Soutenance mémoire
Le WiFi est une certification délivrée par la WiFi Alliance [All11]. Ce consortium assure le respect de la norme de réseau sans fil, ratifiée il y a une dizaine d’années par IEEE sous la référence 802.11. Cet ensemble de protocoles de communication est présent aujourd’hui sur de nombreux équipements informatiques. Il est grandement exploité comme réseau d’entreprise ou domestique afin d’éviter de déployer des câbles. Cette technologie se met aussi en place dans les lieux publics (aéroports, gares, hôtels…) afin de permettre aux utilisateurs d’ordinateurs portables d’accéder à Internet lorsqu’ils sont en déplacement. Dans ce cas, le service WiFi est apporté par des hotspots auxquels l’accès est souvent payant. De plus, des téléphones mobiles WiFi permettent de transporter de la voix sur Internet à moindre coût. Pour des applications à temps critique telles que la vidéo ou la téléphonie, une qualité de service doit être assurée. C’est pourquoi une annexe nommée 802.11e a été ajoutée en 2005. Des études ont montré l’efficacité de ces nouvelles fonctionnalités sur des communications audio et vidéo. Osmozis, société innovante créée fin 2005, est opérateur de télécommunication. Son objectif est le déploiement d’accès Internet sans fil sur de grandes surfaces, telles que les campings, résidences de vacances, ports de plaisance ou parcs d’exposition. Cette société a déjà installé et exploite plusieurs milliers d’équipements en service permettant notamment aux estivants, en vacances dans un mobilhome, qui n’ont que la télévision, la piscine, la plage et le soleil, d’avoir un accès Internet. Cependant, l’utilisation classique du WiFi se limite à une centaine de mètres en extérieur ou une cinquantaine de mètres en intérieur autour d’un émetteur central appelé point d’accès. Ces éléments peuvent être connectés entre eux en filaire afin d’étendre le réseau. Mais cette contrainte nécessite de creuser des tranchées pour les connecter en réseau alors que ces grands espaces vont jusqu’à plusieurs dizaines d’hectares.
Pourquoi le WiFi maillé ?
La norme IEEE 802.11 [IEE99a], correspondante au WiFi signifiant Wireless Fidelity, a été proposée en 1997 afin de mettre en place un réseau sans fil sur quelques dizaines ou centaines de mètres. Elle se situe au niveau des couches physique et liaison du modèle OSI. Par-dessus, la pile TCP/IP peut être utilisée et peut ouvrir les portes à l’Internet. Depuis, de nombreuses annexes ont été ajoutées à cette norme. Certaines définissent la couche physique 802.11a [IEE99b] 802.11b [IEE99c] 802.11g [IEE03] 802.11n [IEE09] afin d’utiliser différentes fréquences ou d’augmenter le débit. D’autres réglementent l’utilisation des bandes de fréquences en fonction des pays. Certaines définissent de nouveaux mécanismes d’accès au médium comme 802.11e [IEE05] qui améliore la qualité de service. Aujourd’hui, ce standard est utilisé dans une très large majorité d’ordinateurs portables, certains téléphones mobiles ainsi que certaines consoles de jeux. Tous ces équipements peuvent se connecter au réseau WiFi de l’entreprise ou à celui des box ADSL domestiques. Afin d’étendre la couverture du réseau sans fil, une idée serait d’augmenter la puissance d’émission. Cependant, celle-ci est limitée par les autorités, en particulier pour des contraintes sanitaires en fonction de la fréquence et du pays. De plus, certains équipements terminaux comme les téléphones mobiles ont une puissance d’émission plus faible pour limiter le coût et la consommation énergétique. Une autre possibilité serait d’augmenter le nombre de points d’accès et de les répartir sur la zone à couvrir. Pour assurer une couverture totale en extérieur, la distance entre deux points d’accès peut dépasser la centaine de mètres. Il devient alors difficile de relier les éléments en filaire sur de telles distances comme le prévoit la norme 802.11. Le WiFi maillé, bientôt normalisé par l’annexe 802.11s [IEE11], propose une solution en permettant aux points d’accès de communiquer entre eux sans fil. Ceux ci pourront répéter les paquets de proche en proche afin d’atteindre une destination qui pourra être à l’autre bout du réseau. Ainsi, la superficie pouvant être couverte par un tel réseau est beaucoup plus grande.
Les éléments d’un réseau WiFi
L’élément de base d’un réseau WiFi en mode infrastructure est le point d’accès (Access Point AP). Il peut-être connecté à un réseau Ethernet, ou être intégré dans un routeur. C’est lui qui relaye tous les paquets entre les différentes stations et le réseau auquel il est connecté (par exemple Ethernet).
Une Station (STA) peut se connecter à un AP. Celui-ci va répéter les paquets qui lui sont transmis afin de les acheminer jusqu’à leur destinataire qui peut être une autre STA, ou se situer sur le réseau Ethernet sur lequel est connecté l’AP. Le système de distribution (Distribution System DS) permet d’acheminer les données entre AP. Il peut être de type Ethernet et peut être connecté à Internet. Une STA peut communiquer avec d’autres STA en mode Ad-hoc, sans AP. Dans ce mode, chaque STA peut communiquer directement avec les autres, et le service est nommé Independent BSS (IBSS).
Le service fourni par tous les AP connectés sur le même DS est appelé Extended Service Set (ESS). Il peut couvrir des zones importantes. Un ESS est identifié par son nom (Service Set Identifier SSID). Il est émis par tous les AP qui font partie du ESS. Il pourra être visible par les stations afin de leur permettre de se connecter. Les AP sont distingués par des identifiants uniques appelés Basic Service Set Identifier (BSSID). Formé de 48 bits, c’est généralement l’adresse MAC de la carte WiFi de l’AP.
De nouvelles définitions permettent de présenter l’annexe 802.11s. L’élément de base du réseau WiFi maillé est le MP (Mesh Point). Il doit implémenter au minimum les fonctionnalités de recherche de voisin, de sélection de canal et créer des associations avec ses voisins afin de relayer des informations. Plusieurs MP forment le WDS (Wireless Distribution System). C’est le système d’acheminement de la donnée entre tous les éléments du réseau maillé. Contrairement au DS de la norme 802.11, celui-ci est maintenant sans fil.
Un MP qui implémente la fonctionnalité de AP est appelé MAP (Mesh Access Point). Celui-ci va permettre à des STA qui respectent la norme 802.11 de base de se connecter au réseau maillé. Le MPP (Mesh Portal) est un MP qui offre la fonctionnalité de se connecter sur un autre type de réseau, par exemple un réseau filaire qui conduit à Internet. La norme 802.11s définit un WDS avec une suite de nouveaux protocoles qui permettront la communication entre les éléments d’un réseau maillé. Ceux-ci devront apprendre la topologie du réseau de manière à déterminer automatiquement les chemins entre chaque élément. Deux procédures d’initialisation sont définies. D’une part, la STA va s’associer avec un MAP (802.11 traditionnel) ; et d’autre part, le MP va s’associer avec ses voisins.
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Table des matières
Introduction
1 Le WiFi maillé, des principes au terrain
1.1 Pourquoi le WiFi maillé ?
1.1.1 Les éléments d’un réseau WiFi
1.1.2 Topologie
1.2 La communication
1.2.1 Adresses des nœuds contenus dans un paquet
1.2.2 Choix des chemins
1.3 L’accès à la couche physique
1.3.1 Présentation de la méthode d’accès
1.3.2 Les paquets de contrôle RTS/CTS
1.3.3 La qualité de service (QoS)
1.4 Evaluation de performance, notions de métrologie
1.4.1 Introduction
1.4.2 Le débit
1.4.3 La latence
1.4.4 La gigue
1.4.5 La qualité de service
1.4.6 Le temps d’utilisation du canal WiFi
1.4.7 Mesure des ces indicateurs
1.5 Analyse par expérimentation
1.5.1 Introduction
1.5.2 Présentation de l’expérience
1.5.3 Résultats
1.5.4 Problèmes observés
1.5.5 Conclusion
2 Etat de l’art
2.1 Solutions orientées couche physique
2.1.1 Le WiFi maillé sur plusieurs canaux
2.1.2 Changement de modulation basé sur des chaînes de Markov
2.2 Solutions protocolaires pour le WiFi maillé
2.2.1 Approches visant l’équilibrage de charge par les point d’accès
2.2.2 Approche traitant du problème du nœud caché
2.2.3 Approches visant à améliorer la qualité de service de certains flux
2.3 Positionnement
2.3.1 Identification des problèmes
2.3.2 Identification des leviers
2.3.3 Problème de l’expérimentation
2.3.4 Simulation
2.4 Simulateurs existants
2.4.1 Simulateurs réseaux classiques
2.4.2 Choix du formalisme de modélisation
2.4.3 Joueurs de réseaux de Petri
2.5 Modélisation et Réseaux de Petri
2.6 Conclusion
3 De la modélisation à la validation du simulateur
3.1 Introduction
3.1.1 Objectif de la modélisation
3.1.2 Présentation du formalisme de modélisation
3.2 Structuration du modèle
3.2.1 Une approche modulaire
3.2.2 Présentation des modules
3.3 Granularité
3.3.1 Granularité au niveau de la couche radio
3.3.2 Granularité au niveau de la couche liaison de données
3.3.3 Granularité au niveau supérieur à la couche liaison de données
3.4 Description
3.4.1 Configuration de la topologie d’une installation WiFi maillé
3.4.2 Modèle Network
3.4.3 Modèle Radio
3.4.4 Modèle MAC
3.4.5 Modèle LLC
3.4.6 Modèle UDP
3.4.7 Modèle ICMP
3.5 Validation
3.5.1 Enumération des mécanismes à valider
3.5.2 Présentation du cas d’étude
3.5.3 Graphiques générés
3.5.4 Simulation d’une requête ICMP sur le cas d’étude
3.5.5 Simulation de requêtes ICMP en concurrence avec des requêtes UDP
3.5.6 Utilisation du mécanisme de contrôles RTS/CTS
3.5.7 Simulation d’émission de Beacon
3.5.8 Conclusion
4 Exploitation du simulateur
Conclusion
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