Réseau WiFi (Wireless Fidelity) PDF

LE RESEAU INFORMATIQUE SANS FIL WI-FI (Wirless Fidelity) Master-RSI 2008-2022  PRESENTATION La norme IEEE 802.11 ratifiée en 1997 est un standard international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN). Le Wi-Fi parfois noté à tort WiFi, c...

LE RESEAU INFORMATIQUE SANS FIL WI-FI (Wirless Fidelity) Master-RSI 2008-2022  PRESENTATION La norme IEEE 802.11 ratifiée en 1997 est un standard international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN). Le Wi-Fi parfois noté à tort WiFi, correspond initialement au nom donné à la certification délivrée par la Wi-Fi Alliance, anciennement WECA, l'organisme chargé de maintenir l'interopérabilité entre les matériels répondant à la norme 802.11.  Type de Réseaux Sans Fil Les technologies sans fil, de même que pour les liaisons filaires, se regroupent en catégories suivant la portée de ces liaisons.  Avantages du WiFi Norme internationale maintenue par l'IEEE et indépendante d'un constructeur en particulier Fonctionnement similaire à Ethernet Évite le développement de nouvelles couches réseau spécifiques Rayon d'action important Débit acceptable Mise en œuvre facile Pas de travaux, pas de nouveau câblage La norme 802.11 s'attache à définir les couches basses du modèle OSI Couche Physique Sans fil  Principes radioélectriques Basé sur une technologie militaire Objectif : limiter la détection des stations en émission L'émission s'effectue sous le niveau de bruit (porteuse) et nécessite la connaissance de l'algorithme de modulation pour être détecté Utilisation d'un spectre étalée Plage de fréquences relativement large pour les émetteurs Moins sensible aux interférences qu'en spectre étroit Les types de modulations utilisés DSSS (DirectSequence Spread Spectrum) FHSS (FrequencyHoppingSpread Spectrum)  Type de liaison utilisée La liaison radio est half duplex  Les interférences Chaque fréquence pour un canal est la fréquence médiane d'un canal de 22 Mhz Donc seuls 3 canaux sont utilisables simultanément, par des réseaux proches, afin d'avoir les performances optimales Si deux réseaux utilisent des canaux avec des fréquences qui se superposent : L'un va détecter que les signaux de l'autre sont des interférences, et réciproquement  LES NORMES La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale offrant des débits de 1 ou 2 Mbps. Des révisions ont été apportées à la norme originale afin d'optimiser le débit et d'assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité : les normes 802.11a, 802.11b et 802.11g  Bandes de fréquences dans 802.11x - Pour Wi-Fi (802.11b) et 802.11g Bande sans licence ISM (Instrumentation, Scientific, Medical) dans les 2,4 GHz Largeur de bande : 83 MHz - Pour Wi-Fi5 (802.11a) – Bande sans licence UN-II dans les 5,2 GHz – Largeur de bande : 300 MHz  Modulation Séquence directe DSSS Bande ISM Bande divisée en 14 canaux de 20 MHz La transmission ne se fait que sur un seul canal Co-localisation de 3 réseaux au sein d’un même espace  Modulation FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Dans la norme 802.11, la bande de fréquence 2.4 - 2.4835 GHz permet de créer 79 canaux de 1 MHz. La transmission se fait ainsi en émettant successivement sur un canal puis sur un autre pendant 400 ms, ce qui permet de transmettre un signal plus facilement reconnaissable sur une fréquence donnée. Une station ne connaissant pas la combinaison de fréquence à utiliser ne pouvait pas écouter la communication car il lui était impossible dans le temps imparti de localiser la fréquence sur laquelle le signal était émis puis de chercher la nouvelle fréquence Les différentes extensions IEEE 802.11.  LES MODES DE CONNEXION Le standard 802.11 définit deux modes : mode infrastructure mode ad-hoc  Mode Infrastructure le réseau sans fil consiste au minimum en: – Un point d’accès connecté à l’infrastructure du réseau filaire (appelée système de distribution) – Un ensemble de postes réseaux sans fil Cette configuration est baptisée: Basic Service Set (BSS, ou ensemble de services de base). Un Extended Service Set (ESS, ou ensemble de services étendu) est : un ensemble d’au moins deux BSS formant un seul sous-réseau.  Rôle de DS Le système de distribution (DS) est responsable du transfert des paquets entre différents BSS d'un même ESS – DS implémenté de manière indépendante de la structure hertzienne de la partie sans fil – Le DS peut correspondre à un réseau Ethernet, Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) ou un autre IEEE 802.11  Rôle de ESS L'ESS peut aussi fournir aux différentes stations mobiles une passerelle d'accès vers un réseau fixe, tel qu'Internet Passerelle : connexion du réseau 802.11 à un autre réseau  Mode Ad-hoc Egalement baptisé point à point, ou ensemble de services de base indépendants soit : IBSS Indépendant Basic Service Set, Représente simplement un ensemble de stations sans fil 802.11 qui communiquent directement entre elles sans point d’accès ni connexion à un réseau filaire. Cette infrastructure a comme avantage de se passer de point d'accès et surtout d'être flexible et dynamique. Types de Réseaux sans fil Systèmes d'interconnexion (Bluetooth) Réseaux locaux (LANs) sans fil Réseaux à large échele (WANs) sans fil  Bluetooth Systèmes d'interconnexion – Moniteurs, claviers, souris, imprimantes, scanners... Composants reliés par des ondes-courtes radio – Pas des câbles, pas d'installation des pilotes Modèle maître-esclave: Exemple – Maître : CPU – Esclaves: souris, clavier... Bluetooth et LAN sans fil  LANs sans fil IEEE 802.11 Connecter des machines – Bâtiment ou bureau Chaque ordinateur possède – Un modem radio – Une antenne Réseau 802.11 avec base et ad-hoc La portée d'une seule radio peut ne pas couvrir tout le système Réseau Multi-cellules 802.11  WANs sans fil Communication par satellite Chaque routeur a une antenne – Écoute l'émission par le satellite – Écoute l'émission d'autres routeurs Les réseaux des satellites – Intéressant pour la diffusion  Objectifs de IEEE 802.11 Travailler avec et en absence d'une station de base Trouver une fréquence de bande convenable Assurer la privecité de l'usager Considérer le temps limité d'une batérie Avoir assez de BP ==> viable économiquement Ethernet très utilisé: s'inspire Politique d'accès (csma/cd) Entrer dans la portée d'une autre station de base – Solution : cellules multiples  Objectifs de IEEE 802.11 Travailler avec et en absence d'une station de base Trouver une fréquence de bande convenable Assurer la privecité de l'usager Considérer le temps limité d'une batérie Avoir assez de BP ==> viable économiquement Ethernet très utilisé: s'inspire Politique d'accès (csma/cd) Entrer dans la portée d'une autre station de base – Solution : cellules multiples  IEEE 802 Standards en Méthodes d’accés 802.2 LOGICAL LINK CONTROL 802.1 MANAGEMENT DATA LINK 802.1 BRIDGING LAYER 802.3 802.4 802.5 802.11 802.12 MEDIUM MEDIUM MEDIUM MEDIUM MEDIUM ACCESS ACCESS ACCESS... ACCESS ACCESS (Ethernet) (token bus) (token ring) (WLAN) (Gigabit LAN) PHYSICAL PHYSICAL PHYSICAL PHYSICAL PHYSICAL PHYSICAL LAYER Antenne 5G  Multiple Input Multiple Outpout MIMO Le terme MIMO (Multiple Input, Multiple Output) désigne une technologie d'antenne destinée aux communications sans fil, qui consiste à utiliser plusieurs antennes tant au niveau de la source (émetteur) qu'à celui de la destination (récepteur) 4G vs 5G 4G vs 5G  4G vs 5G 4 G: Longue Distance mais petit débit à moyen 5 G: Petite distance mais haut débit Onde millimétrique: distance entre deux PIC fréquence  types de trames IEEE 802.11x. Trames de gestion – balise (beacon) – Probe Request / Response – authentification – association Trames de contrôle contribuent au bon acheminement des trames de données exemple : ACK, RTS/CTS Trames de données  récapitule les types et sous-type de trame encapsulés dans le ch n du type Sous-type Description du s gestion) 0000 Association request (requête d'asso gestion) 0001 Association response (réponse d'ass gestion) 0010 Reassociation request (requête ré-a gestion) 0011 Reassociation response (réponse de gestion) 0100 Probe request (requête d'enquête) gestion) 0101 Probe response (réponse d'enquête gestion) 0110-0111 Reserved (réservé) gestion) 1000 Beacon (balise) gestion) 1001 Annoucement traffic indication mes gestion) 1010 Disassociation (désassociation) gestion) 1011 Authentication (authentification) gestion) 1100 Deauthentication (désauthentificatio gestion) 1101-1111 Reserved (réservé) ôle) 0000-1001 Reserved (réservé) ôle) 1010 Power Save (PS)-Poll (économie d'é ôle) 1011 Request To Send (RTS) ôle) 1100 Clear To Send (CTS) ôle) 1101 ACK ôle) 1110 Contention Free (CF)-end ôle) 1111 CF-end + CF-ACK ) 0000 Data (données) ) 0001 Data (données) + CF-Ack ) 0010 Data (données) + CF-Poll ) 0011 Data (données) + CF-Ack+CF-Poll ) 0100 Null function (no Data (données)) ) 0101 CF-Ack ) 0110 CF-Poll Comment une station découvre le réseau Authentification Association Authentification Association- réassociation  La Trame 802.11x Adresses sur 48 bits, même format qu'une adresse Ethernet Une trame 802.11 contient 4 champs adresse, dont la signification varie en fonction du type de trame type de trame gestion contrôle données Le champ de contrôle de trame  Le champ de contrôle de trame(1) ToDS (pour le système de distribution) : Le bit = 1 lorsque la trame est adressée au Point d’Accès pour qu’il l’a fasse suivre au DS (Distribution System). Ceci inclut aussi le cas où le destinataire est dans la même cellule et que le Point d’Accès doit relayer la trame. Le bit = 0 dans toutes les autres trames. FromDS (venant du système de distribution) : Le bit =1 quand la trame vient du DS.  Le champ de contrôle de trame(2) More Fragments (d’autres fragments) : Le bit = 1 quand il y a d’autres fragments qui suivent le fragment en cours. Retry (retransmission) : Le bit = 1 indique que le fragment est une retransmission d’un fragment précédemment transmis. Ceci sera utilisé par la station réceptrice pour reconnaître des transmissions doublées de trames, ce qui peut arriver Si un paquet d’accusé de réception se perd.  Le champ de contrôle de trame(3) Power Management (gestion d’énergie) : Le bit indique que la station sera en mode de gestion d’énergie après la transmission de cette trame. Ceci est utilisé par les stations changeant d’état, passant du mode d’économie d’énergie au mode active ou le contraire. More Data (d’autres données) : Le bit est utilisé pour la gestion de l’énergie. Il est utilisé par le Point d’Accès pour indiquer que d’autres trames sont stockées pour cette station.  Le champ de contrôle de trame(4) La station peut alors décider d’utiliser cette information pour demander les autres trames ou pour passer en mode actif. WEP (sécurité) : ce bit indique que le corps de la trame est chiffré suivant l’algorithme WEP.  Le champ de contrôle de trame(5) Order (ordre) : Le bit indique que cette trame est envoyée en utilisant la classe de service strictement ordonné (Strictly-Ordered service class). Cette classe est définit pour les utilisateurs qui ne peuvent pas accepter de changement d’ordre entre les trames.  Le champ de contrôle de trame(6) Durée / ID (en-tête MAC) Ce champ à deux sens, dépendant du type de trame : – pour les trames de polling en mode d’économie d’énergie, c’est l’ID de la station – dans les autres trames, c’est la valeur de durée utilisée pour le calcul du NAV. Temps d’écoute virtuelle  L’adressage Les 4 champs adresse indiquent : L’adresse de destination : adresse du destinataire final L’adresse source : adresse de la station qui a initialement émis la trame L’adresse du récepteur : adresse du destinataire immédiat L’adresse de l’émetteur : adresse de la station qui émet la trame L’adressage En cas de Mobilité (handover)  Espaces entre deux trames SIFS (Short IFS) SISF=28ms, - Est le plus court de tous. - Il est utilisé pour la transmission des trames ACK, CTS, DIFS (DCF IFS) DISF=128ms - Est le plus couramment utilisé (avec SIFS). - Il est utilisé comme temps minimal d’attente avant transmission. EIFS (Extended IFS) - Est utilisé lorsqu’il y a détection de collision. - Ce temps relativement long par rapport aux autres IFS pour éviter des collisions en série.  Les Trames RTS/CTS Ce sont les Trames: Request To Send Clear To Send  Rôle RTS/CTS Virtual Carrier Sense: Envoi de trames RTS/CTS entre une station source et une station destination avant tout envoi de données Réservation de canal pour éviter la collision  Les trames RTS -RA Est l’adresse du récepteur de la prochaine trame de données ou de gestion. -TA Est l’adresse de la station qui transmet la trame RTS. -Durée Est le temps, en microsecondes, nécessaire à la transmission de la trame de gestion ou de données suivante, plus une trame CTS, plus une trame ACK, plus 3intervalles SIFS(Short Inter Frame space).  La trame CTS - RA Est l’adresse de la station récepteur de la trame CTS, directement copiée du champ TA de la trame RTS. -Durée DUREE-RTS – ( le temps de transmission, en microsecondes, de la trame CTS + intervalle SIFS) Le ACK garantit la non collision  Mécanisme de réservation 1. Station qui veut émettre envoie un RTS 2. Toutes les stations du BSS entendent le RTS, lisent le champ de durée du RTS et mettent à jour leur NAV 3. Station destination répond après un SIFS, en envoyant un CTS 4. Les autres stations lisent le champ de durée du CTS et mettent de nouveau à jour leur NAV 5. Après réception du CTS par la source, celle-ci est assurée que le support est stable et réservé pour la transmission de ses données  Déterminer l’état du canal Pour savoir si le canal est libre, la couche physique mesure la puissance du signal reçue par l'antenne appelée : RSSI (Received Signal Strength Indicator). La couche physique détermine donc si le canal est libre en: 1- comparant la valeur du RSSI à un seuil (valeur) et 2- transmet par la suite à la couche MAC un indicateur de canal libre. 3- Dans le cas contraire, la transmission est différée.  La trame ACK -RA Est Adresse 2 copié du champ de la trame précédent cette trame ACK  Principe de l'accusé de réception ACK La station réceptrice va vérifier le CRC du paquet reçu et renvoie un accusé de réception (ACK). La réception de l’ACK indiquera à l’émetteur qu’aucune collision n’a eu lieu. Si l’émetteur ne reçoit pas l’accusé de réception alors L’ émetteur retransmet le fragment jusqu'à ce qu'il reçoit ACK ou abandonne au bout d’un certain nombre de retransmissions. Echange de messages courts RTS et CTS Network Allocation vector : NAV Une station voulant émettre transmet un petit paquet de contrôle appelé RTS contenant la durée la station destination répond (si le canal est libre) avec un paquet de contrôle de réponse appelé CTS contenant la durée. Toutes les stations écoutant soit la trame RTS, CTS, déclencheront leur indicateur de l'écoute virtuelle (Virtual Carrier Sense) appelé NAV (Network Allocation vector ) pour une certaine durée, et utiliseront cette information avec la procédure d'écoute de support. Elles passent en mode économie d’énergie pour la dite durée.  Trame 802.11 Format général:  Préambule Il est dépendant de la couche physique et comprend : Synch : c’est une séquence de 80 bits alternant 0 et 1, qui est utilisée par le circuit physique pour sélectionner l’antenne appropriée (si plusieurs sont utilisées). SFD (Start Frame Delimiter ): consiste en la suite de 16 bits 0000 1100 1011 1101, utilisée pour définir le début de la trame.  PCLP: physical layer convergenge protocol contient des informations logiques utilisées par la couche physique pour décoder la trame : Longueur de mot du PLCP_PDU : il représente le nombre d’octets que contient le paquet, ce qui est utile à la couche physique pour détecter correctement la fin du paquet. Fanion de signalisation PLCP : le débit Champ d’en-tête du contrôle d’erreur : CRC 16 Les trames longues  backoff exponentiel Le backoff exponentiel signifie qu’à chaque fois qu’une station transmet et provoque une collision, la durée d'attente aléatoire est augmentée exponentiellement doublée à la tentative de transmission suivante  backoff exponentiel Backoff basé sur un compteur : décrémenté régulièrement initialisé à une valeur aléatoire prenant des valeurs de plus en plus grandes au fur et à mesure des retransmissions.  Quand Exécuter le backoff exponentiel Le standard 802.11définit l’algorithme de backoff exponentiel est exécuté dans les cas suivant : 1.Quand la station écoute le support avant la première transmission d’un paquet et que le support est occupé 2.Après chaque retransmission 3.Après une transmission réussie.  Objectifs du backoff exponentiel Résoudre le problème d’accés quand plusieurs station veulent transmettre des données en même temps Collision? 1.Deux stations ont la même valeur de T: Temporisateur 2.Un ACK n’est pas reçu par l’émetteur  Le time slot 1. Le time slot correspond au temps que devrait mettre une station pour détecter une autre station 2. Il dépend de la technique de transmission utilisée. Calcul de la durée d'attente aléatoire (DAA) DAA= CW* random(0,CW)*SlotTime Slot Time = durée minimale pour déterminer l'état du canal + temps aller-retour + temps de propagation random(0,CW) est une variable aléatoire uniforme comprise entre 0 et CW-1 CW est la taille de la fenêtre de contention, CW = [CWmin ,CWmax] Lors de la première tentative de transmission, CW = CWmin et en cas de collision CW est doublée jusqu'à ce qu'elle atteigne CWmax.  Fonctionnement de backoff exponentiel Une station écoute le support avant toute tentative de transmission Si le support est libre après un DIFS alors elle transmet Sinon elle calcule un temporisateur T Chaque fois que le medium est libre : T est décrémenté de 1 Si T =0 alors elle peut transmettre  Initialement, une station calcule la valeur d'un temporisateur = timer backoff, compris entre 0 et 7 Lorsque le support est libre, les stations décrémentent leur 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  CSMA/CA par 802.11 Emetteur Si canal libre pendant DIFS alors transmission de la trame entière ( pas de détection de collision) Si le canal occupé alors Backoff Recepteur Si la réception est correcte alors transmission d’un ACK après SFIS 84  Méthodes d’accés Distributed Coordination Function (DCF) méthode d’accès avec collision Point Coordination Function (PCF) méthode d’accès sans collision DCF (Distributed Coordination Function) sur réseau ad hoc et d'infrastructure CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance Principe : la station écoute le média pour vérifier qu'il est libre avant d'émettre Mais elle ne peut pas détecter les collisions 1. parce qu'elle n'entend pas nécessairement toutes les stations 1. parce que la liaison radio est half duplex Avoidance ( Eviter les collisions) la station réceptrice émet un ACK qui indique que la trame a été correctement reçue et qu'il n'y a pas eu de collision  PCF : Point Coordination Function 1. Contrôle par le point d'accès 2. Interrogation à tour de rôle des terminaux (polling List) 3. Polling List est la liste des station mobiles associées au point d’accés 4. Il fonctionne avec la Trame: CF Poll frame du point d’accès au nœud mobile 5. Si le nœud mobile ne répond pas, il doit envoyer: une trame de données nulle (null frame) PCF est Conçue pour la transmission de données sensibles avec Gestion du délai Applications de type temps réel : voix, vidéo PCF:Point Coordination Function  PCF:Point Coordination Function CFP signifie Contention Free Period Le CFP Période entre deux trames suivi d’un DIFS une méthode d’accès encore peu disponible dans les équipements Elle est alterné avec la DCF