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Introduction aux réseaux sans fil  
 

 

Pourquoi les réseaux sans fil ?

Relativement récents, les réseaux sans fil sont dorénavant performants grâce notamment aux avancées de l’électronique et du traitement du signal.

Dans les technologies mobiles il y a :
- Les WPAN (Wireless Personal Area Network) : Bluetooth, HomeRF
- Les WLAN (Wireless Local Area Networks) : IEEE 802.11 (US) et Hiperlan (Europe)
- Les technologies cellulaires (GSM, GPRS, UMTS)
- Les technologies Satellite (Vsat qui est bidirectionnel, mais aussi DVB pour la diffusion Vidéo)

Au niveau des opérateurs, le premier réseau commercial analogique sans fil a vu le jour en 1982 à Chicago. En 1986, France Télécom lance Radiocom 2000 en France. Les premiers réseaux GSM (numériques) apparaissent en France en 1992 et remportent le succès que nous connaissons.
Que ce soit au niveau des opérateurs (GSM, GPRS, UMTS), au niveau local (WLAN) ou au niveau domestique (WPAN), de nombreuses applications intéressantes sont envisagées.

Les terminaux s'acheminent vers un support indifférencié de plusieurs protocoles, passant de l'un à l'autre sans rupture de la connexion en fonction de là où on se trouve : GPRS, UMTS, WLAN, BlueTooth. Par exemple lorsque l'on arrive dans un lieu public pour une conférence, on passe sur un WLAN plus rapide que l'UMTS. Autre exemple, actuellement lorsqu'un TGV passe dans d'une cellule GSM à une autre avec tout le monde qui téléphone, les protocoles de changement de cellule se font simultanément pour un grand nombre de personnes. Demain, un WLAN permettra de bénéficier du réseau à l'intérieur du TGV. Le software gérera le choix du protocole à un moment donné : plus de 80% de la R&D dans l'Internet se fait sur le logiciel et non le matériel, selon Gilles Kahn, directeur scientifique de l'INRIA.

Les réseaux sans fil se développent très rapidement et devraient représenter un marché énorme en ce début de XXIème siècle. Les prix jusque là inaccessible deviennent de plus en plus abordables, les performances et les débits augmentent, les réseaux domestiques et la population de travailleurs mobiles également. Le marché des réseaux sans fil est donc en plein essor et certaines analyses estiment ce marché à 2 milliards de dollars pour 2002. Ericsson a avancé le chiffre de 100 millions d’équipements électroniques équipés de la puce Bluetooth en 2002. Les réseaux sans fil représentent donc un enjeu important, surtout au niveau financier : ils permettent d’éviter d’investir dans un câblage coûteux et qui peut s’avérer rapidement obsolète ou inutile en cas de déménagements de locaux.

Nous ne nous intéresserons pas dans ce cours aux réseaux cellulaires dont le but est principalement de transmettre la voix, même si des données peuvent être échangées à faible débit. De même, les réseaux par satellites ne seront pas évoqués. L’accent sera mis sur 3 technologies différentes : la norme 802.11 de l’IEEE, la norme Hiperlan de l’ETSI, et la norme Bluetooth lancée à l’origine par Ericsson qui touche le domaine de la domotique.

Ces différents protocoles ne sont pas compatibles entre eux. Les différents organismes de normalisation et les différents constructeurs tentent chacun d’imposer leur technique. Les débits de transmission vont de 1 à 54 Mbps.

Applications des réseaux sans fil

Les réseaux sans fil peuvent exister en extrémité d’un réseau filaire classique comme Internet et doivent donc pouvoir communiquer avec des machines fixes d’un réseau filaire.

L’intérêt est dans un premier temps de pouvoir assurer une connexion au réseau tout en permettant la mobilité de l’utilisateur. De plus, le câblage n’est plus nécessaire, ce qui représente un avantage certain dans de nombreux cas :
- Mise en place d’un réseau dans un bâtiment classé « monument historique »
- Mise en place d’un réseau de courte durée (chantiers, expositions, locaux loués, formations)
- Confort d’utilisation : tous les participants d’une réunion sont automatiquement interconnectés
- Gain en coût pour la mise en place d’un réseau dans tout bâtiment non préalablement câblé.

De nombreuses autres applications sont envisagées. Dans les hôpitaux, les transmissions sans fil sont déjà utilisées pour accéder aux informations enregistrées sur chaque patient pendant les visites. Des besoins similaires ont été mis en avant par le personnel des aéroports, des chantiers de constructions et autres. Les WLAN peuvent également être utilisés pour la lectures de codes barres dans les supermarchés. Une autre application intéressante est de faire la liaison par voie hertzienne entre deux bâtiments ayant chacun leur réseau câblé.

Les WPAN promettent des applications étonnantes qui étaient il y a peu dans le domaine du futurisme. On peut d’ailleurs se demander si l’intérêt des utilisateurs sera en relation avec les fantasmes des industriels…

Selon les constructeurs, ces technologies devraient s'étendre dans les prochaines années pour équiper tous les objets de notre vie quotidienne : téléviseurs, chaînes hi-fi, réfrigérateurs, voitures, etc. Les voitures ouvriront leurs portes à la seule approche de leur propriétaire ou communiqueront directement avec la pompe de la station-service, le réfrigérateur fera lui-même sa commande par Internet, les PDA se synchroniseront automatiquement avec les PC et s’échangeront fichiers et e-mails. En arrivant chez vous, la porte d’entrée se déverrouillera automatiquement, le système d’alarme se mettra en veille et les lumières s'allumeront.

Support physique des réseaux sans fil

Plusieurs solutions sont envisagées, la première étant d’avoir une seule borne qui effectue le relais entre les différentes stations par voie hertzienne, la deuxième étant d’avoir des microcellules (typiquement, chaque pièce) qui utilisent l’infrarouge. Les bornes sont dans ce cas interconnectés soit par voie hertzienne, soit par un réseau filaire classique.

Les liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges sont très utilisées dans le cadre des télécommandes et communications courtes distances où les éléments sont en vue directe, mais sont très sensibles aux perturbations. Si les faisceaux sont directifs, le débit peut être élevé mais rien ne doit passer entre les deux éléments qui communiquent. Les faisceaux diffusants, eux supportent mieux les interférences mais les portées et les débits sont moins élevés.

L’association IrDA (Infrared Data Association), créé en 1994, gère les standards relatifs à la technologie infrarouge. La couche physique (Physical IrDA Sata Signaling) définit typiquement les distances entre éléments à 2 mètres. Des débits de 4 Mbps peuvent être atteints. Des versions courte distance, permettant d’économiser l’énergie, permettent de dialoguer à 30 cm de distance, ce qui est suffisant dans le cas de périphériques de PC.
 
 

Comme pour tout protocole de communication, le niveau 2 est également défini avec l’IrDA Link Access Protocol (IrLAP) qui gère les connexions entre équipements. L’IrDA Link Management Protocol (IrLMP) gère le multiplexage des informations sur plusieurs canaux et offre un certain nombre de services. Les trames de cette norme ne seront pas étudiées. On y retrouve les champs habituels des protocoles de communication.

Architecture des protocoles IrDA

Liaisons radio : Technologies DSSS et FHSS

Les réseaux sans fil utilisent les technologies DSSS et FHSS. La technologie DSSS envoie en simultanée l’information sur plusieurs canaux parallèles, ce qui donne un taux d’erreur plus faible (donc un débit plus élevé) et une immunité aux perturbations en bande étroite. La technologie FHSS, elle, est basée sur le saut de fréquence, ce qui permet d’économiser de la bande passante.

Le cadre réglementaire des fréquences en France

Le choix des fréquences utilisées posent un problème de compatibilité entre les différents pays. En effet, selon le pays, ces fréquences peuvent être réservées pour des utilisations militaires ou des services de secours (SAMU, pompiers) qui ne peuvent souffrir d’interférences.

Voici ce que l’on trouve sur le site de l’ART (Autorité de Réglementation des Télécoms) :
Les réseaux locaux radioélectriques (RLR) appelés aussi " RLAN " (pour Radio Local Area Networks) sont constitués d'équipements de transmission de données à large bande permettant différents types d'applications sans fil.
Une norme a été élaborée au niveau européen pour des équipements fonctionnant dans la bande de fréquences 2,4 GHz : l'ETS 300 328. Cette norme d'application volontaire (chaque Etat peut décider ou non de la transposer, pour tout ou partie, dans son droit national) constitue la base d'une recommandation des administrations européennes des postes et télécommunications (CEPT), tendant à harmoniser le régime d'autorisation des équipements concernés afin de favoriser leur développement en Europe.
En France, la bande de fréquences concernée (plus précisément la bande de fréquences 2446,5 MHz - 2483,5 MHz), est utilisée par le Ministère de la défense, qui y a déployé récemment de nouveaux équipements, ce qui ne permet pas d'ouvrir la totalité de la bande de fréquences aux équipements RLR et impose certaines contraintes dues à la coordination avec les Forces Armées.
Les contraintes sont de trois ordres :
- en terme de fréquences : limitation à la bande de fréquences 2446,5 MHz - 2483,5 MHz;
- en terme de formalité administrative : demande individuelle d'établissement (voir formulaire ci-contre);
- en terme d'implantation : les autorisations sont limitées aux communes des unités urbaines de plus de 50 000 habitants et font l'objet d'une procédure simplifiée; dans les autres cas les demandes sont traitées au cas par cas et sont soumises à un accord du Ministère de la défense (il convient pour ces demandes de joindre notamment un plan précisant l'implantation envisagée au sein de la commune concernée).
La procédure de délivrance des autorisations est précisée dans le schéma ci-dessous.

L'étude confiée en 1996 au cabinet de conseil Basic 2000 a dressé un état du marché prospectif des réseaux locaux radioélectriques (RLR) ou " RLAN " en France et en Europe, l'évaluation des perspectives pour Hiperlan (bandes 5 GHz et 17 GHz) et le bilan comparatif de l'environnement réglementaire en Europe.
A ce stade, cette évolution reste toutefois soumise à un accord préalable des forces armées. En revanche s'agissant des réseaux locaux radioélectriques à haute performance (Hiperlan), un régime d'autorisation sans délivrance d'une licence individuelle va être prochainement établi pour l'utilisation d'équipement fonctionnant dans la bande de fréquence 5,15 - 5,25 GHz.

Textes de référence

Arrêté du 24 juillet 1995 relatif aux caractéristiques techniques et d'exploitation des systèmes de transmission de données à large bande utilisant la technologie du spectre étalé dans la bande de fréquences 2.4 GHz (J.O. du 24 Août 1995)

Article 1er - Les systèmes de transmission de données à large bande utilisant la technologie du spectre étalé dans la bande de fréquences 2.4 GHz sont dénommées dans le présent arrêté Réseaux locaux radioélectrique (R.L.R.). Leur établissement et leur exploitation sont autorisés dans la bande de fréquences 2 446.5-2 483.5 MHz dans les conditions définies au présent arrêté, en application de l'article L. 33-2 du codes des postes et télécommunications.

Art. 2 - Les demandes d'autorisation sont adressées à l'administration chargée des télécommunications.
Pour l'implantation de R.L.R. dans les zones urbanisées définies ci-après, l'autorisation est réputée acquise en cas de silence gardé par l'administration à l'issue d'un délai d'un mois à compter de la réception de la demande. Cette autorisation n'est toutefois valable que si les équipements installés sont agréés conformément à la réglementation technique SP/DGPT/ATAS/23.
En dehors des zones urbanisées définies ci-après, l'établissement et l'exploitation des réseaux sont subordonnés à une autorisation expresse de l'administration chargée des télécommunications. L'autorisation n'est délivrée qu'à titre exceptionnel en fonction des résultats d'une étude particulière des contraintes radioélectriques du site d'implantation demandé et après accord du ministère chargé de la défense.

Les zones urbanisées sont constituées des unités urbaines de plus de 50 000 habitants (telles que définies par l’INSEE dans le cadre du recensement général de la population (R.G.P.) de 1990), à l'exception de Paris, Lyon et Marseille pour lesquelles le critère est le suivant :
- pour Paris, est concerné la zone urbanisée définie par l'ensemble des communes inscrites dans un cercle d'un rayon de 30 km autour de Paris ;
- pour Lyon, est concerné la zone urbanisée définie par l'ensemble des communes inscrites dans un cercle d'un rayon de 10 km autour de Lyon ;
- pour Marseille, est concernée la zone urbanisée définie par l'ensemble des communes inscrites dans un cercle d'un rayon de 10 km autour de Marseille, à laquelle s'ajoute la commune d'Aix-en-Provence.

Art. 3 - Les réseaux locaux radioélectriques fonctionnent sans garantie de protection et sur une base de non-interférence avec les équipements des autres utilisateurs de la bande de fréquences concernée. Le propriétaire ou l'utilisateur d'un R.L.R. est tenu de prendre les mesures nécessaires pour éviter que son réseau ne cause des brouillages aux autres installations radioélectriques régulièrement utilisées.
Ainsi, l'installation des antennes doit être effectuée de telle manière que l'utilisation des réseaux locaux radioélectriques soit limitée au domaine privé concerné.
Art. 4 - Les réseaux locaux radioélectriques ne doivent pas fonctionner avec une puissance isotrope rayonnée équivalente (p.i.r.e.) supérieure à 100 mW.
Pour les systèmes à séquence directe, la limite de densité spectrale de puissance est fixée à - 20 dBW/MHz.

Avantages des réseaux sans fil

Outre la mobilité qui est l’avantage principal de cette technique, le prix peut également être un atout, puisqu’un peu d’électronique peut compenser un câblage manquant. Lors du développement de protocoles de communication sans fil, l’accent est souvent mis sur la configuration et l’installation du matériel : l’installation doit être rapide, simple, et flexible.

Les évolutions dans les domaines des microprocesseurs, des batteries, permettent aux ordinateurs et téléphones portables et autres PDA (Personal Digital Assistant) de connaître un énorme succès auprès d’un large public. Tous ces terminaux sont appelés à supporter le multimédia et de nouveaux services de télécommunications. Les utilisateurs veulent se déplacer sans s’encombrer d’un câble et avoir accès à toutes les ressources du réseau. Cela demande plus de débit, plus de services, dans des terminaux de plus en plus petits…

Deux modes de fonctionnement

Les WLAN peuvent fonctionner de deux façon différentes : en mode cellule ou en mode ad-hoc.

Le mode infrastructure

Le mode infrastructure fait appel a des bornes de concentration appelées, Points d’Accès, qui gère l’ensemble des communication dans une même zone géographique, comme dans les réseaux GSM. Les bornes sont connectées entre elles par une liaison ou un réseau filaire ou hertzien.

Les terminaux peuvent se déplacer au sein de la cellule et garder une liaison directe avec le point d’accès, ou changer de cellule, ce qui s’appelle le roaming.

Le mode ad hoc

Un réseau Ad Hoc est un réseau où il n'y a pas d'infrastructures fixes. Le signal est transmis par l'intermédiaire des mobiles présents et routé dynamiquement.

Les réseaux ad hoc sont un axe de recherche important. Un réseau ad hoc est un réseau sans fil auto-configurable. Lorsque deux machines mobiles ou plus se retrouve dans le même secteur géographique, elles doivent se reconnaître pour pouvoir s’échanger des données. Le réseau doit se configurer automatiquement pour faire la liaison entre ces machines.

Chaque nœud du réseau peut potentiellement échanger des informations avec chaque autre nœud.

Dans le mode de fonctionnement le plus simple, et généralement le seul implémenté dans les protocoles actuels, on considère que les nœuds peuvent échanger des données uniquement lorsqu’elles sont à portée de réception l’une par rapport à l’autre. Dans un mode de fonctionnement idéal, lorsque deux machines ne peuvent se joindre directement, chaque nœud du réseau peut servir de routeur. Les réseaux ad-hoc posent alors implicitement des problèmes de routage entre les machines :

Dans un premier temps, la machine B est dans le rayon de diffusion de la machine A. La machine A et la machine B veulent échanger des informations. La machine B est mobile. Il faut, lorsque la machine B sort du rayon de diffusion de A, que la machine C serve de routeur pour conserver la liaison entre A et B.

Routage dans les réseaux ad hoc

Le routage se fait directement entre les différents mobiles. sans nécessiter un ensemble de bases fixes.

Lorsque l'on veut envoyer des paquets d'un point à un autre, on "inonde" de proche en proche les différents mobiles jusqu'à identifier une route, puis on utilise le chemin ainsi créé pour "router" les données de proche en proche (en fait on définit une route de la destination à la source et on utilise la route inverse)

Un groupe de l'IETF (IP MANET Mobile Ad-hoc NETwork) évalue différents protocoles candidats à la standardisation

- des protocoles proactifs (tels que OLSR) où lorsqu'une route est identifiée, elle est stockée dans une table de routage qui est transmise à tous les mobiles, ce qui la rend immédiatement disponible mais génère un important trafic de contrôle

- des protocoles réactifs (tels que AODV ou DSR qui permet des liens assymétriques). Dans ce cas on redéfinit les routes à chaque fois. Il n'y a donc plus de trafic de contrôle, mais il y a un coût important en bande passante pour la mise en place des routes et un délai avant chaque ouverture.

-  des protocoles hybrides, qui utilisent l'une ou l'autre des approches (en dessous d'un certain nombre de saut, l'approche proactive est la meilleure, au dessus, c'est l'approche réactive qui est la plus efficace.

Bluetooth ne peut pas facilement devenir un réseau Ad-Hoc (sans base blueTooth) car il utilise une technique de modulation par saut de fréquence (contrairement aux WLAN qui utilisent l'étalement de spectre) et une base centralisée auxquels se relient tous les appareils plutôt qu'un routage interne

Les avantages et inconvénients du routage radio Ad-Hoc

par rapport au routage classique ou les routeurs sont fixes et reliés par des câbles même si les terminaux sont mobiles.

Avantages : On gagne en mobilité, il n'y a plus d'infrastructure fixe
Inconvénients : On a moins de débit qu'entre des routeurs qui eux sont reliés en général par câble. Les liens ne sont plus isolés les uns des autres (on pollue tout le voisinage à chaque fois contrairement aux liaisons par câbles entre routeur)

La sécurité

Les réseaux sans fil offrent de nouvelles failles aux pirates. De part la nature immatérielle du support physique, l’écoute clandestine sur un réseau sans fil est facile. Il faut donc protéger l’accès aux ressources sans fil et aux informations qui circulent dans les trames.

Les systèmes mobiles sont généralement équipés de processeurs moins puissants que les machines fixes, et ne peuvent se permettre d’effectuer de longs calculs demandés par les systèmes de cryptographie. L’énergie de la batterie est une ressource rare et pose également des problèmes de sécurité.

Les systèmes sans fil sont sensibles à deux attaques principales supplémentaires par rapport aux réseaux classiques. Ces attaques porte atteinte à la disponibilité du réseau et des nœuds :
- Le blocage radio : pour rendre le réseau inutilisable, le pirate peut bloquer les fréquences radio utilisées par le système.
- Epuisement de la batterie : l’attaquant peut interagir avec le nœud dans le seul but de lui faire consommer de la batterie. Les applications doivent donc restreindre leur accès pour éviter ce genre d’attaque.

Accès au support physique

Dans les réseaux filaires, les protocoles CSMA sont bien connus, le plus célèbre étant CSMA/CD, utilisé dans Ethernet. Les protocoles CSMA fonctionnent de la façon suivante : Une station voulant émettre écoute le support de transmission, et s'il est occupé (c’est à dire qu’une autre station est en train d'émettre), la station remet sa transmission à plus tard. Si le support est libre, la station est autorisée à transmettre.

Ce type de protocole est très efficace lorsque le support n’est pas surchargé, mais il existe toujours une chance pour que 2 stations émettent en même temps et créent ainsi une collision. Ainsi, le but revient à détecter ces collisions pour que la couche MAC puisse retransmettre la trame sans avoir à repasser par les couches supérieures, ce qui engendrerait des délais significatifs. Dans Ethernet, la détection des collisions se fait par l’écoute du support lorsque la station transmet.

Ce type de fonctionnement n’est pas possible dans un environnement sans fils pour 2 raisons :
- Implémenter un mécanisme de détection de collision demanderait l’implémentation d’une liaison radio full duplex.
- Toutes les stations ne s’entendent pas forcement entre elles car chaque station à une portée d’écoute limitée, et le fait que la station voulant transmettre teste si le support est libre, ne veut pas forcément dire que le support est libre autour du récepteur.

Ainsi, le problème revient à savoir s’il existe des interférences dans la zone du récepteur. C’est le problème de la « station cachée ».

Exemple : La station A veut transmettre des données à la station B.
Si la station C écoute le support, elle n’entend pas A car il est hors de portée de C : elle peut conclure faussement qu’aucune transmission n’est en cours dans son entourage. Si C commence à transmettre, des interférences avec les trames de A auront lieu dans l’entourage de B.

 




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