17. Couche physique : commutation de circuits (FDM, TDM, WDM) et

17. Couche physique : commutation de circuits (FDM, TDM, WDM) et comparaison avec la
commutation de paquets, types de modulation et de codage dans les modems,
interprétation des théorèmes de Nyquist et de Shannon, types de paires de cuivre et de
fibres optiques.
Cette question concerne le cœur du réseau (en vert sur la figure 1.4)
Commutation de circuits et commutation de paquets
Il existe deux approches fondamentales pour construire le cœur d’un réseau (network core) :
 commutation de circuits (circuit switching): les ressources nécessaires le long d'un chemin (buffers,
bande passante) pour la communication entre deux machines sont réservées pour la durée de la
session. Cette réservation garantit le transfert des données à un débit constant (réservé à l’avance).
Exemple : téléphonie réseau
 commutation de paquets (packet switching): ces ressources ne sont pas réservées. Les paquets sont
envoyés directement sur le réseau avec comme conséquence des temps d’attente (files, ...) pour
disposer d’un lien de communication lorsque plusieurs paquets doivent être envoyés au même
moment. Il n’ya donc ici aucune garantie de timing.
Aujourd’hui, Internet utilise essentiellement la commutation de paquets. C’est d’ailleurs sur cette approche
qu’on insiste dans le cadre de ce cours.
Note : certains réseaux ne peuvent pas être classifiés purement dans telle ou telle approche. Par exemple, dans
les réseaux basés sur la technologie ATM, une connexion peut faire une réservation mais certains des messages
devront parfois attendre après des ressources congestionnées.
Commutation de circuits:
La figure 1.5 illustre l’approche par commutation de circuits. Dans ce réseau, chaque lien comporte n circuits et
peut donc supporter n connexions simultanées (TDM, FDM ou WDM)
Le réseau établit un circuit entre deux machines (parfois plus que deux). Donc pour que A puisse envoyer des
messages à B, le réseau doit préalablement avoir réservé un circuit sur chacune des deux lignes.
Un circuit dans un lien est implémenté par:
-
-
frequency division multiplexing (FDM): Le spectre de fréquence d’un lien est partagé équitablement
en n connexions.
time-division multiplexing (TDM): la tendance dans la téléphonie moderne est de remplacer FDM par
TDM. Pour un lien TDM, le temps est divisé en frames de durée fixée et chaque frame est divisée en
un nombre fixe de time slots. Lors d’une connexion le réseau associe un time slot de chaque frame
pour cette connexion.
wavelength division multiplexing (WDM): sorte de FDM spécifique à la fibre optique : on a des flux
sur des longueurs d’ondes différentes et on les multiplexe à l’aide d’un prisme pour les faire passer sur
la même fibre.
Le débit de transmission d’une frame est égal au debit de frames du lien multiplié par le nombre de bits dans
un slot. Exemple, si le lien transmet 8 000 frames/s et que chaque slot consiste en 8 bits, alors le débit est de 64
Kbps.
Question : temps nécessaire pour envoyer un fichier de 640 000 bits si on a une bande passante de 1,536
Mbps, un temps de 500ms pour établir le circuit et utilisation de TDM avec 24 slots/s ?
 0,5 + 640 000/(1,536*1024*24)
Commutation de paquets:
Les paquets peuvent contenir tout ce que le concepteur du protocole désire et les messages trop longs sont
tout simplement divisés en paquets plus petits.
La transmission utilisée est de type « Store and forward transmission» : chaque nœud (routeur, …) attend de
recevoir un paquet entièrement avant de commencer à faire suivre le premier bit de ce paquet. Ceci introduit
un « store-and forward delay » à l’entrée de chaque lien. Par exemple, si un paquet consiste en L bits, et que
ce paquet doit être retransmis sur un lien de R bps, alors le store-and-forward delay est de L/R seconds.
Dans chaque routeur, il y a plusieurs buffers (queues). Avec chaque lien il y a un input buffer (pour stocker les
paquets qui viennent d’arriver) et un output buffer qui joue un rôle clé : si un paquet arrivant doit être
transmis sur une ligne occupée, ce paquet doit attendre dans l’output buffer. Ce qui introduit des delays
supplémentaires appelés « queueing delays ». Ceux-ci sont variables et dépendent du niveau de congestion du
réseau. Dans le cas où les buffers seraient également pleins, certains paquets devront malheureusement être
jetés (soit le paquet arrivant, soit un autre déjà présent dans le buffer).
Regardons maintenant comment sont transmis les paquets. Comme le montre la figure 1.7, la séquence des
paquets de A et B ne suit pas un ordre périodique mais aléatoire ou statistique (statistical multiplexing). Le
Statistical multiplexing contraste avec le time-division multiplexing (TDM), pour lequel le temps est divisé
équitablement entre les machines.
Commutation de circuits VS commutation de paquets :
La commutation de paquets :
-
n’est pas toujours souhaitable pour les services en temps réel (téléphonie, vidéos conférences, …) à
cause des delays imprévisibles et variables.
offre un partage plus équitable de la bande passante.
est plus simple, plus efficace et moins coûteuse à implémenter.
Pourquoi la commutation de paquets est-elle plus efficace ?
Jetons un œil sur un exemple simple :
Supposons que des utilisateurs partagent un lien de 1 Mbps et que chaque utilisateur alterne entre des
périodes d’activité (où il envoie des données à un débit constant de 100Kbits/sec) et des périodes d’inactivité.
Supposons également que chaque utilisateur est actif seulement 10% du temps (et joue à la belotte les 90% du
temps restant)
Avec la commutation par circuits :
100 Kbps sont réservés pour chaque utilisateur. Donc le lien peut supporter uniquement 10 utilisateurs.
Avec la commutation par paquets :
S’il y a 35 utilisateurs la probabilité d’en avoir 10 ou plus actifs simultanément est inférieure à 0.0004. S’il y en
a 10 ou moins simultanément (dans 99,96% des cas donc), le débit d’arrivée de donnée est inférieur à 1Mbps
(le débit de sortie du lien). Les paquets voyagent donc pratiquement sans delays. Quand il y a plus que 10
utilisateurs simultanément, le débit d’arrivée excède la capacité de la sortie et l’ «output queue» commence à
grandir jusqu’à ce que le débit d’entrée retombe sous 1Mbps.
 Comme la probabilité d’avoir plus de 10 utilisateurs simultanément est très très faible, les
performances en temps de la commutation par paquets sont pratiquement toujours égales à
celles de la commutation par circuits. La différence est que la commutation par paquets permet
au moins 3 fois plus d’utilisateurs.
Types de modulation et de codage dans les modems
Principe du modem
C'est un dispositif électronique qui permet de faire circuler (réception et envoi) des données numériques sur un
canal analogique. Il module les informations numériques en ondes analogiques. En sens inverse, il démodule
les données analogiques pour les convertir en numérique. Le mot « modem » est ainsi un acronyme pour
«MOdulateur/DEModulateur». La vitesse de transmission du modem est généralement exprimée en bauds
(nombre de symboles transmis par seconde).
Types de modulations
Différents types de modulation sont utilisés dans les modems :
 la modulation d'amplitude (AM, Amplitude Modulation) ; celle-ci sera par exemple réalisée à l'aide
d'un multiplicateur analogique recevant sur une entrée la fréquence porteuse, sur l'autre le signal
numérique à transporter
 la modulation de fréquence (FSK, Frequency Shift Keying) ; les diverses fréquences peuvent être
obtenues à l'aide d'un VCO (Voltage-Controlled Oscillator, peu précis) ou par traitement numérique
d'un signal produit par une horloge à quartz (division de fréquence, synthèse numérique...)
 la modulation de phase: à la fin de chaque cycle, un changement de phase représente un changement
de la valeur binaire.
Si on module à la fois l’amplitude et la phase…
Bien qu'il soit possible de transmettre un bit par symbole, on utilise habituellement la bande passante de façon
plus efficace en transmettant plusieurs bits par évènement.
Si on module à la fois l’amplitude et la phase, on espace mieux les états dans le plan de phase que dans une
pure modulation de phase et on peut donc continuer à augmenter le débit :
-
modulation QSPK : 4 états de phases et d’amplitude
modulation QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation): 16 états de phases et d’amplitude
modulation QAM-64 : 64 états de phases et d’amplitude. Utilisé dans les modèles 56Kbps
Interprétation des théorèmes de Nyquist et de Shannon
Théorème d'échantillonnage de Nyquist-Shannon :
La fréquence d'échantillonnage d'un signal doit être au minimum le double de la fréquence maximale de ce
signal, afin de convertir ce signal d'une forme analogique à une forme numérique. Ce théorème est à la base de
la conversion numérique des signaux.
Exemple :
En téléphonie, par exemple, le spectre est compris entre 300 et 3400 hertz, la fréquence d'échantillonnage doit
être au minimum de 6800 Hz. En pratique, elle vaut 8 kHz.
Il en résulte que…
-
-
le débit de transmission du modem (exprimé en bauds) est limité par la fréquence de la bande
passante du média physique (H).
o Loi de Nyquist : baud-rate ≤ 2 x H  ne concerne pas le débits de données (en bits/s)
Le débit de données (en bps) est toutefois limité par la capacité du canal qui dépend du rapport signal
bruit (signal-to-noise) S/N
𝑆
o Lois de Shannon : data rate ≤ H x log 2 (1 + )
𝑁
Types de paires de cuivre et de fibres optiques.
Paires torsadées (fils de cuivre)
Le moins cher et le plus utilisé
Utilisé depuis très longtemps par les réseaux téléphoniques
Consiste en deux fils de cuivre isolés, chacun environ 1 millimètre d'épaisseur, disposés dans un
modèle en spirale régulière.
Plus on ressert les boucles et plus on réduit l'interférence électrique des paires semblables
étroitement près. Un certain nombre de paires sont empaquetées ensemble dans un câble en
enveloppant les paires dans un bouclier protecteur. Une paire de fils constitue un lien de
communication simple.
Paires torsadées non protégées (UTP)
Utilisé dans les réseaux locaux, LANs (10 Mbps à 100 Mbps). Le débit dépend de l’épaisseur du fil et de
la distance entre l’émetteur et le récepteur. Deux types d’UTP sont communs dans les LANs:
o category 3 : 10Mbps Ethernet
o category 5 : 100Mbps Ethernet
Des débits plus élevés sont possibles.
l’ADSL permet à des utilisateurs d’accéder au Web à un débit supérieur à 6Mbps sur des paires
torsadées.
Cable Coaxial
le câble coaxial se compose aussi de deux conducteurs de cuivre, mais les deux conducteurs sont
concentriques plutôt que parallèles.
Avec cette construction ainsi qu’une isolation spéciale et une protection, un câble coaxial peut avoir
un débit plus élevé que les paires torsadées.
Il existe 2 variétés:
o baseband coaxial cable (un seul canal par câble)
o broadband coaxial cable (plusieurs canaux par câble)
Fibre optique
Une fibre optique est un milieu mince et flexible qui conduit des impulsions de lumière, avec chaque impulsion
représentant un bit. Une fibre optique simple peut supporter des débits binaires énormes, jusqu'aux dizaines
ou même aux centaines de gigabits par seconde. Les fibres optiques sont immunisés contre l'interférence
électromagnétique, ont une baisse du signal très faible jusqu'à 100 kilomètres, et sont très difficiles à casser.
Ces caractéristiques ont fait de la fibre optique le média de transmission préféré pour des longues distances, en
particulier pour des liens d'outre-mer. Cependant, le coût élevé de circuits optiques -- comme des émetteurs,
des récepteurs, et des commutateurs -- a gêné leur déploiement pour les courtes distances tel que dans un LAN
ou dans une maison privée.
Types de fibres :
 crée de la dispersion de délai : à partir de 2
impulsions bien distinctes, on obtient quelque chose de
méconnaissable (désordre)
 Dans ce cas, les photons suivant un chemin plus long
accélèrent de sorte que l’ordre d’arrivée des photons
corresponde à l’ordre de départ de ceux-ci.