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Nom original: IRS 1 - Les réseaux WLAN - Norme IEEE 802.11.pdfTitre: DEA MISI - Mars 2002Auteur: Farid Naït-Abdesselam

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Les réseaux WLAN – Norme IEEE 802.11

Naït-Abdesselam Farid
Professeur
Université Paris Descartes
Email: naf@parisdescartes.fr

Plan

Les avantages et applications des WLAN
Les différentes technologies WLAN

© Naït-Abdesselam Farid – Les réseaux WLAN – Norme IEEE 802.11

Les problèmes des technologies WLAN
La norme IEEE 802.11
Topologies des réseaux IEEE 802.11
La couche physique
La couche MAC (en détail): modes Infrastructure et ad hoc.
La sécurité dans IEEE 802.11 (hints)

Usage des réseaux WLAN : IEEE 802.11

2

Les avantages des WLAN
Mobilité
Liberté de mouvement des usagers et des terminaux

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Zones difficiles à câbler
Traverser une rivière, une autoroute, une voirie, etc.

Moins de risques de rupture de liens que dans le filaire (coupure du
câble, abîmer les connecteurs et prises, etc. )
Délais de mise en service du réseau plus faibles
Des économies à long terme (retour sur investissements)

3

Domaines d’application des WLAN
Tous les métiers dont la mobilité est nécessaire pour augmenter la productivité
Hôpitaux (gestion des fichiers patients, …)
Restaurants (communications rapides entre serveurs et cuisiniers, ..)

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Home and Small Office (éviter de câbler, coûts réduits, … )
Hot spots
Etc. …

Environnement d’installation difficiles des médias filaires

4

Les différentes technologies WLAN (1)

IEEE 802.11
HiperLAN (ETSI)

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HomeRF SWAP
Bluetooth

IEEE: Institute for Electrical and Electronic Engineers
ETSI: European Telecommunications Standards Institute

5

La bande de fréquence radio ISM
Industrial, Scientific, and Medical

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1985 : besoin de stimuler le marché des WLAN
Sans obligation de licence
Moins de paperasse

26
MHz

902
MHz

928
MHz

83,5 MHz

2,4
GHz

125 MHz

2,4835
GHz

5,725
GHz

5,850
GHz

6

Les technologies WLAN (2)
IEEE 802.11

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Juin 1997
Finalisation du standard initial pour les LAN sans fils : IEEE 802.11
Bande des 2,4GHz avec des débits de 1Mbps et 2Mbps
Couche MAC: CSMA/CA
Couche Physique : deux formes de modulations (802.11 FHSS) et (802.11 DSSS)
Septembre 1999
Publication de deux compléments aux 802.11: 802.11b et 802.11a
Le 802.11b est une extension du débit de l’initial 802.11 DSSS, toujours dans la bande
des 2,4GHz pour atteindre les 5,5 et 11Mbps (le plus déployé !!)
Le 802.11a augmente les débits jusqu’à 54Mbps avec une modulation OFDM dans la
bande des 5GHz
802.11a propose plusieurs débits: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, et 54Mbps
Les débits: 6, 12, et 24Mbps sont obligatoires sur les produits
En 2000
Début des travaux sur le complément 802.11g
20 à 54 Mbps dans la bande 2,4Ghz avec OFDM
Juillet 2003 ratification du complément 802.11g

7

Les technologies WLAN (3)
HIPERLAN

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1996
Ratification de la norme HIPERLAN/1 par l’ETSI-BRAN (Broadband Radio Access
Network)
Couche MAC: TDMA
Couche Physique: OFDM
HIPERLAN/1 opère sur la bande des 5GHz et atteint les 24Mbps
Supporte la qualité de service quantitative pour le multimédia

Avril 2000
Ratification de la version HIPERLAN/2
Utilise toujours la bande des 5GHz et atteint les débits de 54Mbps
HIPERLAN/2 intègre toujours la qualité de service
Capable de transporter les trames Ethernet, Paquets IP, les cellules ATM, IEEE 1394,
3G
Aucun produit sur le marché !! (à ma connaissance)

8

Les technologies WLAN (4)
HomeRF SWAP

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Mars 1998
HomeRF Working Group (HRFWG) annonce son existence
Souhaite développer SWAP (Shared Wireless Access Protocol) pour connecter des
ordinateurs (PC) et des équipements électroniques dans une maison (Domotique)
SWAP supporte des trafics voix et données à 1 et 2Mbps utilisant la modulation FHSS
dans la bande des 2,4GHz
Très similaire au 802.11 (mode infrastructure et ad hoc)

Quelques temps après (?)
HRFWG développe la version 10Mbps et 20Mbps de SWAP après l’annonce de la
FCC d’élargir la bande des systèmes FH (Frequency Hopping)

Janvier 2003
Arrêt des travaux du groupe suite à la non adoption du standard par le marché.

FCC: Federal Communications Commission aux Etats Unis, équivalent de l’ART en France

9

Les technologies WLAN (5)
Bluetooth

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1994: Ericsson Lance le projet !
1998: Création du Bluetooth Special Interest Group (BSIG): Ericsson, 3Com, IBM, Intel,
Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia, et Toshiba (Aujourd’hui plus de 2200 compagnies)
1999: Ratification de la version 1.0 (Débit de 1Mbps à 2 Mbps).
Bluetooth n’est pas une technologie LAN, mais PAN (Personal Area Network), courtes
distances <10m
avec un codage CDMA/FHSS dans la bande des 2,4GHz et contrôle d’accès TDMA.

10

Les problèmes des technologies WLAN
Interférences avec d’autres ondes
Micro-ondes
Équipements électroniques
Autres réseaux sans fils adjacents

Longévité des batteries

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Interopérabilité
Plusieurs équipementiers rajoutent des fonctionnalités d’amélioration propres
Pour une meilleure opérabilité, acheter d’un même équipementier
Diversifier les équipementiers implique un fonctionnement minimal du réseau

Sécurité
Capture des ondes radios propagées
Inondation malicieuse du réseau (blocage du réseau)

Maintien de la connectivité des applications
Dans le cas du roaming (Mobile IP)

Une planification ardue de la couverture

11

La famille des standards IEEE 802

IEEE 802.2
Logical Link Control (LLC)

OSI Layer 2

(Data Link)

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IEEE 802.3
Carrier
Sense
(Ethernet)

IEEE 802.4
Token
Bus

IEEE 802.5
Token
Ring

IEEE 802.11
Wireless

MAC

OSI Layer 1
PHY

(Physical)

MAC 802.11
802.11
FHSS

802.11
DSSS

802.11
IR

802.11b 802.11a
HR/DSSS OFDM
Wi-Fi
Wi-Fi5

802.11g
OFDM

12

Topologies des réseaux IEEE 802.11
Independent Basic Service Set (IBSS)
Ad hoc

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Extended Service Set (ESS) (Infrastructure)

BSS 1
Independent
Basic Service Set

Extended Service Set

(BSS)

(ESS)
AP
Distribution System

C

(Ethernet, Token Ring)

E
AP

A
D

Access Point
(Pontage)

F
B
G
BSS 2

13

Types de mobilité
No-transition
Pas de mouvement ou mobilité à l’intérieur d’une BSS
Supportée par le standard 802.11

BSS-transition
Mobilité d’une BSS dans une ESS vers une BSS de la même ESS
Supportée par le standard 802.11

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ESS-transition
Mobilité d’une BSS dans une ESS vers une BSS d’une autre ESS
Non supportée par le standard 802.11

BSS 1

Independent
Basic Service Set

Extended Service Set

(BSS)

(ESS)
AP
Distribution System

C

(Ethernet, Token Ring)

E
AP

A
D

Access Point
(Pontage)

F
B
G
BSS 2

14

La couche physique
Bit
Spécifications

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Électrique
Mécanique
Procédural

Modulation
Spread Spectrum
BP sacrifiée

Narrow band
signal
Amplitude

Spread
spectrum
signal

Narrow band
interference

Frequency

15

La couche physique
Frequency Hopping Spread Spectrum Radio
Sauts de fréquences dans la bande ISM
FCC : 75 fréquences ou plus par canal de transmission
Temps de séjour dans une fréquence : 400 ms

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Time

Hopping Pattern: C A B D F E

6

E

5

F

4

Hedy Lemarr
40’s Actress

D

3

B

2

A

1

C
2,40

2,41

2,42

2,43

2,44

2,45

2,46

Frequency
(GHz)

16

La couche physique
Direct Sequence Spread Spectrum Radio

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Chipping Code (Processing Gain)
La résistance aux interférences augmente avec le CC
FCC impose un minimum de 10
Majorité des produits commerciaux opèrent avec un CC <=20
CC = 11

Data Stream: 101
Chipping Code: 1 = 11101100011
Chipping Code: 0 = 00010011100
Transmitted Sequence:
11101100011

00010011100

11101100011

1

0

1

17

La couche physique
Lumière Infrarouge

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Alternative aux ondes radio
Meilleure sécurité
Nécessité d’un point de réflexion
Communication dirigée
1 à 2Mbps

18

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Les canaux de fréquences 802.11b

19

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Couverture radio (IEEE 802.11b)

20

La couche MAC IEEE 802.11
Accès au médium
CSMA/CA

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Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance
Également appelé : DCF (Distributed Coordination Function )
Utilisée en mode ad hoc et AP

PBA
Priority Based Access
Également appelé : PCF (Point Coordination Function )
Basée sur l’interrogation (Polling)
Utilisée en mode AP uniquement

Peuvent coexister dans une même BSS (PBA au dessus de DCF)

21

Types de trames MAC IEEE 802.11

IEEE 802.11 supporte trois types de trames
Les trames de données utilisateurs

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Les trames de gestion
Association et désassociation d’une station avec un AP
Synchronisation et authentification

Les trames de contrôle
Utilisées pour l’accès au support (RTS, CTS, ACK)

22

Intervalles d’accès au médium
DIFS
PIFS
SIFS

Busy Medium
Time

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Inter Frame Space (IFS)
Short IFS (SIFS) : 28 microsecondes
Plus grande priorité
Utilisé pour les trames prioritaires : ACK, CTS, la 2ème trame d’un flux de données
(Burst)
PCF IFS (PIFS) : SIFS+78 microsecondes
Utilisé par les stations opérant en mode PCF
DCF IFS (DIFS) : PIFS+128 microsecondes
Utilisé par les stations opérant en mode DCF
Extended IFS (EIFS)
Utilisé par les stations dans le mode DCF
Supérieur au DIFS
Utilisé suite un FCS (Frame Check Sequence) erroné
23

La fonction DCF – CSMA/CA
NAV: Network Allocation Vector
in Frame Duration Field

Start (Frame needing transmission)

CSMA/CA
DCF

NAV = 0 ?
Yes

CW : Collision Window 2 [CW min, CW max]
CW updated by CWnew = 2 * CWold * SlotTime
Backoff Time = Random [0, CW]

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Sense the medium, after DIFS

Medium idle ?

No
Random Backoff Time

Yes

Generate and/or Decrement Backoff until 0
“If any transmission occurs meanwhile, freeze Backoff and loop”
Transmit Frame
Collision ?

Yes

No
Successful Frame
Transmission

24

La fonction DCF – CSMA/CA

CW : Collision Window in [CWmin, CWmax]
CWnew = 2 * CWold * SlotTime
Backoff Time = Random [0, CW]

CW

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CWmax=1023

127

……

63
CWmin= 31

31
Number of
Retransmissions

802.11 (DSSS) [CWmin, CWmax] = [31, 1023]
25

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La fonction DCF – CSMA/CA

26

Exemple DCF

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B1 = 25

B1 = 5

attente

data

data
B2 = 20

attente
B2 = 15

B2 = 10

B1 et B2 : backoff times aux noeuds 1 et 2
CW = 31

27

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Problème des nœuds cachés

A
B

C

collision

28

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Problème des nœuds exposés

R1

S1

S2

R2

Solution
RTS (Ready To Send)
CTS (Clear To Send)
29

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Problème du nœud caché

A
B
C

30

La fonction PCF – Point Coordination Function (PBA)
Fourni un transfert de données sans contention
Le point de coordination se trouve dans l’AP
Trame Balise contenant le Contention Free Parameter Set
Chaque station met à jour son NAV=CFPMaxDuration

PIFS

Beacon Frame
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AP

SIFS

Data Frame
CF Poll Frame

Envoi d’une de ces trames

Data+CF Poll Frame
CF End Frame
Empêcher les stations d’émettre
AP prend le control du canal
Station A

NAV=CFPMaxDuration

Station N

NAV=CFPMaxDuration

31

PCF – Point Coordination Function (PBA) (2)
Data Frame
Dirigée de l’AP à une station ou d’une station à l’AP
Si pas d’ACK après SIFS, l’AP retransmet la trame après PIFS

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CF Poll Frame
Dirigée de l’AP à une station pour l’autoriser à émettre si elle le souhaite
Si la station n’a pas de données à émettre, elle renvoie à l’AP une Null Data Frame

Data + CF Poll Frame
L’AP envoie des données à une station et l’autorise à émettre tout de suite

32

PCF – Point Coordination Function (PBA) (3)
CF End Frame

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Envoyé pour signaler la fin de la période de non contention
Si le temporisateur CFPDurRemaining arrive à expiration
Si l’AP n’a plus de données à émettre et pas de stations à interroger

La possibilité d’être interrogeable (pollable) est optionnel
Demandée à l’association avec un AP
L’AP maintient une liste éligibles de stations interrogeables

33

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Superframe

34

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Fragmentation

35

Sécurité IEEE 802.11
Authentification
Open System Authentication


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Méthode par défaut
Une station peut s’authentifier en OSA avec une autre station ou un AP si la
station réceptrice est également dans ce mode (aAthenticationType in MIB)

Shared Key Authentication





Méthode optionnel
"Meilleure" sécurité à l’authentification
Nécessite le partage d’une clé secrète et l’utilisation du WEP
La clé secrète est stockée dans la MIB en "write-only”

On peut aussi s’authentifier avec les adresses MAC (identity spoofing)

Confidentialité
WEP: Wired Equivalent Privacy
Chiffrement avec l’algorithme RC4
Clés de 40, 104 et 128 bits.
36

Authentification : OSA

Initiating Station

Authenticating Station

Authentication Frame

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AAI = “Open Systems” ; ATSN = 1

Authentication Frame
AAI = “Open Systems” ; ATSN = 2 ;
Authentication Result

AAI: Authentication Algorithm Identification; ATSN: Authentication Transaction Sequence Number

37

Authentification : SKA

Initiating Station

Authenticating Station
Authentication Frame
AAI = “Shared Key” ; ATSN = 1

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Authentication Frame
AAI = “Shared Key” ; ATSN = 2 ;
Challenge Text

Authentication Frame
AAI = “Shared Key” ; ATSN = 3 ;
Encrypted Challenge Text

Authentication Frame
AAI = “Shared Key” ; ATSN = 2 ;
Result of Requested Authentication

AAI: Authentication Algorithm Identification; ATSN: Authentication Transaction Sequence Number

38

Usage de la technologie WLAN – 802.11 (1/3)

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Extension du réseau LAN filaire

Channel 6
Channel 11
Channel 1

Router

39

Usage de la technologie WLAN – 802.11 (2/3)
Partage de charge

Channel 1

3 canaux sur la même zone

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3 x 11 Mbps = 33 Mbps
Le client détermine le
meilleur AP

Channel 11

Channel 6

Router

40

Usage de la technologie WLAN – 802.11 (3/3)

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Interconnexion de réseaux privés

4,2 Km – 2 Mbps
2,1 Km – 11 Mbps

Attention aux réglementations en France
41

Les WLAN : le futur

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802.11d : gestion des incompatibilités entre pays
802.11f : meilleur communication entre APs de constructeurs différents (gestion
roaming)
802.11i : sécurité renforcée
802.11e : qualité de service

42

© Naït-Abdesselam Farid – Les réseaux WLAN – Norme IEEE 802.11

Références
http://www.wi-fi.org/
http://www.wi-fi.org/certified_products.asp
http://www.wi-fi.org/downloads/test_matrix.pdf
http://www.hiperlan2.com
http://www.homerf.org/
http://www.bluetooth.com/
http://www.bluetooth.com
http://www.bluetooth.org
http://ieee802.org/15
http://internet.motlabs.com
http://blurtooth.weblogs.com
http://www.manta.ieee.org/groups/802/
http://www.manta.ieee.org/groups/802/11/index.html
802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide. Matthew S. GAST, O’REILLY.
Wi-Fi: maîtriser le réseau sans fil. Alexandre CHAUVIN-HAMEAU, ENI Editions.
Real 802.11 Security: Wi-Fi Protected Access and 802.11i. Dennis Eaton, Addison Wesley.

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