Rappel : le Wi-Fi offre deux solutions pour connecter des ordinateurs en réseau : le mode Infrastructure et le mode Ad-Hoc.

Le mode Infrastructure

C’est le mode le plus courant et le plus facile à employer pour créer un réseau Wi-Fi. En mode Infrastructure, les ordinateurs se connectent entre eux par l’intermédiaire d’une borne d’accès centrale : le point d’accès ou AP (Access Point). Pour terminer la mise en réseau, il faudra configurer sur votre point d’accès central et sur tous les postes amenés à se connecter à votre réseau :

• le SSID : nom de votre réseau Wi-Fi ;
• le canal utilisé de 1 à 13 ;
• un niveau de sécurité ou de cryptage WEP, WPA, WPA2 ;
• un mot de passe dont la longueur dépend du niveau de cryptage choisi (le plus long possible sera le mieux). En ce qui concerne la configuration réseau TCP/IP, les routeurs actuels se chargent de tout en mettant en œuvre un système (DHCP) de configuration automatique d’adressage IP.

Le mode Ad-Hoc

Les ordinateurs équipés sans fil sont configurés pour communiquer directement entre eux, point à point, sans l’intervention d’un point d’accès central.

Nous allons voir, par la suite, comment les dialogues s’effectuent entre les différents éléments du réseau (AP, carte réseau ou adaptateur Wi-Fi) et quels sont les processus mis en œuvre pour faire fonctionner ce réseau sans fil.

Fonctionnement en mode Infrastructure : le processus d’association d’une station sur un point d’accès

En mode Infrastructure, le point d’accès central envoie toutes les 100 millisecondes des trames particulières appelées trames balises (beacon frame). Elles permettent :

• aux stations déjà connectées de se synchroniser sur l’AP ;
• aux stations qui désirent se connecter au réseau de connaître les paramètres utilisés par l’AP :
• BSSID (adresse MAC de l’AP) ;
• débit utilisé sur le réseau ;
• SSID (nom du réseau) si l’option SSID Broadcast est activée ;
• des informations complémentaires implémentées par les constructeurs (disponibilité, charge, etc.).

Fonctionnement d’une station : détection des réseaux présents

Deux cas sont possibles : la station connaît (active) ou ne connaît pas (passive) le nom du réseau (SSID) auquel elle veut se connecter.

• Détection passive :

Une station ayant un adaptateur Wi-Fi va automatiquement détecter et lister « passivement » (sans envoyer aucune trame) les réseaux Wi-Fi qui sont à sa portée et présenter la liste à l’utilisateur, dans l’interface de gestion de son matériel Wi-Fi, qui n’a plus qu’à choisir celui sur lequel il veut se connecter. Dans ce mode de détection, tous les réseaux ordonnancés par des AP qui envoient le SSID dans leurs trames balises sont affichés. Cela ne garantit pas que la station puisse s’y connecter ; il lui faudra connaître la clé (WEP ou WPA) utilisée pour crypter les échanges sur ce réseau.

• Détection active :

Une station qui veut se connecter à un réseau dont elle connaît le SSID va envoyer des trames de sondage sur tous les canaux possibles. Ces trames contiennent le nom du réseau (SSID) et les débits auxquels elle peut fonctionner. L’AP ayant le SSID correspondant lui répond alors par une trame « probe response » équivalente à une « beacon frame ». Le dialogue peut alors se poursuivre. La détection active reste opérationnelle lorsque les conditions de sécurité sont correctement mises en œuvre sur un réseau, c’est-à-dire quand l’AP ne divulgue pas, à tout va, le nom du réseau (SSID).

Une fois le réseau détecté et l’AP contacté, deux cas sont possibles :

• le réseau n’est pas sécurisé par une clé (WEP ou WPA) : on parle d’authentification ouverte (Open Authentification) ; aucune authentification n’est demandée à la station par l’AP pour joindre le réseau ;
• le réseau est sécurisé par une clé : on parle d’authentification à clé partagée (Pre-Shared Key, PSK) car la clé doit être renseignée sur l’AP et sur toutes les stations du réseau. L’AP envoie à la station qui veut s’authentifier un défi ou challenge, un nombre aléatoire de 128 bits que la station doit crypter avec sa clé et renvoyer à l’AP. La borne d’accès central peut alors vérifier que le résultat est juste en décryptant le message avec sa clé et en le comparant au message initial qu’elle a émis et qui doit être le même ; l’authentification est alors acceptée ou non.

Une fois l’authentification réalisée, la station envoie une requête d’association à l’AP qui lui fournit un identifiant d’association et conserve ses caractéristiques en mémoire. La station fait partie du réseau, les échanges de messages peuvent commencer.

Une station vérifie régulièrement (passivement ou activement) la présence d’AP plus disponibles ou plus proches. Elle peut alors se dissocier de sa première AP pour se réassocier avec une AP plus intéressante. Dans ce cas, les AP s’échangent des informations sur la station et les données qui lui sont destinées. Ce mécanisme est complètement transparent et permet de changer d’AP tout en gardant une connexion stable (Hand Over).

Le Wi-Fi possède de grandes similitudes avec Ethernet :

• les trames peuvent être envoyées à une, à plusieurs ou à toutes les stations. On parle de trames unicast, multicast ou broadcast ;
• les stations partagent le même média : l’air pour le Wi-Fi, le fil pour Ethernet ;
• les dialogues peuvent être « écoutés » (sniffer) ; l’adaptateur Wi-Fi doit posséder le mode « promiscuous ».

Là où Ethernet utilise le CSMA/CD (cf. guide Ethernet), le Wi-Fi, lui, met en œuvre différentes stratégies pour éviter les collisions (quand deux messages sont envoyés en même temps) qui obligent à répéter l’émission des messages perdus et qui par conséquent entraînent une chute du débit.

• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

DCF est une variante améliorée du CSMA/CA, qui est elle-même une variante du CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access) de l’Ethernet.

Le principe de CSMA/CA est simple : le récepteur envoie à l’émetteur un accusé de réception ou Acknowledgement (ACK) pour chaque paquet reçu. L’émetteur renvoie son message s’il ne reçoit pas d’ACK. Les collisions sont donc détectées a posteriori.

• RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send)

DCF est un peu plus complexe, mais repose sur ce principe :

• avant d’émettre d’une station, il attend qu’aucune émission ne soit en cours ;
• puis, il attend de nouveau pendant une durée prédéfinie nommée DIFS (Distributed Inter Frame Space) suivie d’un délai d’attente aléatoire supplémentaire CW (Collision Windows, fenêtre de collision) ;
• ensuite, au lieu d’émettre un paquet de données directement, la station envoie un minuscule paquet RTS (Request To Send, demande de permission d’envoyer) indiquant la durée estimée du temps que prendra l’émission du message qu’elle doit envoyer ;
• la station à qui est destiné le message envoie très rapidement un paquet CTS (Clear To Send) autorisant la station à émettre, et ce dans un délai très inférieur au DIFS nommé SIFS (Short Inter Frame Space) afin qu’aucune station n’ait le temps d’émettre. Le SIFS contient lui aussi la durée d’émission estimée du message. Ainsi, les autres stations du réseau attendent le temps indiqué avant d’émettre, ce qui garantit qu’aucune station n’émettra pendant cette durée ;
• la station reçoit le CTS, attend un court délai le SIFS et envoie son paquet de données ;
• la station reçoit le message, attend le SIFS et renvoie un ACK pour assurer à l’émetteur que le paquet a bien été reçu sans collision.

Ce mécanisme n’est valable que pour une transmission d’une station vers une autre ; dans le cas d’un envoi multiple ou vers tout le réseau, il n’y a ni RTS ni CTS ni ACK. Dans un réseau en mode Infrastructure, la station envoie ces trames en unicast vers l’AP qui renvoie les trames en multicast ou broadcast vers les stations destinatrices.

Avec le mécanisme RTS/CTS, les collisions sont évitées en amont, contrairement au CSMA/CD ou CSMA/CA qui les détectent après coup. En contrepartie, on perd de la bande passante avec les paquets RTS, CTS et ACK. C’est ce qui explique en grande partie les pertes de débit réel par rapport au débit théorique.

À noter que CSMA/CD n’est pas utilisable en Wi-Fi :

• la plupart des périphériques Wi-Fi sont Half-Duplex, ils ne peuvent pas émettre et recevoir en même temps et ne peuvent donc pas détecter les collisions pendant qu’ils émettent (contrairement aux périphériques Ethernet),
• deux stations qui seraient Full-Duplex et hors de portée l’une de l’autre mais qui dialogueraient toutes deux avec une troisième station verraient cette troisième station recevoir simultanément des messages, d’où une collision qui obligerait des répétitions d’envois incessantes et une perte considérable de débit.

Il faut donc que le Wi-Fi mette en œuvre des solutions préventives et non curatives.

• Seuil RTS, désactivation RTS/CTS

Quand les paquets sont petits, RTS/CTS devient inutile ; le standard 802.11 autorise alors les stations à ne pas émettre de RTS. Le seuil d’un petit paquet est généralement de 1 000 octets. On peut sur certains équipements configurer ce paramètre RTS Threshold (seuil RTS). Il peut même être possible de désactiver le mécanisme RTS/CTS. Cependant, plus le nombre d’équipements et le volume de données échangées augmentent, plus les paquets RTS/CTS s’avèrent importants pour éviter les collisions.

• Les limites de DCF :

• DCF est optimal quand il y a peu de stations communiquant en même temps. Si elles sont nombreuses, le nombre de collisions augmente et le débit peut chuter considérablement ;
• une station lente impacte tout le réseau, car les temps d’attente sont fixés sur les temps d’émission maximaux des messages sur tout le réseau ;
• de plus, vu que chaque station doit attendre le silence pour communiquer, une interférence peut interrompre totalement le trafic ;
• DSF ne permet pas de garantir le moindre temps de transit puisque qu’il repose sur un mécanisme aléatoire. Ce n’est pas gênant pour des applications asynchrones (navigation internet, e-mails, etc.) En revanche, ça l’est pour des applications synchrones (voix sur IP, vidéoconférence) nécessitant des transmissions fluides. DSF atteint alors sa limite et peut devenir insuffisant.

Pour ces différentes raisons, le standard 802.11 définit un autre mode de partage du média de communication : PCF.

C’est l’AP qui est le directeur, donc PCF n’est utilisable qu’en mode Infrastructure. Les collisions sont impossibles et les temps de latence garantis : on dit que le système est CF (Contention Free, libre de toute dispute).

Mode de fonctionnement :

• l’AP interroge successivement chacune des stations par une requête CF-Poll (Interrogation) ;
• la station qui veut transmettre répond immédiatement par un CF-ACK ;
• l’AP lui répond en lui donnant un temps pendant lequel elle peut émettre ;
• la station émet un ou plusieurs paquets pendant la durée qui lui est accordée.

Pendant qu’une station émet, les autres attendent que l’AP leur donne la main. Pour éviter qu’une station, qui a la main et qui n’émet pas, bloque tout le réseau, l’AP attend de « voir » pendant un intervalle nommé PIFS (PCF, Inter Frame Space). Si la station n’a rien émis, alors l’AP passe à la station suivante.

Le PCF divise le temps de parole équitablement de façon fluide et déterministe. Il est parfait pour transférer des données synchrones comme la vidéoconférence. En contrepartie, on peut perdre de la bande passante si de nombreuses stations n’ont rien à émettre ; les autres attendant pour rien leur tour.

Pour limiter cela et permettre aussi aux stations incompatibles avec le PCF de communiquer, le standard 802.11 impose au PCF d’être accompagné de DCF. Pendant un instant, toutes les stations sont en PCF, puis elles se mettent en DCF, puis reviennent en PCF, etc.

Pour que les stations sachent quand elles peuvent parler librement (DCF) et quand elles doivent attendre que l’AP leur donne la parole (PCF), elles doivent être synchronisées. C’est le rôle des trames balises, envoyées régulièrement par l’AP, qui indiquent le début d’une séquence PCF/DCF, la durée de la séquence totale ainsi que la durée maximale de la phase PCF. À tout moment pendant la phase PCF, l’AP peut décider de passer à la phase DCF en envoyant un broadcast appelé CF-End.

Une station en mode DCF uniquement pourra donc se connecter à un AP configuré en PCF, mais elle disposera d’une bande passante diminuée car elle ne pourra pas communiquer pendant la phase DCF (le PIFS est plus court que le DIFS de sorte que si une station ne connaît pas le mode PCF, elle ne pourra pas prendre la parole pendant la phase PCF, car le silence ne sera pas assez long). En revanche, une station PCF se connectant à une AP ne gérant que le DCF passera automatiquement dans ce mode.

Dans la pratique, le PCF est peu répandu, non obligatoire. La Wi-Fi Alliance ne l’inclut pas dans ses tests d’interopérabilité. Aussi se peut-il que deux équipements PCF ne fonctionnent pas correctement ensemble s’ils ne sont pas du même constructeur.

Ainsi, avec l’avènement des applications multimédias exigeantes, (VoIP, vidéoconférence, etc.), le QoS, ou 802.11e, est indispensable.

Bien que le PCF puisse garantir un débit fluide et permettre ainsi d’améliorer la qualité de service (QoS) pour les applications multimédias, le 802.11e apporte des solutions encore plus complètes, voici :

• on associe chaque paquet Wi-Fi à une classe de trafic TC (Trafic Classe ou AC, Access Priority) particulière. Un numéro lui est ajouté indiquant son niveau de priorité. Le standard 802.11e propose jusqu’à huit niveaux de TC et un AP doit en mettre en œuvre au minimum quatre ;
• deux nouvelles fonctions de coordination sont définies. Elles traitent les paquets différemment selon la TC. Les fonctions sont Enhanced DCF ou EDCA (Enhanced Distribution Channel Access) et Enhanced PCF ou HCF (Hybrid Coordination Function).

La WiFi Alliance a créé la certification WME (Wireless Media Extensions) ou Wi-Fi MultiMedia (WMM) pour les produits compatibles EDCF.

EDCF améliore DCF selon trois principes :

• des délais d’attente différents selon la priorité du message ; (IAFS)
• la gestion des files d’attente selon les priorités par les stations ;
• la possibilité pour une station d’émettre plusieurs messages. (TXOP)

• AIFS (Arbitration Inter Frame Space)

Le mécanisme est le même que DCF. Cependant les messages à haute priorité (TC élevé) ont plus de chances d’être émis rapidement que ceux à basse priorité. Pour cela, EDCF règle les délais DIFS et CW selon les classes : plus la classe est prioritaire, plus les délais d’attente sont courts. On ne parle plus de DIFS mais d’AIFS (dont la durée est supérieure ou égale au DIFS).

• Gestion des files d’attente par les stations

En outre, chaque station gère une file d’attente par classe de trafic et applique des règles probabilistes pour déterminer de quelle file d’attente le prochain paquet à émettre fera partie. Un paquet à transmettre entre donc dans la file d’attente selon sa classe de trafic, puis lorsque son tour arrive, il doit remplir deux conditions avant d’être transmis :

• contre les paquets des autres files d’attente du même adaptateur (condition interne) ;
• contre les paquets des autres stations (condition externe).

• TXOP (opportunité de transmission), émission en rafale

EDCF permet aussi aux stations d’émettre plusieurs messages successifs. La station profite d’une « opportunité de transmission » (TXOP). La durée maximale d’une TXOP peut être précisée dans les trames balises de l’AP. Pendant une TXOP la station émet autant de messages qu’elle le souhaite les uns après les autres en ne les espaçant que de SIFS. Puisque SIFS est le délai le plus court, personne ne peut l’interrompre. Pendant la TXOP, les paquets n’ont que la condition interne à gagner.

• Les limites de l’EDCF

Simple à mettre en œuvre, il permet de régler les flux en fonction des classes de trafic.

Cependant, il repose sur le hasard (il peut arriver que certains messages prioritaires soient retardés un peu trop longtemps) et la « famine » (un message peu prioritaire peut être émis avec beaucoup de retard s’il y a un trafic régulier et plus prioritaire sur le réseau) et peut faire perdre de l’efficacité au réseau. C’est pourquoi on utilise EPCF.

La WiFi Alliance propose la certification WMM Sheduled Access pour les produits compatibles 802.11e.

EPCF est très similaire à PCF (l’AP contrôle les temps de parole, puis il y a une alternance avec une phase EDCF), mais apporte plusieurs améliorations :

• l’AP peut reprendre la main pendant les phases EDCF ;
• la possibilité pour une station d’émettre plusieurs messages ; (TXOP)
• l’AP peut choisir l’ordre dans lequel il interroge les stations ;
• il délègue la gestion des files d’attente aux stations.

• L’AP reprend la main

En EPCF, il y a (comme en PCF) alternance entre les phases EPCF et EDCF. Cependant, lors d’une phase EDCF, l’AP peut reprendre la main quand elle le désire. Pour cela l’AP attend le premier silence d’une longueur PIFS, puisque PIFS est inférieur au DIFS et à l’AIFS, aussi l’AP est-il sûr d’obtenir la parole.

En outre, lorsqu’une station obtient la parole elle dispose d’une TXOP comme EPCF ; elle peut envoyer des paquets en série.

• L’AP choisit à qui donner la main

Pour donner la parole à celui qui en a le plus besoin, l’AP va connaître les files d’attente de chaque station pour chaque classe de trafic (les stations l’indiquent au début de chaque message dans l’en-tête MAC modifié par le 802.11e). L’AP donne donc la parole en fonction :

• des priorités TC ;
• des paramètres de QoS (requis pour chaque TC) configurés dans l’AP (faible temps de latence, bande passante importante, débit régulier pour éviter les à-coups [jitter], etc.) ;
• de la longueur des files d’attente ;
• du temps de parole cumulé pour chaque station ;
• ou de tout autre paramètre.

• L’AP délègue les files d’attente

Le rôle de l’AP se réduit à distribuer correctement le temps de parole. Lorsqu’il donne la parole à une station, il ne lui impose pas une file d’attente à utiliser. C’est la station qui la gère seule. Ceci délègue une partie du travail et des responsabilités à chaque station afin d’alléger l’AP.

L’AP peut se donner la parole à lui-même, ce qui arrive très souvent, car il doit relayer tout le trafic en provenance et à destination des stations.

EPCF du 802.11e est plus flexible, mais il est aussi le plus complexe : il gère finement la QoS pour chaque classe de trafic.