Réseaux Locaux Sans Fil (Réseaux IEEE 802.11)

I- Définition :

WiFi :

o Il permet à des équipements munis de cartes réseaux se connecter et

d'échanger des données par voie radio.o Il s'intègre dans la pile IP.

Architecture cellulaire et deux modes de fonctionnement mode Infrastructure et mode Ad-hoc :

WLAN : C’est un réseau sans fil local. Il regroupe les équipements associés entre eux utilisant le même nom de réseau .Il fonctionne en architecture cellulaire : chaque cellule possède sa zone de couverture et ses caractéristiques d'association.

II- L’architecture des réseaux wifi :

1. Modes de fonctionnement :

Mode infrastructure :

AP (Access Point) : point d’accès BSS (Basic Service Set) : cellule de base ESS (Extended Service Set) : ensemble de cellules

Mode ad-hoc:

Sans AP IBSS (Independent Basic Service Set): cellule de base en mode ad-hoc

a. Mode Infrastructure: Le point d’accès (AP) permet l’échange d’information entre les

stations d’une cellule BSS (Basic Service Set).

AP est connecté à Internet via un réseau filaire. BSS = ensemble des stations radio à portée d’un point d’accès. Chaque BSS a un identifiant (BSSID), qui est l'adresse MAC du

point d'accès. A un point d'accès peuvent être associées jusqu'à 100 stations. Le support de transmission est partagé entre les stations, de

même que le débit radio (11Mbits/s).

Mode infrastructure BSS :

Mode infrastructure étendue

Extended Service Set (ESS): plusieurs points d’accès (BSS) connectés entre eux par un système de distribution.

Le système de distribution (DS) est responsable du transfert des paquets entre les BSS.

DS: Ethernet ou autre réseau WLAN ESS est identifié par un ESSID de 32 caractères (ASCI). Tous les AP du réseau doivent utiliser le même ESSID. Les cellules de l'ESS peuvent être disjointes ou se recouvrir

pour offrir un service de mobilité (802.11f) Plus grand nombre d’utilisateurs sans dégradation de

performances.

Mode infrastructure ESS :

L’ESS est formé par des BSS couvrantes pour offrir le service de mobilité.

b. Mode Ad-hoc Des stations équipées d'adaptateurs WiFi en mode adhoc forment un

réseau ad-hoc. Chaque adaptateur joue successivement le rôle d'AP et de client. Les

machines communiquent ensemble en point à point (peer to peer). La portée du réseau est limitée aux portées de chaque paire. Cet ensemble de services de base indépendants (IBSS Independant

Basic Service Set) est adapté aux réseaux temporaires lorsqu'aucun AP n'est disponible.

Réseaux ad-hoc et routage

Communication directe :

Une station du réseau atteint directement une autre station, sans passer par un intermédiaire =>pas de routage.

Possible dans une petite cellule (diamètre < 10m).

Routage par des nœuds intermédiaires :

Le logiciel de routage doit être présent dans chaque nœud du réseau pour gérer le transfert des paquets IP.

Deux familles de protocoles de routage : réactifs et proactifs.

Protocoles réactifs: Pas de tables de routage prêt. Table construite si besoin d’émission. Techniques d’inondation.

Protocoles proactifs: Table de routage toujours prête, même en absence de

communication. Paquets de supervision émis sans arrêt pour maintenir à jour la table

de routage.

III- Les bandes de fréquences dans 802.11 :

Deux bandes libres (sans licence) utilisées dans 802.11x:

Bande ISM (Industrial, Scientific and Medical) Bande U-NII (Unlicenced-National Information Infrastructure)

802.11, 802.11b, 802.11n

Bande ISM Autour de 2.4GHz Largeur de bande : 83.5 MHz

802.11a, 802.11n

Bande U-NII Autour de 5 GHz Largeur de bande 300 MHz

IV- Norme IEEE 802.11 :

Elle concerne les deux couches 1 et 2 du modèle OSI.

1. La couche physique 802.11 :

La couche physique est l'interface située entre la couche MAC et le support qui permet d'envoyer et de recevoir des trames.

Elle est divisée en deux sous-couches :

La sous-couche PMD qui gère l'encodage des données et effectue la modulation.

La sous-couche PLCP qui s'occupe de l'écoute du support et fournit un CCA (Clear Channel Assessment) à la couche MAC pour lui signaler que le canal est libre.

Les types:

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Bande ISM autour de 2,4Ghz. Technologie d’envoi de données par saut de fréquences. Cette technologie permet de réduire les interférences et économise

la bande passante (une bande de fréquence utilisée à la fois)

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Technologie d’envoi de données par découpage Les données sont émises simultanément sur plusieurs canaux de

fréquences, diminuant ainsi le taux d’erreurs et augmentant le débit. Cette technologie utilise beaucoup de bande passante.

IR (Infrarouge) Rarement utilisé en 802.11 car le débit est faible, la portée est

limitée, et la nécessité de placer les terminaux voulant communiquer en face l’un de l’autre.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Multiplexage en fréquences orthogonales. Le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la

bande allouée.a. Couche FHSS : saut de fréquences

bande ISM divisée en 79 canaux ayant chacun 1MHz de largeur de bande.

La communication utilise successivement plusieurs fréquences de porteuse.

L’émetteur et le récepteur s’accordent sur une séquence de sauts précise qui sera effectué sur les 79 canaux.

Saut d’un sous-canal à un autre toutes les 300ms, selon une séquence prédéfinie de sauts.

Les 79 canaux sont groupés en 3 ensembles de 26 fréquences possibles de faire fonctionner simultanément 26 réseaux 802.11 FHSS dans une même zone.

Avantage : Résistance aux interférences: si le signal est brouillé sur un

canal, il peut être renvoyé après le saut dans un autre canal. Sécurité: le signal est plus difficile à intercepter. Utilisation efficace de la bande passante.

Inconvénients: Limitation du débit : débit entre

1Mbits/s et 2 Mbits/s due à la bande passante réduite des canaux (1MHz).

Coût: les sauts et la synchronisation coûtent.

b. Couche DSSS : séquence directe DSSS divise la bande ISM (BW=83.5MHz) en 14 canaux de 20MHz

chacun. Les 14 canaux se recouvrent. La transmission se fait sur un seul canal : si des points d’accès,

utilisant les mêmes canaux, ont des cellules qui se recoupent problème d’interférence.

Afin d’éviter les interférences:

Deux AP utilisant le même canal doivent être loin l’un de l’autre. Dans une même zone, les AP utilisent des canaux disjoints

Sur un canal, le spectre d’un signal est de 22 MHz.

Plusieurs réseaux peuvent émettre sur une même cellule : Si les fréquences centrales sont espacées de 25MHz.

Au Maximum 3 réseaux 802.11 DSSS peuvent émettre dans une même cellule sans interférences (ex. :1,6, 11).

Affectation de fréquences

c. Couche OFDM Couche physique OFDM utilisé par 802.11a et 802.11g Bande U-NII (5GHz) de largeur 300 MHz. Débits compris entre 6 et 54 Mbits/s. La bande UN-II est divisée en 8 canaux disjoints de 20 MHz Co-

localisation de 8 réseaux au sein du même espace. Chaque canal est divisé en 52 sous-canaux de 300 KHz. Utilisation de tous les sous-canaux en parallèle pour la transmission.

d. Couche Infrarouge : Le standard IEEE 802.11 prévoit également l'utilisation de la lumière

infrarouge pour la transmission de données. Débits de 1Mbits/s en utilisant une modulation 16-PPM (pulse position

modulation). Le débit de 2Mbits/s est obtenu avec une modulation 4-PPM. IR utilisée si les distances entre les stations sont faibles et en absence

d’obstacles.2. Couche liaison de données :

Elle est composée de deux sous-couches:

o LLC (Logical Link Control) identique à la couche Ethernet LLC 802.2 Contrôle de la liaison logique. Sert d’interface avec la couche réseau. Possibilité de relier un réseau sans fil à un réseau Ethernet.

o MAC (Medium Access Control) Contrôle l’accès au support. Ecoute le support. Procédures d’allocation du support. Adressage des paquets. Formatage des trames. Contrôle d’erreur CRC (Cyclic Redundence Check). Fragmentation et réassemblage.

IV. Méthodes d’accès dans 802.11 :

Deux méthodes d’accès au niveau de la couche MAC:

DCF : Distributed Coordination Function Prend en charge le transport de données asynchrone. Accès distribué au support.

Tous les utilisateurs voulant transmettre des données ont une chance égale d’accéder au support.

Supporte le Best Effort qui est une méthode de transfert de données sans garantie de qualité de service.

PCF : Point Coordination Function Interrogation de tous les terminaux (Polling) par l’AP. Utilisé pour la transmission de données sensibles nécessitant le

temps réel: voix, visio-conférence.

1. Mode DCF : DCF est basé sur le protocole CSMA/CA (Carrier Sense Multiple

Access/Collision Avoidance) CSMA: protocole d’accès multiple avec surveillance de porteuse CA : mécanisme d’éviter les collisions

Utilisation d’un système d’acquittement (ACK) et de retransmission en cas d’échec.

Besoin d’émettreécoute du supportvérifier si le support est libre en cherchant à détecter une porteuse.

Ethernet CSMA/CD (Collision Detection) ne peut pas être utilisé dans les environnements sans fil. Une station doit être capable d’écouter et de transmettre en même temps pour détecter les collisions.

CSMA/CA :

Le CSMA/CA est basé sur :

L’écoute du support. Intervalles inter-trames IFS : SIFS < PIFS < DIFS < EIFS L’algorithme de Backoff. L’utilisation d’acquittement s (ACK) envoyé par la station

destination à la station source.

Quand une station veut émettre, elle écoute le support S’il est occupé, la transmission est différée (période NAV) Si le support est libre durant un temps spécifique (DIFS), alors la

station est autorisée à transmettre. La station réceptrice vérifie le CRC du paquet reçu et renvoie un accusé

de réception (ACK). Pour l’émetteur: ACK reçu = aucune collision n’a eu lieu. Sinon, l’émetteur retransmet le fragment.

Intervalles inter-trames :

Intervalles IFS (Inter Frame Spacing) = périodes d'inactivité sur le support de transmission.

Permet d’instaurer un système de priorité (+ les délais est petit + l’accès est prioritaire).

SIFS (Short IFS): plus haute priorité, séparant les trames d’un même dialogue: ex. ACK, RTS/CTS, interrogations en PCF.

PIFS (PCF IFS = SIFS + 1 Timeslot): priorité moyenne, pour le PCF, service temps réel.

DIFS (DCF IFS = SIFS + 2 Timeslots):priorité faible, pour le DCF, service best effort.

EIFS (Extended IFS) : utilisé en mode DCF; si une trame est erronée, la station source doit attendre pendant un EIFS l’acquittement de cette trame.

Ecoute du support : Les terminaux d'un même BSS peuvent écouter l'activité de toutes les

stations se trouvant dans le même BSS. Lorsqu'une station envoie une trame :

Les autres stations mettent à jour un timer appelé NAV (Network Allocation Vector).

Le NAV permet de retarder toutes les transmissions prévues. NAV calculé par rapport à l'information située dans le champ

durée de vie ou TTL contenu dans les trames envoyées.

La station voulant émettre écoute le support : Si aucune activité n'est détectée pendant un DIFS, transmission

immédiate des données. Si le support est occupé, la station écoute jusqu'à ce qu'il soit libre. Quand le support est disponible, la station retarde sa transmission en

utilisant l'algorithme de backoff avant de transmettre. Si les données ont été reçues de manière intacte (vérification du CRC de

la trame), la station destination attend pendant un SIFS et émet un ACK Si l'ACK n'est pas détecté par la source ou si les données ne sont pas

reçues correctement, on suppose qu'une collision s'est produite et le trame est retransmise.

Algorithme de Backoff

Il permet de résoudre le problème de l'accès au support lorsque plusieurs stations veulent transmettre des données en même temps.

Il permet de tirer un temps d’attente aléatoire avant émission : Tirage d’un entier n appartenant à [0;CW]. Attente de n*Timeslot. Puis émission si canal libre.

Backoff est appliqué : Quand une station écoute le support avant la 1ère transmission d’un

paquet et qu’il est occupé. Après chaque retransmission. Après une transmission réussie.

Backoff est non utilisé si le support a été libre pendant une durée > DIFS.

Il y a collision lorsque : Deux stations ont la même valeur de temporisateur. Un ACK n’a pas été reçu par l’émetteur.

A chaque collision, la taille de la fenêtre de contention (CW) augmente.

A une tentative de retransmission ‘i’: A chaque tentative de retransmission, le temporisateur est calculé par :

Temporisateur généré par une station voulant émettre sur un support occupé.

Initialement, une station calcule un temporisateur Backoff, compris entre 0 et 7.

Lorsque le support est libre, la station décrémente son temporisateur jusqu'à ce que le support soit occupé ou que le temporisateur atteigne la valeur 0 : Si le temporisateur n'a pas atteint la valeur 0 et que le support est de

nouveau occupé, la station bloque le temporisateur. Dès que le temporisateur atteint 0, la station transmet sa trame.

Si 2 ou plusieurs stations atteignent la valeur 0 au même instant, une collision se produit et chaque station doit régénérer un nouveau temporisateur, compris entre 0 et 15.

Pour chaque tentative de retransmission, la fenêtre de contention augmente.

Problème de station cachée :

2 stations situées chacune à l'opposé d'un point d'accès (AP) ou d'une autre station : peuvent entendre l'activité de cet AP ne peuvent pas s'entendre l'une l'autre du fait que la distance entre

les 2 est trop grande ou qu'un obstacle les empêche de communiquer entre elles

Leurs envois simultanés à l’AP causent une collision.

Deux station d’un BSS entendent nécessairement l’AP, mais peuvent ne pas s’entendre mutuellement (ex. A et B).

Résolution grâce au mécanisme de réservation : RTS/CTS.

Virtual Carrier Sense :

Le VCS consiste à réserver le support avant émission.Avant de transmettre, si le support est libre

L’émetteur émet une trame RTS (@src, @dest, durée = paquet+ACK).

Si le support est libre, le récepteur émet un CTS. Toute station entendant le RTS ou le CTS déclenche son NAV

(Network Allocation Vector) et attend pendant toute la durée de la communication.

La probabilité de collision par une station cachée de l’émetteur est limitée à la courte durée du RTS.

Si données courtes, pas de RTS ni CTS.

Les étapes d’une transmission :

1: La station voulant émettre envoi un RTS à la station qu’elle veut joindre.

2: Les stations du BSS entendant le RTS mettent à jour leur NAV en fonction du champ durée du RTS.

3: La station destination reçoit le RTS, attend un SIFS e envoie un CTS.

4: Les stations du BSS entendant le CTS mettent à jour leur NAV en fonction du champ durée du CTS.

5: Le support est réservé, la station source peut émettre sans collision.

6: La transmission terminée, les stations voulant émettre attendent un DIFS et redémarrent leur timer Backoff.

2. Mode PCF : Le temps partagé

PCF est conçu pour les applications synchrones nécessitant le temps-réel (sensibles).

AP contrôle le support et choisit les stations qui peuvent transmettre en interrogeant successivement et à tour de rôle des stations (polling)

PC Point Coordination (fonction implémentée dans l’AP) gère l’accès au médium. Il définit 2 types de périodes : période avec contention (Contention Period CP):mode DCF période sans contention (Contention Free Period CFP): mode PCF.

N’est possible qu’avec un point d’accès (mode infrastructure). L’AP partage le temps d’émission entre toutes les stations souhaitant

émettre des données. Il interroge les stations pour savoir qui a des données à émettre

(méthode de polling). Pas de collisions, mais une perte d’efficacité due à la scrutation.

Les périodes CP et CFP alternent dans le temps. Les périodes CFP s’initient lors de l’émission de la Balise Beacon

par l’AP: La durée CFP_MaxDuration est définie par l’AP. Pendant CFP_MaxDuration, la mode PCF est activée.

Les stations DCF fixent leur NAV (pas d’émission). Pendant le reste du temps : mode DCF.

La période CFP commence par l'envoi d'une trame balise par le PC après une période PIFS.

Toutes les stations opérantes sous DCF sont informées, grâce aux balises, de la durée de la période CFP. Elles initialisent donc leur vecteur NAV avec la durée CFP pour arrêter leur activité de transmission.

Election des stations de la liste de polling durant la période CFP par l’envoi d’une trame de Poll : CF_PoLL Station voulant émettre : CF_ACK. Station élue et pas de transmission pendant PIFS passer aux autres

stations. Fin de la période CFP sans servir toutes les stations de la liste de

Pollingreprise à partir de la dernière station servie (pendant la prochaine période CFP).

L’AP envoie CF_END indiquant la fin de la période CFP.