Technik von Funknetzen

Funknetze bieten prinzipiell die gleiche Funktionalität und Flexibilität wie ein Festnetz. Es lassen sich sowohl serverbasierte Netzwerke als auch Peer-to-Peer-Verbindungen einrichten - WLANs funktionieren dabei wie ein gewöhnliches Festnetz, von der Geschwindigkeit einmal abgesehen.

Drahtlose Funknetze gibt es seit 1992, die ersten Geräte begnügten sich allerdings noch mit Bandbreiten von deutlich unter 1 MBit/s. Zudem fehlte eine Standardisierung, so dass nur Geräte eines Herstellers untereinander kommunizieren konnten. Diese Situation verbesserte sich entscheidend mit der Verabschiedung des herstellerunabhängigen IEEE 802.11b-Standards, der sich als Basis für drahtlose lokale Netze zunehmend durchsetzt.

Frequenzbereiche von 802.11b

Das IEEE 802.11b-Übertragungsprotokoll stellt Kompatibilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller im gesamten drahtlosen Netzwerk über mehrere Funkzellen hinweg sicher. Funknetze nach 802.11b arbeiten auf Frequenzen von 2,4 bis 2,4835 GHz, im so genannten 2,4-GHz- oder auch ISM-Band (ISM steht für: Industrial, Scientific, Medical). In diesem lizenzfreien Bereich funken ebenfalls zahlreiche andere Geräte wie zum Beispiel Mikrowellen oder Bluetooth-Produkte.

Die für 802.11b freigegebenen Bandbreiten unterscheiden sich von Land zu Land, die folgende Tabelle zeigt die derzeitige Einteilung:

Parallel zum boomenden 802.11b stehen Geräte nach dem 802.11a-Standard kurz vor der Markteinführung. Diese arbeiten im 5-GHz-Band und sind deswegen inkompatibel zu 802.11b, bieten aber theoretisch 54 MBit/s Übertragungsgeschwindigkeit.

IEEE 802.11x-Standards

Die technische Gestaltung der Funknetze liegt beim Berufsverband der Elektrotechnik- und Elektronik-Ingenieure, kurz IEEE, und ist dort speziell Aufgabe der Arbeitsgruppe 802.11. Die vom IEEE-Komitee veröffentlichten 802.11-Spezifikationen stehen auf der IEEE-Website in der letzte Revision von 1999 kostenlos zum Download bereit, einen neueren Standard gibt es noch nicht. Grundsätzlich muss ein Standard sechs Monate alt sein, bevor er vom IEEE veröffentlicht wird. Zudem werden Whitepapers, Empfehlungen der IEEE-Mitglieder und weitere Hintergrundinformationen publiziert.

Die 802.11-Spezifikationen sind in stetem Wandel begriffen, im IEEE bemüht sich eine ganze Reihe von Arbeitsgruppen um die verschiedensten Verbesserungen. Obwohl sich der 11-MBit-Standard 802.11b allmählich durchsetzt, werden Ende des Jahres die ersten 54-MBit-Geräte nach dem 802.11a-Standard auf den Markt kommen. Geräte nach 802.11a arbeiten im 5-GHz-Band, das weit weniger ausgelastet ist als das 2,4-GHz-Band. Parallel dazu gibt es Bestrebungen, auch die Geschwindigkeit im 2,4-GHz-Band auf 20 MBit/s zu erhöhen.

Neben Interoperabilität und Geschwindigkeitssteigerungen zielen die Verbesserungen vor allem auf mehr Sicherheit in Funknetzen ab. In diesem Bereich sind die meisten Erweiterungen in den kommenden Änderungen der Funknetzspezifikationen zu erwarten. Die Neuerungen spiegeln sich gut in den IEEE-Arbeitsgruppen wider, die unter anderem an folgenden Verbesserungen arbeiten:

• 802.11a: 54-MBit-Funknetz im 5-GHz-Band (Standard verabschiedet).

• 802.11b: 11-MBit-Funknetz im 2,4-GHz-Band (Standard verabschiedet).

• 802.11b-cor: Bügelt die Ungereimtheiten bei der MIB aus (in Diskussion).

• 802.11f: Definition eines Inter-Access-Point-Protokolls für die reibungslose Zusammenarbeit von Access Points verschiedener Hersteller in einem Distribution System (in Diskussion).

• 802.11g: Erhöhung der Geschwindigkeit in 802.11b-Netzen von 11 auf 20 MBit/s (in Diskussion).

• 802.11i: Verbesserung von Verschlüsselung und Authentisierung (in Diskussion).

Funknetze nach 802.11 werden von zwei Gremien gefördert: Die WLANA (Wireless LAN Association) ist ein Zusammenschluss verschiedener Unternehmen, die unter anderem gemeinsam eine Website zur Förderung von Funknetzen betreiben. Zusätzlich gibt es eine Zertifizierungsstelle - die WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) -, die über die Einhaltung gemeinsamer Standards wacht und hierfür das Wi-Fi-Logo (Wireless Fidelity) verleiht.

Topologien: Ad-hoc und Infrastruktur

Sobald mehrere PCs mit Funknetzkarten in Reichweite zueinander gebracht werden, können sie spontan ein Ad-hoc-Netzwerk bilden. Dieses so genannte unabhängige Netzwerk (Independent Basis Service Set, IBSS) ist vergleichbar mit einem Peer-to-Peer-Netzwerk. Ad-hoc-Netze ermöglichen einen schnellen, unkomplizierten und kostengünstigen Netzaufbau.

In der Infrastruktur-Variante erfolgt die Kommunikation über Zugangspunkte (Access Points), an denen sich alle Stationen anmelden. Access Points (APs) fungieren dabei in der Regel als Brücke zwischen Festnetz und Funknetz. Sie sorgen dafür, dass Daten von und zum Festnetz übertragen werden und gleichzeitig Datenaustausch in den Funkzellen stattfinden kann. APs übernehmen damit eine ähnliche Funktion wie ein Hub oder Switch im LAN.

Auf Anwenderseite ist eine Funknetzkarte für Desktop-PCs oder eine PC-Card für Notebooks erforderlich. Zudem gibt es spezielle Geräte wie PDAs mit eingebauter Unterstützung für Funknetze.

Funknetz-Konstellationen

In der einfachsten Version besteht ein Funknetz aus einem AP und mehreren über Funk angeschlossenen Stationen. Diese Konstellation heißt Basis Service Set (BSS).

Durch die Kopplung mehrerer BSS lassen sich größere Distanzen abdecken und mit einem Funknetz versorgen. Diese Anordnung wird als Extended Service Set (ESS) bezeichnet und kommt bei der Vernetzung größerer Flächen mit mehreren Gebäuden zum Einsatz.

Die maximale Reichweite einer Funknetzkarte bestimmt die Größe der Funkzellen. Um eine weitgehend flächendeckende Versorgung wie etwa bei Mobiltelefonen zu erlangen, ist ein möglichst dichtes Netz von sich überlappenden Funkzellen erforderlich.

Bewegt sich ein Anwender, so wird er von Funkzelle zu Funkzelle gereicht, wobei die Verbindung zum Netzwerk nicht abbricht. Dieses Wandern der Anwender wird als Roaming bezeichnet.

Funktionsweise von Funknetzen

Die IEEE 802.11-Spezifikation definiert folgende Komponenten für ein 802.11-Funknetz:

• BSS: Basic Service Set

• STA: PCs mit Funkkarte (Station)

• AP: Access Points

• DS: Distribution System

• Portal: Verbindung zum Festnetz

Die folgende Grafik zeigt den Aufbau eines 802.11-Funknetzes mit vier Stationen:

Erläuterungen zur Grafik:

• Station 1 und Station 2 befinden sich im BSS1

• Station 3 und Station 4 befinden sich im BSS2

• BSS1 ist über Station 2 an das DS gebunden. Station 2 ist ein AP.

• BSS2 ist über Station 3 an das DS gebunden. Station 3 ist ein AP.

• Die Verbindung zum Festnetz erfolgt über ein Portal. Das kann ein AP sein.

Das Distribution System (DS) wird von den APs gebildet und ist meist kabelgebunden, aber im Prinzip medienunabhängig. Bei der Zugriffssteuerung über (MAC-Adressierung ist das DS für die Zustellung der MAC-Frames (MPDU, MAC Service Data Units) zuständig. Es ist damit kompatibel zum drahtgebundenen Ethernet.

Sendet Station 2 MPDUs an Station 4, gelangen diese über Station 2 ins DS, verlassen es über den AP Station 3 wieder und werden zu Station 4 gesendet. Befindet sich eine Station im überlappenden Bereich zweier BSS, kann sie zum einen oder anderen BSS gehören. Eine Station kann jedoch immer nur einem BSS zugeordnet sein.

Diese Architektur erlaubt im BSS, DS sowie im Festnetz je eine eigene Art der Adressierung - am häufigsten wird MAC-Adressierung verwendet. Zudem kann der Medientyp jeder dieser drei Bereiche unterschiedlich sein. Das DS kann also drahtlos oder drahtgebunden sein, das BSS ebenfalls. Die Medienumsetzung findet in den APs oder Portalen statt. Ein Beispiel: Sind die BSS drahtgebunden und das DS drahtlos, handelt es sich um zwei eigenständige LANs, die über eine Funkstrecke miteinander verbunden sind.

Das Distribution System (DS)

Das Distribution System (DS) arbeitet zentral oder verteilt auf der MAC-Teilschicht oder der Netzwerkschicht - das lässt die Spezifikation offen. Sie schreibt stattdessen Dienste vor, die das DS leisten muss. Diese teilen sich auf in die Station Services (SS) und die Distribution System Services (DSS). In 802.11-Netzen muss jede Station die folgenden Dienste anbieten:

• Authentisierung

• Deauthentisierung

• Verschlüsselung

• MAC-Service-Data-Unit-, kurz MSDU-Weiterleitung

Die An- und Abmeldung am Access Point (AP) kann mit einer Authentisierung verbunden sein, die von der Station angefordert wird. Weiterhin muss jede Station Nachrichten verschlüsseln können, der Standard sieht hierfür WEP vor. Bei der MSDU-Weiterleitung werden Frames ausgetauscht. Zu den Diensten, die das DS anbieten muss, gehören:

• Association

• Disassociation

• Reassociation

• Distribution

• Integration

Der Association-Dienst sorgt für den Beitritt zum DS am AP und ist eine Voraussetzung für den Datenaustausch im Funknetz. Die Dienste Disassociation und Reassociation kümmern sich um die Abmeldung und einen erneuten Beitritt. Der Distribution-Dienst findet den richtigen AP (den so genannten Output AP), zu dem eine Nachricht geleitet werden muss, und der Integration-Dienst erledigt die Festnetzanbindung.

Die Dienste werden in der folgenden Grafik als Pfeile dargestellt:

Die DSS sind medien- und adressraumübergreifend, angedeutet durch den Doppelpfeil. Ein Service Set (SS) läuft jeweils zwischen zwei Stationen eines BSS.

Association-Dienst

Das DS liefert Nachrichten mit Hilfe der drei Association-Dienste aus. Um das Association-Konzept zu verstehen, muss man sich die drei möglichen Übergänge einer wandernden Station ansehen:

• Kein Übergang: Station ist nicht mobil oder bewegt sich nur innerhalb der Funkzelle.

• BSS-Übergang: Die Station bewegt sich von einer Funkzelle in die nächste innerhalb eines ESS.

• ESS-Übergang: Eine Station bewegt sich von der Funkzelle eines ESS in eine Funkzelle eines anderen ESS.

Der Association-Dienst kümmert sich um die Bindung einer Station an einen AP. Das DS weiß damit, welcher AP für welche Stationen zuständig ist. Mit dieser Information kann der Distribution-Dienst Nachrichten an die richtigen Stationen zustellen. Eine Station darf immer nur zu einem AP gehören, ein AP kann für mehrere Stationen zuständig sein.

Bei einem BSS-Übergang führt die Station den Reassociation-Dienst aus, der die Zuordnung der Station zum neuen AP übernimmt. Geht eine Station vom Netz, sollte sie den Disassociation-Dienst aufrufen. Er teilt dem DS mit, dass alle Informationen bezüglich dieser Station gelöscht werden sollen. Der Disassociation-Dienst sendet eine Nachricht und erwartet keine Antwort. Er kann weder vom AP noch von einer Station abgelehnt werden.

Authentisierung und Verschlüsselung

Um ein ähnliches Sicherheitsniveau wie im Festnetz zu erreichen, fordert die 802.11-Spezifikation eine Authentisierung sowie eine optionale Verschlüsselung. Die Authentisierung findet zwischen allen kommunizierenden Stationen im BSS wie im ESS statt. Der Standard legt zwei Modelle fest: Open System und Shared Key. Shared Key erfordert einen privaten Schlüssel, mit dem auch die Datenverschlüsselung durchgeführt wird.

Der Authentisierungsprozess nimmt, abhängig vom verwendeten Protokoll, einige Zeit in Anspruch, deshalb verbessert die so genannte Preauthentisierung bei wandernden Stationen die Performance: Während eine Station noch an einen AP gebunden ist, authentisiert sie sich schon beim nächsten. Die Authentisierung geht immer einer Association voraus.

Die Deauthentisierung trennt die Verbindung zum AP und hat immer eine Disassociation zur Folge. Der Deauthentisierungs-Dienst sendet eine Nachricht und erwartet keine Antwort. Er kann weder vom AP noch von einer Station abgelehnt werden.

Funktionen der MAC-Teilschicht

Die Aufgaben der MAC-Schicht in Funknetzen unterscheiden sich von denen im Festnetz: Die MAC-Schicht legt wie im drahtgebundenen Netz die Zugriffsmethode fest, DCF genannt.

Beispiele für DCFs sind die Protokolle CSMA/CD und CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Bei Funknetzen kann die Übertragung zusätzlich optional in drei Stufen priorisiert werden, so dass einige Pakete Vorrang vor anderen haben. Dafür ist die Point Coordination Function (PCF) zuständig.

Bei Funknetzen kommt auf Grund der schwierigen Kollisionserkennung das CSMA/CA-Protokoll zum Einsatz. Dieses Protokoll arbeitet auf der physikalischen Schicht und hat die Aufgabe, Kollisionen möglichst zu verhindern.

Zusätzlich zu dieser physikalischen Kollisionserkennung wird eine virtuelle Kollisionserkennung eingesetzt, die die MAC-Schicht bereitstellt. Wenn eine der beiden Methoden den Verbindungsstatus "Belegt" meldet, darf keine Station senden. Ist die Verbindung frei, greifen die Zugriffsregeln, die bestimmen, wann eine Station senden darf.

Zugriffsverfahren

Das CSMA/CA-Protokoll legt fest, dass eine Station zwischen zwei aufeinander folgenden Daten-Frames eine konstante Zeitspanne warten muss, bis sie den nächsten Frame versendet. Dieses Intervall heißt Inter Frame Space (IFS): Es gibt verschiedene IFS, die die Zugriffsprioritäten steuern. Eine sendewillige Station wartet zunächst diese Zeitspanne ab und prüft dann, ob das Medium frei ist. Wenn es belegt ist, wartet die Station erst die Übertragung ab und dann erneut die IFS.

Wird das Medium als frei erkannt, wartet die Station vor dem erneuten Sendeversuch eine weitere zufällig lange Zeitspanne ab, die so genannte Backoff-Zeit. Die Größe des Backoff-Fensters ergibt sich aus einer konstanten Zeitspanne, die in den Geräteeinstellungen festgelegt ist, multipliziert mit dem Backoff-Counter, der kontinuierlich dekrementiert wird, solange das Medium frei ist. Ist das Medium nach Ablauf des Backoff-Fensters immer noch frei, kann die Station senden.

Die 802.11-Spezifikation definiert vier Inter Frame Spaces:

• Distributed IFS (DIFS)

• Short IFS (SIFS)

• PCF IFS (PIFS)

• Extended IFS (EIFS)

DIFS ist die Zeitspanne, die vergehen muss, bis eine Station den nächsten Sendeversuch unternimmt oder bis bei freiem Medium das Backoff-Fenster beginnt. 802.11 schreibt vor, dass jeder Frame vom Empfänger zu quittieren ist, ehe der nächste gesendet werden kann. SIFS ist die Zeitspanne, die eine Station abzuwarten hat, bevor sie einen Frame mit einem so genannten Acknowledgement (ACK) quittiert. Die SIFS ist kürzer als die DIFS, wodurch ACK-Frames mit höherer Priorität gesendet werden als Daten-Frames.

Bei Einsatz eines Point Coordinators (PC) verteilt dieser die Zugriffsberechtigungen der Stationen auf das Medium. Bei einem freien Medium wartet er die PIFS-Zeit ab, bevor er die Steuerung übernimmt. Die PIFS ist kürzer als die DIFS, aber länger als die SIFS. PC-Frames werden daher mit höherer Priorität übertragen, müssen aber ACK-Frames den Vortritt lassen.

Die EIFS gibt die Wartezeit nach einem Frame-Fehler an, der unabhängig von der physikalischen Schicht von der virtuellen Kollisionsprüfung angezeigt wird. Die EIFS-Zeit gilt wie alle IFS nur bei freiem Medium. Während der EIFS kann eine Station ein fehlerhaftes Paket mit ACK quittieren.

Virtuelle Kollisionserkennung

Zusätzlich zur physikalischen Kollisionserkennung auf der Bit-Übertragungsschicht verwendet die DCF einen virtuellen Kollisionserkennungsmechanismus auf der MAC-Schicht. Hierbei teilt eine Station allen anderen mit, wie lange sie das Medium zu beanspruchen gedenkt, um einen Daten-Frame zu senden und den ACK-Bestätigungs-Frame zu erhalten. Dafür gibt es zwei spezielle Frames: Request To Send (RTS) und Clear To Send (CTS).

Eine sendebereite Station sendet ein RTS an die Zielstation und erwartet von ihr ein CTS. Beide Frames enthalten sowohl die ID der jeweiligen Station als auch die angeforderte Zeitspanne. Alle Stationen im Einzugsbereich der sendenden Station sowie des AP empfangen diese Pakete und speichern die Verzögerungszeit im so genannten NAV. Der NAV wird unabhängig vom Zustand des Mediums dekrementiert, bei Null liegen keine weiteren Reservierungen vor und die Übertragung von Daten-Frames kann entsprechend den Zugriffsregeln beginnen.

Der RTS/CTS-Mechanismus löst auch das Problem der versteckten Stationen, durch die Kollisionen entstehen. Im folgenden Bild können sowohl Station A als auch Station B mit dem AP kommunizieren, beide jedoch nicht direkt miteinander. Belegen nun beide Stationen das Medium, entstehen Kollisionen:

Station A sendet ein RTS, das von der Zielstation B nicht empfangen werden kann, aber vom AP. Dieser bestätigt mit einem CTS die Belegung des Mediums, das auch von Station B empfangen wird. Station B weiß damit, dass Station A das Medium reserviert hat und wird dementsprechend lange warten.

Durch die Verwendung von RTS-Frames wird Bandbreite gespart, falls es im Fehlerfall zu einer erneuten Übertragung kommt: Das RTS-Paket ist klein verglichen mit einem Daten-Frame. Der RTS/CTS-Mechanismus funktioniert auch, wenn mehrere BSS den gleichen Kanal verwenden: Die Reservierung von Übertragungszeit ist über BSS-Grenzen hinweg möglich.

Sollen MAC-Multicast- oder Broadcast-Frames versendet werden, ist die Verwendung des RTS/CTS-Mechanismus nicht möglich. Da es dann mehrere Empfänger gäbe, die gleichzeitig ihre Empfangsbereitschaft signalisieren, würden Kollisionen entstehen.

Zugriffspriorisierung durch PCF

Ein weiteres optionales Verfahren zur Priorisierung des Zugriffs ist die Point Coordination Function (PCF). PCF-Frames werden schneller als DCF-Frames übertragen, weil ihr IFS kleiner ist.

Die PCF erzeugt die Contention Free Period (CFP), ein periodisches Zeitintervall, in dem das Medium nicht belegt ist, und verwaltet alle Medienzugriffe während dieser Zeit. Die CFP wechselt sich mit der Contention Period (CP) ab - der Zeit, in der das Medium belegt ist. Der Zugriff während der CP wird von der DCF gesteuert (CTS/RTS). DCF und PCF arbeiten parallel in einem BSS.

Die PCF benötigt einen AP und kommt deswegen nur in Infrastruktur-Netzen zum Einsatz. Der AP fungiert als so genannter Point Coordinator (PC), der den Datenverkehr aller Stationen in diesem BSS regelt.

Im PCF-Betrieb akzeptieren alle Stationen den PC als Wächter über den Medienzugriff. Der PC sendet regelmäßig so genannte Beacon-Frames an alle Stationen, die unter anderem eine Zeitspanne enthalten, während der die Stationen das Medium nicht verwenden dürfen: die CFP. Alle Stationen setzen ihren NAV auf die CFP.

Während der CFP pollt der PC die Stationen nacheinander und gibt ihnen damit Gelegenheit zum Senden. Nicht pollbare Stationen antworten mit einem DCF-ACK, danach hat der PC wieder die Kontrolle. Pollbare Stationen dürfen nur jeweils einen MAC-Frame an eine Station oder den PC senden und müssen dann warten, bis sie wieder an der Reihe sind (in der Poll-Liste oben stehen).

Contention Free Period (CFP)

Die Contention Free Period (CFP) wechselt sich mit der CP ab, wenn die Datenübertragung unter DFC-Kontrolle steht. Jede CFP beginnt mit dem Beacon-Frame, der im Feld DTIM eine Zeiteinheit enthält, die als Basis für die CFP/CP-Intervalle dient. Die CFP wird regelmäßig wiederholt und mit den Beacon-Frames synchronisiert.

Der PC erzeugt CFPs mit einer bestimmten Geschwindigkeit, der Content-Free Repetition Rate (CFP-Rate), die in den Einstellungen des AP festgelegt ist. Die CFP-Rate wird in DTIM-Einheiten gemessen und diese wiederum in Beacon-Einheiten. Beacon-Einheiten sind die grundlegende Zeiteinheit und bezeichnen die Zeitspanne zwischen zwei Beacons, auch Time Units (TU) genannt. Der AP teilt die CFP-Rate allen Stationen per Beacon-Frame mit.

Jeder Beacon-Frame enthält den Parameter CFP_DUR_Remaining in TU. Er gibt die noch verbleibende Länge der CFP an, gemessen von der Übertragung dieses Beacons bis zum Ende dieser CFP. Das CFP-Wiederholungsintervall beträgt zwei DTIM-Einheiten. Jede DTIM-Einheit besteht aus drei Beacon-Intervallen. Die CFP beträgt etwa 2,5 DTIMs.

Bis zu 54 MBit/s mit 802.11a

Im Gegensatz zum 802.11b-Standard arbeiten Geräte nach dem 802.11a-Standard im 5-GHz-Band mit einer Bandbreite von theoretisch bis zu 54 MBit/s. Herstellerspezifische Erweiterungen gehen sogar bis über 100 MBit/s. Das 5-GHz-Band ist ebenfalls lizenzfrei und wurde erst vor kurzem in Deutschland freigegeben.

Derzeit ist das 5-GHz-Band noch nicht stark ausgelastet, allerdings operieren auch Geräte nach dem HiperLAN/2-Standard in diesem Frequenzbereich. Zudem erlaubt dieser Standard acht statt drei Kanäle, womit ein höherer Durchsatz erreicht wird.

Erste Geräte sind in den USA verfügbar, in Deutschland werden sie Anfang 2003 erwartet. Ob der 802.11a-Standard ein Markterfolg wird, hängt auch von der Abwärtskompatibilität zu bestehenden WLAN-Installationen ab. APs einiger Hersteller arbeiten mit einer integrierten PC-Card, die durch einen einfachen Austausch ein Upgrade auf den a-Standard ermöglichen soll. Dualband-Geräte, die beide Standards unterstützen, sind angekündigt.

Zeitgleich wird an einer Erweiterung des b-Standards gearbeitet, bekannt als 802.11g, mit Datenraten bis zu 20 MBit/s und Abwärtskompatibilität zu 802.11b. Geräte sind bislang noch nicht auf dem Markt. Gleiches gilt für die Konkurrenztechnik HiperLAN/2. Wer das Rennen im High-Speed-WLAN-Bereich schließlich machen wird, ist derzeit noch offen, doch WLANs nach b-Standard werden sich weiterhin auf breiter Front durchsetzen. (kmo)