L'apprentissage de base du réseau doit être maîtrisé : un aperçu de la couche physique du réseau (version complète)

Présentation de la couche physique

La couche physique est une couche d'un réseau informatique, située au bas du modèle OSI (Open Systems Interconnection), chargée de transmettre le flux binaire brut (bitstream) sur un support physique, tel qu'un câble, une fibre optique ou un canal sans fil. .

La tâche principale de la couche physique est de transmettre les données d'un nœud à un autre, garantissant ainsi la transmission fiable des données sur le support de transmission.

Voici quelques concepts importants de la couche physique :

1. Support de transmission

La couche physique traite des supports de transmission, notamment les fils (par exemple, paire torsadée, câble coaxial), les fibres optiques et les canaux sans fil (par exemple, ondes radio, infrarouge, etc.).

1.1 Paire torsadée

La paire torsadée est un support de transmission largement utilisé, divisé en paire torsadée non blindée (UTP) et paire torsadée blindée (STP). Ils réduisent les interférences électromagnétiques en tordant deux fils de cuivre isolés. Les câbles à paires torsadées sont utilisés pour les connexions de réseaux locaux et étendus tels qu'Ethernet.

1.2 Câble coaxial

Un câble coaxial se compose d'un conducteur intérieur, d'une isolation, d'un blindage métallique et d'une gaine extérieure. Il est largement utilisé dans la transmission par câble TV, les réseaux locaux et l’accès haut débit.

1.3 Fibre optique

La fibre optique est un support de transmission avec un taux de transmission très élevé et une forte anti-interférence. Il transmet les données via des signaux optiques, qui peuvent être divisés en fibre monomode et fibre multimode. Les fibres optiques sont utilisées dans les réseaux haut débit, les communications longue distance et les interconnexions des centres de données.

1.4 Canal sans fil

Un canal sans fil est un support de transmission par ondes radio, micro-ondes, rayons infrarouges, etc. Les technologies de transmission sans fil courantes incluent le Wi-Fi, le Bluetooth, les réseaux cellulaires (tels que la 4G et la 5G), etc. La transmission sans fil convient aux applications telles que les appareils mobiles, les communications mobiles et l'Internet des objets.

1.5 Communication par ligne électrique (PLC)

Le PLC utilise des lignes électriques pour transmettre des signaux de données et peut réaliser des connexions réseau dans les maisons, les bureaux, etc. sans câblage réseau supplémentaire.

1.6 Infrarouge

L'infrarouge est une onde électromagnétique qui peut être utilisée pour la communication sans fil à courte distance, telle que la télécommande infrarouge, la transmission de données infrarouges, etc.

1.7 Gekko Tsushin

La communication laser utilise des faisceaux laser pour transmettre des données et est généralement utilisée dans les connexions de communication longue distance à haut débit, telles que la communication par satellite et la communication par fibre optique.

2. Transmission des signaux

La signalisation fait référence au processus de transfert de données d'un expéditeur à un récepteur dans un système de communication. Pendant la transmission du signal, les données numériques sont converties en signal analogique (modulation), puis transmises sur le support de transmission, et enfin le signal analogique est reconverti en données numériques à la réception (démodulation).

2.1 Support de transmission

Le support de transmission est le support physique de transmission du signal analogique, qui peut être des câbles, des fibres optiques, des canaux sans fil, etc. Différents supports de transmission ont des caractéristiques différentes, telles que la distance de transmission, la bande passante, l'atténuation du signal et le bruit, etc.

2.2 Transmission et diffusion

Lors de la transmission, un signal analogique se propage à travers le support de transmission. Pendant la transmission, vous pouvez rencontrer des problèmes tels qu'une atténuation du signal, une distorsion et des interférences, qui peuvent affecter la qualité du signal.

La transmission du signal est un maillon important du système de communication, qui affecte la qualité et la fiabilité de la communication. Une technologie de modulation appropriée et la sélection du support de transmission peuvent garantir que les données ne seront pas perdues pendant la transmission et que les données originales peuvent être restaurées avec précision à l'extrémité de réception. Différents types de systèmes et d'applications de communication peuvent utiliser différentes méthodes de modulation et supports de transmission pour répondre à des besoins de communication spécifiques.

3. Taux de transmission

Le débit de transmission, également appelé débit binaire (Bit Rate) ou débit de données, fait référence au nombre de bits (chiffres binaires) transmis par unité de temps dans une communication numérique. Il s'agit d'un indicateur permettant de mesurer la vitesse de transmission des données, généralement exprimée en nombre de bits transmis par seconde, et l'unité est le bps (bits par seconde). Le taux de transmission est utilisé pour décrire la vitesse de transmission et l'utilisation de la bande passante des données dans le système de communication.
Le débit de transmission est affecté par de nombreux facteurs, notamment la méthode de modulation du signal, les caractéristiques du support de transmission, la technologie de codage et la conception du système de communication. Voici quelques concepts courants liés au taux de transfert :

3.1 Tarif physique

Le débit physique fait référence au débit de transmission brut dans un canal, généralement en bits par seconde (bps). Cela dépend de la méthode de modulation et des caractéristiques du canal.

3.2 Taux effectif

Le débit effectif prend en compte certains frais généraux du processus de communication, tels que les codes de correction d'erreurs, la synchronisation des trames, etc., et le nombre réel de bits de données transmis peut être légèrement inférieur au débit physique.

3.3 Taux de symboles

Le débit de symboles fait référence au nombre de symboles transmis par unité de temps, et un symbole peut être une combinaison de plusieurs bits. Dans certains schémas de modulation, un symbole peut représenter plusieurs bits, de sorte que le débit des symboles peut différer du débit de transmission.

3.4 Débit en bauds

Le débit en bauds fait référence au nombre de changements de signal par unité de temps, généralement utilisé dans la modulation analogique. Dans les communications numériques, le débit en bauds et le débit de symboles peuvent être égaux ou liés.

Le débit de transmission est l’un des paramètres importants dans la conception d’un système de communication. Des taux de transfert élevés peuvent prendre en charge des volumes de transfert de données plus importants, mais nécessitent également une bande passante plus large et une qualité de signal plus élevée. Différentes applications et scénarios peuvent nécessiter différents taux de transmission. Par conséquent, des facteurs tels que la bande passante, le rapport signal/bruit et le rapport signal/interférence doivent être pris en compte de manière globale lors de la conception d'un système de communication afin d'obtenir une transmission de données fiable et efficace.

4. Modulation et démodulation

La modulation est le processus de conversion de données numériques en signal analogique, tandis que la démodulation est le processus de conversion d'un signal analogique en données numériques. Ces deux processus sont particulièrement importants dans la transmission analogique.

4.1 Modulations

La modulation est le processus de conversion de données numériques en signal analogique. Les signaux numériques sont généralement discrets tandis que les signaux analogiques sont continus. Le but de la modulation est de mapper un signal numérique sur un signal analogique pour la transmission sur un support de transmission.

4.2 Démodulation

La démodulation est le processus de reconversion d'un signal analogique en données numériques. Le récepteur utilise un démodulateur pour détecter les changements dans le signal analogique et le convertir en signal numérique.

5. Codage

La couche physique peut coder des données pour améliorer la fiabilité et l'immunité de la transmission de données. Les méthodes de codage courantes incluent le contrôle de parité, le CRC (contrôle de redondance cyclique), etc.
Voici plusieurs méthodes de codage courantes :

5.1 Parité (codage de parité)

La parité est une méthode de base de détection d'erreurs dans laquelle un bit supplémentaire (impair ou pair) est ajouté aux données pour garantir que le nombre total de bits dans les données est impair ou pair. Le récepteur peut détecter des erreurs sur un seul bit en fonction du bit de parité.

5.2 Contrôle de redondance cyclique (CRC, Cyclic Redundancy Check)

CRC est une méthode de détection d'erreurs plus robuste qui génère des données redondantes en ajoutant un polynôme aux données. Le récepteur peut détecter les erreurs sur la base des données reçues et de la valeur CRC attachée.

5.3 Code de Hamming (Code de Hamming)

Un code de Hamming est un code correcteur d'erreurs capable de détecter et de corriger des erreurs sur plusieurs bits. Il ajoute des bits redondants aux données afin que toute erreur sur un seul bit puisse être détectée et réparée.

5.4 Codage des modulations

Dans les communications numériques, les techniques de modulation impliquent généralement le mappage de données numériques sur des signaux analogiques. Différentes méthodes de modulation (telles que ASK, FSK, PSK) utilisent différentes méthodes de modulation de signal dans le codage et la transmission des données.

5.5 Codage par compression des données

Le codage par compression des données est utilisé pour réduire la surcharge de stockage et de transmission des données. Il convertit les données en codes ou symboles plus courts pour réduire la quantité de données transmises.

5.6 Codage différentiel

Le codage différentiel code les données en enregistrant les modifications apportées aux données, plutôt que de coder directement les données elles-mêmes. Il est couramment utilisé dans le codage audio et vidéo pour réduire la redondance entre des images consécutives.

6. Multiplexage des canaux

La couche physique implique une division et un partage appropriés du support de transmission pour permettre une transmission simultanée entre plusieurs appareils de communication. Les techniques courantes de multiplexage de canal comprennent le multiplexage par répartition en fréquence (FDM) et le multiplexage par répartition dans le temps (TDM).

6.1 Multiplexage par répartition en fréquence (FDM)

Dans le multiplexage par répartition en fréquence, différents utilisateurs ou appareils de communication se voient attribuer différentes bandes passantes de fréquence pour la communication. Chaque utilisateur transmet des données en utilisant différentes sous-bandes de fréquences, qui ne se chevauchent pas dans le spectre des fréquences. FDM est souvent utilisé dans les communications sans fil et filaires, telles que les stations de radio, les signaux TV, Ethernet, etc.

6.2 Multiplexage temporel (TDM)

Dans le multiplexage temporel, différents utilisateurs ou appareils de communication partagent des canaux en fonction de tranches de temps. Chaque utilisateur transmet des données à des périodes différentes, et les tranches horaires sont commutées à tour de rôle. Le TDM est couramment utilisé dans les systèmes téléphoniques numériques, les réseaux de capteurs, etc.

L'avantage de la technologie de multiplexage de canaux est qu'elle peut prendre en charge plusieurs connexions de communication en même temps, améliorant ainsi l'utilisation du spectre, réduisant les coûts de communication et améliorant l'efficacité de la communication.

Dans les applications pratiques, le multiplexage par répartition en fréquence et le multiplexage par répartition dans le temps peuvent également être combinés pour former une technologie de multiplexage de canal plus flexible, telle que le multiplexage par répartition dans le temps en fréquence (Multiplexage par répartition dans le temps en fréquence, FTDM) ou le multiplexage par répartition en code (Multiplexage par répartition en code, CDM), etc. .

7. Distance de transmission et perte

La couche physique doit prendre en compte les caractéristiques du support de transmission, telles que la distance de transmission, l'atténuation du signal et le bruit, pour garantir la fiabilité des données pendant la transmission.

7.1 Distance de transmission

La distance de transmission fait référence à la distance sur laquelle le signal se propage dans le support de transmission, généralement en mètres (m) ou en kilomètres (km) comme unité. La distance de transmission affecte directement la force et la qualité du signal, et la transmission longue distance peut être confrontée à une atténuation du signal et à d'autres défis.

7.2 Atténuation du signal

L'atténuation du signal fait référence au phénomène selon lequel le signal s'affaiblit progressivement pendant la transmission. Dans un support de transmission, le signal est atténué, ce qui entraîne une diminution progressive de la force du signal. L'atténuation du signal est généralement déterminée par les caractéristiques du support de transmission et la distance de transmission.

7.3 Perte de transmission et rapport signal sur bruit (SNR)

La perte de transmission fait référence à la perte totale d'un signal pendant la transmission, y compris l'atténuation et d'autres facteurs. Le rapport signal/bruit fait référence au rapport entre la force du signal et la force du bruit de fond. Un rapport signal/bruit inférieur peut entraîner une distorsion du signal et des erreurs de décodage.

7.4 Techniques d'indemnisation des pertes

Dans certains cas, des techniques de compensation peuvent être utilisées pour lutter contre la perte de transmission, telles que les codes de précodage, d'égalisation et de correction d'erreurs directes.

Lors de la conception et de la mise en œuvre d’un système de communication, il est nécessaire de prendre pleinement en compte l’influence de la distance de transmission et de la perte. Une sélection raisonnable des supports de transmission, l'utilisation d'une technologie d'amplification de signal appropriée et la réduction du rapport signal/bruit peuvent aider à surmonter les défis du processus de transmission du signal et à garantir une transmission stable du signal à différentes distances et environnements.

8. Topologie physique

La couche physique implique la disposition physique et le mode de connexion du réseau, comme la topologie en étoile, la topologie en bus, la topologie en anneau, etc.

Voici quelques types courants de topologies physiques :

8.1 Topologie en étoile

Dans une topologie en étoile, tous les appareils sont connectés à un appareil central, généralement un commutateur ou un hub. Cette topologie permet de simplifier la connectivité et la maintenance, mais si un périphérique central tombe en panne, l'ensemble du réseau peut être affecté.

8.2 Topologie du bus

Dans une topologie en bus, tous les appareils sont connectés à une ligne principale commune (bus). Cette topologie est relativement simple, mais si la ligne principale tombe en panne, l'ensemble du réseau peut être perturbé.

8.3 Topologie en anneau

Dans la topologie en anneau, les appareils sont connectés sous la forme d'un anneau et chaque appareil est connecté à deux appareils avant et après lui. Bien que cette topologie soit rare, elle peut fournir des chemins redondants pour une fiabilité accrue.

8.4 Topologie arborescente

Une topologie arborescente est une combinaison de topologies en étoile et en bus et se compose généralement de plusieurs étoiles connectées entre elles. Cette topologie peut fournir une certaine redondance et évolutivité.

8.5 Topologie maillée

Dans une topologie maillée, chaque appareil est directement connecté à d’autres appareils, formant un réseau interconnecté complexe. Cette topologie est hautement redondante et fiable, mais peut être complexe à maintenir et à gérer.

8.6 Topologie hybride

Une topologie hybride combine plusieurs topologies. Par exemple, un grand réseau peut utiliser une topologie en étoile au niveau du centre de données et une topologie en bus dans les succursales.

Le choix d'une topologie physique appropriée dépend de la taille du réseau, des besoins en performances, des exigences de fiabilité et des contraintes budgétaires. De plus, avec le développement continu des technologies, telles que les réseaux sans fil, le cloud computing, etc., le concept de topologie physique évolue également constamment. Lors de la conception d'un réseau, une attention particulière doit être accordée à la topologie physique pour répondre à des besoins spécifiques.

9. Connecteurs et fiches

Les connecteurs et les fiches sont des pièces physiques utilisées pour connecter différents appareils, câbles ou composants. Ils jouent un rôle essentiel dans les systèmes électroniques, électriques, de communication et informatiques, permettant à divers appareils de communiquer entre eux et de transférer des données et de l'énergie. Voici quelques types courants de connecteurs et de fiches :

9.1 Connecteurs et fiches USB

Les connecteurs et fiches USB (Universal Serial Bus) sont utilisés pour connecter des ordinateurs, des périphériques, des appareils mobiles, etc. Les connecteurs USB sont disponibles en plusieurs tailles, notamment USB-A, USB-B, Micro USB, Mini USB et USB-C.

9.2 Connecteur et fiche RJ45

Les connecteurs et fiches RJ45 sont couramment utilisés dans les connexions réseau Ethernet, telles que les connexions de réseau local (LAN) et les câbles réseau. Ils sont couramment utilisés pour connecter des appareils tels que des ordinateurs, des routeurs, des commutateurs, etc.

La tête de cristal RJ45 est un connecteur utilisé pour connecter des câbles Ethernet (Ethernet), généralement utilisés dans les réseaux locaux (LAN) et les réseaux étendus (WAN). Lors de l'installation et de la maintenance du réseau, il est très important de fabriquer correctement la tête de cristal RJ45 pour garantir une connexion réseau stable et une transmission de données à haut débit.

9.2.1 Norme T568A

: La norme T568A est une norme d'agencement de séquence de lignes pour les fiches à cristal RJ45. Selon la norme T568A, la séquence de lignes de la fiche RJ45 est la suivante :

Pin 1: 白绿
Pin 2: 绿
Pin 3: 白橙
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 橙
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

9.2.2 Norme T568B

La norme T568B est une autre norme de séquence de lignes de connecteur à cristal RJ45 couramment utilisée. Selon la norme T568B, la séquence de lignes de la fiche RJ45 est la suivante :

Pin 1: 白橙
Pin 2: 橙
Pin 3: 白绿
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 绿
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

Les deux normes sont courantes dans les applications pratiques. Dans un réseau, afin d'assurer la cohérence de la connexion, un standard est généralement sélectionné pour la fabrication de la tête de cristal RJ45. De plus, il existe une méthode de réalisation d'un schéma de câblage appelée « Crossover » ou « crossover », qui permet de connecter deux ordinateurs.

9.3 Connecteur et fiche HDMI

Les connecteurs et fiches HDMI (High-Definition Multimedia Interface) sont utilisés pour transmettre des signaux audio et vidéo entre des téléviseurs, des moniteurs, des projecteurs haute définition, etc.

9.4 Connecteurs et fiches audio

Les connecteurs et fiches audio sont utilisés pour connecter des équipements audio tels que des haut-parleurs, des écouteurs, des microphones et des systèmes audio. Les connecteurs audio courants incluent des fiches stéréo de 3,5 mm (1/8").

9.5 Connecteur et fiche VGA

Les connecteurs et fiches VGA (Video Graphics Array) sont utilisés pour connecter des ordinateurs à des moniteurs, en particulier des moniteurs CRT, qui étaient plus courants dans le passé.

9.6 Connecteur et prise DisplayPort

Les connecteurs et fiches DisplayPort sont utilisés pour connecter des ordinateurs, des moniteurs et d'autres appareils multimédia, prenant en charge la transmission vidéo et audio haute résolution.

9.7 Connecteur d'alimentation et fiche

Les connecteurs et fiches d’alimentation sont utilisés pour connecter des équipements électroniques à une source d’alimentation. Ils se présentent sous différentes tailles et formes et sont utilisés dans différents types d’appareils tels que les ordinateurs portables, les ordinateurs de bureau, les appareils mobiles, etc.

9.8 SC, LC, ST et autres connecteurs de fibre optique

Ces connecteurs sont utilisés pour connecter des câbles à fibres optiques afin de transmettre des données et des signaux de communication à haut débit. À l'heure actuelle, le courant dominant est l'interface à fibre optique de type LC.

Câbles plats et fiches

Les câbles plats et les fiches sont souvent utilisés pour connecter des appareils électroniques internes, tels que des disques durs à l'intérieur d'ordinateurs, des cartes mères, etc.

Connecteurs et fiches de capteur

Dans les domaines de l'automatisation, de la mesure et du contrôle, divers capteurs nécessitent souvent des types spécifiques de connecteurs et de fiches.

Résumer

La couche physique est la couche de base d'un réseau informatique, chargée de transférer les données d'un endroit à un autre tout en assurant la « fiabilité » et « l'intégrité » des données lors de la transmission. Cela implique une variété de technologies et de concepts pour parvenir à une transmission efficace des données sur des supports physiques.

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