IEEE 802.11 / WLAN-Grundlagen

IEEE 802.11 ist eine Gruppe von Standards für ein Funknetzwerk auf Basis von Ethernet. Wireless LAN (WLAN) auf Basis von IEEE 802.11 fand schnell Akzeptanz bei Herstellern und Konsumenten. Anfangs wurden PCs und Notebooks noch mit Erweiterungskarten ausgestattet. Doch schnell wurden Single-Chips für Notebooks und Smartphones entwickelt. Und so ist heute in jedem mobilen Gerät eine WLAN-Funktion integriert. Damit ist IEEE 802.11 das am weitesten verbreitete drahtlose Netzwerk bzw. Technik für ein Wireless Local Area Network (WLAN).

Seit 1997 gibt es mit IEEE 802.11 erstmals eine verbindliche Luftschnittstelle für lokale Funknetzwerke. Davor war der breite Einsatz lokaler Funknetzwerke wegen der fehlenden Standardisierung und der geringen Datenübertragungsrate undenkbar. Der Standard baut auf den anderen Standards von IEEE 802 auf. IEEE 802.11 ist, vereinfacht ausgedrückt, eine Art schnurloses Ethernet. IEEE 802.11 definiert die Bitübertragungsschicht des OSI-Schichtenmodells für ein Wireless LAN. Dieses Wireless LAN ist, wie jedes andere IEEE-802-Netzwerk auch, vollkommen Protokoll-transparent. Drahtlose Netzwerkkarten lassen sich deshalb ohne Probleme in jedes vorhandene Ethernet einbinden. So ist es mit Einschränkungen (Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit) möglich, eine schnurgebundene Ethernet-Verbindung nach IEEE 802.3 durch eine WLAN-Verbindung nach IEEE 802.11 zu ersetzen.

IEEE 802.11 ist der ursprüngliche Standard, der Übertragungsraten von 1 oder 2 MBit/s ermöglicht. Darauf aufbauend wurde der Standard laufend erweitert und verbessert. Hauptsächlich um den Datendurchsatz, Effizienz, Reichweite und die Datensicherheit zu erhöhen und die Zusammenarbeit zwischen den Geräten unterschiedlicher Hersteller zu verbessern.

WLAN (Wireless LAN) oder IEEE 802.11

Gelegentlich wird die Bezeichnung "Wireless LAN" und der Standard "IEEE 802.11" durcheinander geworfen. Der Unterschied ist dabei ganz einfach. "Wireless LAN" ist die allgemeine Bezeichnung für ein schnurloses lokales Netzwerk (Wireless Local Area Network). "IEEE 802.11" dagegen ist ein Standard für eine technische Lösung, die den Aufbau eines Wireless LAN ermöglicht. Es ist also durchaus denkbar, dass es noch andere Standards gibt, mit denen ein Wireless LAN aufgebaut werden kann.
Allerdings hat es sich im allgemeinen Sprachgebrauch durchgesetzt, ein lokales Funknetzwerk, dass auf dem Standard "IEEE 802.11" basiert als Wireless LAN bzw. WLAN zu bezeichnen.

Übersicht: WLAN-Techniken

Übersicht: Übertragungsgeschwindigkeit

Standard Frequenzen Streams Datenrate (brutto) Datenrate (typisch) Datenrate (Praxis)
IEEE 802.11 2,4 GHz 1 2 MBit/s 2 MBit/s 0,5 - 1 MBit/s
IEEE 802.11b 2,4 GHz 1 11 MBit/s 11 MBit/s 1 - 5 MBit/s
IEEE 802.11a/h/j 5 GHz 1 54 MBit/s 54 MBit/s bis 32 MBit/s
IEEE 802.11g 2,4 GHz 1 54 MBit/s 54 MBit/s 2 - 16 MBit/s
IEEE 802.11n 2,4 1
2
3
4
150 MBit/s
300 MBit/s
450 MBit/s
600 MBit/s
72 MBit/s
144 MBit/s
216 MBit/s
288 MBit/s
bis 50 MBit/s
bis 100 MBit/s
bis 150 MBit/s
bis 200 MBit/s
5 GHz 1
2
3
4
150 MBit/s
300 MBit/s
450 MBit/s
600 MBit/s
   
IEEE 802.11ac 5 GHz 1
2
3
4
5...8
433 MBit/s
867 MBit/s
1.300 MBit/s
1.733 MBit/s
bis 6.936 MBit/s
bis 400 MBit/s
bis 800 MBit/s
bis 1.200 MBit/s
bis 1.600 MBit/s
 
IEEE 802.11ad 60 GHz 1 4.620 MBit/s
6.757 MBit/s
4.620 MBit/s
6.757 MBit/s
2.500 MBit/s

Erläuterung zu den Datenraten von WLAN

Schaut man sich die Angaben der Hersteller und Händler zur Bruttodatenrate ihrer Produkte an und vergleicht die Werte, die man damit in der Praxis erreicht, riecht das fast schon nach einem Reklamationsgrund. Tatsache ist, dass die Bruttodatenraten, wie sie auf den Produktverpackungen und vom Standard angegeben sind, in der Praxis nie erreicht werden können.

Dazu muss man wissen, dass alle WLAN-Standards des IEEE mit ihrer theoretisch maximalen Übertragungsgeschwindigkeit spezifiziert werden. In der Praxis sind die angegebenen Übertragungsraten aber viel geringer, als angegeben. So erreichen WLANs nach IEEE 802.11g mit 54 MBit/s in der Praxis selten mehr als 16 MBit/s. Ein WLAN nach IEEE 802.11n mit 150, 300, 450 und 600 MBit/s erreicht selten mehr als die Hälfte davon. Der Standard IEEE 802.11ac verspricht brutto eine Datenrate von sagenhaften 7 GBit/s. Doch diese Werte sind davon abhängig, welche Funkkanalbreite, Übertragungsart und die Anzahl der Antennen verwendet wird. Doch auch das ist reine Theorie. Denn in der Praxis muss jede Funktechnik mit weiteren Einschränkungen kämpfen. So ist die Funkkanalbreite begrenzt, ebenso die Anzahl der Antennen. Das heißt, die typischen Datenraten liegen darunter und aufgrund spezifischer Funkbedingungen in der Praxis noch weiter darunter.
Doch auch das sind nur Richtwerte. Was in der Praxis dann wirklich möglich ist, ist von den lokalen Begebenheiten abhängig. Decken, Wände, Möbel und andere Funknetzwerke stören die Funkübertragung eines WLANs. Je nach Umgebungsbedingungen, Anzahl der teilnehmenden Stationen und deren Entfernung erreicht man auch nur einen Bruchteil der typischen Datenrate.

Die Differenz zwischen der Brutto-Übertragungsgeschwindigkeit und dem, was in der Praxis tatsächlich möglich ist, ist der Tatsache geschuldet, dass es sich bei Funk um einen geteilten Übertragungskanal handelt, den mehrere Teilnehmer gleichzeitig nutzen müssen und deshalb ein spezielles Verfahren den Zugriff darauf aushandelt. Das CSMA/CA genannte Verfahren regelt wann eine Station senden darf. Die anderen Stationen müssen während dieser Zeit warten. Anschließend fällt dann noch eine Pause an. Die Funkschnittstelle ist deshalb nie zu 100% belegt. Für jeden einzelnen Teilnehmer bedeutet das, es bleibt nur ein Bruchteil der typischen Übertragungsgeschwindigkeit übrig.

WLAN-Standards von IEEE 802.11

Im September 1990 begann eine Arbeitsgruppe des IEEE an einem Standard für drahtlose Netzwerke mit 1 MBit/s im Frequenzbereich 2,4 GHz zu arbeiten. Dabei entstand ein Protokoll und Übertragungsverfahren für drahtlose Netzwerke. Der Standard IEEE 802.11 fand schnell Akzeptanz und fand eine rasche Verbreitung.
Innerhalb weniger Jahre entstanden Erweiterungen der Funktechnik, die vor allem, aber nicht nur, die Übertragungsrate auf der Funkschnittstelle steigerten.

WiFi - Wireless Fidelity / WFA - Wi-Fi Alliance

WiFI-Logo

Im Zusammenhang mit IEEE 802.11 und Wireless LAN fällt sehr häufig der Begriff "WiFi", der für "Wireless Fidelity" steht und von der Wi-Fi Alliance (WFA) kommuniziert wird. Die Wi-Fi Alliance (WFA) ist ein Herstellerverband, der WLAN-Geräte freiwillig auf Konformität mit den IEEE-Standards und auf Interoperabilität prüft. Die Geräte haben dann so eine Art TÜV durchlaufen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Geräte zwischen verschiedenen Herstellern zusammenarbeiten. Die geprüften Geräte sind dann mit dem WiFi-Logo als IEEE-802.11-kompatibel gekennzeichnet.

WLAN-Übertragungstechnik

Die Übertragungstechnik von IEEE 802.11 sieht den unkoordinierten, ungeplanten und spontanen Betrieb eines WLANs vor. In der Praxis sieht das so aus, dass jeder eine WLAN-Basisstation in Betrieb nehmen kann, ohne genaue technische Kenntnisse über deren Funktionsweise zu haben. Das bedeutet, dass die so betriebenen Funksysteme Techniken und Maßnahmen zur Koexistenz beherrschen müssen. Üblicherweise wird CSMA/CA dafür verwendet.

WLAN-Frequenzen und -Kanäle

WLAN-Frequenzbereich

Für WLAN stehen mehrere Frequenzbereiche zur Verfügung. Der meistgenutzte Bereich liegt bei 2,4 GHz, der zweite bei 5 GHz und der dritte bei 60 GHz. Dabei ist die Nutzung der Frequenzbereiche für WLAN nach IEEE 802.11 weltweit sehr unterschiedlich geregelt.

WLAN-Sicherheit und Verschlüsselung

Funksignale bewegen sich im freien Raum. Das bedeutet, jeder kann die gesendeten Daten abhören oder stören. Um zumindest das Abhören zu verhindern, werden WLANs mit Authentifizierung und Verschlüsselung betrieben.
Ein weiterer Knackpunkt ist die Nutzung des WLANs und die Nutzung des damit bereitgestellten Internet-Anschluss durch fremde Personen. Der Betreiber eines ungesicherten WLANs kann rechtlich in die Verantwortung und damit Haftung genommen werden, wenn ihm unbekannte Personen seinen Internet-Zugang für Rechtsverletzungen missbrauchen. Dazu haben bereits die Landgerichte Hamburg (2006) und Düsseldorf (2008) geurteilt. Es gibt zwar auch gegenteiligen Urteile. Doch es empfiehlt sich, gerichtliche Auseinandersetzungen im Voraus zu vermeiden. Deshalb sollte die Verschlüsselung immer aktiviert sein. Vorzugsweise WPA2. Die älteren Verschlüsselungsverfahren WPA und WEP sollte man nicht mehr verwenden. WLAN-Geräte, die WPA2 nicht beherrschen, sollte man dringend austauschen.

WLAN-Authentifizierung

Nicht jeder soll ein WLAN nutzen dürfen. Zwar kann der Zugriff auf ein WLAN durch ein Passwort eingeschränkt werden. Doch ist das Passwort erst einmal bekannt, dann ist damit nicht nur der Zugriff, sondern auch die Verschlüsselung ungesichert.
Zusätzlich zur Verschlüsselung kann bei größeren WLANs mit vielen Nutzern eine zusätzliche Authentifizierung mit dem Protokoll IEEE 802.1x integriert werden, bei der jeder Nutzer eigene Zugangsdaten benötigt (Benutzername und Passwort). An einer zentralen Stelle kann der Zugriff auf einfache Art und Weise freigegeben oder eingeschränkt werden.
Die Entsprechenden Einstellungen stehen häufig im begrifflichen Zusammenhang mit WPA2-Enterprise oder WPA2-RADIUS.

IEEE 802.11 vs. Bluetooth

Während der Entwicklung des WLAN-Standards IEEE 802.11 und Bluetooth haben sich schnell Gemeinsamkeiten herausgestellt. Beide Funkstandards arbeiten im Frequenzband 2,4 GHz und sollen unterschiedliche Geräte über Funk miteinander verbinden. Beide Standards zeichnen sich durch individuelle Stärken aus und kommen dadurch in verschiedenen Geräten auf den Markt.
Wireless LAN übertrifft Bluetooth in seiner Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit und kommt deshalb in lokalen Netzwerken zum Einsatz.
Bluetooth ist mit geringen Hardwarekosten, niedrigem Stromverbrauch und Echtzeitfähigkeit in den Bereichen Sprachübertragung, Audio-Video-Lösungen und Adhoc-Verbindungen zwischen Kleinstgeräten besser geeignet. Bluetooth löst hier Irda (Infrarot) erfolgreich ab. Und Bluetooth 3.0 macht sich WLAN-Techniken zunutze, um große Datenmengen zu übertragen.

Aufgaben und Übungen mit dem Raspberry Pi

WLAN-Technik

WLAN-Topologie

Übertragungstechnik

WLAN-Sicherheit

WLAN-Erweiterungen

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Netzwerktechnik-Fibel

Netzwerktechnik-Fibel

Das will ich haben!