Tutoriel réseaux sans fils : Wifi

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1.1) Les catégories de réseaux sans fils

On distingue habituellement plusieurs catégories de réseaux sans fils, selon le périmètre géographique offrant une connectivité (appelé zone de couverture) :

1. a) Réseaux personnels sans fils (WPAN)

Le réseau personnel sans fils (appelé également réseau individuel sans fils ou réseau domotique sans fils et noté WPAN pour Wireless Personal Area Network) concerne les réseaux sans fils d'une faible portée : de l'ordre de quelques dizaines mètres. Ce type de réseau sert généralement à relier des périphériques (imprimante, téléphone portable, appareils domestiques, ...) ou un assistant personnel (PDA) à un ordinateur sans liaison filaire ou bien à permettre la liaison sans fils entre deux machines très peu distantes. Il existe plusieurs technologies utilisées pour les WPAN :

Ø La principale technologie WPAN est la technologie Bluetooth, lancée par Ericsson en 1994, proposant un débit théorique de 1 Mbps pour une portée maximale d'une trentaine de mètres. Bluetooth, connue aussi sous le nom IEEE 802.15.1, possède l'avantage d'être très peu gourmand en énergie, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation au sein de petits périphériques. La version 1.2 réduit notamment les interférences avec les réseaux Wi-Fi.

Ø HomeRF (Home Radio Frequency), lancée en 1998 par le HomeRF Working Group (formé notamment par les constructeurs Compaq, HP, Intel, Siemens, Motorola et Microsoft) propose un débit théorique de 10 Mbps avec une portée d'environ 50 à 100 mètres sans amplificateur. La norme HomeRF soutenue notamment par Intel, a été abandonnée en Janvier 2003, notamment car les fondeurs de processeurs misent désormais sur les technologies Wi-Fi embarquée (via la technologie Centrino, embarquant au sein d'un même composant un microprocesseur et un adaptateur Wi-Fi).

Ø La technologie ZigBee (aussi connue sous le nom IEEE 802.15.4) permet d'obtenir des liaisons sans fil à très bas prix et avec une très faible consommation d'énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée pour être directement intégré dans de petits appareils électroniques (appareils électroménagers, hifi, jouets, ...).

Ø Enfin les liaisons infrarouges permettent de créer des liaisons sans fils de quelques mètres avec des débits pouvant monter à quelques mégabits par seconde. Cette technologie est largement utilisé pour la domotique (télécommandes) mais souffre toutefois des perturbations dûes aux interférences lumineuses. L'association irDA (infrared data association) formée en 1995 regroupe plus de 150 membres.

1. ab) Réseaux locaux sans fils (WLAN)

Le réseau local sans fils (WLAN pour Wireless Local Area Network) est un réseau permettant de couvrir l'équivalent d'un réseau local d'entreprise, soit une portée d'environ une centaine de mètres. Il permet de relier entre-eux les terminaux présents dans la zone de couverture. Il existe plusieurs technologies concurrentes :

Ø Le WiFi (ou IEEE 802.11), soutenu par l'alliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) offre des débits allant jusqu'à 54Mbps sur une distance de plusieurs centaines de mètres.  

Ø hiperLAN2 (HIgh Performance Radio LAN 2.0), norme européenne élaborée par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute), permet d'obtenir un débit théorique de 54 Mbps sur une zone d'une centaine de mètres dans la gamme de fréquence comprise entre 5 150 et 5 300 MHz.

Ø DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication), norme des téléphones sans fils domestiques. Alcatel et Ascom développent pour les environnements industriels, telles les centrales nucléaires, une solution basée sur cette norme qui limite les interférences. Les points d'accès résistent à la poussières et à l'eau. Ils peuvent surveiller les systèmes de sécurité 24/24h et se connecter directement au réseau téléphonique pour avertir le responsable en cas de problème.

1. c) Réseaux métropolitains sans fils (WMAN)

Le réseau métropolitain sans fils (WMAN pour Wireless Metropolitan Area Network) est connu sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR). Les WMAN sont basés sur la norme IEEE 802.16. La boucle locale radio offre un débit utile de 1 à 10 Mbit/s pour une portée de 4 à 10 kilomètres, ce qui destine principalement cette technologie aux opérateurs de télécommunication.

1. d) Réseaux étendus sans fils (WWAN)

Le réseau étendu sans fils (WWAN pour Wireless Wide Area Network) est également connu sous le nom de réseau cellulaire mobile. Il s'agit des réseaux sans fils les plus répandus puisque tous les téléphones mobiles sont connecté à un réseau étendu sans fils. Les principales technologies sont les suivantes :

Ø GSM (Global System for Mobile Communication ou Groupe Spécial Mobile)

Ø GPRS (General Packet Radio Service)

Ø UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Ø Wimax (standard de réseau sans fils poussé par Intel avec Nokia, Fujitsu et Prowim). Basé sur une bande de fréquence de 2 à 11 GHz, offrant un débit maximum de 70 Mbits/s sur 50km de portée, certains le placent en concurrent de l'UMTS, même si ce dernier est davantage destiné aux utilisateurs itinérants.

1.2) Historique

En 1997; alors que l'attention est accaparée par le succès d'Internet et l'euphorie boursière montante, un événement est passé inaperçu sauf pour quelques spécialistes et observateurs: l'adoption du standard IEEE 802.11 ou Ethernet sans fil. Exploitant la bande de fréquence de 2,4 GHz, le 802.11 plafonne à un débit de 2 Mbits/s au maximum. Ce précurseur est suivi de plusieurs déclinaisons dont le célèbre Wi-Fi qui connaît un franc succès, aidé par le volontarisme des fabricants, distributeurs et fournisseurs de services... Wi-Fi, est un nom composé à la manière de hi-fi et signifiant Wireless Fidelity. Il désigne les différentes déclinaisons de la norme IEEE 802.11 qui permet à plusieurs ordinateurs de communiquer sans fil en utilisant comme support les ondes radio. Les câbles disparaissent enfin. Avantage: le déploiement d'un réseau Wi-Fi est assez simple, le prix plutôt modeste en comparaison d'autres technologies.

Le Wi-Fi est une technologie intéressante pour de nombreuses sociétés liées au monde des télécoms et d'Internet. Les collectivités locales et surtout les particuliers profitent de la facilité d'accès à Internet haut débit liée à cette norme. Dans sa déclinaison la plus connue, 802.11 b, le Wi-Fi utilise la bande de fréquence de 2,4 GHz et atteint un débit théorique de 11 Mbits/s (contre 128, 512 Kbits/s ou 1 Mbits/s pour l'ADSL), le 802.11a culmine à 22 Mbits/s et le 802.11 g, enfin, flirte avec les 54 Mbits/s. Le Wi-Fi peut certes servir à surfer sur Internet, mais pas seulement. Il autorise l'organisation de réseaux -pourvus ou pas d'Internet ¬ pour échanger des fichiers, des données, et bien entendu pour jouer:.. Ce ne sont là que quelques exemples de ses usages possibles Les avantages des réseaux sans fil ne sont plus à démontrer surtout à une génération de plus en plus habituée à la mobilité. La multiplication des appareils (PDA, PC portables, terminaux et bientôt les téléphones portables) capables de communiquer entre eux en fait le support idéal des réseaux modernes.

802. Présentation de WiFi (802.11)

La norme 802.11 s'attache à définir les couches basses du modèle OSI pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire :

Ø La couche physique (notée parfois couche PHY), proposant trois types de codage de l'information.

Ø La couche liaison de données, constitué 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)

La couche physique définit la modulation des ondes radio-électriques et les caractéristiques de la signalisation pour la transmission de données, tandis que la couche liaison de données définit l'interface entre le bus de la machine et la couche physique, notamment une méthode d'accès proche de celle utilisée dans le standard Ethernet et les règles de communication entre les différentes stations. La norme 802.11 propose en réalité trois couches physiques, définissant des modes de transmission alternatifs :

Couche Liaison de 802.2 données (MAC) 802.11

Couche Physique (PHY)  DSSS  FHSS  Infrarouges

Il est possible d'utiliser n'importe quel protocole sur un réseau sans fil WiFi au même titre que sur un réseau ethernet.

WiFi.doc

3.1) Les différentes normes WiFi

La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale offrant des débits de 1 ou 2 Mbps. Des révisions ont été apportées à la norme originale afin d'optimiser le débit (c'est le cas des normes 802.11a, 802.11b et 802.11g, appelées normes 802.11 physiques) ou bien préciser des éléments afin d'assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité. La logique aurait voulu un ordre alphabétique. 80211a pour le moins performant 80211 b, c.. mais non. Voici un tableau présentant les différentes révisions de la norme 802.11 et leur signification :

...

3.2) Les équipements WiFi

Il existe différents types d'équipement pour la mise en place d'un réseau sans fil Wifi :

1. a) Les adaptateurs sans fil ou cartes d'acc ès

En anglais wireless adapters ou network interface controller, noté NIC. Il s'agit d'une carte réseau à la norme 802.11 permettant à une machine de se connecter à un réseau sans fil. Les adaptateurs WiFi sont disponibles dans de nombreux formats (carte PCI, carte PCMCIA, adaptateur USB, carte compactflash, ...). On appelle station tout équipement possédant une telle carte. A noter que les composants Wi-Fi deviennent des standards sur les portables (label Centrino d'Intel).

1. b) Les points d'accès

Notés AP pour Access point, parfois appelés bornes sans fil, permettant de donner un accès au réseau filaire (auquel il est raccordé) aux différentes stations avoisinantes équipées de cartes WiFi. Cette sorte de hub est l'élément nécessaire pour déployer un réseau centralisé en mode infrastructure. Certains modèles proposent des fonctions de modem ADSL et comprennent plus ou moins de fonctions comme un pare-feu.

1. c) Les autres

Ø Smart Display: écrans mobiles, soutenus par Microsoft.

Ø Chaînes WiFi: offrant la capacité de lire les MP3 directement sur le disque dur d'un ordinateur grâce à l'interface Ethernet sans fil intégrée. Elle préfigure toute une génération de produits, capables de lire, outre les CD audio, les radios qui émettent en MP3 sur Internet.

Ø Assistant personnel: les PDA intégrant le WiFi est parfois plus avantageux qu'un portable pour lire ses mails, importer des documents voir surfer sur le net.

Ø Rétroprojecteurs: pour des présentations avec portables mobiles.

Ø Caméra video: transmettre des images à distance à l'ordinateur qui les enregistre.

Les composants Wi-Fi ne sont pas plus onéreux que ceux des réseaux filaires, bientôt toutes les plates-formes seront vendues avec des modules Wi-Fi intégrés. C'est déjà le cas dans le monde des PC portables, qui, sous l'impulsion d'Intel, fait sa révolution sans fil grâce au Centrino.

Pour plus de détails sur le fonctionnement de la technologie WiFi, se reporter en annexe.

LA MISE EN OEUVRE

MISE EN ŒUVRE DU WI-FI

1. Les modes opératoires

1.1) Le mode infrastructure

1. a) Le principe:

  En mode infrastructure, chaque ordinateur station (notée STA) se connecte à un point d'accès via une liaison sans fil. L'ensemble formé par le point d'accès et les stations situés dans sa zone de couverture est appelé ensemble de services de base (en anglais Basic Service Set, noté BSS) et constitue une cellule. Chaque BSS est identifié par un BSSID, un identifiant de 6 octets (48 bits). Dans le mode infrastructure, le BSSID correspond à l'adresse MAC du point d'accès. Il s'agit généralement du mode par défaut des cartes 802.11b.

Il est possible de relier plusieurs points d'accès entre eux (ou plus exactement plusieurs BSS) par une liaison appelée système de distribution (notée DS pour Distribution System) afin de constituer un ensemble de services étendu (Extended Service Set ou ESS). Le système de distribution (DS) peut être aussi bien un réseau filaire, qu'un câble entre deux points d'accès ou bien même un réseau sans fil !

Un ESS est repéré par un ESSID (Service Set Identifier), c'est-à-dire un identifiant de 32 caractères de long (au format ASCII) servant de nom pour le réseau. L'ESSID, souvent abrégé en SSID, représente le nom du réseau et représente en quelque sort un premier niveau de sécurité dans la mesure où la connaissance du SSID est nécessaire pour qu'une station se connecte au réseau étendu.

 Lorsqu'un utilisateur nomade passe d'un BSS à un autre lors de son déplacement au sein de l'ESS, l'adaptateur réseau sans fil de sa machine est capable de changer de point d'accès selon la qualité de réception des signaux provenant des différents points d'accès. Les points d'accès communiquent entre eux grâce au système de distribution afin d'échanger des informations sur les stations et permettre le cas échéant de transmettre les données des stations mobiles. Cette caractéristique permettant aux stations de "passer de façon transparente" d'un point d'accès à un autre est appelé itinérance (en anglais roaming).

DI GALLO Frédéric Page 12 23/11/2003

1. b) La communication avec le point d'accès

Lors de l'entrée d'une station dans une cellule, celle-ci diffuse sur chaque canal un requête de sondage (probe request) contenant l'ESSID pour lequel elle est configurée ainsi que les débits que son adaptateur sans fil supporte. Si aucun ESSID n'est configuré, la station écoute le réseau à la recherche d'un SSID.

En effet chaque point d'accès diffuse régulièrement (à raison d'un envoi toutes les 0.1 secondes environ) une trame balise (nommée beacon en anglais) donnant des informations sur son BSSID, ses caractéristiques et éventuellement son ESSID. L'ESSID est automatiquement diffusé par défaut, mais il est possible (et recommandé) de désactiver cette option.

A chaque requête de sondage reçue, le point d'accès vérifie l'ESSID et la demande de débit présents dans la trame balise. Si l'ESSID correspond à celui du point d'accès, ce dernier envoie une réponse contenant des informations sur sa charge et des données de synchronisation. La station recevant la réponse peut ainsi constater la qualité du signal émis par le point d'accès afin de juger de la distance à laquelle il se situe. En effet d'une manière générale, plus un point d'accès est proche, meilleur est le débit.

Une station se trouvant à la portée de plusieurs points d'accès (possédant bien évidemment le même SSID) pourra ainsi choisir le point d'accès offrant le meilleur compromis de débit et de charge.

Remarque: Lorsqu'une station se trouve dans le rayon d'action de plusieurs points d'accès, c'est elle qui choisit auquel se connecter !

1. c) Les hotspots:

Un hotspot est une bornes d'accès Wi-Fi installée dans les lieux publics et de passage, donnant accès à un réseau métropolitain privé ou public. Les métiers des services et de la restauration ne s'y sont pas trompés et l'intérêt pour les hotspots va grandissant pour attirer une clientèle de consommateurs technophiles. Il est même question de transformer les antiques taxiphones des bars en hotspots.

Aux États-Unis et en Grande Bretagne, les hot spots se multiplient, notamment dans les aéroports, les gares, les hôtels, les centres de congrès, ainsi que dans les entreprises en France, où l'on recense quelque 80 hotspots publics, de nombreux projets voient le jour depuis quelques mois Une étude de l'institut IDC/Orange menée en décembre 2002 prévoit que d'ici 2005, 20 % des accès aux systèmes d'information des entreprises se feront via des connexions sans fil Cependant, beaucoup de questions restent encore en suspens comme la sécurité, la gestion du roaming (maintien de la connexion d'un point d'accès à un autre, voire d'un opérateur à un autre), la saturation des fréquences, les problèmes de réglementation.

1. d) Créer un hotspot de quartier

Depuis que le régulateur a autorisé l'usage de la bande de 2,4 GHz pour la création de réseau Ethernet sans fil, il est possible aux particuliers de mettre en place leur propre réseau. Il suffit de respecter les limitations de puissance imposées pour pouvoir diffuser jusqu'à 100 m. Pour créer un hotspot de quartier, la procédure n'est pas plus compliquée que celle en intérieur. Elle requiert toutefois un peu de planification et quelques précautions. La planification sert à déterminer le meilleur emplacement pour l'antenne qui peut être allongée, pour être placée en extérieur sur un toit ou un balcon Il faut éviter les couloirs et les portes qui réduisent la portée et créent des interférences en opposition de phase (plusieurs répliques du même signal). Les obstacles sont à éviter ce qui paraît évident, ce qui l'est moins c'est la prise en compte des obstacles mobiles. Rien n'est plus hermétique aux ondes qu'un camion stationné dans la rue d'à côté. Naturellement les sources d'interférences doivent être identifiées et leur impact sur les transmissions évalué.

Une fois ce travail accompli, l'installation du réseau peut commencer. Selon le choix de l'administrateur, le réseau peut être ouvert ou sécurisé. Dans le premier cas, l'usage d'une vieille machine ne contenant pas de données personnelles est le plus conseillé. Dans le cas où le réseau est sécurisé, les utilisateurs potentiels doivent, recevoir chacun un login, un mot de passe et éventuellement une clé.

1. e) Que dit la loi ?

Cette possibilité d'atteindre d'autres utilisateurs dans le voisinage -qui de proche en proche créent un maillage de réseaux autonomes- a de tout temps inquiété les États. La France n'est pas le seul pays à se montrer méfiant. La bande de fréquence dévolue au 802.11 (de 2400 à 2483,5 MHz) est restée longtemps l'otage des militaires. Jusqu'à aujourd'hui et dans certains départements (voir la liste :www.art-telecom.fr/communiques/communiques/2003/index¬c030203-58.htm) l'installation d'un réseau sans fil en extérieur est soumise à autorisation du ministère de la Défense. Il s'agit de ne pas brouiller ou induire en erreur certains radars de l'armée française et de l'Otan qui utilisent les portions hautes (2454 à 2483,5 MHz) de la bande. Ainsi, l'ART (Autorité de régulation des télécommunications) a "libéré" l'utilisation de bornes Wi-Fi aux particuliers en intérieur comme en extérieur, mais sous réserve de respecter les valeurs maximales de puissance. En clair; il est possible à tout un chacun d'utiliser librement un réseau à l'intérieur des murs de son habitation à condition que la puissance du rayonnement n'excède pas 100 mW En extérieur, la limite est réduite à 10 mW, soit un débit de données réduit à mesure que l'on s'éloigne du points d'accès. Au-delà d'un rayon de 100 mètres, le débit réel chute considérablement. Le recours à une antenne extérieur de 100 mW (limite maximale infranchissable) est soumis à l'autorisation du ministère de la Défense. Les décisions de l'ART rendent possible le partage entre plusieurs utilisateurs d'un même accès haut débit (ADSL, câble) en installant une borne Wi-Fi. Il faut cependant vérifier que le contrat d'abonné avec le fournisseur d'accès ne s'y oppose pas. En suspens, une question juridique épineuse: qui du fournisseur d'accès Wi-Fi ou du FAI est juridiquement responsable devant la loi ?

1.2) Le mode ad hoc

  En mode ad hoc, les machines sans fil clientes se connectent les unes aux autres afin de constituer un réseau point à point (peer to peer en anglais), c'est-à-dire un réseau dans lequel chaque machine joue en même temps de rôle de client et le rôle de point d'accès.

L'ensemble formé par les différentes stations est appelé ensemble de services de base indépendants (en anglais independant basic service set, abrégé en IBSS).

Un IBSS est ainsi un réseau sans fil constitué au minimum de deux stations et n'utilisant pas de point d'accès. L'IBSS constitue donc un réseau éphémère permettant à des personnes situées dans une même salle d'échanger des données. Il est identifié par un SSID, comme l'est un ESS en mode infrastructure.

Dans un réseau ad hoc, la portée du BSS indépendant est déterminé par la portée de chaque station. Cela signifie que si deux des stations du réseaux sont hors de portée l'une de l'autre, elles ne pourront pas communiquer, même si elles "voient" d'autres stations. En effet, contrairement au mode infrastructure, le mode ad hoc ne propose pas de système de distribution capable de transmettre les trames d'une station à une autre. Ainsi un IBSS est par définition un réseau sans fil restreint.

1. Mise en place d'un réseau

2.1) Déployer un réseau sans fil

Depuis la décision de l'ART d'autoriser, sous certaines conditions, l'utilisation de réseaux sans fil, les particuliers découvrent les joies de la mobilité domestique. Pour peu de disposer d'une connexion haut débit, le partage familial de celle-ci élimine le traditionnel embouteillage pour consulter l'e-mail. Avec Windows XP, la mise en place d'un réseau domestique est prise en charge par le système qui fournit les informations de configuration de la couche de transport (TCP/IP). Il est même proposé de créer une disquette de configuration des autres postes clients. Le réseau Ethernet 802.11b est fondé sur une architecture cellulaire où chaque alvéole est contrôlé par un AP (ou Access Point). Relié à un ordinateur connecté à Internet cet AP sert alors de routeur Internet tandis que le PC hôte devient une passerelle dirigeant le trafic collecté par l'AP vers le Web Cette architecture centralisée grâce à un serveur est appelée Infrastructure. On peut aussi construire un réseau sans fil en Ad-hoc ou peer-to-peer où les postes clients communiquent les uns directement avec les autres à égalité. Les machines connectées échangent périodiquement leurs tables de routage et établissent des protocoles de routage en temps réel: les chemins sont établis à la demande. Pour deux ordinateurs, il vous faut alors envisager une solution de type Ad-hoc. Elle consiste à doter chaque PC d'une interface réseau Wi-Fi comme les adaptateurs USB. Une fois configurés, les deux PC peuvent partager une connexion Internet, l'un servant de passerelle à l'autre.

Mais pour déployer un réseau de 3 postes ou plus, une solution plus élaborée est à envisager: Il faut alors opter pour une borne d'accès (AP) et équiper postes clients de cartes d'accès. Les cartes adaptatrices PCI sont déconseillée: prix plus élevé et l'antenne d'une carte PCI est collée à l'arrière de la machine posée au sol ou au mieux sur le bureau. Ce qui n'est l'idéal pour une bonne réception.

2.2) Combattre les interférences

Contrairement aux réseaux filaires, les réseaux sans fil requièrent des précautions supplémentaires pour assurer la meilleure propagation possible des ondes Le Wi-Fi est une technologie basée sur des spécifications qui englobent des protocoles divers spécialisés dans les communications et le transport des données par les airs. Des technologies de transfert comme DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) ou FHSS (frequency Hopping Spread Spectrum) sont là pour corriger certains problèmes d'interférence, mais elles ne vous dispensent pas de prendre quelques précautions Laccès au réseau sans fil se fait par le protocole CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Quand une interface du réseau veut émettre, elle écoute le support de transmission et si celui-ci est libre, alors elle émet Les interférences diffusées sur les canaux écoutés provoquent une attente de la part de l'interface qui veut émettre, ce qui ralentit le réseau même si l'indicateur de débit est au maximum Il vous est donc fortement conseillé de réduire, voire d'éliminer, toutes les sources possibles d'interférences En premier lieu les appareils Bluetooth qui opèrent dans la bande de fréquence de 2,4 GHz ainsi que les fours à micro-ondes Assurez-vous que votre téléphone sans fil résidentiel ne squatte pas les fréquences utilisées Les obstacles sont également une source d'interférences et d'affaiblissement du signal Il ne s'agit pas seulement d'obstacles visibles tels que les murs -surtout ceux en béton -et les arbres qui affaiblissent le signal, mais aussi d'obstacles non visibles tout aussi perturbateurs, le champ magnétique d'une télévision par exemple.