WLANs nach IEEE 802.11b, g, a und h

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Teil 16 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Der Standard IEEE 802.11b war der erste, der zu Produkten im Massenmarkt geführt hat. Obwohl seine Lebenszeit jetzt im Grunde genommen schon vorbei ist, weil es mittlerweile leistungsfähigere Systeme gibt, enthalten die Definitionen von 802.11b wesentliche Elemente, die es auch in allen Nachfolgestandards gibt. Einerseits kann dadurch eine Rückwärtskompatibilität erreicht werden, andererseits haben verschiedene Elemente schwere Mängel hinsichtlich der Performance. Das gilt besonders für das DCF-Steuerungsverfahren, was es sogar relativ unverändert bis in den neuen Standard 802.11n geschafft hat und damit auch dort die mögliche Gesamtleistung empfindlich senkt.

Ohne die Betrachtung von 802.11b und des assoziierten Standards g sowie der OFDM-Varianten a und h ist es nicht möglich, die aktuellen Varianten nach 802.11n und die Mesh Systeme nach IEEE 802.11s zu verstehen.

Wir betrachten in diesem Kapitel die Elemente von 802.11b genauer, die anderen Standards unterscheiden sich von b im Wesentlichen nur durch eine schnellere Funkübertragungstechnik und einige wenige Optimierungen.

IEEE 802.11b Medium Access Control

Jede Station und jeder Access Point eines drahtlosen LANs nach IEEE 802.11 implementiert den MAC-Layer Service, der den Arbeitseinheiten der LLC die Möglichkeit bietet, MAC Service Dateneinheiten (MSDUs) über MAC Service Access Points (SAPs) auszutauschen. Die MSDUs tragen LLC-Frames, die die Funktionen der Logical Link Control unterstützen. Die MAC-Teilschichten in den gesamten Geräten des drahtlosen Netzes koordinieren den Datenaustausch über das gemeinsam benutzte Funk- oder Infrarot-Medium. Die MAC-Teilschicht hat folgende wesentliche Aufgaben: Bereitstellung des Zugangs zum drahtlosen Medium, Teilnahme am (geordneten) Netzbetrieb und Sicherstellung von Authentifizierung und Geheimhaltung.

Zugriffsverfahren

In einem IEEE-802.11-System gibt es zwei grundsätzliche Methoden, nach der eine Station den Zugang zum gemeinsam wechselseitig ausgeschlossen zu benutzenden Übertragungsmedium bekommt, nämlich CSMA/CA und einen prioritätsbasierten Mechanismus. Das CSMA/CA-Verfahren ist dem CSMA/CD-Verfahren nicht unähnlich, weil man aber bei einem drahtlosen Medium nicht gleichzeitig senden und seine eigene Sendung mithören kann, muss hier auf eine Kollisionserkennung verzichtet werden und man nimmt statt dessen ein Verfahren, welches nicht kollisionsbehaftet ist. Das CSMA/CA Verfahren wird im IEEE 802.11 als Distributed Coordination Function DCF bezeichnet. Außerdem gibt es noch ein konfliktfreies Verfahren, welches in jedem Access Point eine Funktion namens Point Coordinator voraussetzt. Dieser Point Coordinator sorgt für einen geregelten Zugang. Im 802.11b-Standard wird diese Funktion auch als Point Coordination Function PCF bezeichnet. Beide Methoden können in einem BSS auch zusammen angewendet werden, um konfliktfreie Phasen und Wettbewerbsphasen alternieren zu lassen.

Tatsächlich findet bei DCF keine explizite Kollisionerkennung statt. Stationen „erkennen“ Kollisionen daran, dass nach einer gewissen Zeit keine Antwort in Form einer positiven Empfangsbestätigung kommt und versuchen nach Ablauf der durch das Zugangsverfahren gegebenen Zeitdauer eine erneute Sendung. Dabei werden sie mit großer Wahrscheinlichkeit wegen des gewürfelten Backoffs nicht wieder mit den gleichen Stationen kollidieren, aber gegebenenalls mit anderen.

Insgesamt kann man nicht davon sprechen, dass das System die Auslieferung von Datenpaketen in irgendeiner Weise garantieren könnte, noch dass es durch den Algorithmus selbst eine obere Schranke für die maximale Zeit vom Sendewunsch bis zur erfolgreichen Aussendung gibt.

Error Recovery

Im Rahmen von Übertragungsstörungen, wie Interferenzen und Kollisionen, können Bitfehler das Sequentialisierungsverfahren für Frames durcheinanderbringen. Eine Station A könnte z.B. ein RTS (Request to Send) schicken aber niemals das dazu passende CTS (Clear to Send) zurückbekommen. Oder eine Station sendet einen Frame und bekommt niemals eine Empfangsbestätigung. Die MAC-Steuerung muss für alle diese Fälle Error Recovery Mechanismen bereitstellen.

Spacing

Die 802.11-Spezifikation definiert verschiedene Standard-Intervalle, die in entsprechenden MIB-Variablen niedergelegt werden und den Zugriff einer Station zum Medium mehr oder weniger verzögern und somit in gewisser Weise verschiedene Prioritätenniveaus anbieten. Jedes Intervall definiert die Zeit, die vom Ende des letzten Symbols des letzten Frames bis zum ersten Symbol des nächsten Frames vergehen muss. Es gibt vier verschiedene so genannte Interframe Space Intervalle, kurz, mittel, lang und extended, die jeweils unterschiedliche Funktionen haben. So ist z.B. das SIFS (Short IFS) das kürzeste Intervall und führt so zum höchsten Prioritätsniveau, da es ermöglicht, dass manche Frames schneller auf das Medium kommen als andere. Der ACK (Acknowledgement)-Frame, der CTS (Clear to Send)-Frame und der zweite oder folgende MSDU aus einem Fragment Burst dürfen SIFS benutzen, weil diese Frames den dringendsten Zugang zum Medium benötigen um die Frame Retransmissionen zu minimieren.

Eintritt in ein Netz

Nachdem eine Station eingeschaltet wurde, muss sie zunächst entscheiden, ob es eine andere aktive Station oder einen Access Point gibt, die grade dem Netz beitreten möchten, bevor sie sich authentifiziert und mit einer passenden Station oder einem Access Point assoziiert. Die Station macht das, indem sie einen passiven oder aktiven Scanning Modus einnimmt. Stationen im BSS müssen mit dem Access Point in Synchronisation verbleiben, um sicherzustellen, dass alle Stationen mit den gleichen Parametern arbeiten

Authentifizierung und Geheimhaltung

Wegen der offenen Broadcast-Natur eines drahtlosen LANs muss man von Anfang an bestimmte Sicherheitsfunktionen einbauen. Der IEEE 802.11-Standard sieht zwei Authentifikationsdienste vor, nämlich Open System Authentification und Shared Key. Open System ist der voreingestellte Authentifikationsdienst, der lediglich den Wunsch einer Station anzeigt, sich mit einer anderen Station oder einem Access Point zu assoziieren. Das bedeutet ein offenes Netz. Shared Key umfasst einen umfangreicheren Austausch von Frames um sicherzustellen, dass die anfragende Station authentisch ist und bietet einen wesentlich höheren Grad an Sicherheit als Open System.

Geheimhaltung bei der Übertragung

Um eine Geheimhaltung bei der Übertragung anzubieten, sieht IEEE 802.11 das optionale WEP (Wired Equivalent Privacy) Protokoll vor. WEP generiert verteilte geheime Schlüssel, die sowohl von Sendern als auch von Empfängern benutzt werden und die Informationen auf dem drahtlosen Netz vor Lauschern schützt. Das WEP ist ein symmetrisches Verschlüsselungsverfahren. Stationen können WEP alleine benutzen, aber wenn Shared Key Authentication benutzt werden soll, muss auch WEP implementiert sein.

Tatsache ist aber, dass die WEP-Verschlüsselung leicht zu knacken und für eine professionelle Geheimhaltung ungeeignet ist. Da braucht man schon 3DES oder AES. Derartige Lösungen sind mittlerweile von praktisch allen Herstellern verfügbar und auch herstellerübergreifend operabel. Wir besprechen sie im Zusammenhang mit allgemeinen Sicherheitsbetrachtungen, weil sie nicht zum Standard 802.11b gehören.

IEEE 802.11b Physical Layer

Jetzt geben wir einen Überblick über die Architektur der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) um dem Leser einen generellen Eindruck von der Funktionsweise zu geben. Die Übertragungstechnik als solche ist aber auch nur insofern Bestandteil der Bitübertragungsschicht in den IEEE-Definitionen, wie dies nötig ist, um Verfahren, Codierungen usf. festzulegen, die schließlich die Interoperabilität von Systemen nach dem Standard sicherstellen. Wie bereits angesprochen, gibt es mehrere drahtlose Übertragungsverfahren.

Die Architektur der Bitübertragungsschicht besteht also für jede Station aus folgenden drei Komponenten:

  • Physical Layer Management
  • Physical Layer Convergence Procedure Teilschicht PCLP
  • Physical Medium Dependent Teilschicht PMD

Das Physical Layer Management arbeitet mit dem MAC-Layer Management zusammen und leistet Verwaltungsfunktionen für die Bitübertragungsschicht.

Unter Leitung der PCLP führt die PMD die tatsächliche Nachrichtenübertragung von Frames zwischen Sendern und Empfängern auf dem physikalischen Übertragungsmedium durch. Um diese Dienstleistung über das drahtlose Medium erfüllen zu können, muss sie Komponenten wie Sender, Empfänger, Modulatoren, Demodulatoren und Antennen benutzen. PCLP und PMD kommunizieren über Primitive um die Sende- und Empfangsfunktionen steuern zu können.

Generelle Arbeitsweise

Die generelle Arbeitsweise der verschiedenen Physikalischen Teilschichten ist sehr ähnlich. Um die PCLP-Funktionen auszuführen, definiert der Standard die Benutzung von endlichen Automaten. Jeder der endlichen Automaten leistet folgende Funktionen:

  • Carrier Sense: Bestimmung des Zustands des Mediums
  • Transmit: Sendung individueller Oktette des Datenrahmens
  • Receive: Empfang individueller Oktette des Datenrahmens

IEEE 802.11b Erweiterungen für höhere Geschwindigkeiten im 2,4-GHz-Band

Im Jahr 1999 wurden Erweiterungen des IEEE-802.11b-Standards für die Erzielung höherer Geschwindigkeiten im 2,4-GHz-Band vorgenommen. Diese Erweiterungen haben eigentlich erst dazu geführt, dass die erste ernsthafte Produktwelle auf den Markt gekommen ist. Mittlerweile gibt es erneute Erweiterungen im Hinblick auf noch höhere Geschwindigkeiten

Neben neuen Übertragungsraten mit entsprechenden Änderungen in der Übertragungsphysik wurde auch ein optionales verkürztes Header-Format eingeführt, der sog. Short Header. Außerdem gab es einige minimale Änderungen in den Steuerframes, die sich aber hauptsächlich darin erschöpfen, ob die Felder optional sind oder nicht, es geht bei den Standards manchmal wirklich um Feinheiten. Schließlich muss der Mechanismus für die Verhandlung von Datenraten erweitert werden, wenn es mehr Datenraten gibt.

IEEE 802.11a Wireless Physical Layer Spezifikationen für die Hochgeschwindigkeitsübertragung im 5-GHz-Band

Der Standard definiert die PHY-Arbeitseinheit für ein OFDM-Übertragungssystem (Orthogonal Frequency Division Multiplex) und die Zusätze, die nötig sind, um dies in die bisherigen Standards einzubringen bzw. mit ihnen zu harmonisieren. Es werden die in den USA unlizensierten Frequenzen 5,15-5,25, 5,25-5,35 und 5,725-5,825 GHz benutzt, die Bestandteil der sogenannten U-NNI-Bänder sind, der „Unlicensed National Information Infrastructure“. Diese Bänder sind für Europa bzw. in Deutschland nicht ohne Weiteres frei benutzbar. Das OFDM-System realisiert ein WLAN mit den Übertragungsgeschwindigkeiten 6,9,12,18,24,35,48 und 54 Mbit/s. Dabei müssen die Raten 6.12 und 24 Mbit/s. immer unterstützt werden. Das System benutzt 52 Unterträger, die mit binärer Phasenmodulation BPSK, Quadratur-Phasenmodulation QPSK, sowie Quadratur-Amplitudenmodulation mit 16 (16-QAM) oder 64 (64-QAM) Zielelementen moduliert werden. Forward Error Correction wird durch Faltungscodierung mit einer Codierungsrate von 1/2, 2/3 oder 3/4 erreicht.

Die OFDM-PHY besteht – wie könnte es anders sein – aus zwei Protokollfunktionen, nämlich der PHY-Konvergenzfunktion, die die Möglichkeiten des PMD-Systems an den PHY-Service anpasst und dem PMD-System. Die Konvergenzfunktion wird wie bei den anderen Standards durch die Physical Layer Convergence Procedure PLCP unterstützt, die eine Methode zur Abbildung von IEEE-802.11-PHY-Teilschicht-Service-Dateneinheiten (PSDUs) in ein Frameformat unterstützt, welches dazu geeignet ist, Benutzerdaten und Management-Information zwischen zwei oder mehr Stationen, die das entsprechende PMD-System benutzen, auszutauschen. Das PMD-System definiert die Eigenschaften und die Nutzung des OFDM-Systems für die Übertragung von Daten im drahtlosen Netz.

802.11a auf 2,4 GHz: IEEE 802.11g

Eine sehr beliebte WLAN-Technik ist 802.11g. Hier arbeitet man auch in der besprochenen Art und Weise mit OFDM, allerdings im 2,4-GHz-Band, also wie mit 802.11b, nur schneller. Die Unterschiede zu 802.11a sind abgesehen vom benutzten Frequenzbereich so gering, dass wir hier nicht darauf eingehen müssen. Das einzig Bemerkenswerte sind zusätzliche Parameter für den Mixed Mode, d.h. den Betrieb von 11b- und 11g-Geräten auf ein und demselben Kanal. Das braucht man z.B., wenn nicht alle Geräte in einem WLAN 11g können. Die Erfahrung lehrt jedoch, dass bei eienm solchen Mixbetrieb die Gesamtleistung derart in den Keller geht, dass die 11g-Geräte nichts von ihren zusätzlichen Möglichkeiten haben. Da man unter Beachtung der maximal erlaubten Sendeleistung im 2,4-GHz-Band so ziemlich alles machen darf, was man möchte, braucht 11g keine weiteren Zusatzfunktionen. 11g ist eine sehr verbreitete Variante und wird erst heute langsam von 11n abgelöst, aber es wird sicherlich noch viele Jahre 11g-Installationen geben, vor allem im privaten Bereich. Verschiedene Hersteller haben es durch leichte Modifikationen geschafft, Systeme auf 11g-Basis zu entwickeln, die die doppelte Datenrate, also nominell 108 Mbit/s. haben. Das funktioniert gut, allerdings müssen dann alle Geräte in einem WLAN vom gleichen Hersteller kommen oder wenigstens den gleichen Chipsatz haben. Auch das ist eher etwas für den privaten Bereich, also z.B. gut für die DSL-Unterverteilung im Haushalt.

802.11a auf 5 GHz in Europa: 802.11h

Für die Anwendung von Systemen mit der bisher beschriebenen Arbeitsweise müssen in Europa noch zwei zusätzliche Funktionen realisiert werden:

  • TPC: Transmit Power Control und
  • DFS: Dynamic Frequency Selection

TPC ist ein Verfahren, welches die Sendeleistung auf das unbedingt nötige Minimum beschränkt. Dabei wird mit verschiedenen Stufen gearbeitet. Ein TPC-fähiger Transceiver beobachtet ein Signal, welches er empfängt, laufend. Kommt das Signal gut durch, weist er den Sender an, mit geringerer Leistung zu senden. Das wird so lange fortgeführt, bis die Leistung auf einem Niveau angekommen ist, welches die gewünschte Datenrate unter den aktuellen Bedingungen grade noch unterstützt. Abgesehen davon, dass es in Europa Pflicht ist, hat das TPC-Verfahren noch weitere Vorzüge. Eine geringere Sendeleistung belastet einen Akku geringer. Außerdem wird auch eine evtl. bestehende Belastung von Personen durch elektromagnetische Strahlung weitestgehend minimiert. TPC ist also in jedem Falle sehr sinnvoll.

DFS hat einen ganz anderen Hintergrund. In Europa befinden sich im 5-GHz-Band auch Radarsysteme. Diese dürfen in keinem Fall gestört werden. Normalerweise definiert ein Systemadministrator bei 802.11b und a, welche Kanäle benutzt werden sollen. Bei 802.11h darf er das nicht, sondern DFS kümmert sich darum. DFS überwacht die möglichen Kanäle laufend daraufhin, ob in einem solchen Kanal oder gar in benachbarten Kanalgruppen Fremdsignale oder andere WLAN-Signale befindlich sind. Für die Kommunikation wird dann automatisch ein als frei erkannter Kanal benutzt. Damit kann man auch größere Netze problemlos aufbauen, weil die WLANs in benachbarten, sich überlappenden Zonen automatisch ausweichen. Natürlich kann es mit geringer Wahrscheinlichkeit auch einmal vorkommen, dass gar kein freier Kanal mehr vorhanden ist, aber ehrlich gesagt, habe ich das noch nie gehört. Auch DFS ist eine ganz feine und nützliche Funktion. Verschiedene Hersteller bieten die Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Schwellwerte von DFS einzustellen, zum Beispiel, damit das WLAN nicht immer einem Signal ausweicht, was eigentlich nur eine kurze Störung durch eine große Lampe oder eine Oberleitung ist.

Unabhängig davon, ob die Verwendung von DFS und TPC Pflicht ist, sind beide sehr praktische Funktionen, die ein modernes LAN prägen.

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