Couche physique

Nous voici tout en bas de la pile, au contact du matériel. La couche physique répond à la question la plus concrète du cours : comment un 0 et un 1 — des abstractions — deviennent-ils quelque chose de réel qui traverse une pièce, une ville, un océan ? La réponse est un signal physique : une tension sur un fil de cuivre, une impulsion de lumière dans une fibre, une onde radio dans l'air.

C'est la couche la moins « informatique » et la plus physique, mais elle porte une leçon qui vaut pour tout le cours : on ne met jamais les bits bruts sur le support. Entre le bit et le support, il y a toujours un codage — et comprendre pourquoi est l'objet de ce chapitre.

Du bit au signal : signal, codage, modulation

Trois notions, qu'il faut distinguer.

Un signal est une grandeur physique qui varie dans le temps et qu'on peut mesurer à l'autre bout : une tension, une intensité lumineuse, l'amplitude d'une onde. C'est le support matériel de l'information.

Le codage (en bande de base) associe des bits à des niveaux de signal directement, sans onde porteuse — typiquement sur un câble. Le codage naïf NRZ met une tension haute pour 1, basse pour 0. Il a un défaut fatal, développé plus bas : une longue série de bits identiques devient un niveau constant, et le récepteur, qui n'a pas l'horloge de l'émetteur, perd le compte.

La modulation est employée quand on doit transmettre sur une onde porteuse — radio, Wi-Fi, ADSL. On fait varier une caractéristique de l'onde (son amplitude, sa fréquence ou sa phase) au rythme des données. C'est ce qui permet de faire passer des bits dans l'air ou sur une ligne téléphonique conçue pour la voix.

Pourquoi coder : l'horloge dans le signal

Le point central du chapitre. Le récepteur doit savoir quand commence et finit chaque bit — c'est le problème de la synchronisation d'horloge. Avec NRZ, 00000000 produit un niveau bas constant : aucun repère, et le récepteur ne peut pas distinguer huit zéros de sept ou de neuf.

La solution des bons codages est d'intégrer l'horloge dans le signal lui-même. Le codage Manchester (celui de l'Ethernet historique) code chaque bit par une transition au milieu de l'intervalle : il y a donc toujours une transition par bit, sur laquelle le récepteur se resynchronise, même sur une longue série identique.

Ce gain a un prix, et ce compromis est typique de la couche physique : Manchester exige deux demi-temps par bit, donc pour une même vitesse de signal, le débit binaire utile est deux fois plus faible. Fiabilité contre débit — on retrouvera cet arbitrage partout. L'exercice vous fera coder les deux et compter les transitions ; la différence sur 00000000 est spectaculaire.

Débit binaire et bruit

Deux limites physiques bornent ce qu'un support peut transporter.

Le débit binaire est le nombre de bits par seconde effectivement transmis. Il ne se confond pas avec la rapidité de modulation (le nombre de changements de signal par seconde) : un symbole peut coder plusieurs bits à la fois. C'est ainsi qu'on atteint de hauts débits sans augmenter indéfiniment la fréquence du signal.

Le bruit est toute perturbation qui altère le signal : interférences électromagnétiques, atténuation avec la distance, diaphonie entre fils voisins. Plus le bruit est fort, plus il devient difficile de distinguer les niveaux, et plus le débit atteignable chute. Il existe une limite théorique — le théorème de Shannon-Hartley — qui relie le débit maximal à la bande passante du support et au rapport signal/bruit : au-delà, aucune ingéniosité de codage ne permet de transmettre sans erreur. On retiendra le principe qualitatif : plus de bruit, moins de débit fiable.

C'est ce qui explique qu'un lien se dégrade avec la distance et l'environnement, et pourquoi les erreurs de transmission sont inévitables — d'où la détection d'erreurs de la couche liaison, au chapitre 4.

Les supports

Le support physique conditionne le débit, la distance et la sensibilité au bruit. Trois grandes familles :

La paire torsadée est torsadée précisément pour réduire le bruit : les torsades annulent une grande partie des interférences captées par les deux fils. La fibre domine les longues distances et les cœurs de réseau — c'est elle qui traverse les océans. Le sans-fil apporte la mobilité, au prix d'un médium partagé entre tous ceux qui sont à portée, ce qui crée des problèmes d'accès (chapitre 4) et de sécurité (chapitre 8) que les liens filaires n'ont pas.

Les équipements de couche 1

Deux équipements travaillent au seul niveau du signal, sans rien comprendre à ce qu'ils transportent — ce sont des équipements « de couche 1 ».

Le répéteur régénère un signal affaibli pour prolonger une liaison au-delà de la distance où le bruit l'aurait rendu illisible. Il ne fait qu'amplifier et remettre en forme : il ne lit aucune adresse, ne prend aucune décision.

Le concentrateur (hub) est un répéteur à plusieurs ports : tout ce qui arrive sur un port est recopié sur tous les autres. C'est un équipement obsolète, et il est instructif de savoir pourquoi : en diffusant tout à tout le monde, il gaspille la bande passante et fait entrer toutes les machines en concurrence sur le médium. Son successeur, le commutateur (couche 2, chapitre 4), prend au contraire des décisions en lisant les adresses — parce qu'il travaille une couche plus haut. C'est un premier exemple concret de ce que « monter d'une couche » apporte.

À vous

L'exercice illustre le cœur du chapitre : pourquoi on ne met jamais les bits bruts sur le fil. Vous codez une suite de bits en NRZ, puis en Manchester, et vous comptez les transitions du signal sur 00000000.

Le contraste est net : NRZ ne produit aucune transition — le récepteur est perdu —, tandis que Manchester en garantit une par bit, ce qui embarque l'horloge dans le signal lui-même. Vous mesurez au passage le prix de cette fiabilité : deux demi-temps par bit, donc un débit utile moindre. C'est le premier des nombreux compromis de la matière.

// Sur un fil, un bit est une TENSION. Le codage le plus naïf, NRZ :
//   1 -> tension haute, 0 -> tension basse, pendant toute la durée du bit.
// Problème : "00000000" = tension basse constante. Le récepteur, qui n'a pas
// l'horloge de l'émetteur, ne sait plus COMBIEN de 0 il y a — il perd le compte.

function nrz(bits) {
  return [...bits].map((b) => (b === "1" ? "H" : "B")).join("");
}

// ── À VOUS : le codage Manchester ───────────────────────────────────────────
// Manchester code chaque bit par une TRANSITION au milieu de l'intervalle :
//   1 -> Bas puis Haut  ("BH")
//   0 -> Haut puis Bas  ("HB")
// Ainsi il y a TOUJOURS une transition par bit : le récepteur récupère
// l'horloge à chaque bit, même sur une longue série de 0.
function manchester(bits) {
  let sortie = "";
  for (const b of bits) {
    // à compléter : ajouter "BH" pour un 1, "HB" pour un 0
  }
  return sortie;
}

// ── Compter les transitions (les fronts de synchronisation) ─────────────────
function transitions(signal) {
  let n = 0;
  for (let i = 1; i < signal.length; i++) if (signal[i] !== signal[i - 1]) n++;
  return n;
}

// ── Vérification ────────────────────────────────────────────────────────────
const bits = "00000000";
console.log("bits        :", bits);
console.log("NRZ         :", nrz(bits),        "-> transitions :", transitions(nrz(bits)));
console.log("Manchester  :", manchester(bits), "-> transitions :", transitions(manchester(bits)));
console.log("");
console.log("décodage attendu Manchester('1010') = " + manchester("1010"));

function manchester(bits) {
  let sortie = "";
  for (const b of bits) {
    sortie += (b === "1") ? "BH" : "HB";   // toujours une transition au milieu
  }
  return sortie;
}
// bits "00000000" :
//   NRZ        : BBBBBBBB       -> 0 transition  (le récepteur est perdu)
//   Manchester : HBHBHBHBHBHBHBHB -> ~15 transitions (une par bit garantie)
// Manchester('1010') = BHHBBHHB

// ── Ce que l'exercice enseigne ──────────────────────────────────────────────
//
// 1. On ne met JAMAIS les bits bruts sur le support. Un signal doit être
//    CODÉ pour être décodable de façon fiable — c'est le rôle de la couche
//    physique. Le codage naïf NRZ échoue sur les longues séries identiques :
//    sans transition, le récepteur perd la cadence et ne sait plus combien
//    de bits sont passés.
//
// 2. Un bon codage porte l'HORLOGE dans le signal lui-même. Manchester
//    garantit une transition par bit : le récepteur se resynchronise à
//    chaque bit, sans horloge partagée. Le prix : il faut deux « demi-temps »
//    par bit, donc le débit binaire utile est deux fois plus faible pour une
//    même vitesse de signal. C'est un compromis fiabilité / débit typique de
//    la couche physique.
//
// 3. Ces choix vivent ENTIÈREMENT dans la couche 1 : les couches au-dessus
//    (liaison, réseau...) ne voient que des bits propres et ignorent
//    totalement comment ils ont voyagé sur le support — cuivre, fibre ou
//    ondes. C'est l'indépendance des couches du chapitre 2, tout en bas de
//    la pile.

Ce que la suite en fait

La couche physique achemine des bits — mais elle les achemine avec des erreurs inévitables (le bruit), et sans savoir à qui ils sont destinés sur un réseau local. La couche au-dessus règle ces deux points.

Le chapitre 4, la couche liaison, regroupe les bits en trames, leur donne une adresse MAC pour désigner la machine voisine, détecte les erreurs de transmission (par parité et CRC — la conséquence directe du bruit vu ici), et introduit l'équipement qui a remplacé le concentrateur : le commutateur. On y verra aussi Ethernet, ARP et une première approche du Wi-Fi.

À retenir