Diapositive 1

Cours : Rseaux locaux sans filsChapitre 1 : 802.11 et techniques daccs multiples

Enseignant : TRABELSI Selem

E-mail : selem.trabelsi@yahoo.comEcole Nationale dElectronique et des Tlcommunications de Sfax

AU : 2014-2015

Plan du chapitre 1IntroductionCouche physiqueDSSSFHSSOFDMCouche liaison de donneDCFPCFStandards du WiFi1

IntroductionNormes 802.11 couvre les deux premires couches du modle OSISimilaire au normes de la comit 802 (Ethernet 802.3, Token Ring 802.5 )Couche physique et couche de liaison de donneCouche liaison de donne divise en deux sous couches : MAC et LLC 2

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Couche physiqueCharge de la transmission effective dessignaux lectriquesentre les interlocuteurs.Cette couche est charge de laconversionentre bits et signaux lectriquesDivise en deux sous couches :3

PMD (Physical Medium Dependent)Encodage de donne ModulationPLCP (Physical Layer Convergence Protocol)Ecoute du supportSignaler la couche 2 si le support est libre ou occupe

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Couche physique802.11 propose trois couches diffrentes de la couche physique suivant trois techniques de transmissionFHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)IR (Infra Rouge)De nouvelles techniques rajoutesOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)4

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Couche physiqueL'talement de spectre par saut de frquenceUtilise la bande ISM (Industrial, Scientific and Medical dfinie 2,400 GHz 2,4835 GHz ) rpartie en 79 canaux de largeur de bande 1 Mhz Saut effectu tous les 300 400 ms 3 ensembles de 26 squences : 78 squences de saut possibles Squence alatoire connue par lmetteur et le rcepteurOffre trois avantages par rapport l'utilisation d'une frquence unique:il rend le signal transmis trs rsistant aux interfrencesle signal est plus difficile intercepter,les signaux transmis de cette manire peuventpartagerdes bandes de frquence avec d'autres types de transmissionDbit de 1 2 Mbit/s

5FHSS

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Couche physique6FHSS

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Couche physiquetalement de spectre squence directe 13 canaux de de 20 MhzFrquence crtes espaces de 5 MhzCanal 1= 2.412 GHz, canal 13= 2.472 GHzLargeur bande 83.5 Mhz7DSSS

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Couche physiqueUn seul canal utilis par transmission : sensible au interfrencesLa bande passante utilise par un canal stale sur les canaux voisins et le spectre du signal occupe une bande comprise entre 10 et 15 MHz de chaque cot de la frquence centralObligation dutilisation des canaux espacs de 25 Mhz 30 Mhz pour limiter les interfrences 8DSSS

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Couche physique9DSSSSeuls 3 canaux sont utilisables simultanment, par des rseaux proches (ESS), afin d'avoir les performances optimales Si deux rseaux utilisent des canaux avec des frquences qui se superposent l'un va dtecter que les signaux de l'autre sont des interfrences, et rciproquementPour permettre plusieurs rseaux d'mettre sur une mme cellule, il faut allouer chacun d'eux des canaux appropris, qui ne se recouvrent pas. Par exemple si l'un d'eux utilise le canal 6, le canal 5 et 7 ne peut pas tre utilis par le deuxime rseau, car trop proche de mme pour les canaux 2, 3, 4, 8, 9 et 10. Les canaux qui peuvent tre utiliss sont les canaux 1, 11, 12 et 13

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Couche physique10DSSSAvec une largeur de la bande de 83.5 MHz, il ne peut y avoir au maximum que trois rseaux 802.11 DSSS qui peuvent mettre simultanment sans risque dinterfrences

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Couche physiqueCette technologie consiste transmettre pour chaque bit une squence Barker galement appele bruit pseudo-alatoire.Chaque utilisateur dfinit par son propre code BarkerAinsi chaque bit valant 1 est remplac par une squence de bits et chaque bit valant 0 par son complment.11DSSSsquence de 11 bits 10110111000 pour reprsenter un 1 et son complment 01001000111 pour coder un 0. Cette technique est appele chipping.

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Couche physique12DSSSGrce au chipping, de l'information redondante est transmise ce qui permet d'effectuer des contrles d'erreurs voire de la correction d'erreurs.Si le rcepteur reoit 10110111001 il le transforme facilement en 1Technique de modulation utilise :BPSK ( Binary Phase-shift keying ) chaque changement de phase encode 1 bitQPSK (Quadrature Phase-shift keying ) 4 changement de phase

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Couche physique13OFDMcodage de signaux numriques par rpartition en frquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette orthogonalit permet de sparer les canaux afin dviter les interfrences du canal.partitionner la bande passante (U-NII 5 GHz) en plusieurs sous porteuses ou canaux distincts. Division des deux premier sous bande en 8 canaux de 20 MHzChaque canaux divis en 52 sous porteuses (48 donnes et 4 correction derreur)

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Couche physique14OFDM

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Couche physique14OFDM

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Compose de 2 sous-couches LLC : Logical Link ControlUtilise les mmes proprits que la couche LLC 802.2 Possible de relier un WLAN tout autre rseau local appartenant un standard de l'IEEEMAC : Medium Access ControlSpcifique l'IEEE 802.11 Assez similaire la couche MAC 802.3 du rseau Ethernet couche liaison de donnes15

Similaire la couche MAC de lEthernet 802.3Fonctionnalits:Contrle daccs au supportAdressage du tramesContrle derreur par un CRC Fragmentation et rassemblageQoSGestion de la mobilit et de lnergie Scuritcouche liaison de donnes16Couche MAC

Principe : Les terminaux coutent la porteuse avant d'mettre. Si la porteuse est libre, le terminal met, sinon il se met en attente. Particularit du standard : dfinition de 2 mthodes d'accs fondamentalement diffrentes au niveau de la couche MACDCF : Distributed Coordination FunctionSimilaire EthernetChances gales daccs au supportTransmission de donnes asynchronesCollision possibles PCF : Point Coordination FunctionPoint daccs : serveur de jetonNe gre pas de collisions ( gestion de priorit)Application temps rel : voix vido couche liaison de donnes17Couche MAC

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Mthode daccs gnrale pour le transfert des donnes asynchronesRepose sur le protocole CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)Pas de dtection de collision comme CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Il faut viter la collisionCSMA/CD Ne peut pas tre utilis dans les environnements sans filLa dtection des collisions n'est pas possible pour les rseaux locaux 802.11 car la station ne peut pas couter et de transmettre en mme tempsComme une station ne peut pas couter sa propre transmission si une collision se produit, celle-ci continuera toujours transmettre la trame complte ce qui entranera une perte de performance au niveau du rseauCSMA/CAAccs alatoire avec coute de la porteuseEviter plusieurs transmissions simultanesRduire le nombre de collisionCouche MAC18DCF

: pour dtecter une collision, une station doit tre capable dcouter et de transmettre en mme temps, or dans les systmes radios, la transmission couvre la capacit de la station entendre la collision (les liaisons radios ne sont pas en Full Duplex). Comme une station ne peut pas couter sa propre transmission si une collision se produit, celle-ci continuera toujours transmettre la trame complte ce qui entranera une perte de performance au niveau du rseau.

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Principe:Ecoute de support avant transmissionTransmission diffr, si rseau encombr.Si mdia libre pendant un temps donne temporisateur IFS (appel DIFS pour Distributed Inter frame spacing) Emission Imposer un accuss de rception des paquets transmis Rserver par les trames RTS/CTSUtiliser lalgorithme de backoff en cas de collisionDCF19CSMA/CA

Mcanisme despacement entre les trames (IFS Inter Frame Spacing)Short IFS (SIFS) : cest le plus petit des IFS il est utilis pour sparer les transmissions au sein dun mme dialogue (envoi de donnes, ACK, etc)PCF IFS (PIFS) : est utilis par le point daccs pour accder avec priorit au support. Le PIFS correspond la valeur du SIFS auquel on ajoute un tempsPIFS = SIFS +SlotimeDCF IFS (DIFS) : est utilis lorsque une station veut commencer une nouvelle transmissionDIFS = SIFS +2* SlotimeExtended IFS (EIFS) : est utilis par les stations oprant en mode DCF. Il est suprieur au DIFS et utilis suite un FCS ( Frame Check Sequence ) trame erron.

DCF20Accs au support

DCF21Algorithme de backoffPermet de rsoudre le problme de l'accs au support lorsque plusieurs stations veulent transmettre des donnes en mme tempsTemps dcoup en tranches (timeslots)Timeslot de 802.11 un peu plus petit que la dure de transmission minimale d'une trame, utilis pour dfinir les intervalles IFSLes stations ont la mme probabilit d'accder au support car chaque station doit, aprs chaque retransmission, rutiliser le mme algorithme Inconvnient : Pas de garantie de dlai minimal Complique la prise en charge d'applications temps rel telles que la voix ou la vido

DCF22Algorithme de backoffInitialement, une station calcule la valeur d'un temporisateur = timer backoff, compris entre 0 et 7 Lorsque le support est libre, les stations dcrmentent leur temporisateur jusqu' ce que le support soit occup ou que le temporisateur atteigne la valeur 0Si le temporisateur n'a pas atteint la valeur 0 et que le support estde nouveau occup, la station bloque le temporisateurDs que le temporisateur atteint 0, la station transmet sa trameSi 2 ou plusieurs stations atteignent la valeur 0 au mme instant, une collision se produit et chaque station doit rgnrer un nouveau temporisateur, compris entre 0 et 15

DCFAlgorithme de backoffFentre de contention CW, et un Timer (Timer backoff)= random (0, CW)* timeslot 23

DCFAlgorithme de backoffLa contention

En cas de collision la fentre de collision est doubl24

DCFEcoute supportCouche physique avec PCS : Physical Carrier Sense Couche MAC avec VCS : Virtual Carrier SensePCS : Physical Carrier Sense Le PCS dtecte la prsence d'autres stations 802.11 : En analysant toutes les trames passant sur le support hertzien En dtectant l'activit sur le support grce la puissance relative du signal des autres stationsComme le support est libre, les stations dun mme BSS peuvent grce au PCS, couter lactivit de toutes autres stations. Ainsi lorsquune station envoie une trame, les autres stations entendent quune trame a t envoye dans le rseau et pour viter quune autre station nenvoie aussi une trame et provoque une collision, les autres stations mettent jour un timer appel Network Allocation Vector (NAV) qui permet de retarder toutes les transmissions quelles avaient prvu.25

DCFEcoute supportCouche physique avec PCS : Physical Carrier Sense Couche MAC avec VCS : Virtual Carrier SenseVCS : Virtual Carrier Sense Mcanisme de rservation envoi de trames RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) entre une station source et une station destination avant tout envoi de donnes Station qui veut mettre envoie un RTSToutes les stations du BSS entendent le RTS, lisent le champ de dure du RTS et mettent jour leur NAVStation destination rpond aprs un SIFS, en envoyant un CTSLes autres stations lisent le champ de dure du CTS et mettent de nouveau jour leur NAVAprs rception du CTS par la source, celle-ci est assure que le support est stable et rserv pour la transmission de donnes26

DCFRservation

Exemple de transmission avec RTS/CTS27

DCFRservationTransmission des donnes et rception de l'ACK sans collision Trames RTS / CTS rservent le support pour la transmission d'une station Mcanisme habituellement utilis pour envoyer de grosses trames pour lesquelles une retransmission serait trop coteuse en terme de bande passanteLes stations peuvent choisir D'utiliser le mcanisme RTS / CTS De ne l'utiliser que lorsque la trame envoyer excde une variable RTS_Threshold De ne jamais l'utiliser28

DCFProblme station cache 2 stations situes chacune l'oppos d'un point d'accs (AP) ou d'une autre station peuvent entendre l'activit de cet AP ne peuvent pas s'entendre l'une l'autre du fait que la distance entre les 2 est trop grande ou qu'un obstacle les empche de communiquer entre elles Le mcanisme de RTS / CTS permet de rsoudre ce problme

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DCFProblme station cache Station B cache de la station A mais pas de la station CLa station A transmet des donnes la station C, mais la station B ne dtecte pas d'activit de la station ADans ce cas, la station B peut transmettre librement sans interfrer avec la transmission de la station ASi A et C changent des RTS / CTS, la station B, bien que n'coutant pas directement la station A, est informe par l'envoi par la station C d'un CTS que le support est occupB n'essaie donc pas de transmettre durant la transmission entre A et CCe mcanisme ne permet pas d'viter les collisions, mais une collision de RTS / CTS ne gaspille pas autant de bande passante qu'une collision de donnes30

Couche liaison de donnePCFPCF : Point Coordination FunctionPCF est un mode d'accs est complmentaire au mode d'accs dcentralise DCF LAP prend le contrle du support et choisit les stations qui peuvent transmettre : pollingLAP dfinit un PC (Point Coordination) avec deux priodes :CP (Contention Period) : priode de temps avec contention qui utilise la mthode DCFCFP (Contention Free Period) : priode sans contention qui utilise la technique PCF

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Couche liaison de donnePCFPour permettre le transfert de donnes temps rel tel que la voix ou la vido ainsi que des services de priorits, 802.11 utilise une seconde mthode daccsoptionnelle : le PCF. PCF est un mode d'accs est complmentaire au mode d'accs dcentralise DCF LAP prend le contrle du support et choisit les stations qui peuvent transmettre : pollingLAP dfinit un PC (Point Coordination) avec deux priodes :CP (Contention Period) : periode de temps avec contention qui utilise la mthode DCFCFP (Contention Free Period) : priode sans contention qui utilise la technique PCF

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Couche liaison de donnePCFPrise de contrle de la communication par un AP en envoyant un beacon dans un temps PIFS. Ce beacon contient une dure qui est utilise par les stations pour initialise leur valeur NAV (dure priode PCF)LAP interroge dune manire squentielle (lun aprs lautre ) chaque station prsente dans sa liste de polling) Les stations nont pas le droit dmettre sans tre autoriser par le point daccs:

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Au commencement dun CFP, l AP coute le support pour savoir sil est occup pendant un temps PIFS. Sil ne lest pas, lAP envoi une trame balise puis aprs avoir attendu pendant un SIFS, la transmission peut dbuter. L AP peut envoyer des trames CF_Poll, des trames de donnes ou encore des trames CF_Poll contenant aussi des donnes. LAP peut terminer tout moment le CFP en envoyant une trame CF_End ce qui peut tre utile lorsque la charge du rseau est assez faible ou lorsque lAP na plus aucune trame de donnes buffris. Lorsquune station CF_Aware reoit un CF_Poll (sans donnes), elle peut alors envoyer au AP aprs SIFS soit un CF_ACK (sans donnes), des donnes ou un CF_ACK (avec donnes). Si le PC reoit dune station des donnes et un CF_ACK, alors il peut envoyer une autre station des donnes, un CF_ACK et un CF_Poll, le CF_ACK acquittant la rception de la station prcdente.Couche liaison de donnePCF34

Il y a trois principaux types de trames: Les trames de donnes utilises pour la transmission des donnes Les trames de contrle utilises pour contrler laccs au support (eg. RTS, CTS, ACK) Les trames de gestion transmises de la mme faon que les trames de donnes pour lchange dinformations de gestion, mais qui ne sont pas transmises aux couches suprieures.Trames 802.1134Toutes les trames 802.11 sont composes des composants suivants :

Trames 802.1134Prambule Il est dpendant de la couche physique et comprend : Synch : cest une squence de 80 bits alternant 0 et 1. SFD : le Start Frame Dlimiter consiste en la suite de 16 bits 0000 1100 1011 1101, utilise pour dfinir le dbut de la trame. En-tte PCLP (Trame 802.11) toujours transmis 1 Mbps et contient des informations logiques utilises par la couche physique pour dcoder la trame : Longueur de mot du PLCP_PDU : il reprsente le nombre doctets que contient le paquet, ce qui est utile la couche physique pour dtecter correctement la fin du paquet. Fanion de signalisation PLCP : il contient seulement linformation de tauxDonnes MAC (Trame 802.11)

Trames 802.11Contrle de trame (en-tte MAC) contient les informations suivantes :

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Trames 802.11Dure / ID (en-tte MAC) : Ce champ deux sens, dpendant du type de trame : - pour les trames de polling en mode dconomie dnergie, cest lID de la station - dans les autres trames, cest la valeur de dure utilise pour le calcul du NAV. Les champs adresses (en-tte MAC) Une trame peu contenir jusqu 4 adresses, selon le bit ToDS et FromDS dfinit dans le champ de contrle, comme suit : Adresse 1 est toujours ladresse du rcepteur. Si ToDS est 1, cest ladresse du Point dAccs, sinon, cest ladresse de la station. Adresse 2 est toujours ladresse de lmetteur. Si FromDS est 1, cest ladresse du Point dAccs, sinon, cest ladresse de la station mettrice. Adresse 3 est ladresse de lmetteur original quand le champ FromDS est 1. Sinon, et si ToDS est 1, Adresse 3 est ladresse destination.Adresse 4 est utilis dans un cas spcial, quand le systme de distribution sans fil (Wireless Distribution System) est utilis et quune trame est transmise dun Point dAccs un autre. Dans ce cas, ToDS et FromDS sont tous les deux 1 et il faut donc renseigner la fois lmetteur original et le destinataire. 36

Trames 802.11La table suivante rsume lutilisation des diffrentes adresses selon les bits FromDS et ToDS :

Contrle de squence (en-tte MAC) Le champ de contrle de squence est utilis pour reprsenter lordre des diffrents fragments appartenant la mme trame, et pour reconnatre les paquets dupliqus. Il consiste en deux sous-champs, le numro de fragment et le numro de squence qui dfinissent le numro de trame et le numro du fragment dans la trame. 37

Trames 802.11Cyclic Redundancy Check (Trame 802.11)Le CRC est sur 32 bits pour le contrle dintgrit (correction derreur).

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