Réseaux et Télécom Les réseaux sans fil. Les réseaux sans fil 1

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1 Réseaux et Télécom 2007 Les réseaux sans fil Les réseaux sans fil 1

2 Petit panorama des technologies sans fil Technologies Point-à-point Technologies WPAN Le Technologie WLAN Le wifi Les réseaux sans fil 2

3 1 - Petit panorama des technologies sans fil Réseau sans fil - Wireless network Réseau dans lequel au moins 2 terminaux (ordinateurs, PDA,..) communiquent sans liaison filaire Grande diversité de technologies d'accès radio Radio Point-Multipoint mobiles : technologies du Radio Point-Multipoint de Radio Point-à-Point o FH : Faisceau Hertzien o LOA : Liaison Optique Atmosphérique o Les réseaux sans fil 3

4 De nombreuses technologies plus ou moins mobiles Fixe : FH, LOA,, 16d Nomade :, 16e o Connexion à un équipement d'accès fixe o Déconnexion pour changer d'équipement d'accès Mobile : 2G/3G (GSP, GPRS, UMTS, HSDPA/HSUPA), 16 e, CDMA 2000 (Nx-Ev-DO), Flash-OFDM o Connectivité disponible partout o Changement d'équipement d'accès possible (handover de cellule dans les réseaux cellulaires) Des technologies plus ou moins large bande Débits modestes (quelques centaines de kbps) : 2G Débits plus conséquents (quelques Mbps) : 3G,, Débits importants o Quelques centaines de Mbps : FH o Jusqu'à quelques Gbps : LOA Les réseaux sans fil 4

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7 Des utilisations différentes Réseau Local sans fil (WLAN) Réseau Etendus sans fil (WWAN) 2G, 3G.. Réseau Personnel sans fil (WPAN) Réseau Métropolitain sans fil (WMAN) Les réseaux sans fil 7

8 Limitations de la radio En pratique, il n'est pas possible d'atteindre 100% de la population La puissance d'émission est limitée par o La régulation spécifique pour chaque technologie radio Pour le partage optimal des bandes de fréquences Pour réduire les interférences o Les limitation SAR (Specific Absorption Rate) pour la protection des personnes Quelques exemples o 10 mw pour o 100/200 mw pour le téléphone mobile o 20-50W pour une station de base de réseau cellulaire o 10KW pour la TV Beaucoup de problèmes de sécurisations pour les technologies radio Les réseaux sans fil 8

9 Quelques chiffres 2 milliards d'abonnés GSM en juin 2007 o Prévision de 3 milliards courant millions d'abonnés UMTS dans le monde en avril millions de puces Wifi vendues en 2005 o Prévision de 430 millions en 2009 Les réseaux sans fil 9

10 2 - Les technologies Point-à-point Utilisées pour la desserte de clients (entreprises, localités, ) difficilement accessibles Caractéristiques communes Avantages o Technologies matures o Déploiement rapide et simple (~une journée) o Haut débit o Le moyen d'obtenir de la qualité de service en radio o Transparence au services de niveau 2 Inconvénients o Technologie vue directe : nécessité de positionnements élevés Les réseaux sans fil 10

11 2.1 - Faisceaux Hertziens - FH Bande de fréquence : 6.8, 8, 13, 23, 38 Ghz Portée maximale 60 km à 6.5 Ghz 2.5 km à 38 Ghz Sensible au masquage (relief, bâtiments, végétation), aux réflexions,.. Nécessité d'une vue directe Antennes très directives Les réseaux sans fil 11

12 Accès PDH SDH Ethernet Avantages Faible taux d'indisponibilité : de 10-5 (~6mn) à 10-4 (~53 mn) par an Inconvénient Redevance pour l'utilisation d'un couple de fréquences Utilisation typique Nœud de raccordement NRA : nxe1 ou STM-1 Desserte de clients haut débit : nxe1 ou Ethernet Les réseaux sans fil 12

13 2.2 Liaison Optique Atmosphérique Bande de fréquence : 150 à 500 Thz (longueur d'onde 600nm à 2µm) Portée typique : de l'ordre du kilomètre Nécessite un chemin (optique) absolument libre d'obstacles Sensibles aux conditions atmosphériques Brouillard, neige Inutilisable dans l'axe Est-Ouest (soleil) Débits : de 2Mbps à 2,5 Gbps Utilisation typique Comme pour les FH Accès pour les municipalités Avantage : pas de licence ou de redevance Les réseaux sans fil 13

14 3 Technologies WPAN Réseau Personnel sans fil Wireless Personal Area Network (WPAN) Réseau dont le but est de faire communiquer des appareils numériques Portée : Espace Operationel Personnel (POS : Personal Operating Space) o Sphère d'un rayon de l'ordre de 10 m Sans nécessité d'infrastructure préalable : réseau ad-hoc Faible coût par unité o Condition essentielle pout un déploiement massif de la technologie Technologies WPAN Infrarouge (irda) WPAN radio bas débit (Bluetooth, Zigbee ) WPAN radio haut-débit (UWB, Wireless USB..) Les réseaux sans fil 14

15 3.1 WPAN Infrarouge irda Infrared Data Association Standard définit à partir de 1993 par une association d'industriels Avantages de l'infrarouge Equipements de faible coût Consommation électrique faible Spectre non soumis à la régulation Potentiellement très haut-débit Inconvénient Nécessite un trajet optique directe technologie FSO à très faible portée Les réseaux sans fil 15

16 Utilisation Interfaces laptops, téléphones, imprimantes irda donne l'ensemble des spécifications pour une communication infrarouge faible portée Communications half-duplex Port optique Demi-angle 15 à 30 degrés max Distance 1 m Configuration requise Les réseaux sans fil 16

17 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irphy : couche Physique transmission en half-duplex SIR Serial Infrared : de 9600 bps à 115,2 kbps MIR Medium Infrared : de 576 kbps à 1152 kbps FIR Fast Infrared : 4 Mbps VFIR Very Fast Infrared : 16 Mbps UFIR Ultra Fast Infrared : en cours de développement Mbps Les réseaux sans fil 17

18 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irlap Infrared Links Access Protocol ocouche de niveau 2 (OSI) Les réseaux sans fil 18

19 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irlmp : Infrared Link Management Protocol LM-MUX Link Management Multiplexer odéfinit les canaux logiques et les équipements primaires/secondaires LM-IAS Link Management Information Access Services ofournit une liste des services disponibles Les réseaux sans fil 19

20 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR Tiny TP Tiny Transport Protocol o Segmentation et réassemblage Les réseaux sans fil 20

21 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR ircomm Infrared Communication Protocol o Émulation de port série et parallèle Les réseaux sans fil 21

22 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irobex Object Exchange o Échange d'objets (vcarte, vcalendar, applications ) o Considéré comme le HTTP pour irda Les réseaux sans fil 22

23 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irlan Infrared Local Area Network o Connexion à un réseau local o Trois méthodes d'accès différentes Les réseaux sans fil 23

24 Accès internet filaire Accès internet filaire Point d'accès accès Clients filaires Méthode point d'accès Méthode paire-à-paire Méthode hosted Les réseaux sans fil 24

25 Spécification irda IrLMP IrPHY IrFM IrLAN IrOBEX IrCOMM Tiny TP LM-IAS LM-MUX IrLAP SIR MIR FIR VFIR UFIR irfm Infrared Financial Messaging o Service de paiement sans fil Les réseaux sans fil 25

26 3.2 Technologies WPAN radio bas débit Bluetooth (détails section suivante) Technologie radio courte distance destinée à simplifier les connexions entre appareils électroniques Créée en 1994 par Ericsson Rejoint par d'autres industriels en 1998 Normalisée par IEEE : Première technologie WPAN normalisée Peu onéreux : puce Bluetooth ~ 3$ Technique ne nécessitant pas de visibilité directe Bande de 2.4 Ghz sans licence Bande divisée en 79 canaux séparés de 1 Mhz Portée de 1 à 100m Débit : 1Mbps Standard en cours de développement pour 20 Mbps Les réseaux sans fil 26

27 3.2.2 Wibree Dérivée très faible consommation du Bluetooth conçu par Nokia en octobre 2006 devrait être normalisé Adapté aux périphériques bas débit détecteurs, montres, interfaces homme-machine Bande de fréquence : 2,4 Ghz Portée : 10 m Débit : 1 Mbps Les réseaux sans fil 27

28 3.2.3 Wavenis Solution propriétaire de Coronis System Très faible consommation et longue portée Bande de fréquence : 868 Mhz (europe), 915 Mhz (US) Protocole propriétaire Portée 200 m indoor 1 km outdoor avec antenne adaptée Débit : de 2,4 kbps à 100 kbps Alimentation : une pile lithium - durée de vie 10 ans Usages types : capteurs et domotique Les réseaux sans fil 28

29 3.2.4 Zigbee Norme pour les applications sans fil de contrôle et de surveillance fiables, faibles coût (1.1$), faible consommation Couches bases : IEEE Couches supérieures : couches réseau, sécurité et applications Bande de fréquence : 2.4 Ghz avec 16 canaux Bande sans licence Portée : 100 m Débits : entre 20 et 250 kbps Les réseaux sans fil 29

30 Trois types de réseaux Zigbee coordinateur arbre Topologie arbre Un coordinateur de réseau o Responsable de la création du réseau o Routage hiérarchique par les nœuds Zigbee Les réseaux sans fil 30

31 Trois types de réseaux Zigbee coordinateur arbre étoile Topologie étoile Coordinateur responsable de la création du réseau, de la connexion des nœuds Communication directe avec le coordinateur Les réseaux sans fil 31

32 Trois types de réseaux Zigbee coordinateur arbre étoile maillé Topologie maillée Coordinateur responsable de la création du réseau Communication paire-à-paire entre les noeuds Les réseaux sans fil 32

33 Applications types Industrielles o Régulation de température o Contrôle à distance d'appareillages o Contrôle de ressources relevé de compteur Logistique o Interfaçage de systèmes RFID Santé o Surveillance à domicile (rythme cardiaque ) Les réseaux sans fil 33

34 3.3 Technologies WPAN radio haut débit Ultra Wide Band UWB Technique de modulation radio basée sur la transmission d'impulsions de très courtes durée (inférieur à la nanoseconde) sur une bande très large ( Ghz) Largeur de bande inversement proportionnelle à la durée Les réseaux sans fil 34

35 Chaque impulsion occupe la totalité de la bande spectrale Rythme des impulsions 1 à 10 Mimps : radars 1 à 2 Gimps : systèmes de communication Fortes contraintes de synchronisation Trames émises plusieurs fois pour pouvoir être décodées Débits : Mbps! Concurrent des réseaux filaires Les réseaux sans fil 35

36 3.3.2 Wireless USB Version sans fil de la norme USB2 (hôte unique, 127 périphériques maximum..) Basée sur UWB courte portée Bande de fréquence : 3.1 à 10.6 Ghz Portée et débits 480 Mbps sur 3 m 110 Mbps sur 10 m Les réseaux sans fil 36

37 4. Technologie créée par Ericsson 1994 Spécifications : Ericsson et autres industriels réunis dans le Special Interest Group - SIG Repris au sein de l'ieee dans le groupe : wearable computing Donne lieu au groupe et à la norme avril 2002 Version actuelle : Bluetooth 2.1 (aôut 2007) 3Mbps Le SIG Bluetooth développe la norme 3.0 utilisant UWB permettant d'obtenir 480 Mbps (concurrent de WUSB2.0) But initial Remplacement des câbles de connexion entre les appareils portatifs (téléphones, PDA ) Suppression des problèmes de configuration et d'interconnexion Support de la voix et des données Les réseaux sans fil 37

38 4.1 Architecture des réseau Bluetooth Bluetooth inaugure la notion de piconet Réseau éphémère se créant au gré des besoins Gestion centralisée confiée à une station maître déterminé dynamiquement Station non maître : station esclave Un maître ne peut communiquer qu'avec un esclave de son piconet mais stations charnières ou relais permettant l'interconnexion de plusieurs piconets Les réseaux sans fil 38

39 Types de Piconets maître Piconet 1 Piconet 2 esclave scatternet Un maître peut gérer 7 esclaves 10 piconets peuvent être interconnectés Les réseaux sans fil 39

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41 Identification des équipements Bluetooth Un unique identifiant Bluetooth Device Address : BD_ADDR Codé sur 48 bits Reprend la structure Ethernet LAP : Low Adress Part UAP : Upper Address Part NAP : Non Significant Address Part Seuls LAP et UAP sont utilisés par l'algorithme de saut de fréquence Les réseaux sans fil 41

42 4.2 Modèle d'architecture Couche radio Modulation/démodulation des signaux Link Controller Échange d'établissement des piconets Multiplexage des transmissions sur un lien radio unique Baseband Ressource Manager Multiplexage des flux Link Manager Établissement et contrôle du lien Chiffrement, authentification L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) Fournit des services orientés connexion ou non HCI Host Control Interface Les réseaux sans fil 42

43 Protocoles standard utilisables avec Bluetooth SDP - Service Discovery Protocol Offre aux applications clientes une liste des services fournis par les applications Utilise les services L2CAP TCS Telephony Control Protocol Specification Protocole de signalisation au dessus de L2CAP RFCOMM Emulation du port série au dessus de L2CAP LCC Logical Link Control Permet de disposer d'une couche de liaison de données IEEE au dessus de L2CAP OBEX Object Exchange Protocol (similaire à HTTP) Une couche audio gérant le codage/décodage numérique de la voie Les réseaux sans fil 43

44 4.3 Couche Physique Bluetooth utilise la bande ISM Industrial Scientific and Medical à 2.4 Ghz Bande de 2400 à Mhz Bande décomposée en 79 canaux de 1Mhz Modulations GFSK (Gaussian Frequency Key Shift) o Fréquence centrale F o Bit 1 : fréquence F + f o Bit 0 : fréquence F - f données Porteuse Signal modulé Les réseaux sans fil 44

45 Depuis la version 2, Bluetooth EDR (Enhanced Data Rata) augmente le débit en utilisant des modulations plus évoluées o 4-DQPSK (Differential Quadrature Phase Key Shift par exemple Puissance radio Trois classes de puissances définies Contrôle de puissance obligatoire pour les équipements de classe 1 optionnel pour les autres o Réduction des interférences avec les autres utilisateurs o Réduction de la consommation Les réseaux sans fil 45

46 Principe général de transmission Canal de transmission décomposés en slots de 625µs Les données sont décomposés en paquets Duplexage temporel (TDD) pour les transmissions bidirectionnelles Un esclave n'émet que lorsqu'il a reçu un paquet du maître l'autorisant à le faire dans le slot précédent (POLLING) Les réseaux sans fil 46

47 mais deux paquets successifs sont émis sur deux canaux différents Méthode de saut de fréquence La séquence des sauts est déterministe mais de période très longue (i.e. pseudo aléatoire) Elle dépend de l'identité du maître et de l'esclave Les réseaux sans fil 47

48 Cependant l'émission de données est autorisée sur plusieurs slots successifs Minimisation du rapport donnée sur entête Intérêt de la méthode de saut de fréquence Minimise l'impact des interférences Permet une dégradation très progressive des performances lorsque plusieurs piconets coexistent Les réseaux sans fil 48

49 Le maître gère l'attribution des capacités par la méthode de polling Multiplexage des diverses connexions Les réseaux sans fil 49

50 Deux types de liens physiques Asynchronous Connectionless - ACL o Point-à-point o Pas de réservation de bande passante o Méthode de polling pour l'émission des données o Réception correcte garantie par détection et correction d'erreur o 1 unique lien ACL autorisé par piconet Synchronous Connection Oriented SCO o Point-à-point o Réservation périodique de bande passante par le maître 2 slots (up et down) réservés tout les 2, 4 ou 6 slots o Pas de détection d'erreur o Utilisé par exemple pour les flux de voix o 3 liens SCO au maximum par piconet Les réseaux sans fil 50

51 4.4 Format des paquets Code d'accès Basé sur l'identité et l'horloge du maître Identifie le piconet Les réseaux sans fil 51

52 4.4 Format des paquets AM_ADDR : adresse courte de destination adresse de membre actif Les réseaux sans fil 52

53 4.4 Format des paquets Type : type du paquet 4 types de contrôle o ID : paquet d'identification o NULL : code d'accès + entête uniquement o POLL : envoyé par le maître pour forcer l'esclave à répondre o FHS : Frequency Hop Synchronisation Echange d'horloge Les réseaux sans fil 53

54 4.4 Format des paquets Type : type du paquet 10 types de paquets pour les SCO et ACL o 6 types pour transmissions sur un slot o 2 types pour transmissions sur 3 slots o 2 types pour transmission sur 5 slots Les réseaux sans fil 54

55 4.4 Format des paquets Bit flow Lorsque le buffer de réception est plein, le récepteur émet un paquet avec le bit flow à 1 pour interrompre temporairement l'émission Les réseaux sans fil 55

56 4.4 Format des paquets Bit ARQN : Automatic Repeat request Number Bit mis à 1 pour acquitté réception d'un paquet de données Les réseaux sans fil 56

57 4.4 Format des paquets Bit SEQN : Sequence Number Les réseaux sans fil 57

58 Utilisation des bits ARQN et SEQN Les réseaux sans fil 58

59 4.4 Format des paquets Bit HEC : Header Error Check Les réseaux sans fil 59

60 4.5 Etablissement d'un piconet Mise sous tension : état de veille standby A partir de standby, deux types de procédures Inquiry : découverte de l'environnement Paging : établissement de connexion La station qui demande le paging devient le maître du piconet créé Si A page B alors (A,B) est un piconet Si A page B et B dans déjà piconet alors c'est un scatternet qui est créé Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 60

61 Procédures Inquiry : Découverte de l'environnement Procédure inquiry A construit une série r A (n,m A ) de 32 canaux distincts n adresse spéciale d'inquiry m A : associé à l'horloge de A A émet périodiquement deux séries de paquets inquiry (2x16 canaux) Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 61

62 Procédures Inquiry : Découverte de l'environnement Procédure inquiry scan B construit une série r B (n,m B ) de 32 canaux distincts B écoute périodiquement sur les 32 canaux Après 1.28 secondes, B construit une nouvelle série r B (n,m B ) Si B détecte un paquet inquiry de A, il devient esclave de A Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 62

63 Procédures Inquiry : Découverte de l'environnement Procédure inquiry response B attend un nombre aléatoire de slots entre 0 et 1023 B envoie un paquet inquiry response à A A a découvert B Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 63

64 Procédures Paging : Connexion Procédure Page A connaît B ainsi que les informations d'adresse et d'horloge de B Il émet un paquet page contenant le DAC (Device Access Code) de B Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 64

65 Procédures Paging : Connexion Procédure Page Scan B écoute les demande de page en utilisant le même type de procédure que pour inquiry scan Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 65

66 Procédures Paging : Connexion Procédure Slave Response A réception d'un Page, B envoie une réponse à A A reçoit la réponse de B et passe en mode Master Response Procédure Master Response A transmet à B ses informations d'adresse et d'horloge A et B sont alors synchronisés (pour les suites de canaux) La connexion est crée Diagramme d'états à partir de Standby) Les réseaux sans fil 66

67 4.6 Etats en modes connectés Une fois connectée, une station esclave peut être dans 4 modes différents Mode Active Participation active : émission, réception Mode Sniff Réduction de la plage d'écoute d'un équipement Le maître ne peut émettre vers l'équipement que sur certains canaux Mode Hold L'équipement ne prend pas en compte le lien ACL pendant un certain intervalle de temps Il conserve son adresse de membre actif Mode Park L'équipement abandonne son adresse de membre actif AM_ADDR Mettre des équipement en membre parked permet de dialoguer avec plus de 7 équipements dans le piconet (mais 7 membres actifs au maximum) Les réseaux sans fil 67

68 5. Technologie WLAN - Issue du travail du groupe de l'ieee d'crivant les caractéristiques des WLAN Norme juin 1997 : description des couches bases du modèle OSI pour une liaison sans fil Couche physique o La norme propose trois couches physiques Radio : DSSS et FHSS Infrarouge Couche liaison de données o Méthode d'accès assez proche de celle utilisée en Ethernet Après la norme initiale, de nombreux amendements dans les années suivantes Wifi (Wi-Fi) : Wireless Fidelity Les réseaux sans fil 68

69 juin 1997 : débits 1 ou 2 Mbps Quelques amendements a : Wifi 5 o Bande 5 Ghz (UN-II), 54 Mbps (en pratique ~ 30 Mbps), 10m b : Wifi o Bande 2.4 Ghz (ISM), 11 Mbps (en pratique ~ 6Mbps), 100m o Norme la plus répandue g : Wifi2 o Bande 2.4 Ghz (ISM), 54 Mbps (en pratique ~ 30 Mbps), 100m o Compatible avec le b d : Internationalisation e : Définition des besoins et amélioration de la qualité de service Les réseaux sans fil 69

70 f : roaming h : vise à se rapprocher de la norme européenne (Hiperlan) et à satisfaire les contraintes européennes en matière de fréquence et d'économies d'énergies i : sécurisation Ir : signaux infrarouges j : h pour le japon Nous nous intéresserons essentiellement à la norme b Les réseaux sans fil 70

71 5.1 Infrastructure des réseaux La norme définit deux modes opératoires 1. Le mode infrastructure 2. Le mode ad-hoc Le mode infrastructure Idées de base Chaque station se connecte à un point d'accès Ensemble : point d'accès stations dans son périmètre : ensemble de service de base Basic Service Set (BSS) Les réseaux sans fil 71

72 Le mode infrastructure BSS 1 cellule = 1 BSS Support et débit partagé par toutes les stations de la cellule Chaque BSS est identifié par un BSSID sur 48 bits o Adresse MAC du point d'accès Les réseaux sans fil 72

73 Les BSS peuvent être interconnectés. La liaison d'interconnexion est appelée le système de distribution (DS Distribution system) L'ensemble DS + BBS1 +BBS2.. est appelé Extended Service Set ESS Le mode infrastructure ESS ESS identifié par un ESSID o 32 caractères ASCII ESSID souvent abrégé en SSID Les réseaux sans fil 73

74 Les BSS peuvent être interconnectés. La liaison d'interconnexion est appelée le système de distribution (DS Distribution system) L'ensemble DS + BBS1 +BBS2.. est appelé Extended Service Set ESS Le mode infrastructure ESS différentes topologies ESS Cellules recouvrantes o Service de mobilité (roaming) o f Cellules disjointes o Pas de roaming Service de mobilité Rupture de transmission Les réseaux sans fil 74

75 5.1.2 Le mode ad-hoc Idées de base Les stations se connectent les unes-aux-autres afin de former un réseau pair-à-pair Chaque station joue le même rôle (pas de point d'accès) Ensemble des stations : ensemble de services de base indépendant Independent Basic Service Set IBSS C'est un réseau éphémère Identifiant SSID comme pour ESS IBSS Les réseaux sans fil 75

76 5.1.2 Le mode ad-hoc En mode ad-hoc la portée de l'ibss est déterminée par celle des stations Pas de système de distribution comme dans l'ess Deux stations peuvent communiquer uniquement si elles se voient directement Ce n'est pas un vrai réseau ad-hoc!!! (algorithmes de routages) impossible IBSS Les réseaux sans fil 76

77 5.3 Le modèle Spécifie les deux premiers niveaux du modèle OSI Couche Liaison de données Couche LLC Couche MAC Couche Physique Modèle OSI Couche Physique Modèle Couche Physique : encodage des données, écoute du support Couche MAC : contrôle d'accès au support, adressage, CRC, fragmentation Couche LLC : contrôle de flux, reprise sur erreur Les réseaux sans fil 77

78 5.4 La couche Physique En fait plusieurs couches physique dépendant des amendements LLC MAC LLC MAC PHY FHSS DSSS IR b Wifi a Wifi g Wifi2 3 couches définies dans la norme initiale Une unique couche MAC pour toutes les couches physiques Une unique couche LLC Les réseaux sans fil 78

79 5.4.2 Couche Physique FHSS FHSS : Frequence Hopping Spread Spectrum Méthode de saut de fréquence Bande de fréquence : 2.4 Ghz, 79 canaux Très similaire à Bluetooth Couche Physique DSSS DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum Technique la plus répandue aujourd'hui : utilisée également en Wifi Bande de fréquence : ISM (2.4 Ghz) utilise une modulation BPSK (1Mbps) et QPSK (2Mbps) b utilise le codage CCK et la modulation QPSK b utilise aussi un mécanisme d'adaptation de débit en fonction des conditions de réception (interférence, portée du matériel ) Mécanisme Variable Rate Shifting Les réseaux sans fil 79

80 Portée et débits pour b avec Variable Rate Shifting Les réseaux sans fil 80

81 Principe de DSSS Bande ISM 2.4 Ghz à Ghz Décomposée en 14 canaux de 20 Mhz Canal 1 : Ghz, canal 14 : Ghz Les canaux se recouvrant ne peuvent pas être utilisés simultanément dans la même cellule (limitation des interférences)! Débits accessibles : 1, 2, 5.5 et 11 Mbps (changement du nombre de bits par symbole) Les réseaux sans fil 81

82 La norme g (wifi2) utilise une autre méthode (mais implémente aussi DSSS pour compatibilité avec Wifi) g : OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Bande U-NII - 5Ghz Décomposée en 8 canaux de 200 Mhz Chaque canal est divisé en 52 sous-canaux de 300 khz Tous les sous-canaux peuvent être utilisés en parallèle Modulation BPSK (6Mbps) et QAM64 (54 Mbps) Les réseaux sans fil 82

83 Format des trames physique DSSS Synch : Alternance de 0 et de 1 SFD : Start Frame Delimiter : Length : nombre d'octets du paquet PSF : Payload Signaling Field Information sur le débit utilisé CRC : Détection d'erreurs MPDU : Données de la trame MAC Les réseaux sans fil 83

84 5.5 La couche LLC La couche LLC est identique à la couche LLC permettant une compatibilité avec tous les autres réseaux 802 Elle correspond à la sous-couche LLC du niveau 2 du modèle OSI Son but est essentiellement de fournir 3 services : 2 services de communication en mode non connecté o Type 1 : non acquitté, point-à-point, unicast, multicast ou broadcast o Type 3 : point-à-point acquitté 1 service de communication en mode connecté o Type 2 : fiabilisation par numérotation des trames Les réseaux sans fil 84

85 5.6 La couche MAC Contrairement à la couche LLC, elle est spécifique à et est identique pour tous les amendement x Similaire à la couche (Ethernet) avec des spécificités pour la radio Spécifie les méthodes d'accès au support radio Deux méthodes d'accès 1. Mécanisme de base : DFC Distributed Coordination Function 2. Mécanisme optionel : PCF Point Coordination Function Mode ad-hoc : Uniquement DFC Mode infrastructure : DCF et PCF Les réseaux sans fil 85

86 5.6.1 La méthode DCF Méthode d'accès générale pour le transfert des données asynchrones sans gestion de priorité Basée sur le protocole CSMA/CA Carrier Sensitive Multiple Access / Collision Avoidance Ethernet CSMA/CD (Collision Detection) La détection de collision ne peut pas être utilisée pour les liens radio Détection de collision : une station doit être capable d'écouter et de transmettre en même temps Système radio : la transmission couvre la capacité de la station En cas de collision, la station continue de transmettre la trame complète Les réseaux sans fil 86

87 La norme utilise la technique CSMA/CA Principe du CSMA/CA Un système CSMA qui forme le cœur du protocole d'accès Un système d'acquittement positif émit immédiatement à la réception dans une transmission point-à-point Un système de retransmission qui permet de réduire la probabilité d'un nouvel échec pour la retransmission d'une trame non acquittée : algorithme de backoff Un système optionnel qui permet de réserver un canal par échange préalable de paquets de contrôles avec (partie CA) Les réseaux sans fil 87

88 Le CSMA utilise 4 temporisateurs 1. SIFS - Short Inter Frame Space : durée minimale d'écoute sur le canal radio (10µs pour DSSS) Utilisé pour la réception des acquittements et les échanges RTS/CTS (échanges prioritaires) 2. PIFS - PCF Inter Frame Space : durée minimale entre deux trames successives pour la méthode PCF (78µs pour DSSS) 3. DIFS - DCF Inter Frame Space : durée minimale entre deux trames successives pour la méthode DCF (128µs pour DSSS) 4. EIFS Extended Inter Frame Space : remplace DIFS en cas de détection de collision (non réception d'acquittement) Uniquement En DCF Les réseaux sans fil 88

89 Algorithme du backoff Temps découpé en slots du durée t s (20µs pour DSSS, 50µs pour FHSS) 1. Fenêtre de contention : CW Min CW 0 CW Max 2. Une station écoute le support avant toute tentative de transmission o o Si le support est libre après DIFS : transmission Sinon, calcule un temporisateur suivant la formule TBACKOFF = random [0, CW i ]. T s (i=0,1, ) o A chaque slot libre TBACKOFF est décrémenté de 1 o Dès que TBACKOFF atteint 0, la trame est émise 3. A réception de l'acquittement retour à 1 4. En cas de collision - pas d'acquittement après SIFS (contention) CW i+1 = 2 CW i -1 (valeur max 255) Retour à 2 Les réseaux sans fil 89

90 Les réseaux sans fil 90

91 Principe de Collision Avoidance (CA) Problème de la station cachée A ne peut pas entendre B Forte probabilité de collision A B Solution au problème : Réservation du support pendant une certaine durée (méthode optionnelle) Méthode RTS/CTS La source émet un paquet RTS (Request To Send) contenant la durée d'émission réservée (cycle RTS/CTS) Après réception d'un paquet RTS, la destination renvoie un paquet CTS (Clear To Send) contenant également la durée réservée A réception d'un paquet RTS et/ou CTS, les autres stations mettent à jour leur vecteur d'allocation (NAV Network Allocation Vector). Elle n'ont pas le droit d'émettre pendant toute la durée d'un cycle Les réseaux sans fil 91

92 Mécanisme habituellement utilisé pour l'émission de très grosses trames (retransmission trop couteuse en terme de bande passante) Les stations peuvent choisir 1. D'utiliser le mécanisme RTC/CTS 2. De ne l'utiliser que si la taille de la trame dépasse une variable RTC_TRESHOLD 3. De ne jamais l'utiliser Les réseaux sans fil 92

93 5.6.2 Méthode PCF Point Coordination Function Idées de base Une station particulière joue le rôle de coordinateur (PC) Le PC autorise alternativement la transmission d'une trame pour chacune des stations Forme de réservation du canal Période dite sans contention (CFP Contention Free Period) Pendant DCF : CP - Contention Period Les réseaux sans fil 93

94 Fonctionnement de PCF Le PC détecte un support libre pendant PISF Il transmet une trame beacon indiquant le longueur de le période CFP (CPFMaxDuration) A réception de trame beacon, chaque station (hors PC) met à jour son NAV Après SIFS le PC peut transmettre des trames aux stations Trames de données Trames CF Poll : o Autorise une station donnée à transmettre o Toutes les destinations sont possibles o Transmission d'une seule trame à la fois Trames de données + CF Poll Trame CF End : fin de la période CFP Les réseaux sans fil 94

95 En pratique PCF est rarement implémenté! Les réseaux sans fil 95

96 Autres services de la couche MAC Fragmentation des trames trop grandes Gestion de l'association et de la désassociation de stations Les réseaux sans fil 96

97 5.6.3 Format des trames MAC Duration ID : dépend de l'utilisation (DCF, PCF). En général durée en ms jusqu'à la fin démission de la trame. Peut être utilisé pour mettre à jour les NAV Address 1, 2, 3 : combinaison de BSSID, adresse source adresse destination dépendant de la transmission (en lien avec les champs to DS et from DS de la trame de contrôle) Sequence control : numéro de séquence des trames Address 4 : pas utilisé Données : de 0 à 2312 octets Les réseaux sans fil 97

98 La trame de contrôle Type 00 : Gestion, 01 Contrôle, 10 Data Sous type To (From) DS : mis à 1 quand la trame est adressée (provient de) au point d'accès More Fragment : mis à 1 quand la trame est fragmentée et que des fragments suivent Retry : Mis à 1 si la trame a déjà été émise (après collision) WEP : mis à 1 pour les trames encodée avec le protocole WEP Order : trame émise en utilisant la classe de service strictement ordonné Les réseaux sans fil 98

99 5.7 Anomalie de performance de b En général, cohabitation de stations émettant à des débits différents Avec l'algorithme d'adaptation de débit (mécanisme Variable Rate Shifting) lus un équipement est proche du point d'accès, plus il dispose d'un débit élévé (11 Mbps, 5.5 Mbps, 2 Mbps, 1Mbps) Cartes anciennes émettant à 1 ou 2 Mhz 11Mbps 5Mbps accès 2Mbps 1Mbps L'émission de la station avec le plus petit débit provoque une chute de débit de toutes les autres stations Le débit apparent de toutes les stations devient comparable à celui de la station ayant le débit minimal! Les réseaux sans fil 99

100 Une explication (très simplifiée) avec deux stations A avec débit D A = 11 Mbps, B avec débit D B =1 Mbps (i.e D B <<D A ) Durée d'émission d'une trame de taille L A : L/D A B : L/D B Les deux stations ont la même probabilité d'émettre lorsque le support est libre : en moyenne une trame sur deux pour A, ne trame sur deux pour B Débit moyen pour A et pour B 1 D D (1 DB B = B +..) D DA 1+ B D A B émet plus lentement et occupe donc le canal plus longtemps Problème inhérent à CSMA Les réseaux sans fil 100