réseaux et télécoms

1. 19,5x25 Page I Jeudi, 22. juin 2006 12:02 12 RSEAUX ET TLCOMS

2. 19,5x25 Page II Jeudi, 22. juin 2006 12:02 12

3. 19,5x25 Page III Jeudi, 22. juin 2006 12:02 12 RSEAUX ET TLCOMS Cours et exercices corrigs Claude Servin Charg de cours au CNAM de Paris et en coles dingnieur Ancien responsable tlcom au ministre de la Dfense Prface de Jean-Pierre Arnaud Professeur au CNAM

4. Ce pictogramme mrite une explication. Son objet est dalerter le lecteur sur la menace que reprsente pour lavenir de lcrit, particulirement dans le domaine de ldition technique et universitaire, le dveloppement massif du photocopillage. Le Code de la proprit intellectuelle du 1er juillet 1992 interdit en effet expressment la photocopie usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique sest gnralise dans les tablissements denseignement suprieur, provoquant une baisse brutale des achats de livres et de revues, au point que la possibilit mme pour les auteurs de crer des uvres nouvelles et de les faire diter correctement est aujourdhui menace. Nous rappelons donc que toute reproduction, partielle ou totale, de la prsente publication est interdite sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie (CFC, 20 rue des GrandsAugustins, 75006 Paris). Nouveau tirage corrig Dunod, Paris, 2003 ISBN 2 10 007986 7 Toute reprsentation ou reproduction intgrale ou partielle faite sans le consentement de lauteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la proprit intellectuelle (Art L 122-4) et constitue une contrefaon rprime par le Code pnal. Seules sont autorises (Art L 122-5) les copies ou reproductions strictement rserves lusage priv du copiste et non destines une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifies par le caractre critique, pdagogique ou dinformation de luvre laquelle elles sont incorpores, sous rserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L 122-10 L 122-12 du mme Code, relatives la reproduction par reprographie.

5. Prface Le domaine des Tlcommunications et des Rseaux est en pleine effervescence, chaque semaine qui scoule apporte sa moisson de nouvelles offres, dannonces et de propositions de norme. Confront ce ux incessant de nouveauts, le praticien doit faire des choix qui savreront stratgiques pour lentreprise et structurants pour lavenir de son systme dinformation. Cest dire limportance de disposer de bases solides, seules aptes valuer sainement la pertinence des solutions proposes par les constructeurs de matriels et les diteurs de logiciels. Encore faut-il sentendre sur la constitution de cette base : il ne sagit pas damasser des connaissances plus ou moins vagues ou plus ou moins utiles, mais de construire un socle sur lequel pourra sappuyer une rexion personnelle. Dans la conjoncture actuelle, il nest gure de tche plus utile que de transmettre ces connaissances et denseigner les mthodes qui permettent den tirer prot. Lvolution technologique imposait une nouvelle dition des ouvrages de Claude Servin. Pour distinguer ce qui, dans cette multitude dvolutions, est sufsamment assur pour mriter dtre enseign, il fallait la pratique du terrain dun homme de rseaux. Il fallait aussi allier cette exprience de 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 un intrt tout particulier. Ses lecteurs apprcieront une prsentation simple des concepts les plus fondamentaux, dbarrasss de tout hermtisme et orients vers laction et lingnierie, sans cder 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 enseignements dispenss au Conservatoire National des Arts et Mtiers (CNAM) et de jouer le rle de pivot vers des enseignements plus spcialiss. Dj insr dans le monde du travail, le public du CNAM est exigeant, il vient y chercher une mise en perspective et une rigueur sans faille. Il ne saurait se satisfaire de lautorit dun enseignant qui ne pourrait faire preuve de sa capacit matriser les enjeux technologiques actuels. 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

6. VI Prface le lecteur trouvera la lecture de cet ouvrage un intrt soutenu et quil sera son compagnon pendant encore de longues annes. Les manuels denseignement auxquels on continue de se rfrer une fois entr dans la vie active ne sont pas si nombreux : ayant personnellement lexprience de la direction de socits dans le domaine des rseaux, je ne saurais faire cet ouvrage un meilleur compliment que de dire quil fait partie de ceux-l. Jean-Pierre ARNAUD Professeur au Conservatoire National des Arts et Mtiers Titulaire de la chaire de Rseaux

7. Table des matires PRFACE DE JEAN-PIERRE ARNAUD AVANT-PROPOS V XXV CHAPITRE 1 HISTORIQUE ET NORMALISATION 1 1.1 Objet des tlcommunications 1 1.2 Bref historique 3 1.3 La normalisation 4 1.4 Principes dlaboration dune norme (ISO) 5 1.5 Normes et agrment 5 CHAPITRE 2 LINFORMATION ET SA REPRSENTATION DANS LES SYSTMES DE TRANSMISSION 7 2.1 Gnralits 7 2.1.1 Les ux dinformation 7 2.1.2 Caractristiques des rseaux de transmission 8 2.2 9 2.2.1 Les diffrents types dinformation 9 2.2.2 Codage des informations 10 2.2.3 2.3 Reprsentation de linformation Numrisation des informations 15 La compression de donnes 20 2.3.1 Gnralits 20 2.3.2 Quantication de la compression 20 2.3.3 La compression sans perte 20 2.3.4 Les codages rduction de bande 21

8. VIII 2.4 Table des matires Notion de qualit de service 24 2.4.1 Donnes et contraintes de transmission 24 2.4.2 Les classes de service 25 2.4.3 Conclusion 26 EXERCICES 27 CHAPITRE 3 LMENTS DE BASE DE LA TRANSMISSION DE DONNES 29 3.1 Classication en fonction du mode de contrle de lchange 29 3.1.1 Selon lorganisation des changes 29 3.1.2 Selon le mode de liaison 30 3.1.3 Les modes de contrle de la liaison 31 Classication en fonction des paramtres physiques 32 3.2.1 Transmission parallle, transmission srie 32 3.2.2 Transmission asynchrone, transmission synchrone 34 3.2.3 Selon le mode de transmission lectrique 40 3.2 3.3 Principe dune liaison de donnes 41 EXERCICES 43 CHAPITRE 4 LES SUPPORTS DE TRANSMISSION 45 4.1 Caractristiques des supports de transmission 46 4.1.1 Bande passante et systme de transmission 46 4.1.2 Impdance caractristique 49 4.1.3 Coefcient de vlocit 51 4.2 51 4.2.1 La paire torsade 51 4.2.2 Le cble coaxial 54 4.2.3 La bre optique 55 4.2.4 4.3 Les supports guids Les liaisons hertziennes 59 Conclusion 63 EXERCICES 64 CHAPITRE 5 LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION 67 5.1 Gnralits 67 5.2 La transmission en bande de base 68 5.2.1 Dnitions 68 5.2.2 Fonctions dun codeur/dcodeur en bande de base 69 5.2.3 Les principaux codes utiliss 69 5.2.4 Le codeur bande de base ou metteur rcepteur en bande de base 73 5.2.5 Limitations de la transmission en bande de base 74

9. Table des matires IX 5.3 La transmission en large bande 78 5.3.1 Principe 78 5.3.2 Les liaisons full duplex 83 5.3.3 Dispositifs complmentaires 84 5.3.4 Exemples de modem 87 5.3.5 Principaux avis du CCITT 89 5.4 90 5.4.1 Ncessit de dnir une interface standard 90 5.4.2 5.5 La jonction DTE/DCE ou interface Les principales interfaces 91 Conclusion 99 EXERCICES 100 CHAPITRE 6 NOTIONS DE PROTOCOLES 103 6.1 La dlimitation des donnes 104 6.1.1 Notion de fanion 104 6.1.2 Notion de transparence 104 6.2 105 6.2.1 Notion derreur 105 6.2.2 Dtection derreur par cl calcule 107 6.2.3 6.3 Le contrle dintgrit Les codes autocorrecteurs 113 114 6.3.1 Du mode Send and Wait aux protocoles anticipation 114 6.3.2 Le contrle de ux 123 126 Dnition 126 6.4.2 La signalisation dans la bande 127 6.4.3 6.5 La signalisation 6.4.1 c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 6.4 Le contrle de lchange La signalisation hors bande 127 129 6.5.1 Gnralits 129 6.5.2 Structure de la trame HDLC 130 6.5.3 Les diffrentes fonctions de la trame HDLC 130 6.5.4 Fonctionnement dHDLC 133 6.5.5 Les diffrentes versions du protocole HDLC 137 6.5.6 6.6 tude succincte dun protocole de transmission (HDLC) HDLC et les environnements multiprotocoles 137 Conclusion EXERCICES 138 139

10. X Table des matires CHAPITRE 7 LA MUTUALISATION DES RESSOURCES 141 7.1 La quantication de trac 141 7.1.1 Gnralits 141 7.1.2 Intensit de trac et taux dactivit 142 7.2 Les concentrateurs 144 7.2.1 7.3 Principe 144 7.2.2 Fonctionnalits complmentaires, exemple dapplication 145 Les multiplexeurs 146 7.3.1 Principe 146 7.3.2 Le multiplexage spatial 147 7.3.3 7.4 Le multiplexage temporel 149 7.3.4 Comparaison multiplexeur/concentrateur 153 Conclusion 154 EXERCICES 155 CHAPITRE 8 LE CONCEPT DE RSEAU 157 8.1 gnralits 157 8.1.1 Dnitions 157 8.1.2 Classication des rseaux 158 8.1.3 Topologies physiques des rseaux 159 8.2 162 8.2.1 Introduction la commutation 162 8.2.2 La commutation de circuits 163 8.2.3 La commutation de messages 164 8.2.4 La commutation de paquets 165 8.2.5 8.3 Les rseaux commutation Les mcanismes mis en uvre dans le rseau 171 172 8.3.1 Dnitions 172 8.3.2 8.4 Notion dadressage Ladressage physique 172 176 8.4.1 Le nommage 176 8.4.2 8.5 Notions de nommage Notion dannuaire 177 177 8.5.1 Dnitions 177 8.5.2 8.6 Lacheminement dans le rseau Les protocoles de routage 178 Adaptation de la taille des units de donnes 187 8.6.1 Notion de MTU 187 8.6.2 Segmentation et rassemblage 187

11. Table des matires 8.7 XI 188 8.7.1 Dnition 188 8.7.2 Les mcanismes de prvention de la congestion 189 8.7.3 8.8 La congestion dans les rseaux Rsolution ou gurison de la congestion 191 La voix sur les rseaux en mode paquets 191 8.8.1 8.9 Intrt et contraintes 191 8.8.2 Principe de la paquetisation de la voix 192 Conclusion 193 EXERCICES 194 CHAPITRE 9 LES ARCHITECTURES PROTOCOLAIRES 195 9.1 Concepts de base 196 9.1.1 Principe de fonctionnement dune architecture en couches 196 9.1.2 Terminologie 197 9.2 200 9.2.1 Concepts ayant conduit la modlisation 200 9.2.2 9.3 Organisation du modle de rfrence Description du modle de rfrence 202 tude succincte des couches 207 9.3.1 La couche physique 207 9.3.2 La couche liaison de donnes 208 9.3.3 La couche rseau 208 9.3.4 La couche transport 212 9.3.5 La couche application 220 Devenir du modle OSI 223 Les architectures constructeurs 225 9.4.1 c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 218 9.3.8 Architecture physique dun systme de tlinformatique 225 9.4.2 Origine des architectures constructeurs 225 9.4.3 SNA (System Network Architecture) dIBM 226 9.4.4 9.5 217 La couche prsentation 9.3.7 9.4 La couche session 9.3.6 DSA (Distributed System Architecture) de BULL 229 Conclusion 230 EXERCICES 231 CHAPITRE 10 LARCHITECTURE TCP/IP 233 10.1 Gnralits 233 10.1.1 Origine 233 10.1.2 Principe architectural 234

12. XII Table des matires 10.1.3 Description gnrale de la pile et applications TCP/IP 235 10.1.4 Les mcanismes de base de TCP/IP 236 10.1.5 Les instances de normalisation 238 10.2 Ladressage du rseau logique 239 10.2.1 Principe de ladressage IP 239 10.2.2 Les techniques dadressage dans le rseau IP 241 10.3 Le routage dans le rseau IP 250 10.3.1 Ladressage dinterface 250 10.3.2 Concept dinterface non numrote 251 10.4 Le protocole IP et les utilitaires rseaux 251 10.4.1 Gnralits 251 10.4.2 Structure du datagramme IP 252 10.4.3 Contrle de la fragmentation sous IP 255 10.4.4 Le protocole ICMP 256 10.4.5 Lutilitaire PING 257 10.4.6 La rsolution dadresses 258 10.4.7 Les utilitaires de conguration 261 10.4.8 Conclusion 262 10.5 Transmission Control Protocol (TCP) 263 10.5.1 Gnralits 263 10.5.2 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 275 10.7.1 Le service de noms (DNS) 275 10.7.2 Le transfert de chiers 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

13. Table des matires XIII CHAPITRE 11 LES RSEAUX DE TRANSPORT X.25, FRAME RELAY, ATM ET BOUCLE LOCALE 295 11.1 Le plan de transmission 295 11.1.1 Gnralits 295 11.1.2 La synchronisation des rseaux 297 11.1.3 La hirarchie plsiochrone (PDH) 300 11.1.4 La hirarchie synchrone (SDH) 302 11.2 Le plan de service 306 11.2.1 Gnralits 306 11.2.2 Le protocole X.25 307 11.2.3 volution vers les hauts dbits 323 11.2.4 Le Frame Relay 324 11.2.5 LATM (Asynchronous Transfer Mode) 335 11.2.6 Les rseaux doprateurs 355 11.3 Laccs aux rseaux, la boucle locale 356 11.3.1 Dnition 356 11.3.2 Organisation de la distribution des accs 356 11.3.3 La Boucle Locale Radio (BLR) 358 11.3.4 Les accs hauts dbits 358 11.4 Conclusion 361 EXERCICES 362 CHAPITRE 12 LES RSEAUX LOCAUX ETHERNET, CSMA/CD, TOKEN RING, VLAN... 367 12.1 Introduction 367 367 12.1.2 Distinction entre rseau local et informatique traditionnelle 368 12.1.3 Rseaux locaux et accs aux systmes traditionnels 368 12.1.4 Constituants dun rseau local 369 12.1.5 Les rseaux locaux et la normalisation c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 12.1.1 Dnition 371 12.2 tude succincte des diffrentes couches 372 12.2.1 La couche physique 372 12.2.2 La sous-couche MAC 377 12.2.3 La couche liaison (LLC) 381 12.3 Les rseaux CSMA/CD, IEEE 802.3/Ethernet 385 12.3.1 Les origines dEthernet 385 12.3.2 Principe du CSMA/CD 385 12.3.3 Caractristiques communes aux rseaux Ethernet/802.3 387 12.3.4 Trame Ethernet/IEEE 802.3 389 12.3.5 Les diffrentes versions dEthernet 390

14. XIV Table des matires 12.4 Lanneau jeton, IEEE 802.5 395 12.4.1 Gnralits 395 12.4.2 Principe gnral du jeton sur anneau 396 12.4.3 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 406 12.6 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 409 12.7.1 Principe de base 409 12.7.2 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 Lidentication des VLAN (802.1Q) 415 12.9 Les rseaux sans l 417 12.9.1 Gnralits 417 12.9.2 Architecture gnrale des rseaux sans l 418 12.9.3 Les rseaux 802.11 419 12.10 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 426 12.11.1HiPPI 426 12.11.2Fibre Channel Standard 427 12.12 Conclusion 428 EXERCICES 429

15. Table des matires XV CHAPITRE 13 LES RSEAUX MTROPOLITAINS FDDI, DQDB, ATM... 431 13.1 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 431 13.1.1 Gnralits 431 13.1.2 La mthode daccs : le jeton temporis 433 13.1.3 Architecture du rseau FDDI 435 13.1.4 Aspects physiques 436 13.1.5 Format des trames FDDI 438 13.1.6 Fonctionnement gnral de lanneau 439 13.1.7 volution de FDDI : FDDI-II 439 13.1.8 Conclusion 440 13.2 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 440 13.2.1 Gnralits 440 13.2.2 Architecture gnrale de DQDB 442 13.2.3 Algorithme daccs au support 443 13.2.4 Format de lunit de donne DQDB 445 13.2.5 Le service SMDS et CBDS 446 13.3 Les rseaux locaux ATM 447 13.3.1 Gnralits 447 13.3.2 Classical IP ou IP over ATM 449 13.3.3 LAN Emulation 451 13.3.4 Interconnexion de rseaux LANE (MPOA) 458 13.4 Conclusion 460 EXERCICES 461 CHAPITRE 14 INTERCONNEXION DES RSEAUX 463 14.1 Gnralits 463 463 14.1.2 Problmatique de linterconnexion 463 14.1.3 Notions de conversion de service et de protocole c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 14.1.1 Dnition 464 14.1.4 Lencapsulation ou tunneling 465 14.1.5 Les diffrents types de relais 465 14.2 Les rpteurs 466 14.3 Les ponts 467 14.3.1 Gnralits 467 14.3.2 Les diffrents types de ponts 468 14.3.3 Les ponts transparents 469 14.3.4 Le Spanning Tree Protocol (STP) ou arbre recouvrant 471 14.3.5 Ponts routage par la source 474 14.3.6 Le pontage par translation 477

16. XVI Table des matires 14.4 Les routeurs 477 14.4.1 Gnralits 477 14.4.2 Les techniques de routage 480 14.4.3 Routage et qualit de service 494 14.4.4 Routage multicast 498 14.4.5 Fonctions annexes des routeurs 502 14.5 Les passerelles applicatives 506 EXERCICES 507 CHAPITRE 15 LA TLPHONIE 511 15.1 Principes gnraux de la tlphonie 511 15.2 Organisation du rseau tlphonique 512 15.2.1 Architecture traditionnelle 512 15.2.2 Gestion du rseau 513 15.3 tablissement dune communication tlphonique 514 15.3.1 Principe dun poste tlphonique 514 15.3.2 Principe du raccordement dusager 515 15.3.3 La mise en relation Usager/Usager 515 15.3.4 La numrotation 517 15.3.5 Les modes de signalisation 518 15.4 volution de la tlphonie, le RNIS 520 15.4.1 De laccs analogique laccs numrique 520 15.4.2 Le concept dintgration de services 520 15.4.3 Structure du rseau 521 15.4.4 Le raccordement dusager 522 15.4.5 Les services du RNIS 524 15.4.6 Signalisation et le rseau RNIS 527 15.5 La tlphonie et la mobilit 537 15.5.1 Principes gnraux 537 15.5.2 Gestion de labonn et du terminal 539 15.5.3 Linterface radio 540 15.5.4 Description succincte des diffrents systmes en service 543 15.5.5 Le service transport de donnes sur la tlphonie mobile 543 15.5.6 La mobilit et laccs Internet 545 15.5.7 volution des systmes de tlphonie mobile, lUMTS 546 15.5.8 La tlphonie satellitaire 546 15.6 Conclusion 547 EXERCICES 548

17. Table des matires XVII CHAPITRE 16 INSTALLATION DABONN ET RSEAU PRIV DE TLPHONIE 549 16.1 Les autocommutateurs privs 549 16.1.1 Gnralits 549 16.1.2 Architecture dun PABX 550 16.1.3 Les tlservices et applications vocales offerts par les PABX 550 16.1.4 PABX et transmission de donnes 556 16.2 Linstallation dabonn 557 16.2.1 Gnralits 557 16.2.2 Dimensionnement du raccordement au rseau de loprateur 558 16.3 Les rseaux privs de PABX 560 16.3.1 Principes gnraux 560 16.3.2 La signalisation et type de liens 562 16.4 Principes des rseaux voix/donnes 570 16.4.1 Gnralits 570 16.4.2 Les rseaux de multiplexeurs 570 16.4.3 La voix paquetise 571 16.5 La voix sur ATM 578 16.6 La voix et le Frame Relay 579 16.7 La voix et tlphonie sur IP 581 16.7.1 Gnralits 581 16.7.2 TCP/IP et le temps rel 582 16.7.3 Larchitecture H.323 de lUIT 585 16.7.4 Le protocole SIP de lIETF (RFC 2543) 588 16.7.5 Le protocole MGCP 591 591 EXERCICES 592 CHAPITRE 17 LA SCURIT DES SYSTMES DINFORMATION 595 17.1 Gnralits c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 16.8 Conclusion 595 17.2 La sret de fonctionnement 595 17.2.1 Principes gnraux de la sret 595 17.2.2 Les systmes tolrance de panne 595 17.2.3 La sret environnementale 597 17.2.4 Quantication 599 17.3 La scurit 601 17.3.1 Gnralits 601 17.3.2 La protection des donnes 601 17.3.3 La protection du rseau 611

18. XVIII Table des matires 17.4 Le commerce lectronique 620 17.4.1 Le paiement off-line (ecash) 620 17.4.2 Le paiement on-line 620 17.5 Conclusion 621 EXERCICES 622 CHAPITRE 18 ADMINISTRATION DES RSEAUX 625 18.1 Gnralits 625 18.1.1 Dnition 625 18.1.2 Principe gnral 625 18.1.3 Structure dun systme dadministration 626 18.2 Ladministration vue par lISO 626 18.2.1 Gnralits 626 18.2.2 Les diffrents modles 627 18.3 Ladministration dans lenvironnement TCP/IP 630 18.3.1 Principes gnraux 630 18.3.2 Les MIB 631 18.3.3 Le protocole SNMP 634 18.4 SNMP et ISO 18.5 Les plates-formes dadministration 635 635 18.5.1 Les outils dadministration des couches basses 636 18.5.2 Les hyperviseurs 636 18.5.3 Les systmes intgrs au systme dexploitation 636 18.6 Conclusion 636 EXERCICES 637 CHAPITRE 19 INTRODUCTION LINGNIERIE DES RSEAUX 639 19.1 Gnralits 639 19.2 Services et tarication 640 19.3 Elments darchitecture des rseaux 640 19.3.1 Structure de base des rseaux 640 19.3.2 Conception du rseau de desserte 641 19.3.3 Conception du rseau dorsal 643 19.4 Dimensionnement et valuation des performances 19.4.1 Gnralits 644 644 19.4.2 Les rseaux en mode circuit 645 19.4.3 Les rseaux en mode paquets 647 19.5 Conclusion 652 EXERCICES 653

19. Table des matires XIX CHAPITRE 20 SOLUTIONS DES EXERCICES 657 ANNEXES 745 A. Dnitions 746 B. Abaques dErlang 747 C. Liste des abrviations et sigles utiliss 749 757 GLOSSAIRE 759 INDEX c Dunod La photocopie non autorise est un dlit BIBLIOGRAPHIE 801

20. Liste des exercices Exercice 2.1 Exercice 2.2 Exercice 2.3 Exercice 2.4 Exercice 2.5 Exercice 2.6 Exercice 2.7 Code ASCII, Algorithme de changement de casse Codage de Huffman Tlcopieur Numrisation du son Numrisation et dbit binaire Rapport signal bruit et loi de quantication A Image RVB Exercice 3.1 Exercice 3.2 Exercice 3.3 Organisation des changes Transmission parallle Transmission synchrone et asynchrone Exercice 3.4 Exercice 3.5 Exercice 3.6 lments daccs au rseau Transmission asynchrone Temps de transfert dinformation Exercice 4.1 Exercice 4.2 Exercice 4.3 Notion de dcibel Porte dune liaison hertzienne Bande passante dune bre optique Exercice 5.1 Exercice 5.2 Exercice 5.3 Exercice 5.4 Exercice 5.5 Caractristiques dun modem Dbit possible sur un canal TV Rapport Signal/Bruit Le Null Modem Contrle de ux matriel

21. Liste des exercices Modem dissymtrique Rapidit de modulation Exercice 6.1 Exercice 6.2 Exercice 6.3 Calcul de CRC Probabilit de recevoir un message erron Taux de transfert Exercice 6.4 change HDLC version LAP-B Exercice 7.1 Exercice 7.2 Exercice 7.3 Exercice 7.4 Intensit de trac et taux dactivit Application numrique E et u Trame MIC Multiplexeur Exercice 8.1 Exercice 8.2 Exercice 8.3 valuation du nombre de liaisons Table de routage Temps de transfert sur un rseau Exercice 9.1 Exercice 9.2 Exercice 9.3 Exercice 9.4 Exercice 9.5 Exercice 9.6 Exercice 9.7 Exercice 9.8 Exercice 9.9 Exercice 9.10 c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Exercice 5.6 Exercice 5.7 Fonctions et couches OSI Adresse SAP dune mission FM Encapsulation Mode connect et mode non connect Terminal virtuel Contrle de ux et transferts isochrones Contrle de ux et classe de transport 0 Rfrencement dune connexion de transport Connexion de transport et connexion de session Les types de variables dASN-1 Exercice 10.1 Exercice 10.2 Exercice 10.3 Exercice 10.4 Masque de sous-rseau Masque de sous-rseau et dysfonctionnement (gure 20.26) Table ARP Trace TCP/IP Exercice 11.1 Exercice 11.2 Exercice 11.3 Exercice 11.4 Exercice 11.5 Exercice 11.6 SDH/PDH Reconstitution dun paquet dappel Dialogue X.25 Dnition dun protocole Protocole ATM Priorit ou rservation de ressources XXI

22. XXII Liste des exercices Exercice 11.7 Encapsulation de donnes Exercice 11.8 volution de lencapsulation dIP Exercice 12.1 Distinction entre CSMA/CD IEEE 802.3 et Ethernet. Exercice 12.2 Adressage MAC Exercice 12.3 Notation canonique et non canonique Exercice 12.4 Comparaison des topologies et des mthodes daccs Exercice 12.5 Squence de synchronisation bit en 802.3 et 802.5 Exercice 12.6 Rapidit de modulation Exercice 12.7 Longueur virtuelle de lanneau 802.5 Exercice 12.8 Conception dun rseau Ethernet 100 Mbit/s Exercice 12.9 Efcacit du protocole 802.5 100 Mbit/s Exercice 12.10Temps de rotation du jeton Exercice 12.11Commutateur ou hub ? Exercice 12.12Plan dadressage dune entreprise Exercice 13.1 Exercice 13.2 Exercice 13.3 Exercice 13.4 FDDI et Token Ring Donnes de la classe Isochrone Lacquittement dans FDDI Rotation des donnes sur le rseau FDDI Exercice 13.5 tat des compteurs dans DQDB Exercice 14.1 Exercice 14.2 Exercice 14.3 Exercice 14.4 Exercice 14.5 Exercice 14.6 Exercice 14.7 Exercice 14.8 Interconnexion dun rseau 802.3 et 802.5 Spanning Tree Protocol (STR) Protocoles RIP/OSPF Agrgation de routes Adresses multicast Comparaison pont/routeur Masque de sous-rseau Routage statique Exercice 15.1 Exercice 15.2 Exercice 15.3 Exercice 15.4 Exercice 15.5 Capacit dun autocommutateur Itinrance Systme Iridium Schma de rutilisation des frquences Protocole D (Q.931) Exercice 16.1 Utilisation de labaque dErlang Exercice 16.2 Trac sur un faisceau

23. Liste des exercices Exercice 16.3 Exercice 16.4 Exercice 16.5 Exercice 16.6 Exercice 16.7 Raccordement dun PABX Trac dun centre dappel Rseau voix/donnes Dimensionnement dun rseau Frame Relay voix/donnes Comparaison H.323 et SIP Exercice 17.1 Exercice 17.2 Exercice 17.3 Exercice 17.4 Exercice 17.5 Exercice 17.6 MTTR/MTBF Systmes cls symtriques ou secrtes Algorithme translation de Csar Algorithme de substitution de Vigenre Algorithme du RSA Systme de Dife-Hellman Exercice 18.1 Analyse de la trace Exercice 18.2 SNMP et charge du rseau c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Exercice 19.1 Exercice 19.2 Exercice 19.3 Exercice 19.4 Exercice 19.5 Service de vidotex Informatisation dun magasin Ralisation dun rseau priv dentreprise Caractristique mmoire dun routeur Temps de transit dans un rseau XXIII

24. Avant-propos Les rseaux de tlcommunication constituent aujourdhui une formidable passerelle entre les hommes et les cultures, mais transporter des informations aussi diffrentes que la voix, les donnes et les images ncessite des techniques de plus en plus labores, une bonne connaissance des mcanismes de base et une matrise des technologies utilises. Bien connatre les limites technologies pour tre capable de concevoir, de spcier et dutiliser correctement les moyens mis notre disposition constitue lobjectif essentiel de cet ouvrage. Le dbut de ce sicle est marqu par une volution considrable des techniques, or certaines technologies, qui peuvent paratre vieillissantes certains, sont encore trs prsentes dans les entreprises. De plus, elles constituent bien souvent le fondement des techniques actuelles et cest volontairement que lauteur a maintenu dans cet ouvrage une tude succincte des technologies 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 architecturale laquelle tous les dveloppements modernes, mme sils ne sont pas conformes au modle, se rfrent. Le protocole TCP/IP est largement dvelopp, notamment par lintroduction de ltude des mcanismes dIPv6. Les techniques dactualit font toutes lobjet dune tude approprie, en particulier les rseaux sans ls, la boucle locale et ADSL, MPLS, les VLAN et les VPN. La tlphonie dentreprise et en particulier lintgration voix/donnes font lobjet dun expos approfondi conduisant lintgration de la voix sur IP. lments fondamentaux des rseaux dentreprise, ltude de la scurit et ladministration sont traites en dtail, tandis quune initiation lingnierie des rseaux conclut cet ouvrage. la n de chaque chapitre des exercices ou des tudes de cas corrigs sont proposs. Les corrections sont dtailles an de permettre tous de comprendre le cheminement du raisonnement. 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 ouvrage soit ce quil est, et tout particulirement Laurence DUCHIEN, professeur luniversit de

25. XXVI Avant-propos Lille pour ses nombreuses remarques et suggestions. Enn, jexprime ma reconnaissance Maxime MAIMAN qui par son premier ouvrage ma fait dcouvrir et aimer le monde des rseaux ainsi qu Solange GHERNAOUTI-HLIE qui ma tmoign sa conance en accueillant dans sa collection mes premiers ouvrages Tlcoms 1 et Tlcoms 2 dont le prsent ouvrage Rseaux et Tlcoms est issu.

26. Chapitre 1 Historique et normalisation 1.1 OBJET DES TLCOMMUNICATIONS Les tlcommunications recouvrent toutes les techniques (laires, radio, optiques, etc.) de transfert dinformation quelle quen soit la nature (symboles, crits, images xes ou animes, son, ou autres). Ce mot, introduit en 1904 par Estauri (polytechnicien, ingnieur gnral des tlgraphes 1862-1942), fut consacr en 1932 la confrence de Madrid qui dcida de rebaptiser lUnion Tlgraphique Internationale en Union Internationale des Tlcommunications (UIT). Aujourdhui, avec la dferlante Internet, les tlcommunications ont dbord les domaines de la tlgraphie et de la tlphonie. Une re nouvelle est ne, celle de la communication. Cette rvolution na t rendue possible que par une formidable volution des technologies. Les progrs raliss dans le traitement du signal ont autoris la banalisation des ux de donnes et la convergence des techniques. Cette convergence, illustre gure 1.1 implique de la part des professionnels une adaptation permanente. Cette dernire ne sera possible que si lingnieur ou le technicien possde une base de connaissance sufsamment vaste, cest lobjectif de cet ouvrage. Dans la premire tape, illustre gure 1.1, les ux voix et donnes sont de nature fonctionnelle et physique diffrentes. Chaque systme dispose de son propre rseau. Notons que la transmission de donnes sur le rseau tlphonique fut interdite par France Tlcom jusquen 1960. 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 ux physiques sont banaliss et comme tel, peuvent tre transports par un mme rseau (rseau de transport). Cependant, les rseaux daccs restent fonctionnellement diffrents et les usagers accdent toujours aux services par des voies distinctes.

27. 1 Historique et normalisation 2 1re tape Rseau tlphonique Rseau de donnes 2me tape Voix Voix Rseau de transport Data Data 3me tape Rseau Voix/Donnes 4me tape Rseau Voix/Donnes Figure 1.1 Schmatisation de lvolution des tlcommunications. La troisime tape poursuit la banalisation des ux. La voix nest plus seulement numrise, les diffrents lments dinformations sont rassembls en paquets, comme la donne. On parle alors de voix paqutise , permettant ainsi un traitement de bout en bout identique pour les deux ux. Dans cette approche, le protocole de transport est identique, mais les protocoles usagers restent diffrents. Lusager na plus besoin que dun seul accs physique au rseau de transport (rseau voix/donnes). Les ux sont spars par un quipement (quipement voix/donnes) localis chez lusager et sont traits par des systmes diffrents. La quatrime tape consiste en une intgration complte, les quipements terminaux ont une interface daccs identique mais des fonctionnalits applicatives diffrentes. La voix et la donne peuvent, non seulement cohabiter sur un mme rseau, mais collaborer dans les applications informatiques nales : cest le couplage informatique tlphonie de manire native. Dans cette approche les protocoles utiliss dans le rseau de transport et ceux utiliss dans le rseau de lusager sont identiques pour les deux types de ux. Cependant, quelle que soit la complexit du systme, le principe reste toujours le mme : il faut assurer un transfert able dinformation dune entit communicante A vers une entit communicante B. A Adaptateur DONNEES Adaptateur Figure 1.2 Constituants de base dun systme de transmission de donnes. B

28. 1.2 Bref historique 3 Ce qui ncessite (gure 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 dnition 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 saurait entreprendre ltude dune technique sans disposer, pour celle-ci, de quelques repres historiques sur son volution. Finalement, les tlcommunications nauraient pas connu un tel essor si des organismes particuliers, les organismes de normalisation, navaient permis, grce leurs travaux, linteroprabilit des systmes. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 1.2 BREF HISTORIQUE On peut estimer que lhistoire des tlcommunications commence en 1832, date laquelle le 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 ofcielle fut ralise en 1844. Cest en 1856 que la France adopta le systme 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 franais Charles Bourseul conduisirent un dpt de brevet, pour un systme tlphonique, par Graham Bell (1847-1922) et Eliska Gray (1835-1901). Les demandes furent dposes deux heures dintervalle. Marconi (1874-1937) ralisa en 1899 une premire liaison tlgraphique par onde hertzienne entre la France et lAngleterre. Mais, cest Lee de Forest (1873-1961) qui avec linvention de la triode ouvrit vritablement la voie aux transmissions longues distances. La premire liaison tlphonique transocanique par ondes hertziennes fut ralise en 1927. Le principe de la numrisation du signal (MIC, Modulation par Impulsions Codes) fut dcrit en 1938 par Alei Reever, mais il fallut attendre les progrs de llectronique pour raliser les premiers codeurs. Lvolution sacclra, en 1948, avec linvention du transistor (Bardeen, Brattain, Shockley des laboratoires Bell) qui par sa faible consommation et son chauffement limit, ouvrit des voies nouvelles. Cest ainsi que le premier cble tlphonique transocanique fut pos en 1956 avec 15 rpteurs immergs. Enn, 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 dnissant 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 procdure lorsque les rgles sont simples et de rserver le terme protocole un ensemble de rgles plus complexes.

29. 4 1 Historique et normalisation Lvolution des techniques conduit la cration de rseaux pour offrir des services de transport dinformation ou des tlservices au public. En 1978 la premire liaison numrique (Transx) est effectue et 1979 voit louverture au public du premier rseau mondial de transmission de donnes par paquets X.25 (France : Transpac). Lexplosion de la tlmatique se concrtise avec lexprience de Vlizy (1981), le Minitel envahit les foyers domestiques. Les tlcommunications sont aujourdhui, de manire tout fait transparente, utilises journellement par tous : tlcopie, Minitel, cartes de crdit et surtout Internet... 1.3 LA NORMALISATION La normalisation peut tre vue comme un ensemble de rgles destines satisfaire un besoin de manire similaire. La normalisation dans un domaine technique assure une rduction des cots dtude, la rationalisation de la fabrication et garantit un march plus vaste. Pour le consommateur, 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. Du groupement de constructeurs aux organismes internationaux, la normalisation couvre tous les domaines de la communication. Dune manire gnrale, la normalisation ne simpose pas, sauf celle manant de lETSI (European Telecommunications Standard Institute) qui normalise 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 tous les grands constructeurs mondiaux (DEC, IBM, NEC, Unisys...). En matire de tlcommunications, lECMA comprend deux comits : le TC23 pour linterconnexion des systmes ouverts et le TC24 pour les protocoles de communication ; EIA (Electronic Industries Association) connue, essentiellement, pour les recommandations RS232C, 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 organise en Technical Committee (TC) environ 200, diviss en Sub-Committee (SC) euxmmes subdiviss en Working Group (WG) ; la France y est reprsente par lAFNOR ; CEI, Commission lectrotechnique Internationale, aflie lISO en est la branche lectricit ;

30. 1.4 Principes dlaboration dune norme (ISO) 5 UIT-T, Union Internationale des Tlcommunications secteur des tlcommunications, qui a 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 identis 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 dindustriels et duniversitaires, est essentiellement connue par ses spcications sur les bus dinstrumentation (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, qui a la charge de dnir la politique long terme dInternet, tandis que lIETF (Internet Engineering Task Force) assure par ses publications (RFC Request For Comments) lhomognit de 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 publication dnitive peut tre trs longue. En effet, chaque partie tente dy dfendre ses intrts conomiques et commerciaux. Dune manire gnrale, un projet de normalisation est formalis 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). Enn, une forme quasi dnitive est publie, elle constitue une base de travail pour les constructeurs (Draft International Standard). La norme appele International Standard (IS) est ensuite publie. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 1.5 NORMES ET AGRMENT Gnralement, ce nest pas parce quun quipement rpond une norme que celui-ci est autoris, de fait, se raccorder un rseau public. En effet, loprateur public se doit de garantir aux usagers de son rseau une certaine qualit de service. Il lui appartient de vrier quun nouvel quipement ne perturbe ni le fonctionnement du rseau sur lequel il est raccord, ni dautres services tlmatiques. Cette mesure, souvent perue comme une mesure protectionniste, est en vigueur dans tous les pays. En France, cest la Direction Gnrale des Postes et Tlcommunications (ex-Direction de la Rglementation Gnrale ou DRG) qui est lorgane dhomologation des matriels de tlcommunication.

31. Chapitre 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 2.1 GNRALITS 2.1.1 Les ux dinformation Lacheminement, dans un mme rseau, dinformations aussi diffrentes que les donnes informatiques, la voix ou la vido implique que chacune de ces catgories dinformation ait une reprsentation identique vis--vis du systme de transmission et que le rseau puisse prendre en compte les contraintes spciques chaque type de ux dinformation (gure 2.1). Vido Donnes multimdia Voix interactive Sons Rseau de transport Donnes Poste de travail multimdia Figure 2.1 Le rseau et les diffrents ux dinformation. An de qualier ces diffrents ux vis--vis du systme de transmission, nous dnirons succinctement les caractristiques essentielles dun rseau de transmission1 . Nous examinerons ensuite le mode de reprsentation des informations. Enn, nous appliquerons les rsultats 1. Ces diffrentes notions seront revues et appronfondies dans la suite de cet ouvrage.

32. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 8 aux donnes, la voix et limage pour en dduire les contraintes de transfert spciques chaque type de ux. 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 manipulables par ces systmes. Lopration qui consiste transformer les donnes en lments binaires 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 le support de transmission pendant une unit de temps. Cest lune des caractristiques essentielles dun systme de transmission. Le dbit binaire sexprime par la relation : D= V t avec D (dbit) en bits par seconde (bit/s2 ), V le volume transmettre exprim en bits et t la dure de la transmission en seconde. Le dbit binaire mesure le nombre dlments binaires transitant sur le canal de transmission pendant lunit de temps (gure 2.2). Source Canal de transmission Destination (Puits) 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 ou lectromagntiques dsigns sous le terme gnrique de bruit. Le bruit est un phnomne qui dnature le signal et introduit des erreurs. Le rapport entre la puissance du signal transmis et celle du signal de bruit qualie le canal vis--vis du bruit. Ce rapport, appel rapport signal sur bruit (S/N avec N pour Noise), sexprime 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 les informations en modiant un ou plusieurs bits du message transmis, introduisant ainsi des 2. Lunit ofcielle de dbit est le bit/s (invariable). Labrviation bps pouvant tre confondue avec byte par seconde ne sera 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 grandeurs de mme nature. Le rapport Signal/Bruit peut aussi sexprimer par le rapport des tensions, la valeur est alors S/NdB = 20 log10 S/N(en tension) .

33. 2.2 Reprsentation de linformation 9 erreurs dans le message. On appelle taux derreur binaire (Te ou BER, Bit Error Rate) le rapport du nombre de bits reus en erreur au nombre de bits total transmis. Te = Nombre de bits en erreur Nombre de bits transmis Notion de temps de transfert Le temps de transfert, appel aussi temps de transit ou temps de latence, mesure le temps entre lmission dun bit, lentre du rseau et sa rception en sortie du rseau. Ce temps prend en compte le temps de propagation sur le ou les supports et le temps de traitement par les lments actifs du rseau (nuds). Le temps de transfert est un paramtre important prendre en 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 varie en 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 priodique de forme quelconque pouvait tre dcompos en une somme de signaux lmentaires sinusodaux (fondamental et harmoniques) autour dune valeur moyenne (composante continue) qui pouvait tre nulle. Lensemble de ces composantes forme le spectre du signal ou bande de frquence occupe par le signal (largeur de bande). 2.2 REPRSENTATION DE LINFORMATION 2.2.1 Les diffrents types dinformation c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Les informations transmises peuvent tre rparties en deux grandes catgories selon ce quelles reprsentent et les transformations quelles subissent pour tre traites dans les systmes informatiques. On distingue : Les donnes discrtes, linformation correspond lassemblage dune suite dlments indpendants les uns des autres (suite discontinue de valeurs) et dnombrables (ensemble ni). Par exemple, un texte est une association de mots eux-mmes composs de lettres (symboles lmentaires). Les donnes continues ou analogiques (gure 2.3) rsultent de la variation continue dun phnomne physique : temprature, voix, image... Un capteur fournit une tension lectrique proportionnelle lamplitude du phnomne physique analys : signal analogique (signal qui varie de manire analogue au phnomne physique). Un signal analogique peut prendre une innit de valeurs dans un intervalle dtermin (bornes). Pour traiter ces informations par des quipements informatiques il est ncessaire de substituer chaque lment dinformation une valeur binaire reprsentative de lamplitude de celui-ci. Cette opration porte le nom de codage de linformation (codage la source) pour les informations discrtes et numrisation de linformation pour les informations analogiques.

34. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 10 Capteur Ligne analogique Transducteur Figure 2.3 Le signal analogique. 2.2.2 Codage des informations Dnition Coder linformation consiste faire correspondre (bijection) chaque symbole dun alphabet (lment coder) une reprsentation binaire (mot code). Lensemble des mots codes constitue le code (gure 2.4). Ces informations peuvent aussi bien tre un ensemble de commandes dune machine outil que des caractres alphanumriques... Cest ces derniers codes que nous nous 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.]. ]; Codage A B Symbole coder 1000001 mot code 1000010 1000011 C Alphabet Code 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 premire, la plus simple, considre que chacun des tats du systme est quiprobable. La seconde prend en compte la frquence dapparition dun tat. Cette approche conduit dnir deux types de code : les codes de longueur xe et les codes de longueur variable. Les codes de longueur xe 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.

35. 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 lexicographique du code que lon note : P = 2n En gnralisant, le nombre de bits ncessaires pour coder P tats est n, tel que : 2(n 1) < 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 connaissance dun tat du systme. Lorsque dans un systme, tous les tats sont quiprobables, la quantit dinformation 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...), la quantit 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 symboles quiprobables. Lorsque tous les tats ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation est dautant plus grande que la probabilit de ralisation de ltat est faible. Si p est la probabilit de ralisation de ltat P, la quantit dinformation apporte par la connaissance de P est : c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Q = log2 1/p Application : combien de bits sont ncessaires pour coder toutes les lettres de lalphabet et quelle est la quantit dinformation transmise par une lettre (en supposant quiprobable lapparition de chaque lettre) ? Le nombre de bits ncessaires, pour coder P valeurs, est donn par la relation : 2(n 1) < 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 = 8 5. Les premiers travaux sur la thorie de linformation sont dus Nyquist (1924). La thorie de linformation fut dveloppe par Shannon en 1949. Les principes tablis cette poque rgissent toujours les systmes de transmission de linformation.

36. 12 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission La quantit dinformation, exprime en shannon ou plus simplement en bits, est donne par la 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 code dans un systme de symboles quiprobables. Les codes usuels utilisent 5 lments (Code Baudot), 7 lments (Code ASCII appel aussi CCITT N 5 ou encore IA5) ou 8 lments (EBCDIC). Le code Baudot, code tlgraphique 5 moments ou alphabet international N 2 ou CCITT 2, est utilis dans le rseau Tlex. Le code Baudot autorise 25 soit 32 caractres, ce qui N est insufsant pour reprsenter toutes les lettres de lalphabet (26), les chiffres (10) et les commandes (Fin de ligne...). Deux caractres particuliers permettent la slection de deux pages de codes soit au total une potentialit de reprsentation de 60 caractres. Le code ASCII (gure 2.5), American Standard Code for Information Interchange, dont la premire version date de 1963, est le code gnrique des tlcommunications. Code 7 moments, il autorise 128 caractres (27 ). Les 32 premiers symboles correspondent des commandes 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, t adopt par dautres constructeurs pour leurs calculateurs tels que BULL. Caractres nationaux Jeu de commandes 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ! " $ % ' ( ) . Signication des caractres de commande 1 2 3 4 5 6 7 8 9 :

37. 2.2 Reprsentation de linformation Symbole ACK BEL BS CAN CR DC DEL DLE EM ENQ EOT ESC ETB ETX FE FF FS GS HT LF NAK NUL RS SI SO SOH SP STX SYN TC US VT 13 Acknowledge Bell Backspace Cancel Carriage Return Device control Delete Data Link Escape End Medium Enquiry End Of Transmission Escape End of Transmission Block End Of Text Format Effector Form Feed File Separator Group Separator Horizontal Tabulation Line Feed Negative Acknowledge Null Record Separator Shift IN Shift Out Start Of Heading Space Start Of Text Synchronous idle Transmission Control Unit Separator Vertical Tabulation Signication Accus de rception Sonnerie Retour arrire Annulation Retour chariot Commande dappareil auxiliaire Oblitration Caractre dchappement Fin de support Demande Fin de communication Echappement Fin de bloc de transmission Fin de texte Commande de mise en page Prsentation de formule Sparateur de chiers Sparateur de groupes Tabulation horizontale Interligne Accus de rception ngatif Nul Sparateur darticles En code Hors code Dbut den-tte Espace Dbut den-tte Synchronisation Commande de transmission Sparateur de sous-article Tabulation verticale Figure 2.5 Le code ASCII. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Les codes de longueur variable Lorsque les tats du systme ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation apporte par la connaissance dun tat est dautant plus grande que cet tat a une faible probabilit de se raliser. La quantit moyenne dinformation apporte par la connaissance dun tat, appele entropie, est donne par la relation : i =n pi log2 H= i =1 1 pi o pi reprsente la probabilit dapparition du symbole de rang i. Lentropie reprsente la longueur optimale du codage des symboles du systme. Dterminons la longueur optimale du code (entropie) pour le systme dcrit par le tableau ci-dessous. des ns de simplicit, chaque tat est identi par une lettre.

38. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 14 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 xe ncessite 3 bits pour coder les 6 tats de ce systme (22 < 6 23 ). Il nexiste pas de code qui permette datteindre cette limite thorique. Cependant, Huffman introduit en 1952 une mthode de codage qui prend en compte la frquence doccurrence des tats et qui se rapproche de cette limite thorique. Construction du code de Huffman (gure 2.6) : 1. lecture complte du chier 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 dcroissant ; 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 (gure 2.6) est de : Lmoy = 0,48 1 + 0,21 2 + 0,12 3 + 0,08 4 + 0,06 5 + 0,05 5 = 2,13 Le 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 (Huffman modi utilis en tlcopie groupe 3) ou de transmettre, avant les donnes, le contenu de la table construite par lmetteur.

39. 2.2 Reprsentation de linformation 15 E48 E48 E48 A21 A21 A21 S12 S12 T8 U6 1 19 1 11 1 T8 E 48 31 1 A21 0 52 1 100 48 0 Occurrence Code 0 Y5 0 0 A 10 S S12 0 E 110 T 1110 U 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 12 codes pour prendre en compte les particularits nationales. Linternationalisation des communications, 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 utilise les 128 premiers caractres du code ASCII, le symbole x renvoie vers des tables qui compltent 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 identie le code utilis et que le destinataire puisse interprter ce code, ceci a conduit dnir un code unique sur 16 ou 32 bits permettant la reprsentation de toutes les langues du monde : lUnicode (16 bits) qui reprend les spcications du code ISO 10646 UCS-2 (Universal Character Set). 2.2.3 Numrisation des informations c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Principe Numriser une grandeur analogique consiste transformer la suite continue de valeurs en une suite discrte et nie. cet effet, on prlve, des instants signicatifs, un chantillon du signal et on exprime son amplitude par rapport une chelle nie (quantication). Le rcepteur, partir des valeurs transmises, reconstitue le signal dorigine. Une restitution dle du signal ncessite que soient dnis : lintervalle dchantillonnage qui doit tre une constante du systme (frquence dchantillonnage) ; lamplitude de lchelle de quantication, celle-ci doit tre sufsante pour reproduire la dynamique du signal (diffrence damplitude entre la valeur la plus faible et la valeur la plus forte) ; que chaque valeur obtenue soit code.

40. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 16 La gure 2.7 reprsente les diffrentes tapes de la numrisation du signal. intervalle rgulier (priode dchantillonnage), on prlve une fraction du signal (chantillon). Puis, on fait correspondre lamplitude de chaque chantillon une valeur (quantication), cette valeur est ensuite transforme en valeur binaire (codication). Signal numriser Instants dchantillonnage t 12 Echantillons 8 9 11 8 Echelle de quantification 6 4 Quantification Codage et transmission 8 9 6 4 8 12 11 Figure 2.7 Numrisation dun signal analogique. La quantication dnit des valeurs en escalier (par bond) alors que le phnomne quantier varie de faon continue. Aussi, quel que soit le nombre de niveaux utiliss, une approximation est ncessaire, celle-ci introduit une erreur dite de quantication ou bruit de quantication qui est la diffrence entre la valeur relle de lchantillon et la valeur quantie. Pour reproduire correctement le signal larrive, le rcepteur doit disposer dun minimum dchantillons. Il existe donc une relation troite entre la frquence maximale des variations du signal discrtiser et le nombre dchantillons prlever. Soit un signal dont le spectre est limit et dont la borne suprieure vaut Fmax , Shannon a montr que si Fe est la frquence dchantillonnage, le spectre du signal chantillonn est le double de Fmax et est centr autour de Fe , 2Fe ... nFe . Par consquent, pour viter tout recouvrement de spectre, le signal chantillonner doit tre born (ltre) une frquence suprieure telle que Fmax soit infrieure la moiti de lintervalle dcartement des spectres (Fe). La gure 2.8 illustre cette relation appele relation de Shannon. Spectre du signal chantillonn Spectre du signal origine Fe 2Fe Frquences +Fmax -Fmax +Fmax -Fmax +Fmax Figure 2.8 Spectre dchantillonnage. On en dduit que la frquence minimale dchantillonnage (frquence de Nyquist) dun signal doit tre le double de la frquence maximale du signal chantillonner : Fchantillon 2 Fmax du signal

41. 2.2 Reprsentation de linformation 17 Filtre Signal analogique ...0101 Echantillonneur Quantificateur Fmax Signal numrique 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 frquence dchantillonnage 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 dure de 125 ms (1/8 000). Pour une restitution correcte (dynamique6 et rapport signal bruit), la voix devrait tre quantie sur 12 bits (4 096 niveaux). Les contraintes de transmission en rapport avec le dbit conduisent rduire cette bande. Lutilisation dune loi quantication logarithmique permet de ramener la reprsentation numrique de la voix 8 bits (7 bits pour lamplitude et un bit de signe), tout en conservant une qualit de reproduction similaire celle obtenue avec une quantication linaire sur 12 bits. Cette opration dite de compression est diffrente en Europe (loi A) et en Amrique du Nord (loi m). En codant chaque chantillon sur 8 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 (Rseau Numrique Intgration de Service ou ISDN, Integrated Service Digital Network) qui utilise des voies 64 kbit/s. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Le codage de limage vido La voix est un phnomne vibratoire, loreille peroit des variations de pression successives quelle interprte. Limage est interprte globalement par lil alors quelle ne peut tre transmise 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, ligne par ligne, puis une dcomposition de chaque ligne en points, enn la quantication de la valeur lumineuse 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 suft de superposer les trois images, cest la synthse additive. La gure 2.10 reprsente le principe de la synthse additive, le dosage 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.

42. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 18 Rouge Magenta Jaune Blanc Bleu Vert Cyan lv = 0,546mm lb = 0,436mm lr = 0,700mm B V R Figure 2.10 La synthse additive. Chaque point de limage est reprsent par deux grandeurs, la luminance et la chrominance. La chrominance, ou information de couleur, est le rsultat de la superposition de trois couleurs dites primaires (gure 2.10). Ces deux grandeurs sont relies entre elles par la relation : Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B o : 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 primaires Rouge, Vert, Bleu. En tlvision, pour assurer la compatibilit avec les tlviseurs monochromes, il nous faut transmettre, en plus des informations de chrominance, les informations de luminance (chelle des gris). Les diffrentes caractristiques dune image vido constituent un standard. Les paramtres de 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 lectrique pour viter des effets stroboscopiques, en Europe 25 images/seconde7 , aux USA 30 images/seconde ; 7. Pour augmenter la frquence de rafrachissement de limage, sans augmenter la bande passante ncssaire, lanalyse et la 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.

43. 2.2 Reprsentation de linformation 19 le nombre de lignes a t x pour qu une distance de vision normale deux lignes conscutives ne soient pas distingues (les deux lignes doivent tre vues sous un angle de moins dune minute) ; le nombre de points par ligne dni pour que la dnition horizontale soit identique la dnition 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 x 576 ; le nombre de points par ligne dni 7208 . le nombre dimages par seconde dtermin 25 images (25 Hz). Seuls sont transmis : la luminance (Y), pour la compatibilit avec les rcepteurs monochromes, et les signaux de chrominance B (Bleu) et R (Rouge)9 . La connaissance de ces trois grandeurs est ncessaire et sufsante pour reconstituer la quatrime : V (Vert). Lil ne percevant pas la couleur dans les dtails, on se satisfait dune dnition moindre pour linformation couleur 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 quantication sur 255 niveaux (8 bits, soit 16 millions de couleurs), le nombre de bits ncessaires la reconstitution 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 image anime, un dbit minimal de : c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Dmin = 6 635 520 25 = 166 Mbit/s. Ce dbit est actuellement difcilement ralisable sur les supports de transmission courants. Pour effectuer correctement une transmission dimages animes numrises, on utilise des techniques particulires de quantication et de compression. Un groupe de travail commun lISO et la CEI (Commission lectrotechnique Internationale), le Motion Picture Expert Group (MPEG), est charg de dnir les algorithmes normaliss de compression de son et dimages 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 la plus faible, donc la plus sensible aux bruits de transmission. Cest cette analyse qui a conduit au choix de Dr et Db comme signaux transmettre.

44. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 20 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 ou temps 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 message sera petite ou que le dbit sera lev. Laugmentation du dbit se heurte des problmes technologiques et de cots. Il peut donc tre intressant de rduire la longueur du message sans en altrer le contenu (la smantique) : cest la compression de donnes. Les techniques de compression se rpartissent en deux familles : les algorithmes rversibles ou sans perte et les algorithmes irrversibles dits avec perte. Les premiers restituent lidentique les donnes originelles. Ils sappliquent aux donnes informatiques. Le taux de compression obtenu est voisin de 2. Les seconds, dits aussi codes rduction de bande, autorisent des taux de compression pouvant atteindre plusieurs centaines au dtriment de la dlit de restitution. Utiliss pour la voix et limage, ils sapparentent plus des procds de codage qu des techniques de compression. 2.3.2 Quantication de la compression La compression se quantie selon trois grandeurs10 : le quotient de compression, le taux de compression et le gain de compression. Le quotient de compression (Q) exprime le rapport entre la taille des donnes non compresses la taille des donnes compresses. Taille avant compression Q= Taille aprs compression Le taux de compression (T) est linverse du quotient de compression. T = 1/ Q Enn, 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 ni de symboles quiprobables Quand le nombre de symboles appartient un ensemble ni, par exemple un catalogue de produits, on peut substituer au symbole un code (rfrence du produit, code derreur...). Cette technique appartient lorganisation des donnes. 10. En toute rigueur, les grandeurs dnies 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 ces quantications aux deux types de compression.

45. 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 trois principales 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 : chappement/Nombre/Caractre, par exemple la squence @10A peut signier, 10 A conscutifs. Ce codage, peu efcace, pour le texte est utilis pour compresser les images et les chiers binaires, notamment par MacPaint (Apple). Le codage dHuffman ou codage dentropie substitue un code de longueur xe un code de longueur variable. Ncessitant une lecture pralable du chier et lenvoi du dictionnaire de codage, le code de Huffman est peu efcace. Utilis en tlcopie G3, le code de Huffman modi (HM) associe, partir dun dictionnaire prconstitu, un mot binaire une squence de points. Le codage par substitution remplace une squence de caractres prdinies par un code. Le dictionnaire ncessaire au codage et au dcodage est construit dynamiquement. Non transmis 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 c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Le codage de la voix La numrisation de la voix selon le procd MIC (Modulation par Impulsion et Codage ou PCM, Pulse Code Modulation) est adopte dans tous les rseaux tlphoniques. Cependant, une reproduction correcte de la voix ncessite une quantication sur 12 bits (voir section 2.2.3.2). Cette quantication linaire introduit un rapport signal bruit dautant plus dfavorable que la valeur du signal est faible. Cette observation et la ncessit de rduire la bande ont conduit adopter des lois de quantication logarithmique. Ces lois autorisent un codage sur 8 bits avec un rapport signal bruit pratiquement quivalent une quantication linaire sur 12 bits. La gure 2.11 reprsente la partie positive de la loi A. La loi A, utilise en Europe, divise lespace de quantication en 8 intervalles. Chaque intervalle de quantication (sauf les deux premiers) est le double du prcdent. lintrieur de chaque intervalle, on opre une quantication linaire sur 16 niveaux. Ainsi, un chantillon est reprsent par 8 bits (gure 2.11) : le premier indique la polarit du signal (P), les trois suivants identient le segment de quantication (S), enn, 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), an 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 tlphonie numrique sur RNIS (Rseau Numrique Intgration de Service).

46. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 22 code, non la valeur absolue de lchantillon, mais son cart par rapport au prcdent. Des techniques plus labores prdisent la valeur future partir des 4 derniers chantillons (CELP, Code Excited Linear Prediction). 7 6 Segment 5 4 3 Codage dun chantillon 2 P S S S V V V V A. x 1 y= et pour 0 < x < A 1+ ln A 1+ lnA. x y= pour x > 1 A avec A = 87,6 1+ ln A 1 0 Amplitude Figure 2.11 La loi de codage A. La gure 2.12 compare diffrents algorithmes de compression en fonction du dbit quils ncessitent et de la qualit de restitution de la parole. La norme G.711 est utilise dans la tlphonie xe traditionnelle. La norme G.729 est mise en uvre dans la voix sur IP, elle modlise la voix humaine par lutilisation de ltres. Bande ncessaire 64 PCM 64 G.711 ADPCM 32 G.723 32 ADPCM 24 G.725 24 16 ADPCM 16 G.726 LDCELP 16 G.728 CS-ACELP 8 G.729 8 LCP8 inacceptable Qualit acceptable Numris Figure 2.12 Les diffrents algorithmes de compression du son.

47. 2.3 La compression de donnes 23 Le codage de limage Gnralits La transmission dimages ncessite une largeur de bande importante. Les mthodes de compression efcaces prennent en compte les spcicits de linformation transmise, elles mettent prot les imperfections de la vision pour rduire la quantit dinformation transmettre. Diffrentes techniques peuvent tre mises en uvre : la quantication scalaire nattribue pas la mme importance chaque niveau du signal transmis. En recherchant une rpartition optimale des niveaux de quantication, on peut rduire la bande ncessaire ; la quantication vectorielle est une extension de la mthode prcdente, elle opre une quantication sur des blocs (dpendance spatiale entre pixels) ; les mthodes prdictives tentent, partir de la valeur des points voisins, de dterminer la valeur du point courant ; les mthodes compensation de mouvements ne transmettent au temps t que la diffrence entre limage actuelle et limage prcdente (t 1) ; la croissance rapide des puissances de calcul des machines modernes laisse prvoir un avenir aux mthodes mathmatiques (fractales, ondelettes). Les normes de compression dimages animes (MPEG-1 novembre 1992, MPEG-2 mars 1994, MPEG-4 n 1998 Moving Picture Expert Group) procdent des principes prcdents 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 systme PAL13 ) pour la norme MPEG-2. MPEG-2 cre un ux binaire dont le dbit varie de 10 15 Mbit/s selon le contenu des images. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit Principe de la compression MPEG Les informations contenues dans un ux MPEG permettent de reconstituer compltement une squence vido. La gure 2.13 reprsente la structure fonctionnelle dun dcodeur MPEG. Aprs dcodage et sparation des informations, le dcodeur MPEG comporte trois sous-systmes : le sous-systme de traitement des images, le sous-systme de traitement du son associ et enn le sous-systme de synchronisation. Le standard MPEG repose essentiellement sur la prdiction dimages, il spcie trois types dimages : Les images de rfrence ou Intra Pictures (Images I), ces images sont codes indpendamment 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 de mouvements. 12. NTSC, (National Television System Committee ) Premier grand systme de tlvison couleur (1950) utilis aux Etats Unis et au Japon. 13. PAL (Phase Alternance Line), systme de tlvison couleur dorigine allemande.

48. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 24 Dcodeur Vido Flux MPEG Synchronisation Dcodeur MPEG Dcodeur Son Figure 2.13 Structure fonctionnelle dun dcodeur MPEG. Enn, les images bidirectionnelles ou Bidirectional Pictures (Images B), ces images sont dduites non seulement de la prcdente, mais aussi de la suivante (prdiction arrire et avant). En effet, sil est possible de prvoir dans limage N, daprs limage N 1, ce quun sujet en mouvement va recouvrir, il nest pas possible destimer ce quil va dcouvrir. cette n, cette image utilise limage N + 1 de type I ou P. Ce qui implique un retard dans la transmission, retard sans importance, limage tlvisuelle nayant aucune interactivit avec le tlspectateur. Des informations temporelles (modulo 24 heures) sont transmises pour mettre lheure lhorloge du dcodeur (33 bits). chaque image code est associe une marque temporelle utilise par le systme pour dnir quel moment il doit afcher limage. I0 B1 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 ux numriques et non des informations. Cependant, selon le type de donnes les contraintes en termes de dbit (volume), de temporalit (temps de transfert et variation de celui-ci) et abilit (taux derreur) diffrent. Ainsi, un transfert de chier est dni par un ux binaire constant, il requiert un dbit relativement important et est trs peu sensible au temps de transmission. Plus exigeante en terme de temps de transfert (interactivit), les applications informatiques de type conversationnel sont caractrises par la sporadicit des ux 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),

49. 2.4 Notion de qualit de service 25 elles sont qualies de donnes isochrones14 . La compression opre sur ces types de donnes engendre des ux variables. Le tableau de la gure 2.15 rsume ces diffrentes caractristiques. Type de transfert Type de dbit Dbit requis Sensibilit au temps de transfert Sensibilit 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 et transfert de chiers En rafale (Bursty) Moyenne leve Faible leve Interconnexion de rseaux locaux En rafale, dbit de la source lev leve Faible leve Figure 2.15 Types de donnes et contraintes de transmission. c Dunod La photocopie non autorise est un dlit 2.4.2 Les classes de service Pour garantir un transfert de donnes qui respecte les contraintes spciques chaque type de ux de donnes (transparence smantique et/ou la transparence temporelle), cest--dire garantir une certaine qualit de service ou QoS (Quality of Service), le rseau de transport doit dterminer 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 premire consiste faire prcder le transfert de donnes de ltablissement dun chemin privilgi. La seconde consiste simplement marquer le ux et lacheminer en fonction des informations de 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 prols. Cest la notion de classe de service (CoS, Classe of Service). Plusieurs classications de CoS ont t dnies. La classication formule par lATM15 Forum est aujourdhui la seule utilise. Les classes de service se rpartissent en deux catgories, celles qui requirent une qualit de service multiple (multiservice) comme les applications voix et vido et celles de la qualit donnes dont les exigences sont moindres. Les classes de service permettent lutilisateur de spcier ses besoins (contrat de service). Le tableau de la gure 2.16 fournit une description succincte des diffrentes classes de service. La classe de service CBR (Constant Bit Rate ou DBR, Deterministe Bit Rate) dnit un raccordement dbit constant. Elle est destine aux applications de type voix ou vido non compresses. La classe VBR (Variable Bit Rate ou SBR, Statistical Bit Rate) sapplique aux tracs sporadiques, la connexion dnit un dbit minimal et un dbit maximal. Pour les applications temps 14. Isochrone : se dit des ux de donnes dans lesquels lcart de temps entre deux informations successives doit tre constant. Au cas o le rseau de transmission introduirait un dcalage, un mcanisme spcique doit tre mis en uvre par le rcepteur. 15. ATM, Asynchronous Transfer Mode ou Mode de Transfert Asynchrone. ATM est une technique dacheminement des donnes tudie spciquement pour pouvoir couler les ux voix, donnes et images.

50. 2 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission 26 Services Noms Caractristiques Application types CBR Constant Bit Rate Dbit constant Flux isochrone Voix, vido non compresse VBR-rt Variable Bit Rate real time Dbit variable Flux isochrone Applications audio et vido compresses VBR-nrt Variable Bit Rate non real time Dbit variable mais prvisible Application de type transactionnel ABR Available Bit Rate Dbit sporadique Sans contrainte temporelle Interconnexion de rseaux locaux UBR Unspecied Bit Rate Trac non spci Best 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 xes la connexion. 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, le rseau devant sadapter aux besoins des applications. Certaines applications, notamment les applications de type donnes, sont moins exigeantes en terme de dbit. An de mieux utiliser les capacits du rseau, il semble prfrable que ce soient les applications qui sadaptent aux capacits de transfert de ce dernier et non linverse. La classe de service ABR (Available Bit Rate) ne spcie, la connexion, quun dbit minimal et maximal, il ny a aucun dbit moyen garanti, les applications utilisent le dbit disponible sur le rseau (entre les deux bornes prdnies). De mme, une classe de service de type dat

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