Réseaux Mobiles - Chap4: Techniques d'accès multiple dans ...

Réseaux MobilesChap4: Techniques d’accès multiple dans le wifi

Rhouma Rhoumahttps://sites.google.com/site/rhoouma

École Supérieure d’Économie Électronique

2eme année Master Pro MBDS

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Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA

4 CSMA/CA avec RTS/CTS

5 Exercices d’applications

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Architecture wifi

Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA



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Architecture wifi

Mode infrastructure

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Architecture wifi

Mode Ad hoc

chaque machine peut échanger des informations avec n’importequelle autre machine sans AP.Chaque noeud du réseau peut servir de routeur lorsque deuxmachines ne peuvent se joindre directement

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Architecture wifi

autre exemple Ad hoc : Bluetooth

ds Blutooth : reseau = piconet

celui qui initie la communication est le maitre. l’ autre objetcommuniquant = esclave

fig a : liaison point à point avec un maitre et un esclave

fig b : plusieurs mobiles (8 au max) constitue un piconet dans lequel lemaitre communique avec un esclave

fig c : si plusieurs piconets se trouvent ds la meme zones, ils peuventêtre interconnectés pour former un scatternet (10 piconets au max)

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Architecture wifi

Bande occupée par wifiEn 1985 les autorités de régulation ont autorisé l’utilisation de la bande des2,4 GHz (ISM) pour des applications avec un accès libre sans licence, àcondition que les dispositifs mis en oeuvre respectent les exigencessuivantes :

puissance d’émission limitée, la limite étant plus basse en extérieur

insensibilité aux perturbations par l’utilisation d’une techniqued’étalement de spectre

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Architecture wifi

Bande occupée par wifi : ce qui se passe reelementex : dans la France

Wifi : seuls 4 canaux sur 13 sont disponibles, pas d’autorisationnécessaire pour une utilisation en indoor si la puissance reste inférieureà 100 mW

Bluetooth : 79 canaux, pas d’autorisation nécessaire pour une utilisationen indoor si P < 10 mW, et en outdoor avec P < 4mW

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CSMA/CA

Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA



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CSMA/CA

Techniques d’accès en wifi

De nombreux clients tentent d’accéder à un seul canal de manièrenon coordonnée.Toute transmission de toute station peut être entendu par lesautres stationsSi deux ou plusieurs stations émettent en même temps, unecollision se produitdiff entre erreurs régulières et collisions :

Les erreurs de transmissions affectent seulement une seule stationles collision affectent plus qu’une stationLes retransmission peuvent re-entrer en collision de nouveauMême si le premier bit d’une trame entre en collision avec le dernierbit d’une trame, alors les deux trames sont détruites

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CSMA/CA

La couche MAC IEEE802.11

Deux modes sont définis :1 DCF(Fonction de Coordination Distribuée). Basée sur CSMA avec

deux extensions :CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access / Collision AvoidanceRéservation du canal avec RTS/CTS

=⇒ Collisions possibles (en DCF)=⇒ Appropriée à la transmission de données (sans QoS)=⇒ Utilisable en modes ad-hoc et en mode infrastructure.

2 PCF(Point Coordination Function / Fonction de CoordinationCentralisée)

Basée sur l’interrogation périodique des stations par l’APSans collisionsAppropriée au services temps réelUtilisable seulement en mode infrastructure

Donc :=⇒ Mode ad-hoc : Uniquement DCF=⇒ Mode Infrastructure : peut utiliser DCF et PCF

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DCF : CSMA/CA

Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA



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DCF : CSMA/CA

CSMA/CA

Une station voulant transmettre écoute le support, et s’il estoccupé, la transmission est différéeSi le support est libre pour un temps spécifique (appeléDistributed Inter Frame Space : DIFS), alors la station estautorisée à transmettrePour réduire la probabilité d’avoir deux stations entrant en collisioncar ne pouvant pas s’entendre l’une l’autre, le standard définit :

le mécanisme de Virtual Carrier Sense (sensation virtuelle deporteuse) via l’indicateur NAV (Network Allocation Vector)et un mécanisme de contention.

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DCF : CSMA/CA

Espaces temps défini par Wi-FiLe standard définit 4 types d’espace en entre deux trames, utilisés pour leursdifférentes propriétés :

le SIFS (Short Inter Frame Space) de 28µs est utilisé pour séparer lestransmissions appartenant a un même dialogue (par exemple Fragment-ACK).C’est le plus petit écart entre deux trames et il y a au plus une seule stationautorisée a transmettre après cet intervallele PIFS (Point Coordination IFS) de 78µs est utilise par le Point d’accès pourobtenir l’accès au support avant n’importe quelle autre stationle DIFS (Distributed IFS) de 128µs est l’intervalle utilise par une station voulantcommencer une nouvelle transmissionle EIFS (Extended IFS) est l’intervalle le plus long utilisé par une station recevantun paquet qu’elle ne comprend pas. Ceci permet d’éviter que la station qui necomprend pas l’information de durée ne provoque de collision avec un futurpaquet

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DCF : CSMA/CA

Mécanisme de Contention

A la fin de la transmission d’un paquet de données, le supportredevient libre, et il est possible que deux stations démarrent unéchange simultanément. =⇒ La norme IEEE802.11 a mis enplace une temporisation aléatoire appelée contention ou backoff.chaque station choisit un nombre aléatoire entre 0 et N et attendce nombre de slots avant d’accéder au support.le back off est exponentiel, c’est-à-dire qu’à chaque fois qu’unestation entre en collision, le temps d’attente augmenteexponentiellement.l’algorithme de backoff exponentiel est exécuté quand une stationveut émettre et que le support est occupé ou après chaquetransmission ou retransmission réussiece mécanisme n’est pas utilisé quand la station décide detransmettre un nouveau paquet et que le support a été libre pourun temps supérieur au DIFS.la détection de collision est détecté par non-réception d’ACK.

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DCF : CSMA/CA

fenêtre de contention : CW (Contention Window

TBackoff = Rand [0,CW ]× Ts avec CW = 2k − 1CW : double après chaque collision.dans 802.11a et g : CWmin = 15, CWmax = 1023 ;dans 802.11b : CWmin = 31, CWmax = 1023Ts : Time slot. Varie de norme en norme : Dans 802.11a : 9 µs /802.11b : 20 µs / 802.11g : 10 µs

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DCF : CSMA/CA

exemple de transmission en DCF

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DCF : CSMA/CA

exemple de DCF avec CSMA/CA pur

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DCF : CSMA/CA

Débit effectif

Le débit effectif d’une transmission est inférieur au débit de lacouche physique (11 Mb/s ou 54 Mb/s) à cause des en-têtes destrames et des délais d’attente lors des transmissions (DIFS,Backoff, acquittements).Débits effectifs pour un datagramme IP

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CSMA/CA avec RTS/CTS

Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA



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Faiblesses de CSMA/CA

risque que le temps de backoff soit le meme pour deux stationsProblème de station caché

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exemple CTS/RTS avec CSMA/CA

Echange RTS/ CTS (Request To Send/Clear To Send) pour unetrame données.

Envoi de RTS avec durée de réservationAcquis via CTS après SIFS (avec durée de réservation)

Utilisation des silences courts SIFS (l’échange est prioritaire)Acquittement positif ACK obligatoire.Mécanisme d’écoute virtuelle (indicateur NAV (Network AllocationVector)) pour une autre station) :

Les autres stations connaissent la durée distribuée via RTS andCTS

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CSMA/CA + RTS/CTS

une station voulant émettre transmet d’abord un paquet decontrôle court (risque de collision faible) appelé RTS (Request ToSend), qui donnera la source, la destination, et la durée de latransactionla station destination répond (si le support est libre) avec unpaquet de contrôle de réponse appelé CTS (Clear To Send), quiinclura les mêmes informations sur la duréeaprès réception de CTS, la station peut transmettre ses données,dont la bonne réception est confirmée par un paquet ACK(Acknowledge)les différents noeuds mettent alors en oeuvre un mécanisme decontention (retard de durée aléatoire) à l’issue duquel le noeud auretard le plus faible peut envoyer ses données

Ce mécanisme de contention permet au point d’accès de distribuerdes priorités aux différentes stations du réseau.

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CSMA/CA + RTS/CTS

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trames spéciaux de WiFi

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Les stations cachées

dans un réseau radio, la portée limitée des interfaces pose leproblème des stations cachées accessibles par certaines interfaces etinaccessibles à d’autres.

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Les stations cachées

Dans l’exemple, la station n˚ 3 est une station cachée pour la n˚ 1.Pour éviter les collisions, la technique utilisée est la suivante :

la station n˚1 voulant émettre transmet le paquet court de contrôleRTS, qui donnera la source, la destination, et la durée de latransaction.la station n˚2 répond (si le support est libre) avec un paquet decontrôle de réponse CTS qui inclura les mêmes informations surla duréetoutes les stations recevant soit le RTS ou le CTS et en particulierla n˚3 sauront ainsi que le support radio est occupé et arrêterontd’émettre pendant la durée indiquée dans le paquet RTSGrâce au fait que le RTS et le CTS sont des trames courtes, lenombre de collisions est réduit.

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Exemple d’Échanges

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Brouillage

les brouillages (four à micro ondes par exemple) empêchant la bonneréception d’un paquet de données sont gérés par le protocole MAC dela façon suivante :

la station émettrice sait que la transmission ne s’est pas bieneffectuée si elle ne reçoit pas de paquet ACKelle renvoie alors le même paquet, après un temps de contentionaléatoirece mécanisme se reproduit jusqu’à la réception d’un ACK, quivalide la transmission et permet l’envoi du paquet suivante

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Fragmentation des paquets

pour éviter de ralentir la transmission par la perte de longs paquets,ceux-ci sont divisés en paquets plus courts, qui ont une meilleureprobabilité d’être transmis par radio sans pertes.

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exemple

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Exercices d’applications

Plan

1 Architecture wifi

2 CSMA/CA

3 DCF : CSMA/CA



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Exercice 1 : Réservation ou non ?

Une station A envoie a 1 Mbps un flux de trames contenant chacune1500 octets de données utiles a une station B. On donne :

la période de contention (Backoff) est en moyenne de 20 µs ;temps de propagation négligeablel’information pure de 1500 octects contient aussi les donnéesd’entete et CRC de taille 34 octectstrame CTS et ACK ont une taille de 14 octectstrame RTS a une taille de 20 octectsdans chaque trame MAC (donnée ou RTS ou CTS ou ACK), desdonnées de synchronisation de 24 octects sont aussi envoyés

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On demande :1 dessiner un schéma montrant les phases d’envoie de données où on utilise la technique

RTS/CTS en tenant compte du backoff, espaces inter-frames (DIFS, SIFS,..)2 calculer donc le temps nécessaire pour transmettre une trame sans collision3 faire de même dans le cas sans RTS/CTS4 calculer donc le temps nécessaire pour transmettre une trame sans collision5 calculer aussi le débit effectif pour chaque cas.6 déterminer donc l’efficacité du canal avec et sans le mécanisme RTS/CTS. On estime

qu’aucune trame n’est perdue. Quel est la solution la plus efficace coté débit et efficacité sila probabilité de collision est minimale.Lorsque le mécanisme RTS/CTS n’agit pas, seulement les trames de données peuventêtre perdues ; lorsqu’il agit, seules les trames RTS peuvent être corrompues. Il faut 20 µspour détecter l’absence d’une trame (CTS ou ACK), après quoi un délai de DIFS estintroduit. On supposera p2 négligeable.

7 simuler maintenant le cas de collision dans CSMA/CA + RTS/CTS8 calculer donc le temps de de mauvaise transmission qu’on va appeler TRTS

9 simuler le cas de de collision dans CSMA/CA sans RTS/CTS10 calculer donc le temps de de mauvaise transmission qu’on va appeler Tdata

11 Calculer donc le temps de retransmission probabilistique pour les deux cas.12 si la probabilité de collision p= 0.2, quel sera le débit effectif ?13 déduire la probabilité de perte de trame p a partir de laquelle le mécanisme RTS/CTS est

avantageux.

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Solution exercice 1

Transmission d’un paquet CSMA/CA+RTS/CTS

TDIFS = 128µs ; TSIFS = 28µs ; TBO = 20µsTrRTS = 192µs + 20× 8/106s = 352µsTrACK = TrCTS = 192µs + 14× 8/106s = 304µsTrData = 192µs + (1500 + 34)× 8/106s = 12,464 msTemps de transmission CSMA/CA + RTS/CST est :T = TDIFS +3×TSIFS +TBO +TrRTS +TrCTS +TrData+TrACK = 13558µs

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Question 3 et 4

Transmission d’un paquet CSMA/CA pur

Temps de transmission CSMA/CA pur est :T = TDIFS + TSIFS + TBO + TrData + TrACK = 12846µs

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Question 5 et 6

Débit effectif = quantité d’information utile / Temps de transmissionCSMA/CA + RTS/CTS :Deff = (1500× 8)/(13558µs) = 885 KbpsCSMA/CA pur :Deff = (1500× 8)/(12846µs) = 934 Kbps

Efficacité = (débit effectif / débit brut) ×100%CSMA/CA + RTS/CTS : Efficacité = 885 Kbps/1 Mbps = 88.5%

CSMA/CA + RTS/CTS : Efficacité = 934 Kbps/1 Mbps = 93.4%

On conclut que le lien wifi est mieux utilisé en CSMA/CA pur qu’enCSMA/CA+RTS/CTS dans les situations normales (peu de collision).

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Question 7 et 8

Mauvaise transmission d’un RTS :

TRTS = TDIFS + TBO + TrRTS + TSIFS + 20µs = 548µs

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Question 9 et 10

Mauvaise transmission d’une donnée :

Tdata = TDIFS + TBO + Trdata + TSIFS + 20µs = 12660µs

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Question 11

temps de retransmission d’un paquet avec RTS/CTSSoit p la probabilité de collisionCSMA/CA avec RTS/CTS :T = (1− p)× 13558 (pas de retransmission)+(1− p)× p(TRTS + 13558) (1 retransmission)+(1− p)× p2(2× TRTS + 13558) (2 retransmission)+(1− p)× p3(3× TRTS + 13558) (3 retransmission)...puisque p2 est negligeable et de meme pn, on a :T = 13558 + 548× p

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Question 11

temps de retransmission d’un paquet sans RTS/CTSCSMA/CA sans RTS/CTS :T ′ = (1− p)× 12846 (pas de retransmission)+(1− p)× p(Tdata + 12846) (1 retransmission)+(1− p)× p2(2× Tdata + 12846) (2 retransmission)+(1− p)× p3(3× Tdata + 12846) (3 retransmission)...puisque p2 est négligeable et de meme pn, on a :T ′ = 12846 + 12660× p

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Question 12

probabilité de collision p =0.2CSMA/CA + RTS/CTS : T = 13558 + 548× p = 13667.6µsDébit effectif :Deff = (1500× 8)/(13667.6µs) = 878 Kbps < 885 Kbpsuniquement chute de débit de 0.7%CSMA/CA pur : T ′ = 12846 + 12660× p = 14112µsDébit effectif :Deff = (1500× 8)/(14112µs) = 850 Kbps � 934 Kbps énormechute de débit de 9%

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Question 13

T = T ′ ssi pcollision = 0.059 ' 0.06%

La courbe CSMA/CA pur est meilleur que CSMA/CA+RTS/CTS si p estfaible.

Mais dés que p soit supérieur à pcollision, le temps CSMA/CA puraugmente exponentiellement par rapport à CSMA/CA+RTS/CTS.

Si p > pcollision il faut donc utiliser la solution CSMA/CA+RTS/CTS45 / 52


Exercice 2

Soit un réseau WiFi de débit 54 Mbps comportant 5 stations A, B, C, Det E. Appliquez la méthode d’accès du WiFi et représentez l’ordred’accès par un schéma en sachant que :

Chaque station envoie une seule trame (toutes les trames durent6 slots et tiennent compte implicitement des trames RTS et CTSet ACK)L’espace inter-trames dure 1 slotLes stations décident d’émettre aux instants en µs :A à t = 0 ; B à t = 2 ; C à t = 4 ; D à t = 1 et E à t = 13.Pour simplifier, le backoff des stations sera comme suit pourchaque station : tA = [0, 3, 7, 2] ; tB = [6, 7, 5, 1] ; tC = [2, 4, 6, 1]slots ; tD= [4, 2, 5, 1] slots et tE = [4, 2, 1, 0] slotson suppose qu’un slot dure 200µs, et que la trame contient 2000octets (ça inclut les donnée pures+tramesRTS+CTS+Ack+synchro). Calculer le débit effectif pour chaquestation.

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Solution

Une station avant d’émettre s’assure que le canal est libre en l’écoutant et qu’aucunestation cachée n’est en train d’émettre (grâce au NAV – Network Allocation Vector).Si ces conditions sont réunies elle émet, sinon elle tire au hasard un temps d’attente et nepourra émettre qu’à l’expiration de ce temps. Ce temps d’attente représente le tempspendant lequel la station doit constater que le canal est libre avant d’émettre si durantcette attente une autre station prend la main et émet l’attente est interrompue et reprise àla fin de cette émission.Enfin, après chaque émission il y a un temps d’attente inter-trame respecté par toutes lesstations et appelé DIFS.

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calcul de débits

DA = 2000×8200×6×10−6−0 = 13.3 Mbps

DB = 2000×8(6×5+4+(2+2+2+1)−2)×200×10−6 = 2 Mbps

DC = 2000×8(6×2+1+2−4)×200×10−6 = 7.27 Mbps

DD = 2000×8(6×3+2+(2+2)−1)×200×10−6 = 3.47 Mbps

DE = 2000×8(6×4+3+(2+2+2)−13)×200×10−6 = 4 Mbps

On voit bien la différence entre le débit théorique de 54 Mbps et lesdébits réels des stations. il y a aussi des différences entre les débitsréels de chaque station par rapport aux autres stations.

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Exercice 3

Si on veut déployer le WIFI au sein d’un campus pour qu’il couvre toutle campus.

Expliquer les étapes ainsi que les précautions que vous devezsuivre.Quels sont les canaux a utiliser ?Faites un schéma des zones de recouvrement. Rappelons qu’il ya 13 canaux disponibles et que la fréquence centrale d’un canal"i" est éloignée de 5 MHz (dans les deux sens) des deux canauxvoisins (c-a-d, i-1 et i+1). De plus, les canaux doivent etreespacés de 25 a 30 MHz pour ne pas interferer.

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Solution exercice 3

On doit faire attention à ce que deux points d’accès utilisant lesmêmes canaux n’aient pas des zones d’émission qui serecoupent ce qui engendrerait des distorsions du signal risquantde perturber la transmission.Il est recommandé ne pas avoir deux points d’accès utilisant lesmêmes canaux proches l’un de l’autre.les canaux du wifi sont 14 canaux de 22 MHz espacé l’un à l’autrede 5 MHz.

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voici une bonne sélection des canaux wifi :

voici une mauvaise configuration :

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