Métrologie des réseaux sans-fil: A la frontière du signal et du numérique

Couche MAC 

Architecture d’un réseau 802.11

 Le standard 802.11 définit deux types de nœuds : — les stations : ce sont les points terminaux des communications du réseau. — les points d’accès : ils constituent la transition entre le réseau local sans-fil constitué des stations et le réseau externe (e.g. Internet). Dans la majeure partie des cas, la transition se fait par l’intermédiaire d’une communication filaire. Dans le mode infrastructure, majoritairement utilisé par les réseaux 802.11, le point d’accès est le coordinateur principal des communications du réseau. La cellule créée autour d’un point d’accès est appelée ensemble de services de base (Basic Service Set – BSS) et regroupe l’ensemble des stations constituant cette cellule. L’ensemble des communications intra et inter-réseaux transite par le point d’accès. Par conséquent, si deux stations situées dans le même réseau local doivent communiquer, leur communication prendra au minimum 2 sauts. 

 Accès au médium 802.11 définit 3 méthodes d’accès différentes au médium 

Distributed Coordination Function (DCF) :

La méthode d’accès DCF implémente la méthode standard CSMA/CA. Elle consiste à vérifier si le médium est déjà utilisé avant d’émettre soit même. Pour éviter les collisions, les émetteurs utilisent des procédures de temporisation aléatoire avant chaque trame, le nœud qui a alors le temps de temporisation le plus faible dispose du médium. Dans certains cas, des techniques de réservations du médium à partir de RTC/CTS permettent de limiter encore plus les risques de collisions. DCF est la méthode de base dans les réseaux 802.11.

 Point Coordination Function (PCF) 

 La méthode PCF offre des méthodes d’accès au médium sans-contention. Il permet à des points d’accès appelés points coordinateurs (PC) un accès privilégié. Pour permettre cet accès prioritaire, les stations PC utilisent des délais réduits par rapport à ceux de la méthode DCF. — Hybrid Contention Function (HCF) : Dans certains cas, un trafic particulier peut nécessiter une qualité de service supérieure à celle offerte par le modèle DCF sans toutefois nécessiter l’utilisation d’un modèle extrême comme PCF. Pour cette raison le modèle HCF permet aux stations d’implémenter des modèles de priorité sous-forme de queue d’envoi et de balancer l’accès au médium en fonction de la qualité du trafic. Ce mode d’accès est rendu disponible par l’amendement 802.11e. Transmission normale Accès basé sur contention HCF Accès controlé par HCF Transmission sans-contention HCF PCF DCF Figure 2.1 – Organisation des méthodes d’accès 802.11. Figure reproduite de [42]. La relation entre les différentes méthodes d’accès est présentée sur la figure 2.1. La méthode d’accès DCF est la méthode de base pour l’accès au canal en 802.11 par conséquent, ses principes et mécanismes sont décrits dans la section suivante.

 Méthode DCF 

La méthode DCF débute par une procédure de sondage du canal. Celle-ci permet de s’assurer que le canal est libre avant d’émettre. Le canal est considéré comme libre si aucune transmission n’a été détectée pendant un intervalle de 20 Le standard IEEE 802.11 temps appelé intervalle intertrame (Interframe Space – IFS). Par conséquent, la procédure de sondage se déroule jusqu’à ce que cette condition soit remplie. Après la procédure de sondage, la procédure d’émission peut avoir lieue. Plusieurs nœuds peuvent alors être en compétition pour l’accès au canal. Afin d’éviter les collisions, les transmissions effectives des nœuds sont réparties aléatoirement dans le temps selon une procédure appelée procédure de temporisation. La procédure de temporisation consiste pour chacun des nœuds en compétition pour l’accès au médium à tirer aléatoirement un créneau d’émission parmi ceux disponibles. La station qui dispose du créneau le plus court émet la première. Canal occupé IFS … Transmission Temps sondage temporisation Créneaux Figure 2.2 – Séquence d’émission DCF. Figure extraite de . Entre chaque transmission unicast, l’émetteur de la trame attend la réception d’un acquittement de la part du récepteur pendant un délai IFS court appelé SIFS. Si l’acquittement n’est pas re¸cu, le nœud recommence la procédure complète d’envoi de la trame. Avant chaque retransmission, le nombre de créneaux disponibles peut-être modifié par l’algorithme de gestion de la temporisation. L’ensemble de la séquence d’envoi est illustré sur la figure 2.2. Les différents mécanismes mis en œuvre dans la méthode DCF disposent de nombreuses spécificités décrites ci-après. Sondage du canal Le sondage du canal permet de s’assurer que le médium n’est pas utilisé. Deux types de sondage sont utilisés : — le sondage physique consiste à mesurer l’énergie sur le canal à un instant donné. Il dépend du canal et de la modulation utilisés. Si le niveau mesuré dépasse un certains seuil, le canal est considéré comme occupé. — le sondage virtuel utilise le vecteur d’allocation réseau NAV (Network Allocation Vector) et les informations de niveau MAC pour inférer l’occupation du canal. Le sondage physique peut se révéler compliqué et nécessiter du matériel onéreux. Par conséquent, le sondage virtuel est préféré. Le NAV est un minuteur présent sur chaque nœud et indique la réservation du canal. Si la valeur du compteur NAV est supérieure à 0, alors le canal est considéré occupé, dans le cas contraire, le canal est considéré comme vide. La plupart des trames 802.11 incluent un champs durée qui indique le temps nécessaire à leur transmission sur le canal. Ce champ est utilisé pour mettre à jour le compteur NAV.   Délais intertrames (IFS) Etant donné la contention qui peut exister sur le médium sans-fil, des délais ´ intertrames sont utilisés pour réguler l’accès. Une trame émise avec un délai intertrame réduit disposera d’un accès priorisé au médium. Il existe 4 délais intertrames différents : — le délai Short Intreframe Space (SIFS) : le SIFS est utilisé pour réguler l’accès aux trames de forte priorité comme l’envoi de trames RTS/CTS ou l’envoi d’un acquittement. Son délai est par conséquent le plus court des délais IFS. — le délai DCF Interframe Space (DIFS) : le délai DIFS est utilisé par le modèle DCF, c’est donc le délai standard pour l’envoi de trames ne nécessitant pas de priorité particulière. — le délai PCF Interframe Space (PIFS) : Le PIFS est utilisé par le modèle PCF. Les trames émises par PCF sont priorisées par rapport aux trames standards (DCF), par conséquent la durée de PIFS se situe entre le SIFS (trames de très grande priorité) et le DIFS. — le délai Extended Interframe Space (EIFS) : Le EIFS a était introduit par l’amendement 802.11e et est défini par l’application en fonction des priorités de la trame. Gestion des erreurs Le protocole MAC 802.11 est qualifié de sans-perte. Ce terme signifie que son utilisation limite les pertes d’informations liées à la transmission sur le médium. Si une erreur est détectée sur une trame re¸cue, celle-ci est réémise. Le mécanisme de gestion des erreurs est constitué de plusieurs composants : — détection des erreurs : une somme de contrˆole est calculée et incluse dans la trame avant son émission sur le médium. A la réception de la trame, ` une somme de contrˆole similaire est calculée. Si une différence est constatée entre les deux valeurs, la trame est considérée comme corrompue et ignorée par la pile de réception. — acquittement de trame re¸cu et retransmission de trames erronées : si aucune erreur n’est détectée à la réception, un acquittement est envoyé par le récepteur à l’émetteur. Dans le cas contraire, l’émetteur attend un temps SIFS et effectue une retransmission de la trame (traduit en anglais par retry). Le nombre de retransmissions est limité. Par conséquent, quand le nombre maximal de retransmission est atteint, la trame est considérée comme perdue par la couche MAC de l’émetteur qui en informe alors les couches supérieures qui prennent alors une décision en fonction de leur propre logique.

Tramage

Le tramage constitue un point important des protocoles MAC.

Type de trames

 Trois types de trames sont utilisées par 802.11 : — les trames de données constituent la majeure partie des trames échangées dans une cellule. Elles contiennent les informations des protocoles de plus haut-niveau. — les trames de contrˆole sont utilisées conjointement aux trames de données pour accomplir les fonctionnalités de niveau MAC : acquittement, réservation et sondage du canal. Le standard IEEE 802.11 — les trames de management sont émises par le point d’accès pour accomplir les tˆaches de supervision comme l’entrée d’une nouvelle station dans la cellule. Les trames de données constituent la majorité du trafic MAC dans la plupart des réseaux. Son format est décrit dans la prochaine section.

Format d’une trame de donnée octets

Les trois constituants d’une trame de donnée sont le préambule, le champ Signal et le champ Données. Seuls le champ Signal et le champ Données contiennent des données susceptibles d’être décodées par le récepteur. Le préambule est une séquence de bits fixée par le standard et identique à toutes les trames permettant aux récepteurs 802.11 de détecter l’arrivée d’une trame. Le champ signal contient toute information pouvant être utilisée pour le décodage physique et la réception de la trame. Pour des problèmes de compatibilité entre les différentes normes 802.11, les symboles constituant le champ signal sont obligatoirement modulés par BPSK avec un taux de codage 1 2 . Le champ PSDU du champ données contient toutes informations nécessaires au fonctionnement du protocole MAC 802.11 (acheminement local, …) ainsi que toutes les données passées à la couche MAC pour la couche IP. Le champ Durée est utilisé pour le sondage virtuel du canal et la mise à jour de l’horloge NAV. Les champs Adresse contiennent les adresses d’émission et de réception nécessaires à l’acheminement à l’intérieur de la cellule. Un numéro de séquence (seqctl) est également présent dans les métadonnées et permet de différencier chacune des trames. Le champ Corps constitue la charge utile de la trame et est composé des informations transmises à la couche MAC par les couches supérieures. Le champ FCS est la somme de contrˆole, calculée sur le champ Corps avant l’émission. Le champ Contrˆole du PSDU incorpore toutes les informations d’ordre protocolaire comme le type de trame (contrˆole, donnée ou management), la version du protocole utilisée, si la trame est réémise ou fragmentée ou encore si les données présentes dans la trames sont cryptées.