Wireless-LAN (WLAN) - Grundlagen, Topologien, Normen

H.Müller

Elektronikschule Tettnang

Regional & Local

Cisco Networking Academy

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Definition und grundlegende Konzepte

Definition Wireless LAN (WLAN)

Definition Wireless LAN (WLAN)

Datenübertragung zwischen den Wireless Stationen (Rechner, AP, Bridge) erfolgt mit elektromagnischen Wellen (Funkwellen). 802.11b, hier: 802.11g 2,4GHz-Band, max.

20dBm bzw.100mW 802.11a 5GHz-Band (störungsarm), max. 1W

2,4 GHz-Band = ISM-Band (Industrial Scientific Medical) ist weltweit lizenz- und genehmigungsfrei.

Es wird in einer Funkzelle über den gleichen Frequenzkanal gesendet und empfangen Halb-duplex-Betrieb

ISM: 2,400 – 2,4835 GHz

Definition Wireless LAN (WLAN)

US 11 Frequenzkanäle im 2,4-GHz-Band (EU 13)Bandbreite eines Kanals = 22 MHz, Center-Abstand der benutzbaren Kanäle = 25 MHz (EU 30 MHz)

3 nicht-überlappende Frequenzbänder in USA 1, 6, 11 (EU 1, 7, 13)

Datensignal wird für die Übertragung gespreizt und moduliert.

USA

Definition Wireless LAN (WLAN)

Zuordnung der WLAN-Geräte (Access-Points, Bridges, Adapter, usw.) zur OSI-Schicht 1 und 2

AP und Bridge erhalten für die Geräteverwaltung eine IP-Konfiguration

Adressierung

SSID

BSSID = „MAC-RF-Interface-AP1“BSSID = „MAC-RF-Interface-AP2“

SSID = Service Set ID (Netzwerkname)

BSSID = Basic Service Set ID (Adressierung der Funkzelle) identifiziert den Funkkanal

Adressierung

SSID

MAC-RF-PC1MAC-RF-PC3

MAC-RF-AP1 MAC-RF-AP2

MAC-FA0-AP1 MAC-FA0-AP2

BSSID = „MAC-RF-Interface-AP1“BSSID = „MAC-RF-Interface-AP2“

MAC-RF-PC2 MAC-RF-PC4

MAC-RF-PC5

SSID = Service Set ID (Netzwerkname)

BSSID = Basic Service Set ID (Adressierung der Funkzelle) identifiziert den Funkkanal

WLAN-Übertragungskanal

Bei drahtgebunden Netzen existiert permanent eine physikalische Verbindung zwischen den Stationen.

Bei kabellosen Netzen muss vor der eigentlichen Datenübertragung der Kommunikationspfad zwischen AP und Client „eingerichtet“ werden.1. Sondierung aktives oder passives Scanning

des Clients2. Authentifizierung des Clients (Beglaubigung)3. Assoziierung des Clients mit einer eindeutigen

Association-ID (Registrierung)

WLAN-Übertragungskanal

best

Vergleich von WLAN mit LAN

Topologien sind nicht wie bei drahtgebundenen Netzen statisch sondern dynamisch.

Die Stationen haben keine physikalische Verbindung (z.B. über Cu-Leitung), sondern kommunizieren über das Funkmedium.

Die Datenrate ist zeit-/ortsabhängig und insgesamt geringer als bei drahtgebundener Kommunikation z.B. 802.11g: B=54Mbps T= ca. 25 Mbps)

Vergleich von WLAN mit LAN

Der „Übertragungskanal“ ist physisch nicht begrenzt bzw. abgeschirmt und dadurch wesentlich störanfälliger als bei drahtgebundener Kommunikation ( Störungen)

Wegen der fehlenden Abschirmung des „Übertragungskanals“ können Hacker Daten abhören, manipulieren oder fremde „Daten“ einspeisen ( Sicherheitsrisiko)

Aufbau eines WLANs

Ein WLAN hat eine zellulare Struktur. Eine Wireless-Station (=STA) begründet eine

Zelle meistens 1 AP je Zelle AP = „Mischgerät“ aus Hub und Bridge Jede Zelle ist ein Bereich, der mit einer

Funkfreqenz „ausgeleuchtet“ ist. Es wird in einer Funkzelle über den gleichen

Frequenzkanal gesendet und empfangen Halb-duplex-Betrieb

Zellulare Struktur eines WLANs

AP1

Channel 1

AP 4

Channel 1 AP 6

Channel 11

AP 5

Channel 6AP 3

Channel 11

AP 2

Channel 6

Zellulare Struktur eines WLANs

Beispiel: USA 11 Kanäle 3 nicht-

überlappende Kanäle (1,6,11)

Benachbarte Funkzellen dürfen nicht mit dem gleichen Kanal arbeiten.

Topologien

Grundlegende Netzformen

Independent Basic Service Set (IBSS) oder Adhoc-Netzwerk

Basic Service Set (BSS) Extended Service Set (ESS)

Basic Service Set (BSS)

Ein BSS ist eine Funkzelle und damit die kleinste Einheit eines 802.11-WLANs.

Ein BSS arbeitet im Infrastruktur-Modus und benötigt einen Access-Point.

AP = „Hub“ + Bridge Dem WLAN wird ein

WLAN-Netzname = SSID (Service Set Identifier) zugewiesen.

Jedes BSS wird durch eine BSSID identifiziert.SSID=„galaxie

“

Adhoc-Netzwerk = Independent Basic Service Set (IBSS)

IBSS besteht nur aus Rechnern mit WLAN-Adapter (Wireless Stationen)

Kein Access-Point. Zelle wird mit einer Funk-

frequenz ausgeleuchtet ( Funkzelle).

WLAN-Adapter muss im Adhoc-Modus betrieben werden.

Adhoc-Netzwerk = Independent Basic Service Set (IBSS)

Dem WLAN wird eine SSID zugeordnet.

Die Funkzelle wird über die BSSID (hier: Zufallszahl) identifiziert.

Zellengröße im Gebäude = ca. 30-50m

Extended Service Set (ESS)

Über ein Verteilungssystem (Distribution System=DS) werden mehrere BSSs verbunden.

Alternativen: Drahtgebundenes Verteilungssystem (z.B. Ethernet) Wireless Distribution System (WDS)

Extended Service Set (ESS)

Access Point bietet Zugang zum DS. AP arbeitet als Wireless-Station und als Bridge.

SSID als WLAN-Netzname verwenden. Jede Funkzelle wird durch die BSSID identifiziert.

Drahtloser Internetzugang

„Wireless Router“ = AP + Router + (Switch) + DSL-Modem

Weitere Dienste: DHCP, NAT

Wireless-Router

Koppelung von Netzsegmenten

Wireless-Workgroup-Bridge

Kabellose Standortverbindung

BridgeBridge

AP AP

Roaming

Roaming = Bewegung einer Wireless-Station (STA) im Infrastruktur-Netzwerk.

Roaming

Funkzelle kann ohne Verbindungsabbruch gewechselt werden. AP senden Beacon-

Frames. STA scannen ständig alle Kanäle nach Beacon-Frames ab.

Anhand der Signalstärke entscheidet sich die STA für eine „neue“ Funkzelle/AP_B

AP_B informiert AP_A bzgl. der Reassoziierung (IAPP).

L3-Roaming

„Mobile IP“ – Verfahren sorgt dafür, dass sich eine STA mit einer „fremden“ IP in dem neuen BSS/Subnetz „aufhalten“ darf.

Mobile-IP bei L3-Roaming

HA/FA-Dienst auf Router (spez. Firmware) richtet einen Tunnel (IPIP-Encapsulation) zwischen den beiden AP ein.

Laptop 1.1.1.39 wird im „fremden Subnetz“ von AP 2.2.2.157 „bedient“.

Home-Agent = Router mit Schnittstelle im Heimatnetz des Laptops

Forwarding Agent = Router mit Schnittstelle im „fremden Netz“ des Laptops

Einordnung der Funknetze

WPAN (Wireless Personal Area Network) Distanz < 10m Bluetooth, IR

WLAN (Wireless LAN) WWAN (Wireless Wide Area Network)

GPRS (General Packet Radio Service) • max. 170 kbps

UMTS (Univeral Mobile Telecomm. System) • max. 2 Mbps

Normen

Standards und Organisationen für WLANs

IEEE (Institute of Electrical and Electronical Engineers“) Vereinigung von Ingenieuren mit Sitz in den USA

(380000 Personen aus 150 Ländern) Ziel: Ausarbeitung, Verabschiedung und

Veröffentlichung von Standards im Netzbereich Wireless-LAN 802.11

Standards und Organisationen für WLANs

WiFi (Wireless Fidelity) Von führenden WLAN-Herstellern 1999

gegründet. Ziel: Prüfung und Bescheinigung der

Kompatibilität von 802.11-WLAN-Produkten unterschiedlicher Hersteller.

ISO (International Organization for Standardization) Ziel: Ausarbeitung, Verabschiedung und

Veröffentlichung von Standards im Netzbereich (z.B. OSI-Modell)

WLAN-Komponenten im OSI-Modell

WLAN-Geräte (APs, Netzadapter, Brigdes) werden der Schicht 1 und 2 zugeordnet.

Antennen sind Layer1-Komponenten

IEEE 802 - Netzwerkstandards

IEEE-Netzwerkprojekt wurde im Februar 1980 gegründet 802-Standards sind auf den unteren beiden OSI-Schichten angesiedelt.

Data-Link-Layer hat 2 Teilschichten: a) MAC b) LLC 802.x - Protokolle

LLC ist für alle IEEE-Technologien gleich definiert Datenaustausch zwischen LLC-Geräten MAC-Service Data Units (MSDU)

MAC-Teilschicht Medienzugriff Physical Layer

WLAN-Standard 802.11

OSI-Layers

802.11-Standards

Jahr Standard Beschreibung

1997 Grundstandard PHY-Layer (FHSS, DSSS, IR)1 und 2 Mbps im 2,4 GHz-Band

1999 802.11b DSSS als PHY ( HR/DSSS)1,2, 5.5 und 11 Mbps im 2,4 GHz-Band

1999

US

802.11a OFDM als PHY. 6, 9, 12, 18, 24, 36 und

54 Mbps im 5 GHz-Band

(seit 2002 in D zugelassen)

2003 802.11a/h Standarderweiterung für Nutzung von 802.11a-Technologien in Deutschland -automatische Leistungsregelung (TCP=Transmit Control Power)-dynamisches Frequenzauswahlverfahren (DFS=Dyn.Freq.Selec.)

2003 802.11g OFDM als PHY. 6, 9, 12, 18, 24, 36 und 54 Mbps im 2,4 GHz-Band bei 20 dbm

802.11-Standards

Jahr Arbeitsgruppe Beschreibung

? 802.11e Erweiterung auf MAC-Ebene: Quality of Services (QoS) Sprachübertragung

? 802.11f Definition des Inter Access Point Protocol (IAPP)

? 802.11i Verbesserte Datensicherheit, Shared-Key- Authentifizierung

? 802.11n Neuer MAC- und PHY-Layer

künftig höhere Datenraten zwischen 108 und 320 Mbps

? 802.1x Verbesserte Authentifizierungsverfahren (personenbezogene A. mit RADIUS, usw.) und sichere Datenverschlüsselung (AES)

Übersicht 802.11-Technologien

FHSS=Frequency Hopping Spread SpectrumDSSS=Direct Sequence Spread SpectrumCCK=Complementary Code KeyingOFDM=Orthogonal Freqency Division MultiplexingIR=Infrarot (850-950 nm)

CSMA/CA

IEEE 802.2 LLC (Logical Link Control)

Protokoll definiert den Datenaustausch zwischen Hosts über ein LAN, das 802-basierte MAC-Protokolle benutzt.

Verbindung verschiedener Netzwerk-technologien, d.h. unterschiedliche(r) Topologien, Medien, Zugriffsverfahren

Bietet 3 verschiedene Dienste für das „ULP“ „unacknowledged connectionless“

ptp,mc,bc „acknowledged connection-orientet“ ptp „acknowledged connectionless“ ptp

802.11 MAC Layer

MAC Services bei 802.11

Asynchroner Datendienst „connectionless“ „best effort“ uc,mc,bc

Sicherheitsdienste Authentifizierung der Wireless Stationen WEP (Wired Equivalent Privacy)

Verschlüsselung des MSDU (MAC Service Data Units)

Erneute Übertragung von MSDU Nur bei Unicast-Verfahren!

802.11-MAC-Layer: Adressierung

Daten werden in Frames bzw. in Fragmente aufgeteilt.

Adressierung der Datenframes/Fragmente mit MAC-Adressen der Sende- und Empfangsstationen.

Über die BSSID (=Adresse bzw. ID des BSS) werden die Daten einer Funkzelle zugeordnet

• Infrastruktur: BSSID = MAC des RF-Interfaces des Access-Points

• Adhoc: BSSID wird als Zufallszahl (6 Bytes) gebildet Service Set Identifier (SSID) kennzeichnet das

gesamte WLAN/ESS (=Netzwerkname)• SSID zwischen 0 und 32 Zeichen• SSID=any beliebiges WLAN (Broadcast-SSID)• Segmentierung eines WLAN mit verschiedenen SSIDs

MAC – Framestruktur (MPDU)

3 Typen: Data-Frames, Control-Frames (RTS, CTS,usw.) Management-Frames (Probe Request/Response, usw.)

Data-Frame (vgl. Bild): Address 1 – 4 enthält jeweils 6 Bytes große MAC-AdresseTDS/FDS: Add1, Add2, Add3, Add4 00: Empfänger, Sender, BSSID, leer (IBSS) 01: Empfänger, R-BSSID, Sender, leer (DS AP STA)

10: T-BSSID, Sender, Empfänger, leer (STA AP DS) 11: RecAP, TransAP, Empfänger, Sender (Richtfunk)

Protocol

Version

Type Sub-Type

To

DS

From

DS

More

Frag

Retry Power

Manag.

More

Data

WEP Order

Frame

Control

Duration

ID

Address1 Address2 Address3 Sequence

Control

Address4 Frame

Body

FCS

Distributionsystem

<

01: FDS

11:TDS/FDS

10:ToDS

Framestruktur mit WEP

Erweiterung des Frames Feld IV IV (Initialisation Vector) + Key-ID (max.4) ICV (Integrity Check Value) CRC 32-Bit Prüfsumme

Datenverschlüsselung mit IV und geheimen Schlüssel

802.11-MAC-Layer: Bestätigungsverfahren

MAC-Standard: asynchroner Dienst „best effort delivery“

Datenübertragung über Funk ist störanfällig. Abhilfen auf Layer 2:

Durch eine Fragmentierung der Datenframes kann die Wahrscheinlichkeit der Störung und der damit verbundenen „Retransmission“ eines Paketes gesenkt werden.

Bestätigungsverfahren (Acknowledgement) und wiederholte Übertragung nach Datenverlust (Retransmission).

Kollisionen (und Störungen) können nicht ausgeschlossen werden ACK-Frames als Empfangsbestätigung.

ACK nur bei Unicast-Frames.

Wenn ACK-Frame fehlt, erfolgt nach Wartezeit (Backoff) eine erneute Übertragung des Frames (Retransmission)

802.11-MAC-Layer: Bestätigungsverfahren

Zugriffsverfahren (Media Access Control) für 802.11-Funknetze

2 Methoden: DCF, PCF Distribution Coordination Function (DCF)

dezentralistisches PrinzipIn einem definierten Zeitintervall

(Contention Period) darf um den Kanal „gestritten werden“.

Infrastruktur- oder Adhoc-Netzwerkhier: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple

Access / Collision Avoidance)

Zugriffsverfahren (Media Access Control) für 802.11-Funknetze

Point Coordination Function (PCF)Zentralistisches Prinzip: In einem

definierten Zeitintervall (Contention Free Period) wird das Medium zentral gesteuert.

„Point Coordinator“ (=Access Point) übernimmt die Kontrolle des Medienzugriffs. AP erteilt den Clients über CF-Poll-Frames den Medienzugriff.

Keine Kollisionen Anwendung für zeitkritische Anwendungen

Infrastruktur-Netzwerk

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance ( DCF-Verfahren)

Keine Kollisionserkennung (CD)Kollisionserkennung nicht möglich, weil

STA nicht gleichzeitig senden und empfangen kann.

Kollisionen wären nicht von Störungen zu unterscheiden.

Kollisionen/Störungen werden anhand des fehlenden ACK-Frames bemerkt.

CSMA/CA

Ziel: Kollisionen möglichst vermeiden. Carrier-Sense-Funktionen

Physikalische CS-Funktion (vgl. Ethernet) Belegtes Medium wird dem MAC gemeldet.

Virtuelle Carrier-Sense-Funktion des MAC zur Kollisionsvermeidung

CSMA/CA - NAV

Virtuelle Carrier-Sense-FunktionNur physikalische CS-Funktion:

WLAN-Stationen könnten während auftretenden Sendepausen auf den Kanal zugreifen (ohne ACK-Verfahren).

NAV-Verfahren stellt sicher, dass laufende Operationen nicht durch andere STA unterbrochen werden.

Abhilfe: Hidden-Station-Problem

CSMA/CA - NAV

Virtuelle Carrier-Sense-Funktion Über den Network Allocation Vector (NAV) erfolgt

die Medienreservierung. Der verbreitete NAV-Wert einer sendeberechtigten

STA steht im Frame-Header. NAV-Wert = voraussichtliche Dauer der DÜ Timer der mithörenden STAs wird mit NAV-Wert

initialisiert und gestartet. Wenn NAV-Timer abgelaufen ist und die

physikalische CS-Funktion ein unbelegtes Medium meldet, dann startet eine sendewillige STA einen Medienzugriff.

„Hidden Station“

AP

PC3 Außerhalb derReichweite von PC1

PC1

PC2

RTS/NAV

CTS/NAV

CSMA/CA – Interframe Spaces

Reservierte Zeitintervalle nach einer Frame-Übertragung Short Interframe Space (SIFS) ACK-, CTS-, RTS-Frames Point Interframe Space (PIFS) Stationen im PCF-Modus Distributed Interframe Space (DIFS) Stationen im DCF-Modus „Backoff“ Backoff-Time=Random (CW) * Slottime. CW steigt mit

jedem erfolglosen Versuch. (31-63, 63-127, usw.)

CSMA/CA - Beispiel

1. Sendewillige STA Physikalischer CS

2. Wenn Kanal frei, dann warte DIFS-Zeit

3. Anschließend warte die zufallsgesteuerte Backoff-Zeit + höre den Kanal weiterhin ab (CS)

4. Wenn Kanal frei, dann sende Daten. Über den NAV-Wert wird der Kanal für andere STA belegt.

5. Ausnahme: Gleiche Backoff-Zeit von 2 sendewilligen STA - Beide STA senden ihren Datenframe Kollision

- Frame kommt beim Empfänger nicht an ACK fehlt

- Retransmission

Medium belegt DIFS Backoff Datenframe

SIFS ACK

Medium belegt DIFS Backoff NAV DIFS Backoff

Sender

Empfänger

Andere

Zusammenfassung

WLAN arbeitet auf OSI-Layer 1 und 2 Topologien (IBSS, BSS, ESS) Adressierung (SSID, BSSID, MAC) Aufbau der Kommunikationsstrecke

(Sondierung, Authentifizierung, Assoziierung)

Normen (802.11a,b,g) CSMA/CA als Zugriffsverfahren