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Supports physiques de communication

Cette documentation a été écrite il y a bien longtemps et n'est plus mise à jour. Comprenez que les informations que vous y trouverez peuvent avoir changé de manière conséquente !

I- Média de cuivre

Notions de physique :

Toute matière contient des atomes, les atomes sont composés des particules suivantes :

  • Protons, chargés positivement
  • Électrons, chargés négativement
  • Neutrons, non chargés

Les neutrons et les protons se groupent pour former le noyau.

Les électrons sont en rotation autour du noyau.

Loi de Coulomb :

Les charges opposées s'attirent.

Les charges identiques se repoussent.

Les neutrons et les protons sont solidaires dans le noyau grâce à la force nucléaire.

Les électrons restent en orbite autour du noyau même si ils sont attirés par les protons.

Les électrons peuvent être libérés de leur orbite, ce qui crée l'électricité.

Si les électrons libérés ne circulent pas, l'électricité est statique.

Les atomes ou les molécules(ensemble d'atomes) constituent des matériaux qui se définissent par leur résistance : Isolants, conducteurs, semi-conducteurs.

Tension :

La tension représente la force exercée quand les électrons sont séparés des protons. Elle est également appelée force électromotrice (FEM), est représentée par le signe V et se mesure en Volts.

Intensité et puissance :

L'intensité du courant (I), c'est à dire le nombre d'électrons qui se déplacent, se mesure en ampères (A). La combinaison entre tension (vitesse de déplacement) et courant (nombre d'électrons) définit la puissance qui se note en Watt.

Résistance et impédance :

La résistance au passage des électrons varie en fonction des matériaux utilisés :

Conducteurs : Les électrons passent facilement. Cuivre, Argent, Or.

Isolants : Les électrons passent difficilement. Caoutchouc, plastique, air.

Semi-conducteurs : Ils permettent de contrôler précisément la quantité d'électricité qui les traverse. Silicium, Carbone, Germanium.

L'impédance est l'opposition d'un circuit électrique au passage des électrons.

Circuit :

Pour que les électrons puissent circuler, ils doivent disposer d'un circuit fermé qui les emmène vers une borne positive.

Le chemin offrant le moins de résistance est toujours choisi.

L'électricité se dirige naturellement vers la terre. La terre représente le niveau 0 de tension (0V)

Courant continu / courant alternatif :

Les circuits de courant alternatif changent régulièrement de polarité. Les deux bornes alternent entre + et -.

Dans un circuit continu, l'électricité circule toujours dans le même sens.

Loi d'Ohm :

V = I x R

Nomination des câbles Ethernet :

Les câbles Ethernet sont définis par les dénominations suivantes :

X Base Y
Débit en Mbit/s (1) Codage (2) Type de câble ou longueur maximale (3)

1 : Les débits sont exprimés en Mega bits par seconde. Les premières versions d'Ethernet allaient à 10 Mbit. Le standard actuel pour les stations de travail est 100 Mb/s. Enfin, les liaisons les plus rapides atteignent 1Gb/s et 10 Gb/s.

2 : Le codage des média Ethernet est toujours numérique. Il est appellé codage en bande de base. Le codage analogique, est noté broad.

3 : Enfin le dernier identifiant est utilisé : - soit pour la longueur maximale d'un câble (en centaines de mètres) - soit pour le type de câble que l'on utilise

Exemples les plus communs :

  • 10 Base 5 : Plus utilisé. Débit de 10 Mb, câbles qui ne dépassent pas 500 m.
  • 10 Base 2 : N'est plus utilisé. Débit de 10 Mb, câbles coaxiaux de 200 m maximum.
  • 10 Base T : Débit de 10 Mb, câbles à paires de fils Torsadés.
  • 100 Base Tx : Débit de 100 Mb, câbles à paires de fils Torsadés.
  • 100 Base Fx : Débit de 100 Mb, Fibres optiques.
  • 1000 Base T : Débit de 1 Gb, câbles à paires de fils Torsadés.
  • 1000 Base Sx : Débit de 1 Gb, Fibres optiques.
  • 1000 Base Lx : Débit de 1 Gb, Fibres optiques.
  • ...

Les différents câbles Ethernet

Câbles coaxiaux :

Les câbles coaxiaux des versions 10 Base 5 et 10Base2 d'Ethernet sont composés d'un fil de cuivre entouré d'un isolant en plastique et d'un blindage en cuivre tressé ou en feuille métallique. Ce blindage permet de réduire les interférences électromagnétiques.

Les connecteurs de la version 10Base5 sont des prise « Vampires ».

Ceux de la version 10Base2 sont des connecteurs BNC.

Câbles à paires torsadées :

Avec les câbles à paires torsadées, chaque équipement doit être distant de moins de 100m.

Les câbles Ethernet XBaseT sont des câbles composés de 8 fils de cuivres. Ces fils sont rangés par paires de couleurs qui sont torsadées pour éviter la diaphonie (perturbation d'une paire sur une autre).

Ces câbles peuvent être simplement entouré d'une gaine de plastique. Dans ce cas, les câbles ne sont pas blindés (Unshielded Twisted Pairs : UTP).

Les câbles blindés (STP : Shielded Twisted Pairs) sont protégés par une feuille métallique entre chaque paires et une feuille métallique globale pour toutes les paires.

Enfin, le câble écranté (ScTP pour Screened TP ou FTP pour Foiled TP) est un câble dont les paires ne ne pas blindées. La seule protection est le feuillard qui entoure l'ensemble des 8 fils.

Câbles droits et croisés :

Les équipements de natures différentes utilisent des câbles droits, c'est le plus commun des câblages.

Ordinateur ------- Commutateur
Routeur ---------- Commutateur

Pour des équipements de même nature, les câbles sont croisés pour éviter que l'équipement qui émet d'un côté soit incapable d'être reçu de l'autre côté :

Ordinateur-----X-----Ordinateur
Routeur--------X-----Routeur
Commutateur----X-----Commutateur

Catégories et classes de câbles :

Les câbles UTP ont été catégorisés de la manière suivante par l'ANSI/TIA/EIA :

  • Catégories 1 et 2 : Ne sont plus du tout utilisées.
  • Catégorie 3 : Était plutôt utilisé pour la téléphonie mais est remplacé à l'heure actuelle
  • Catégorie 4 : Utilisé pour Ethernet 10 Mb et TokenRing, il a été lui aussi remplacé par les catégories 5 et 5e
  • Catégorie 5 : Câblage permettant une fréquence de 100 MHz. Il peut être utilisé sur les réseaux Ethernet 10 et 100 Mb pour de la téléphonie ou du réseau.
  • Catégorie 5e/Classe D : Catégorie 5 enhanced. Le câblage de catégorie 5 a été amélioré pour obtenir des performances supérieures : Jusqu'à 155 MHz en fréquence, cela permet d'atteindre des débits de 1 Gb/s. Il est utilisé pour les réseaux Ethernet 100BaseT et 1000BaseT. C'est le type de câblage le plus communément utilisé
  • Catégorie 6/Classe E : Permet des câblage d'une fréquence de 250MHz et plus.
  • Catégorie 6a/Classe Ea : Amélioration de la catégorie 6 pour permettre une fréquence de 500MHz.
  • Catégorie 7/Classe F : Permet des câblage d'une fréquence de 600MHz. Utilisé pour la télévision.

Les catégories sont définies par des organismes de normalisation (ici l'ANSI/TIA/EIA).

Les classes sont les résultats de tests de performance en laboratoire.

III- Média optiques

Notions de physique

Spectre électromagnétique :

Lorsque les électrons sont en mouvement, ils produisent de l'énergie électromagnétique. Cette énergie se déplace sous la forme d'ondes dans le vide, dans l'air et certains matériaux tels que le verre. La vitesse d'une onde dans le vide est comparable à la vitesse de la lumière 300000 km par seconde.

La longueur d'onde est une propriété importante de l'énergie électromagnétique.

Le spectre électromagnétique représente toutes les longueurs d'ondes.

L'œil humain perçoit les ondes comprises entre 400 nm et 700 nm. La fibre optique utilise des ondes d'une longueur plus importante : Les ondes infrarouges. La lumière circulant dans la fibre optique a une longueur d'onde de 850, 1 310 ou 1 550 nanomètres. Ce sont les longueurs d'onde qui circulent le mieux dans la fibre optique.

Rayons lumineux :

Les ondes électromagnétiques se propagent en lignes droites. On les appelle des rayons. Dans le vide leur vitesse est de 300000 km/s mais dans l'air, le verre ou tout autre matériau, la vitesse est moindre.

Quand un rayon incident passe d'un matériau à un autre, une partie de l'énergie pénètre dans le nouveau matériau (rayon réfracté). Une autre partie est reflétée(rayon réfléchi).

L'angle du rayon incident est identique à celui du rayon réfléchi.

L'angle du rayon réfracté dépend de l'indice de réfraction du matériau traversé.

L'indice de réfraction du verre est de 1,523.

Si le rayon incident vient d'un angle de 90°, le rayon entre dans le matériau sans aucune flexion.

Réflexion interne totale :

Dans le cas de la fibre optique, le rayon qui passe dans la fibre ne doit pas se réfracter dans un autre matériau, sinon le signal s'affaiblit très vite. Entre deux matériau, il existe un angle critique en dessous duquel il y a réfraction. Entre l'air et le verre, l'angle critique est de 41,8°. Pour la fibre optique, il faut donc répondre à ces deux contraintes pour que l'intégralité du rayon soit réfléchi (réflexion interne totale) :

  • L'indice de réfraction du cœur de la fibre optique doit être supérieur à celui de l'enveloppe.
  • L'angle d'incidence du rayon doit être supérieur à l'angle critique du cœur et de son enveloppe.

Les fibres sont fabriquées de manière à ce que la première condition soit remplie. D'autre part, pour travailler l'angle d'incidence, l'ouverture numérique de la fibre ne permet qu'un certain intervalle d'angles.

Fibres : généralités

Conception d'une fibre

Une fibre optique est composée d'un cœur qui laisse passer le signal lumineux.

Ce cœur est entouré d'une enveloppe de verre qui empêche le signal d'être réfracté.

Enfin une gaine protectrice entoure la fibre.

Les équipements connectés en fibres optiques sont toujours munis de deux fibres pour assurer une communication full duplex : Une fibre pour l'émission, une fibre pour la réception. Ces deux fibres sont souvent entourées ensemble par une gaine jusqu'aux connecteurs.

Le connecteur Tx prend le signal électrique entrant et ce signal ressort par le connecteur Rx.

L'émetteur (Tx) convertit les signaux électriques de l'équipement en signaux lumineux correspondants. Pour cela il utilise un laser d'une longueur d'onde de 1310 ou 1550 nm ou une LED d'une longueur d'onde de 850 ou 1310 nm.

Le récepteur (Rx) est muni d'une photo diode qui produit de l'électricité quand elle reçoit un signal lumineux d'une longueur d'onde de 850, 1310 ou 1550 nm (selon les conceptions).

Un même câble peut également contenir plusieurs paires de fibres. Ceci évite de multiplier les câbles et les chemins de câbles.

Il n'y a pas de diaphonie comme pour les câbles à paires torsadées. On peut ainsi mettre de 2 à 48 fibres dans un câble sans que les unes perturbent les autres.

Connecteurs

Le schéma de gauche présente différents connecteurs de fibre optique.

Les plus communs sont les connecteurs SC pour la fibre multimode et les connecteurs ST pour la fibre monomode.

Fibres multimodes

Les fibres multimodes sont conçues de la manière suivante :

Le cœur est relativement large, les rayons peuvent venir avec différents angles, selon l'ouverture numérique de la fibre. Plusieurs chemins (modes) sont donc possibles pour passer à travers le cœur.

Les sources de lumières sont soit des LED (moins coûteuses), soit des lasers VCSEL (plus puissants). Une fibre multimode peut atteindre une distance de 2000 mètres.

Fibres monomodes

Dans les fibres monomodes, un seul chemin (mode) est possible à travers le cœur car le diamètre de celui-ci est trop petit pour laisser passer des rayons de différents angles.

La source de lumière est un laser infrarouge qui pénètre dans le cœur avec un angle de 90°. Les données sont donc transmises en ligne droite au centre du cœur. Il n'y a donc pas plusieurs modes possibles.

Les débits et distances de la fibre optique monomode sont supérieurs à ceux de la fibre multimode : La norme permet une distance maximale de 3000m mais en pratique cette distance peut être accrue.

Installation et maintenance d'un câblage en fibre optique

Signal et bruit

La fibre optique n'est pas sensible aux mêmes perturbations que les câbles à paires torsadées. La lumière ne peut pas s'échapper du cœur de la fibre et aucune lumière ne peut y entrer.

D'autre part, la transmission de la lumière ne crée pas d'interférences, il n'y a donc pas de diaphonie.

Il existe malgré tout des problèmes de dispersion du signal sur de longues distances. Une partie du signal est perdue à cause d'inégalités microscopiques dans le cœur qui réfléchissent une partie de la lumière.

D'autre part, il existe des problèmes d'absorption si la lumière rencontre des petites impuretés dans le cœur. Le signal est alors en partie absorbé par cette impureté.

Ce problèmes expliquent la limitation de la longueur d'une fibre optique.

Installation et maintenance

Pour éviter les problèmes de dispersion et d'absorption il faut faire attention à l'installation de la fibre :

  • courbures que l'on fait subir à la fibre. En général, les fibres sont installées dans des chemins de câbles durs qui ne peuvent pas se courber facilement.
  • L'extrémité des fibres doit être coupée précisément.
  • Connecteurs bien installés
  • Connecteurs bien propres.

Les installations en fibre optique se mesure par des appareils de tests, notamment les appareils de mesure de perte optique et les réflectomètres.

IV- Média sans fils

Notions de physique :

Pour transmettre les données en WiFi, les équipements WiFi transforment le signal numérique de l'ordinateur en ondes électromagnétiques transmises dans l'air.

Les variations de courant électriques dans l'antenne créent des ondes électromagnétiques qui se propagent en ligne droite. Ces ondes sont atténuées dès qu'elles sortent de l'antenne. Un signal reçu à 10m d'une antenne à perdu 99% de sa puissance d'origine.

Quand le signal parvient à l'antenne du récepteur, les ondes électromagnétiques reçues génère des signaux électriques de faible intensité. Le récepteur amplifie les signaux reçus.

Les données de l'émetteur ne sont pas envoyées telles qu'elles au récepteur. En réalité elles modifient un signal à haute fréquence existant (le signal porteur). Les données sont superposées à la porteuse.

Il existe plusieurs façons de coder un signal :

  • La modulation d'amplitude (AM) code les 0 et les 1 avec une amplitude différente.
  • La modulation de fréquence (FM) code les 0 et les 1 avec une fréquence différente.
  • La modulation de phase (PM) utilisée pour le WiFi code les 1 en changeant la phase et les 0 en ne changeant pas la phase.

Les ondes radioélectriques sont absorbées par certains matériaux et réfléchies par d'autres, l'environnement dans lequel le système sans fil est installé est très important :

  • Réfractées par les murs en plâtre et dans une plus forte proportion par les murs en béton.
  • Dispersées et absorbées par les gouttelettes d'eau dans l'air.

D'autre part, les ondes de la bande de fréquence des 2,4Ghz peuvent être perturbées par d'autres équipements travaillant dans les mêmes fréquences :

  • Appareils bluetooth
  • Fours à micro-ondes
  • Téléphones 3G

Normes IEEE 802.11

WiFi

  • 802.11a (en cours d'abandon) :
    • 54 Mbit/s
    • incompatible avec b et g, compatible avec n
    • Bande de fréquence 5 GHz
  • 802.11b :
    • 11 Mbit/s
    • compatible avec g et n
    • Bande de fréquence 2,4 GHz
  • 802.11g (standard actuel) :
    • 54 Mbit/s (108 Mbit/s pour le TurboG)
    • compatible avec le 802.11b et n
    • Bande de fréquence 2,4 GHz
  • 802.11n (en cours de normalisation) :
    • Utilisé de fait dans les technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output)
    • 54 et plus (jusqu'à 300 Mb/s)
    • compatible avec toutes les normes
    • Bande de fréquence 2,4 GHz et 5 GHz

Autres normes importantes :

  • 802.11e : Qualité de service

    • Norme permettant d'assurer une qualité de service pour permettre de faire passer de la voix et de la vidéo notamment.
  • 802.11f : Itinérance

    • Permet aux utilisateurs mobiles de passer d'une borne à une autre de façon transparente.
  • 802.11i : Sécurité

    • Permet d'améliorer la sécurité des transmissions. Préconise des solutions de chiffrement des données, d'échange de clés et d'authentification des utilisateurs.
  • 802.11IR : Réseaux Infrarouges

    • Technologie dépassée à l'heure actuelle.

Réseaux WiFi

Pour créer un réseau WiFi, il suffit de deux nœuds (machines équipées de carte WiFi ou de clé USB WiFi) qui soient à portée l'un de l'autre.

Ad-Hoc

Quand plusieurs machines équipées de cartes WiFi communiquent entre elles sans point d'accès (ou borne), le réseau est de type Ad-Hoc. Ce type de réseau est très simple à mettre en place et peu couteux.

Infrastructure

Pour un réseau ayant besoin de stabilité, il est préférable de mettre un point d'accès auquel tous les clients vont se connecter. Cela permet de centraliser les accès et donc la sécurité.

Dans un réseau infrastructure, il se peut qu'une partie des clients soit trop loin du point d'accès. On peut alors étendre l'infrastructure en reliant plusieurs bornes entre elles.

Connexion à une borne :

Chaque réseau sans fil est identifié par un nom qui est demandé à l'installation du la station ou de la borne. Ce nom s'appelle SSID (Service Set ID : Identifiant de l'ensemble des services).

Les bornes (infrastructure) ou stations (Ad-Hoc) envoie régulièrement des messages indiquant à tout le monde leur SSID (trames Beacon).

Le client doit d'abord être authentifié par la borne ou par un serveur spécialisé dans l'authentification. Pour cela il demande à la borne qui accepte ou non son authentification.

Une fois authentifié, le client doit être associé pour bénéficier de l'accès et pouvoir envoyer et recevoir des trames.

Types de trames :

Dans les réseaux sans fils on distingue trois types de trames :

  • Pour se connecter à un réseau, une station qui arrive va écouter les requêtes Beacon et demander à se connecter à l'un des SSID qu'elle reçoit, puis de s'authentifier.

  • Le médium est partagé puisque plusieurs nœuds peuvent communiquer en même temps. Il faut donc éviter les collisions. Quand un hôte veut émettre, il demande la parole à la borne, qui lui accorde pour un temps donné. Trames de contrôle

    • Demande d'émission (RTS)
    • Acceptation d'émission (CTS)
    • Accusés de réception
  • Les messages sont envoyés, mais pour être assuré de leur intégrité on utilise des accusés de réceptions (ci-dessus).

    Trames de données

    • Les données elles-mêmes

Cette méthode d'évitement des collisions (nommée CSMA/CA) est très gourmande en bande passante car chaque trame envoyée fait l'objet d'un accusé de réception. Pour un débit théorique de 11 Mb/s, on trouve en réalité un débit de 5 à 5,5 Mb/s.

Débits et distances :

D'autre part, plus le client est loin de la borne plus le débit est faible, jusqu'à devenir inexistant.

Ce tableau peut vous donner une idée des distances habituelles :

Norme Distance max intérieure Distance max extérieure
802.11a ~25 m ~75 m
802.11b ~35 m ~100 m
802.11g ~25 m ~75 m
802.11n ~50 m ~125 m

Pour améliorer les distances de couverture, il faut souvent choisir une antenne directionnelle puissante.

Sécurité :

L'authentification des clients peut s'effectuer de la manière suivante :

  • Dans un système ouvert, seul le SSID doit être renseigné. Il n'y a pas de clé.

  • Le premier niveau de sécurité est le filtrage des adresses MAC des clients. Dans la borne, toutes les adresses MAC des clients sont renseignées. Ce travail peut être contraignant si beaucoup de clients se connectent et n'est de toutes façons pas suffisant notamment parce que les échanges ne sont pas cryptés.

  • Le cryptage WEP (Wired Equivalent Privacy) consiste en un échange de clés entre la borne et le client. Si la clé est connue par le client il peut se connecter à la borne. Ces clés étant échangées de façon statique, ce système n'est pas inviolable.

  • Le système WPA améliore les problèmes de sécurité des clés WEP. WPA échange des clés de manière dynamique : Une clé principale est nécessaire pour se connecter puis une clé temporaire est générée régulièrement. Le protocole TKIP permet cet échange dynamique. Avec un processeur standard ce type de clé peut être piraté en 100 ans de calcul mais si l'attaque proviens de plusieurs ordinateurs qui collaborent, ce temps peut être diminué.

    Le WPA contrairement au WPA2 ne s'applique qu'aux réseaux de type infrastructure.

  • Pour répondre à la norme 802.11i et pour assurer la sécurité des réseaux sans fils, le WPA2 a été développé. Il peut lui aussi fonctionner avec TKIP/AES mais le cryptage CCMP/AES est plus sûr.

    • Le WPA2 Personal utilise un système de clé partagées (PSK : Pre Shared Key). L'utilisateur entre un mot de passe qui est transformé en clé.
    • Le WPA2 Enterprise utilise un serveur d'authentification (souvent Radius) et un contrôleur d'accès (la borne WiFi). Dans ce cas, tous les utilisateurs doivent entrer un login et un mot de passe personnel pour accéder au réseau. La sécurité est encore renforcée car il ne suffit pas de pirater la borne mais il faut attaquer un serveur pour obtenir un accès. Ce système nécessite une architecture réseau conséquente et n'a donc pas vocation à être utilisé à la maison ou dans une petite entreprise.
  • Enfin le portail captif utilise plusieurs technologies. Le but du jeu est d'assurer la sécurité dans des bornes dont l'accès est ouvert à tous (Hot Spot dans les aéroports, restaurants, hôtels, ...).

    L'architecture est alors composée d'un serveur d'authentification contenant des noms d'utilisateurs et des mots de passe. Une fois authentifié, le client bénéficie d'une liaison cryptée par SSL ou par VPN.