WLAN-Technik nach IEEE 802.11
- FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
- WLAN-Frame nach IEEE 802.11
- Übertragungsmedium - die Funkschnittstelle
- Zugriff auf die Funkschnittstelle
- PCF und DCF gegen Hidden-Terminals
- Strom-Spar-Funktionen / Power-Saving
- IEEE 802.11d - World Mode - Global Harmonization
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
FHSS ist Teil des Ursprungsstandards von IEEE 802.11. Es beschreibt, wie das Frequenzspektrum aufgeteilt wird. Sender und Empfänger nutzen für die Übertragung die 79 Kanäle im 2,4 GHz-Band und teilen die Datenpakete in kleine Häppchen auf. Durch die Vergabe einer bestimmten Hopping-Sequence werden die Kanäle nach einem Zufallsmuster gewechselt. Die vorgegebene Mindestsprungdistanz beträgt 6 Kanäle, also 6 MHz. Insgesamt lässt sich dieser Frequenzbereich mit 26 Teilnehmern betreiben, ohne dass sie sich die Übertragungsrate teilen müssen.
Diese Technik ist sehr anfällig gegen Störungen, vor allem dann, wenn gestörte Frequenzen aus dem Sprungmuster ausgelassen werden. Sollte auf einem Kanal dann doch mal zwei Übertragungen miteinander kollidieren, werden diese Datenpakete einfach nochmal übertragen. Da die Kollisionen in einem Funknetz nicht erkannt werden können, kommt ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung zum Einsatz (CSMA/CA).
FHSS ist relativ kostengünstig und stromsparend, was bei kleinen mobilen Geräten ein großer Vorteil ist. Der enorme Verwaltungsaufwand bei den Frequenzsprüngen drückt jedoch auf die Nutzdatenrate, verkompliziert das Roaming zwischen mehreren Access Points und hat nur eine begrenzte Reichweite.
Frequency Hopping hat einen entscheidenden Nachteil. Es lässt sich damit nur maximal 2 MBit/s erreichen. WLAN nach IEEE 802.11b verwendet daher DSSS als Modulationsverfahren und überbrückt damit größere Distanzen mit einer schnelleren Datenübertragungsrate.
WLAN-Frame nach IEEE 802.11
IEEE 802.11 kennt drei verschiedene Frame-Typen. Darunter Control-, Management- und Daten-Frames. Normale WLAN-Adapter müssen nur einen Teil dieser Frames verstehen. Manches bleibt Access Points vorbehalten, die all Dienste beherrschen müssen.
| Präambel | 802.11-Header | IV | SNAP | Ethernet-Frame | Prüfsumme |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 µs | 24 bis 32 Byte | 4 oder 8 Byte | 8 Byte | maximal 2304 Byte | 4 Byte |
Im Prinzip wird ein Ethernet-Frame in ein WLAN-Frame eingebettet übertragen. Das Ethernet-Frame kann deutlich länger sein als bei Fast-Ethernet. Während ein normales Ethernet-Frame maximal 1518 Byte haben darf, darf das Ethernet-Frame über WLAN 2304 Byte betragen. Bei längeren Frames lassen sich die Anzahl der Header reduzieren und so die Übertragungsrate erhöhen.
Damit die Frames über WLAN übertragen werden können, werden bis zu 64 Byte an Header und Prüfsummen hinzugefügt und 20 µs vorangestellt. Die Präambel benötigt 20 µs und dient zum Synchronisieren des Empfängers. Es folgt der 802.11-Header mit bis zu 32 Byte. Der Sequenzzähler (IV) wird bei verschlüsselten Paketen benötigt und beträgt 4 oder 8 Byte. Der LLC-SNAP-Header wird benötigt, um Ethernet-Pakete über Nicht-Ethernet-Medien zu transportieren. Er benötigt 8 Byte. Dann folgt der eigentliche Ethernet-Frame mit maximal 2304 Byte und die Prüfsumme mit 4 Byte.
Übertragungsmedium - die Funkschnittstelle
Das Übertragungsmedium für Funk ist mit dem früheren Koax-Ethernet vergleichbar. Alle Stationen teilen sich das Übertragungsmedium und es kann nur eine Station senden. Wer wann senden darf, wird über ein Zugriffsverfahren geregelt. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) ist ein Mehrfachzugriffsverfahren. Es sieht vor, dass jede Station vor dem Senden prüfen muss, ob das Medium frei ist. Erst dann ist die Übertragung erlaubt. Das schließt natürlich nicht aus, dass zwei Stationen das Medium als frei erkennen und gleichzeitig senden. Dann tritt eine Kollision auf. Die Daten auf dem Medium sind unbrauchbar. Beim Kabel-Ethernet können die Stationen mit CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) die Kollision schon während der Übertragung erkennen, den Vorgang abbrechen und nach einer zufälligen Wartezeit einen erneuten Versuch starten. Beim Funk reicht das nicht aus. Mit 802.11 wurde deshalb ein Bestätigungspaket (ACK) eingeführt. Das ACK-Paket wird genauso behandelt, wie ein normales Datenpaket. Es besteht aus dem 802.11-Header und dauert 24 µs. Das ACK-Paket wird nach einer kurzen Wartezeit (SIFS) zurückgeschickt. Bevor andere Datenpakete auf die Reise gehen.
Zwischen den Datenpaketen koordinieren unterschiedlich lange Wartezeiten den Zugriff auf das Funkmedium. Das DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space) kennzeichnet die Backoffzeit, in der eine Station das freie Funkmedium erkennen kann. Das SIFS (Short Interframe Space) kennzeichnet das ACK-Paket. Das ist das Bestätigungspaket des Empfängers für den Sender. Nach dem ACK-Paket folgt wieder ein DIFS.
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 (mit CSMA/CD) wird auf eine Kollisionserkennung (Collision Detection, CD) verzichtet. Der Grund: Kollisionen von Sendesignalen lassen sich in einem Funknetzwerken von Störungen nicht unterscheiden. Stattdessen wird eine Kollisionsvermeidung (Collision Avoidance, CA) eingesetzt.
Bevor eine WLAN-Station sendet stellt sie sicher, dass der Empfänger zum Empfang bereit und das Übertragungsmedium frei ist. Dieses Vorgehen wird als Listening before Talking (LBT) bezeichnet. Zu Deutsch: Hören vor dem Sprechen.
Bevor also eine Wireless-Station sendet hört sie in das Medium hinein, in diesem Fall die Funkschnittstelle, ob gerade eine andere Station sendet. Ist die Funkschnittstelle belegt, wartet die Station eine zufällige Zeit ab und hört erneut in das Medium hinein. Ist das Medium frei, kann die Station mit der Übertragung beginnen, andernfalls wird die Station erneut eine zufällige Zeit warten. Um das Risiko der mehrmaligen Funkschnittstellen-Belegung und Sende-Kollisionen zu vermeiden, muss jede Station die Funkschnittstelle explizit reservieren, bevor sie belegt werden darf. Dazu wird das RTS/CTS-Verfahren angewendet.
Für die Kollisionsvermeidung gibt es in der MAC-Schicht einen Virtual-Collision-Detection-(VCD-)Modus, der die Rahmen Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS) enthält. Bevor irgendwelche Daten gesendet werden erfolgt folgender Ablauf:
- Die WLAN-Station verlangt einen freien Kanal.
- Die WLAN-Station identifiziert einen freien Kanal.
- Die WLAN-Station sendet ein RTS auf diesen Kanal.
- Der Access Point (AP) sendet ein CTS.
- Die WLAN-Station sendet die Daten.
- Der Access Point (AP) sendet ein Acknoledgement (ACK) zur Empfangsbestätigung.
Der Sender A schickt nach dem Erkennen eines freien Kanals ein RTS-Signal an Empfänger 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.
Das Acknowledgement (ACK), die Empfangsbestätigung nach der Datenübertragung, ist ein weiterer Teil des CSMA/CA. Beim Eintreffen des Paketes sendet der Empfänger dem Sender eine Empfangsbestätigung. Bleibt diese beim Sender aus, schickt er das Paket noch einmal. Ohne ACK ist der Sender bevorrechtigt das Funkmedium nochmals zu nutzen. Kurzzeitige Störungen (Interferenzen) auf dem Funkmedium werden so umgangen, ohne das der Anwender etwas davon mitbekommt. Länger andauernde Störungen durch andere Funk-Anwendungen im selben Frequenzbereich lassen erst die Übertragungsrate sinken. Wenn die Störungen sich auch so nicht umgehen lassen, bricht das Funknetzwerk zusammen.
PCF und DCF gegen Hidden-Terminals
In einem WLAN kann es vorkommen, dass sich nicht alle WLAN-Stationen kennen. Dieses Problem nennt sich Hidden-Node oder Hidden-Terminal. Besonders problematisch ist der Fall, wenn sich mehrere Stationen außerhalb der Reichweite anderer Stationen befinden. Dabei kann es zum fälschlichen Erkennen eines freien Kanals kommen.
Die PCF (Point Coordination Function) in 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-Schicht vorhanden sind, können in den oberen Protokoll-Schichten zu Problemen führen. Kommt es bereits auf dem MAC-Schicht 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 deutlich unter der von drahtgebundenen Netzwerken liegt.
Strom-Spar-Funktionen / Power-Saving
Strom-Spar- und Power-Management-Funktionen verlängern die Laufzeit von Akku-betriebenen mobilen Endgeräten, wie z. B. Notebooks und PDAs. Damit erhöht sich die Reichweite des WLANs für den Benutzer, bevor er durch einen leeren Akku zum Stromanschluss zurückgezwungen wird.
Die Traffic-Indicator-MAP (TIM) ist eine Liste, die der Access Point erstellt und dort alle Wireless-Stationen speichert. Um diese Liste aktuell zu halten, schickt der Access Point regelmäßig TIM-Signale (Beacons), die die Wireless-Stationen aufwecken.
Die Delivery-Traffic-Indicator-MAP (DTIM) ist auch eine Liste, die vom Access Point gepflegt wird. Der DTIM-Beacon ist ein Broadcast-Signal, das mit einem größeren zeitlichen Abstand gesendet wird, als der TIM-Beacon. Im Regelfall werden WLAN-Netzwerkkarten nur mit dem DTIM-Beacon aufgeweckt um die Laufzeit mobiler Geräte noch weiter zu erhöhen.
Für den TIM- bzw. DTIM-Beacon gibt es häufig Einstellungen im Access Point, wie häufig er gesendet werden soll.
IEEE 802.11d - World Mode - Global Harmonization
Der Standard IEEE 802.11d fällt unter dem Betriff "Global Harmonization" und wird auch als "World Mode" bezeichnet. Er regelt die technischen Unterschiede in unterschiedlichen Ländern und Regionen. Hierzu gehört auch die Definition der Anzahl und Auswahl der Kanäle, die in einem Land für die Nutzung von WLAN freigegeben sind.
Ebenso ist die Auswahl der Basistechnologie, also ob IEEE 802.11 a, h, b oder g verwendet werden darf, geregelt. Für den WLAN-Nutzer ist es dank IEEE 802.11d unerheblich, welcher Standard verwendet wird. Er muss lediglich seinen aktuellen Standort angeben. Der WLAN-Client arbeitet dann mit den jeweils zugelassenen Standards.
WLAN-Technik
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