Ce document fait un rapide tour d'horizon des termes et notions rencontrés dans
la norme 802.11.
Cette norme définit les mécanismes pour utiliser les ondes radio comme support
physique des réseaux. Elle a par la suite connue de multiples
évolution (802.11a, 802.11b, etc...).
Se référer au tableau récapitulatif ou voir à les documents
de
ftp://www.erasme.org/wifi/02_Standard_802.11_et_Protocoles/Standards_802.11
pour connaître l'objet de chacune de ces normes.
FHSS (frequency-hopping spread spectrum) : étalement de spectre avec sauts de fréquence (méthode de modulation de signal).
La bande des 2,4 GHz est divisée en 75 sous-canaux de 1 MHz en minimisant le
risque que deux expéditeurs utilisent simultanément le même sous-canal. Limitée
à un débit de 2 Mbit/s, les sauts doivent être fréquents et représentent en fin
de compte une charge importante.
L’émetteur et le récepteur s’accordent sur un schéma de saut, et les données
sont envoyées sur une séquence de sous-canaux. Chaque conversation sur le
réseau 802.11 s’effectue suivant un schéma de saut différent, et ces schémas
sont définis de manière à minimiser le risque que deux expéditeurs utilisent
simultanément le même sous-canal.
Divise la bande des 2,4 GHz en 14 canaux de 22 MHz. Les canaux adjacents se recouvrent partiellement, seuls trois canaux sur les 14 étant entièrement isolés. Les données sont transmises intégralement sur l’un de ces canaux de 22 MHz, sans saut. Pour compenser le bruit généré par un canal donné, on a recours à la technique du “chipping” (redondance de l'information). La redondance inhérente à chaque chip associée à l’étalement du signal sur le canal de 22 MHz assurent le contrôle et la correction d’erreur : même si une partie du signal est endommagée, il peut dans la plupart des cas être récupéré, ce qui minimise les demandes de retransmission.
| canal | longueur d'onde | fréquence |
|---|---|---|
| 1 | 0,1244 | 2,412 |
| 2 | 0,1241 | 2,417 |
| 3 | 0,1239 | 2,422 |
| 4 | 0,1236 | 2,427 |
| 5 | 0,1234 | 2,432 |
| 6 | 0,1231 | 2,437 |
| 7 | 0,1229 | 2,442 |
| 8 | 0,1226 | 2,447 |
| 9 | 0,1223 | 2,452 |
| 10 | 0,1221 | 2,457 |
| 11 | 0,1219 | 2,462 |
| 12 | 0,1216 | 2,467 |
| 13 | 0,1214 | 2,472 |
| 14 | 0,1211 | 2,477 |
FHSS et DSSS sont des mécanismes de signalisation fondamentalement différents l’un de l’autre et aucune interopérabilité ne peut être envisagée entre eux.
Standardisation du support de la couche physique radio offrant deux nouveaux débits : 5,5 et 11 Mbit/s.
Le standard 802.11 DSSS original spécifie un chipping sur 11 bits (baptisé séquence Barker) pour le codage des données. Chaque séquence de 11 chips représente un seul bit de données (1 ou 0) et est convertie en forme d’onde (ou symbole) émissible. Ces symboles sont transmis à la vitesse de 1 MSps (1 million de symboles par seconde) par la technique BPSK (Binary Phase Shift Keying). Dans le cas d’un débit de 2 Mbit/s, une technique plus sophistiquée QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), permet de doubler le débit de BPSK.
Pour augmenter les débits du standard 802.11, des techniques de codage évoluées sont mises en œuvre. Plutôt que de se cantonner aux deux séquences Barker sur 11 bits (pour 1 et 2 Mbit/s, la norme définit la technique CCK (Complementary Code Keying), qui consiste en un ensemble de 64 mots de 8 bits chacun. Les propriétés mathématiques spécifiques de cet ensemble permettent de distinguer les mots correctement les uns des autres par le récepteur, même en présence de bruit et d’interférences (par exemple les interférences causées par la réception de multiples réflexions radio dans un bâtiment). Le débit de 5,5 Mbit/s utilise la technique CCK pour coder 4 bits par porteuse, tandis que le mode 11 Mbit/s encode 8 bits par porteuse. Les deux modes font appel à la technique de modulation QPSK et signalent à 1,375 MSps. C’est de cette manière qu’il est possible d’atteindre ces débits supérieurs.
| Débit | Longueur du code | Modulation | Débit (symboles) | Nbre de bits/symbole |
|---|---|---|---|---|
| 1 Mbit/s | 11 bits (Barker Sequence) | PSK 1 | 1 MSps | 1 |
| 2 Mbit/s | 11 bits (Barker Sequence) | QPSK | 1 MSps | 2 |
| 5,5 Mbit/s | 8 bits (CCK) | QPSK | 1,375 MSps | 4 |
| 11 Mbit/s | 8 bits (CCK) | QPSK | 1,375 MSps | 8 |
Pour supporter les environnements plus bruyants et étendre la portée des
équipements, les taux de transmission sont
automatiquement ajustés pour compenser les variations de qualité du canal radio
(dynamic rate shifting).
Dans une situation
idéale, les utilisateurs se connectent à un taux de 11 Mbit/s plein. Cependant,
lorsque les équipements sont déplacés au-delà de leur portée optimale pour un
débit de 11 Mbit/s, ou en cas d’interférences conséquentes, les équipements
802.11HR transmettent à des vitesses inférieures, redescendant en 5,5, 2 et 1
Mbit/s. De la même façon, si le périphérique revient dans un rayon compatible avec
des transmissions plus rapides, la vitesse de la connexion s’accélère
automatiquement.
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De ces deux sous-couches,
seul le contrôle d’accès au support est propre aux WLAN, c'est CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Le protocole
CSMA/CA tente d’éviter au maximum les collisions
(deux trames émises quasi simultanément qui se percutent) en imposant
un accusé de réception systématique des paquets
(ACK), ce qui signifie que pour
chaque paquet de données arrivé intact, un paquet ACK est émis par la station
de réception.
CSMA/CA permet donc de partager l’accès aux ondes. Ce mécanisme
d’accusé de réception explicite gère aussi très efficacement les interférences
et autres problèmes radio. Cependant, il ajoute à 802.11 une charge inconnue
sous 802.3, aussi un réseau local 802.11 aura-t-il toujours des performances
inférieures à un LAN Ethernet de débit théorique équivalent.
En complément à CSMA/CA, la Distributed Coordination Function
(DCF)
(mais est-elle implémentée dans les produits du marché ? )
permet de partager le temps d'accès support (cf.
Arbitrage de l'accès au support par le point d'accès ).
Voir aussi : PCF.
Autre problème de la couche MAC, et spécifique au sans fil, celui du “nœud caché”, où deux stations situées de chaque côté d’un point d’accès (AP) peuvent entendre toutes les deux une activité de l'AP, mais pas de l’autre station (à cause de la distance, d'un obstacle ou autre). Pour résoudre ce problème, le standard 802.11 définit sur la couche MAC un protocole optionnel de type RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send). Lorsque cette fonction est utilisée, une station émettrice transmet un RTS et attend que le point d’accès réponde par un CTS . Toutes les stations du réseau pouvant entendre le point d’accès, le CTS permet de retarder toute transmission prévue. Ainsi la station émettrice peut alors transmettre et recevoir son accusé de réception sans aucun risque de collision. Du fait que le mécanisme RTS/CTS alourdi la charge du réseau en réservant temporairement le support, il est généralement employé pour des gros paquets, dont la retransmission s’avérerait coûteuse du point de vue de la bande passante.
Il est à noter que ce mécanisme peut être utilisé en mode BSS ou en mode ESS .
Cette valeur représente l'intervalle du message DTIM (Delivery Traffic Indication Message). Une zone DTIM est une zone de décompte informant les clients de la fenêtre suivante pour l'écoute des messages de diffusion (broadcast) et de multidiffusion (multicast). Lorsque le point d'accès a enregistré en mémoire tampon des messages de diffusion ou de multidiffusion pour des clients associés, il envoie le DTIM suivant avec une valeur d'intervalle DTIM. Les clients du point d'accès entendent les signaux de balise et se réveillent pour recevoir les messages de diffusion et de multidiffusion.
Il est possible de demander à l'AP de contrôler les accès au support des
stations en association avec lui.
Les échanges sont ralentis, mais cela ne devrait vraiment être significatif que
pour les trames longues dont la retransmission est coûteuse.
En revanche, cela permet de diffuser des données liées dans le temps, telles que
les flux audio ou vidéo, mais ce n'est utilisable que sur les petits réseaux.
Si on utilise CSMA/CA, il faut activer la fonction DCF. Sinon on peut aussi se servir de PCF.
La fonction de coordination par point ( PCF : Point
Coordination Function) peut être utilisée pour implémenter des
services temps réel, comme la transmission de voix ou de vidéo. Cette
PCF fait qu’on utilise des priorités supérieures que le Point
d’Accès peut gagner en utilisant des temps inter-trames plus petit
(PIFS point (coordination function)
interframe space).
En utilisant un accès par priorité supérieure, le Point d’Accès peut envoyer
des données aux stations en réponse à une Polling Request, tout en contrôlant
l'accès au support. Pour permettre aux stations classiques d'avoir accès au
support, il y a une condition qui est que le Point d'Accès doit laisser
suffisamment de temps DCF par rapport au PCF.
La couche MAC 802.11 offre deux autres caractéristiques de robustesse : les sommes de contrôle CRC (sur 32 bits) et la fragmentation des paquets. Ceci s’avère particulièrement utile dans les environnements très congestionnés ou lorsque les interférences posent problème (les gros paquets courent plus de risque d’être corrompus).
Les trames de gestion, transmises de la même façon que les trames de données pour l’échange d’informations de gestion, mais qui ne sont pas transmises aux couches supérieures.
Toutes les trames 802.11 sont constituées des composants suivants :
Il est dépendant de la couche physique et comprend :
Synch :
c’est une séquence de 80 bits alternant 0 et 1, qui est
utilisée par le circuit physique pour sélectionner
l’antenne appropriée (si plusieurs sont utilisées), et pour
corriger l’offset de fréquence et de synchronisation.
L’en-tête PLCP (Physical Layer Convergence
Protocol) est toujours transmis à 1 Mbit/s et contient
des informations logiques utilisées par la couche physique pour décoder
la trame :
Longueur de mot du PLCP_PDU : il représente le nombre d’octets que contient le paquet, ce qui est utile à la couche physique pour détecter correctement la fin du paquet.
Fanion de signalisation PLCP : il contient seulement l’information de taux, encodé à 0,5 Mbit/s, incrémenté de 1 Mbit/s à 4,5 Mbit/s.
Champ d’en-tête du contrôle d’erreur : champ de détection d’erreur CRC 16 bits.
Lorsqu’un client 802.11 entre dans le rayon d’action d’un ou plusieurs points
d’accès, il choisit l’un de ces points pour s’y associer
(on dit aussi qu'il
se joint à un BSS) en fonction de la puissance du signal et
des taux d’erreurs
observés dans la transmission des paquets. Une fois accepté par le point
d’accès, le client règle son canal radio sur celui du point d’accès.
Périodiquement, il explore tous les canaux 802.11 pour déterminer si un autre
point d’accès est susceptible de lui offrir des performances supérieures, et
s'associer au nouvel AP le cas échéant.
Pour ce faire, il faut utiliser la fonction de “réutilisation des canaux”, en
prenant soin de configurer chaque AP sur des canaux DSSS
802.11
différents de ceux utilisés par les AP contigüs. Alors qu’il
existe 14 canaux à recouvrement partiel pour les DSSS 802.11,
seuls trois d’entre eux sont totalement distincts (1-6-11, 2-7-12, etc...).
Lorsque les rayons d’action de deux points d’accès se chevauchent alors qu’ils
sont configurés sur un même canal ou sur des canaux se recouvrant
partiellement, des interférence sont susceptibles de se produire entre les deux,
avec pour conséquence un rétrécissement de la bande passante utilisable sur la
zone de chevauchement.
N.B. : certains constructeurs parle abusivement de roaming pour parler du fait que l'on peut se déplacer en restant à l'intérieur d'une cellule. Encore heureux !! sinon à quoi bon le wifi ?!
Le mode Ad-Hoc, où chaque entité wireless a la capacité de dialoguer avec n'importe quelle autre entité, du moment que l'environnement radio le permet.
Le mode infrastructure, dans lequel une entité appelé point d'accès (AP) assure la liaison avec toute les stations situé dans sa zone d'influence. Cette zone est appelée cellule et toute station désirant avoir une liaison avec l'AP ne peut échanger des trames qu'avec lui. Pour dialoguer avec un autre hôte, l'AP se charge de faire le relais dans tous les cas. Le mode infrastructure doit être employé lorsqu'on veut que les hôtes wireless puissent avoir accès à des ressources situées sur un réseaux filaire "classique.
Une station est définie comme un appareil participant aux communications d'un
réseaux sans fil ; souvent elle est notée
STA.
Du fait même de la nature du support utilisé (les ondes radio), n'importe qui
est susceptible de participer aux communications (au moins de les "entendre").
Ainsi, pour distinguer un sous-réseau d'un autre, on doit utiliser un
identifiant propre à chacun d'eux : c'est l'ESSID
(ou le SSID).
En théorie, on parle de SSID pour une seule cellule (mode BSS) et lorsqu'il y a plusieurs APs, on parle de ESSID. En pratique, on parle indifférement des deux.
Pour qu'une station soit autorisée à émettre et recevoir des données (en mode infrastructure) avec d'autres stations, elle doit impérativement s'associer avec l'AP de la cellule en question. Une fois que l'association est en place, la liaison de niveau 2 est assurée (c'est comme si on avait branché un câble sur une carte Ethernet) et il ne reste plus qu'à configurer la couche 3, c'est-à-dire l'adresse IP, la passerelle par défaut (ou gateway pour nos amis d'outre-Manche) et le(s) serveur(s) de nom (DNS).
On parle de cellule pour désigner un AP et l'ensemble des stations potentiellement associées avec lui dans sa zone d'"influence".
Lorsque le mode infrastructure est utilisé, cela implique
donc la présence d'au moins un AP.
Les APs ont alors pour fonction principale de gérer les échanges de trames entre
les stations (ou entre une station et une entité se situant ailleurs que dans
la cellule courante via le DSS ). Il faut
voir la cellule comme un hub (c'est l'AP) auquel sont rattachée les stations et
la bande passante est évidemment partagée entre les stations.
L'AP est identifié par son adresse MAC qui est désigné comme étant le
BSSID.
IBSS (Independent Basic Service Set) :
il n'y a pas d'AP et les liaisons radio sont directes entre les stations.
Ce mode permet de créer rapidement et simplement un réseau sans fil là où il
n’existe pas d’infrastructure filaire ou, là où une telle infrastructure
n’est pas nécessaire pour les services attendus, chambre d’hôtel, centre de
conférence ou aéroport par exemple, ou enfin lorsque l’accès au réseau filaire
est interdit.
Ce mode est aussi appelé "point-à-point".
C'est le mode de fonctionnement d'une carte wireless sur une station cliente d'un AP. La communication radio de la station (envoi et réception des trames) est contrôlée par l'AP auquelle elle est associée. Le réseau peut être composé de plusieurs points d'accès et le roaming est assuré.
Mode de fonctionnement pour un AP. Le noeud dans lequel il se trouve est dit "maître" car il synchronise (dans le cas de transmission synchrone) ou il agit simplement comme un point d'accès.
Pour un AP. Le noeud transmet les paquets entre les autres noeuds wireless. A priori, il ne devrait pas accepter les associations.
Pour un AP. ?? A creuser ?? quelle différence avec "master" ? (synchronisation ?) the node act as a backup master/repeater
Pour un AP. Deux APs sont en mode bridge lorsqu'ils assurent une liaison entre eux par un lien radio. De part et d'autre, on peut avoir des liaisons Ethernet. En théorie, on peut avoir deux liens radios géré par un seul AP, mais il semblerait que cela ne fonctionne pas encore très bien avec les matériels actuels. Il faut donc utiliser deux APs que l'on mettra "dos à dos" et relié entre eux par un brin Ethernet.
Pour un AP. Dans ce mode, l'AP est contraint à s'associer à un autre AP (le plus souvent désigné par son adresse MAC) et il n'acceptera pas d'association de la part de station.
Le noeud agit comme un moniteur passif et ne fait que recevoir des paquets. Toutes les trames ayant une force de signal suffisante pour être captées pas la carte seront remontées par l'interface, sans besoin d'être associée. C'est typiquement le mode dans lequel les cartes wireless sont forcées pour permettre de sniffer tous les paquets qui passent (mode promiscuous).
Est dit d'un AP qui sert de lien entre un brin Ethernet et un lien wireless. A ne pas confondre avec le mode "bridge" où on a au moins deux APs qui dialoguent entre eux par un lien radio.
Dans le mode infrastructure, les
stations ont accès au DSS ,
elles peuvent donc envoyer et recevoir des paquets du DS (Distribution
Service) . Le DS est ce qui permet de transmettre
des paquets d'une station à une autre, en passant d'une cellule à une autre.
Il joue le rôle d'un backbone wireless en assurant la liaison entre les
cellules d'une part, et entre les cellules et le réseau filaire d'autre part.
C'est dans ce cas que les bits ToDS et FromDS
sont utilisés. Toutefois, ils ne sont pas utilisés pour les trames de gestion
et de contrôle.
Pour utiliser un DS dans un ESS , un AP doit
avoir un moyen de communiquer avec d'autres AP par un
IAPP (Inter Access Point Protocol), et il faut bien sûr une
implémentation du DS dans les APs. Voir aussi le
tableau des normes (802.11f).
La « soupe-alphabet » du monde sans-fil n’est pas très simple à comprendre, et, au rythme où travaillent les TG et autres WG (Test Group et Working Groups) de l’IEEE, les 26 lettres risquent de ne pas suffire. Survol rapide des principales "immatriculation" :
| Normes | Caractéristiques |
|---|---|
| 802.11 | L’"ancêtre" du réseau sans fil, sur 2,4 GHz modulation DSSS ou saut de fréquence (aucune norme imposée), d’un débit de 2 Mbit/s et pratiquement pas interopérable de constructeur à constructeur. |
| 802.11a | Haut débit (30 Mbit/s effectifs)
sur la bande des 5 GHz Historiquement le second projet de réseau Ethernet sans fil sur 5 GHz, disposant d’une bande passante physique de 54 Mb/s, mais dont la sophistication a fortement retardé l’industrialisation. |
| 802.11b | Haut débit (6 Mbit/s effectifs) sur la bande des 2,4 GHz Premier réseau Ethernet sans fil interopérable, sur 2,4 GHz, offrant un débit physique de 11 Mb/s (modulation DSSS, accès par CSMA/CA et détection de porteuse). |
| 802.11c | Travaux suspendus Complément de la couche MAC améliorant les fonctions « pont », reversé au Groupe de Travail 802.11d. |
| 802.11d | Travaux suspendus Adaptation des couches physiques pour conformité aux exigences de certains pays particulièrement strictes (essentiellement la France et le Japon). |
| 802.11e | Travaux sur la qualité de service
(QoS). Norme en voie d’achèvement Complément de la couche MAC apportant une qualité de service (QoS) aux réseaux 802.11a, b et g. Par exemple, pouvoir assurer des transmissions synchrones (voix sur IP). |
| 802.11f | Travaux sur le protocole Inter Access Point Protocol
(IAPP), qui doit permettre aux bornes d’accès
de dialoguer entre elles. Norme en voie d’achèvement Document normatif décrivant l’interopérabilité inter constructeurs au niveau de l’enregistrement d’un point d’accès (AP) au sein d’un réseau, ainsi que les échanges d’information entre AP lors d’un saut de cellule (roaming). |
| 802.11g | Haut débit (54 Mbit/s théoriques) sur la bande des 2,4
GHz. Norme en voie d’achèvement Adaptation de l'OFDM aux réseaux 802.11b (passage à 54 Mb/s), mode "turbo" apportant également les mécanismes de code de protection par redondance (PBCC) |
| 802.11h | Adoption des technologies DFS (Dynamic Frequency Solution) et TPC
(Transmit Power Control), pour une conformité avec les normes
européennes. En cours d’élaboration, travail commun entre l’IEEE et
l’ETSI. Amélioration de la couche MAC visant à rendre compatible les équipements 802.11a avec les infrastructures Hiperlan2. 11h s’occupe notamment de l’assignation automatique de fréquence de l’AP et du contrôle automatique de la puissance d’émission visant à éliminer les interférences entre points d’accès (à ne pas confondre avec un asservissement de la puissance d’émission de l’AP en fonction de la force du signal du client, tel que c’est le cas pour le MMAC IsWan japonais). |
| 802.11i | Travaux sur la sécurité des transmissions sur les bandes
de fréquence 2,4 GHz et 5 GHz. Amélioration au niveau MAC destinée à renforcer la sécurité des transmissions, et se substituant au protocole de cryptage WEP. Norme composée de nombreuses étapes de travail ne devant pas s’achever avant la fin 2003. |
| 802.11j | Convergence des standards américain
802.11 et européen Hiperlan, tous deux fonctionnant sur la bande de fréquence des 5 GHz |
| 802.11x | Sous-section du groupe de travail 802.11i visant à l’intégration du protocole EAP (authentification) dans les trames Ethernet (indépendamment de tout protocole PPP, contrairement aux accès RAS conventionnels). 1x permet l’usage d’un serveur d’authentification de type Radius. |
Avancement des votes, détails sur les WG, avancement des travaux et compléments techniques disponibles sur le site grouper.ieee.org/groups/802/11/.