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 fast jedem mobilen oder computerähnlichen Gerät eine WLAN-Funktion integriert. Damit ist der Standard 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.

Der ursprüngliche Standard IEEE 802.11 wurde 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 Techniken 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. International ist eher der Begriff "Wi-Fi" für Wireless Fidelity gängig.

WLAN-Generationen

Die Fähigkeit von WLANs mit unterschiedlichen Standards, Bezeichnungen und eventuelle Inkompatibilitäten ist für Normalnutzer unverständlich und kaum auseinanderzuhalten. Einfachere Bezeichnungen sollen helfen. Statt der kryptischen IEEE-Projektgruppennamen haben die WLAN-Standards zusätzlich eine fortlaufende Nummer. Offiziell beginnt die Bezeichnung mit „Wi-Fi 4“ für den Standard IEEE 802.11n.

  • WLAN 1 / Wi-Fi 1: IEEE 802.11 (1999)
  • WLAN 2 / Wi-Fi 2: IEEE 802.11b (1999)
  • WLAN 3 / Wi-Fi 3: IEEE 802.11g (2003)
  • WLAN 4 / Wi-Fi 4: IEEE 802.11n (2009)
  • WLAN 5 / Wi-Fi 5: IEEE 802.11ac (2014)
  • WLAN 6 / Wi-Fi 6: IEEE 802.11ax (2021)
  • WLAN 6E / Wi-Fi 6E: IEEE 802.11ax im 6-GHz-Frequenzbereich
  • WLAN 7 / Wi-Fi 7: IEEE 802.11be (?)

Leider ist diese Angabe völlig unzureichend. Denn der Standard allein ist nicht der einzige Parameter, der Einfluss auf die Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der WLAN-Technik hat. So ist die Anzahl der unterstützten MIMO-Datenströme und die Anzahl der benutzten Antennen genauso wichtig. Damit kann man langsame und schnelle Geräte viel besser voneinander unterscheiden. Doch genau diese Angabe wird auf allen Verpackungen unterschlagen. Ohne Datenblatt und die richtige Interpretation der darin enthaltenden Angaben ist die Beurteilung der möglichen Geschwindigkeit von WLAN-Geräten nicht möglich.
Außerdem hängt die Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit von der Kanalbreite ab, die im Access Point konfiguriert ist.

Übersicht: Aktuelle WLAN-Standards im Vergleich

WLAN-Generation Wi-Fi 4 Wi-Fi 5 Wi-Fi 6 / 6E
IEEE-Standard IEEE 802.11n IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax
Maximale Übertragungsrate * 600 MBit/s 6.936 MBit/s 9.608 MBit/s
Theoretische Übertragungsrate ** 300 MBit/s 867 MBit/s 1.200 MBit/s
Maximale Reichweite 100 m 50 m 50 m
Frequenzbereich 2,4 + 5 GHz nur für 5 GHz 2,4 + 5 GHz + 6 GHz
Maximale Sende/Empfangseinheiten 4 x 4 8 x 8 8 x 8
Antennentechnik MIMO (MU-MIMO) MU-MIMO
Maximale Kanalbreite 40 MHz 160 MHz 160 MHz
Modulationsverfahren 64QAM 256QAM 1024QAM

* Die angegebene maximal Übertragungsrate entspricht dem rechnerischen Maximum der theoretischen Übertragungsrate unter Einbeziehung aller Leistungsmerkmale, die im jeweiligen Standard vorgesehen sind. In der praktischen Implementierung gibt es allerdings Einschränkungen, wegen denen diese Übertragungsrate nicht realisierbar ist. Zum Vergleich der WLAN-Standards eignet sich deshalb eine theoretische Übertragungsrate besser, die näher an der WLAN-Ausstattung in der Praxis ist.

** Die angegebene theoretische Übertragungsrate entspricht der Übertragungsrate, die in der Regel mit kaufbaren Geräten möglich ist. Berücksichtigt sind dabei zwei Antennen und eine Kanalbreite von 80 MHz im Frequenzbereich von 5 GHz. Je nach Ausstattung kann der Wert dieser theoretischen Übertragungsrate auch darüber oder darunter liegen.

Übersicht: Übertragungsgeschwindigkeit

Standard
(IEEE)
Frequenz
Streams Datenrate bei Kanalbreite
20 MHz 40 MHz 80 MHz 160 MHz
802.11 2,4 GHz 1 2 MBit/s      
802.11b 2,4 GHz 1 11 MBit/s      
802.11a/h/j 5 GHz 1 54 MBit/s      
802.11g 2,4 GHz 1 54 MBit/s      
802.11n 2,4 GHz
5 GHz
1
2
3
4
75 MBit/s
150 MBit/s
225 MBit/s
300 MBit/s
150 MBit/s
300 MBit/s
450 MBit/s
600 MBit/s
   
802.11ac 5 GHz 1
2
3
4
5...8
    433 MBit/s
867 MBit/s
1.300 MBit/s
1.733 MBit/s
3.400 MBit/s
867 MBit/s
1.733 MBit/s
2.300 MBit/s
3.500 MBit/s
6.936 MBit/s
802.11ax 2,4 GHz
5 GHz
1
2
3
4
5...8
144 MBit/s
287 MBit/s
432 MBit/s
574 MBit/s
287 MBit/s
574 MBit/s
861 MBit/s
1.144 MBit/s
600 MBit/s
1.201 MBit/s
1.801 MBit/s
2.402 MBit/s
bis 4.804 MBit/s
1.201 MBit/s
2.402 MBit/s
3.603 MBit/s
4.804 MBit/s
bis 9.608 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. Die typischen Datenraten liegen aufgrund spezifischer Funkbedingungen in der Praxis noch weit 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 also 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 der WLAN-Funktechnik 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% belegbar. Für jeden einzelnen Teilnehmer bedeutet das, es bleibt nur ein Bruchteil der typischen Übertragungsgeschwindigkeit übrig.

WLAN-Standards von IEEE 802.11

Local Area Network Room/Desk Area Network M2M & IoT V2V & V2I
IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6/6E)
IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)
IEEE 802.11n (Wi-Fi 4)
IEEE 802.11ay
IEEE 802.11aj
IEEE 802.11ad
IEEE 802.11ah
IEEE 802.11af
IEEE 802.11p

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.

Wi-Fi - Wireless Fidelity / WFA - Wi-Fi Alliance

Wi-Fi-Logo

Im Zusammenhang mit IEEE 802.11 und Wireless LAN fällt sehr häufig der Begriff "Wi-Fi", 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 Wi-Fi-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 WLAN-Kanäle

  • unter 1 GHz
  • 2,4 GHz (Haupt-Frequenzbereich)
  • 5 GHz
  • 6 GHz
  • 60 GHz

Für WLAN stehen mehrere Frequenzbereiche zur Verfügung. Der meistgenutzte Bereich liegt bei 2,4 GHz, der zweite bei 5 GHz. Es gibt noch weitere Frequenzbereiche, die jedoch oft nur regionale Relevanz haben. Desweiteren ist die Nutzung der Frequenzbereiche für WLAN nach IEEE 802.11 regional sehr unterschiedlich geregelt.

WLAN-Sicherheit

Funksignale bewegen sich im freien Raum. Das bedeutet, jeder der eine Funksignal empfangen kann, kann die gesendeten Funksignale abhören oder manipulieren. Das Abhören einer Funkverbindung kann praktisch nicht verhindert werden. Deshalb müssen WLANs mit Authentifizierung und Verschlüsselung betrieben werden.
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 die Landgerichte Hamburg (2006) und Düsseldorf (2008) geurteilt. Es gibt zwar auch gegenteilige Urteile. Doch es empfiehlt sich, die Verschlüsselung immer aktiviert zu haben. Vorzugsweise mit WPA3. Älteren Sicherheitsverfahren, wie WEP, WPA und WPA2 sollte man nicht mehr verwenden. WLAN-Geräte, die nicht wenigstens WPA2 beherrschen, sollte man dringend austauschen.

WLAN-Authentifizierung

Fremde Personen sollten nicht das eigene WLAN nutzen dürfen. Deshalb sollte der Zugriff auf das WLAN zumindest mit einem Passwort eingeschränkt werden. Das Passwort bekommen dann nur die Personen und Geräte, die Zugriff auf das WLAN haben dürfen. Doch ist das Passwort erst einmal bekannt, dann ist damit der Zugriff ungesichert.
Bei größeren WLANs mit vielen Nutzern und Access Points kann Authentifizierung auch 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.

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.

Aufgaben und Übungen mit dem Raspberry Pi

WLAN-Technik

WLAN-Topologie

Übertragungstechnik

WLAN-Sicherheit

WLAN-Erweiterungen

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Produktempfehlungen

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Netzwerktechnik-Fibel

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!

Alles was Sie über Netzwerke wissen müssen.

Netzwerktechnik-Fibel

Die Netzwerktechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Netzwerktechnik, Übertragungstechnik, TCP/IP, Dienste, Anwendungen und Netzwerk-Sicherheit.

Das will ich haben!