Controller-Strukturen für Multi-Gigabit-WLANs

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Die Mobilitäts-Welle rollt, ist nicht mehr aufzuhalten und jeder Betreiber eines privaten Netzes in einem Unternehmen oder einer Organisation wird in den nächsten Jahren der Situation gegenüberstehen, dass die Anzahl der mobilen Anschlüsse die der fest verdrahteten übersteigt. Trotz der Verfügbarkeit von LTE ist der entsprechende Ausbau der privaten WLAN-Infrastruktur der gebotene und meist auch gewünschte Weg. Von sich aus sind die WAN-Standards nach IEEE 11ac und 11ad für die Versorgung privater Haushalte ausgelegt. Sie müssen also wie ihre Vorgänger um entsprechende Kontrollstrukturen ergänzt werden.

In den letzten Monaten haben wir auf dieser Plattform schon viel über Beschaffenheit und Leistung der nächsten WLAN-Generationen diskutiert. Produkte nach IEEE 802.11ac sind bereits verfügbar, solche nach IEEE 802.11ad werden ab 2015 folgen. Dazu muss man einfach nur wissen, dass es funktionierende Muster nach 11ad bereits länger gibt, die Standardisierungs- und Herstellergemeinde hat sich aber dazu entschlossen, die Serienproduktion so lange zu verschieben, bis Produkte nach 11ac in hinreichender Anzahl verkauft wurden.

Ebenfalls bereits heiß diskutiert wurden die möglichen Auswirkungen der neuen Standards auf die Infrastruktur, wenn man flächendeckende WLANs mit größeren Teilnehmerzahlen betreiben möchte. Folgendes ist bei diesen Diskussionen klar geworden:

  • die erste Produktwelle von 11ac wird keine Gigabit-Leistung erreichen
  • erst 11ad wird uns in diese Leistungsstufe führen
  • 11ac sieht auf den ersten Blick so aus, als könne man das Zellendesign von 11n übernehmen. Das ist aber eine Täuschung. Möchte man mit 11ac deutlich höhere Leistung als mit 11n erreichen, muss man mit mehr kleineren Zellen rechnen.
  • 11ad führt aufgrund der Ausbreitungseigenschaften im Millimeterwellenbereich zu sehr vielen sehr kleinen Zellen, welcher Faktor gegenüber 11n-Zellen erreicht wird, hängt neben den Anwendungsprofilen von vielen technischen Einzelheiten im Zusammenhang mit der Wellenausbreitung im Millimeterwellenbereich zusammen, von denen wir viele heute schon abschätzen können, aber mit Sicherheit warten auch noch ein paar unangenehme Überraschungen auf uns.

Durch entsprechende Marktuntersuchungen haben sich folgende Fakten herausgebildet:

  • die neuen Endgeräte und Trends wie BYOD und Cloud sowie die allgemein verbreitete Tendenz zur Mobilität lassen die Bedeutung des kabelgebundenen Endgeräteanschlusses mit Ausnahme von Einzelfällen immer weiter sinken. Genau so, wie es irgendwann einen Tag gab, an dem auf der Welt mehr Mobilfunk-„Anschlüsse“ als Festnetzanschlüsse existierten, ist auch recht bald ein solcher Tag für mobile Endgeräteanschlüsse zu erwarten, würde man alle privat existierenden mobilen Endgeräte als potentielle Endgeräte in Unternehmen und Organisationen betrachten, hätten wir diesen Tag schon hinter uns (Abbildung 1).
  • Trotz der Verfügbarkeit der 4. Mobilfunkgeneration mit LTE 10 wird auch der überwiegende Anteil des Verkehrs von WiFi WLANs getragen werden.
  • Betreiber privater Netze in Unternehmen und Organisationen wünschen auch weiterhin eine Unabhängigkeit von Providern. Das liegt weniger an der Übertragungstechnik, als vielmehr am aktuellen Mangel an für Unternehmen auch aus der Perspektive von Recht, Haftung und Sicherheit wirklich geeigneten Cloud-Service-Angeboten (Abbildung 2).

Betrachtet man die Standardisierung, die Aktivitäten der WiFi-Alliance und der Hersteller von Chips und Geräten detailliert, wird aber leider auch klar:

  • Die Zellenstandards sind wie alle ihre Vorgänger massiv von den Bedarfen des Heimeinsatzes geprägt. Das liegt primär an den zu erwartenden Stückzahlen. Es muss möglich sein, für einen geringen zweistelligen Dollar- oder Euro-Betrag Heim-Router aufzulegen und in den Markt zu drücken, die stabile Anbindungen an drahtlose (LTE) oder drahtgebundene (DSL, EFM) Provider-Verteilstrukturen ermöglichen und eine hinreichende Leistung für die Versorgung von Wohnräumen der Größe bis zu 50 qm mit vorwiegender Anwendung HDTV haben. Zum Vergleich der Alternativen siehe Abbildung 3
  • Für den professionellen Betrieb von WLAN-Versorgungsbereichen müssen die Access Points mit Stabilisierungstechniken für die Funkübertragung (z.B. Cisco CleanAir) und zielgerichteteren Antennen ausgerüstet werden.
  • Die Funktionalität muss wie bisher durch Controller erweitert werden, die eine sichere und sorgfältige Einbindung der WLAN-Zellen in die DV-Infrastruktur des Unternehmens als adäquate Lösung für die Versorgung mobiler Endgeräte im Sinne gewährleisten.

Schon bei der Einführung von 11n wurde heftig darüber diskutiert, ob die CPUs von Controllern der möglichen Belastung gewachsen sein würden. Immerhin erlauben WLANs nach IEEE 802.11n Brutto-Datenraten von 450 Mbit/s. Ausgehend von einer Netto-Datenrate von 150 Mbit/s. würde sich der notwendige Durchsatz gegenüber 802.11b/g-Lösungen um das Sechsfache erhöhen. Schon 333 Access Points, die jeweils zu 20% ausgelastet sind, würden zu einer theoretischen benötigten Forwarding-Leistung von 10 Gbit/s. führen. Einer der aktuell leistungsfähigsten 11n-Controller, der Flex 7500 Branch Controller von Cisco, kann nach Angaben des Herstellers aber bis zu 6000 Access Points bedienen, hat dabei selbst aber nur 2 10 GbE Uplinks. Wie ist diese Differenz zu erklären?

Messungen von ComConsult Beratung & Planung haben ergeben, dass bei einer WLAN-Installation (im konkreten Fall bei einem Industrie-Kunden) „von einer hohen Belastung der Controller keine Rede sein kann“. Die durchschnittliche Belastung der Controller lag deutlich unter 1% der theoretisch möglichen errechneten Maximalbelastung.

Der Autor fasst diesen Effekt schon seit 30 Jahren mit dem Satz zusammen, dass „fast alle Benutzer fast immer fast nichts machen.“ Damit haben schon Token Ring Netze lange nach Einstellung der Produktlinie arbeiten können und stark überschriebene Benutzer-Versorgungsbereiche überlebt. Man kann in der Produktion je nachdem noch von vielen Clients ausgehen (das sind dann aber vorwiegend Geräte), die aber jeweils nur ein geringes Datenaufkommen haben. In Bürobereichen herrschen aber Benutzer mit sporadischem Nutzungsaufkommen vor. Es wird oft erwähnt, dass Benutzer in Zukunft immer mehr mobile Endgeräte haben. Auch daraus ergibt sich aber keine höhere Belastung, ein Benutzer wird selten mehrere Endgeräte gleichzeitig nutzen.

Wozu dann überhaupt schnellere WLANs? Wie bereits angesprochen, sind Unternehmensnetze mit ihren Versorgungsbereichen nicht die Triebfeder der Entwicklung. Killer-Anwendung für die Heimversorgung ist HDTV. Selbst im gestreamten Modus braucht man noch ca. 15 Mbit/s. für eine ordentliche Übertragung, wie die Besitzer von Entertain mit 16 Mbit/s.-VDSL täglich schmerzlich erfahren. Man möchte aber auch Programme aufnehmen, während man andere schaut und schließlich gibt es immer mehr Plattformen für das Herunterladen. Und genau das muss in Zukunft deutlich beschleunigt werden. Ein anderer wichtiger Trend sind die immer größeren Bildschirme, auf der Consumer Electronics Show gab es gleich mehrere Vorschläge für HDTV mit höherer Auflösung, denn ab einer gewissen Größe des Bildschirm führt das „normale“ HDTV zu unbefriedigenden Ergebnissen. Die 11ac-Generation könnte man eigentlich auslassen, aber in den nächsten 3-5 Jahren wird eine Multi-Gigabit-Lösung wie sie 11ad bieten wird, auch im breiten Markt dringend erforderlich.

Was wird in Unternehmen geschehen? Es ist nicht zu erwarten, dass durchschnittliche Benutzer spontan Aktivität entfalten. Nach wie vor kann die Anbindungsleistung für ein Bürogebäude mit 10 GbE nach oben hin abgeschätzt werden, wie dies von Dr. Suppan schon vor zwei Jahren vorgenommen wurde. Beim Übergang zu BYOD oder CYOD wird man sogar den Effekt sehen, dass die benötigte Übertragungsleistung zunächst sinkt. Die gleichen Benutzer, die noch vor 5 Jahren unbedingt einen 10 GbE, oder wenigstens einen 1 GbE-Anschluss für ihr Endgerät verlangt haben, sind jetzt offensichtlich im richtigen Leben mit LTE, also maximal 100 Mbit/s. zufrieden. Man kann aber auch nicht oft genug erwähnen, dass Applikationen durch den Mobilitäts-Trend mit wesentlich weniger Bandbreite auskommen als ihre „fest verdrahteten“ Vorgänger. Dennoch gibt es auch hier einen Anwendungsbereich, der von den Benutzern relativ unabhängig ist: die Downloads. Jeder eingesetzte Gerätepark wird in immer kürzeren Abständen Patches für alles Mögliche benötigen, was so ein Endgerät betrifft. Genau wir im richtigen Leben werden diese sowohl in Anzahl als auch im Umfang zunehmen. Und während ein Privatanwender sagen wir einmal das Upgrade seines Smartphone-Betriebssystems in Zeiten legen wird, in denen er ohnehin nicht gestört werden möchte, ist das im Rahmen von Unternehmensnetzen nicht so einfach durchzuführen. Kurzum: die Download-Zeiten müssen sinken. Und genau das ist mit 11ac und 11ad gegenüber 11n möglich.

Dass die Anforderungen an Controller in Zukunft steigen werden, liegt also weniger an der gesteigerten Zellen-Datenrate oder dem Wachstum hinsichtlich der Anzahl der Zellen sondern schlicht und ergreifend am Grad der Umstellung von festen Anschlüssen auf mobile Lösungen. Und dieser Grad wird von einem Unternehmen oder einer Organisation selbst bestimmt.

Grundsätzlich werden die einschlägigen Hersteller bemüht sein, ein bereits erfolgreiches Design für die gesteigerten Anforderungen entsprechend auszubauen. Es gibt aber auch neue Ansätze.

Die konstruktiven Alternativen für zukünftiges Controller-Design sind

  • Lokales Bridging
  • Virtualisierte Controller
  • Verteilte Controller Achitekturen
  • Controller-Architekturen mit Trennung von Daten- und Kontrollebene
  • Controller-Architekturen mit SDN

Natürlich kann man diese Konzepte auch teilweise kombinieren.

Die Implementierung der Funktionen von Controllern kann grundsätzlich in folgenden Einheiten vorgenommen werden:

  • Entsprechend angereicherte (Fat) Access Points
  • Eigenständige Hardware
  • Software-Appliance
  • als Erweiterung der Funktionen von LAN-Switches

Nicht für alle Alternativen und Kombinationen gibt es schon Produktbeispiele. In weiteren Artikeln besprechen wir die interessantesten Ansätze.

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