9. Wi-Fi et l’Internet Mobile

9. Wi-Fi et l’Internet Mobile

9.1. Wi-Fi

Le Wi-Fi, aussi orthographié wifi est un ensemble de protocoles de communication sans fil régis par les normes du groupe IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802-11). Un réseau Wi-Fi permet de relier par ondes radio plusieurs appareils informatiques (ordinateur, routeur, smartphone, décodeur Internet, etc.) au sein d’un réseau informatique afin de permettre la transmission de données entre eux.

Apparu pour la première fois en 1997, les normes IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802-11), qui sont utilisées internationalement, décrivent les caractéristiques d’un réseau local sans fil (WLAN). La marque déposée « Wi-Fi » correspond initialement au nom donné à la certification délivrée par la Wi-Fi Alliance (« Wireless Ethernet Compatibility Alliance », WECA), organisme ayant pour mission de spécifier l’interopérabilité entre les matériels conformes à la norme 802.11 et de vendre le label « Wi-Fi » aux matériels répondant à ses spécifications. Pour des raisons de facilité d’usage (et de marketing) le nom de la norme se confond aujourd’hui avec le nom de la certification (c’est le cas en France, en Espagne, au Canada, en Suisse, en Tunisie…). Ainsi, un réseau Wi-Fi est en réalité un réseau répondant à une des normes IEEE 802.11. Dans d’autres pays (en Allemagne, aux États-Unis par exemple) de tels réseaux sont aussi nommés par le terme générique WLAN : Wireless LAN (réseau local sans fil).

Grâce aux normes Wi-Fi, il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut débit. En pratique, le Wi-Fi permet de relier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des assistants personnels (PDA), des objets communicants ou même des périphériques à une liaison haut débit : de 11 Mbit/s théoriques ou 6 Mbit/s réels en 802.11b, à 54 Mbit/s théoriques ou environ 25 Mbit/s réels en 802.11a ou 802.11g, 600 Mbit/s théoriques pour le 802.11n, et 1,3 Gbit/s théoriques pour le 802.11ac normalisé depuis décembre 2013.

La portée peut atteindre plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres) s’il n’y a aucun obstacle gênant (mur en béton par exemple) entre l’émetteur et l’utilisateur. Ainsi, des fournisseurs d’accès à Internet peuvent établir un réseau Wi-Fi connecté à Internet dans une zone à forte concentration d’utilisateurs (gare, aéroport, hôtel, train, etc.). Ces zones ou points d’accès sont appelés bornes ou points d’accès Wi-Fi ou « hot spots ».

9.1.1.        Historique

Le Wi-Fi est un ensemble de normes concernant les réseaux sans fil qui ont été mises au point par le groupe de travail 11 du comité de normalisation LAN/MAN de l’IEEE (IEEE 802). Sa première norme est publiée en 1997, et permet des échanges à une vitesse théorique de 2 Mbit/s. Le protocole se développe en 1999, avec la publication des normes IEEE 802.11a et 802.11b, permettant respectivement des transferts de 54 Mbit/s et 6,5 Mbit/s théoriques.

9.1.2.        Le terme « Wi-fi »

Le terme « Wi-Fi » suggère la contraction de « Wireless Fidelity », par analogie au terme « Hi-Fi » pour « High Fidelity » (apparu dans les années 1930). Cependant, bien que la Wi-Fi Alliance ait elle-même employé fréquemment ce terme dans divers articles de presse (notamment dans le slogan « The Standard for Wireless Fidelity »), selon Phil Belanger, membre fondateur de la Wi-Fi Alliance, le terme « Wi-Fi » n’a jamais eu de réelle signification7. Il s’agit bien néanmoins d’un jeu de mots avec « Hi-Fi ».

Le terme « Wi-Fi » a été utilisé pour la première fois de façon commerciale en 1999, et a été inventé par la société Interbrand, spécialisée dans la communication de marque, afin de proposer un terme plus attractif que la dénomination technique « IEEE 802.11b Direct Sequence ». Interbrand est également à l’origine du logo rappelant le symbole du Yīn et du Yang.

Logo du Wi-Fi

9.1.3.        Structure (couches et protocoles associés)

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 :

  • la couche physique (notée parfois couche PHY), proposant quatre types de codage de l’information ;
  • la couche liaison de données, constituée de deux sous-couches :
    • le contrôle de la liaison logique (Logical Link Control, ou LLC) ;
    • le contrôle d’accès au support (Media Access Control, ou MAC).

La couche physique définit la modulation des ondes radioélectriques 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 donc en réalité trois couches (une couche physique appelée PHY et deux sous-couches relatives à la couche liaison de données du modèle OSI), définissant des modes de transmission alternatifs que l’on peut représenter de la manière suivante :

Tableau 7 : Couches et protocoles associés au réseau Wi-Fi

Couche Liaison de données 802.2 (LLC)

802.11 (MAC)
Couche Physique (PHY) DSSS, FHSS, OFDM, Infrarouge

Il est possible d’utiliser n’importe quel protocole de transport basé sur IP sur un réseau 802.11 au même titre que sur un réseau Ethernet.

Modes de mise en réseau du Wi-fi

Il existe différents modes de mise en réseau :

a. Le mode « Infrastructure » 

Ce mode permet de connecter les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi entre eux via un ou plusieurs points d’accès (PA) qui agissent comme des concentrateurs (exemple : répéteur ou commutateur en réseau Ethernet). Autrefois ce mode était essentiellement utilisé en entreprise. Dans ce cas, la mise en place d’un tel réseau oblige de poser à intervalles réguliers des bornes « Point d’accès » (PA) dans la zone qui doit être couverte par le réseau. Les bornes, ainsi que les machines, doivent être configurées avec le même nom de réseau (SSID = Service Set IDentifier) afin de pouvoir communiquer. L’avantage de ce mode, en entreprise, est de garantir un passage obligé par le Point d’accès: il est donc possible de vérifier qui accède au réseau. Actuellement les FAI, les boutiques spécialisées et les grandes surfaces fournissent aux particuliers des routeurs sans fil qui fonctionnent en mode « Infrastructure », tout en étant très faciles à configurer.

b. Le mode « Ad hoc »

Ce mode permet de connecter directement les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi, sans utiliser un matériel tiers tel qu’un point d’accès (en anglais : Access Point, ou AP). Ce mode est idéal pour interconnecter rapidement des machines entre elles sans matériel supplémentaire (exemple : échange de fichiers entre portables dans un train, dans la rue, au café…). La mise en place d’un tel réseau consiste à configurer les machines en mode « Ad hoc » (au lieu du mode « Infrastructure »), la sélection d’un canal (fréquence), d’un nom de réseau (SSID) communs à tous et si nécessaire d’une clé de chiffrement. L’avantage de ce mode est de s’affranchir de matériels tiers, c’est-à-dire de pouvoir fonctionner en l’absence de point d’accès. Des protocoles de routage dynamique (exemples : OLSR, AODV…) rendent envisageable l’utilisation de réseaux maillés autonomes dans lesquels la portée ne se limite pas à ses voisins (tous les participants jouent le rôle du routeur).

c. Le mode « Pont ou Bridge »)

Un point d’accès en mode « Pont » sert à connecter un ou plusieurs points d’accès entre eux pour étendre un réseau filaire, par exemple entre deux bâtiments. La connexion se fait au niveau de la couche 2 du modèle OSI. Un point d’accès doit fonctionner en mode « Racine » (« Root Bridge », généralement celui qui distribue l’accès Internet) et les autres s’y connectent en mode « Bridge » pour ensuite retransmettre la connexion sur leur interface Ethernet. Chacun de ces points d’accès peut éventuellement être configuré en mode « Pont » avec connexion de clients. Ce mode permet de faire un pont tout en accueillant des clients comme le mode « Infrastructure ».

d. Le mode « Répéteur » (« Range-extender ») 

Un point d’accès en mode « Répéteur » permet de répéter un signal Wi-Fi plus loin (par exemple pour atteindre un fond de couloir en « L »). Contrairement au mode « Pont », l’interface Ethernet reste inactive. Chaque « saut » supplémentaire augmente cependant le temps de latence de la connexion. Un répéteur a également une tendance à diminuer le débit de la connexion. En effet, son antenne doit recevoir un signal et le retransmettre par la même interface ce qui en théorie divise le débit par deux.

9.1.4.       Les différentes normes Wi-Fi

La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale publiée en 1997 qui offrait des débits de 1 ou 2 Mbit/s (Wi-Fi est un nom commercial, et c’est par abus de langage que l’on parle de « normes » Wi-Fi). Des révisions ont ensuite été apportées à la norme originale afin d’augmenter le débit (c’est le cas des normes 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n et 802.11ac, appelées normes 802.11 physiques) ou de spécifier des fonctions de sécurité ou d’interopérabilité. Le tableau suivant présente les principales révisions de la norme 802.11 et leur signification :

Tableau 8 : Les différentes normes Wi-Fi

Norme Nom Description
802.11a Wi-Fi 5 La norme 802.11a (baptisée Wi-Fi 5) permet d’obtenir un haut débit (dans un rayon d’environ 10 mètres : 54 Mbit/s théoriques, 27 Mbit/s réels) dans la bande de fréquence radio SHF des 5 GHz (bande U-NII = Unlicensed – National Information Infrastructure). La norme 802.11a spécifiait 8 canaux non superposés occupant la bande de 5,150 à 5,350 GHz ; chaque canal est subdivisé en 52 sous-porteuses (codage OFDM). La modulation utilisable est adaptative, en fonction des conditions radio : 16QAM, 64QAM, QPSK ou BPSK.
802.11b Wi-Fi La norme 802.11b était la norme Wi-Fi la plus répandue en base installée au début des années 2000. Elle propose un débit théorique crête de 11 Mbit/s (6 Mbit/s réels) avec une portée pouvant aller jusqu’à 300 mètres (en théorie) dans un environnement dégagé. La plage de fréquences utilisée est la bande des 2,4 GHz (bande ISM = Industrial Scientific Medical) avec, en France, 13 canaux radio disponibles dont 3 au maximum non superposés (1 – 6 – 11, 2 – 7 – 12…). La modulation utilisable est, au choix : CCK, DBPSK ou QPSK.
802.11c Pontage 802.11 vers 802.1d La norme 802.11c n’a pas d’intérêt pour le grand public. Il s’agit uniquement d’une modification de la norme 802.1d afin de pouvoir établir un pont avec les trames 802.11 (niveau liaison de données).
802.11d Internationalisation La norme 802.11d est un supplément à la norme 802.11 dont le but est de permettre une utilisation internationale des réseaux locaux 802.11. Elle consiste à permettre aux différents équipements d’échanger des informations sur les plages de fréquences et les puissances autorisées dans le pays d’origine du matériel.
802.11e Amélioration de la qualité de service La norme 802.11e vise à donner des possibilités en matière de qualité de service au niveau de la couche « liaison de données ». Ainsi, cette norme a pour but de définir les besoins des différents paquets en termes de bande passante et de délai de transmission de manière à permettre, notamment, une meilleure transmission de la voix et de la vidéo.
802.11f Itinérance (roaming) La norme 802.11f est une recommandation destinée aux vendeurs de points d’accès pour une meilleure interopérabilité des produits de fabricants différents. Elle propose le protocole Inter-Access point roaming protocol permettant à un utilisateur itinérant de changer de point d’accès de façon transparente lors d’un déplacement, quelles que soient les marques des points d’accès présents dans l’infrastructure réseau. Cette possibilité est appelée itinérance ((en)roaming).
802.11g La norme 802.11g offre un plus haut débit (54 Mbit/s théoriques, 25 Mbit/s réels) dans la bande de fréquence des 2,4 GHz. La norme 802.11g offre une compatibilité ascendante avec la norme 802.11b8. Cette aptitude permet aux équipements de proposer le 802.11g tout en restant compatibles avec les réseaux existants 802.11b. Le principe est le même que celui de la norme 802.11a (bande des 5 GHz), mais en utilisant 13 canaux composés chacun de 48 sous-porteuses radio et partiellement superposés, dans la bande de fréquences des 2,4 GHz. Le 802.11g utilise un codage OFDM autorisant de plus hauts débits ; chaque sous-porteuse utilise les modulations classiques BPSK, QPSK ou QAM comme dans la norme 802.11a. Le codage OFDM étant interne à chacun des 13 canaux de 22 MHz possibles (14 au Japon), il est donc possible d’utiliser au maximum, à plein débit, 3 de ces canaux non superposés (1 – 6 – 11, 2 – 7 – 12, etc.)
802.11h La norme 802.11h vise à rapprocher la norme 802.11 du standard Européen (Hiperlan 2, d’où le « h » de 802.11h) et à être en conformité avec la réglementation européenne en matière de fréquences et d’économie d’énergie.
802.11i La norme 802.11i a pour objectif d’améliorer la sécurité des transmissions (gestion et distribution des clés, chiffrement et authentification). Cette norme s’appuie sur l’AES (Advanced Encryption Standard) et propose l’authentification (WPA2) et un chiffrement des communications pour les transmissions utilisant les standards 802.11a, 802.11b et 802.11g.
802.11IR La norme 802.11IR a été élaborée de manière à utiliser des signaux infra-rouges. Cette norme est désormais dépassée techniquement.
802.11j La norme 802.11j est à la réglementation japonaise ce que le 802.11h est à la réglementation européenne.
802.11n WWiSE (World-Wide Spectrum Efficiency) ou TGn Sync La norme 802.11n est disponible depuis le 11 septembre 2009. Le débit théorique atteint les 450 Mbit/s en Mimo 3×3 (débit réel jusqu’à 200 Mbit/s dans un rayon de 100 mètres) grâce aux technologies MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) et OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Des équipements propriétaire, qualifiés de « pré-N » étaient disponibles depuis 20069. Le 802.11n a été conçu pour pouvoir utiliser les bandes de fréquences de 2,4 GHz ou 5 GHz. Les premiers adaptateurs 802.11n disponibles étaient généralement simple-bande à 2,4 GHz, mais des adaptateurs double-bande (2,4 GHz ou 5 GHz, au choix) ou même double-radio (2,4 GHz et 5 GHz simultanément) sont également disponibles. Le 802.11n sait combiner jusqu’à 2 canaux de 20 MHz non superposés, ce qui permet, en théorie d’atteindre une capacité totale théorique de 600 Mbit/s dans la bande des 5 GHz.
802.11r Handover La norme 802.11r, publiée en 2008, vise à améliorer la mobilité entre les cellules d’un réseau Wi-Fi et notamment de réduire le temps d’interruption d’une communication en cas de handover : Il permet à un appareil connecté de basculer plus rapidement (moins d’une seconde) et de façon plus fluide d’un point d’accès au suivant.
802.11s Réseau Mesh La norme 802.11s vise à implémenter la mobilité sur les réseaux de type Ad-Hoc. Le débit théorique atteint 10 à 20 Mbit/s. Tout point qui reçoit le signal est capable de le retransmettre. Elle constitue ainsi une toile au-dessus du réseau existant. Un des protocoles utilisé pour mettre en œuvre son routage est OLSR.
802.11u La norme 802.11u a été adoptée le 25 février 2011. Elle vise à faciliter la reconnaissance et la sélection de réseaux, le transfert d’informations en provenance de réseaux externes, en vue de permettre l’interopérabilité entre différents fournisseurs de services payants ou avec des hot-spots 2.0. Elle définit aussi des normes en termes d’accès à des services d’urgence. À terme, elle doit entre autres faciliter le délestage des réseaux 3G ou 4G de téléphonie mobile.
802.11v La norme 802.11v a été adoptée le 2 février 2011. Elle décrit des normes de gestion des terminaux en réseau : reportings, gestion des canaux, gestion des conflits et interférence, service de filtrage du trafic…
802.11ac Amélioration du débit IEEE 802.11ac est la dernière évolution du standard de transmission sans fil 802.11, qui permet une connexion sans fil haut débit dans la bande de fréquences inférieure à 6 GHz (communément appelée bande des 5 GHz). Le 802.11ac offre jusqu’à 1 300 Mbit/s de débit théorique, en utilisant des canaux de 80 MHz, soit jusqu’à 7 Gbit/s de débit global dans la bande des 5 GHz (de 5170 MHz à 5835 MHz). La norme a été ratifiée en janvier 2014.

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