Données, signaux, latence et fiabilité

Données, signaux, latence et fiabilité

Un fichier, une conversation téléphonique ou une requête d’API ne sont, pour le réseau, que des bits. Pour voyager, ces bits deviennent un signal électrique, lumineux ou radio, qui subit en route du bruit, des délais et des pertes. Cette fiche suit ce passage de la donnée au signal, puis donne les grandeurs qui permettent de juger un réseau autrement que par « c’est lent » : débit, latence, gigue, perte, et la manière dont les protocoles réagissent aux erreurs.

Explication de la marmotte

Envoyer une donnée sur un réseau ressemble à expédier un colis : il faut l’emballer pour le transport, choisir un véhicule, puis compter sur la route. Le trajet peut être long ou embouteillé, le colis peut arriver abîmé ou se perdre en chemin. Cette page apprend à mesurer ces désagréments plutôt qu’à se contenter d’un vague « c’est lent ».

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De la donnée au signal

Analogique et numérique

Un signal analogique varie de façon continue : la tension produite par un microphone suit la pression de l’air. Un signal numérique ne prend qu’un nombre fini d’états, distingués par le récepteur à intervalles réguliers. Le support physique, lui, reste analogique : un câble transporte une tension qui monte et descend, une fibre une lumière plus ou moins intense, l’air une onde. Le numérique est une convention de lecture imposée à un phénomène continu, ce qui explique qu’un signal trop atténué ou trop bruité finisse par être mal lu.

Codage de ligne

Le codage de ligne définit comment représenter les bits par des niveaux de signal en bande de base, c’est-à-dire directement sur le support, sans porteuse. Il doit aussi garantir assez de transitions pour que le récepteur reste synchronisé sur l’horloge de l’émetteur. Quelques exemples tirés d’Ethernet montrent l’évolution :

Norme	Codage	Remarque
10BASE-T	Manchester	une transition par bit, simple mais gourmand en fréquence
100BASE-TX	4B/5B puis MLT-3	4 bits transportés dans 5 symboles
1000BASE-X (fibre)	8B/10B	25 % de symboles supplémentaires
10GBASE-R	64b/66b	surcoût ramené à environ 3 %

Le passage de 8B/10B à 64b/66b n’est pas un détail : sur 10 Gbit/s, 25 % de surcoût auraient coûté 2,5 Gbit/s de symboles inutiles.

Modulation et large bande

La modulation inscrit les données dans une onde porteuse en faisant varier son amplitude (ASK, Amplitude Shift Keying), sa fréquence (FSK, Frequency Shift Keying), sa phase (PSK, Phase Shift Keying) ou amplitude et phase ensemble (QAM, Quadrature Amplitude Modulation). Une QAM à 256 états transporte 8 bits par symbole, une QAM à 1024 états, utilisée par le Wi-Fi 6, en transporte 10. Plus il y a d’états, plus ils sont proches les uns des autres et plus le bruit les confond : les hauts débits exigent un bon rapport signal sur bruit, d’où leur chute rapide quand on s’éloigne du point d’accès. Une transmission modulée sur porteuse est dite en large bande (broadband), par opposition à la bande de base.

Multiplexage

Le multiplexage partage un support entre plusieurs communications. Le multiplexage temporel (TDM, Time Division Multiplexing) attribue des tranches de temps, le multiplexage fréquentiel (FDM, Frequency Division Multiplexing) des bandes de fréquences, et sa version optique, le multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division Multiplexing), fait passer des dizaines de couleurs de lumière dans une même fibre. L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) découpe un canal en nombreuses sous-porteuses étroites ; il sert au Wi-Fi, à la 4G et à la 5G.

Modem et codec

Un modem (modulateur-démodulateur) convertit des bits en signal modulé et inversement : modem ADSL, câble, radio. Un codec (codeur-décodeur) convertit un signal analogique, voix ou image, en données numériques, souvent en les compressant. En téléphonie sur IP, le codec G.711 produit 64 kbit/s de voix non compressée, le G.729 environ 8 kbit/s. Le modem s’occupe du transport, le codec du contenu ; les deux mots se ressemblent assez pour être confondus, et assez peu pour que la confusion soit pardonnable.

Mesurer l’expérience réseau

Débit, bande passante, latence, gigue, perte

La bande passante désigne, au sens strict, une largeur de bande de fréquences en hertz ; par extension, la capacité nominale d’un lien, par exemple 1 Gbit/s. Le débit brut est ce que la couche physique transmet, le débit utile (goodput) ce qui reste pour l’application une fois retirés en-têtes, retransmissions et contrôles.

La latence est le délai de transit d’un bout à l’autre. Le RTT (Round-Trip Time) est le temps d’un aller-retour, celui que mesure ping. La gigue (jitter) est la variation de ce délai d’un paquet à l’autre. La perte est la proportion de paquets jamais arrivés. Le réordonnancement désigne des paquets arrivés dans un autre ordre que celui d’émission, ce que TCP peut prendre pour une perte.

D’où vient la latence

La latence se décompose en quatre termes. Le délai de propagation dépend de la distance : la lumière parcourt environ 200 000 km/s dans une fibre, soit 5 µs par kilomètre. Paris et New York étant distants d’environ 5 800 km à vol d’oiseau, le RTT ne peut descendre sous 58 ms, et les mesures réelles, qui suivent les câbles et non les oiseaux, dépassent souvent 70 ms. Le délai de sérialisation est le temps de poser les bits sur le fil : 1500 octets prennent 12 µs à 1 Gbit/s, mais 1,2 ms à 10 Mbit/s. Le délai de traitement correspond au travail de chaque équipement. Le délai de file d’attente, enfin, est le seul qui varie fortement : quand le trafic entrant dépasse la capacité de sortie, les paquets attendent dans une mémoire tampon, puis sont rejetés quand elle est pleine. C’est la congestion, source principale de gigue et de perte. Des tampons trop grands produisent le phénomène dit de bufferbloat : aucune perte, mais des centaines de millisecondes d’attente.

Pourquoi un ping ne suffit pas

ping envoie des messages ICMP (Internet Control Message Protocol) d’écho et mesure le RTT. C’est un excellent premier test et un mauvais juge. Les routeurs traitent souvent l’ICMP qui leur est destiné avec une faible priorité, si bien qu’un saut intermédiaire semble lent sans l’être pour le trafic qui le traverse. ICMP peut être filtré, ou prendre un autre chemin que le flux applicatif. Un ping mesure enfin un petit paquet isolé : il ne dit rien du débit disponible, du comportement d’une connexion TCP longue ou de la gigue sous charge. Un diagnostic sérieux le complète par une mesure de débit (iperf3), une mesure de chemin (mtr) et l’observation des retransmissions dans une capture.

Fiabilité et erreurs

Détecter, corriger, retransmettre

Le bruit inverse des bits. La détection d’erreur ajoute une redondance calculée : bit de parité, somme de contrôle de 16 bits dans les en-têtes IPv4, TCP et UDP, CRC (Cyclic Redundancy Check) de 32 bits dans le champ FCS d’Ethernet. Une trame dont le CRC ne correspond pas est jetée en silence par le commutateur ou la carte réseau ; seul un compteur d’erreurs en garde la trace. La correction d’erreur (FEC, Forward Error Correction) ajoute assez de redondance pour réparer sans retransmettre : codes de Reed-Solomon dans les liaisons Ethernet rapides, codes LDPC (Low-Density Parity-Check) en radio. Elle coûte du débit mais évite l’aller-retour, précieux sur un lien long ou bruité.

Quand une donnée est perdue, la retransmission prend le relais, à la charge du transport (TCP) ou de l’application. L’émetteur attend un accusé de réception ; passé un délai, le timeout, il réémet. TCP calcule ce délai (RTO, Retransmission Timeout) à partir des RTT mesurés, avec une valeur initiale d’une seconde selon la RFC 6298, et le double à chaque échec consécutif : c’est le backoff exponentiel, qui évite d’aggraver une congestion en insistant.

Une perte faible, une dégradation forte

TCP interprète une perte comme un signe de congestion et réduit son débit. La relation dite de Mathis donne un ordre de grandeur du débit maximal d’une connexion TCP Reno en fonction de la MSS (Maximum Segment Size), du RTT et du taux de perte p :

débit ≈ (MSS / RTT) × (1,22 / √p)

MSS = 1460 octets = 11 680 bits, RTT = 50 ms, p = 1 %
débit ≈ (11 680 / 0,05) × (1,22 / 0,1) ≈ 2,85 Mbit/s

Un lien à 1 Gbit/s qui perd 1 % des paquets ne permet donc qu’environ 3 Mbit/s à une connexion transatlantique de ce type. Les algorithmes de congestion récents (CUBIC, BBR) s’en tirent mieux, mais l’ordre de grandeur reste instructif : une perte jugée négligeable par un tableau de bord suffit à rendre une application inutilisable.

Panne, saturation ou attaque

Un service lent peut souffrir d’une panne partielle (lien qui génère des erreurs CRC, interface négociée à 100 Mbit/s au lieu de 1 Gbit/s), d’une saturation légitime (sauvegarde lancée en pleine journée) ou d’une attaque par déni de service. Les symptômes se ressemblent ; les indices diffèrent. Des erreurs physiques croissantes désignent la panne, une hausse de trafic corrélée à un usage connu désigne la saturation, une hausse brutale venue de sources nombreuses et inhabituelles désigne l’attaque. Sans mesures de référence relevées en temps normal, aucune de ces lectures n’est possible ; voir Performance, QoS et capacité.

Exemples et ateliers

Comparer trois usages

Usage	Ce qui compte	Tolérance
Transfert de fichier	débit utile	latence et gigue indifférentes, pertes corrigées par TCP au prix du débit
Voix sur IP	latence, gigue, perte	l’UIT-T (recommandation G.114) conseille moins de 150 ms de délai dans un sens ; la gigue est absorbée par un tampon qui ajoute lui-même du délai
API sensible à la latence	RTT	une page qui enchaîne 30 appels séquentiels à 40 ms de RTT attend 1,2 s, quel que soit le débit

Le troisième cas résume à lui seul la différence entre débit et latence : multiplier la capacité du lien par dix ne gagne pas une milliseconde.

Mesurer RTT et perte avec ping

$ ping -c 100 -i 0.2 192.0.2.1
...
100 packets transmitted, 98 received, 2% packet loss, time 19810ms
rtt min/avg/max/mdev = 11.204/14.873/48.912/5.417 ms

Le minimum approche le délai de propagation et de traitement, la moyenne ajoute les files d’attente, le maximum révèle des pointes, et mdev donne une idée de la gigue. Les 2 % de perte méritent une enquête, avec deux réserves : la cible peut limiter volontairement le débit des réponses ICMP, et cent paquets forment un échantillon modeste. Une mesure répétée à différentes heures, et vers plusieurs cibles, vaut mieux qu’un chiffre isolé.

Estimer le débit utile après tunnel

Sur Ethernet, un segment TCP IPv4 complet transporte 1460 octets utiles pour 1538 octets sur le fil, soit environ 94,9 %. Dans un tunnel WireGuard sur IPv4, l’encapsulation ajoute 60 octets (20 d’IP, 8 d’UDP, 32 de WireGuard), d’où une MTU intérieure de 1440 octets ; WireGuard retient par défaut 1420 pour couvrir aussi un transport IPv6, dont le surcoût atteint 80 octets. La MSS intérieure tombe alors à 1380 octets :

rendement = 1380 / 1538 ≈ 89,7 %
sur 1 Gbit/s : environ 897 Mbit/s utiles au mieux, contre 949 sans tunnel

IPsec en mode ESP (Encapsulating Security Payload) ajoute un surcoût variable selon l’algorithme et le bourrage, souvent entre 50 et 70 octets. Le chiffrement consomme aussi du processeur, et sur de petits équipements c’est lui, et non le lien, qui plafonne le débit. Les détails figurent dans TLS, VPN et IPsec.

Pièges classiques

Le premier piège est de confondre débit et latence. Une liaison par satellite géostationnaire, même généreuse en débit, affiche un RTT proche de 600 ms, puisque le signal monte puis redescend sur environ 36 000 km à l’aller comme au retour, soit près de 480 ms de seule propagation ; elle transfère de gros fichiers très bien et rend une session interactive pénible.

Le deuxième piège est de croire qu’un lien rapide est toujours confortable. La capacité ne dit rien des files d’attente, de la gigue ni des pertes sous charge, qui déterminent l’expérience réelle.

Le troisième piège est de bloquer des messages de contrôle nécessaires. Filtrer tout l’ICMP casse la découverte de MTU du chemin (RFC 1191 pour IPv4, RFC 8201 pour IPv6), qui repose sur les messages « fragmentation nécessaire » ou « paquet trop grand ». Les connexions s’établissent, puis se figent dès qu’un gros paquet est émis. En IPv6, la RFC 4890 détaille les messages ICMPv6 qu’il ne faut pas filtrer ; le sujet est repris dans Résolution locale et ICMP.

À ne pas confondre

Bande passante et débit observé : la première est une capacité nominale, le second une mesure à un instant donné, toujours inférieure, réduite par les en-têtes, le partage et les pertes.

Correction d’erreur et chiffrement : la correction protège contre le bruit, sans aucune clé, et n’empêche personne de lire. Le chiffrement protège contre un observateur et ne répare aucun bit abîmé. Un CRC n’est pas davantage une signature : n’importe qui peut le recalculer après avoir modifié la trame.

Timeout réseau et refus applicatif : un délai dépassé signifie qu’aucune réponse n’est arrivée, par perte, filtrage silencieux ou machine éteinte. Un refus est une réponse : segment TCP RST, message ICMP « port injoignable », code d’erreur HTTP. Le refus prouve que le réseau fonctionne jusqu’à la cible, le timeout ne prouve rien.

🐝 Ce qui arrive si on s’en passe

Sans mesures de latence, de perte et de gigue relevées en temps normal, rien ne permet de distinguer une saturation d’une attaque qui épuise les ressources : les deux produisent les mêmes symptômes, et l’équipe diagnostique au jugé pendant que le service s’effondre. Le blocage indiscriminé des messages de contrôle, volontiers présenté comme un durcissement, casse en silence les échanges qui en ont besoin ; des connexions se figent alors sans erreur explicite, et chacun accuse l’application. L’absence de référence chiffrée transforme enfin chaque plainte d’utilisateur en débat d’opinion, genre dans lequel le réseau gagne rarement.

🦫 Explication de la marmotte 🍫

Un ordinateur manipule des bits, des zéros et des uns. Pour les transmettre, il faut les transformer en signal physique : une tension électrique dans un câble de cuivre, de la lumière dans une fibre, une onde radio dans l’air. Le codage de ligne définit comment représenter les bits par ce signal ; la modulation fait varier une onde pour y inscrire les données ; le multiplexage fait passer plusieurs communications sur un même support. Un modem réalise ces conversions. Pendant le trajet, le signal subit du bruit et des erreurs. Des codes de contrôle ajoutés aux données permettent de détecter, parfois de corriger ces erreurs ; sinon, les données sont renvoyées après un délai d’attente, allongé à chaque nouvel échec. Pour juger une liaison, plusieurs mesures comptent. Le débit est la quantité de données transmise par seconde. La latence est le temps de trajet ; le temps d’aller-retour mesure le parcours d’une question et de sa réponse. La gigue est la variation de ce délai, gênante pour la voix. La perte désigne les paquets qui n’arrivent pas. Ces valeurs dépendent de la distance, du traitement dans chaque équipement et des files d’attente qui se remplissent quand le trafic dépasse la capacité. Une faible perte peut fortement ralentir une application, et un tunnel ou un chiffrement réduit le débit utile. Un ralentissement peut venir d’une panne, d’une saturation ou d’une attaque.

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La citent

• Couches, normes et vocabulaire de paquets

Données, signaux, latence et fiabilité

Elle cite

• ⇄Lien dans les deux sens :Géographie d'internet, câbles sous-marins et points d'atterrissement
• ⇄Lien dans les deux sens :Performance, QoS, capacité et sobriété énergétique
• Résolution locale, ICMP, MTU et multicast
• TLS ou tunnel VPN IPsec contre l'homme du milieu
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• Défendre un DDoS volumétrique et applicatif

⇄ : les deux pages se citent l’une l’autre.