Fiche technique

Avec la récente adoption de nouveaux standards pour les réseaux locaux (LAN) sans fil haut débit, les utilisateurs nomades disposent désormais de performances, de débits et de disponibilités comparables à ceux des réseaux Ethernet filaires classiques. Les LAN sans fil (Wireless LAN), dont fait partie le Wi-Fi, sont devenus une solution de choix pour la mise en place d’un réseau.

Le standard IEEE 802.11 est un système de transmission de données assurant la liaison entre les périphériques par les ondes radio plutôt que par un réseau filaire. La portée des réseaux Wi-Fi se limite à une trentaine de mètres en intérieur et environ cents mètres en extérieur. Le marché du sans fil se développe rapidement dès lors que les entreprises constatent les gains de productivité qui découlent de la disparition des câbles, de plus les particuliers apprécient beaucoup la convivialité du « sans fil ». La généralisation des WLAN dépend de la standardisation de l’industrie. Celle-ci assurera en effet la fiabilité et la compatibilité des produits entre les divers équipementiers. L’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) a ratifié la spécification 802.11, norme régissant les réseaux locaux sans fil, en 1997.

Les principaux acteurs de l’industrie du sans fil se sont réunis en 1999 au sein de la WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) renommé Wi-Fi Alliance. La mission de la Wi-Fi Alliance est de certifier l’interopérabilité et la compatibilité interfournisseurs des équipements pour réseaux sans fil IEEE 802.11, ainsi que de promouvoir ce standard auprès des Grands Comptes, des PME et du grand public. La Wi-Fi Alliance est aujourd’hui composée de plus de 200 groupes et à certifié plus de 600 produits relatifs au Wi-Fi.

Le Wi-Fi représente le protocole de communication 802.11b, mais cette association est souple. Wi-Fi représente plus la famille 802.11, car avec les évolutions et la compatibilité des protocoles de cette famille, les réseaux Wi-Fi évolueront vers un autre protocole. De la même façon Ethernet regroupe les normes 10BaseT, 100BaseT et bien d’autres.

Le premier standard 802.11 à été créer en 1997. Ce standard propose trois interfaces de communications : l’infrarouge (IR), l’étalement de spectre avec sauts de fréquence (FHSS) et l’étalement de spectre par séquence directe (DSSS). La bande de fréquence du standard est 2,4GHz. Etant donné que le débit atteint quelque soit l’interface était 1-2Mbps, ce standard ne pouvait pas se faire une place sur le marché.

Deux ans plus tard, IEEE faisait évoluer 802.11 en deux spécifications.
802.11b a passé la barre des 10Mps sur 2.4GHz, pour cela il conserve DSSS et intègre un schéma de codage plus efficace, le CCK (complementary code keying). Il intègre aussi un second schéma de codage PBCC (Packet Binary convolutionnal Code) plus efficace sur la plage 5.5Mbps – 11Mbps.
La seconde norme est 802.11a, sa fréquence de travail est 5.2GHz. La technique de transmission est incompatible avec 802.11b, c’est une modulation par multi-porteuse : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Début 2000, IEEE a formé un groupe de travail dont le but était de définir le prochain standard haut débit sur la bande 2.4GHz, le 802.11g.

Fin 2001, le « 802.11g draft standard » fut rédigé par IEEE avec l’aide de Texas Instrument et de Intersil Corporation. Le 802.11g réunit le meilleur des deux normes existantes. Il emprunte le OFDM à 802.11a comme technologie obligatoire. Texas Instrument intégra PBCC-22, une version 22Mbps de PBCC. Intersil fourni CCK-OFDM, une adaptation de CCK sur OFDM.

Le 24 février 2003, la Wi-Fi Alliance annonce le début des certifications de produits 802.11g basé sur le standard final IEEE.

Architecture des réseaux

Le standard 802.11 définit deux architectures : un mode infrastructure et un mode ad hoc.
En mode infrastructure, le réseau sans fil consiste au minimum en un point d’accès (AP, Access Point) connecté à l’infrastructure du réseau filaire et un ensemble de postes réseaux sans fil. Cette configuration est baptisée Basic Service Set (BSS, ou ensemble de services de base). Un Extended Service Set (ESS, ou ensemble de services étendus) est un ensemble d’au moins deux BSS formant un seul sous réseau. Tous les messages à l’intérieur d’un BSS transitent par le point d’accès.

Le mode ad hoc (également baptisé point à point (Peer to Peer), ou ensemble de services de base indépendants - soit IBSS, de l’anglais Independent Basic Service Set) représente simplement un ensemble de stations sans fil 802.11 qui communiquent directement entre elles sans point d’accès ni connexion à un réseau filaire. Ce mode permet de créer rapidement et simplement un réseau sans fil là où il n’existe pas d’infrastructure filaire ou encore 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.

Fonctionnement technique

Le standard 802.11 se concentre sur les deux couches inférieures du modèle ISO, la couche physique et la couche des liaisons données. Toutes les applications réseau, tous les protocoles réseaux fonctionnent aussi simplement sur un réseau 802.11 que sur Ethernet.

La couche physique

La première couche du modèle OSI repose sur une technologie d’étalement de spectre avec sauts de fréquence (FHSS), en séquence directe (DSSS), ou par division orthogonale de fréquence (OFDM).

Par la technique des sauts de fréquence (FHSS), la bande des 2,4 GHz est divisée en 75 sous canaux de 1 MHz. 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.

En revanche, la technique de signalisation en séquence directe (DSSS) 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.

Le principe de OFDM est de diviser le canal principal en sous canaux de fréquence plus faible. Chacun de ces sous canaux est modulé par une fréquence différente, l'espacement entre chaque fréquence restant constant. Ces fréquences constituent une base orthogonale : le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée. La répartition des canaux se fait par une FFT (Fast Fourier Transform). Cette technique est aussi utilisée pour l’ADSL.

La couche de liaison de données

La couche de liaison de données de 802.11 se compose de deux sous-couches : le contrôle de la liaison logique (Logical Link Control, ou LLC) et le contrôle d’accès au support (Media Access Control, ou MAC). Le standard 802.11 utilise la LLC 802.2 et l’adressage sur 48 bits, tout comme les autres LAN 802, simplifiant ainsi le routage entre les réseaux sans fil et filaires. Le contrôle d’accès au support est en revanche propre aux WLAN.

Le standard 802.11 fait appel à la fonction DCF (Distributed Coordination Function) basé sur le CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) technique analogue au CSMA/CD utilisé par l’Ethernet, ou à la fonction PCF (Point Coordination Function). Le protocole CSMA/CA tente d’éviter les collisions 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.

La couche MAC 802.11 offre deux caractéristiques de robustesse : les sommes de contrôle CRC et la fragmentation des paquets. Pour chaque paquet, une somme de contrôle est calculée et rattachée afin d’assurer que les données n’ont pas été corrompues durant leur transit. Cette technique diffère d’Ethernet où les protocoles de niveau supérieur tels que TCP gèrent le contrôle d’erreur.
La fragmentation des paquets permet de casser les gros paquets en unités de plus petite taille lorsqu’ils sont transmis par radio, ce qui s’avère particulièrement utile dans les environnements très congestionnés ou lorsque les interférences posent problème, puisque les gros paquets courent plus de risque d’être corrompus.
Cette technique limite le risque de devoir retransmettre un paquet et améliore donc globalement les performances du réseau sans fil. La couche MAC est responsable de la reconstitution des fragments reçus, le traitement étant ainsi transparent pour les protocoles de niveau supérieur.
La couche MAC 802.11 est responsable de la manière dont un client s’associe à un point d’accès. 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’elle 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 de performances supérieures.

Sécurité :

La sécurité est le premier souci de ceux qui déploient les réseaux locaux sans fil. Le workgroup 802.11 a apporté une solution en élaborant un processus appelé WEP (Wired Equivalent Privacy). Le standard définit l’utilisation optionnelle de l’algorithme PRNG RC4 à clé partagée sur 40 bits de « RSA Data Security ». Il est possible d’augmenter la taille de la clé, car les 40 bits de base ne sont pas suffisants pour une sécurité correcte.
802.11 gère à la fois le contrôle d’accès sur la couche MAC (Couche 2 du modèle ISO) et les mécanismes de chiffrement WEP de manière à assurer aux LAN sans fil une sécurisation équivalente à celle des réseaux filaires. Pour le contrôle d’accès, un ESSID (également appelé WLAN Service Area ID) est programmé sur chaque point d’accès. Un client sans fil ne pourra s’associer à un point d’accès que s’il connaît l’identificateur de ce dernier. De plus, il est possible d’intégrer au point d’accès une table des adresses MAC, baptisée Access Control List, qui limitera l’accès aux clients dont l’adresse MAC figure dans la liste.
Malheureusement, l’ajout du WEP encombre un peu plus la bande passante et donc le débit diminue. Le débit en 802.11b descend en dessous des 2Mbps et passe a 20Mbps pour le 802.11g.

Mobilité - Roaming :

Si le standard 802.11 définit la manière dont une station s’associe aux points d’accès, il ne définit pas la manière dont les points d’accès suivent l’utilisateur dans ses déplacements, soit sur la couche 2 (MAC) entre deux points d’accès d’un même sous réseau, soit sur la couche 3 (IP) lorsque l’utilisateur change de sous réseau et de routeur.

Le premier problème est pris en charge par des protocoles de communication inter points d’accès propriétaires, dont les performances sont très variables. Si le protocole n’est pas efficace, il existera un risque de perte de paquets lorsque l’utilisateur passera d’un point d’accès à un autre. Le groupe de travail du IAPP (Inter Access Point Protocol) est le 802.11f.

Le deuxième problème est géré par les mécanismes d’itinérance de niveau 3. Le plus fréquent d’entre eux est Mobile IP, baptisé RFC 2002 par IETF (Internet Engineering Task Force). Mobile IP fonctionne en définissant un point d’accès comme "agent domestique" pour chaque utilisateur. Lorsqu’une station sans fil sort de sa zone d’origine et passe dans une nouvelle zone, le nouveau point d’accès demande à la station quelle est sa zone d’origine. Une fois celle-ci localisée, un paquet est transmis automatiquement entre les deux points d’accès pour garantir que l’adresse IP de l’utilisateur est préservée et qu’il est en mesure de recevoir de manière transparente ses données. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) et Dynamic DNS (Domain Name System) peuvent être des solutions plus légères à ce problème, on appelle les points d’accès « wireless gateway » dans ce cas.