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Introduction

Le but de la transmission de données est d’acheminer des données (des signes ou des caractères) d’un système source à un système destination. On peut prendre l’exemple d’une station de travail, qui, à l’aide d’un modem et d’une ligne téléphonique, envoie des données à un serveur. Le modem joue le rôle d’adaptateur entre le système source et le système de transmission.

Le système source est appelé ETTD (Equipement Terminal de Traitement de Données) ou DTE en anglais (Data Equipment Terminal). L’adaptateur est appelé ETCD (Equipement Terminal de Circuit de Données) ou DCE (Data Communication Equipment) en anglais. Il peut s’agir d’un Modem (Modulateur - Démodulateur) pour la transmission analogique à partir d’un signal numérique, ou d’un ERBDB (Emetteur – Récepteur en Bande De Base) pour la transmission numérique. Le signal analogique sera créé grâce à la modulation. On appelle « jonction » la partie qui relie l’ETTD et ETCD.

Quand on parle des réseaux, on dit souvent qu’on envoie des données sur le support de transmission, en binaire. En réalité, ce qui transite sur système de transmission (la fibre optique, le câble ou l’air), n’est qu’une représentation des 0 et des 1.
Différents codages sont utilisés pour transmettre les données en bande de base :

Le codage NRZ (No Return to Zero) est simplement un codage avec une valeur de +V pour le signal pour représenter un 1 et –V pour représenter un zéro. De cette façon, la composante continue du signal est nulle (si il y a globalement autant de 1 que de 0), ce qui donne une consommation moins importante.

Le codage NRZI (NRZ Inverted) inverse le signal si le bit à transmettre est un 0 et ne l’inverse pas si il s’agit d’un 1. Cela évite un signal continu lors d’une longue succession de 0.

Le codage Manchester propose une inversion du signal systématique au milieu de la période d’horloge, ce qui garantit l’impossibilité d’avoir un signal continue. Pour transmettre un 1, il s’agira d’un front montant, et pour transmettre un 0, d’un front descendant.

Le codage Manchester différentiel réalise un OU exclusif entre l’horloge et les données. Il y a toujours une transition au milieu de la période d’horloge, avec inversion entre 2 bits pour transmettre un 0 et absence de transition pour transmettre un 1.

Les deux codages Manchester permet d’assurer une composante nulle du signal, mais demande un signal de fréquence 2 fois plus important qu’avec les codages NRZ.
Notons que les bits de poids faibles sont toujours transmis en premier, par convention.

Les modes d’échanges de données

Les différents codes

Le premier code utilisé de façon universelle fut le code Morse, créé par l’auteur du même nom en 1832 et utilisé par le premier télégraphe américain dès 1837. Il se basait déjà sur du binaire en transmettant soit un signal court, soit un signal long (A .-, B -…, C -.-., D -.. E ., etc.)
Les différentes combinaisons ont été choisit en fonction des différentes fréquences des lettres en langue anglaise, c’est pour cette raison que le « E » et le « T » sont représenté par un seul signal, car ils sont très fréquents. Par contre, on se rend compte que dans ce système, la succession des lettres D --..) et E (.) équivaut à la lettre B (-…), ce qui oblige à faire une pause entre chaque lettre.

Ensuite, il fallut attendre 1874 pour voir un français, Jean-Maurice-Emile Baudot créer le premier code de caractère binaire (5 bits), le code dit Baudot ou Télégraphique.

Ce code avait un système de « caps lock » permettant, avec un signe particulier, de passer des lettres aux chiffres et ponctuation. Ce code n’avait que 5 bits pour des contraintes matériels au moment de sa création. Un code à 6 bits aurait été beaucoup plus difficile à mettre en œuvre.
Le code 00000 était inutilisé afin de permettre de repérer un dysfonctionnement de la machine ou une absence d’émission plutôt qu’un caractère émit en permanence. Les caractères particuliers sont CR (Cariage Return ou retour à la ligne), LF (Line Feed, ou descendre d’un cran sans changer de colonne), SP (SPace ou blanc), BELL (émission d’un signal sonore). LTRS (Letters) et FIGS (Figures) permettent de passer du système de lettres au système de chiffres.
 
 

Les bits sont regroupés pour donner des caractères ou signes. Le code télégraphique (5 bits) 31 caractères possibles Le code ASCII (7-8 bits) 128 ou 256 caractères possibles Le code EBCDIC (8 bits) 256 caractères possibles Exemple ci-contre : ASCII 7bits

Liaison série et liaison parallèle

Sur une liaison parallèle, les bits d’un même caractère sont transmis en même temps sur plusieurs fils différents. Sur une liaison série, ils sont transmis les uns à la suite des autres.
Si la liaison parallèle est plus rapide, elle est également plus chère (plus de fils), plus encombrante, et très mauvaise sur des distance longues. Le déphasage entre les différents signaux du même câble entraîne souvent une désynchronisation. C’est pour cette raison que les câbles d’imprimantes dépasse rarement les 1m50… La transmission série est donc utilisée pour les distances longues (supérieures à quelques mètres).

Transmission synchrone ou asynchrone

En mode asynchrone, les signes sont transmis n’importe quand. Il n’y a pas d’horloge entre la source et la destination. Les bits Start et Stop encadre le caractère transmis pour permettre à l’organe de destination de repérer le début et la fin de sa transmission.

En mode synchrone, une fil particulier transportant le signal d’horloge relie les deux éléments. Les bits des différents caractères sont transmis directement les uns à la suite des autres à chaque période d’horloge.

Mode de liaison
 

Mode simplex : La transmission ne peut se faire que de A vers B (ex : radio, télévision) Mode semi-duplex : La transmission peut se faire dans les deux sens, mais pas en même temps (ex : CB, talkie-walkie).  Mode duplex intégral : La transmission peut se faire dans les deux sens simultanément (ex : téléphone)

Les paramètres de communication

La vitesse de transmission

Deux unités sont utilisées pour caractériser la vitesse de transmission. La première est le nombre de bits par seconde (ou débit binaire), la seconde est le baud. Notons que ces débits ne correspondent pas aux débits réels d’informations. Dans une liaison asynchrone, avec le code ASCII 7 bits, vous pouvez transmettre par exemple 10 bits sur la ligne (7 bits de caractère, 1 de Start, 1 de Stop et 1 de parité) alors que seul 7 bits sont de l’information utile. Les autres bits sont appelés bits de contrôle.
Le baud ne se base pas sur la quantité d’informations transportées en nombre de bits. Il compte simplement le nombre d’état transmis par seconde. Souvent, le nombre de bps (bits par seconde) est le même que le nombre de bauds.
 
 

Dans l’exemple ci-contre, on considère un codage à 4 états. Si le nombre de bauds est le même dans les deux signaux, les nombres de bits par seconde sont différents. Le nombre de bauds est le nombre d’intervalles de modulation. Un intervalle de modulation est la durée d’un état de la modulation.

La parité

Pour s’assurer que le caractère envoyé est bien celui qui a été reçu, on peut utiliser le contrôle de parité. Le principe est de rajouter un bit de parité directement après le caractère. Ce bit est mis a 0 ou à 1 selon que l’on veuille obtenir une parité paire (le nombre de 1 est pair) ou impaire (le nombre de 1 est impair). Si on souhaite transmettre un caractère ayant un nombre impair de bit à 1, et que l’on utilise un contrôle de parité paire, il faudra que le bit de parité soit positionné à 1 pour que le nombre de total de bits à 1 soit pair. Ceci permet à l’organe de réception de vérifier si on a le même nombre de 1 dans le caractère à l’arrivée qu ‘il y en avait au départ. Ce contrôle n’est pas infaillible, mais la probabilité d’avoir plusieurs inversions de bits dans un même caractère est faible.

Exemples :

Protocoles de contrôle de flux

Dans une liaison asynchrone, le récepteur ne peut pas toujours traiter les données aussi rapidement qu’elles arrivent. Une procédure spécifique signifiant à l’émetteur de suspendre provisoirement l’émission peut être nécessaire. Le récepteur a dans ce cas une mémoire tampon pour stocker les données reçues.

Dans le cas du protocole logiciel Xon/Xoff, le récepteur stocke les données dans son buffer de réception. Lorsque ce buffer est « presque » plein, il envoie le caractère Xoff à l’émetteur pour signifier qu’il doit momentanément interrompre la transmission. Une fois qu’il a traité les informations du buffer et qu’il l’a vidé, il envoie le caractère Xon pour demander à l’émetteur de poursuivre la transmission.

Dans le cas du protocole matériel RTS/CTS utilisé directement entre deux ETTD, c’est le hardware qui joue ce rôle.

La modulation

Les modulations de base

Pour transmettre les signaux en analogique, on utilise la modulation. Les informations sont représentées avec des signaux ayant une fréquence choisie, ce qui permet de limiter les partes du signal et donc de transmettre sur des distances plus longues qu’en numérique.
Plusieurs types de modulations sont utilisées :
 

Dans chacun des exemple, la suite de bits à émettre est la suite ci-contre. Les modulations les plus simples sont l’ASK (Amplitude Shift Keying), la FSK (Frequency SK) et la PSK (Phase SK).         La modulation d’amplitude ou ASK : L’amplitude du signal varie du simple au double suivant que l’on veuille transmettre un 0 ou un 1.          La modulation de fréquence ou FSK : La fréquence du signal varie du simple au double suivant que l’on transmette un 0 ou un 1.        La modulation de phase ou PSK : La phase du signal varie en fonction du bit à envoyer.          Chacune de ces modulations peut avoir 2 états (0 ou 1), comme sur les exemples précédents, mais également 4, 8, 16 ou plus états. L’exemple ci-contre illustre une modulation PSK à 4 états.

La modulation QAM à 4 états

D’autres modulations plus élaborées sont possibles. D’ailleurs, la plupart des modems les utilisent actuellement. Nous allons voir maintenant l’exemple de la modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) à 4 états. Cet partie est légèrement plus complexe que le reste et demande certaines notions de théorie du signal.
 

Le sinus et le cosinus, utilisés en signal, sont en quadrature. En géométrie, cela revient à dire que leur plan sont perpendiculaire. Cela signifie que si l’on additionne un sinus et un cosinus dans un même signal, on sera capable ensuite de les séparer de nouveau. Ainsi, on peut associer un bit « a » au sinus, et un bit « b » au cosinus. En additionnant les deux vecteurs, on peut, avec un seul signal, envoyer deux bits, comme l’illustre la figure ci-contre.

Pour mettre ça en œuvre physiquement, il suffit d’utiliser le schéma suivant. Le signal p(t) est par exemple un sinus, qui est multiplié par le bit « a », prenant de les valeurs de +1 pour un 1, et –1 pour un 0. Ensuite, le sinus déphasé, soit le cosinus, est multiplié par le bit « b ».  La somme des deux sera transmise sur la ligne. Le signal transporté pourra être démodulé à l’arrivée pour retrouver le bit « a » et le bit « b ».

Les courbes ci-dessous illustre le phénomène et montre finalement le signal qui sera transporté sur la ligne de transmission :

Architecture d’un modem

L’architecture d’un modem est donc la suivante :

Du côté du PC, on retrouve des fils contenant les signaux d’horloge, les signaux de contrôle (comme RTS/CTS vus plus haut), ainsi que ceux contenant les données émises et reçues. Ces données reçues en numérique seront adaptées puis modulées pour être ensuite envoyées sur la ligne de transmission. A la réception, les signaux sont démodulés pour être retransmis vers le PC en numérique. Un module particulier s’occupe de la détection des appels, ainsi que du contrôle et du séquencement des opérations.

La normalisation des jonctions

La jonction entre l’ETTD et ETCD comprend une normalisation fonctionnelle qui décrit le fonctionnement des différents signaux, et une normalisation électrique définissant les niveaux de tension de ces signaux.

La norme fonctionnelle V24

Cette norme de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications) définit plusieurs circuits numérotés. En voici quelqu’un :
- 101 : Masse de protection, correspondant en général au blindage du câble
- 102 : Masse de signalisation, correspondant à la masse des signaux
- 103 : TD (Transmit Data), circuit où circulent les données asynchrones de l’ETTD vers l’ETCD
- 104 : RD (Recieve Data), circuit où circulent les données asynchrones de l’ETCD vers l’ETTD
- 105 : RTS (Request To Send) pour le contrôle de flux (voir plus haut)
- 106 : CTS (Clear To Send) pour le contrôle de flux (voir plus haut)
- 108 : DTR (Data Terminal Ready) indique que l’ETTD est prêt à fonctionner
- 109 : CD (Carrier Detection) remonte l’information de détection de la porteuse de l’ETCD à l’ETTD
- 125 : RI (Ring Indicator) remonte l’information d’appel distant de l’ETCD vers ETTD

Les normes électriques

On distingue principalement 4 normes électriques de jonction basées sur la norme fonctionnelle V24 :

Le multiplexage

Lorsque plusieurs lignes arrivent au même endroit et ne doivent plus passer que sur une seule ligne, on fait du multiplexage. Les différentes voies incidentes se retrouvent sur la même voie composite comme le montre la figure suivante :

Pour parvenir à mélanger ces différents signaux sur une même ligne pour pouvoir les retrouver ensuite, il existe trois méthodes.

Le multiplexage temporel ou TDM (Time Division Multiplexing)
 

La voie composite est plus rapide que les N voies incidentes. Ainsi, quand chaque voie incidente fait passer i octets de données, la voie composite peut elle faire passer N.i octets de données. Ce principe est assez simple. Imaginez simplement que vous ayez deux vous souhaitiez faire passer 2 fois 56 kbps sur une ligne. Il vous suffit simplement d’une ligne à 128 kbps… Pendant une demi-seconde, vous faîtes passer les 56 kilobits de la première ligne, et dans la deuxième demi-seconde, vous faîtes passer les 56 kilobits de la deuxième ligne.

Le multiplexage fréquentiel ou FDM (Frequence Division Multiplexing)
 

Cette fois-ci, au lieu de partager le temps entre les différentes lignes, toutes vont passer en même temps sur une fréquence différente. Grâce à la théorie du signal, on peut facilement, à l’aide d’un simple filtre, retrouver les informations placées dans différentes fréquences. Les différentes voies sont donc modulées à des fréquences différentes les unes des autres, sans recouvrement, et l’ensemble des voies est envoyé sur la ligne.

Le multiplexage statistique, d’étiquette ou de position
 

Cette fois-ci, il s’agit simplement de regarder quelles sont les lignes qui émettent réellement des signaux. Dans notre exemple, on peut voir que les canaux 1, 2, 3, 5 et 7 émettent alors que les autres liaisons sont inutilisées. Dans ce cas, on fait passer les informations les unes derrière les autres, comme pour le multiplexage temporel, mais uniquement les informations réelles. Statistiquement, les canaux ne seront jamais tous utilisés, ce qui permet d’avoir un débit moins important que le nombre de canaux fois le débit de chaque canal.

Introduction au fonctionnement des réseaux

Pour échanger des données sur un réseau, il existe deux possibilités : la commutation de circuits et la commutation de paquets.

La commutation de circuits

La première possibilité consiste à établir un chemin entre les deux ordinateurs et à faire passer toutes les informations par ce même chemin. Ce système, appelé commutation de circuit, est celui du téléphone.

La commutation par paquets

La deuxième possibilité, pour aller d’un point à un autre, consiste à avoir un réseau maillé et à connaître l’adresse du destinataire. C’est le système utilisé sur Internet, appelé commutation par paquets.

Pour mieux expliquer la différence entre les deux méthodes, il suffit de prendre un exemple très simple. Imaginons que vous êtes guide dans un voyage organisé dans une ville et que vous souhaitiez que tous le monde se retrouve à une certaine heure, dans un autre lieu. Le premier principe consiste à expliquer aux voyageurs qu’ils doivent prendre la première à gauche, puis la troisième à droite pour aller là où vous devez vous rencontrer. Dans ce cas, toutes les personnes prendront le même chemin pour aller jusqu’au lieu de rendez-vous. C’est la commutation par circuits, puisque le chemin est établi et que toutes les informations suivent le même chemin.

Maintenant, la deuxième possibilité consiste à donner un plan à chacun des voyageurs et à leur donner le nom de la place où ils ont rendez-vous. Dans ce cas, ils ne prendront pas forcement tous le même chemin : c’est la commutation par paquets, puisque les informations connaissent l’adresse du destinataire et sont dans un réseau maillé.