Le Wi-Fi
Ce que ce chapitre apporte
- Expliquer pourquoi le nombre de canaux utilisables en 2,4 GHz est bien plus petit que le nombre de canaux existants.
- Distinguer BSS, ESS, SSID et BSSID, et dire ce qui se passe lors d'une itinérance.
- Nommer les champs d'une trame 802.11 et expliquer pourquoi elle porte plusieurs adresses.
- Décrire l'échange RTS/CTS et le problème qu'il résout.
- Expliquer pourquoi une seule station lente ralentit toute une cellule.
- Classer les méthodes de sécurité sans fil et dire laquelle employer.
Le Wi-Fi ressemble à Ethernet vu depuis une machine : la même carte réseau, les mêmes adresses MAC, les mêmes protocoles au-dessus. La ressemblance s'arrête au support. Une onde radio ne se possède pas, ne se délimite pas, et se partage avec le voisin comme avec le four à micro-ondes. Presque tous les défauts de fonctionnement d'un réseau sans fil viennent de là, et non de l'équipement.
Le chapitre 2 a déjà expliqué pourquoi une radio ne peut pas détecter une collision, et pourquoi le Wi-Fi évite au lieu de détecter. Ce chapitre part de là et traite ce qui en découle : le découpage du spectre, la portée d'une cellule, la façon dont les débits s'effondrent, et ce qui protège vraiment un réseau sans fil.
Un support que personne ne possède
Trois propriétés séparent une liaison radio d'un câble, et toutes les trois se paient.
Le support est partagé et semi-duplex. Une station émet ou reçoit, jamais les deux, et toutes les stations d'une cellule se partagent le même canal. Un point d'accès annoncé à 300 Mbit/s ne donne pas 300 Mbit/s à chacun : il donne 300 Mbit/s à répartir.
Le support n'a pas de frontière. Personne ne décide où s'arrête une onde. Un réseau voisin sur le même canal consomme le temps d'antenne du nôtre, sans qu'aucune configuration ne puisse l'en empêcher.
La qualité du lien varie sans arrêt. Une porte qui se ferme, une personne qui se déplace, un four qui démarre : le taux d'erreur change, et la station renégocie une modulation plus robuste, donc plus lente. Un lien radio n'a pas un débit, il a un débit du moment.
Les bandes et les canaux
Le Wi-Fi occupe principalement deux bandes. La bande 2,4 GHz traverse bien les murs et porte loin, mais elle est étroite et très encombrée. La bande 5 GHz est bien plus large, donc bien moins saturée, mais elle est arrêtée par les obstacles et porte moins loin. Le choix entre les deux n'est pas un choix de qualité : c'est un arbitrage entre la portée et le débit.
En 2,4 GHz, les canaux sont numérotés de 1 à 13 en Europe, espacés de 5 MHz seulement, alors qu'une émission en occupe environ 22. Deux canaux voisins se recouvrent donc largement, et deux réseaux sur des canaux adjacents se brouillent mutuellement.
Treize canaux existent, trois seulement peuvent servir en même temps sans se gêner. Le triplet 1 / 6 / 11 est l'usage établi, et le calcul montre qu'il n'est pas le seul possible, seulement le plus commode. Un déploiement qui place trois points d'accès voisins sur les canaux 1, 2 et 3 fait travailler trois équipements sur ce qui revient à un seul canal.
Chercher un canal libre est le premier réflexe de diagnostic, avant toute autre chose. Un canal saturé se voit immédiatement dans une analyse du spectre, et aucune configuration de l'équipement ne compense un mauvais choix de canal. En 5 GHz la question se pose beaucoup moins : les canaux non recouvrants s'y comptent par dizaines.
Les normes successives se distinguent par la bande, la largeur de canal et le nombre d'antennes.
| Norme | Bande | Ordre de grandeur | Ce qu'elle apporte |
|---|---|---|---|
| 802.11b | 2,4 GHz | 11 Mbit/s | Bonne portée, traverse les bâtiments |
| 802.11a | 5 GHz | 54 Mbit/s | Bande dégagée, mais portée réduite |
| 802.11g | 2,4 GHz | 54 Mbit/s | Le débit de 802.11a dans la bande de 802.11b |
| 802.11n | 2,4 et 5 GHz | 150 à 600 Mbit/s | Plusieurs antennes en parallèle, le MIMO |
| 802.11ac | 5 GHz | 450 Mbit/s à 1,3 Gbit/s | Canaux plus larges, jusqu'à huit antennes |
| 802.11ax | 2,4 et 5 GHz | Au-delà | Conçue pour la densité, beaucoup d'appareils à la fois |
Les débits annoncés sont des maxima théoriques, atteints par une station proche, seule sur son canal, dans des conditions idéales. Le chapitre 2 a montré qu'un tiers à une moitié en débit utile est la norme, avant même de compter le partage.
Cellules, itinérance et identifiants
Quatre sigles reviennent constamment, et les confondre rend toute discussion impossible.
Un BSS est une cellule : un point d'accès et les stations qui lui sont associées. Il est identifié par le BSSID, qui est l'adresse MAC du point d'accès, donc unique.
Un ESS est un ensemble de cellules reliées par un réseau filaire, présentées aux stations comme un seul réseau. Il est identifié par le SSID, le nom lisible que l'on choisit.
Le SSID est un nom, le BSSID une adresse. Plusieurs points d'accès annoncent le même SSID, et c'est exactement ce qui rend l'itinérance possible : la station voit un seul réseau, alors qu'elle change en réalité de point d'accès quand elle se déplace.
Les deux points d'accès annoncent le même SSID et portent deux BSSID différents. Le chemin mis en évidence est celui d'une trame entre deux stations de cellules voisines : elle monte jusqu'au réseau filaire, y traverse le commutateur, et redescend. Deux machines sans fil qui se parlent ne se parlent presque jamais directement.
C'est la station qui décide de changer de point d'accès, pas le réseau. Elle mesure la qualité des signaux qu'elle reçoit et bascule quand elle le juge bon, selon des règles propres à chaque fabricant. Une station qui reste accrochée à un point d'accès lointain alors qu'un autre est tout proche est un cas courant, et le réseau ne peut que l'inciter à partir, pas l'y forcer.
La trame 802.11
Une trame sans fil transporte les mêmes données qu'une trame Ethernet, dans une enveloppe différente et plus lourde.
| Champ | Rôle |
|---|---|
| Contrôle de trame | Le type de trame, la version, la gestion d'énergie, les paramètres de sécurité |
| Durée | Le temps que l'émission va occuper, pour que les autres stations se taisent d'autant |
| Adresse 1 | Le récepteur immédiat |
| Adresse 2 | L'émetteur immédiat |
| Adresse 3 | La destination finale ou la source, selon le sens |
| Contrôle de séquence | La numérotation, et le repérage des fragments |
| Adresse 4 | Seulement entre deux points d'accès reliés sans fil |
| Charge utile | Les données transportées |
| FCS | Le contrôle d'erreur, comme en Ethernet |
Trois adresses là où Ethernet en porte deux : c'est la conséquence directe du schéma précédent. Une trame qui part d'un portable vers un serveur filaire passe par le point d'accès, qui n'est ni la source ni la destination. Il faut donc distinguer à qui je parle maintenant de à qui c'est destiné en fin de compte.
Le champ Durée mérite une mention particulière. Une station qui annonce l'occupation à venir fait taire toutes celles qui l'entendent, pour cette durée, sans qu'elles aient besoin d'écouter la suite. C'est une réservation, et c'est le mécanisme sur lequel repose l'échange RTS/CTS.
L'échange RTS/CTS
Le chapitre 2 a posé le problème de la station cachée : deux stations qui s'entendent toutes deux avec le point d'accès mais pas entre elles ne peuvent pas s'éviter par l'écoute, puisque chacune trouve le canal libre au même instant.
La parade consiste à demander la parole au lieu de la prendre. La station émet une courte trame RTS, le point d'accès répond par un CTS que toutes les stations de la cellule entendent, y compris celle qui était cachée. Le CTS annonce la durée réservée, et les autres se taisent. Puis les données passent, et sont acquittées.
Le mécanisme fonctionne, mais il coûte deux trames de service par transmission. On ne l'active donc que lorsque le problème est avéré, et sur les trames assez longues pour que la réservation soit rentable.
Une station lente ralentit tout le monde
C'est le comportement le plus contre-intuitif du Wi-Fi, et le plus utile à connaître en dépannage. Le partage ne se fait pas en débit mais en temps d'antenne : chaque station attend son tour, puis occupe le canal le temps qu'il lui faut. Une station lente occupe donc le canal beaucoup plus longtemps pour la même quantité de données.
Cinq stations rapides et une seule station lente, et la cellule entière tombe de 300 à 33 Mbit/s. La station lente ne prend pas un sixième du canal mais plus de quatre-vingt-dix pour cent du temps d'antenne, parce qu'elle met cinquante fois plus longtemps à dire la même chose.
Les valeurs absolues ignorent les en-têtes et les temps d'attente, et sont donc optimistes. C'est le rapport qui compte, et il ne dépend pas de ces détails.
La conséquence pratique inverse l'intuition. Chercher à couvrir le plus loin possible dégrade le réseau : les stations lointaines s'associent, négocient des modulations lentes, et pénalisent tout le monde. Un bon déploiement réduit la puissance et multiplie les points d'accès, pour que chaque station soit proche de l'un d'eux.
Sécuriser un réseau sans fil
Sur un câble, il faut accéder physiquement à la prise. Dans l'air, il suffit d'être à portée. Le chiffrement n'est donc pas une option de confort mais la seule barrière existante.
| Méthode | Chiffrement | À retenir |
|---|---|---|
| Ouvert | aucun | Tout passe en clair ; réservé aux accès publics, et à compléter par un VPN |
| WEP | RC4, clé fixe | La clé ne change jamais : cassable en quelques minutes, à ne jamais employer |
| WPA | TKIP | Correctif de compatibilité pour du matériel ancien, dépassé |
| WPA2 | AES en mode CCMP | Le socle actuel, à considérer comme le minimum |
| WPA3 | AES, échange renforcé | Résiste à l'attaque par dictionnaire menée hors ligne |
Le point faible de WEP n'est pas l'algorithme RC4 seul mais la clé statique : elle ne change jamais, et chaque trame capturée rapproche de sa découverte. WPA a corrigé cela en changeant la clé à chaque paquet, WPA2 a changé d'algorithme pour AES.
Deux modes d'authentification coexistent ensuite, indépendamment du chiffrement. Le mode à clé partagée utilise un secret unique connu de toutes les stations : simple, mais un départ oblige à changer la clé partout. Le mode entreprise délègue l'authentification à un serveur RADIUS, et chaque personne dispose de ses propres identifiants, révocables un par un.
Cacher le SSID ne sécurise rien. Le nom cesse d'apparaître dans la liste des réseaux, mais il circule en clair dès qu'une station s'associe, et n'importe quelle écoute passive le révèle. Filtrer par adresse MAC ne vaut pas mieux : les adresses autorisées passent en clair, et une carte se réattribue une adresse en une ligne de commande. Ces deux mesures gênent l'usager légitime et personne d'autre.
Exercices type
Exercice 1 : trois points d'accès couvrent un même plateau. Ils sont configurés sur les canaux 1, 3 et 5 en 2,4 GHz. Le débit est mauvais partout. Que corriger ?
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Les canaux, avant toute autre chose.
Un canal occupe environ 22 MHz alors que deux numéros voisins ne sont espacés que de 5 MHz. Les canaux 1, 3 et 5 se recouvrent donc presque entièrement : les trois points d'accès émettent en pratique sur le même canal et se dérangent mutuellement, alors qu'ils étaient censés se répartir la charge.
Il faut les distancer d'au moins cinq numéros, ce qui donne le triplet 1 / 6 / 11, ou basculer le déploiement en 5 GHz où le problème ne se pose presque pas.
Exercice 2 : un poste indique une association à 6 Mbit/s. Les autres postes du même point d'accès ralentissent au même moment. Pourquoi ?
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Parce que le canal se partage en temps, pas en débit.
Le poste à 6 Mbit/s met cinquante fois plus longtemps qu'un poste rapide à transmettre la même trame, et pendant ce temps le canal est occupé pour tout le monde. Une seule station lente peut ainsi consommer l'essentiel du temps d'antenne d'une cellule.
Deux pistes de correction. Rapprocher le poste d'un point d'accès, ou en ajouter un, pour qu'il négocie une modulation plus rapide. Et vérifier qu'il ne s'agit pas d'une station accrochée à un point d'accès lointain alors qu'un autre est disponible tout près.
Exercice 3 : un réseau sans fil est configuré avec un SSID masqué et un filtrage par adresse MAC, sans chiffrement. Est-il protégé ?
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Non, et sur aucun des trois points.
Le SSID masqué disparaît de la liste des réseaux mais circule en clair dès qu'une station s'associe. Une écoute passive de quelques minutes suffit à le lire.
Le filtrage par adresse MAC repose sur des adresses qui, elles aussi, circulent en clair dans chaque trame. Il suffit de relever une adresse autorisée et de se l'attribuer.
L'absence de chiffrement est le vrai problème : tout le trafic est lisible par quiconque est à portée, sans avoir à s'associer ni à attaquer quoi que ce soit.
La configuration correcte est WPA2 au minimum, en mode entreprise si les personnes doivent être identifiées individuellement.
Exercice 4 : deux stations d'une même cellule ne s'entendent pas l'une l'autre, bien qu'elles joignent toutes deux le point d'accès. Les retransmissions sont nombreuses. Que faire ?
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C'est le problème de la station cachée. Chacune trouve le canal libre au même instant, puisqu'elle n'entend pas l'autre, et leurs émissions se détruisent au point d'accès. Aucune ne le détecte : elles constatent seulement l'absence d'acquittement, et retransmettent.
La parade est l'échange RTS/CTS. La station demande la parole, le point d'accès répond par un CTS que les deux stations entendent, puisque toutes deux le joignent. Celle qui n'avait pas connaissance de l'autre se tait pour la durée annoncée.
Le mécanisme coûte deux trames par transmission, et ne s'active donc que sur les trames longues et quand le problème est avéré. Redisposer les antennes reste préférable quand c'est possible.
1.Combien de canaux 2,4 GHz peuvent cohabiter sans se gêner ?
2.Qu'est-ce qui distingue un SSID d'un BSSID ?
3.Pourquoi une trame 802.11 porte-t-elle trois adresses ?
4.Une station à 6 Mbit/s rejoint une cellule où tout le monde va vite. Que se passe-t-il ?
5.Que résout l'échange RTS/CTS ?
6.Quel est le défaut central du WEP ?
7.Masquer le SSID d'un réseau sans fil…
La méthode
- Regarder le canal et l'occupation du spectre avant de soupçonner l'équipement.
- Distancer les canaux voisins d'au moins cinq numéros en 2,4 GHz, ou passer en 5 GHz.
- Chercher la station la plus lente de la cellule quand tout le monde ralentit ensemble.
- Réduire la puissance et multiplier les points d'accès plutôt que d'étendre la couverture d'un seul.
- Vérifier à quel point d'accès une station est associée, et non seulement qu'elle est associée.
- Exiger WPA2 au minimum, et le mode entreprise dès que les personnes doivent être distinguées.
Synthèse
- Le support radio est partagé, semi-duplex et sans frontière : le débit annoncé se répartit, et le voisin consomme le même temps d'antenne.
- En 2,4 GHz, trois canaux seulement cohabitent sans se gêner, alors que treize sont numérotés.
- Un BSS est une cellule identifiée par le BSSID ; un ESS regroupe plusieurs cellules sous un même SSID, ce qui permet l'itinérance.
- Une trame 802.11 porte trois adresses, parce que le point d'accès relaie sans être ni source ni destination.
- RTS/CTS résout la station cachée par une réservation que toute la cellule entend, au prix de deux trames.
- Le partage se fait en temps d'antenne : une station lente fait chuter le débit de toute la cellule.
- WPA2 au minimum ; masquer le SSID et filtrer les adresses MAC ne protègent de rien.