Le Wi-Fi, réseau du quotidien

Qu’est ce que le Wi-Fi ?

La norme IEEE 802.11 (ISO/IEC 8802-11) est un standard international décrivant les caractéristiques d’un réseau local sans fil (WLAN). Le nom Wi-Fi (contraction de Wireless Fidelity, parfois notée à tort WiFi) correspond initialement au nom donnée à la certification délivrée par la Wi-Fi Alliance, anciennement WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), l’organisme chargé de maintenir l’interopérabilité entre les matériels répondant à la norme 802.11. Par abus de langage (et pour des raisons de marketing) le nom de la norme se confond aujourd’hui avec le nom de la certification. Ainsi un réseau Wifi est en réalité un réseau répondant à la norme 802.11. Les matériels certifiés par la Wi-Fi Alliance bénéficient de la possibilité d’utiliser le logo suivant : 

Grâce au Wi-Fi, il est possible de créer des réseaux locaux sans fils à haut débit pour peu que l’ordinateur à connecter ne soit pas trop distante par rapport au point d’accès. Dans la pratique, le WiFi permet de relier des ordinateurs portables, des ordinateurs de bureau, des assistants personnels (PDA) ou tout type de périphérique à une liaison haut débit (11 Mbps ou supérieur) sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres) à plusieurs centaines de mètres en environnement ouvert. 

Ainsi, des opérateurs commencent à irriguer des zones à fortes concentration d’utilisateurs (gares, aéroports, hotels, trains, …) avec des réseaux sans fils. Ces zones d’accès sont appelées « hot spots ». 

Présentation du WiFi (802.11)

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 trois types de codages de l’information.
• la couche liaison de données, constitué de deux sous-couches : le contrôle de la liaison logique (Logical Link Control, ou LLC) et le contrôle d’accès au support (Media Access Control, ou MAC)

La couche physique définit la modulation des ondes radio-électriques 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 en réalité trois couches physiques, définissant des modes de transmission alternatifs : 

Couche Liaison de données(MAC)	802.2
	802.11
Couche Physique(PHY)	DSSS FHSS Infrarouges

Il est possible d’utiliser n’importe quel protocole de haut niveau sur un réseau sans fil WiFi au même titre que sur un réseau ethernet. 

Les différentes normes WiFi

La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale offrant des débits de 1 ou 2 Mbps. Des révisions ont été apportées à la norme originale afin d’optimiser le débit (c’est le cas des normes 802.11a, 802.11b et 802.11g, appelées normes 802.11 physiques) ou bien préciser des éléments afin d’assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité. Voici un tableau présentant les différentes révisions de la norme 802.11 et leur signification : 

Nom de la norme	Nom	Description
802.11a	Wifi5	La norme 802.11a (baptisé WiFi 5) permet d’obtenir un haut débit (54 Mbps théoriques, 30 Mbps réels). La norme 802.11a spécifie 8 canaux radio dans la bande de fréquence des 5 GHz.
802.11b	Wifi	La norme 802.11b est la norme la plus répandue actuellement. Elle propose un débit théorique de 11 Mbps (6 Mbps rééls) avec une portée pouvant aller jusqu’à 300 mètres dans un environnement dégagé. La plage de fréquence utilisée est la bande des 2.4 GHz, avec 3 canaux radio disponibles.
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 (niveauliaison 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 fréquence 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 terme de bande passante et de délai de transmission de telle 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 à l’intention des vendeurs de point d’accès pour une meilleure interopérabilité des produits. 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 présentes dans l’infrastructure réseau. Cette possibilité est appelée itinérance (ou roaming en anglais)
802.11g		La norme 802.11g offre un haut débit (54 Mbps théoriques, 30 Mbps réels) sur la bande de fréquence des 2.4 GHz. La norme 802.11g a une compatibilité ascendante avec la norme 802.11b, ce qui signifie que des matériels conformes à la norme 802.11g peuvent fonctionner en 802.11b
802.11h		La norme 802.11h vise à rapprocher la norme 802.11 du standard Européen (HiperLAN 2, doù le h de 802.11h) et être en conformité avec la réglementation européenne en matière de fréquence et d’économie d’énergie.
802.11i		La norme 802.11i a pour but 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 un chiffrement des communications pour les transmissions utilisant les technologies 802.11a, 802.11b et 802.11g.
802.11Ir		La norme 802.11r a été élaborée de telle 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.

Il est intéressant de noter l’existence d’une norme baptisée «802.11b+». Il s’agit d’une norme propriétaire proposant des améliorations en terme de débits. En contrepartie cette norme souffre de lacunes en termes de garantie d’interopérabilité dans la mesure où il ne s’agit pas d’un standard IEEE. 

Portées et débits

Les normes 802.11a, 802.11b et 802.11g, appelées «normes physiques» correspondent à des révisions du standard 802.11 et proposent des modes de fonctionnement, permettant d’obtenir différents débits en fonction de la portée. 

Standard	Bande de fréquence	Débit	Portée
WiFi a (802.11a)	5 GHz	54 Mbit/s	10 m
WiFi B (802.11b)	2.4 GHz	11 Mbit/s	100 m
WiFi G (802.11g)	2.4 GHz	54 Mbit/s	100 m

802.11a

La norme 802.11a permet d’obtenir un débit théorique de 54 Mbps, soit cinq fois plus que le 802.11b, pour une portée d’environ une trentaine de mètres seulement. La norme 802.11a s’appuie sur un codage du type Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) sur la bande de fréquence 5 GHz et utilisent 8 canaux qui ne se recouvrent pas. 

Ainsi, les équipements 802.11a ne sont donc pas compatibles avec le équipements 802.11b. Il existe toutefois des matériels intégrant des puces 802.11a et 802.11b, on parle alors de matériels «dual band». 

Débit théorique(en intérieur)	Portée
54 Mbits/s	10 m
48 Mbits/s	17 m
36 Mbits/s	25 m
24 Mbits/s	30 m
12 Mbits/s	50 m
6 Mbits/s	70 m

802.11b

La norme 802.11b permet d’obtenir un débit théorique de 11 Mbps, pour une portée d’environ une cinquantaine de mètres en intérieur et jusqu’à 200 mètres en extérieur (et même au-delà avec des antennes directionnelles). 

Débit théorique	Portée(en intérieur)	Portée(à l’extérieur)
11 Mbits/s	50 m	200 m
5,5 Mbits/s	75 m	300 m
2 Mbits/s	100 m	400 m
1 Mbit/s	150 m	500 m

802.11g

La norme 802.11g permet d’obtenir un débit théorique de 54 Mbps pour des portées équivalentes à celles de la norme 802.11b. D’autre part, dans la mesure où la norme 802.11g utilise la bande de fréquence 2,4GHZ avec un codage OFDM, cette norme est compatible avec les matériels 802.11b, à l’exception de certains anciens matériels. 

Débit théorique	Portée(en intérieur)	Portée(à l’extérieur)
54 Mbits/s	27 m	75 m
48 Mbits/s	29 m	100 m
36 Mbits/s	30 m	120 m
24 Mbit/s	42 m	140 m
18 Mbit/s	55 m	180 m
12 Mbit/s	64 m	250 m
9 Mbit/s	75 m	350 m
6 Mbit/s	90 m	400 m

Le Bluetooth, une technologie indispensable

Un peu d’histoire, pourquoi Bluetooth ?

Petit paragraphe pédagogique. La technologie tire son nom d’un roi danois, Harald Blåtand. Ce monsieur, né en 911, a réussi à unifier des royaumes vikings (la Suède, le Danemark et la Norvège) à un moment où le monde entier était divisé en de nombreux petits royaumes.

Le nom de ce roi peut se traduire par « Dent Bleue », justement. Et comme un des instigateurs du projet n’est autre qu’Ericsson (société suédoise), le nom « Bluetooth » a été proposé pour la norme et a été accepté.

Le logo de la norme Bluetooth est une référence au nom du roi Harald Blåtand, les symboles internes sont un H et un B en runes nordiques.

Le Bluetooth est souvent présent dans les téléphones et les PC portables, mais son utilité ne saute pas nécessairement aux yeux. Typiquement, c’est une norme qui permet de faire communiquer des appareils électroniques sans fil, par onde radio.

Concurrent du Wi-Fi ? Non

On compare souvent le Bluetooth à l’infrarouge et au Wi-Fi, mais ces trois technologies sont très différentes.

L’infrarouge est relativement rapide (16 mégabits par seconde) mais a une portée très courte, les périphériques doivent être alignés et se voir, et surtout l’infrarouge ne sert qu’au transfert de données. Cette norme est d’ailleurs très rare actuellement dans l’informatique.

Le Wi-Fi est une norme rapide (jusque 300 mégabits par seconde, voire plus, du moins en théorie), avec une grande portée (plus de 100 mètres) mais qui souffre d’une grande consommation et surtout qui est conçue pour créer des réseaux, pas pour connecter une oreillette, par exemple.

Le Bluetooth est modulaire

L’avantage du Bluetooth est qu’il est simple à implémenter, pas trop cher, et bien standardisé : une organisation, le Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) s’occupe de la normalisation de la technologie.

Un des grands avantages du Bluetooth vient de sa modularité : on travaille avec ce que l’on appelle des « Profile ». Un Profile est une couche logicielle standardisée qui permet de communiquer entre deux périphériques et qui vient se placer au-dessus de la couche de transport (la norme elle-même). Pour utiliser une oreillette, par exemple, il suffit que les deux appareils soient compatibles avec le Profile HSP (Head Set Profile). Les Profiles évoluent et certains appareils peuvent même recevoir des Profiles supplémentaires au fil du temps.

Généralement, un appareil Bluetooth est caractérisé par deux informations : sa version de la norme et sa Classe.

Compatibilité dans tous les sens pour la norme

Mettons les choses au point : un appareil Bluetooth 2.1 + EDR (dernière version de la norme) est compatible avec un autre appareil en version 1.0b (la première utilisée commercialement). Bien évidemment, on ne tirera pas parti de certaines avancées apparues dans les dernières versions de la norme, mais ça fonctionne.

Les différentes normes

La version 1.0 du Bluetooth a été très peu utilisée et a été très vite remplacée par la version 1.0b, qui a été la première version proposée commercialement. La seule différence entre les périphériques 1.0 et 1.0b c’est que l’interopérabilité entre marques est meilleure avec la version 1.0b. Les premiers téléphones Bluetooth (comme le T68i) utilisent la norme Bluetooth 1.0b. Ils ne posent aucun problème de compatibilité avec les versions suivantes de la norme.

La version 1.1 du Bluetooth est une mise à jour mineure, qui apporte peu de choses : quelques corrections de bug par rapport à la version 1.0b, la possibilité d’utiliser des canaux non cryptés et l’ajout d’un signal permettant de connaître la puissance de réception.

La version 1.2 apporte une vitesse pratique un peu supérieure et une meilleure résistance aux interférences (en séparant bien les sauts de fréquences).

La version 2.0 est rétrocompatible avec les versions 1.x, et réduit la consommation des périphériques tout en améliorant la fiabilité des transferts (en utilisant une meilleure correction des erreurs).

La version 2.0 + EDR permet une plus grande vitesse pratique, jusqu’à 2,1 mégabits/s (au lieu de 0,7 mégabit/s avec les versions antérieures). Bien évidemment, il faut que les deux appareils qui communiquent soient compatibles EDR. C’est la version la plus courante dans les PC portables et les téléphones.

Enfin, la version 2.1 + EDR améliore certains points, donc le jumelage. Avec cette version, l’appairage est plus simple et plus rapide. De plus, quelques améliorations de sécurité sont présentes, ainsi qu’un mode de connexion « NFC » (Near Feald Contact) qui permet des liaisons à très courte portée.

Les trois Classe

La portée des équipements Bluetooth dépend en grande partie de la puissance en émission. Il existe trois classes de produits Bluetooth, en fonction de la puissance émise.

Les produits de la Classe 1 sont les plus puissants. Ils émettent avec une puissance maximum de 100 milliwatts. La portée effective de ces appareils est d’environ 100 mètres (sans obstacles). Les dongles (adaptateurs pour PC) sont en majorité des périphériques de Classe 1 (parfois Classe 2).

Les produits de la Classe 2 sont les plus courants. La puissance habituelle est d’environ 2,5 milliwatts. La portée est nettement plus courte, environ une dizaine de mètres. La majorité des PDA et des appareils les plus courants utilisent cette classe. Les téléphones récents sont en général aussi des appareils de la Classe 2.

Enfin, la Classe 3 est la moins puissante. La puissance est limitée à 1 milliwatt, et la portée est de quelques mètres au maximum. Les téléphones portables sont en général des appareils de la Classe 3.

Même si le Bluetooth utilise une fréquence proche des fours à micro-ondes, la puissance est tellement faible qu’il n’y a aucun danger réel : un téléphone portable a une puissance moyenne de 2 milliwatts en Bluetooth et un four atteint les 1000 Watts (et libère environ 1 Watt vers l’extérieur).

Le Bluetooth utilise une technologie radio pour la transmission des données, nous l’avons déjà vu. La norme utilise une bande de fréquences ISM (Industriel Scientifique Médicale) qui se trouve dans les 2,4 GHz. Pour couper court (en partie) à la polémique, rappelons que « dans la bande des 2,4 GHz » ne signifie pas 2,45 GHz — la fréquence utilisée dans les fours à micro-ondes — et qu’il ne s’agit pas non plus de la fréquence de résonance de l’eau. Au passage, les fours à micro-ondes industriels travaillent aux environs de 900 MHz.

Une bande encombrée

Une autre technologie courante travaille dans la même bande, le Wi-Fi (en version 802.11b, 802.11g et 802.11n), et les récepteurs de beaucoup de claviers et de souris utilisent aussi cette bande de fréquence.

Le Bluetooth travaille sur 79 fréquences, par pas de 1 MHz, entre 2400 et 2483,5 MHz. Il fonctionne par sauts de fréquences, c’est-à-dire que la fréquence utilisée change en permanence (toutes les 625 microsecondes, soit 1600 fois par seconde). Cette particularité permet en partie d’éviter les interférences (la bande des 2400 MHz était notamment utilisée par l’armée pour ses communications).

Les différentes versions de la norme Bluetooth améliorent en partie la gestion des interférences, la version 1.1 ajoute un signal indiquant la puissance de réception (RSSI) et la version 1.2 utilise la technologie AFH (saut de fréquences adaptatif) qui permet de réduire les interférences avec les réseaux Wi-Fi en évitant de faire des sauts entre des fréquences trop proches.

La liaison synchrone

Les liaisons synchrones sont utilisées pour relier deux appareils qui doivent communiquer dans les deux sens à la même vitesse, par exemple une liaison entre deux ordinateurs, ou entre un PDA et un téléphone. La vitesse de transfert en synchrone est de 432 kilobits/s en bidirectionnel. Les données sont transmises en continu et si un problème survient durant le transfert, les données sont renvoyées directement. Concrètement, ce mode de liaison ne convient pas pour des transmissions vocales, par exemple, à cause du décalage possible qui est inacceptable. En EDR, le débit est triplé, si les deux appareils sont compatibles (1 296 kilobits/s).

La liaison asynchrone (ACL)

Les liaisons asynchrones sont utilisées quand un canal nécessite plus de vitesse que l’autre. Par exemple, une connexion Internet typique travaille en asynchrone (on reçoit nettement plus que ce que l’on envoie). La vitesse de transfert en ACL est de 721 kilobits/s dans un sens et 57,6 kilobits/s dans l’autre. De la même façon que les liaisons synchrones rapides, en asynchrone il peut arriver que des paquets se perdent. En cas de problème, les paquets sont réenvoyés immédiatement, ce qui empêche de travailler en temps réel. De ce fait, les liaisons ACL ne sont pas adaptées au transfert de contenu en temps réel (voix, vidéo, etc.). On utilise les liaisons ACL pour des transferts de fichiers et pour les communications entre deux périphériques dont un demande peu de retour : une connexion Internet, une impression, etc. Comme en synchrone, on passe de 721 à 2 163 kilobits/s en EDR.

La liaison voix (SCO)

Le Bluetooth propose des canaux spécialisés pour le transfert de la voix ou des données, les canaux SCO (Synchronous Connection Oriented). Un canal propose une vitesse de transfert de 64 kilobits/s. Un esclave peut utiliser 3 canaux SCO simultanément. Contrairement aux liaisons ACL, en cas de pertes de données la liaison SCO ne renvoie pas les paquets. Du coup, elle permet le temps réel, mais avec un risque de perte de données. Comme on utilise essentiellement les liaisons SCO pour la voix, la perte de quelques bits de données est négligeable.

Les liaisons entre un téléphone portable et une oreillette utilisent une liaison de type SCO. Pour la transmission de la voix, le Bluetooth utilise un codage de type CVSDM (Continuously Variable Slope Delta Modulation). Étant donné que le canal ne fournit que 64 kilobits/s et que le CVSDM ne compresse pas le son, la qualité est assez faible : le son est transmis en monophonique, avec une fréquence d’échantillonnage de 8 kHz et une quantification en 8 bits. Pour rappel, le CD utilise une fréquence d’échantillonnage de 44 kHz en 16bits et stéréo. Concrètement, pour un usage « voix » uniquement cela suffit amplement, mais pour un usage musical c’est totalement insuffisant, ce qui explique l’existence d’un Profile dédié (A2DP).