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`wireless`. In this case, a radio signal is used to encode the information exchanged between the communicating devices. Many types of modulation techniques are used to send information over a wireless channel and there is lot of innovation in this field with new techniques appearing every year. While most wireless networks rely on radio signals, some use a laser that sends light pulses to a remote detector. These optical techniques allow to create point-to-point links while radio-based techniques can be used to build networks containing devices spread over a small geographical area.
le `sans fil`. Dans ce cas, un signal radio est utilisé pour encoder les informations échangées entre les deux appareils qui communiquent. Plusieurs types de modulations sont utilisées pour envoyer de l'information sur un canal sans-fil et ce domaine témoigne de beaucoup d'innovations avec de nouvelles techniques faisant leur apparition chaque année. Alors que la plupart des réseaux sans-fils reposent sur un signal radio, quelques uns utilisent un laser pour envoyer des pulsations de lumières à un détecteur à distance. Ces technologies optiques permettent de créer des liaisons point à point tandis que les technologies reposant sur un signal radio permettent de construire des réseaux avec des appareils dispersés au sein d'une petite zone géographique.
The physical layer
La couche physique
Bit rate
Débit
Bits per second
Bits par seconde
1 Kbps
1 Kbps
:math:`10^3`
:math:`10^3`
1 Mbps
1 Mbps
:math:`10^6`
:math:`10^6`
1 Gbps
1 Gbps
:math:`10^9`
:math:`10^9`
1 Tbps
1 Tbps
:math:`10^{12}`
:math:`10^{12}`
To understand some of the principles behind the physical transmission of information, let us consider the simple case of an electrical wire that is used to transmit bits. Assume that the two communicating hosts want to transmit one thousand bits per second. To transmit these bits, the two hosts can agree on the following rules :
Pour comprendre les principes de la transmission physique d'information, considérons le cas d'un fil électrique qui est utilisé pour transmettre des bits. Supposons que les deux hôtes qui communiquent veulent transmettre un millier de bits par seconde. Pour transmettre ces bits, les deux hôtes peuvent se mettre d'accord sur les règles suivantes :
On the sender side :
Du côté de l'émetteur :
set the voltage on the electrical wire at ``+5V`` during one millisecond to transmit a bit set to `1`
mettre la tension sur le fil électeique à ``+5V`` pendant une milliseconde pour transmettre un bit mis à `1`
set the voltage on the electrical wire at ``-5V`` during one millisecond to transmit a bit set to `0`
mettre la tension sur le fil électrique à ``-5V`` pendant une milliseconde pour transmettre un bit mis à `0`
On the receiver side :
Du côté du récepteur :
every millisecond, record the voltage applied on the electrical wire. If the voltage is set to ``+5V``, record the reception of bit `1`. Otherwise, record the reception of bit `0`
chaque milliseconde, enregistrer la tension appliquée sur le fil électrique. Si la tension est de ``+5V``, enregistrer le bit reçu comme étant `1`. Sinon, enregistrer le bit reçu comme étant `0`
This transmission scheme has been used in some early networks. We use it as a basis to understand how hosts communicate. From a Computer Science viewpoint, dealing with voltages is unusual. Computer scientists frequently rely on models that enable them to reason about the issues that they face without having to consider all implementation details. The physical transmission scheme described above can be represented by using a `time-sequence diagram`.
Ce procédé de transmission a été utilisé pour quelques-uns des tout premiers réseaux. Nous l'utilisons comme base pour comprendre comment deux hôtes communiquent. Pour un informaticien, travailler avec des tensions est inhabituel. Les informaticiens reposent plutôt sur des modèles qui leur permettent de raisonner aux problèmes auxquels ils font face sans avoir à prendre en compte tous les détails d'implémentation. Le procédé de transmission physique décrit ci-dessus peut être représenté en utilisant un `diagramme de séquence`.
With the above transmission scheme, a bit is transmitted by setting the voltage on the electrical cable to a specific value during some period of time. We have seen that due to electromagnetic interference, the voltage measured by the receiver can differ from the voltage set by the transmitter. This is the main cause of transmission errors. However, this is not the only type of problem that can occur. Besides defining the voltages for bits `0` and `1`, the above transmission scheme also specifies the duration of each bit. If one million bits are sent every second, then each bit lasts 1 microsecond. On each host, the transmission (resp. the reception) of each bit is triggered by a local clock having a 1 MHz frequency. These clocks are the second source of problems when transmitting bits over a wire. Although the two clocks have the same specification, they run on different hosts, possibly at a different temperature and with a different source of energy. In practice, it is possible that the two clocks do not operate at exactly the same frequency. Assume that the clock of the transmitting host operates at exactly 1000000 Hz while the receiving clock operates at 999999 Hz. This is a very small difference between the two clocks. However, when using the clock to transmit bits, this difference is important. With its 1000000 Hz clock, the transmitting host will generate one million bits during a period of one second. During the same period, the receiving host will sense the wire 999999 times and thus will receive one bit less than the bits originally transmitted. This small difference in clock frequencies implies that bits can "disappear" during their transmission on an electrical cable. This is illustrated in the figure below.
Avec le schéma de transmission ci-dessus, un bit est transmis en fixant la tension sur un câble électrique à une valeur spécifique durant un laps de temps donné. Nous avons vu qu'en raison des interférences électromagnétiques, la tension mesurée par le récepteur peut être différente de celle définie par l'émetteur. C'est la cause principale des erreurs de transmission. Cependant, ce n'est pas l'unique type de problème qui peut survenir. En plus de définir tes tensions spécifiques pour les bits `0` et `1`, le schéma ci-dessus définit aussi la durée de chaque bit. Si un million de bits sont envoyés chaque seconde, alors chaque bit a une durée de 1 microseconde. Sur chaque hôte, la transmission (resp. la réception) de chaque bit est déclenchée par une horloge locale ayant une fréquence de 1 MHz. Ces horloges constituent la deuxième source de problèmes lors de la transmission de bits par câble. Bien que les deux horloges aient les mêmes caractéristiques, elles tournent sur des hôtes différents, potentiellement à des températures différentes et des sources d'énergie différentes. En pratique, il est possible que les deux horloges ne soient pas précisément synchronisées sur la même fréquence. Considérons que l'horloge de l'émetteur tourne à précisément 1000000 Hz alors que l'horloge du récepteur tourne à 999999 Hz. Une différence minime entre les deux horloges, pourtant, cette différence est importante lorsque l'on utilise l'une ou l'autre horloge pour transmettre un bit. Dans le cas de l'horloge à 1 MHz, il y aura un million de bits générés durant une période de une seconde alors que pour la même durée, le récepteur ne détectera le signal sur le câble que 999999 fois et recevra un bit de moins que ce qui a été transmis initialement. Cette légère différence de fréquence implique la disparition potentielle de certains bits durant leur transmission sur un câble électrique. Ce phénomène est illustré sur la figure ci-dessous.
A similar reasoning applies when the clock of the sending host is slower than the clock of the receiving host. In this case, the receiver will sense more bits than the bits that have been transmitted by the sender. This is illustrated in the figure below where the second bit received on the right was not transmitted by the left host.
Un raisonnement similaire s'applique lorsque la fréquence d'horloge de l'hôte émetteur est plus basse que celle de l'hôte récepteur. Dans ce cas, le récepteur va mesurer plus de bits que ce qui n'a été transmis par l'émetteur. La figure ci-dessous illustre ce phénomène. Le second bit reçu à droite n'a pas été transmis par l'hôte de gauche.
the `Physical layer service` may change, e.g. due to electromagnetic interference, the value of a bit being transmitted
le `service de la couche physique` peut changer, c'est le cas notamment lors d'interférences électromagnétiques où la valeur d'un bit transmis peut être altérée
the `Physical layer service` may deliver `more` bits to the receiver than the bits sent by the sender
le `service de la couche physique` peut délivrer `plus` de bits au récepteur que l'émetteur n'en a réellement envoyé
the `Physical layer service` may deliver `fewer` bits to the receiver than the bits sent by the sender
le `service de la couche physique` peut délivrer `moins` de bits au récepteur que ce qui a été envoyé par l'émetteur
Many other types of encodings have been defined to transmit information over an electrical cable. All physical layers are able to send and receive physical symbols that represent values `0` and `1`. However, for various reasons that are outside the scope of this chapter, several physical layers exchange other physical symbols as well. For example, the Manchester encoding used in several physical layers can send four different symbols. The Manchester encoding is a differential encoding scheme in which time is divided into fixed-length periods. Each period is divided in two halves and two different voltage levels can be applied. To send a symbol, the sender must set one of these two voltage levels during each half period. To send a `1` (resp. `0`), the sender must set a high (resp. low) voltage during the first half of the period and a low (resp. high) voltage during the second half. This encoding ensures that there will be a transition at the middle of each period and allows the receiver to synchronize its clock to the sender's clock. Apart from the encodings for `0` and `1`, the Manchester encoding also supports two additional symbols : `InvH` and `InvB` where the same voltage level is used for the two half periods. By definition, these two symbols cannot appear inside a frame which is only composed of `0` and `1`. Some technologies use these special symbols as markers for the beginning or end of frames.
De nombreux autres types de codages ont été définis pour transmettre des informations sur un câble électrique. Toutes les couches physiques sont capables d'envoyer et de recevoir des symboles physiques qui représentent les valeurs `0` et `1`. Cependant, pour diverses raisons qui sortent du cadre de ce chapitre, plusieurs couches physiques échangent également d'autres symboles physiques. Par exemple, le codage Manchester utilisé dans plusieurs couches physiques peut envoyer quatre symboles différents. Le codage Manchester est un schéma de codage différentiel dans lequel le temps est divisé en périodes de longueur fixe. Chaque période est divisée en deux moitiés et deux niveaux de tension différents peuvent être appliqués. Pour envoyer un symbole, l'expéditeur doit définir l'un de ces deux niveaux de tension pendant chaque demi-période. Pour envoyer un `1` (resp. `0`), l'expéditeur doit définir une tension élevée (resp. faible) pendant la première moitié de la période et une tension faible (resp. élevée) pendant la seconde moitié. Ce codage garantit qu'il y aura une transition au milieu de chaque période et permet au récepteur de synchroniser son horloge avec celle de l'émetteur. Outre les codages pour `0` et `1`, le codage Manchester supporte également deux symboles supplémentaires : `InvH` et `InvB` où le même niveau de tension est utilisé pour les deux demi-périodes. Par définition, ces deux symboles ne peuvent pas apparaître à l'intérieur d'une trame qui n'est composée que de `0` et `1`. Certaines technologies utilisent ces symboles spéciaux comme marqueurs de début ou de fin de trame.

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