Wifi : Fréquence, Canaux, MIMO, Compatibilité, Utilisation, Sécurité et Santé

Source : Blog

Introduction

Né dans les années -90, le Wi-Fi est un mode de communication sans-fil utilisant des ondes radios. Le terme Wi-Fi regroupe en fait un ensemble de normes (toutes les normes IEE 802.11) qui définissent les couches PHYSIQUE et LIAISON DE DONNEES du modèle OSI pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques.

Il existe plusieurs évolutions de la première norme 802.11. Pour les différencier, on utilise des lettres minuscules. La première norme 802.11 (qui n’est pas représentée dans le tableau ci-dessous) était déjà utilisée sous le nom d’AirPort dans l’iBook d’Apple en 1999. Le nom « Wi-Fi n’est apparu que plus tard pour définir l’ensemble des normes 802.11 certifiées par le WECA (Wireless Ethernet Community Alliance), alors devenue Wi-Fi Alliance. Il est la contraction de Wireless Fidelity, terme utilisé par analogie à Hi-Fi (High Fidelity), alors déjà adopté dans le domaine de l’audio

Les normes marquant des évolutions majeures sont les 802.11 a/b/g/n et ac. Il en existe bien d’autres, mais qui ont pour but de rendre une de celles-ci plus stables, ou en accord avec les règlementations d’un pays. Par exemple, la norme 802.11 h est spécifique à la France, et la norme 802.1 j, au Japon…

Normes majeures de l'évolution du Wi-Fi

Remarque: Il faut préciser que les débits montrés ici sont totalement théorique. En pratique, le débit dépend énormément de de la distance entre les appareils, ainsi que des obstacles possibles tels que les murs… Et même dans le meilleur des cas, le fonctionnement même du protocole fait que le débit réel mesuré dépasse rarement la moitié de ce qui est indiqué ci-dessus.

Les bandes de fréquences

Le Wi-Fi utilisant les ondes radios, il faut définir de quelles plages de fréquences il se sert.

Une bande de fréquences est un ensemble de fréquences possédant des propriétés similaires. 2.4 GHz et 5 GHz sont les deux Bandes de fréquences utilisées pour les normes 802.11. Plus une fréquence est élevée, plus sa portée est réduite. La fréquence de 5 GHz, utilisée pour la norme 802.11 a, offrait donc un bon débit pour l’époque, mais sur une portée très faible (environ 10 mètres). La norme 802.11 b a permis l’inverse : en utilisant une fréquence de 2.4 GHz, elle offre un débit moins important, mais sur une portée accrue (environ 100 mètres). Enfin, le 802.11 g est une évolution augmentant le débit à 2.4 GHz, permettant d’avoir les deux avantages. Cependant, la fréquence de 5 GHz a toujours l’avantage d’avoir une congestion moindre. Cela signifie qu’elle subit moins d’interférences. La raison principale est que beaucoup d’appareils comme les micro-ondes ou appareils Bluetooth utilisent aussi cette fréquence… Pour les normes n et ac, d’autres facteurs entres en jeu.

Les Canaux

Deux nouvelles variantes apparaissent avec l’arrivée de la norme 802.11 n. Il s’agit de la notion de MIMO, et le la largeur de canal.

Les canaux est une subdivision de la plage de fréquences ayant pour but de diminuer les interférences entres les différentes sources, et avec les autres équipements. Cependant, cette subdivision n’est pas le même pour les fréquences 2.4 GHz, et 5 GHz.

Lorsqu’on parle de bande de fréquence de 2.4 GHz, on parle plus précisément d’une plage de fréquence allant de 2.412 à 2.484 GHz, divisée en 14 canaux autorisés au total, chacun large de 20 à 22 MHz environ. Mais leur utilisation dépend des régions : Les 14 sont autorisés au Japon, mais 13 seulement le sont en Europe, et 11 aux États-Unis. Cependant, en 2.4 GHz, les canaux se superposent (voir schéma). En Europe, comme on ne peut utiliser que 13 d’entre eux, on a longtemps privilégié les canaux 1, 6, et 11 afin d’éviter des interférences. Cependant, un espace de 3 canaux suffit à empêcher la superposition de ceux-ci. En choisissant les canaux 1, 5, 9, 13, on peut théoriquement ainsi en utiliser quatre au lieu de trois.

Les canaux en 2.4 GHz

Remarque : Lorsque deux appareils utilisent deux canaux identiques, la bande passante est divisée par deux pour chacun. Cependant, cela comporte l’avantage de rendre disponible le mécanisme de détection de collision des paquets. Celui-ci ne peut pas fonctionner lorsqu’on utilise des canaux qui ne se superposent pas entièrement. Mais le mieux reste tout de même d’utiliser des canaux libres si possible.

En 5 GHz, on utilise en fait deux sous-bandes. La première va de 5.150 à 5.350 GHz, et est divisée en 8 canaux, et la seconde va de 5.470 à 5.850 GHz (plusieurs sources se contredisent sur les nombres), et est composée de 17 canaux. Soit un total de 25 canaux aux USA, seuls 19 d’entre eux étant autorisé en Europe. Ils sont numérotés de 36 à 65 (en sautant des nombres, car ils sont pour la plupart espacés de 20 MHz), et contrairement aux canaux utilisés en 2.4 GHz, ne se superposent pas. On peut aussi utiliser les canaux de manière groupée, et ainsi atteindre des largeurs de canal plus grandes telles que 40, 80, et plus récemment 160 MHz

Les canaux en 5GHz

Que ce soit en 2.4 GHz, ou en 5 GHz, Certaines parties des plages de fréquences sont utilisées par d’autres appareils. Certaines fréquences se trouvant dans la bande 5 GHz sont par exemples utilisées en Frances par les radars militaires et météo. Au début et jusqu’en 2007, une partie des fréquences de la bande 2.4 GHz étaient partagée avec la défense anti-aérienne du pays.

MIMO (Multiple Input, Multiple Output)

Ce système permet à un appareil d’envoyer et de recevoir des informations grâce à plusieurs antennes. Il existe des appareils MIMO 2×2, 3×3, et plus récemment 4×4, ainsi que des variantes comme des MIMO 3×2… Un MIMO 2×2 désigne un appareil possédant 2 antennes d’émission et 2 antennes de réception. Cela permet tout bonnement de doubler le débit (le tripler pour un MIMO 3×3, etc) Un dispositif classique ne possède qu’une antenne (on parle aussi de canal spatial out stream) pour émettre, et pour recevoir les données. Cela donne donc plusieurs configurations possibles :

Le MIMO

Si un des deux appareils n’a qu’une antenne alors que l’autre en a plusieurs (structure MISO), cela n’augmente en rien le débit par rapport à une situation avec deux appareils possédant chacun une seule antenne (configuration SISO). C’est donc le nombre d’antenne de l’appareil en possédant le moins qui compte

Compatibilité

Au vu du nombre de variantes, on comprend qu’il y a beaucoup de configurations possibles. Il convient donc de se demander quand deux appareils utilisants le Wi-Fi sont compatibles, et quand ils ne le sont pas.

Logo des normes Wifi

Les seules variantes pouvant empêcher deux dispositifs d’être compatibles sont en fait la bande de fréquence et la largeur de canal. Un modem utilisant la bande 5 GHz ne pourra pas être détecté par un appareil utilisant une bande 2.4 GHz. La plupart des modems sont donc Dual-Band pour résoudre ce problème. De même ils sont souvent compatibles avec plusieurs largeurs de canal A ce détail près, les normes étant compatibles, si deux appareils se connectent entre eux celui utilisant un Wi-Fi plus « performant » s’adaptera à l’autre..

Utilisation

Il existes différents modes de mise en réseau pour le Wi-Fi:

  • Le mode infrastructure

Il permet à plusieurs appareils de se connecter entre eux et à internet via un Point d’Accès (PA)

Mode Infrastructure
  • Le mode Ad-Hoc

Il permet à deux appareils de se connecter entre eux directement, sans passer par un PA. Pour accéder à internet, il faut qu’au moins un des deux y soit connecté par câble, afin de faire relais.

Mode Ad Hoc

Il existe aussi des variantes, permettant d’étendre un réseau Wi-Fi :

  • Le mode Bridge

Il connecte plusieurs points d’accès entre eux, afin que seul l’un des deux doive être connecté à internet pour que le deuxième, ainsi que les appareils connectés à l’un et à l’autre le soit aussi.

Mode Pont
  • Le mode répétiteur

Il intercepte le signal et le répète, de manière à faire la liaison entre le point d’accès et un appareil trop loin pour s’y connecter directement

Mode répétiteur

Sécurité

Afin de protéger un réseau sans fil Wi-Fi contre l’intrusion, plusieurs solutions de cryptage ont été développées.

• La première, créée en 1999 en nommée WEP (Wired Equivalent Privacy) et consiste à se servir d’une clé de cryptage qui ne change jamais. Les faiblesses de cette méthode fut très vite relevée (en 2000). Outre le fait qu’il ne faille pas beaucoup de temps à un hacker pour connaître la clé avec une attaque par force brute (c’est-à-dire en essayant toutes les possibilités), une faille a aussi été découverte, rendant l’accès encore plus facile.

• Dans le but de remédier aux faiblesses du WEP, la Wi-Fi Alliance a donc mis en place une nouvelle norme en 2004 (la 802.11 i), ainsi que deux nouvelles méthodes de cryptage qui en découlent : le WPA (Wifi Protection Access), qui est une version légèrement allégée de la norme, et le WAP2, qui respecte la norme à la lettre. Bien plus sûr que le WEP (la clé de cryptage peut être modifiée plusieurs fois par secondes), le WAP n’est, dans sa première version, utilisable qu’en mode infrastructure. Le WAP2 remédie à cela et peut être utilisé en ad-hoc. Il existe deux modes de fonctionnement :

  • WPA Personnel, qui se base sur l’utilisation d’une clé partagée (PSK - Pre-Shared Key), qui n’a pas de longueur définie comme celle du WEP. On parle alors d’un réseau Wi-Fi WAP-PSK, ou WAP2-PSK.
  • WPA Entreprise, qui nécessite l’utilisation d’un serveur nommé Radius, définissant les droits d’accès de chaque utilisateur. Enfin, alors que le WAP se base sur le même protocole de chiffrement que le WEP (le protocole TKIP), le WAP2 se base sur le protocole CCMP, plus efficace.

Santé

Comme pour tous les systèmes se servant d’ondes radio, la question de l’impact du Wi-Fi sur la santé s’est posée. D’autant plus que celui-ci est apparu à une époque où beaucoup de recherches étaient déjà en cours à ce sujet. Bien que premièrement, la plupart des résultats tendaient à dire qu’il n’y avait pas de danger, la puissance des signaux Wi-Fi étant bien inférieures à la puissance de ceux émis pars les téléphones, et les sources de Wi-Fi ne se tenant généralement pas aussi près du cerveau que ces derniers, cela fut contesté à de nombreuses reprises.

Aujourd’hui, ces résultats semblent moins certains. L’OMS (Organisation Mondiale de la Santé), qui, au départ était du même avis, déclare aujourd’hui le Wi-Fi (tout comme les ondes émises par les téléphones) potentiellement cancérigène pour l’Homme.