dlments ind-

pendants les uns des autres (suite discontinue de valeurs) et dnombrables (ensemble fini).Par exemple, un texte est une association de mots eux-mmes composs de lettres (symboleslmentaires).

Les donnes continues ou analogiques (figure 2.3) rsultent de la variation continue dunphnomne physique : temprature, voix, image... Un capteur fournit une tension lectriqueproportionnelle lamplitude du phnomne physique analys : signal analogique (signalqui varie de manire analogue au phnomne physique). Un signal analogique peut prendreune infinit de valeurs dans un intervalle dtermin (bornes).Pour traiter ces informations par des quipements informatiques il est ncessaire de sub-

stituer chaque lment dinformation une valeur binaire reprsentative de lamplitude decelui-ci. Cette opration porte le nom de codage de linformation (codage la source) pour lesinformations discrtes et numrisation de linformation pour les informations analogiques.

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10 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

Ligne analogiqueCapteur Transducteur

Figure 2.3 Le signal analogique.

2.2.2 Codage des informations

Dfinition

Coder linformation consiste faire correspondre (bijection) chaque symbole dun alphabet(lment coder) une reprsentation binaire (mot code). Lensemble des mots codes constituele code (figure 2.4). Ces informations peuvent aussi bien tre un ensemble de commandesdune machine outil que des caractres alphanumriques... Cest ces derniers codes que nousnous intresserons. Un code alphanumrique peut contenir : Des chiffres de la numrotation usuelle [0..9] ; Des lettres de lalphabet [a..z, A..Z] ; Des symboles nationaux [, ,...] ; Des symboles de ponctuation [, ; : . ? ! ...] ; Des symboles semi-graphiques [ ] ; Des commandes ncessaires au systme [Saut de ligne, Saut de page, etc.].

A 1000001B

C

10000101000011

Code

mot code

Codage

Alphabet

Symbole coder

Figure 2.4 Principe du codage des donnes.

Les diffrents types de code

Le codage des diffrents tats dun systme peut senvisager selon deux approches. La pre-mire, la plus simple, considre que chacun des tats du systme est quiprobable. La secondeprend en compte la frquence dapparition dun tat. Cette approche conduit dfinir deuxtypes de code : les codes de longueur fixe et les codes de longueur variable.

Les codes de longueur fixe

Chaque tat du systme est cod par un certain nombre de bits, appel longueur du code,longueur du mot code ou encore code n moments.

2.2 Reprsentation de linformation 11

Avec 1 bit on peut coder 2 tats (0,1) Avec 2 bits on peut coder 4 tats (00, 01, 10, 11) Avec 3 bits on peut coder 8 tats (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)

Dune manire gnrale : Avec n bits on code 2n tats

Le nombre dtats pouvant tre cods par un code de n bits sappelle puissance lexicogra-phique du code que lon note :

P = 2n

En gnralisant, le nombre de bits ncessaires pour coder P tats est n, tel que :

2(n1) < P 2n

Le nombre de bits pour coder P symboles est donc4

n = log2 P

Ce nombre de bits (n) reprsente la quantit dinformation (Q) apporte par la connaissancedun tat du systme. Lorsque dans un systme, tous les tats sont quiprobables, la quantitdinformation apporte par la connaissance dun tat est la mme quel que soit ltat connu.Si linformation est reprsente par deux valeurs quiprobables (0 ou 1, pile ou face...), laquantit dinformation, exprime en shannon5 ou plus simplement en bit, est :

Q = log2 2 = 1 shannon ou 1 bit.Le bit est la quantit dinformation qui correspond au lever de doute entre deux symbolesquiprobables.

Lorsque tous les tats ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation est dautant plusgrande que la probabilit de ralisation de ltat est faible. Si p est la probabilit de ralisationde ltat P, la quantit dinformation apporte par la connaissance de P est :

Q = log2 1/pApplication : combien de bits sont ncessaires pour coder toutes les lettres de lalphabet etquelle est la quantit dinformation transmise par une lettre (en supposant quiprobable lap-parition de chaque lettre) ?

Le nombre de bits ncessaires, pour coder P valeurs, est donn par la relation :

2(n1) < P 2n si P = 26 on a 24 < 26 25

soit 5 bits pour coder les 26 lments.

4. Le logarithme dun nombre est la valeur par laquelle il faut lever la base pour retrouver ce nombre (n = base log N ).Le logarithme de 8 base 2 est 3 car 23 = 85. Les premiers travaux sur la thorie de linformation sont dus Nyquist (1924). La thorie de linformation fut dve-loppe par Shannon en 1949. Les principes tablis cette poque rgissent toujours les systmes de transmission delinformation.c

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12 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

La quantit dinformation, exprime en shannon ou plus simplement en bits, est donne parla relation :

Q = log2(1/p)

o p reprsente la probabilit dapparition dun symbole. Ici, p = 1/26

Q = log2(26) = 3, 32 log10(26) = 3, 32 1, 4149 = 4, 66 shannon ou bits

La quantit dinformation calcule ici correspond la valeur optimale de la longueur du codedans un systme de symboles quiprobables. Les codes usuels utilisent 5 lments (Code Bau-dot), 7 lments (Code ASCII appel aussi CCITT N 5 ou encore IA5) ou 8 lments (EBC-DIC).

Le code Baudot, code tlgraphique 5 moments ou alphabet international N 2 ou CCITTN 2, est utilis dans le rseau Tlex. Le code Baudot autorise 25 soit 32 caractres, ce quiest insuffisant pour reprsenter toutes les lettres de lalphabet (26), les chiffres (10) et lescommandes (Fin de ligne...). Deux caractres particuliers permettent la slection de deux pagesde codes soit au total une potentialit de reprsentation de 60 caractres.

Le code ASCII (figure 2.5), American Standard Code for Information Interchange, dontla premire version date de 1963, est le code gnrique des tlcommunications. Code 7 moments, il autorise 128 caractres (27). Les 32 premiers symboles correspondent descommandes utilises dans certains protocoles de transmission pour en contrler lexcution.La norme de base prvoit des adaptations aux particularits nationales (adaptation la langue).Ce code, tendu 8 moments, constitue lalphabet de base des micro-ordinateurs de type PC.Le code EBCDIC, Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, code 8 moments,dorigine IBM est utilis dans les ordinateurs du constructeur. Le code EBCDIC a, aussi, tadopt par dautres constructeurs pour leurs calculateurs tels que BULL.

1 SOH DC1 ! 11 0 2 STX DC2 " 21 1 3 ETX DC3 30 0 4 EOT DC4 $ 40 1 5 ENQ NAK % 51 0 6 ACK SYN ' 61 1 7 BEL ETB ( 70 0 8 BS CAN ) 80 1 9 HT EM . 91 0 A LF SUB :

Caractres nationaux

Jeu de commandes

Signification des caractres de commande

2.2 Reprsentation de linformation 13

Symbole SignificationACK Acknowledge Accus de rceptionBEL Bell SonnerieBS Backspace Retour arrireCAN Cancel AnnulationCR Carriage Return Retour chariotDC Device control Commande dappareil auxiliaireDEL Delete OblitrationDLE Data Link Escape Caractre dchappementEM End Medium Fin de supportENQ Enquiry DemandeEOT End Of Transmission Fin de communicationESC Escape EchappementETB End of Transmission Block Fin de bloc de transmissionETX End Of Text Fin de texteFE Format Effector Commande de mise en pageFF Form Feed Prsentation de formuleFS File Separator Sparateur de fichiersGS Group Separator Sparateur de groupesHT Horizontal Tabulation Tabulation horizontaleLF Line Feed InterligneNAK Negative Acknowledge Accus de rception ngatifNUL Null NulRS Record Separator Sparateur darticlesSI Shift IN En codeSO Shift Out Hors codeSOH Start Of Heading Dbut den-tteSP Space EspaceSTX Start Of Text Dbut den-tteSYN Synchronous idle SynchronisationTC Transmission Control Commande de transmissionUS Unit Separator Sparateur de sous-articleVT Vertical Tabulation Tabulation verticale

Figure 2.5 Le code ASCII.

Les codes de longueur variable

Lorsque les tats du systme ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation apporte parla connaissance dun tat est dautant plus grande que cet tat a une faible probabilit de seraliser. La quantit moyenne dinformation apporte par la connaissance dun tat, appeleentropie, est donne par la relation :

H =i=ni=1

pi log21pi

o pi reprsente la probabilit dapparition du symbole de rang i.Lentropie reprsente la longueur optimale du codage des symboles du systme. Dtermi-

nons la longueur optimale du code (entropie) pour le systme dcrit par le tableau ci-dessous. des fins de simplicit, chaque tat est identifi par une lettre.c D

unod

La

phot

ocop

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on

auto

rise

estu

nd

lit

14 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

tat Probabilit

E 0,48

A 0,21

S 0.12

T 0.08

U 0.06

Y 0.05

La longueur optimale du mot code :

H = (0,48 log2 0,48 + 0,21 log2 0,21 + 0,12 log2 0,12 + 0,08 log2 0,08+ 0,06 log2 0,06 + 0,05 log2 0,05)

H = 3,32[(0,48 log10 0,48 + 0,21 log10 0,21 + 0,12 log10 0,12 + 0,08 log10 0,08+ 0,06 log10 0,06 + 0,05 log10 0,05)]

H = 1, 92

Le code optimal utile est de 1,92 bit, alors que lutilisation dun code longueur fixe ncessite3 bits pour coder les 6 tats de ce systme (22 < 6 23).

Il nexiste pas de code qui permette datteindre cette limite thorique. Cependant, Huffmanintroduit en 1952 une mthode de codage qui prend en compte la frquence doccurrence destats et qui se rapproche de cette limite thorique.

Construction du code de Huffman (figure 2.6) :1. lecture complte du fichier et cration de la table des symboles ;2. classement des symboles par ordre des frquences dcroissantes (occurrence) ;3. rductions successives en rassemblant en une nouvelle occurrence les deux occurrences de

plus petite frquence ;4. loccurrence obtenue est insre dans la table et celle-ci est nouveau trie par ordre dcrois-

sant ;

5. les rductions se poursuivent jusqu ce quil ny ait plus dlment ;6. construire larbre binaire en reliant chaque occurrence la racine ;7. le codage consiste lire larbre du sommet aux feuilles en attribuant par exemple la valeur

0 aux branches basses et 1 aux branches hautes.La longueur moyenne (Lmoy) du code (figure 2.6) est de :

Lmoy = 0,48 1 + 0,21 2 + 0,12 3 + 0,08 4 + 0,06 5 + 0,05 5 = 2,13Le codage de Huffman permet de rduire le nombre de bits utiliss pour coder linformation.Dpendant du contexte, il impose, avant la transmission, dtablir une convention (Huffmanmodifi utilis en tlcopie groupe 3) ou de transmettre, avant les donnes, le contenu de latable construite par lmetteur.

2.2 Reprsentation de linformation 15

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

E48 E48 E48 48 52 100

A21 A21 A21

E

31 48

S12 S12 19 A21

T8 11 S12

U6 T8

Y5

Occurrence Code

E 0A 10S 110T 1110U 11111

Y 11110

Figure 2.6 Arbre dHuffman.

DASCII lUnicode

Le codage ASCII (7 bits) ou ISO-646 ne permet de coder que 127 caractres, il rserve 12codes pour prendre en compte les particularits nationales. Linternationalisation des commu-nications, notamment avec Internet, a mis au premier plan les problmes de codage des textes.

Une premire extension a t ralise par la norme ISO-8859-x (8 bits). ISO-8859-x utiliseles 128 premiers caractres du code ASCII, le symbole x renvoie vers des tables qui com-pltent le jeu originel de 96 caractres autorisant ainsi les critures base de caractres latins,cyrilliques, arabes, grecs et hbraques. Le codage ISO-8859-x doit tre prfr, sur Internet, tout autre code chaque fois que cela est possible.

Le dcodage dun texte ncessite quil identifie le code utilis et que le destinataire puisseinterprter ce code, ceci a conduit dfinir un code unique sur 16 ou 32 bits permettant la repr-sentation de toutes les langues du monde : lUnicode (16 bits) qui reprend les spcifications ducode ISO 10646 UCS-2 (Universal Character Set).

2.2.3 Numrisation des informations

Principe

Numriser une grandeur analogique consiste transformer la suite continue de valeurs en unesuite discrte et finie. cet effet, on prlve, des instants significatifs, un chantillon dusignal et on exprime son amplitude par rapport une chelle finie (quantification).

Le rcepteur, partir des valeurs transmises, reconstitue le signal dorigine. Une restitutionfidle du signal ncessite que soient dfinis : lintervalle dchantillonnage qui doit tre une constante du systme (frquence dchan-

tillonnage) ; lamplitude de lchelle de quantification, celle-ci doit tre suffisante pour reproduire la

dynamique du signal (diffrence damplitude entre la valeur la plus faible et la valeur laplus forte) ;

que chaque valeur obtenue soit code.

c D

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La

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16 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

La figure 2.7 reprsente les diffrentes tapes de la numrisation du signal. intervallergulier (priode dchantillonnage), on prlve une fraction du signal (chantillon). Puis,on fait correspondre lamplitude de chaque chantillon une valeur (quantification), cettevaleur est ensuite transforme en valeur binaire (codification).

Signal numriser

Instants dchantillonnage

t

Echantillons8

9

6

4

8

1211

8 9 6 4 8 12 11

Quantification

Codage et transmission

Echelle dequantification

Figure 2.7 Numrisation dun signal analogique.

La quantification dfinit des valeurs en escalier (par bond) alors que le phnomne quanti-fier varie de faon continue. Aussi, quel que soit le nombre de niveaux utiliss, une approxima-tion est ncessaire, celle-ci introduit une erreur dite de quantification ou bruit de quantificationqui est la diffrence entre la valeur relle de lchantillon et la valeur quantifie.

Pour reproduire correctement le signal larrive, le rcepteur doit disposer dun minimumdchantillons. Il existe donc une relation troite entre la frquence maximale des variationsdu signal discrtiser et le nombre dchantillons prlever.

Soit un signal dont le spectre est limit et dont la borne suprieure vaut Fmax, Shannon amontr que si Fe est la frquence dchantillonnage, le spectre du signal chantillonn est ledouble de Fmax et est centr autour de Fe, 2Fe... nFe. Par consquent, pour viter tout recouvre-ment de spectre, le signal chantillonner doit tre born (filtre) une frquence suprieuretelle que Fmax soit infrieure la moiti de lintervalle dcartement des spectres (Fe). Lafigure 2.8 illustre cette relation appele relation de Shannon.

-Fmax +Fmax

Fe

-Fmax +Fmax

2Fe

+Fmax

Spectre dusignal origine

Spectre du signal chantillonn

Frquences

Figure 2.8 Spectre dchantillonnage.

On en dduit que la frquence minimale dchantillonnage (frquence de Nyquist) dunsignal doit tre le double de la frquence maximale du signal chantillonner :

Fchantillon 2 Fmax du signal

2.2 Reprsentation de linformation 17

Echantillonneur QuantificateurFiltre

Fmax

...0101 Signalnumrique

Signalanalogique

Figure 2.9 Structure lmentaire dun convertisseur analogique/numrique.

Application la voix

Un canal tlphonique utilise une plage de frquence ou Bande Passante (BP) allant de 300 Hz 3 400 Hz. Si on prend 4 000 Hz comme frquence maximale reproduire, la frquencedchantillonnage minimale est de :

Fe 2 Fmax = 2 4 000 = 8 000 Hz

Soit 8 000 chantillons par seconde, ce qui correspond, pour chaque chantillon une durede 125 ms (1/8 000). Pour une restitution correcte (dynamique6 et rapport signal bruit), lavoix devrait tre quantifie sur 12 bits (4 096 niveaux). Les contraintes de transmission enrapport avec le dbit conduisent rduire cette bande. Lutilisation dune loi quantificationlogarithmique permet de ramener la reprsentation numrique de la voix 8 bits (7 bits pourlamplitude et un bit de signe), tout en conservant une qualit de reproduction similaire celleobtenue avec une quantification linaire sur 12 bits. Cette opration dite de compression estdiffrente en Europe (loi A) et en Amrique du Nord (loi m). En codant chaque chantillon sur8 bits, il est ncessaire dcouler :

8 000 8 = 64 000 bits par seconde sur le lien

Ce qui correspond un dbit de 64 000 bit/s. Ce choix correspond celui du RNIS (RseauNumrique Intgration de Service ou ISDN, Integrated Service Digital Network) qui utilisedes voies 64 kbit/s.

Le codage de limage vido

La voix est un phnomne vibratoire, loreille peroit des variations de pression successivesquelle interprte. Limage est interprte globalement par lil alors quelle ne peut tretransmise et reproduite que squentiellement. La discrtisation de limage ncessite 2 tapes :dabord une transformation espace/temps qui se concrtise par une analyse de celle-ci, lignepar ligne, puis une dcomposition de chaque ligne en points, enfin la quantification de la valeurlumineuse du point, valeur qui est ensuite transmise.

Une image colore peut tre analyse selon 3 couleurs dites primaires de longueur donde(l) dtermine. Pour reconstituer limage dorigine, il suffit de superposer les trois images,cest la synthse additive. La figure 2.10 reprsente le principe de la synthse additive, ledosage de chacune des sources lumineuses permet de reproduire toutes les couleurs.

6. La dynamique exprime le rapport entre les puissances maximale et minimale du signal.c D

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18 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

r = 0,700m

v = 0,546mb = 0,436m

Rouge

Bleu Vert

Magenta Jaune

Blanc

Cyan

BR

V

Figure 2.10 La synthse additive.

Chaque point de limage est reprsent par deux grandeurs, la luminance et la chromi-nance. La chrominance, ou information de couleur, est le rsultat de la superposition detrois couleurs dites primaires (figure 2.10). Ces deux grandeurs sont relies entre elles par larelation :

Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 Bo : Y est la luminance (chelle des gris),

R lintensit de la composante de lumire rouge,V celle de lumire verte,B celle de lumire bleue.

Limage est dite RVB ou RGB (Red, Green, Blue), du nom des trois couleurs primairesRouge, Vert, Bleu. En tlvision, pour assurer la compatibilit avec les tlviseurs mono-chromes, il nous faut transmettre, en plus des informations de chrominance, les informationsde luminance (chelle des gris).

Les diffrentes caractristiques dune image vido constituent un standard. Les paramtresde ces standards sont : le format de limage, lorigine le mme format que le cinma (4/3), aujourdhui on volue

vers un format plus large (16/9) ; le nombre dimages par seconde dtermin en fonction de la frquence du rseau lec-

trique pour viter des effets stroboscopiques, en Europe 25 images/seconde7, aux USA30 images/seconde ;

7. Pour augmenter la frquence de rafrachissement de limage, sans augmenter la bande passante ncssaire, lanalyse etla reproduction se font par demi-image. La premire demi-image analyse les lignes impaires, la seconde les lignes paires.Limage est donc reproduite raison de 50 demi-images par seconde.

2.2 Reprsentation de linformation 19

le nombre de lignes a t fix pour qu une distance de vision normale deux lignes cons-cutives ne soient pas distingues (les deux lignes doivent tre vues sous un angle de moinsdune minute) ;

le nombre de points par ligne dfini pour que la dfinition horizontale soit identique ladfinition verticale.Le standard dune image de tlvision numrique au format europen (625 lignes, 25 Hz)

est caractris par : le nombre de lignes utiles par image fix 576 ; le nombre de points par ligne dfini 7208. le nombre dimages par seconde dtermin 25 images (25 Hz).

Seuls sont transmis : la luminance (Y), pour la compatibilit avec les rcepteurs mono-chromes, et les signaux de chrominance B (Bleu) et R (Rouge)9. La connaissance de ces troisgrandeurs est ncessaire et suffisante pour reconstituer la quatrime : V (Vert). Lil ne perce-vant pas la couleur dans les dtails, on se satisfait dune dfinition moindre pour linformationcouleur que pour linformation monochrome (noir et blanc).

Ainsi, on transmet : 720 points par ligne pour le signal Y ; 360 points pour chacune des couleurs B et R ;

Au total 1 440 points lmentaires par ligne sont analyss. En se contentant dune quantifi-cation sur 255 niveaux (8 bits, soit 16 millions de couleurs), le nombre de bits ncessaires lareconstitution de limage (576 lignes) est donc de :

N (bits) = 1 440 8 576 = 6 635 520 bits

raison de 25 images par seconde (50 demi-images), il faut, pour transmettre une imageanime, un dbit minimal de :

Dmin = 6 635 520 25 = 166 Mbit/s.

Ce dbit est actuellement difficilement ralisable sur les supports de transmission courants.Pour effectuer correctement une transmission dimages animes numrises, on utilise destechniques particulires de quantification et de compression. Un groupe de travail commun lISO et la CEI (Commission lectrotechnique Internationale), le Motion Picture ExpertGroup (MPEG), est charg de dfinir les algorithmes normaliss de compression de son etdimages vido.

8. titre de comparaison : le magntoscope VHS 250 points/ligne, le magntoscope SVHS 400 points/ligne,le DVD vido 500 points/ligne.9. On ne transmet pas directement les informations de chrominance, mais les signaux dits de diffrence de couleur Dr= R Y, Db = B Y, Dv = V Y. Dans ces conditions, lamplitude du signal V tant la plus importante, la valeur Dv est laplus faible, donc la plus sensible aux bruits de transmission. Cest cette analyse qui a conduit au choix de Dr et Db commesignaux transmettre.c

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20 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

2.3 LA COMPRESSION DE DONNES

2.3.1 Gnralits

Si on nglige le temps de propagation du message sur le support, le temps de transmission outemps de transfert dun message a pour expression :

Tt = Longueur du message en bits/dbit de la liaison

Pour un mme contenu smantique, ce temps sera dautant plus faible que la longueur du mes-sage sera petite ou que le dbit sera lev. Laugmentation du dbit se heurte des problmestechnologiques et de cots. Il peut donc tre intressant de rduire la longueur du message sansen altrer le contenu (la smantique) : cest la compression de donnes.

Les techniques de compression se rpartissent en deux familles : les algorithmes rversiblesou sans perte et les algorithmes irrversibles dits avec perte. Les premiers restituent liden-tique les donnes originelles. Ils sappliquent aux donnes informatiques. Le taux de compres-sion obtenu est voisin de 2. Les seconds, dits aussi codes rduction de bande, autorisent destaux de compression pouvant atteindre plusieurs centaines au dtriment de la fidlit de resti-tution. Utiliss pour la voix et limage, ils sapparentent plus des procds de codage qudes techniques de compression.

2.3.2 Quantification de la compression

La compression se quantifie selon trois grandeurs10 : le quotient de compression, le taux decompression et le gain de compression.

Le quotient de compression (Q) exprime le rapport entre la taille des donnes non compres-ses la taille des donnes compresses.

Q = Taille avant compressionTaille aprs compression

Le taux de compression (T) est linverse du quotient de compression.T = 1/Q

Enfin, le gain de compression, exprime en % la rduction de la taille des donnes.

G = (1 T ) 100

2.3.3 La compression sans perte

Compression dun ensemble fini de symboles quiprobables

Quand le nombre de symboles appartient un ensemble fini, par exemple un catalogue deproduits, on peut substituer au symbole un code (rfrence du produit, code derreur...). Cettetechnique appartient lorganisation des donnes.

10. En toute rigueur, les grandeurs dfinies ci-aprs ne sont valables que pour les algorithmes de compression sans perte.En effet, pour les algorithmes avec perte, il y a rduction dinformation et non compression. Cependant, lusage tend cesquantifications aux deux types de compression.

2.3 La compression de donnes 21

La compression de symboles non quiprobables

De nombreuses techniques permettent de rduire la taille de donnes quelconques. Les troisprincipales sont : Le Run Length Encoding (RLE) qui consiste remplacer une suite de caractres identiques

par le nombre doccurrences de ce caractre, on obtient des squences du type : chappe-ment/Nombre/Caractre, par exemple la squence @10A peut signifier, 10 A conscutifs.Ce codage, peu efficace, pour le texte est utilis pour compresser les images et les fichiersbinaires, notamment par MacPaint (Apple).

Le codage dHuffman ou codage dentropie substitue un code de longueur fixe un codede longueur variable. Ncessitant une lecture pralable du fichier et lenvoi du dictionnairede codage, le code de Huffman est peu efficace. Utilis en tlcopie G3, le code de Huffmanmodifi (HM) associe, partir dun dictionnaire prconstitu, un mot binaire une squencede points.

Le codage par substitution remplace une squence de caractres prdifinies par un code.Le dictionnaire ncessaire au codage et au dcodage est construit dynamiquement. Nontransmis il est reconstitu en rception. Connu sous le nom de Lempel-Ziv-Welch (LZW),il est utilis dans les utilitaires de compression PKZIP, ARJ et dans les modems (V.42bis).

2.3.4 Les codages rduction de bande

Le codage de la voix

La numrisation de la voix selon le procd MIC (Modulation par Impulsion et Codage ouPCM, Pulse Code Modulation) est adopte dans tous les rseaux tlphoniques. Cependant,une reproduction correcte de la voix ncessite une quantification sur 12 bits (voir section2.2.3.2). Cette quantification linaire introduit un rapport signal bruit dautant plus dfa-vorable que la valeur du signal est faible. Cette observation et la ncessit de rduire la bandeont conduit adopter des lois de quantification logarithmique.

Ces lois autorisent un codage sur 8 bits avec un rapport signal bruit pratiquement qui-valent une quantification linaire sur 12 bits. La figure 2.11 reprsente la partie positive de laloi A. La loi A, utilise en Europe, divise lespace de quantification en 8 intervalles. Chaqueintervalle de quantification (sauf les deux premiers) est le double du prcdent. lintrieurde chaque intervalle, on opre une quantification linaire sur 16 niveaux. Ainsi, un chantillonest reprsent par 8 bits (figure 2.11) : le premier indique la polarit du signal (P), les trois suivants identifient le segment de quantification (S), enfin, les quatre derniers reprsentent la valeur dans le segment (V).

En tlphonie mobile et dans les rseaux en mode paquets (voix sur Frame Relay ou sur IP),afin de gagner en bande passante, la voix subit une opration complmentaire de compression.La technique la plus simple, lADPCM11 (Adaptative Differential Pulse Code Modulation)

11. LADPCM64 autorise une bande de 7 kHz pour un dbit de 64 kbit/s, il peut tre mis en uvre dans la tlphonienumrique sur RNIS (Rseau Numrique Intgration de Service).c

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22 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

code, non la valeur absolue de lchantillon, mais son cart par rapport au prcdent. Destechniques plus labores prdisent la valeur future partir des 4 derniers chantillons (CELP,Code Excited Linear Prediction).

P S S S V V V V

Codage dun chantillon

0

1

2

3

4

5

6

7

Se

gm

en

t

y

yA

A.x

1+ ln Apour 0 < x < 1

Aet

1+ lnA.x

1+ ln Apour x > 1 avec A = 87,6

Amplitude

Figure 2.11 La loi de codage A.

La figure 2.12 compare diffrents algorithmes de compression en fonction du dbit quilsncessitent et de la qualit de restitution de la parole. La norme G.711 est utilise dans latlphonie fixe traditionnelle. La norme G.729 est mise en uvre dans la voix sur IP, ellemodlise la voix humaine par lutilisation de filtres.

64

32

24

16

8

LCP8

ADPCM 16

G.726

ADPCM 24

G.725

ADPCM 32

G.723

PCM 64

G.711

LDCELP 16

G.728

CS-ACELP 8

G.729

inacceptable acceptable Numris

Qualit

Bandencessaire

Figure 2.12 Les diffrents algorithmes de compression du son.

2.3 La compression de donnes 23

Le codage de limage

Gnralits

La transmission dimages ncessite une largeur de bande importante. Les mthodes de com-pression efficaces prennent en compte les spcificits de linformation transmise, elles mettent profit les imperfections de la vision pour rduire la quantit dinformation transmettre.Diffrentes techniques peuvent tre mises en uvre : la quantification scalaire nattribue pas la mme importance chaque niveau du signal trans-

mis. En recherchant une rpartition optimale des niveaux de quantification, on peut rduirela bande ncessaire ;

la quantification vectorielle est une extension de la mthode prcdente, elle opre une quan-tification sur des blocs (dpendance spatiale entre pixels) ;

les mthodes prdictives tentent, partir de la valeur des points voisins, de dterminer lavaleur du point courant ;

les mthodes compensation de mouvements ne transmettent au temps t que la diffrenceentre limage actuelle et limage prcdente (t 1) ;

la croissance rapide des puissances de calcul des machines modernes laisse prvoir un aveniraux mthodes mathmatiques (fractales, ondelettes).Les normes de compression dimages animes (MPEG-1 novembre 1992, MPEG-2 mars

1994, MPEG-4 fin 1998 Moving Picture Expert Group) procdent des principes prc-dents et autorisent des images de qualit VHS (MPEG-1) et de qualit TV (720 480 30 images/seconde pour le systme NTSC12 et 720 576 25 images/seconde pour le sys-tme PAL13) pour la norme MPEG-2. MPEG-2 cre un flux binaire dont le dbit varie de 10 15 Mbit/s selon le contenu des images.

Principe de la compression MPEG

Les informations contenues dans un flux MPEG permettent de reconstituer compltementune squence vido. La figure 2.13 reprsente la structure fonctionnelle dun dcodeurMPEG. Aprs dcodage et sparation des informations, le dcodeur MPEG comporte troissous-systmes : le sous-systme de traitement des images, le sous-systme de traitement duson associ et enfin le sous-systme de synchronisation.

Le standard MPEG repose essentiellement sur la prdiction dimages, il spcifie trois typesdimages : Les images de rfrence ou Intra Pictures (Images I), ces images sont codes indpendam-

ment du contexte, seul intervient leur contenu. Elles constituent des points de rfrences partir desquels les autres images sont construites.

Les images prdites ou Predicted Pictures (Images P), ces images sont codes par rapport une trame I ou P prcdente. Elles mettent en uvre les techniques de compensation demouvements.

12. NTSC, (National Television System Committee ) Premier grand systme de tlvison couleur (1950) utilis aux EtatsUnis et au Japon.13. PAL (Phase Alternance Line), systme de tlvison couleur dorigine allemande.c

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24 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

Dcodeur MPEG Synchronisation

Dcodeur Son

Dcodeur Vido

FluxMPEG

Figure 2.13 Structure fonctionnelle dun dcodeur MPEG.

Enfin, les images bidirectionnelles ou Bidirectional Pictures (Images B), ces images sontdduites non seulement de la prcdente, mais aussi de la suivante (prdiction arrire etavant). En effet, sil est possible de prvoir dans limage N, daprs limage N 1, ce quunsujet en mouvement va recouvrir, il nest pas possible destimer ce quil va dcouvrir. cette fin, cette image utilise limage N + 1 de type I ou P. Ce qui implique un retard dans latransmission, retard sans importance, limage tlvisuelle nayant aucune interactivit avecle tlspectateur.Des informations temporelles (modulo 24 heures) sont transmises pour mettre lheure

lhorloge du dcodeur (33 bits). chaque image code est associe une marque temporelleutilise par le systme pour dfinir quel moment il doit afficher limage.

B1I0 B2 P3 B4 B5 P6 ...

Figure 2.14 Principe de la prdiction dimages dans MPEG.

2.4 NOTION DE QUALIT DE SERVICE

2.4.1 Donnes et contraintes de transmission

Les communications traitent des flux numriques et non des informations. Cependant, selon letype de donnes les contraintes en termes de dbit (volume), de temporalit (temps de transfertet variation de celui-ci) et fiabilit (taux derreur) diffrent.

Ainsi, un transfert de fichier est dfini par un flux binaire constant, il requiert un dbit relati-vement important et est trs peu sensible au temps de transmission. Plus exigeante en terme detemps de transfert (interactivit), les applications informatiques de type conversationnel sontcaractrises par la sporadicit des flux quelles soumettent au systme de transmission.

Moins sensible aux erreurs, la voix et la vido ont des exigences strictes en matire de dbit(dbit minimal garanti), de temps de transfert et surtout de rcurrence temporelle (gigue),

2.4 Notion de qualit de service 25

elles sont qualifies de donnes isochrones14. La compression opre sur ces types de donnesengendre des flux variables. Le tableau de la figure 2.15 rsume ces diffrentes caractristiques.

Type de transfert Type de dbit Dbit requisSensibilit au

temps de transfertSensibilit aux

erreurs

Voix Constant, Faible leve (Isochrone) Faible

Voix compresse Variable Faible leve (Isochrone) Faible

Vido non compresse Constant leve leve (Isochrone) Faible

Vido compresse Variable leve leve (Isochrone) Faible

Transactionnel ettransfert de fichiers

En rafale (Bursty) Moyenne leve Faible leve

Interconnexion derseaux locaux

En rafale, dbit dela source lev

leve Faible leve

Figure 2.15 Types de donnes et contraintes de transmission.

2.4.2 Les classes de service

Pour garantir un transfert de donnes qui respecte les contraintes spcifiques chaque typede flux de donnes (transparence smantique et/ou la transparence temporelle), cest--diregarantir une certaine qualit de service ou QoS (Quality of Service), le rseau de transport doitdterminer un chemin travers le rseau qui permette le respect de ces exigences.

Il existe essentiellement deux modes de sollicitation de la qualit de service. La premireconsiste faire prcder le transfert de donnes de ltablissement dun chemin privilgi. Laseconde consiste simplement marquer le flux et lacheminer en fonction des informationsde QoS contenues dans chaque bloc de donnes.

Compte tenu de la combinatoire possible entre les diffrents lments de qualit de service,ces derniers ont t regroups en profils. Cest la notion de classe de service (CoS, Classeof Service). Plusieurs classifications de CoS ont t dfinies. La classification formule parlATM15 Forum est aujourdhui la seule utilise. Les classes de service se rpartissent en deuxcatgories, celles qui requirent une qualit de service multiple (multiservice) comme les appli-cations voix et vido et celles de la qualit donnes dont les exigences sont moindres. Lesclasses de service permettent lutilisateur de spcifier ses besoins (contrat de service). Letableau de la figure 2.16 fournit une description succincte des diffrentes classes de service.

La classe de service CBR (Constant Bit Rate ou DBR, Deterministe Bit Rate) dfinit unraccordement dbit constant. Elle est destine aux applications de type voix ou vido noncompresses.

La classe VBR (Variable Bit Rate ou SBR, Statistical Bit Rate) sapplique aux trafics spora-diques, la connexion dfinit un dbit minimal et un dbit maximal. Pour les applications temps

14. Isochrone : se dit des flux de donnes dans lesquels lcart de temps entre deux informations successives doit treconstant. Au cas o le rseau de transmission introduirait un dcalage, un mcanisme spcifique doit tre mis en uvrepar le rcepteur.15. ATM, Asynchronous Transfer Mode ou Mode de Transfert Asynchrone. ATM est une technique dacheminement desdonnes tudie spcifiquement pour pouvoir couler les flux voix, donnes et images.c

Dun

od

Laph

otoc

opie

no

nau

toris

ees

tun

dlit

26 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

Services Noms Caractristiques Application types

CBR Constant Bit Rate Dbit constant Flux isochrone Voix, vido non compresse

VBR-rtVariable Bit Ratereal time

Dbit variableFlux isochrone

Applications audio et vido com-presses

VBR-nrtVariable Bit Ratenon real time

Dbit variable mais prvisible Application de type transactionnel

ABR Available Bit RateDbit sporadiqueSans contrainte temporelle

Interconnexion de rseaux locaux

UBR Unspecified Bit RateTrafic non spcifiBest Effort

Messagerie, sauvegarde distance(remote backup)

Figure 2.16 Les classes de service de lATM Forum.

rel (VBR-rt, VBR Real Time), les variations maximales du dlai de transfert sont fixes laconnexion. La classe VBR correspond aux applications de type voix ou vido compresses.

Les classes CBR et VBR garantissent aux applications une certaine qualit de service, lerseau devant sadapter aux besoins des applications. Certaines applications, notamment lesapplications de type donnes, sont moins exigeantes en terme de dbit. Afin de mieux utiliserles capacits du rseau, il semble prfrable que ce soient les applications qui sadaptent auxcapacits de transfert de ce dernier et non linverse. La classe de service ABR (AvailableBit Rate) ne spcifie, la connexion, quun dbit minimal et maximal, il ny a aucun dbitmoyen garanti, les applications utilisent le dbit disponible sur le rseau (entre les deux bornesprdfinies).

De mme, une classe de service de type datagramme16 ou best effort a t dfinie : lUBR(Unspeciefied Bit Rate). LUBR ne fournit aucune garantie ni de dbit ni de remise des don-nes. Si ltat du rseau le permet, toutes les donnes introduites dans le rseau sont transmises,en cas de saturation du rseau elles sont limines.

2.4.3 Conclusion

La notion de qualit de service est au cur de la recherche de nouveaux protocoles et des dve-loppements des rseaux. Des solutions ont t apportes ce problme dans les protocoles dedernires gnrations tels quATM (Asynchronous Transfer Mode), tandis que les protocolesplus anciens comme TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) ont t adap-ts et enrichis pour en tenir compte.

16. Un datagramme est une unit de donnes constituant un tout et achemin tel quel sur le rseau sans aucune garantiede dlivrance.

Exercices 27

EXERCICES

Exercice 2.1 Code ASCII, Algorithme de changement de casseDonner lalgorithme qui transforme la chane (String) code en ASCII : Chaine = "IL FAITBEAU", en chane : ASCII Chaine = "il fait beau", en pseudo-code et dans le langage de votrechoix (Pascal, C).

Exercice 2.2 Codage de HuffmanDeux terminaux informatiques schangent des messages de longueur moyenne gale 2 000 caractres. Ces caractres, clairement identifis (A, F, O, R, U, W), apparaissent avecdes probabilits respectives suivantes : 0,23 - 0,09 - 0,30 - 0,19 - 0,14 - 0,05.On vous demande : de dterminer la longueur du code idal ; de construire larbre dHuffman, puis de donner le code correspondant pour chacun des

caractres ainsi que le nombre de bits du message ainsi cod ; de calculer la longueur moyenne du code tabli ; dvaluer le taux de compression obtenu par rapport au code Baudot ; enfin, sachant que le signal est transmis sur un support dont le dbit de 4 800 bit/s, quel est

le temps de transmission du message cod en ASCII et selon le code que vous aurez tabli ?

Exercice 2.3 TlcopieurDans un tlcopieur, un scanner analyse limage ligne par ligne (balayage horizontal). Chaqueligne est dcoupe en un certain nombre de points (pixel). Lanalyse de la ligne se traduitpar une suite, plus ou moins longue, de zones blanches ou noires (squence). La redondancedinformation peut tre rduite en ne transmettant que les informations de longueur et non lessquences elles-mmes. Le codage des informations, en tlcopie groupe 3, utilise le principedu code Huffman (code longueur variable) appel : code Huffman Modifi (HM). chaquelongueur de squence de blancs ou de noirs est associe un mot binaire unique. Sur ce principe,on vous demande de coder en Huffman le texte ci-dessous (figure 2.17).

Figure 2.17 Page coder en Huffman.

c D

unod

La

phot

ocop

ien

on

auto

rise

estu

nd

lit

28 Exercices

Exercice 2.4 Numrisation du sonLes CD audios chantillonnent le son 44,1 kHz et le quantifient sur 16 bits. Pour amliorerla qualit de restitution, deux nouvelles technologies saffrontent. Le DVD audio qui chan-tillonne 192 kHz et quantifie sur 24 bits, tandis que le SACD analyse le son raison de2,8224 MHz et quantifie la variation sur 1 bit. On vous demande de calculer : le dbit ncessaire pour quune ligne transmette en temps rel les flux audios ; en ngligeant les donnes de service (correction derreur, index...), le volume stocker pour

une uvre musicale dune dure dune heure.

Exercice 2.5 Numrisation et dbit binaireLa tlvision analogique occupe une largeur de bande de 6,75 MHz pour linformation deluminance et une bande rduite de moiti pour les informations de chrominance. Chaque signaltant quantifi sur 8 bits, on vous demande : Quel dbit binaire serait ncessaire pour transmettre ces images numrises ? Quel serait le nombre de couleurs de limage ainsi numrise ?

Exercice 2.6 Rapport signal bruit et loi de quantification ALa loi de quantification logarithmique A permet dobtenir un rapport signal bruit pratique-ment constant sur tout lespace de quantification. En tablissant pour chaque segment de quan-tification