Chapitre 1 · 5 h
Couche physique
Signal, codage, modulation ; supports cuivre, fibre et sans-fil ; débit binaire et bruit ; répéteur et concentrateur.
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.
Quiz · 1 question
Pourquoi le codage NRZ (1 = tension haute, 0 = tension basse) pose-t-il problème sur une longue série de zéros, et que fait Manchester pour l'éviter ?
- NRZ consomme trop d'énergie ; Manchester réduit la tension — énergie
- NRZ produit un niveau constant sans repère, et le récepteur perd la synchronisation ; Manchester garantit une transition par bit, ce qui embarque l'horloge dans le signal — synchronisation d'horloge
- NRZ est trop lent ; Manchester double le débit binaire — débit
Réponse : Sur « 00000000 », NRZ maintient une tension basse constante : aucune transition, donc aucun repère temporel. Le récepteur, qui ne partage pas l'horloge de l'émetteur, ne peut plus compter les bits. Manchester code chaque bit par une transition au milieu de l'intervalle : il y a toujours au moins une transition par bit, sur laquelle le récepteur se resynchronise. Le signal porte ainsi sa propre horloge. En contrepartie, Manchester est moins efficace en débit (deux demi-temps par bit), pas plus rapide.
Les supports
Le support physique conditionne le débit, la distance et la sensibilité au bruit. Trois grandes familles :
| Support | Principe | Forces | Limites |
|---|---|---|---|
| Cuivre (paire torsadée) | tension électrique | bon marché, simple | sensible au bruit, atténuation rapide (~100 m) |
| Fibre optique | impulsions de lumière | très haut débit, longues distances, insensible aux interférences | coût, fragilité, raccordement délicat |
| Sans-fil (radio) | ondes électromagnétiques | mobilité, pas de câblage | partagé, sensible au bruit et aux obstacles, sécurité (chapitre 8) |
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.
Quiz · 1 question
Un technicien doit prolonger une liaison réseau au-delà de la distance où le signal devient trop faible. Quel équipement de couche 1 emploie-t-il, et que fait-il exactement ?
- Un commutateur, qui lit les adresses et choisit le bon port — décision par adresse MAC
- Un répéteur, qui régénère et réamplifie le signal sans lire aucune adresse ni prendre de décision — régénération du signal
- Un routeur, qui achemine selon l'adresse IP — routage IP
Réponse : Prolonger une liaison affaiblie est un problème de SIGNAL, donc de couche 1 : le répéteur régénère et réamplifie le signal pour qu'il reste lisible plus loin, sans jamais lire d'adresse ni décider quoi que ce soit. Le commutateur (couche 2) et le routeur (couche 3) prennent des décisions à partir d'adresses — ils travaillent plus haut dans la pile, sur le contenu et non sur le seul signal. Chaque équipement opère à sa couche : c'est ce qui permet de raisonner sur un réseau.
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.
Exercice de code
Codez une suite de bits en NRZ puis en Manchester, et comptez les transitions du signal sur « 00000000 ». Vous verrez pourquoi on ne met jamais les bits bruts sur le fil : un bon codage porte l'horloge, ce qui permet au récepteur de rester synchronisé même sur une longue série de zéros.
Point de départ
// 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"));
Solution
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
Flashcards · 4 cartes
- Pourquoi ne met-on jamais les bits bruts sur le support, et que fait un bon codage comme Manchester ?
- Parce que le récepteur doit se synchroniser : avec le codage naïf NRZ, une longue série de bits identiques donne un niveau constant sans repère, et le récepteur perd le compte. Un bon codage embarque l'HORLOGE dans le signal : Manchester code chaque bit par une transition au milieu de l'intervalle, garantissant une transition par bit. Prix : deux demi-temps par bit, donc un débit utile deux fois moindre — un compromis fiabilité/débit typique de la couche physique.
- Quelle est la différence entre codage et modulation ?
- Le codage (en bande de base) associe directement des bits à des niveaux de signal, sans onde porteuse — typiquement sur câble (NRZ, Manchester). La modulation fait varier une caractéristique d'une onde PORTEUSE — amplitude, fréquence ou phase — au rythme des données, quand on transmet sur radio, Wi-Fi ou ligne téléphonique. On code sur le cuivre nu, on module sur les ondes.
- Comment le bruit limite-t-il le débit d'un support ?
- Le bruit (interférences, atténuation avec la distance, diaphonie) rend les niveaux de signal plus difficiles à distinguer : plus il est fort, plus le débit fiable CHUTE. Une limite théorique (Shannon-Hartley) relie le débit maximal à la bande passante et au rapport signal/bruit — au-delà, aucun codage ne transmet sans erreur. C'est pourquoi les erreurs sont inévitables, d'où la détection d'erreurs de la couche liaison (chapitre 4).
- Qu'est-ce qu'un répéteur et un concentrateur (hub), et pourquoi le hub est-il obsolète ?
- Ce sont des équipements de couche 1, qui n'agissent que sur le signal. Le répéteur régénère et réamplifie un signal affaibli pour prolonger une liaison, sans lire d'adresse. Le concentrateur est un répéteur multiport qui recopie tout ce qu'il reçoit sur TOUS les ports : il gaspille la bande passante et met les machines en concurrence sur le médium. Le commutateur (couche 2) l'a remplacé en prenant des décisions à partir des adresses.