Réseaux locaux sans fils (Wireless LAN) IEEE WIFI

Transcription

1 Réseaux locaux sans fils (Wireless LAN) IEEE WIFI Alain AUBERT 0 Différentes catégories de réseaux sans fils fonction de leur zone de couverture géographique Réseaux personnels sans fils (WPAN): Portée faible de quelques mètres à quelque dizaine de mètres Relier des systèmes informatiques très peu distant dans une même pièce Différentes technologies développés: Bluetooth (IEEE ):développé par Ericsson (liaison téléphone portable et oreillette) 1Mbits/s, consommation faible ZigBee IEEE ( ): très bas prix, très faible consommation (jouets) Réseaux locaux sans fils (WLAN) Portée d'environ 100m avec des débits supérieurs ou égale à 10 Mb/s WiFi IEEE Réseaux métropolitains sans fils (WMAN) Portée de quelques kilomètres Réservés aux opérateurs de télécommunication Norme IEEE (boucle locale radio en remplacement de la boucle locale filaire connexion d'abonnés): 10 km 10 Mb/s Wimax: 70 Mb/s 50 km Réseaux étendus sans fils (WWAN) GSM (Global System for Mobile) GPRS (General Packet Radio Service) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 1 1

2 WIFI WIreless FIdelity Recherches sur les réseaux locaux sans fils depuis le début des années Normalisation WIFI: fin des années Avantages du sans fil Ne pas avoir à câbler un bâtiment. Plus de souplesse et de mobilité. Déploiement des réseaux WIFI Réseaux domestiques. En entreprise. Lieux de fort passage ( hotspots ): gare ou aéroport Fournisseurs d accès sans fils WISP Wireless Internet Service Provider 2 WIFI Caractéristiques WIFI : un réseau local radio (médium partagé en bande de fréquences). Définition sur les deux niveaux physique (codage, modulation, synchronisation) et liaison (principalement accès au médium, contrôle d'erreurs, fragmentation, ) WIFI : deux organisations architecturales. Le mode infrastructure (centralisé). Le mode ad hoc (distribué). WIFI : deux protocoles différents d accès au médium. PCF Point Coordination Function (en coopération). DCF Distributed Coordination Function (en compétition). Pouvant être utilisés simultanément par une station. WIFI : différents niveaux physiques selon le débit, le codage, la bande de fréquences utilisée , a, b, g, en cours n. Consortium de développement : WIFI Alliance 3 2

3 WIFI Le modèle de référence Liaison Physique LLC MAC PLCP PMD LLC Logical Link Control : Protocole point à point MAC Medium Access Control : Accès au médium (partage de la voie commune PLCP Physical Layer Convergence Protocol : Encapsulation des trames MAC dans les trames physiques PMD Physical Medium Dependent : Techniques de codage, modulation et de synchronisation 4 Architecture générale des réseaux sans fil 5 3

4 WIFI Le mode ad 'hoc' Sta 4 IBSS Sta 6 Sta 3 IBSS Sta 5 Sta 2 Approche répartie: Communication de stations géographiquement proche sur une base égalitaire IBSS Independent Basic Service Set : Ensemble de stations avec coupleurs sans fils, communicantes dans la même bande. Terminologie: mode ad hoc (sans besoin d'équipement particuliers) peer to peer : d'égal à égal Utilisation du Protocole DCF (Distributed Coordination Function) au sein d'un IBSS 6 WIFI Le mode ad 'hoc': caractéristiques IBSS: réseau sans fil constitué au minimum de deux stations et n'utilisant pas de point d'accès. IBSS: réseau éphémère permettant à des personnes situées dans une même salle d'échanger des données. IBSS: identifié par un SSID IBSS: sa portée est déterminé par la portée de chaque station. Cela signifie que si deux des stations du réseaux sont hors de portée l'une de l'autre, elles ne pourront pas communiquer, même si elles "voient" d'autres stations. 7 4

5 WIFI Le mode infrastructure BSS AP ESS BSS AP DS Système de distribution - AP Access Point commutateur. - Station de travail avec un coupleur WIFI. - BSS (Basic Service Set): un seul AP. ESS ( Extended Service Set ) : plusieurs AP connectés par un autre réseau (réseau Ethernet ou sans fil). - Changement de point d accès: handover/ roaming (itinérance). 8 La couche physique

6 Bandes de fréquences utilisées Bandes de fréquences ISM (Industrie /Scientifique /Medicale), aucune autorisation n est nécessaire mais l utilisation est mal régulée (interférences). 26 Mhz 83,5 Mhz , b et g 100 Mhz Bande de fréquences U-NII (Unlicensed-National Information Infrastructure). IEEE a a 200 Mhz 100 Mhz Principaux standards utilisés IEEE (1997) : 1 et 2 Mb/s (ISM 2,4 Ghz). IEEE b (1999) : 1, 2, 5.5, 11 Mb/s (ISM 2,4 Ghz) IEEE a (2001) : 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s (U-NII 5Mhz). IEEE g (2002) : 1,2, 5.5, 11,6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s (ISM 2,4 Ghz) Compatible b IEEE n : débit théorique de 540 Mb/s sur 90m 11 6

7 La sous couche MAC Généralités 2 modes d accès au canal: DCF: mode d accès par défaut organisant un accès à compétition PCF: mode d accès optionnel proche d un mode à réservation avec un contrôle centralisé géré par le point d accès Accès au canal contrôlé par l utilisation de silences inter-trames (IFS: Inter Frame Spacing) DIFS: Distributed Coordination function IFS (50ms); PIFS: Point Coordination function IFS(30ms); SIFS: Short IFS (10ms) Mécanisme de prioritisation à l émission d une trame Chaque IFS correspond à la valeur de son précédent augmentée du Slot_time défini dans l algorithme de backoff (ici 20 ms) 13 7

8 Principe du mode DCF Ecoute et attente Ecouter la voie, transmettre si la voie est libre. Si la voie est occupée choisir un temps d attente aléatoire (fonction de backoff) de N Slot_Time dans l intervalle [0,CW] (CW contention window). Décompter des intervalles de temps (tranche canal Slot Time) quand le medium est libre. Le décompte est suspendu quand le médium redevient occupé. Quand l intervalle d attente devient nul et que la voie est libre commencer à émettre (une trame de données ou de contrôle par exemple). 14 Principe du mode DCF Diagramme d'écoute et attente Une station veut émettre Autorisation d émettre Silence inter trame (IFS Inter-Frame Spacing) DIFS: Distributed Coordination function IFS (50ms); PIFS: Point Coordination function IFS(30ms); SIFS: Short IFS (10ms) Fenêtre de collision CW ( Contention Window ) Tranche canal ( Slot Time ) 20 ms Attente en nombre entier de tranches ( Backoff ) 15 8

9 Principe de l accès DCF, sans collision Chaque message nécessite un acquittement ACK obligatoire après vérification de la disponibilité du support pendant un silence SIFS Mécanisme de réservation réduction les collisions Toute trame émise contient une info sur la durée totale de transmission (données +ACK) Toute station écoutant le support, à réception de cette info, positionne un temporisateur NAV(Network Allocation Vector) et s interdit toute émission durant cet intervalle de temps 16 Principe de l accès DCF, avec collision Mécanisme de réservation tente de prévenir les collisions mais ne garantit que 2 stations n émettront pas en même temps C est la non réception de ACK qui informe la station de l état de collision La station doit alors retransmettre le message dans son intégralité Durant l état de collision, les stations n ont pu positionner leur NAV (message altéré) délai d écoute du support étendu à EIFS 17 9

10 Mode DCF: problème de la station cachée Cause principale de collision: phénomène de la station cachée B est à portée de A et de C, mais A et C ne se voient pas A écoute le support qui est libre et émet vers B C désire transmettre un message vers A. C hors de portée de A (station cachée) n entend pas le message de A, considère que le support est libre et transmet ses données les données de A et de C sont polluées 18 Mode DCF: problème de la station cachée Principe de l accès en mode RTS/CTS Un mécanisme optionnel permet à C d être informé de l intention de A A l acquisition du support A émet une trame très courte RTS (Request to Send) ne contenant que l info de réservation du support (NAV) A réception de la trame RTS B acquitte avec un CTS (Clear to Send) C à portée de B est informée que le support est occupé par A Mécanisme très efficace: trames RTS/CTS sont courtes probabilité de collision faible Cependant si trames de données de petites tailles mécanisme pénalise les performances existence d un RTS Threshold (émission directe de trame si taille de la trame est inférieure à RTS Threshold) 19 10

11 Mode DCF: mécanisme de fragmentation Transmission hertzienne d autant plus sensibles aux perturbations que la trame est grande Amélioration de la fiabilité mécanisme de fragmentation et de réassemblage diminution de la probabilité d une trame erronée Amélioration du rendement de transmisssion retransmissison d un fragment moins couteuse en bande passante 20 Protocole d échange d association d une station à un point d accès (AP) en mode passif En mode infrastructure, mécanisme d association permet à une station d être pris en charge par un AP Périodiquement un AP diffuse une trame balise (Beacon) contenant Le nom du réseau SSID Les caractéristiques de celui-ci( débit, BSSID de l AP et le ESSID) Une station possédant le même SSID (appartenant au même réseau) désirant se connecter répond par une trame Probe request AP répond par un Probe reponse Station déclenche une authentification 21 11

12 Protocole d échange d association d une station à un point d accès (AP) en mode actif C est la station qui prend l initiative de la connexion en émettant des trames Probe request contenant le nom du réseau auquel elle veut se connecter 22 Les différentes trames MAC 3 types de trames utilisées: Les trames de données Les trames de contrôle de l accès au support (RTS, CTS,ACK) Les trames de gestion comme les trames d association Ces trame sont distinguées par le sous champs Type (2 bits) et Sous type (4 bits) du champ Contrôle de la trame MAC (FC) 23 12

13 Différentes types de trames 24 Format de la trame MAC FC D/ID Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Seq Adresse 4 Corps de la trame FCS 0 à 2312 octets 4 octets FC (Frame Control): version de protocole, type de trame etc. Durée / ID : Durée d'utilisation du canal de transmission. Champs adresses : Une trame peut contenir jusqu à 4 adresses (mode ad hoc adresse 1 destination et adresse 2 source). Contrôle de séquence : pour la fragmentation (numéro de fragment sur quatre bits et numéro de séquence de la trame sur douze bits). Corps de la trame : charge utile d au maximum 2312 octets. FCS (Field Check Sequence): somme de contrôle de niveau MAC : x32+ x26+ x22+ x16+ x 2+ x11+ x10+ x8+ x7+ x5+ x4+ x2 + x

14 Format de la trame MAC Zoom sur la zone contrôle de trame (FC) Version (2 bits) Type (2 bits) Sous-type (4 bits) To DS (1) From DS (1) More Retry Frag (1) (1 bit) Power More mngt (1) data(1) WEP (1 bit) Order (1 bit) Version du protocole: Actuellement 0 en première version. Type et sous type: Définition du type de la trame (2 bits + 4 bits). To et From DS (Distribution System) : Trame vers ou en provenance du système de distribution (AP point d accès). Les 2 bits à 0 mode Ad hoc. More : bit à 1 Il reste des fragments à émettre (bit more de la fragmentation). Retry: bit à 1 La trame est une retransmission d une trame précédente erronée. Power management : A 1 la station entre en mode économie. More data : A 1 des données sont à émettre vers une station en économie. WEP : A 1 la trame est chiffrée en WEP (Wireless Equivalent Privacy). 26 Utilisation des champs d adresse 27 14