Wi-Fi

Lila Boukhatemlila@lri.frLRI : 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