Wi-Fi
Lila [email protected] : Laboratoire de Recherche en InformatiqueLRI : Laboratoire de Recherche en InformatiqueUniversité Paris-sud XI - Orsay
L. Boukhatem 1Transparents basés sur ceux de Davor Males
Plan
I d i• Introduction• Réseaux sans filRéseaux sans fil• Wi-Fi (IEEE 802.11)
– Couche physique – Couche MAC
• Conclusion
L. Boukhatem 2
Introduction
L. Boukhatem 3
Réseaux sans fil
Avantages InconvénientsAvantages Inconvénients
+ Mobilité+ Facilité
– Fluctuation du lien radio (BER) interférences, pathloss,
d’installation+ Coût
multipath,…– Débit, autonomie…+ Coût
+ Extensible – Sécurité– RéglementionsRéglementions– Santé …
L. Boukhatem 4
Mobilité et débitMobilité
GlobaleSatellite
UMTSIEEE 802.20
IEEE 802 16Extérieur
UMTS
GSM
IEEE 802.16
Débit 10kb 500kb 2Mb 10Mb
Intérieur DECT IEEE 802.11Bluetooth
L. Boukhatem 5
10kbps 500kbps 2Mbps 10Mbps 150Mbps
Catégories et standards des réseaux sans fil
WPAN
IEEE 802.15 (WiMedia) IEEE 802.11 (WiFi)• IEEE 802 11a b g
IEEE 802.16 (WiMAX) IEEE 802.22
WPAN WRANWMANWLAN
( )• IEEE 802.15.1-Bluetooth• IEEE 802.15.3 -UWB• IEEE 802.15.4- ZigBee
• IEEE 802.11a, b, g• IEEE 802.11n• IEEE 802.11sHyperLAN
• IEEE 802.16 -2004• IEEE 802.16eIEEE 802.20 (MBWA)
IEEE 802.22 Utilisation des bandes TV
yp
1m 100km10km1km100m10m
L. Boukhatem 6
Catégories et standards des réseaux sans filsUWB (Ult Wid B d)• UWB (Ultra Wide Band)– WUSB– Haut débit (jusqu’à 480 Mbps)– Sur courtes distances (10m)– Envoi d’ondes électromagnétiques très courtes (ns) sur une large bande de fréquences
(≅ 7GHz )Coexistance avec les autres systèmes sans fil– Coexistance avec les autres systèmes sans fil
• ZigBee – Réseaux de périphériques senseurs
Faible débit à faible consommation longue autonomie– Faible débit, à faible consommation, longue autonomie– Domotique (jouets interactifs, senseurs et besoins d'automatisation)
• WiMAXHaut débit (70 Mbit/s)– Haut débit (70 Mbit/s)
– Visent le remplacement des modems ADSL, portée atteignant 50 km– Fréquences 2-11 GHz, points fixes, extentions pour la mobilité
• MBWA• MBWA– Concurrent opérateurs mobiles à bas prix, large bande pour mobiles (vitesse jusqu’à
250 km/h)– Fréquences inférieures à 3,5 GHzFréquences inférieures à 3,5 GHz– Au moins 1 Mbit/s par utilisateur– Cellules de grande taille
Wi-Fi (IEEE 802.11)
L. Boukhatem 8
Le standard IEEE 802.11• IEEE 802.11 - Standard d’origine (1990 – 1997)• But : Développer une couche physique et une• But : Développer une couche physique et une
couche liaison permettant d’offrir une connectivité sans fil à toute station aussi bien fixe que mobile
• Vitesse de transmission : 1 et 2 Mbits/s dans la bande ISM (2,4 GHz)
Couche 7 : Application
Couche 6 : Présentation Couche 5 : Application HTTP, mail, etc …
Couche 3 : Réseau
Couche 4 : Transport
Couche 5 : Session
Couche 3 : Réseau
Couche 4 : TransportTCP/IP
Couche 1 : Physique
Couche 3 : Réseau
Couche 2 : Liaison de données
Couche 1 : Physique
Couche 3 : Réseau
Couche 2 : Liaison de données Ethernet, Wi-Fi, Fibre optique, etc …
L. Boukhatem 9Modèle ISOModèle ISO Modèle TCP/IPModèle TCP/IP
Amendements à IEEE 802.11• Couche Physique
802 11b (1999) Vit j ’à 11 Mbit/ (b d ISM)– 802.11b (1999) - Vitesse jusqu’à 11 Mbit/s (bande ISM)802.11b+ (2002) - Vitesse jusqu’à 22 Mbit/s (bande ISM)
– 802.11a (2001) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande UNII)802.11a 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande UNII)
– 802.11g (2003) - Vitesse jusqu’à 54 Mbit/s (bande ISM) 802.11g 2x mode - Vitesse jusqu’à 108 Mbit/s (bande ISM)802.11g 2x mode Vitesse jusqu à 108 Mbit/s (bande ISM)
– 802.11n (2008) – Débit utile visé 100 Mbit/s (e+i)
C h Li i d d é• Couche Liaison de données– 802.11e (2005) - Qualité de service – 802.11i (2004) - Amélioration de la sécurité802.11i (2004) Amélioration de la sécurité – 802.11f (2005) – Gestion des handovers
L. Boukhatem 10
Réseau d’infrastructure (ESS)( )
Internet
Système de distribution
Caractéristiques principales :
• Nom de réseau (SSID)
• Canal de transmission
• Mécanismes deBSS
ESSBSS
Mécanismes de sécurité
• Topologie
L. Boukhatem 11ESS : Extended Service SetBSS : Basic Service Set
Réseau en mode ad hoc (IBSS)( )
Caractéristiques principales :
N d é• Nom de réseau (SSID)
• Canal de t i itransmission
• Mécanismes de sécurité
IBSS
• Topologie
L. Boukhatem 12
IBSSIBSS : Independent BSS
Modèle en couche
OSI Layer 2Data Link Layer 802.11 Medium Access Control
Logical Link Control (LLC – IEEE 802.2)
OSI Layer 1Physical Layer FHSS IRDSSS 802.11b
(MAC 802.11)
802.11a 802.11gPhysical Layer
(PHY)FHSS IRDSSS DSSS/HR OFDM …OFDM
• FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum• DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum
IR I f• IR : Infrarouge• OFDM : Orthogonal Frequency Division
Modulation
L. Boukhatem 13
IEEE 802 11IEEE 802.11 La couche physique
L. Boukhatem 14
Bandes de fréquences
Ondes RadioMicro-ondes Infrarouge
Visible Rayons X Ondes millimétriques
Ondes sub-millimétriquesGHz THz
VisibleUltraviolet
y/ Gamma
Hz KHz MHz PHz EHz
ELF VF VLF LF MF HF VHFUHFSHF EHFExtremely Extremely Voice Voice Very Low Very Low Low Low Medium Medium High High Very High Very High Ultra High Ultra High Super High Super High Extremely Extremely yy
Low Low FrequencyFrequency
FrequencyFrequencyyy
FrequencyFrequency FrequencyFrequency FrequencyFrequency
Audio/voix Téléphonie
FrequencyFrequency
Systèmemilitaires
et gov
Système denavigation
aéronautiqueet maritime
AM Marine Radio
y gy gFrequencyFrequency
ggFrequencyFrequency
ggFrequencyFrequency
yyHigh High
FrequencyFrequency
Satellite Radar
Satellite radar
WLAN
TV 2G/3GRadar
FM, TV marine avion
Système denavigation
aéronautiqueCB mateur
30 Hz 300 Hz 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz
et maritime amateur WLANamateurCB mateur
L. Boukhatem 15
Bandes sans licence
UHFSHFUHFSHFUltra High Ultra High FrequencyFrequency
Super High Super High FrequencyFrequency
30 Hz 300 Hz 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz
Satellite Radar WLAN
WMAN
FM, TVGSM
WLANEtc …
UHF SHF
3 GHz 4 GHz 5 GHz1 GHz 2 GHz 6 GHz
ISM : Industrie, Science et MédecineUNII : Unlicensed National Information Infrastructure
GSM Gl b l S f M bil C i i
L. Boukhatem 16
GSM : Global System for Mobile Communications
La réglementation française
A d d d’ t i ti• Aucune demande d’autorisation– A l’intérieur des bâtiments
Bande 2,400 – 2,4835 GHz, puissance 100 mW
– A l’extérieur des bâtiments B d 2 400 2 454 GH i 100 WBande 2.400- 2,454 GHz, puissance 100 mWBande 2,454 – 2,4835 GHz, puissance 10 mW
• Autorisation nécessaire pour une utilisation complète de la bande des 2 4 GHz àcomplète de la bande des 2,4 GHz à l’extérieur des bâtiments
L. Boukhatem 17
802.11b/b+/gg• Bande ISM
B d di i é 14 d 20 MH• Bande divisée en 14 canaux de 20 MHz• La transmission ne se fait que sur un seul canal• Superposition de 3 réseaux au sein d’un même
espace• Vitesse comprise entre :
– 1 et 11 Mbit/s pour 802.11b– 1 et 22 Mbit/s pour 802.11b+– 1 et 54 Mbit/s pour 802.11g
• Mécanisme de variation de vitesses de transmission selon la qualité de l’environnement radio
L. Boukhatem 18
radio
Affectation des canaux
Canal 1 Canal 7 Canal 13
2,4 GHz 2,4835 GHz
Canal 1 Canal 7 Canal 13
83,5 MHz
2,4 GHz 2,4835 GHz83,5 MHz
Canal 9 Canal 13Canal 1 Canal 5
L. Boukhatem 19
2,4835 GHz,
Audit de site
L. Boukhatem 20
Zone de couverture (1/2)( )
Dé d d l’ i t• Dépend de l’environnement– Les murs– Les meubles– Les personnes
• Distance entre les équipements du réseauéquipements du réseau
• Interférences– Autres réseaux Wi-Fi
Bl t th– Bluetooth– Les fours micro-ondes– Autres équipements utilisant
l b d ISMla bande ISM
L. Boukhatem 21
Zone de couverture (2/2)( )
A l’i té i dVitesses (Mbit/s) Portée (Mètres)
• A l’intérieur des bâtiments
11 50
5,5 75
2 100
1 150
• A l’extérieur des
1 150
Vitesses (Mbit/s) Portée (Mètres)• A l extérieur des bâtiments
( ) ( )
11 200
5,5 300
2 400
1 500
L. Boukhatem 22
IEEE 802.11a
•• Bande UNBande UN II (5GHz)II (5GHz)•• Bande UNBande UN--II (5GHz)II (5GHz)•• Largeur de bande : 455 MHzLargeur de bande : 455 MHz•• Basé sur OFDM (Orthogonal Basé sur OFDM (Orthogonal FrequencyFrequency Division Division ( g( g q yq y
MultiplexingMultiplexing))•• Vitesses comprises entre 6 et 54 Mbits/sVitesses comprises entre 6 et 54 Mbits/s
Mode Turbo ou 2X : 108 Mbits/s (Interdit en Europe)Mode Turbo ou 2X : 108 Mbits/s (Interdit en Europe)
Intérieur Intérieur/ExtérieurDomaines d’applications
•• Mode Turbo ou 2X : 108 Mbits/s (Interdit en Europe)Mode Turbo ou 2X : 108 Mbits/s (Interdit en Europe)
Low Middle High
200 mW 200 mW 1 W Puissance
Bande U-NII
5,15 GHz 5,20 GHz 5,25 GHz 5,30 GHz 5,35 GHz 5,470 GHz 5,725 GHzFréquences
23
Les canaux de 802.11a
5 155 15 5 35 MH5 35 MHCanalCanal FréquenceFréquence
(en GHz)(en GHz)•• 5,15 5,15 –– 5,35 MHz5,35 MHz–– 8 canaux de 20 MHz8 canaux de 20 MHz
5 4705 470 5 725 MHz5 725 MHz
(en GHz)(en GHz)
3636 5,185,18
4040 5,205,20
4444 5,225,22•• 5,470 5,470 –– 5,725 MHz5,725 MHz–– 11 canaux de 20 MHz11 canaux de 20 MHz
•• CoCo localisation de 19 réseaux possibleslocalisation de 19 réseaux possibles
,,
4848 5,245,24
5252 5,265,26
5656 5,285,28•• CoCo--localisation de 19 réseaux possibleslocalisation de 19 réseaux possibles 6060 5,305,30
6464 5,325,32
5,18 GHz 5,2 GHz 5,28 GHz5,22 GHz 5,24 GHz 5,26 GHz 5,3 GHz 5,32 GHz 5,35 GHz5,15 GHz
200 MH
24
200 MHz
802.11a/g - Zone de couvertureg
A l’i é i d bâ i• A l’intérieur des bâtimentsVitesses (Mbit/s) Portée (Mètres)( ) ( )
54 10
48 17
38 25
24 30
12 50
6 70
L. Boukhatem 25
IEEE 802 11IEEE 802.11 La sous-couche LLC
L. Boukhatem 26
Couche LLC (1/2)( )
L i l Li k C l (LLC) défi i l• Logical Link Control (LLC) défini par le standard IEEE 802.2
• Fonctionnalités : Contrôle de flux– Contrôle de flux
– Système de reprise sur erreur• Permet l’interopérabilité entre tous les
standards issus de l’IEEE 802.xstandards issus de l IEEE 802.x
L. Boukhatem 27
Couche LLC (2/2)( )Couche
Ré PaquetRéseau Paquet
LLC@
Couche LLC PaquetCouche
LLCFEC
MACCRCLPDUMAC
En têteCouche MAC
Liaison
Couche PHY MPDUPhysique En tête MPDU
L. Boukhatem 28Emission/Réception
Interopérabilité Wi-Fi - Ethernet
n de
Couche LLC
CouCouche LLCCouche LLC Couche LLC
he L
iais
ondo
nnée
sCouche LLC
Couche MAC
uche Liaisdonnées
Couche LLC
Couche MAC
Couche LLC Couche LLCC
ouch d Couche MAC
802.11Câble
son de sCouche MAC
EthernetAntenne
Couche Physique802.11
Couche PhysiqueEthernet
Câble
Ethernet
Antenne
802.11
L. Boukhatem 29
IEEE 802 11IEEE 802.11 La sous-couche MAC
L. Boukhatem 30
Connexion au réseau
Probe Request
Probe ResponseEcou
te
(1)
p
Mé iicat
ion
Mécanisme d’authentification
Aut
hent
ifi (2)
Association Request
Aat
ion
Association Response
Ass
ocia
(3)
L. Boukhatem 31
Techniques d’accès : historique• Qui peut parler et quand ?
lité é ité fl ibilité– qualité, équité, flexibilité• Aloha (1970)
Sl tt d Al h (1972)• Slotted-Aloha (1972)• CSMA (Carrier Sens Multiple Access) (1975)
– Non persistant– p-persistant
• CSMA/CD with Collision detection (1976 –Ethernet)
• CSMA/CA with Collision Avoidance (1997 –IEEE 802.11)
L. Boukhatem 32
Principales techniques d’accès Techniques d’accès
Accès statique Accès dynamique
FDMA
TDMA
Aléatoire A la demande Déterministe
Aloha PollingTDMA
CDMA
Aloha
slotted-Aloha
Polling
Jeton
CSMA
CSMA/CD
L. Boukhatem 33CSMA/CA
Accès aléatoire
• CSMA-CD (CSMA with Collision Detection)Constat : Continuer à émettre après collision diminue le taux d'utilisationDonc : Continuer à écouter le canal pendant laDonc : Continuer à écouter le canal pendant la transmission de la trameDans un contexte filaire :
Détection de Collisions : détection d ’interférences– Détection de Collisions : détection d interférences – Collision : superposition de signaux
E d lli i– En cas de collisionarrêter l'émissionRetransmettre après un délai aléatoireRetransmettre après un délai aléatoire
– Détecter les collisions : impossible en radio!
L. Boukhatem 34Éviter les collisions
Méthodes d’accès dans 802.11
Méthode d’accès avec collision DCF• Méthode d accès avec collision DCF(Distribution Coordination Function)
Base distribué transport données asynchrones– Base, distribué, transport données asynchrones (best effort)
• Méthode d’accès sans collision PCF (PointMéthode d accès sans collision PCF (Point Coordination Function)– Optionnel, centralisé (polling), données p , (p g),
sensibles au délai (isochrone)CFP CP CFP CP
PCF DCF PCFBalise Balise DCF
DCF ou CSMA/CA• Au lieu de détecter les collisions, on va
l é it C lli i A id (CA)les éviter : Collision Avoidance (CA)• Le CSMA/CA est basé sur :
– L’écoute du supportPhysical Carrier SensePhysical Carrier SenseVirtual Carrier Sense
– Mécanisme de réservation du support (RTS/CTS)– Mécanisme de réservation du support (RTS/CTS)– Network Allocation Vector (NAV)
– Les temporisateurs IFSLes temporisateurs IFS– L’algorithme de Backoff
L’ tili ti d’ itt t itifL. Boukhatem 36
– L’utilisation d’acquittements positifs
Temporisateurs
• 4 types temporisateurs– SIFS– DIFS– PIFS– EIFS
• SIFS < PIFS < DIFS< EIFS• Permet d’instaurer un système de priorité• Permet d instaurer un système de priorité
SDonnées
DIFS
Station source
Station destinationACK
SIFS
Autres stations
DIFS
Support utilisé
Backoff
Délai aléatoire
L. Boukhatem 37
Support utilisé Délai aléatoire
Algorithme de Backoff (1/2)g ( )
• Temps découpé en TimeslotF êt d t ti CW (CW ≤ CW ≤ CW )• Fenêtre de contention : CW (CWmin ≤ CW ≤ CWmax)
• CW initialisée à Wmin• Une station écoute le support avant toute tentative deUne station écoute le support avant toute tentative de
transmission– Si le support est libre après un DIFS : transmission
Sinon elle calcule un temporisateur suivant la formule suivante– Sinon elle calcule un temporisateur suivant la formule suivante: TBACKOFF = random (0, CW) x Timeslot
• Il y a collision lorsque : ACK CTS ’ été l é tt– ACK ou un CTS n’a pas été reçu par le émetteur
• A chaque collision, la taille de la fenêtre de contention (CW) double( )
• A la ième retransmission : – TBACKOFF(i)= random (0, CWi) x Timeslot– CWi = 2k+i – 1 où 2k représente la valeur minimale CWmin
L. Boukhatem 38
CWi 2 1 où 2 représente la valeur minimale CWmin
Algorithme de Backoff (2/2)g ( )DIFS DIFS DIFS DIFS
CW
Transmission
Station ATransmission
Transmission
TransmissionStation B
Station CStation C
Station DTransmission
Station ETransmission
L t ti èd T ill d l f êtLégende : Timeslot expiré
Timeslot restant
La station accède au support et l’écoute
Temps d’attente du à l’occupation du support par une autre station
Taille de la fenêtre de contention
CW
L. Boukhatem 39
Mécanisme de réservation
• But : Fiabiliser les transmissions en évitant• But : Fiabiliser les transmissions en évitant qu’une collision se produise
• Mécanisme basé surMécanisme basé sur – l’envoi de trames RTS/CTS – Un temporisateur : NAV (Network Allocation p (
Vector)• Ce mécanisme n’est utilisé que si la taille de
la trame est supérieure à RTS Thresholdla trame est supérieure à RTS_Threshold• Permet de résoudre le problème de la station
cachéecachée
L. Boukhatem 40
Transmission avec mécanisme de réservation
Données
DIFS SIFS
RTSStation source
Données
ACK
SIFS
CTS
RTS
SIFS
Station destinationACK
DIFS
ff
CTS
Autres stationsBackoff
NAV
Support réservé
L. Boukhatem 41
Station cachée
ObstacleObstacle
L. Boukhatem 42
PCF (Point Coordination Function)
PCF l f d d é• PCF permet le transfert de données isochrones
• Accès sans collision (Contention-free CF)CF)
• Méthode d’accès basée sur le polling, PC (Point Coordinator) réalisé par l’AP
• Inconvénient : méthode très peuInconvénient : méthode très peu implémentée au niveau des points d’accèsd accès
PCF• Les stations demandent au PC de les
enregistrer s r ne liste de pollingenregistrer sur une liste de polling• Régulièrement, le PC donne la main aux
stations pour envoyer leur trafic tout en leurstations pour envoyer leur trafic tout en leur envoyant du trafic.Alternance des périodes CFP et CP• Alternance des périodes CFP et CP– CFP : l’accès au médium est contrôlé par le PC
CP : déroulement de DCF les stations (incluant le– CP : déroulement de DCF, les stations (incluant le PC) sont en compétition pour accéder au médium
PCF DCF PCFBalise Balise DCF
CFP CP CFP CP
PCF
SIFS SIFS PIFS SIFSSIFS
CFPCP CP
U1 + ACK
D2 + ACK + Poll
U2 + ACK
D1 + PollBalise
SIFS SIFS PIFS SIFS
D3 + ACK + Poll D4 + Poll CF_END
U4 + ACK
SIFS
CF_END
SIFS SIFS
NAV
SIFSPIFS
• Le premier Beacon contient la durée maximale attendue de la période CFP
• En recevant ce Beacon les stations mettent cette valeur dans leur NAVEn recevant ce Beacon, les stations mettent cette valeur dans leur NAV• PC transmet une trame CF-end pour annoncer la fin de la période CFP• Les stations en recevant CFP-end réinitialisent leurs NAVs pour rentrer
dans la phase DCF
Débits dans Wi-Fi (1/4)( )
• Exemple : IEEE 802 11b• Exemple : IEEE 802.11b– Débit maximum théorique de 11 Mbits/s– Débit maximum utile de 5-6 Mbits/sDébit maximum utile de 5 6 Mbits/s
Données utiles
DIFS
ACK
SIFS
En têteC h MAC
En têteC h PHY
En têteC h PHY
En têteA tBackoff
Temps d’attente
Données utiles ACKCouche MAC Couche PHYCouche PHY
Overhead Overhead
AutresBackoff
– Variable Rate Shiffting Mécanisme qui ajuste le débit en fonction de l’environnement radiol environnement radio11 Mbits/s 5,5 Mbits/s 2Mbits/s 1Mbits/s
L. Boukhatem 46
Débits dans Wi-Fi (4/4)
Débit (mbit/s)
( )
Station A Station B
5
2,5
11 Mbit/s 1 Mbit/s
1
,
t1 t2 t3 t4 Temps (sec)
Débit utile ≈ 1 Mbit/s
L. Boukhatem 47
QoS dans 802.11
• DCF (décentralisé)• DCF (décentralisé)– Aucune différenciation de trafic– Problème de performances lié aux stations ayantProblème de performances lié aux stations ayant
la plus faible vitesse de transmission– Estimation du temps d’attente
PCF ( li é)• PCF (centralisé)– Aucune différenciation de trafic
Round Robin– Round RobinOrdonnancement du trafic
– Problème de performances lié aux stations ayant p yla plus faible vitesse de transmission
L. Boukhatem 48
802.11n
• Bandes de fréquencesBandes de fréquences– 2,4 GHz – 5 GHz– Compatible avec 802.11a/b/g
• Largeur de bande• Largeur de bande – 20 et 40 MHz
• Technique de transmission– MIMO (Multiple Input Multiple Output)
SDMA (S Di i i M lti l A )– SDMA (Space Division Multiple Access)• Codage
– STBC (Space Time Block Code)• Technique d’accès
– Basé sur 802.11e – HCF avec de nombreuses améliorations• Sécurité
– 802.11i• Finalisation du standard : 2007/2008
L. Boukhatem 49
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