Introduction aux réseaux optiques & aspects réseaux connexes

Principes fondateurs des réseaux Ce chapitre particulier fait le point sur líétat de líart des systèmes de télécommunications optiques modernes. A líinstar des liaisons en Öl de cuivre, les liaisons à Öbres optiques font appel à plusieurs composants qui sont assemblés entre eux aÖn de constituer un tout permettant líétablissement de communications à haut débit. Fondamentalement, toute chaÓne de communication sur Öbre optique (ou c‚bles en cuivre dans le cas des réseaux connexes), est constituée de trois parties principales, comme le montre le schéma synoptique de la Ögure (1.1). Essentiellement, elle est composée díun émetteur, un canal de transmission et un récepteur [1]. Naturellement, le rÙle primordial díun réseau télécom (ou informatique) est de faire circuler des informations (données, voix, images) entre líémetteur, qui convertit les signaux électriques en signaux optiques, et le récepteur, qui joue le rÙle inverse en convertissant les signaux optiques en signaux électriques, via un support de transmission qui est la Öbre optique avec un minimum de distorsion et de perte de puissance du signal porteur de líinformation. Dans le cas des télécoms optiques, la Öbre optique aux propriétés intrinsèques particulières fait líobjet central du système de transmission. Alors que les composants optoélectroniques díémission/réception de la lumière (lasers et photo-détecteurs à semiconducteurs) représentent les éléments primordiaux díextrémités. Notons quíà ses deux extrémités síajoutent díautres organes et circuits électroniques très rapides pour la modulation, le codage/décodage, líampliÖcation en ligne, le traitement de líinformation, et enÖn la gestion du réseau (détection et correction díerreurs). Fig. 1.1: Schéma synoptique díune chaine de transmission optique. Elle est constituée de trois parties essentielles : un émetteur, un canal de transmission (Öbre optique) et un récepteur, díaprès [1]. 

Principe de fonctionnement díune liaison optique

Au début des transmissions optiques, les études théoriques menées sur líutilisation de la Öbre optiques dans le domaine des télécommunications croyaient que la Öbre a une bande passante illimitée. Ainsi, elle peut répondre à la demande gourmande en matière de capacité de transmission de la société díaujourdíhui. Cependant, la Öbre présente certaines limitations physiques fondamentales inhérentes telles que la perte de puissance, la dispersion chromatique et les e§ets non linéaires. Díaprès le schéma de principe díune liaison optique, représenté dans la Ögure (1.1), líinformation à transmettre, sous forme díun signal électrique, est codée par líutilisation díun générateur de bits pseudo-aléatoire. La diode laser à cavité de Bragg distribuée DFB (Distributed FeedBack) est polarisée par un circuit de modulation rapide. Le signal optique généré, porteur de líinformation, est injecté dans une Öbre monomode, puis ampliÖé par le biais díampliÖcateurs à Öbre dopé à líErbium EDFA (Erbium Doped Fiber AmpliÖer) placés à des distances régulières (50 jusquíà 120 km), pour combattre líatténuation et améliorer, en conséquence, le rapport signal à bruit de la photodiode (PIN ou AD) à la réception. A la sortie du détecteur, le signal électrique est démodulé et décodé par des circuits électroniques rapides pour restituer líinformation. Les performances de la ligne de transmission peuvent Ítre évaluées gr‚ce aux di§érents moyens pour caractériser la qualité de la liaison optique en matière de performances, tel que le calcul du taux díerreur ou le diagramme de líúil, qui nous permettent de choisir le meilleur échantionnage et de Öxer le niveau seuil de tension pour la prise de décision. Donc, líétude globale díune liaison optique, quel que soit sa simplicité, fait introduire, par les di§érents composants optoélectroniques et optiques, des limitations physiques de natures di§érentes. Dans ce travail, nous nous intéressons quíà la partie médiane du système, qui est la Öbre optique. Les deux principales limitations inhérentes, cíest-à-dire, les propriétés dispersives et non linéaires de la Öbre optique seront introduites dans le chapitre 3 et dont líimpact sera étudié en détail dans le chapitre 4 de cette thèse. Cependant, avant díaborder ces phénomènes avec plus de détail, il est essentiel de faire  passer en revue líaspect général ainsi que les faits de base sur le concept, les avantages et les inconvénients des di§érents réseaux connexes. Il est également important de comparer ces types de réseaux de point de vue avantages et inconvénients, qui doivent Ítre pris en considération, lors de líévaluation de la faisabilité de líinstallation de tout réseau de communication. 

Aspects des réseaux connexes

Généralement, un réseau informatique (ou télécom) est représenté par un ensemble díordinateurs (ou núuds et terminaux des utilisateurs) interconnectés entre eux pour échanger de líinformation (voix, données, images) [22]. Explicitement, on distingue différents types de réseaux quíen peut classer, suivant la taille, la vitesse de transfert de données ainsi que líétendue géographique, en quatre grandes catégories. Le réseau local « LAN » (Local Area Network), celui-ci permet de relier des ordinateurs et périphériques situés dans la mÍme pièce, voire dans le mÍme b‚timent ou campus. Le réseau sans Öl « WLAN » (Wireless Local Area Network), il síagit díun réseau sans Öl utilisant la technologie « WiFi » (Wireless Fidelity) pouvant couvrir plusieurs dizaines de mètres. Le réseau métropolitain « MAN » (Metropolitan Area Network), il peut couvrir une ville entière et ses périphéries. EnÖn, le réseau étendu « WAN » (Wide Area Network), celui-ci peut couvrir un pays, un continent, ou le monde tout entier. Notons bien que ces réseaux sont organisés suivant deux types de topologies : une topologie physique, qui décrit líinfrastructure díinterconnexion des systèmes informatiques et une topologie logique, qui représente líarchitecture logicielle díaccès entre machines pour échanger des informations via la topologie physique. Líétat de líart et les tendances de ces technologies seront résumées sommairement dans les paragraphes suivants. 

Topologie logique des réseaux

La topologie logique, qui est une architecture logicielle, désigne le mode díéchange des messages sur le réseau physique. Dans ce contexte, on trouve trois principales topologies logiques les plus utilisées, qui sont líEthernet (protocole de réseau local à commutation de paquets), le Token-Ring (réseau en anneau à jeton) et le FDDI (Fiber Distributed Data Interface) [2, 23]. Technologie Ethernet Ethernet est un protocole (règles et conventions entre entités paires) de transmission de données dans un réseau local. Dans ce réseau, toutes les machines sont connectées à une mÍme ligne de communication. Celle-ci est constituée, généralement, de c‚bles coaxiaux, de c‚bles à paires torsadées ou en Öbres optiques. La gestion du traÖc de données se fait à líaide du protocole díaccès multiple avec surveillance de porteuse et détection de collision, appelé CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Contrairement au réseau à jeton, avec ce protocole toutes les machines sont autorisées à émettre sur la ligne à níimporte quel moment et sans aucune priorité ou droit de parole. Naturellement, avant díémettre, chaque machine doit vériÖer que le canal de transmission  Fig. 1.2: Réseau en anneau à jeton (Token Ring). Líaccès au réseau est basé sur le principe de la communication líun après líautre (paradigme du rond-point). est libre. Si, par coÔncidence, deux machines émettent simultanément, il y aura collision des trames de données et par suite perte de líinformation. Dans ce cas, les deux machines interrompent automatiquement leur communication et attendent un délai aléatoire, qui dépond de la fréquence de collision, puis la première ayant passé ce délai peut alors réémettre à nouveau [23]. Technologie Token Ring Líanneau à jeton (Token Ring) est une technologie díaccès au réseau basé sur le principe de la communication líun après líautre, autrement dit, chaque machine du réseau ne communique quíà son tour (paradigme du rond-point), comme le montre la Ögure (1.2). Le jeton, qui est un paquet de données représentant une autorisation et circulant en boucle díun ordinateur à un autre, détermine quel ordinateur a le droit díémettre des informations. Lorsquíun ordinateur est en possession du jeton il peut émettre pendant un laps de temps déterminé, après lequel il remet le jeton à líordinateur suivant. Il est à noter que les ordinateurs díun réseau de type « anneau à jeton » ne sont pas réellement disposés en boucle, comme le laisse penser notre imagination, mais sont reliés à un répartiteur appelé « MAU » (Multistation Access Unit), qui va gérer la communication entre les ordinateurs reliés en accordant, successivement et dans le mÍme sens, « un temps de parole » à chacun díentre eux, voire le schéma díillustration (1.3). Signalons que le défaut majeur de ce type de réseau est que la défaillance díun hÙte rompt la structure du réseau si la communication est unidirectionnelle. Heureusement, en pratique, un réseau en anneau est souvent composé de deux anneaux contrarotatifs [23]. Technologie FDDI La technologie FDDI (Fiber Distributed Data Interface) est un ensemble de normes pour la transmission de données sur des liaisons en Öbres optiques dans un réseau local C Fig. 1.3: Répartiteur « MAU » (Multi station Access Unit), qui gère la communication entre les ordinateurs reliés en accordant, successivement et dans le mÍme sens, « un temps de parole » à chacun díentre eux. qui peut síétendre jusquíà 200 km. Le réseau FDDI est redondant, car il consiste en deux anneaux en Öbre optique (primaire et secondaire). Líanneau secondaire est utilisé pour remplacer líanneau primaire dans le cas díune défaillance technique du réseau, cíest là que líanneau secondaire prend son importance. La technologie FDDI est fréquemment utilisée sur líépine dorsale díun réseau étendu (WAN), puisquíelle est faite pour supporter de très gros volumes de données sur de grandes distances. Par ailleurs, le protocole FDDI est basé sur le protocole Token Ring. Donc, le FDDI est un anneau à jeton à détection et correction díerreurs. Autrement dit, si le jeton, qui circule entre les machines à une très grande vitesse, níarrive pas au bout díun certain délai, la machine considère quíil y a eu une erreur sur le réseau, et elle retransmet le paquet à nouveau. La topologie FDDI ressemble de très près à celle de Token Ring à la di§érence près quíun ordinateur faisant partie díun réseau FDDI peut aussi Ítre relié à un concentrateur « MAU » (Multi station Access Unit) díun second réseau. On parle, dans ce cas, de système bi-connecté [23].