Wireless LAN(WLAN) - Wireless Fidelity(WiFi)

Die mobile Arbeitswelt verlangt häufig nach einer Datenverarbeitung und -übertragung, deren Bewegungsradius nicht durch Leitungen eingeschränkt wird. Die Lösung ist ein drahtloses Funknetz, auch Wireless LAN(WLAN) oder Wireless Fidelity(WiFi) genannt.

Wireless LAN ist der Oberbegriff für alle auf dem Markt befindlichen drahtlosen Datennetze.

Foto von Elsa AG: Access Point Wireless LAN arbeitet auf der Bitübertragungsschicht des OSI-Schichten-Modells. Drahtlose Netzwerkkarten lassen sich deshalb ohne Probleme in jedes System einbinden. Auf bestimmte Protokolle ist man nicht angewiesen. Wireless LAN ist vollkommen protokolltransparent, wie jedes andere IEEE-802-Netzwerk auch.
Foto von Elsa AG: Wireless LAN PCMCIA Adapter Obwohl Wireless LAN protokollunabhängig arbeitet können sich Probleme in der Praxis mit einigen Protokollen und Anwendungen ergeben. Ausschlaggebende Faktoren sind die höhere Bitfehlerrate(Bit Error Rate, BER) und die größere Verzögerung bei der Übertragung von Daten. Es liegt in der Natur des Wireless LAN, das die zur Übertragung benötigte Zeit länger ist, als im drahtgebundenen LAN. Ein einfacher Ping hat im drahtgebundenen LAN eine Round Trip Time von weniger als einer Millisekunde. Im Wireless LAN liegt die Zeit für ein Ping bei bis zu vier Millisekunden.
Anwendungen, die ein kurzes Delay benötigen, haben in einem Wireless LAN nichts verloren.
Der Access Point(AP) ist innerhalb des Wireless LAN das einzige aktive Schicht-2-Element. Vergleichbar mit einer Bridge verbindet er zwei Netzwerke mit unterschiedlicher physikalischer Schicht. Bspw. das Wireless LAN mit dem drahtgebundenen Ethernet oder Token Ring.

IEEE-802.11

 
4 Transport-Schicht (TCP)
3 Netzwerk-Schicht (IP)
2 Logical Link Control (LLC)
Medium Access Control (MAC)
1 Physical Layer Convergence Protocol (PLCP)
DSSS FHSS Infrarot

Den breiten Einsatz drahtloser Datennetze haben die fehlende Standardisierung und die geringen Datenübertragungsraten verhindert. Seit 1997 gibt es die Ethernet-Variante IEEE-802.11, die eine verbindliche Luftschnittstelle darstellt.
Der Funknetz-Standard definiert einen gemeinsamen MAC-Layer(Medium Access Control) für drei spezifische Physical Layer(PHY). Zwei davon sind den Funk-LANs, einer dem Infrarotnetz zugeordnet. Im Funknetz wird als Frequenzbereich das ISM-Band(2,4 GHz) von 2400 bis 2485 MHz genutzt. Innerhalb dieses Frequenzbereiches wird mit dem Bandspreizverfahren gearbeitet, das die Signale möglichst über ein breites Frequenzspektrum aufteilt.
Die Infrarot-Variante nutzt die Frequenzen von 850 bis 950 Nanometer(Licht). Die verwendete diffuse IR-Übertragung erfordert keine exakte Ausrichtung von Sender und Empfänger. Die maximal 10 Meter weite Sichtlinie muss nicht hindernisfrei sein.
Mindestbandbreite der Funk-Variante liegt bei einem MBit/s. Optional lässt es sich auch auf 2 MBit/s erweitern.

IEEE-802.11b

Die Erweiterung IEEE-802.11b sieht maximal 11 MBit/s vor. In der Praxis reduziert sich die Transferrate um die Hälfte. Größere Distanzen zwischen den Stationen machen sich beim Funk-LAN deutlich bemerkbar.

802.11b+

Der Chip-Hersteller Texas Instruments hat eine Chip entwickelt, der nach dem WLAN-Standard IEEE-802.11b arbeitet, aber doppelt so schnell die Daten übertragen kann(22 MBit/s).
Schnell haben sich Access Points und PC-Cards auf dem Markt wieder gefunden. Allerdings wird sich diese Technik nicht auf breiter Front durchsetzen, weil sie durch den IEEE-802.11g-Standard mit 54 MBit/s überflüssig geworden ist.
802.11b+ ist kein offizieller IEEE-Standard

IEEE-802.11a

Der WLAN-Standard überträgt Daten theoretisch mit einer Geschwindigkeit von 54 MBit/s. Das ist 5 mal schneller, als der Standard 802.11b.
802.11a nutzt zur Übertragung drei Frequenzbänder im 5-GHz-Bereich. Das führt allerdings zu Überschneidungen mit dem vom ETSI entwickelten HiperLAN/2-Verfahren im mittleren(5,25 bis 5,35 GHz) und im unteren(5,15 bis 5,25 GHz) Frequenzbereich. Ausserdem wird das 5-GHz-Frequenzband auch vom Militär genutzt.
Um auch in Europa ein Zertifizierung von 802.11a möglich zu machen wurden diesem Standard zwei Zusätze integriert:

Die Kombination beider Verfahren erlaubt es den Netzelementen, Kanäle mit bester Verfügbarkeit zu ermitteln und nur die möglichst kleinste Sendeleistung zu verwenden, sobald Interferenzen entstehen.

 

Am 13. November 2002 hat die RegTP in Deutschland für lokale Funknetze (Wireless Local Area Networks) den Frequenzen in den Bereichen 5150 MHz - 5350 MHz (innerhalb von Gebäuden) und 5470 MHz - 5725 MHz (innerhalb und ausserhalb von Gebäuden) eine Allgemeinzuteilung erteilt.
Dieser Frequenzbereich ist z.B. für die Nutzung des Wireless LAN-Standards IEEE 802.11a gedacht, der Daten theoretisch mit einer Geschwindigkeit von 54 MBit/s überträgt.
Ein bestimmter technischer Standard wird allerdings nicht verbindlich vorgeschrieben. Diese Technologieneutralität soll es den Herstellern ermöglichen, flexible und innovative Lösungen im Markt zu platzieren und somit eine hohe Akzeptanz beim Verbraucher zu erzielen.

IEEE-802.11g

Nach dem IEEE-802.11a-Standard folgt der IEEE-802.11g-Standard. Mit verbesserten Modulationsverfahren überträgt er ebenfalls Daten mit 54 MBit in der Sekunde. Allerdings benützt er dafür das 2,4-GHz-Frequenzband, wofür keine langwierige Zulassung und technische Beschränkungen notwendig sind.
Der besondere Vorteil ist die Kompatibilität zu IEEE-802.11b. Damit kann eine bestehende WLAN-Infrastruktur weitergenutzt werden, während einzelne bandbreitenbedürftige Segmente auf IEEE-802.11g umgestellt werden können.

Übersicht: Wireless LAN nach IEEE-802.11

 
Standard 802.11 802.11b 802.11b+ 802.11a 802.11g
Frequenzbereich 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 5 GHz 2,4 GHz
Datendurchsatz 2 MBit/s 11 MBit/s 22 MBit/s 54 MBit/s 54 MBit/s
kompatibel zu 802.11b 802.11b+/g 802.11b/g - 802.11b/b+

Topologie von Wireless LAN

Topologie: Independent Basic Service Set(IBSS) Schon mit zwei drahtlosen Netzwerkkarten lässt sich ein einfaches Wireless LAN aufbauen. Bei der Einrichtung sind keine weiteren aktiven Elemente erforderlich. Die Stationen kommunizieren direkt über den WLAN-Adapter. In Laptops ist das eine PCMCIA-Karte. In Desktop-Systemen gibt es dazu eine PCI-Steckkarte, in die meist die PCMCIA-Karte eingesteckt wird.
Die Topologie eines solchen Ad-hoc-Netzes nennt sich Independent Basic Service Set(IBSS).
Jede Station bildet mit seiner Netzwerkarte eine Funkzelle. Solange sich die Stationen in einer Zelle befinden, oder sich die Zellen überschneiden, ist eine Kommunikation zwischen den Stationen möglich.

Topologie: Basic Service Set(BSS) Ist die Reichweite einer Zelle zu gering, lässt sie sich mit einem Access Point, kurz AP, erweitern. Doch nicht nur das. Der Access Point bildet auch den Übergang zum drahtgebundenen Netzwerk. Der Access Point stellt innerhalb einer Funkzelle den Zugriff auf das drahtgebundene Netzwerk und umgekehrt her. Der Access Point übernimmt dabei die Aufgabe einer Bridge. Er erlaubt es sogar Protokolle, die das WLAN unnötig überlasten würden, herauszufiltern.
Die Topologie eines solchen Netzwerkes mit Access Point nennt sich Basic Service Set(BSS).

Topologie: Extendet Service Set(ESS) Mittels zweier Access Points lässt sich auch die Reichweite eines Kabelgebundenen Netzwerkes erhöhen. Bei einer Infrastruktur auf Basis von 10/100BaseT dürfen die einzelnen Kabelsegmente eine Maximallänge von 100 Metern haben. Mit Wireless LAN besteht die Möglichkeit Bereiche zu verbinden, die mit der herkömmlichen Verkabelung nicht erreicht werden können.
Die Reichweite im Freien liegt bei guten Bedingungen zwischen 100 und 300 Metern. Reicht das nicht aus, so lässt sich mit zwei gerichteten Antennen einige Kilometer überbrücken. Und das gebühren- und genehmigungsfrei. Auch über Grundstücksgrenzen hinweg.
Die Topologie eines solchen Netzwerkes mit zwei Access Points nennt sich Extendet Service Set(ESS). Es besteht aus zwei oder mehreren Basic Service Sets(BSS-A und BSS-B). Innerhalb des ESS können sich die Stationen frei bewegen. Ein Roaming-Verfahren hält die Netzwerkverbindung zu den Access Points aufrecht.

Zugriff auf die Funkschnittstelle

Durch das Übertragungsverfahren ergeben sich bei Funknetzen besondere Schwierigkeiten. Eine drahtlose Sendestation kann bspw. keine Signalkollision feststellen. Das eigene Signal überdeckt die Signale der anderen Stationen.
Die Distributed Coordination Function(DCF) verteilt die Zugriffsregeln auf die Stationen. Im DCF benutzt das MAC-Protokoll CSMA/CA(Carrier Sense Multible Access/Collision Avoidance). Im Gegensatz zu den drahtgebundenen Ethernet-Varianten wird auf eine Kollisionserkennung(Collision Detection, CD) verzichtet. Den Kollisionen von Sendesignalen lassen sich in einem Funknetzwerken von Störungen nicht unterscheiden. Stattdessen wird eine Kollisionsvermeidung(Collision Avoidance, CA) eingesetzt.
RTS/CTS-Verfahren Bei der Kollisionsvermeidung im Zusammenhang mit Funknetzwerken kann es zum sogenannten Hidden-Terminal-Problem kommen. Das ist dann der Fall, wenn zwei Stationen sich außerhalb ihrer Reichweite befinden. Dabei kommt es zum fälschlichen Erkennen eines freien Sendekanals, obwohl dieser bereits belegt ist. Zur Vermeidung dieses Effektes existiert das RTS/CTS-Verfahren(Ready To Send/Clear To Send).
Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-Signal an Empänger B. Erkennt der Empfänger B den Kanal als frei, sendet er ein CTS-Signal. Dieses Signal hören alle Stationen, die mit der Funkzelle des Empfängers B Kontakt haben. Damit ist dieser Kanal für eine bestimmt Übertragungszeit von Sender A zu Empfänger B reserviert. Kollisionen finden dann nur noch bei eventuellen RTS/CTS-Signalen statt.
Die PCF(Point Coordination Function) im IEEE-802.11 ist eine weitere Zugriffsregelung des MAC-Layers. Die PCF unterstützt Quality of Service(QoS), das bestimmte Charakteristiken bei der Übertragung für bestimmte Kommunikationsanforderungen garantiert.
Für PCF ist ein Access Point erforderlich, der mittels einer Kanalreservierung die Senderechte an die mobilen Stationen vergeben kann. Dieser Vorgang wird als Polling bezeichnet. Dabei fragt der Access Point die Stationen innerhalb seiner Zelle nacheinander ab, ob sie Daten versenden wollen. PCF ist deshalb optimal für die Abwicklung von zeitkritischem Datenverkehr geeignet. DCF und PCF lassen sich auch parallel zueinander einsetzen. PCF hat allerdings eine höhere Priorität.
Die Sicherheitsfunktionen, die bereits auf dem MAC-Layer vorhanden sind, können in den oberen Protokoll-Schichten zu Problemen führen. Kommt es bereits auf dem MAC-Layer zu Datenverlusten, verzögern sich die Datenpakete. Dies führt zu verlängerten Übertragungszeiten, die z.b. TCP/IP mit bestimmten Mechanismen zur Bestätigung von Datenpaketen durch den Empfänger erhöht. Dies führt zu erhöhtem Datenaufkommen durch die vermehrten Bestätigungsmeldungen.
Diese Schwierigkeiten sind häufig dafür verantwortlich, daß die Performance von drahtlosen Netzen unter der von drahtgebundenen Netzwerken liegt.

Datensicherheit

Um die Anforderungen an die Datensicherheit zu erfüllen sind im Wireless LAN Standard bereits Mechanismen dafür integriert.
Damit die Funkverbindung weder gestört noch abgehört werden kann, wird mit dem Bandspreizverfahren das Signal über ein möglichst breites Frequenzspektrum aufgeteilt.
Um den Datenverkehr innerhalb der Funkzelle zu sichern, werden die Daten zwischen den Stationen mit WEP(Wired Equivalency Privacy) verschlüsselt. Die Nutzdaten werden mittels des RC4-Algorithmus mit den Key-Längen 40 oder 128 Bit verschlüsselt.
WEP wurde bereits als nicht besonders sicher eingestuft. Unter Umständen sind weitere Sicherungsmaßnahmen, wie z.B. VPN, notwendig.

Installations-Tipps

 

 

Wireless LAN vs. Bluetooth

Während der Entwicklung des WLAN-Standards 802.11 und Bluetooth haben sich schnell Gemeinsamkeiten eingestellt. Beide Funknetzstandards sollten die unterschiedlichsten Geräte miteinander verbinden und die Kabelverbindungen auflösen. Beide Standards zeichnen sich durch unterschiedliche Stärken aus, und kommen dadurch in verschiedenen Geräten auf den Markt.
Wireless LAN übertrifft Bluetooth in seiner Reichweite und kommt deshalb in der PC-LAN-Kommunikation zum Einsatz.
Bluetooth wird sich mit geringen Hardwarekosten, niedrigem Stromverbrauch und Echtzeitfähigkeit in den Bereichen Sprachübertragung, Audio-Video-Lösungen und der drahtlosen Übertragung zwischen Kleinstgeräten durchsetzen.

Wireless LAN in der Praxis

Hauptproblem bei Funknetzwerken ist die Abhängigkeit des Datendurchsatzes von der Reichweite. Die angegebenen Brutto-Übertragungsraten von 11, 22 und 54 MBit in der Sekunde reduzieren sich in der Praxis auf wenige MBit. So bleibt unter guten Bedingungen von 54 MBit/s noch 17 MBit/s übrig. Bei 11 MBit/s sind es noch 4 bis 5 MBit/s Datendurchsatz.
Je weiter man sich vom Access Point entfernt, desto geringer wird auch der Datendurchsatz. Ab einem bestimmten Punkt wird die Verbindung quälend langsam oder bricht ganz ab.

Weitere Funknetzwerke

Der IEEE-802.11-Standard hat sich bereits bei den Herstellern und Anwendern durchgesetzt. Er ist jedoch nicht der einzige Standard für Funknetzwerke. Andere Standardisierungsorganisationen und Firmen haben auch andere Lösungen parat.

 
Bluetooth Bluetooth ist eine Art Kabelersatz auf kurze Distanzen. Für Ad-hoc-Vernetzungen zwischen Laptops, Handys und PDAs ist er hervorragend geeignet. Er wird vorraussichtlich die Infrarotverbindungen ablösen.
HiperLAN Unter HiperLAN(High Performance Radio LAN) versteht man den Europäischen Standard(ETSI) im 5-GHz-Band. Type 1 spezifiziert ein drahtloses Ethernet mit 24 MBit/s.
Wireless ATM Wireless ATM ist eine Variante des HiperLAN mit 20 MBit/s im 5-GHz-Band.
HiperACCESS HiperAccess ist eine Variante des HiperLAN. Die Technik ist Wireless Local Loop mit 20 MBit/s im 5-GHz-Band.
HiperLINK HiperLINK ist eine Variante des HiperLAN. Die Technik ist eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit 155 MBit/s im 17-GHz-Band.
HomeRF Home Radio Frequency ist eine abgespeckte und damit kostengünstige IEEE-802.11-Alternative für Heimanwender. Mit dem Shared Wireless Access Protocol(SWAP) gibt es die Möglichkeit zur Sprachübertragung.
Die HomeRF Working Group ist ein Industriekonsortium das sich, aufgrund geringer Nachfrage nach dieser Technik, aufgelöst hat.
OpenAir Drahtloser Netz-Standard vor IEEE-802.11 von der Firma Proxim.

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