Wireless LANs. Caractéristiques IEEE Configuration d un AP Famille de protocoles. Anne Fladenmuller

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1 Wireless LANs Caractéristiques IEEE Configuration d un AP Famille de protocoles

2 Conditions au développement des WLAN 9 Mobilité régulation des fréquences entre pays nécessaire : bandes de fréquences communes Limitation de l utilisation des batteries Limitation des interférences avec d autres équipements (antennes) Installation aussi transparente que possible Compatibilité avec les LAN existants Transparence pour les utilisateurs et applications (location aware applications )

3 Caractéristiques des wireless LANs 10 Avantages des réseaux sans fil Très flexible pour la zone de réception Réseaux ad hoc sans planification possible Limitation des problèmes de câblage (monument historique,..) Robustesse en cas de catastrophe naturelle Inconvénients Typiquement très peu de bande passante (comparé aux réseaux filaires (1-54 Mbit/s) Plusieurs solutions propriétaires, la normalisation prend du temps = consensus (e.g. IEEE ) Les produits doivent se conformer aux restrictions nationales : difficile d avoir une solution globale

4 Transmission infrarouge vs. radio Infrarouge : utilisation de diode IR, lumière diffuse, multiples réflexions (murs, bureau, ). Meilleure utilisation avec du Line of Sight (dirigé). Radio : utilisation principalement en utilisant la bande de fréquences ISM à 2.4 GHz 11 Simple, pas cher, disponible dans de nombreux équipements Pas besoin de licence interférence à la lumière, aux sources de chaleur, etc. beaucoup d éléments absorbent la lumière IR faible bande passante Exemple : IrDA (Infrared Data Association) interface disponible partout. Version 1.0 débits jusqu à 115kbit/s et version 1.1 de 1 à 4Mbits/s expérience des réseaux filaires et de la téléphonie mobile Couverture de plus larges zones (la radio peut pénétrer les murs, etc.) Limitation de la bande de fréquence interférence avec d autres équipements Exemples : WaveLAN, HIPERLAN, Bluetooth

5 Wireless LANs 2. IEEE Introduction Architecture Couche physique Couche liaison de données

6 Introduction IEEE L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a normalisé plusieurs catégories de réseaux locaux Ethernet (IEEE 802.3) Token Bus (IEEE 802.4) Token Ring (IEEE 802.5) 13

7 Introduction IEEE : lancement du projet de création d'un réseau local sans fil ou WLAN (Wireless Local Area Network) But : offrir une connectivité sans fil à des stations fixes ou mobiles qui demandent un déploiement rapide au sein d'une zone locale en utilisant différentes bandes de fréquences 2001 : le premier standard international pour les réseaux locaux sans fil, l'ieee , est publié 14

8 Introduction IEEE Fréquences choisies dans la gamme des 2,4 GHz (comme pour Bluetooth) Pas de licence d'exploitation Bande pas complètement libre dans de nombreux pays Communications Directes : de terminal à terminal (impossible pour un terminal de relayer les trames) En passant par une station de base Débits variables selon la technique de codage utilisée et la bande spectrale du réseau 15

9 Introduction IEEE Technique d'accès au support physique (protocole MAC ou Medium Access Control) Assez complexe, mais s'adapte à tous les supports physiques des Ethernet hertziens Nombreuses options disponibles sur l'interface radio Technique d'accès provenant du CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, utilisée pour l'accès au support physique dans les réseaux Ethernet Détection de collision impossible en environnement hertzien: algorithme CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

10 La norme IEEE Standard d origine (juin 1997) Le groupe de travail concentre maintenant ses efforts pour produire des standards pour des WLAN à grande vitesse x - Amendements b - Vitesse de 11 Mbits/s (bande ISM) a - Vitesse de 54 Mbits/s (bande UN-II) g - Vitesse de 54 Mbits/s (bande ISM) h sélection dynamique des fréquences et contrôle de puissance (bande UN-II) e - Qualité de service f - Roaming i - Amélioration de la sécurité n MIMO v - but : créer une interface de couche supérieure permettant de gérer les équipements sans fil ac - 1 Gbit/s

11 Wireless LANs 2. IEEE Introduction Architecture Couche physique Couche liaison de données

12 Mode infrastructure vs. ad-hoc Mode infrastructure AP AP Réseau filaire AP: Point d accès AP Mode ad-hoc 19

13 Architecture STA 1 ESS LAN BSS 1 Access Point BSS 2 Portail Distribution System Access Point 802.x LAN STA LAN STA 3 Architecture d un réseau d infrastructure Station (STA) terminal ayant des mécanismes d accès au support sans fil et un accès radio au point d accès Basic Service Set (BSS) Groupe de stations utilisant la même fréquence radio Access Point Portail station intégré au WLAN et au système de distribition Pont vers un autre réseau filaire Système de distribution Réseau d interconnexion pour former un réseau logique (EES: Extended Service Set) basé sur plusieurs BSS

14 Architecture Mode peer-to-peer (ou mode ad-hoc) Groupe de terminaux formant un IBSS (Independent Basic Set Service) Rôle : permettre aux stations de communiquer sans l'aide d'une quelconque infrastructure telle qu'un point d'accès ou qu une connexion au système de distribution Chaque station peut établir une communication avec n'importe quelle autre station dans l'ibss Pas de point d'accès : les stations n'intègrent qu'un certain nombre de fonctionnalités Mode très utile pour mettre en place facilement un réseau sans fil lorsqu'une infrastructure sans fil ou fixe fait défaut 21

15 Architecture LAN Architecture en mode Ad hoc STA 1 IBSS 1 STA 3 Communication directe dans un domaine limité STA 2 Station (STA) IBSS 2 STA 5 terminal ayant des mécanismes d accès au support sans fil et un accès radio au point d accès Independant Basic Service Set (IBSS) 22 STA LAN Groupe de stations utilisant la même fréquence radio

16 Architecture Réseau Ad hoc vs. Mode ad hoc Station B Station A Station C 23

17 Equipements : Cartes

18 Equipements : Point d accès 25

19 Equipements : Antenne 26

20 Architecture en couches terminal mobile Terminal fixe serveur Réseau d infrastructure Point d accès application TCP IP LLC LLC application TCP IP LLC MAC MAC MAC MAC PHY PHY PHY PHY

21 Architecture en couches Couche physique PLCP Physical Layer Convergence Protocol clear channel assessment signal (détection de porteuse) PMD Physical Medium Dependent modulation, codage Gestion PHY Sélection du canal, MIB Couche liaison de données MAC : Mécanismes d accès Gestion MAC : déplacement, synchronisation, MIB, contrôle de puissance Gestion de la station coordination de toutes les fonctions de gestion 28 PHY DLC LLC MAC PLCP PMD gestion MAC Gestion PHY Gestion de la station

22 Architecture en couches OSI Layer 2 Data Link Layer Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) OSI Layer 1 Physical Layer (PHY) FHSS DSSS IR Wi-Fi b Wi-Fi a 29

23 Architecture en couches CSMA / CA RTS / CTS b a b a FHSS DSSS HRDSSS OFDM FHSS DSSS HRDSSS OFDM 1Mbps 2Mbps 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps 6Mbps 12Mbps 24Mbps 54Mbps 1Mbps 2Mbps 1Mbps 2Mbps 5,5Mbps 11Mbps 6Mbps 12Mbps 24Mbps 54Mbps 30

24 Wireless LANs 2. IEEE Introduction Architecture Couche physique Couche liaison de données

25 Bandes de fréquences dans x Pour , Wi-Fi (802.11b) et g 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 aux US 32

26 Réglementation de la bande ISM Pays Bandes de fréquences Etats-Unis FCC 2,400 2,485 GHz Europe ETSI 2,400 2,4835 GHz Japon MKK France ART 2,471 2,497 GHz 2,400 2,4835 GHz 33

27 La réglementation française Bande ISM A l intérieur ,4835 GHz 100 mw aucune A l extérieur ,454 GHz 100 mw aucune 2,454-2,4835 GHz 10 mw aucune Bande UN-II 5,150-5,250 GHz 200 mw aucune A l intérieur 5,250-5,350 GHz 200 mw (avec DCS et TPC) 100 mw (avec DCS seulement) aucune aucune 34 A l extérieur DCS (Dynamic Channel Selection) 5,150-5,250 GHz interdite 5,250-5,350 GHz interdite 5,725-5,825 GHz en cours d examen Mécanismes définis par h pour éviter les conflits entre

28 Réglementation de la bande ISM 1) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 2484 USA (1-11) Europe (1-13) 35 Japon (1-14) Chaque canal a une bande passante de 22MHz, espacés de 5MHz

29 Réglementation de la bande ISM 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 Canal 1 Canal 7 Canal ,4 GHz 83 MHz 2,4835 GHz

30 Affectation des canaux

31 couche physique 38 Opérations de la couche physique : Carrier sense : pour déterminer l état du support La PMD vérifie si le support est libre ou occupé par l une des 3 méthodes suivante et en informe la PLCP: Mesure de l énergie sur le support (supérieure à un seuil) Détection d un signal DSSS Détection d un signal DSSS dont le niveau est supérieur à un seuil La PLCP fournie les opérations de détection : Détection de signaux entrants : La PLCP écoute continuellement sur le support. Quand celui-ci devient occupé la PLCP lit le préambule PLCP et l entête de trame pour synchroniser le récepteur sur le débit des données entrantes. Transmission de l information sur l état du support (libre ou occupé) à la couche MAC. Transmission : pour envoyer les octets des trames de données Réception : pour recevoir les octets de trames de données.

32 couche physique 39 Historique 3 versions: 2 radio (typ. 2.4 GHz), 1 IR Débits de 1 à 2 Mbit/s FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Étalement du spectre, puissance du signal, typ. 1 Mbit/s min. 2.5 sauts de fréquences /s (USA), modulation GFSK 2 niveaux DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) modulation DBPSK pour 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK pour 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK) préambule et entête de trame toujours transmis à 1 Mbit/s, le reste à 1 ou 2 Mbit/s séquence de chips : (code de Barker ) Puissance max. 1 W (USA), 100 mw (EU), min. 1mW Infrarouge nm, lumière diffuse, typ. Couverture 10 m Détection de porteuse, synchonisation

33 couche physique FHSS Format des paquets PHY variable bits synchronisation SFD longueur signal HEC données PLCP préambule PLCP entête DSSS PHY packet format variable bits synchronisation Synchronisation SFD avec signal service longueur HEC données 40 PLCP préambule long PLCP entête SFD (Start Frame Delimiter) Longueur de la trame Signal : débit des données (1 or 2 Mbit/s) Service : utilisation future 00: compliant HEC (Header Error Check) : CRC x 16 +x 12 +x 5 +1

34 802.11b couche physique Bande ISM Basé sur le DSSS étalement de spectre à séquence directe Débits compris entre 1 et 11 Mbits/s 42 Mécanisme de variation de débit selon la qualité de l environnement radio

35 802.11b couche physique Spécifications du débit HR Débit Longueur du code Modulation Débit (symboles) Nbre de bits/ symbole 1 Mbps 2 Mbps 11 bits (Barker Sequence) 11 bits (Barker Sequence) PSK 1 1 MSps 1 QPSK 1 MSps 2 5,5 Mbps 8 bits (CCK) QPSK 1,375 MSps 4 11 Mbps 8 bits (CCK) QPSK 1,375 MSps 8 43 PSK QPSK

36 802.11b couche physique Préambule PLCB Entête PLCB Préambule long (Scrambled 1s) SYNC 128-bits SDF 16-bits signal 8-bits DBPSK : 1 Mbit/s Service 8-bits PPDU longueur 16-bits CRC 16-bits MPDU DBPSK : 1 Mbit/s DQPSK : 2 Mbit/s 5,5 à 11 Mbit/s Préambule PLCB Entête PLCB Préambule court (Scrambled 0s) SYNC 56-bits SDF 16-bits DBPSK : 1 Mbit/s signal 8-bits Service 8-bits longueur 16-bits DQPSK à 2 Mbit/s CRC 16-bits MPDU DQPSK : 2 Mbit/s 5,5 à 11 Mbit/s 44 PPDU

37 IEEE a couche physique 45 Contient la définition du support physique ainsi que des couches qui se trouvent au-dessus Partie physique Aux Etats unis : Fréquence de 5 GHz dans la bande UNII Unlicensed National Information Infrastructure : pas de licence d'utilisation Domaines d applications Puissance 8 canaux dans les fréquences basses - 4 pour les plus hautes. Intérieur Extérieur 50 mw 250 mw 1 W Low Middle High Bande U-NII Fréquences 5,15 GHz 5,20 GHz En Europe : Bande de 5,15 à 5,35 GHz : 8 canaux possibles Bande de 5,47 à 5,735 GHz : 11 canaux possibles En pratique pas autorisé en Europe, sans une demande de licence d utilisation auprès de l ART car : La bande de fréquence est utilisée pour l armée, les radars météorologiques et aéronautiques Il utilise une méthode de sélection dynamique des fréquences qui n est pas autorisée en France/Europe. 5,25 GHz 5,30 GHz 5,35 GHz 5,725 GHz 5,775 GHz 5,825 GHz

38 IEEE a couche physique Modulation OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 52 porteuses Excellentes performances en cas de chemins multiples 8 vitesses de 6 à 54 Mbit/s Devrait permettre à de très nombreuses stations de travail et portables de se connecter automatiquement dans les entreprises Couches supérieures : correspondent à celles des réseaux Ethernet 46

39 OFDM 8 canaux de 20 MHz Co-localisation de 8 réseaux au sein du même espace 5,18 GHz 5,2 GHz 5,22 GHz 5,24 GHz 5,26 GHz 5,28 GHz 5,3 GHz 5,32 GHz 5,15 GHz 200 MHz 5,35 GHz Un canal dans OFDM 48 sous canaux de données 4 sous canaux utilisés pour la correction d erreur KHz 20 MHz

40 OFDM 48

41 OFDM (2/2) Avantages Transmission en parallèle sur des sous-canaux de faible largeur de bande et à un faible débit > obtention d un seul et unique canal à haut débit Pas recouvrement des 8 canaux disjoints > 8 réseaux a (au lieu des 3 réseaux b) 49 Inconvénients OFDM réclame plus de puissance que les techniques d étalement Débit élevé > probabilité de perte élevée

42 802.11g 50 Similitudes et différences avec b Simulitudes opère dans la bande des 2.4GHz le signal transmis occupe environ 20MHz Différences : Modulation OFDM en plus des modulations du b il doit y avoir 20MHz d espacement entre les différents canaux (versus 5MHz pour b) pour pouvoir fonctionner sans trop d interférences Problème : Limitation du nombre de canaux g Solution : diminuer la puissance de chaque AP, ce qui permet d avoir des AP plus proches les uns des autres.

43 802.11g Débits et modulations 51

44 IEEE e Amélioration de a en introduisant De la qualité de service Des fonctionnalités de sécurité et d'authentification But : faire transiter la parole téléphonique et les données multimédias sur ces réseaux partagés Définition de classes de service Les terminaux choisissent la bonne priorité en fonction de la nature de l'application transportée 52

45 802.11a vs b La bande ISM devient de plus en plus saturée (802.11b, g, Bluetooth, etc.) Co-localisation plus importante dans a Débits plus importants pour a mais zone de couverture plus petite En France, les produits a sont disponibles mais chers 53

46 Wireless LANs 2. IEEE Introduction Architecture Couche physique Couche liaison de données Couche MAC & protocoles Format des trames Gestion MAC

47 Couche liaison de données de Composée de 2 sous-couches LLC : Logical Link Control Utilise les mêmes propriétés que la couche LLC délivre de manière fiable les données entre les couches MAC et réseau assure la compatibilité avec d autres standards du comité 802 Possible de relier un WLAN à tout autre réseau local appartenant à un standard de l'ieee MAC : Medium Access Control Spécifique à l'ieee Assez similaire à la couche MAC du réseau Ethernet terrestre 55

48 Sous-couche LLC Standard Lien logique entre la couche MAC et la couche réseau par l intermédiaire du LSAP (Logical Service Access Point) Responsable de l'adressage et du contrôle du lien de données Indépendante de la topologie et du support de transmission indépendante de la sous-couche MAC Elle fournit le choix entre plusieurs services (LLC1, LLC2, LLC3) un format simple et une interface avec la couche réseau 56

49 Sous-couche Mac Principe : Les terminaux écoutent la porteuse avant d'émettre Si la porteuse est libre, le terminal émet, sinon il se met en attente Particularité du standard : définition de 2 services Le service asynchrone utilise deux méthodes : La méthode de base repose sur CSMA/CA cette même méthode peut être augmentée de mécanismes permettant la détection du terminal caché Le service fournissant un délai borné est optionnel et utilise une méthode de sondage sans contention 2 premières méthodes connues sous DCF Distributed Coordination Function (services asynchrones) et la 3ième est appelée Point Coordination Function (PCF) (services asynchrones et à délai borné requiert un AP). Les mécanismes MAC sont également appelés Distributed Foundation Wireless MAC (DFWMAC)

50 Sous-couche Mac DFWMAC DCF : Distributed Coordination Function obligatoire Assez similaire au réseau traditionnel supportant le Best Effort Possibilité broadcast et multicast Conçue pour prendre en charge le transport de données asynchrones Tous les utilisateurs qui veulent transmettre ont une chance égale d'accéder au support DFWMAC PCF : Point Coordination Function facultative Interrogation à tour de rôle des terminaux (polling) Contrôle par le point d'accès Conçue pour la transmission de données sensibles Gestion du délai Applications de type temps réel : voix, vidéo

51 Sous-couche Mac Utilisations : Mode ad-hoc uniquement DCF Mode infrastructure à la fois DCF et PCF Distributed Coordination Function (DCF) méthode d accès avec contention Point Coordination Function (PCF) méthode d accès sans contention CFP CP CFP CP Balise PCF DCF Balise PCF DCF 59

52 DFWMAC DCF Repose sur le protocole CSMA/CA Principe : utilisation d acquittements positifs temporisateurs IFS écoute du support algorithme de Backoff 60

53 DFWMAC DCF Évite les pertes de données en utilisant des trames d'acquittement ACK envoyé par la station destination pour confirmer que les données sont reçues de manière intacte Accès au support contrôlé par l'utilisation d'espace inter-trame ou IFS (Inter-Frame Spacing) Intervalle de temps entre la transmission de 2 trames Intervalles IFS = périodes d'inactivité sur le support de transmission Il existe différents types d'ifs 61

54 DFWMAC DCF DIFS PIFS Temporisateurs Permettent d instaurer un système de priorités Pas de garanties fortes SIFS (Short Inter Frame Spacing) La plus haute priorité, ACK, CTS, Response polling DIFS (DCF, Distributed Coordination Function IFS) La plus basse priorité, services de données asynchrones PIFS (PCF IFS) Priorité moyenne pour service à délai borné PCF EIFS Mode DCF SIFS EIFS DIFS PIFS Transmissions de données ACK Backoff 62 Accès différé pour les autres stations

55 DFWMAC DCF Écoute du support Les terminaux d'un même BSS peuvent écouter l'activité de toutes les stations se trouvant dans le même BSS 63 Afin de limiter les risques de collisions, lorsqu'une station envoie une trame les autres stations mettent à jour un temporisateur appelée NAV (Network Allocation Vector) Le NAV permet de retarder toutes les transmissions prévues NAV est calculé par rapport à l'information située dans le champ durée de vie ou TTL contenu dans les trames envoyées

56 DFWMAC DCF 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 retrait (backoff) avant de transmettre 64 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 la trame est retransmise

57 DFWMAC DCF Exemple de transmission DIFS Station source Données SIFS Station destination ACK Autres stations DIFS Backoff NAV Délai aléatoire 65

58 DFWMAC DCF 66 Algorithme de retrait: But : Réduire les risques de contention Principe: Lorsqu une station entend une transmission et qu elle veut transmettre, : 1. elle attend que le support soit libre pendant DIFS 2. Elle calcule aléatoirement la valeur de son temporisateur (si elle n en a pas déjà un) 3. elle décrémente son temporisateur jusqu à ce que : - celui-ci soit nul puis elle transmet sa trame - ou qu une station transmette, alors elle arrête son décompte et stocke la valeur de son temporisateur et repasse à l étape 1

59 DFWMAC DCF Calcul du temporisateur Initialement, une station calcule la valeur d'un temporisateur = timer backoff, compris entre 0 et 7 timeslots 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 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 taille de la fenêtre de contention double. 67

60 DFWMAC DCF Algorithme du retrait (Backoff) Les stations ont la même probabilité d'accéder au support car chaque station doit, après chaque retransmission, réutiliser le même algorithme Inconvénient : pas de garantie de délai minimal Complique la prise en charge d'applications temps réel telles que la voix ou la vidéo 68

61 DFWMAC DCF Algorithme de Backoff DIFS DIFS DIFS DIFS Station A Transmission CW Station B Transmission Station C Transmission Station D Transmission Station E Transmission 69 Légende : Timeslot expiré Timeslot restant La station accède au support et l écoute CW Temps d attente du à l occupation du support par une autre station Taille de la fenêtre de contention

62 DFWMAC DCF Exemple de transmission DIFS Station source Données SIFS Station destination ACK Autres stations DIFS Backoff Support utilisé Délai aléatoire 70

63 DFWMAC DCF Que se passe-t-il en cas de mauvaise réception? EIFS est défini comme tel dans le standard «L EIFS doit être utilisé par le mode DCF à chaque fois que la couche PHY indique à la couche MAC qu une transmission a commencé et qu elle ne résulte pas en une réception correcte de la trame MAC avec une valeur FCS correcte» 71

64 DFWMAC DCF Exemple de transmission mal reçue par une autre station Station destination SIFS ACK Station source DIFS Données DIFS Autre station EIFS Délai aléatoire Backoff 72

65 DFWMAC DCF avec réservation 73 Ecoute du support Couche physique avec PCS (Physical Carrier Sense) détecte la présence d'autres stations en analysant toutes les trames passant sur le support hertzien en détectant l'activité sur le support grâce à la puissance relative du signal des autres stations Couche MAC avec VCS (Virtual Carrier Sense) Mécanisme de réservation envoi de trames RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) entre une station source et une station destination avant tout envoi de données Station qui veut émettre envoie un RTS Toutes les stations du BSS entendent le RTS, lisent le champ de durée du RTS et mettent à jour leur NAV Station destination répond après un SIFS, en envoyant un CTS Les autres stations lisent le champ de durée du CTS et mettent de nouveau à jour leur NAV Après réception du CTS par la source, celle-ci est assurée que le support est stable et réservé pour la transmission de données

66 DFWMAC DCF avec réservation Transmission avec mécanisme de réservation DIFS SIFS Station source RTS SIFS Données SIFS Station destination CTS ACK DIFS Autres stations NAV NAV mis à jour Backoff 74 Support réservé

67 DFWMAC DCF avec réservation 75 RTS/CTS Transmission des données et réception de l'ack sans collision Trames RTS / CTS réservent le support pour la transmission d'une station Mécanisme habituellement utilisé pour envoyer de grosses trames pour lesquelles une retransmission serait trop coûteuse en terme de bande passante Les stations peuvent choisir D'utiliser le mécanisme RTS / CTS De ne l'utiliser que lorsque la trame à envoyer excède une variable RTS_Threshold De ne jamais l'utiliser

68 DFWMAC DCF avec réservation Problème de la 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 Le mécanisme de RTS / CTS permet de résoudre ce problème 76

69 DFWMAC DCF avec réservation Permet de partager l'accès 77 Mécanisme d'acquittement supporte les problèmes liés aux interférences et à tous les problèmes de l'environnement radio Mécanisme de réservation RTS / CTS évite les problèmes de la station cachée Inconvénient : ajout d'en-têtes aux trames Performances + faibles que les réseaux locaux Ethernet

70 DFWMAC DCF avec réservation Fragmentation - réassemblage La fragmentation accroît la fiabilité de la transmission en permettant à des trames de taille importante d'être divisées en petits fragments Réduit le besoin de retransmettre des données dans de nombreux cas Augmente les performances globales du réseau Fragmentation utilisée dans les liaisons radio, dans lesquelles le taux d'erreur est important + la taille de la trame est grande et + elle a de chances d'être corrompue Lorsqu'une trame est corrompue, + sa taille est petite, + la durée nécessaire à sa retransmission est faible 78

71 DFWMAC DCF avec réservation 79 Fragmentation - réassemblage Pour savoir si une trame doit être fragmentée, on compare sa taille à une valeur seuil Quand une trame est fragmentée, tous les fragments sont transmis de manière séquentielle Le support n'est libéré qu'une fois tous les fragments transmis avec succès Si un ACK n'est pas correctement reçu, la station arrête de transmettre et essaie d'accéder de nouveau au support et commence à transmettre à partir du dernier fragment non acquitté Si les stations utilisent le mécanisme RTS / CTS, seul le premier fragment envoyé utilise les trames RTS / CTS Le temporisateur associé au RTS/CTS correspond au premier fragment et est mis à jour dans chaque fragment meilleures performances en cas de mobilité des nœuds ou quand le lien disparait

72 DFWMAC DCF avec réservation Schéma avec fragmentation émetteur récepteur DIFS RTS SIFS CTS SIFS frag 1 SIFS ACK SIFS 1 frag 2 SIFS ACK2 autres stations 80 NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (frag 1 ) NAV (ACK 1 ) DIFS contention Néanmoins cette approche ne permet pas de garantir de délais. data t

73 Méthodes d accès dans DFWMAC DCF (Distributed Coordination Function) méthode d accès avec collision DFWMAC PCF (Point Coordination Function) méthode d accès sans collision CFP CP CFP CP Balise PCF DCF Balise PCF DCF 81

74 DFWMAC PCF avec polling PCF permet le transfert de données isochrones Méthode d accès basée sur le «polling» Inconvénients : Méthode jamais implémentée au niveau des points d accès 82

75 DFWMAC-PCF avec polling t 0 t 1 Super trame AP Canal occupé PIFS D 1 SIFS SIFS D 2 SIFS SIFS wireless stations U 1 U 2 stations NAV NAV 83

76 DFWMAC-PCF avec polling t 2 t 3 t 4 PIFS SIFS CFend AP D 3 D 4 SIFS wireless stations U 4 stations NAV NAV Période sans contention Période de contention t 84

77 DFWMAC-PCF avec «polling» Durée de la période sans collision Le début de la période CF n est pas exactement périodique car elle démarre quand on détecte que le médium est libre certains membres de la liste de polling ne sont pas interrogés Toutes les stations connaissent le CFP max (durée max de la période sans contention). Le point d accès peut terminer la période CFP à n importe quel moment en envoyant un paquet CFend ce qui arrive souvent si les stations n ont rien à émettre 85

78 DFWMAC-PCF avec «polling» Le «polling» Les stations sont ajoutées dans la listes des stations à interroger lorsqu elles sont actives dans la BSS. Elles sont toujours interrogées dans le même ordre en fonction de leur Identifiant. Des données peuvent être ajoutées aux messages de «Poll» (de l AP vers la STA), les ACKs seront joints alors dans les données de la STA vers l AP Les stations reçoivent des données seulement lorsqu elles sont «interrogées» par l AP 86

79 DFWMAC-PCF avec «polling» 87 Inconvénients du mode PCF certains membres de la liste de polling peuvent ne pas être interrogés La fréquence des CFP n est pas variable dynamiquement, or différentes applications ont des contraintes temporelles différentes NB cela peut être résolu en introduisant des priorités et des polling multiples Toutes les stations de la liste doivent être interrogées même si elles n ont rien à transmettre diminution des performances La durée de transmission est bornée pour chaque station Pas «scalable» car seul l AP contrôle l accès au support, s il y a trop de stations très inefficace (d autant que tout le trafic doit passer par l AP)

80 Format des trames MAC octets Frame Control format de trame MAC Types : Trame de contrôle, de gestion, de données Numéro de séquence : important contre les trames dupliquées (ACK perdus..) Adresses: Adresse physique émetteur/récepteur, identificateur de la BSS, émetteur logique Divers : Temporisateur (NAV), checksum, contrôle de trames, données Duration Address Address Address Sequence ID Control Address Données CRC 4 2 bits DS (Distribution system), version, type, fragmentation, sécurité,... 88

81 Format des trames MAC Vers protocole type Sous-type To DS From DS More Frag Retry Pwr Mngt More data wep Order 89 Version : 2 bits permettant de connaître la version Type/sous-type : 6 bits qui définissent le type de trames : 00 Gestion : échange d info de gestion tel que requête/réponse de (ré)association, Balise, ATIM, Authentification. 01 Contrôle : pour le contrôle d accès au support (RTS, CTS, ACK,PS 10 données : transfert des données avec ou sans ACK To (From) DS : mis à 1 quand une trame est adressée à (provient de) l AP More Fragment : mis à 1 quand 1 trame est suivie d un autre fragment Retry : Mis à 1 si la trame a déjà été transmise (le récepteur peut savoir si un ACK s est perdu) More Data (gestion d'énergie) : ce bit permet à l AP de spécifier à une station que des trames supplémentaires sont stockées en attente. WEP : ce bit indique que l'algorithme de chiffrement WEP a été utilisé pour chiffrer le corps de la trame. Order (ordre) : indique que la trame a été envoyée en utilisant la classe de service strictement ordonnée (Strictly-Ordered service class)

82 type sous-type 90 Format des trames MAC Gestion Description du sous type Requête d'association Réponse d'association Requête de ré-association Réponse de ré-association Demande de sonde Réponse de sonde Réservés Balise (BEACON) ATIM Désassociation Authentification Désauthentification Réservés Données Réservés PS-Poll RTS CTS ACK CF End CF End et CF-ACK Données Données et CF-ACK Données et CF-Poll Réservés Données, CF-ACK et CF-Poll Fonction nulle (sans données) CF-ACK (sans données) CF-Poll (dans données) CF-ACK et CF-Poll (sans données) Réservés Contrôle

83 Format des trames MAC Les trames peuvent être envoyées : Entre stations mobiles Entre une station mobile et un AP Entre deux AP au travers d un système de distribution 91 scenario vers DS De DS Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4 Mode ad -hoc 0 0 DA SA BSSID - Mode infrastructure 0 1 DA BSSID SA - de l AP Mode infrastructure vers l AP 1 0 BSSID SA DA - Mode infrastructure au travers d un DS 1 1 RA TA DA SA DS: Distribution System AP: Access Point DA: Destination Address SA: Source Address BSSID: Basic Service Set Identifier RA: Receiver Address TA: Transmitter Address

84 Trames de gestion 92 Les trames de gestion permettent à des stations d'établir et de maintenir des communications. Les principales trames de gestion sont les suivantes : Trame de Beacon Un point d'accès envoie périodiquement des trames BEACON FRAME pour annoncer sa présence et relayer des informations, telles que l'estampille (compteur), le SSID et d'autres paramètres. Les mobiles écoutent continuellement tous les canaux et donc entendent les trames BEACON qui sont à la base du choix du canal. Trame de requête de sonde : Une station envoie une trame de demande de sonde quand elle a besoin d obtenir des informations d'une autre station. Par exemple : un mobile envoie une demande de sonde pour déterminer quels sont les points d'accès à sa portée. Trame de réponse de sonde Une station répond avec une trame de réponse de sonde, contenant des informations de capacités, débits supportés, etc., après avoir reçu une trame de demande de sonde.

85 Trames de gestion Trame d authentification : processus par lequel le point d'accès accepte ou rejette l'identité d'un mobile. système ouvert (par défaut) : le mobile envoie une trame d'authentification L AP répond avec une trame d'authentification indiquant l'acceptation. clé partagée (facultatif) : envoi de 4 trames d authentification : le mobile envoie une première trame, L AP répond en joignant son texte de défi Le mobile renvoie une version chiffrée du texte de défi Le point d'accès informe le mobile du résultat de l'authentification. Trame de désauthentification Une station envoie une trame de désauthentification à une autre station si elle souhaite terminer ses communications. 93

86 Trames de gestion 94 Trames d association permet à l AP d'allouer des ressources pour un mobile et de les synchroniser avec lui. Un mobile envoie une demande d'association à un AP, qui contient les informations du mobile (par exemple, débits supportés) et le SSID du réseau avec qui il souhaite s associer. L AP considère s'associer au mobile et (si admis) réserve l'espace mémoire et établit une identification d'association pour le mobile et répond en notifiant le mobile d informations telles que l'identification d'association et les débits supportés. Trames de réassociation (requête et réponse) Servent lorsqu un mobile trouve un autre AP ayant un signal plus fort, le mobile enverra une trame de réassociation au nouveau point d'accès. Trame de désassociation Sert à une station à informer une autre station qu elle souhaite terminer l'association. Le point d'accès peut alors abandonner les allocations de mémoire et enlever le mobile de la table d'association.

87 Trames de gestion Ecoute Station Probe Request Probe Response Point d accès Authentification Mécanisme d authenfication Association Association Request Association Response 95

88 Format des trames MAC Trames b RTS (160 bits) Frame Duration Control ID Rcv Address Transm. Address CRC CTS (112 bits) Frame Duration Control ID Rcv Address CRC ACK (112 bits) Frame Duration Control ID Rcv Address CRC 96

89 Echange de trames 97 Support de débits différents La couche physique offre des débits différents Le critère de choix du débit n est pas défini dans la norme, mais certaines règles sont fixées notamment: Le débit des trames de contrôle est un de ceux supporté par toutes les stations de la BSS, ou un des débits «mandatory» de la couche PHY Toute trame en broadcast ou multicast est envoyée à un des débits supportés par toutes les stations de la BSS Les trames de données ou de gestion (mode DCF) sont envoyées au débit supporté par le récepteur (MacCurrentRate : entre dans le calcul de la durée de la trame)

90 Gestion MAC 98 La gestion MAC joue un rôle central pour une station IEEE Contrôle toutes les fonctions relatives à l intégration du système : intégration d une station mobile dans un BSS, formation d un ESS, synchronisation des stations, Les fonctionnalités à mettre en oeuvre : Synchronisation : trouver LAN, synchro des horloges, Gestion des batteries : mode veille, repos périodique, stockage de trames, mesure du trafic Association/Reassociation : intégration d un LAN, handover, recherche d AP MIB - Management Information Base : gestion

91 Gestion MAC - synchronisation Chaque nœud maintient une horloge interne de synchronisation, nécessaire pour : le gestion des batteries le mode PCF (début de la super trame) les synchro des sauts de fréquences si FHSS). Pour synchroniser ces horloges : IEEE spécifie une fonction de synchronisation du temps (TSF). Synchronisation des stations grâce à des transmissions périodiques (si canal libre, sinon différées) de trames de balise (beacon) contenant : une estampille, le BSSID,. 99 Ceci permet au nœud de réajuster leur horloge interne

92 Gestion MAC - synchronisation Mode infrastructure : fait par l AP. Le «target beacon transmission time» est respecté autant que possible. beacon interval access point medium B busy B B B busy busy busy t 100 value of the timestamp B beacon frame

93 Gestion MAC - synchronisation Mode ad hoc : (plus compliqué) chaque station maintient sa propre horloge de synchronisation. Au final seule une balise gagne. Sur réception d une balise les stations suppriment leur propre balise et se mettent à jour. Si collision la balise est perdue beacon interval station 1 B 1 B 1 station 2 B 2 B medium busy busy busy busy t value of the timestamp B beacon frame random delay

94 Gestion MAC - Gestion des batteries 102 Dans les environnements mobiles les batteries sont une ressource rare. Portable toujours prêt à recevoir des données coûte cher en termes de batteries. Idée : Mettre en veille de manière transparente l émetteur/récepteur quand possible. 2 modes de travail pour le terminal Continuous Aware Mode Fonctionnement par défaut La station est tout le temps allumée et écoute constamment le support Power Save Polling Mode

95 Gestion MAC - Gestion des batteries Principe : Les stations sont forcément éveillées pour les phases de synchronisation Utilisation de la Timing Synchronization Function (TSF) et des balises pour envoyer des informations sur les stations qui vont être destinataires de trames. Celles-ci restent alors éveillées. 103

96 Consommation d énergie Globalement dans un portable : Carte wifi 10 % + 20% pour le traitement et l activité du processeur pour les communications sans fil 70 % restant fonctions d affichage et autres traitements non liés au sans fil. 104 Cartes WIFI : Consommation des cartes similaires, mais les drivers font la différence : La manière dont les données sont transférées de la carte à la machine : entrées/sorties programmées requièrent une grande activité du processeur alors que l accès direct en mémoire (DMA) d autres cartes permet de limiter les dépenses énergétiques. Moins de dépense si la carte est mise en repos.

97 Gestion MAC - Gestion des batteries 105

98 Gestion MAC - Gestion des batteries 2 mécanismes suivant le mode : Mode Infrastructure Traffic Indication Map (TIM) Liste des récepteurs de trames unicast stockées par l AP Delivery Traffic Indication Map (DTIM) Listes des récepteurs de trames broadcast/multicast transmises par l AP 106 Mode Ad-hoc Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM) informe les destinataires de trames de rester éveillés Plus compliqué car distribué collision possible d ATIMs (Impact sur le nombre de noeuds en mode économie d énergie)

99 Gestion MAC - Gestion des batteries Mode infrastructure TIM interval DTIM interval access point medium D B busy T T d D busy busy busy B station T TIM D DTIM p awake d t 107 B broadcast/multicast p PS poll d data transmission to/from the station

100 Gestion MAC - Gestion des batteries Mode ad hoc ATIM window beacon interval station 1 B 1 A D B 1 station 2 B 2 B 2 a d B beacon frame random delay A transmit ATIM t D transmit data 108 awake a acknowledge ATIM d acknowledge data

101 Gestion MAC handover 109 En fonction de l environnement (murs, ) et dûes aux limitations de la portée radio, ou pour couvrir toute une zone, il peut être nécessaire de mettre plusieurs AP Portée limitée des AP env m dans un environnement de bureaux. Que faire si la connexion est mauvaise ou n existe pas/plus? il faut balayer les fréquences pour découvrir son environnement. IEEE spécifie qu une station peut écouter un canal donné ou plusieurs canaux selon aussi ce que lui permet sa couche PHY.

102 Gestion MAC handover Handover passage d'une cellule à une autre sans interruption de la communication Handover non prévu dans les premières versions, introduit dans les nouvelles versions Sécurité renforcée pour éviter : qu'un client ne prenne la place d'un autre Qu'il n'écoute les communications d'autres utilisateurs 110

103 Gestion MAC handover Lorsqu'un terminal se déplace d'une cellule à une autre sans interrompre la communication À peu près de la même manière que dans la téléphonie mobile Dans les réseaux sans fil, le handover se fait entre 2 transmissions de données et non au milieu d'un dialogue Le standard ne fournit pas un mécanisme de handover à part entière, mais définit quelques règles Synchronisation Écoute active et passive Mécanismes d'association et de réassociation, qui permettent aux stations de choisir l'ap auquel elles veulent s'associer 111

104 Gestion MAC handover Handover et synchronisation Lorsque les terminaux se déplacent, ils doivent rester synchronisés pour pouvoir communiquer Au niveau d'un BSS, les stations synchronisent leur horloge avec l'horloge du point d'accès Pour garder la synchronisation, le point d'accès envoie périodiquement des trames balisées appelées Beacon Frames, qui contiennent la valeur de l'horloge du point d'accès Lors de la réception de ces trames, les stations mettent à jour leurs horloges pour rester synchronisées avec le point d'accès 112

105 Gestion MAC handover Écoute passive et active Quand un terminal veut accéder à un BSS ou à un ESS contrôlé par 1 ou plusieurs points d'accès Après allumage, retour d'un mode veille ou d'un handover Choisit un point d'accès auquel il s'associe selon un certain nombre de critères Puissance du signal Taux d'erreur des paquets Charge du réseau Si la puissance d'émission du point d'accès est trop faible, la station cherche un autre point d'accès 2 manières différentes : écoute passive ou active 113

106 Gestion MAC handover Selon des critères tels que les performances ou la consommation d'énergie Écoute passive La station attend de recevoir une trame balise provenant du point d'accès Écoute active Une fois que la station a trouvé le point d'accès fournissant les meilleures performances, il lui envoie directement une requête d'association par l'intermédiaire d'une trame Probe Request Frame et attend que l'ap lui réponde pour s'associer Lorsque le terminal est accepté par le point d'accès, il se règle sur son canal radio le + approprié Périodiquement, le terminal surveille tous les canaux du réseau pour évaluer si un AP ne possède pas de meilleures performances 114

107 Gestion MAC handover 115 Réassociations Lorsqu'une station se déplace physiquement par rapport à son point d'accès d'origine Diminution de la puissance du signal Changement des caractéristiques de l'environnement radio Trafic réseau trop élevé sur le point d'accès d'origine Fonction d'équilibrage de charge fournie par le standard : Répartition de la charge de manière efficace au sein du BSS ou de l'ess Le standard ne définit pas de handovers ni de roaming dans les réseaux Solution : Il existe des solutions propriétaires f en cours de développement

108 Conclusion et perspectives 116 Version actuellement sur le marché : IEEE a et b et g Mise en place de réseaux locaux sans fil pouvant atteindre un débit de 54 Mbit/s Excellentes performances de IEEE a, dues à l'importante bande passante disponible et à la réutilisation des fréquences De nombreuses entreprises ont investi dans ce type de réseau sans fil Sécurité globale assez faible Facile d'écouter les porteuses depuis l'extérieur Réseaux principalement utilisés dans les lieux publics, clients la recherche d'information Futures générations de réseaux IEEE bien avancées Accès à l'interface réseau différent Augmentation du débit (26 Mbit/s puis 52 Mbit/s, voire quelques centaines de Mbit/s) g existe et remplacera b

109 Zone de couverture IEEE b A l intérieur des bâtiments Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres) Vitesses (Mbits/s) Portée (Mètres) A l extérieur des bâtiments

110 Zone de couverture 118 débit (Mbit/s) milieu intérieur (en mètre)

111 25 Différences de performances entre un réseau avec et sans AP Débit en Mbit/s Distance en m TCP adhoc TCP AP UDP adhoc UDP AP 119

112 Performances du Wifi Partage de la bande passante Débit TCP en Mbit/s Station 1 Station 2 Station 3 Débit entre deux portables 0 Toutes les stations a 1m 120

113 Performances du Wifib - Mode ad hoc Multi saut 121 Débit en Mbit/s 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Temps en s Débit entre station 1 et Station 4

114 Chute de débit lorsqu'une autre station se connecte à 15m de l'ap Débit TCP en Mbit/s Station 1 Station Temps en s

115 123

116 Configuration d un point d accès NETGEAR WG

117 netgear10d4b5 /start.htm netgear10d4b5 125

118 Configuration d un point d accès netgear 126

119 Configuration d un point d accès 127

120 Configuration d un point d accès 128

121 Configuration d un point d accès 129

122 La famille de protocoles IEEE La famille inclue 3 protocoles différents qui se focalisent sur lʼencodage (a, b, g); La sécurité était originellement inclue, mais elle se retrouve maintenant dans la norme i. Les autres normes de la famille (c-f, h-j, n) sont des améliorations de service, des extensions ou des corrections des précédentes spécifications. IEEE a Dans la bande des 5 GHz, canal relativement peu utilisé aux US et au Japon. En Europe, a a été autorisé en Europe en Débits théoriques maximum : 54 Mbit/s. Pas d'interopérabilité avec b sauf si implémentation dʼun pont avec les deux technologies b était le premier à être reconnu, avant a et b 130

123 WLAN: IEEE a 131 Data rate 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s, depending on SNR User throughput (1500 byte packets): 5.3 (6), 18 (24), 24 (36), 32 (54) 6, 12, 24 Mbit/s mandatory Transmission range 100m outdoor, 10m indoor E.g., 54 Mbit/s up to 5 m, 48 up to 12 m, 36 up to 25 m, 24 up to 30m, 18 up to 40 m, 12 up to 60 m Frequency Free , , GHz ISM-band Security Limited, WEP insecure, SSID Cost 280 adapter, 500 base station Availability Some products, some vendors Connection set-up time Connectionless/always on Quality of Service Typ. best effort, no guarantees (same as all products) Manageability Limited (no automated key distribution, sym. Encryption) Special Advantages/ Disadvantages Advantage: fits into 802.x standards, free ISM-band, available, simple system, uses less crowded 5 GHz band Disadvantage: stronger shading due to higher frequency, no QoS

124 WLAN: IEEE b 132 Data rate 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s, depending on SNR User data rate max. approx. 6 Mbit/s Transmission range 300m outdoor, 30m indoor Max. data rate ~10m indoor Frequency Free 2.4 GHz ISM-band Security Limited, WEP insecure, SSID Cost 100 adapter, 250 base station, dropping Availability Many products, many vendors Connection set-up time Connectionless/always on Quality of Service Typ. Best effort, no guarantees (unless polling is used, limited support in products) Manageability Limited (no automated key distribution, sym. Encryption) Special Advantages/Disadvantages Advantage: many installed systems, lot of experience, available worldwide, free ISMband, many vendors, integrated in laptops, simple system Disadvantage: heavy interference on ISM-band, no service guarantees, slow relative speed only

125 WLAN : IEEE e 133 En juillet 1999 le groupe de travail de met en place le groupe SG11e pour améliorer les performances de la couche MAC. Idée : support de la QoS tout en maintenant la compatibilité avec le protocole existant. Définition d un mécanisme Hybrid Coordination Function (HCF) compatible avec le DCF/PCF de base. Il permet de combiner le polling et les mécanismes d accès avec contention. Création de deux méthodes d accès : EDCF (Enhaced version of DCF) : fonctionne en mode DCF HCCA (HCF Control Channel Access) peut être utilisé en mode DCF et PCF (HCCA est obligatoire dans e) Une super-trame est composée d un mode CFP et CP qui alternent continûment dans le temps.

126 WLAN : IEEE e 134 Gestion des priorités Au niveau du terminal Technique d'accès modifiée par rapport à Les stations prioritaires ont des temporisateurs d'émission beaucoup + courts que ceux des stations non prioritaires : avantage pour l'accès au support Mécanismes de sécurité améliorés Authentification mutuelle entre les terminaux et les stations de base Trafic protégé par un chiffrement Authentification de la source disponible Technique de distribution des clés : elle-même sécurisée Extensions prévues pour permettre la communication vers des terminaux qui ne sont pas en contact direct avec la station de base Cheminements multisauts

127 IEEE n Janvier 2004 IEEE annonce le développement d une nouvelle norme pour les réseaux wide-area wireless. La vitesse y pourrait aller jusqu à 600Mbit/s (couche PHY), soit 4-5 fois plus rapide que le g n offrirait une meilleure portée que les réseaux actuels. Bande passante de 20 à 40MHz en fonction du débit. Processus de normalisation devrait être terminé en 2007 mais les premiers puces commerciales apparaissent : Broadcom a annoncé début 2007 Itensi-fi les premières puces répondant aux dernières exigences votées par le groupe de travail IEEE. Mais tout n étant pas fixé il faudra des mises à jour du firmware ce qui ne sera pas forcément suffisant pour rendre les produits compatible avec la norme final. 137