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Réseaux sans fil - Wifi

Module M3101. Réseaux sans fil - Wifi. IUT Valence Université Pierre Mendès-France. Sommaire. Plan de cours Les différents types de réseau sans fil Normalisation IEEE 802.11 Architecture des systèmes IEEE 802.11x Déploiement du réseau wifi Optimisation du réseau

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  1. Module M3101 Réseaux sans fil - Wifi IUT Valence Université Pierre Mendès-France Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr Denis Genon-Catalot – denis.genon@iut-valence.fr

  2. Sommaire • Plan de cours • Les différents types de réseau sans fil • Normalisation IEEE 802.11 • Architecture des systèmes IEEE 802.11x • Déploiement du réseau wifi • Optimisation du réseau • Sécurité du réseau WiFi • Evolutions des réseaux sans fils • Perspectives Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  3. Bibliographie • Réseaux et communications sans fil de William Stallings 2nd Ed Person Edu Février 2005 • 802.11 Wireless networks, The definitive guide de Mathew S. Gast, O'Reilly, 2002 • Building Secure Wireless Networks with 802.11, de J.Khan de A.Khwaja - Wiley - février 2003 • CISCO Wirless certification 2006 • Transparents inspirés des cours de HUT Laboratories (Finlande) http://www.comlab.hut.fi/opetus • Architecture des réseaux sans fils JRES 2005 • Licence Pro Villetanneuse - Emmanuel VIENNET • Licence Pro Annecy - Alain Roussel • Licence Pro ASUR - Denis Genon-Catalot Jean-Paul Jamont Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  4. Introduction • Pourquoi déployer un réseau sans fil aujourd'hui ? • Au départ pensé dans un contexte professionnel. • Avec la baisse des coûts, percée importante dans le grand public • Pour faciliter la connexion des utilisateurs itinérants, en particulier dans les espaces collectifs • Pour connecter des locaux impossibles ou trop coûteux à câbler (amiante, monument historique) • Pour mettre en place une connexion provisoire (travaux) • Pour offrir de nouveaux services : • Hot spots (”service supplémentaire”, payant ou non, hôpitaux, aéroports, gares, ...) • Attention : • Le sans fil n'est pas destiné à remplacer intégralement le câblage filaire (fiabilité, débit). • Il n’est pas fait pour connecter des serveurs ! Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  5. hub stations hub stations hub stations hub router server La famille de normes IEEE 802 • Les standards 802 de l’IEEE http://standards.ieee.org/getieee802/portfolio.html DQDB: Distributed queue dual bus Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr 5

  6. WWAN 3GPP, EDGE (GSM) WMAN IEEE 802.16 Wimax WLAN IEEE 802.11 Home RF Wifi WPAN IEEE 802.15 Bluetooth Zigbee Z-Wave WUSB Les réseaux sans fils • WPAN Wireless Personal Area Network • WLAN Wireless Local Area Network • WMAN Wireless Metropolitan Area Network • WWAN Wireless Wide Area Network Distance Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  7. Bluetooth (1) • Présentation • Technologie de télécommunication multiservice • Ordinateur, périphérique, téléphone portable, assistant personnel, réfrigérateur, … • Utilisation de profils logiciels  développement rapide • Coût extrêmement bas pour être embarqué n’importe où Peut être considéré comme l’équivalent de l’USB pour le sans fil. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  8. Scatternet Piconet Bluetooth (2) • Caractéristiques • Architecture en étoile étendue • 8 équipements actifs dont 1 maître par « piconet » (200 inactifs) • « scatternet » = plusieurs « piconets » • 3 classes de puissances : 1mW, 2,5mW et 100mW 10cm, 10m et 100m • Débits jusqu’à 24 Mbit/s avec la couche PHY 802.11 (Wifi) • Liens asynchrones (données) • Liens synchrones (voix) • Bande 2,4GHz • Version actuelle 3.x Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  9. Zigbee • Carractéristiques • S’appuie sur IEEE 802.15.4 • Faible consommation • Faible débit • Robustesse • Topologies Orienté pour les réseaux de capteurs industriel Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  10. Home RF • HomeRF (Home Radio Frequency) : • Faire communiquer les différents équipements que l’on peut trouver dans une maison • Liens isochrones pour transport voix (technologie DECT [ETSI]) • Liens asynchrones pour données (technologie CSMA/CA) • Bande 2,4GHz Abandonnée depuis 2003. Les industriels fournisseurs de produits pour la maison n’ont pas été convaincus et se tournent désormais vers Zigbee. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  11. Positionnement Wi-Fi / PAN Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  12. Voir IEEE LAN/MAN Standards Committee Web site www.manta.ieee.org/groups/802/ IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC) OSI Layer 2 (data link) MAC IEEE 802.3 Carrier Sense IEEE 802.4 Token Bus IEEE 802.5 Token Ring IEEE 802.11 Wireless OSI Layer 1 (physical) PHY a b n g IEEE 802.11 et les autres réseaux locaux Anneau Bus Etoile Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  13. Les clients sans fils • Exemples de clients • Un client est un adaptateur sans fil ou carte d'accès (en anglais wirelessadapters ou network interface controller, noté NIC). • Il s'agit d'une carte réseau à la norme 802.11 permettant à une machine de se connecter à un réseau sans fil. Les adaptateurs WiFi sont disponibles dans de nombreux formats. • On appelle station tout équipement possédant une telle carte. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  14. Les points d’accès sans fils • Les points d'accès (notés AP pour Access point, parfois appelés bornes sans fils) Ils permettent de donner un accès au réseau filaire (auquel il est raccordé) aux différentes stations avoisinantes équipées de cartes wifi. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  15. Les ponts réseaux sans fil • Les ponts (bridges) Ils permettent de relier 2 réseaux ou plus ensemble Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  16. ESS BSS BSS Point d’accès A Point d’accès B IBSS Canal x Canal y Architecture IEEE 802.11 • Glossaire LLC: Logical Link Control Layer MAC: Medium Access Control Layer PHY: Physical Layer FHSS: Frequency hopping SS DSSS: Direct sequence SS SS: Spread spectrum OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing BSS: Basic Service Set ESS: Extended Service Set AP: Access Point DS: Distribution System • IEEE 802.11 définie les couches physique (PHY), liaison (LLC) et accès (MAC) pour les réseaux sans fils • Les réseaux 802.11 peuvent s’utiliser en mode • Basic Service Set (BSS) • Extended Service Set (ESS) • BSS est utilisé pour les réseaux “ad-hoc” Mode infrastructure Mode ad-hoc Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  17. Caractéristiques du support • Propriétés du support sans fil • Support partagé par tous • Pas de limite franche ni visible au delà de laquelle la réception est impossible • Le signal peut être brouillé par une source extérieure • Le support de transmission est beaucoup moins fiable qu'en réseau filaire, et non maîtrisé • Les stations ne sont pas fixes, mais portables, voire mobiles • Certaines stations peuvent être cachées les unes aux autres • Les vitesses de propagation peuvent varier dans le temps et être asymétriques • Les services proposés aux stations de la zone de couverture constitue un BSS (Basic Set Service) • La zone occupée par les stations d'un BSS est appelé cellule ou BSA (Basic Set Area) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  18. Mode ad-hoc • La topologie IBSS • Il n’y a pas de points d’accès dans ce mode. • Chaque station communique directement avec les voisines. Cette topologie est appelée IBSS (Independent Basic Set Service) • En mode ad-hoc, les stations ne font pas transiter les données pour les autres • Un réseau ad-hoc le permet, mais protocoles non définis dans Wi-Fi • AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) • OLSR (Optimized Link State Routing) IBSS Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  19. BSS Mode infrastructure (1) • La topologie BSS • Le ou les point(s) d’accès est (sont) relié(s) par un réseau filaire. • Le point d’accès couvre une zone géographique et prends en charge les stations mobiles du voisinage. Il jouent le rôle de station de base pour un BSS (basic service set). • Le BSS ne couvre qu’une seule cellule. Quand une station sort de la zone de couverture de la BSS (BSA), elle ne peux plus communiquer avec les autres • Chaque station communique uniquement avec le point d’accès, elles ne peuvent pas communiquer directement. • Chaque BSS est identifié par un BSSID, un identifiant de 6 octets (48 bits). Le BSSID correspond à l‘adresse du point d'accès. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  20. DS BSS2 ESS BSS1 Mode infrastructure (2) • La topologie ESS Un ESS est repéré par un ESSID (Service Set Identifier), c'est-à-dire un identifiant de 32 caractères de long (au format ASCII) servant de nom pour le réseau. L'ESSID, souvent abrégé en SSID, représente le nom du réseau et représente en quelque sort un premier niveau de sécurité dans la mesure où la connaissance du SSID est nécessaire pour qu'une station se connecte au réseau étendu. Le système de distribution (DS) peut être aussi bien un réseau filaire, qu'un câble entre deux points d'accès ou bien même un réseau sans fil. Il est responsable du transfert des paquets entre différents BSS d'un même ESS Une station peut se déplacer d’un BSS à l’autre si des fonctions de Roaming sont fournies par le DS Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  21. Les modes d’association (1) Le mode d'association configuré sur un module WiFi détermine ses possibilités de connexion avec les autres : • mode AP (access point) : fonction d'association parent (diffuse un SSID, fonction switch et répartition de charge, gère la sécurité) • mode client ou managed : fonction d'association enfant • mode adhoc et mode bridge : pont réseau • mode repeater : réémission des trames • mode monitor : écoute et enregistrement des trames Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  22. Les modes d’association (2) • Le mode Root: • En mode Root l’AP n’accepte l’association et les communications que des stations et des répéteurs. • Il ne peut pas communiquer avec un autre Root. • Le mode Répéteur Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  23. Root=on Root=off Les modes d’association (3) • Le mode Bridge Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  24. Positionnement du Wi-Fi / WMAN Bande ISM Bande ISM Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  25. Bande ISM • Bandes de fréquence ISM = Industriel, Scientifique, et Médical Short Wave Radio FM Broadcast Infrared wireless LAN AM Broadcast Television Audio Cellular (840MHz) NPCS (1.9GHz) Extremely Low Very Low Very High Ultra High Super High Visible Light Ultra- violet Low Medium High Infrared X-Rays λ 5 GHz IEEE 802.11a WiFi HyperLAN 2.4 - 2.4835 GHz IEEE 802.11b/g WiFi BLR IEEE 802.16 Wi-MAX (non ISM) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  26. Amendements de 802.11 Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  27. Interopérabilité • Les certifications Wi-Fi « Wi-Fi » est un label d'interopérabilité délivré par la Wi-Fi alliance : groupement de constructeurs qui publie des listes de produits certifiés (http://www.wi-fi.org/) Wi-Fi standards 802.11a, 802.11b, 802.11g, … suivant équipements. • coût : 15000 dollars ! • logo : WPA (Wi-Fi Protected Access) : Comble les failles de sécurité du Wi-Fi • WPA2 = IEEE802.11i • Définit les éléments à utiliser et non un protocole Wi-Fi Zone : certification des « Hotspots » (zone à accès Internet) • Garantie : dernières solutions de sécurité utilisées • Liste hotspots : www.wi-fizone.org Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  28. Network LLC MAC PHY ODFM FHSS DSSS IR Architecture 802.11 • LLC fourni l’adressage et la liaison de données • MAC donne • accès au médium • CSMA/CA • Gestion des priorités (802.11e) • “association” au réseau • authentification & confidentialité • Services • Pour les stations: Authentification, cryptage, délivrance des MSDU • Points d’accès : Association et distribution • 4 couches physiques (PHY) sont normalisées: • IR: Infrared transmission (obsolète) • FHSS: FrequencyHopping Spread Spectrum (obsolète) • DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum • OFDM: Orthogonal Frequency Data Multiplexing 802.11 MSDU = MAC service data unit Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  29. 802.11 FHSS • Supporte des débits de 1 ou 2 Mbps. • Modulation GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) • 79 canaux de 2.402 à 2.480 GHz • 78 séquences de sauts de 6 MHz (chaque séquence utilise une fois chacune des 79 fréquences) • Taux de saut minimum 2.5 saut/seconde • Tolerance aux interférences(et propagations multiples) • Faible débit, faible portée (à cause de la limitation de puissance à 10mW) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  30. 802.11b • Emetteur DSSS • Débits variables: 1 Mbit/s, 2 Mbit/s, 5.5 Mbit/s, 11 Mbit/s • Modulation HR/DSSS (High Rate / Direct Sequence ) Etalement de spectre (Barker code) • Trame MAC: taille max 4095 octets • 13 canaux se recouvrant, de 22 MHz chacun, de 2.401 à 2.483 GHz • Limites de puissance: 1000mW aux USA, 100mW en Europe, 200mW au Japon. • Insensible aux interférences en bande étroite, matériel bon marché. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  31. Comparaison DSSS vs FHSS • DSSS • 802.11b - 11 chips/ symbol • 62.5 K symbols/s • 4 Bits/ symbol • Peak Information Rate ~128 Kbit/second • FHSS • FHSS • 1 M Symbol / second • Peak Information Rate • ~720 Kbit / second Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  32. 802.11a ou 802.11g • Bande 5 GHz 802.11a • Bande 2.4GHz 802.11g • Débits variables: • 6 Mbps, 9 Mbps, jusqu'à 54 Mbps • Modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) avec 52 sous-porteuses, symboles de 4 µs (garde de 0.8 µs) • Basé sur IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) Emetteur Récepteur Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  33. Sous-porteuses contenant les données Sous-porteuse pilotes 52 subcarriers Fréquence 16.25 MHz Modulation OFDM • Principe 48 sous porteuses de données + 4 sous-porteuse référence pilotes. Durée d’un symbole = 4 ms • Sous-porteuses de données = 48 • Bits / sous-porteuse = 6 (64-QAM) • Bits / symbole OFDM = 6 x 48 = 288 • Codage canal : l’encodage réduit d’un facteur 3/4 x 288 = 216 bits/symbole • => Débit effectif = 216 bits / 4 µs = 54 Mbit/s Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  34. Débit (Mbps) Coding Rate Coded bits per sub-carrier Code bits per OFDM symbol Data bits per OFDM symbol Modulation 6 BPSK 1 / 2 1 48 24 9 BPSK 3 / 4 1 48 36 12 QPSK 1 / 2 2 96 48 18 QPSK 3 / 4 2 96 72 24 16QAM 1 / 2 4 192 96 36 16QAM 3 / 4 4 192 144 48 64QAM 2 / 3 6 288 192 54 64QAM 3 / 4 6 288 216 Im Re 802.11a debits et modulation • BPSK = Binary Phase Shift Keying (PSK) • QPSK = Quadrature PSK • QAM = Quadrature Amplitude Modulation 16-QAM Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  35. Tableau récapitulatif (1) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  36. Les normes 802.11n et 802.11y Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  37. Distances théoriques et débits A grande distance, 802.11g rejoint 802.11b et 802.11a s’écroule Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  38. 26 MHz 83.5 MHz 200 MHz 255 MHz 902 928 2400 2484 5150 5350 5470 5725 f (MHz) Les bandes de fréquence • Bandes sans licences : • ISM (2,4GHz) = Industrial, Scientific and Medical • En France : • U-NII (5GHz) = Unlicensed-National Information Infrastructure • En Europe : ISM U-NII U-NII Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  39. Pas de canaux sans recouvrement 14 canaux de 802.11 se recouvrent, seuls 3 sont disjoints (1, 6 et 11). En France seuls 13 canaux sont utilisables Dans la bande de fréquence permettant 100 mW de puissance d'émission (en intérieur) : Fréquences (MHz) 2400 2410 2420 2430 2440 2450 2460 2470 2480 2490 5 10 4 9 14 3 8 13 2 7 12 1 6 11 Intérieur : 100 mW max Extérieur : 100 mW max 100 mW max 10 mW max Bande ISM 2.4GHz Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  40. Fréquences (GHz) 22MHz 1 2 3 4 5 6 7 8 5,15 5,18 5,2 5,22 5,24 5,26 5,28 5,3 5,32 5,35 Bande 5GHz • 802.11a • Tous les canaux sont disjoints • 8 canaux • Avantages 54 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Bleu = 11 Mbit/s 54 Mbps 54 Mbps Vert = 11 Mbit/s 54 Mbps Rouge = 11 Mbit/s 54 Mbps 54 Mbps Total Bandwidth = 432 Mbit/s !!! Total Bandwidth = 33 Mbit/s Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  41. Capacité • 802.11b a un débit utile maximum de 6,5 Mbit/s car: • protocole MAC CSMA/CA • gestion PHY et MAC (surdébit) • Le débit par station chute avec le nombre de clients • Le nombre d’utilisateur et leurs besoins en bande passante vont définir la norme a, b ou g à utiliser et éventuellement le nombre de point d’accès couvrant la même zone. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  42. Planification des fréquences • Interférences avec d’autres WLAN ou cellules voisines • ( IEEE 802.11 utile la bande ISM, qui n'est pas régulée !) • Gestion des Points d’accès • Borne lourde • embarquant tous les services • contrôles d’accès, routage,.. • Borne légère • Simple pont vers Ethernet sans fils • configurable depuis un contrôleur • qui manage l’ensemble du réseau ? Example de disposition: Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  43. débit Combien ? Couverture Ou ? Réseaux cablé Réseaux sans fil Déploiement du réseau Wi-Fi Lors d’un déploiement il faut répondre à un ensemble de questions : • Nombre d’utilisateurs /Débit • Couverture, nombre de zone • Choix et placement des antennes en fonction de l’environnement (matériaux de constructions et d’obstructions • Topologie • Redondance • Sécurité, roaming … Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  44. Puissance en dB -3 dB Fréquence Bande passante Éléments de transmission • Bande passante : Intervalle dans lequel les fréquences ne sont affaiblies que d’un rapport maximal • Affaiblissement : A(dB) = - G(dB) = - 10log10(Ps/Pe) = Ps(dB) - Pe(dB) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  45. émission réception temps Éléments de transmission (2) • Canal de transmission = filtre d’où déformation et étalement du signal. Plus la bande passante est étroite, plus le signal est déformé et étalé. A partir d’une certaine vitesse, la fin d’une impulsion va se confondre avec le début de la suivante: • Temps élémentaire = Durée pendant laquelle le signal transmis ne varie pas. Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  46. Éléments de transmission (3) • Rapidité de modulation Nombre de temps élémentaires du signal par unité de temps. Ce nombre de transitions du signal par unité de temps, va être limité par la bande passante du canal. • Critère de Nyquist Rapidité de modulation maximale supportée par un canal de transmission de bande passante W. • Grandeur homogène à une fréquence, exprimée en Bauds • Exemple pour le RTC: Les fréquences vont de 300 à 3400Hz d ’où: • Rmax = 2 . (3400 - 300) = 6200 Bauds Rmax = 2 . W Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  47. Éléments de transmission (4) • Augmentation du débit Si on veut augmenter le débit, on peut transmettre plusieurs bits par temps élémentaires. • Valence d ’un signal Nombre d ’états possibles que peut prendre le signal. Si v est la valence du signal, log2v est le nombre de bits que l ’on peut coder avec ce signal dans un temps élémentaire. D’où le débit exprimé en bits/seconde (b/s): D = R . log2v Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  48. Tension 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 2a a -a temps -2a Éléments de transmission (5) • Exemple Si un signal possède 4 niveaux électriques différents, il peut transporter 2 bits par temps élémentaires. • (00 > +a, 01 > +2a, 10 > -a, 11 > -2a) 2s Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  49. Éléments de transmission (6) • Le rapport signal/bruit On pourrait imaginer d ’augmenter le nombre de niveaux à volonté pour obtenir de fantastiques débits, mais… cela diminue l’immunité au bruit. • Bruit et distorsion: perturbations (interne ou externe) modifiant le signal (s’ajoute ou se retranche au signal) • Foudre, champ électromagnétique, … • Agitation thermique des électrons, ... • Distorsion d ’amplitude ou de phase, ... • Rapport signal/bruit (S/N) : il est souvent exprimé en dB : Rs/n(dB) = 10 log10(Ps/Pn) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

  50. Éléments de transmission (7) • le rapport signal/bruit (suite) • Valence maximale d ’un canal bruité (Shannon): • Capacité maximale de transmission d ’un canal: avec (PS/PN est exprimé en valeur et non en dB) Vmax = (1+S/N) C = Rmax log2vmax C = W log2 (1+Ps/Pn) Nicolas Fourty – fourty@iut-valence.fr

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