Drahtlose Nachrichtenübertragung

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Teil 13 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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In Corporate Networks findet man drahtlose Systeme primär im Access-Bereich und in der Fertigung. Die Anwendung in anderen Bereichen ist nicht Gegenstand dieser Serie. Es ist ein erheblicher Unterschied, ob man zuhause eine drahtlose Verbindung zwischen ein paar Geräten aufbauen möchte, z.B. um eine 3Play Unterverteilung vorzunehmen, oder ob in einem Unternehmen WLANs zur flächendeckenden Teilnehmerversorgung eingesetzt werden sollen.

Bevor wir uns in weiteren Folgen in die Einzelheiten der WLAN-Standards stürzen, sollen zunächst die wichtigsten Anwendungs- und Problembereiche zusammengefasst werden.

Anwendungs- und Problembereiche

Vom Heim bis zum Großunternehmen finden WLANs heute Anwendung. In der gesamten Datenkommunikation hat es noch nie einen Bereich gegeben, der so schnell und auf so großer Breite begeistert angenommen wurde.

Die Entstehung und das kontinuierliche Wachstum drahtloser Netze werden von folgenden Aspekten getrieben:

  • Notwendigkeit der Kostensenkung bei Netzwerk-Infrastrukturen
  • Notwendigkeit der Unterstützung mobiler Anwendungen, die durch ihre Mobilität Gewinne in der Effektivität und Genauigkeit von Geschäftsprozessen erzeugen und dabei die Kosten senken.

Die Mobilität versetzt die Benutzer in die Lage, sich mit einer Endeinrichtung wie einem Handy, einem Handheld oder einem Laptop während der Benutzung physisch zu bewegen. Bei vielen Arbeitsplätzen vom Lagerverwalter bis zum Arzt, vom Polizist bis zum Netzwerk- und Systemadministrator wird diese Mobilität benötigt.

Mobile Anwendungen in Unternehmen, die drahtlose Verbindungen benutzen, umfassen vor allem solche mit einem Zugriff auf Echtzeitdaten, wie sie normalerweise in zentralisierten Datenbanken gespeichert werden. Immer dann wenn der Fall vorliegt, dass mobile Benutzer auf Änderungen in den Daten warten, die wiederum von anderen mobilen Benutzern gemacht werden oder wichtige aktuelle Daten mit einer möglichst geringen Zeitverzögerung an alle mobilen Einheiten gebracht werden müssen, besteht ein definitiver Bedarf für drahtlose Vernetzung.

Trotz der hohen Anforderungen an die Übertragungssysteme kann man mit drahtlosen Netzen in bestimmten Anwendungsbereichen Geld sparen, teilweise sogar ohne die Dimension der Mobilität:

  • Versorgung von Bereichen, in denen es schwierig ist, Kabel zu legen
  • Versorgung von Bereichen, wo es problematisch ist, Kabel zu legen, z.B. Asbestbelastete Gebäude und Denkmalgeschützte Gebäude
  • Versorgung von feuchten oder verseuchten Bereichen

Weitere Möglichkeiten drahtloser Netze sind z.B.

  • Reduktion der Installationszeit
  • Einfache Verbindung zwischen Gebäuden auf einem Campus
  • Spontane Vernetzung von Arbeitsgruppen oder Projektteams, Aktions- oder Schulungsteilnehmern, Krisenstäben, Task Forces
  • Überbrückung längerer Installationsphasen
  • Kostenreduktion bei Umzügen

Die möglichen Vorteile drahtloser Vernetzung lassen sich so zusammenfassen:

  • Mobilität
  • Kostenvorteile durch langfristige Effekte und Zuverlässigkeitssteigerung
  • günstige Installationskosten auch in schwierigen Umgebungen
  • Unterstützung dynamischer Umgebungen

Es gibt immer zwei Seiten einer Medaille. Der flächige und dichte Einsatz von Funkübertragung bietet eine Menge von Problembereichen, mit denen man sich auseinandergesetzt haben sollte, weil manche Probleme auch plötzlich auftauchen können. Wir können hier nur eine sehr verkürzte Übersicht geben.

Der größte Anteil drahtloser Netze wird auch wegen der Mobilität der Benutzer mit Radiowellen arbeiten. Sendung und Empfang von Radiosignalen durch die Luft macht drahtlose Systeme anfällig gegen atmosphärische Störungen und Störungen durch Übertragungen von anderen Systemen. Dies sind nicht nur andere drahtlose Netze, sondern auch alle Arten anderer Funksysteme wie Radio, Fernsehen, Handys usf. Schließlich gibt es noch eine Reihe von Störungen aus ganz normalen Geräten wie Leuchtstofflampen oder Kühlschränke, die bei irgendwelchen Schaltvorgängen Impulse hervorrufen, die ausgerechnet im Frequenzspektrum des drahtlosen Netzes liegen.

Bisher haben wir von Störungen gesprochen, die von außen auf das drahtlose System einwirken. Wichtig ist aber auch, dass das drahtlose System selbst wiederum Störungen bei anderen Systemen hervorrufen kann. Auch diese müssen sich natürlich in engen Grenzen halten.

Die benutzbaren Frequenzbänder werden von Frequenzkontrollbehörden festgelegt, wie z.B. dem FCC in den USA oder dem FTZ in Deutschland. Diese Festlegungen sind aber nicht in allen Fällen international harmonisiert, so dass man z.B. Geräte aus den USA nicht so ohne weiteres hier einsetzen kann, weil sie ggf. auf Frequenzen arbeiten, die dort für einen derartigen Zweck zugelassen sind, hierzulande jedoch nicht. Übrigens ist die FCC in den USA nur für kommerzielle und private Systeme zuständig. Das Militär hat seine eigene Frequenzordnung. Selbst europaweit ist es problematisch, zu Einigungen zu kommen, weil die Frequenzbänder in der Vergangenheit ursprünglich länderspezifisch verwaltet wurden und es bei übergreifenden Diensten zu Überschneidungen kommen kann.

Manchmal gibt es auch Überschneidungen zu Dingen, an die niemand so schnell denkt. Viele WLANs arbeiten im sog. S-Band mit einer Grundfrequenz um 2,4 GHz. Hier arbeiten aber auch die meisten Mikrowellenherde. Normalerweise sind die Mikrowellenherde gut geschirmt, aber bei älteren Herden kann es zu teilweisen Defekten in dieser Schirmung kommen. Das WLAN ist also grade dann gestört, wenn der Nachbar seine Mahlzeit aufwärmt.

Rein technisch ist es nicht besonders schwierig, Systeme in einem vorgegebenen Rahmen so auszurüsten, dass sie bei Problemen die Frequenz wechseln.
Allerdings hilft das nur bedingt weil jede elektromagnetische Schwingung nicht nur aus einer Grundfrequenz, sondern aus einer Anordnung dieser Grundfrequenz mit zusätzlichen sog. Harmonischen Schwingungen besteht. Der wichtigste Faktor in diesem Zusammenhang ist die Modulation.

Also muss man beim Design eines drahtlosen Netzes letztlich diese zwei Richtungen beachten. Man muss Maßnahmen zur Stabilisierung gegenüber äußeren Störungen vornehmen und andererseits auch dafür sorgen, dass andere Funkdienste durch das drahtlose Netz nicht gestört werden. Das kann man durch Begrenzung der Sendeleistung und durch die Auswahl des Modulationsverfahrens erheblich beeinflussen.

Wird ein drahtloses Netz von außen gestört, führt das i.a. zu Verzögerungen, weil Datenpakete mit zerstörten Bits erneut ausgeliefert werden müssen und je nach verwendeter Protokollversion zum Abbruch von Verbindungen.

Da das Verhältnis der meisten Netzwerker zur systematischen und mathematischen Behandlung von Problemen der Funkübertragung sagen wir mal leicht gestört ist, wird in den meisten Projekten einfach kein Weg daran vorbeiführen, Geräte aufzustellen und auszuprobieren um so die Störeinflüsse in der Zielumgebung zu bestimmen.

Ein weiteres Problem ist das Power Management in den portablen Endgeräten. Für alle Funktionen ist man von einer Batterie bzw. einem Akku abhängig. Die Belastung durch die zusätzlichen Komponenten für die drahtlose Übertragung kann die nutzbare Leistungsdauer eines Akkus erheblich verkürzen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, versuchen die Hersteller in ihren Produkten entsprechende Komponenten einzubauen, die den Stromverbrauch so gering wie möglich machen. .

Ein weiterer Problempunkt ist die generelle Interoperabilität. Leider hat es sich gezeigt, dass der Standard IEEE 802.11 alleine nicht ausreicht, um interoperable Systeme bauen zu können. Vielmehr bedarf es zusätzlicher Festlegungen und Testprozeduren. Im Falle der WLANs wurde das durch WiFi hervorragend erledigt. WiFi bedeutet Wireless Fidelity (also praktisch „drahtlose Treue“) und ist eine Menge von Vereinbarungen zur Interoperabilität. Getragen von einem Herstellerzusammenschluss sorgen diese Definitionen dafür, dass zwei IEEE 802.11-Geräte, die das WiFi-Siegel haben, problemlos kommunizieren können, auch wenn sie von unterschiedlichen Herstellern kommen.

Die Sicherheit ist ein weiterer wesentlicher Problembereich und umfasst Schutz von Information und Ressourcen vor Verlust, Beschädigung und zweckentfremdeter Nutzung. Die Sicherheit drahtloser Netze ist ein Punkt, der bei der kommerziellen Anwendung und natürlich auch bei Anwendungen z.B. im Gesundheitswesen immer wieder heftig diskutiert wird.

Ein drahtloses Netz schickt einen Bitstrom in die Luft und benutzt mehr oder minder umfangreiche Synchronisations- und Fehlerkontrollmechanismen die den Bitfluss von einem Punkt zum anderen unterstützen und sichern sollen. Die Funktionalität des drahtlosen Netzes ist elementar auf der untersten Schicht der Netzwerkarchitektur, der Bitübertragungsschicht und es geht hier zunächst primär um die geschützte Übertragung dieses Bitstroms und nicht um solche Aspekte wie Ende-zu-Ende-Fehlerkontrolle. Diese wird man zusätzlich anwenden, kann dies aber auch nicht so tun wie bei drahtlosen Netzen, da manche Verfahren, wie das erneute Senden von Paketen im TCP-Protokoll, den Durchsatz eines drahtlosen Systems erheblich beeinträchtigen könnten. Darauf werden wir später noch genauer eingehen.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei drahtlosen Netzen ist es, dass eine Sendung sich über ein Medium ausbreiten kann, welches nicht von den physikalischen Grenzen des Unternehmens oder der Organisation eingeschränkt ist. Also können sich die Daten bzw. Sendungen auch über diese Grenzen hinaus bewegen. So können z.B. Radiowellen aus einem Bürohaus locker die Wand dieses Hauses durchdringen und man kann sie auf einem benachbarten Parkplatz und vielleicht sogar noch ein paar Blocks weiter locker empfangen. Um an Informationen zu gelangen, braucht ein „Interessent“ an diesen Informationen nicht physisch das Netz anzugreifen, wie bei festverdrahteten Systemen, sondern nur zu warten, bis die Informationen sozusagen freiwillig zu ihm kommen. Insgesamt kann man das Problem nur dadurch lösen, dass man in jedem Fall für die Übertragung von Daten eine Codierung verwendet, die für den Abhörer schwer zu knacken ist und darüber hinaus ggf. den Empfang durch scheinbar unsystematisches Springen über Frequenzbänder hin erschwert. Die Vereinbarung für die Frequenzwechsel ist nur Sendern und Empfängern bekannt. Insgesamt muss man sagen, dass es schon seit vielen Jahren militärische Funkübertragungssysteme gibt, an denen sich der jeweilige Gegner erheblich die Zähne ausbeißt. Eine mögliche Lösung für kommerzielle Übertragungssysteme wird die Übernahme derartiger Lösungen in vereinfachter Form sein. Wenn man ein HumVee mit einer hübschen Farbe anmalt, bekommt man ja auch ein stabiles Privatfahrzeug.

Ein anderes Sicherheitsproblem ist das Potential für elektronische Sabotage, bei der jemand die Radiofrequenzen, auf denen das drahtlose Netz arbeiten soll, absichtlich stört. Radio-LANs verwenden ein Übertragungsprotokoll mit Carrier-Sensing für die Regelung des wechselseitigen Ausschlusses auf dem gemeinsam benutzbaren Übertragungsmedium. Wenn eine Station sendet, müssen alle anderen warten. Das Protokoll funktioniert etwas anders als das bekannte CSMA/CD des Ethernets, aber an dieser Stelle ähnlich. Stört nun jemand die Frequenz, glauben alle Stationen, es würde gesendet und werden ggf. dauerhaft blockiert. Besonders einfach ist das, wenn jemand weiß, welches Produkt benutzt wird und einen Adapter so umbaut, dass dieser unter Missachtung des Protokolls laufend sendet.

Schließlich können noch Probleme dadurch entstehen, dass ein Angreifer sich so verhält wie eine „normale“ Station, um dem Radio-LAN verfälschte Daten zu senden, z.B. für das Aufbringen von Viren auf das System.

Die Hersteller waren in der Vergangenheit wirklich sehr kreativ hinsichtlich zusätzlicher Sicherheitsmechanismen. Die meisten Produkte verlangen die Benutzung eines Netzwerk-Zugriffscodes, der dann auch in allen Stationen gesetzt sein muss. Eine drahtlose Station kann keine Daten senden oder empfangen, wenn sie nicht den richtigen Zugriffscode hat. Im Range LAN von Proxim kann man z.B. über zwei Millionen unterschiedlicher Netzwerk-IDs benutzen. Wenn dieser Code geheim bleibt, wird es für einen äußeren Angreifer schwierig, Daten zu senden oder Daten zu empfangen. Außerdem bieten die Hersteller unterschiedliche Kryptierungsverfahren an, wie DES oder AES. Hierbei entstehen allerdings direkt ganze Bündel von Problemen. Grundsätzlich kann man bei solchen Lösungen nicht von der Interoperabilität von Geräten unterschiedlicher Hersteller ausgehen, auch wenn die Codes an sich normiert sind. Außerdem gibt es Exportbeschränkungen für verschiedene Verschlüsselungsverfahren bzw. verschiedene Verschlüsselungstiefen bei entsprechenden Verfahren. Generell werden wir auf diese Probleme noch näher eingehen.

Auch hinsichtlich der Nutzbarkeit bestehender Protokolle kann es Veränderungen geben. In kabelgebundenen Netzen ist TCP/IP das Protokoll für die Realisierung sicherer Verbindungen z.B. zwischen Clients und Servern. Bei drahtlosen Netzen kann es aber vorkommen, dass Verbindungen kurzfristig sehr schwach oder ganz unterbrochen werden, wie wir alle vom Telefonieren mit Handys wissen. In diesen Fällen kann es vorkommen, dass TCP/IP die Verbindung verliert, weil es auf die Behandlung einer derartigen Situation nicht vorbereitet ist. Außerdem kann es Adressierungsprobleme geben.

Ein weiterer Bereich, der immer wieder angesprochen wird, sind die Gesundheitsrisiken. Generell muss man darauf verweisen, dass die Leistungen von Sende/Empfängern bei drahtlosen LANs hinsichtlich der unmittelbaren Wirkung auf den menschlichen Körper erheblich geringer sind als die Leistungen, die von einem Handy abgehen, weil man das Endgerät oder den Access Point meistens nicht ans Ohr, was ja auch eigenartig aussehen würde. Die Leistung einer elektromagnetischen Welle nimmt exponentiell vom Ausgangspunkt ab. Schließlich ist es so, dass die Datenübertragung wesentlich kürzere Sendungen beinhaltet als das Telefonieren. Insgesamt ergibt sich durch die drahtlosen Netze eine wesentlich geringere Belastung als durch Handys. Es gab in den letzten Jahren eine Vielzahl von Untersuchungen, die alle zu dem gleichen Ergebnis kommen: durch die starke Beschränkung der maximalen Sendeleistung sind WLANs nach dem bisherigen Stand der Wissenschaft für Menschen unschädlich.

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