Le 802.11 ou Wi-Fi

1. Le 802.11 ou Wi-Fi http://www.labo-wireless.com

2. Architecture d’un réseau 802.11 • Technologie Cellulaire http://www.labo-wireless.com

3. Deux modes de fonctionnement • Infrastructure • Ensemble de terminaux reliés à un Access Point (AP). • Connectivité au réseau d’entreprise : Système de Distribution (DS) • La communication entre deux terminaux passe obligatoirement par l’AP. • L’AP fournit des services supplémentaires au mode ad hoc. • Permet une zone de couverture étendue. • Utilisé généralement dans des réseaux ayant plus de deux terminaux. • Ad hoc • Ensemble de terminaux reliés directement en point à point. • Portée limitée • Plus de mobilité car aucun matériel supplémentaire n’est nécessaire. • Une stabilité relative. http://www.labo-wireless.com

4. Les couches de L’IEEE 802.11 • Couverture des couches Physique et Liaison de données • Différentes couches physique pour une même couche MAC • Possibilité d’implémentation de nouvelles couches physiques sans altérer le standard http://www.labo-wireless.com

5. La couche physique est composée de deux sous-couches : • PMD (Physical Medium Dependant) • Encodage des données, émission. • Adaptation du matériel au média : change le débit si la porteuse est faible. • PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) • Écoute le support. • Fournit un CCA (Clear Channel Assessment) à la couche MAC. http://www.labo-wireless.com

6. Différents types de couche physique pour le 802.11 • FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) • Utilise la bande des 2,4Ghz ISM (Industrial, Scientific and Medical), bande libre dans quelques pays : USA, Europe (en partie), Japon (en partie). • Technologie d’envoi de données par saut de fréquences • Le signal est modulé sur une porteuse de bande étroite. La porteuse saute de fréquence en fréquence dans une séquence aléatoire mais prévisible. Cette technologie permet de réduire considérablement 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 • La données à envoyer est émise 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, limitée, et la nécessité de placer les terminaux voulant communiquer en face l’un de l’autre. http://www.labo-wireless.com

7. Les débits du 802.11 des différents types de couches physique. • 802.11b : 1 Mbit/s sur l’ISM (2,4 GHz) • 802.11b HR : 5,5 et 11 Mbits/s sur l’ISM (2,4 GHz) • 802.11a : 54 Mbits/s sur la bande des 5 GHz • 802.11 g : 54 Mbits/s sur l’ISM (2,4 GHz) http://www.labo-wireless.com

8. La couche Liaison de données • Deux sous-couches : LLC et MAC • LLC (Logical Link Control) • Cette couche est identique à la couche LLC 802.2. • Possibilité de relier un réseau sans fil à un réseau Ethernet. • MAC (Medium Access Control) • Couche chargée d’écouter la porteuse, d’émettre si celle-ci est libre, et d’attendre si elle est occupée. • Fonctionnalités supplémentaires : • Procédures d’allocation du support • Adressage des paquets • Formatage des trames • Contrôle d’erreur CRC (Cyclic Redundence Check) • Fragmentation et réassemblage http://www.labo-wireless.com

9. Deux méthodes d’accès au niveau de la couche MAC : • DCF : Distributed Coordination Function • Supporte le Best Effort • Prend en charge le transport de données asynchrone • Tous les utilisateurs voulant transmettre des données ont une chance égale d’accéder au support • Supporté par toutes les stations • PCF : Point Coordination Function • Interrogation de tous les terminaux (Polling) par l’AP • Utilisé pour la transmission de données sensibles nécessitant une gestion du délai : temps réel, voix, real vidéo • Le Best Effort • Méthode de transfert de données sans garantie de qualité de service : bande passante, perte, délai… http://www.labo-wireless.com

10. Le protocole CSMA/CA • CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance • Protocole permettant d’éviter la collision de paquets dans un réseau 802.11 • Utilise des trames d’acquittement (ACK) envoyées par la station destination pour confirmer à la station source la réception d’une trame de données. http://www.labo-wireless.com

11. Les IFS (Inter Frame Space) • Périodes d’inactivité nécessaire entre chaque émission/réception de trame permettant de gérer les ordres d’émissions/réception • Les SIFS : • Short IFS d’une durée de 28 µs. Intervalle de temps d’inactivité laissé entre chaque trame d’un même dialogue • Les PIFS : • PCF IFS d’une durée d’un SIFS + 78 µs. Permet à un AP d’avoir accès en priorité au média. • Les DIFS : • DCF IFS d’une durée d’un PIFS + 128 µs. Temps attendu par une station voulant émettre une fois qu’elle a entendu une trame qu’elle n’a pas envoyée et qui ne lui est pas destinée. http://www.labo-wireless.com

12. Le NAV 1/2 • Network Allocation Vector • Timer retardant les émissions des stations voulant émettre s’il y a déjà un dialogue entre l’AP et une autre station. • Calculé en fonction du TTL (Time To Live) des trames entendues. • Les stations ne peuvent émettre qu’à la fin de leur NAV auquel on ajoute un PIFS et un timer aléatoire (algorithme de backoff) dans le but d’empêcher un envoi simultané de toutes les stations voulant émettre. http://www.labo-wireless.com

13. Le NAV 2/2 http://www.labo-wireless.com

14. L’algorithme de Backoff • Résout le problème de transmissions simultanées de différentes stations. • Le temps vu par le 802.11 : • Le temps est découpé en timeslot de valeur légèrement inférieure à celle nécessaire pour le transfert de la plus petite trame possible. Cette valeur est propre à chaque type de couche physique. • Utilisé pour déterminer les IFS et les temporisateurs des stations voulant émettre. http://www.labo-wireless.com

15. Le timer Backoff • Temporisateur généré par une station voulant émettre sur un support occupé. • Prend une valeur comprise entre 0 et 7, correspondant à un certain nombre de timeslots • Le timer est décrémenté une fois le support libre. La station dont le timer atteint 0 se met alors à émettre. Les autres mettent leur timer en pause jusqu’à libération du support. • Si le timer atteint 0 sur deux stations en même temps, il y a collision et un timer est de nouveau régénéré. Il est compris cette fois entre 0 et 15. • Formule de régénération de timer Backoff : • (2i+1) * Ran(0,1) * timeslot. i représentant le nombre de tentatives consécutives d’envoi (avec une valeur minimum de 3). http://www.labo-wireless.com

16. L’écoute du support • S’effectue au niveau de la couche physique et de la couche MAC • Couche physique : PCS (Physical Carrier Sense) • Analyse toutes les trames passant par les ondes hertziennes dans la bande de fréquence propre à la couche physique • Détecte l’activité du support grâce à la puissance relative du signal des autres stations. • Couche MAC : VCS (Virtual Carrier Sense) • Mécanisme de réservation du support utilisé généralement pour la transmission de grandes trames pour lesquelles une retransmission en cas de collision serait trop gourmande en bande passante. • Envoi de trames RTS/CTS : Request To Send / Clear To Send avant tout envoi de donnée. • Ce mécanisme est utilisé par les stations en fonction d’une variable RTS_Threshold que l’on peut fixer ou configurer les stations de manière à ne jamais utiliser ce mécanisme. http://www.labo-wireless.com

17. Les étapes d’une transmission (1/2): 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 et 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 http://www.labo-wireless.com

18. Les étapes d’une transmission (2/2): http://www.labo-wireless.com

19. Problème de la station cachée • Deux station d’un BSS entendent nécessairement l’AP, mais peuvent ne pas s’entendre mutuellement. • Résolution grâce au mécanisme de réservation : RTS/CTS http://www.labo-wireless.com

20. L’IEEE 802.11 et le saut de fréquence • L’IEEE 802.11 utilise un système à saut de fréquence (Frequency Hopping) qui change de fréquence toutes les 20 ms. • Fragmentation et réassemblage • Découpage de grosses trames en fragments • Diminue la probabilité de corruption des trames du fait de leur petite taille • Diminue le nombre et la durée des retransmissions en cas de collision ou de trame corrompue • Améliore la qualité du réseau • Utilisés si la trame à transmettre est de taille supérieure à une variable Fragmentation_Threshold • Le support n’est libéré que lorsque la totalité de la trame est reçu correctement. (Utilisation d’ACK) • Si le mécanisme de réservation du support est utilisé (RTS/CTS) il n’est utilisé que pour le premier fragment. http://www.labo-wireless.com

21. Fragmentation et Réassemblage http://www.labo-wireless.com

22. Les handovers ou le roaming • Ensemble de mécanismes permettant à une station de changer d’AP sans perdre de connectivité au réseau : • La synchronisation • L’écoute passive • L’écoute active • L’association • La réassociation http://www.labo-wireless.com

23. La synchronisation • L’AP envoie régulièrement des trames balisées : Beacon Frames, contenant la valeur de l’horloge de l’AP • Les stations, reçoivent ces trames et synchronisent leur horloge sur celle de l’AP • Permet aux stations qui sont en mode d’économie d’énergie ou en déplacement dans l’ESS, passant d’un AP à un autre, de rester connecté au réseau en permanence. http://www.labo-wireless.com

24. Le choix de l’AP • Lors d’un démarrage, d’un retour de mode veille ou d’un déplacement dans un BSS, une station doit choisir l’AP le plus approprié selon certains critères : • La puissance du signal • Le taux d’erreurs des paquets • La charge du réseau • Si la puissance du signal de l’AP devient trop faible, la station se met à chercher la présence éventuelle d’un autre AP. http://www.labo-wireless.com

25. La sélection de l’AP nécessite une écoute du support par la station : • L’écoute passive : • La station attend de recevoir une trame de balise (beacon frame) de l’AP • L’écoute active : • Une fois l’AP le plus approprié sélectionné, la station envoie une requête d’association par la trame Probe Request Frame. • Remarque : • Avant toute association, la station doit s’authentifier auprès de l’AP. http://www.labo-wireless.com

26. Les causes de la réassociation : • Déplacement d’une station entraînant une diminution de la puissance du signal de l’AP auquel elle est connectée. • Changement des caractéristiques de l’environnement radio • Charge réseau trop élevée au niveau de l’AP sur lequel la station est connectée. • Load Balancing : • Permet d’éviter les réassociations intempestives dans le réseau en équilibrant la charge du réseau en fonction des AP disponibles. http://www.labo-wireless.com