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Die konzeptionelle Funktion von WLAN

Die fundamentellen Konzepte von WLAN (bzw. WLAN/WiFi) haben sich im großen und ganzen von der ursprünglichen IEEE802.11 Version bis hin zu 802.11ac, der aktuellsten Variante, nicht geändert. Anders sieht es hingegen auf der Funkschnittstelle aus, welche kontinuierlich weiterentwickelt wurde. Doch mehr zur Funkschnittstelle im nächsten Kapitel. Im folgenden wird der prinzipielle Aufbau von WLAN näher erläutert.

Der WLAN Standard sieht 3 mögliche Betriebsmodi vor. Den Ad-hoc (IBSS) Modus, welchen 2 WLAN Clients nutzen können, um sich direkt miteinander zu verbinden. Den Mesh (MBSS) Modus, in welchem sich mehrere WLAN clients automatisch miteinander verbinden und den Infrastruktur Modus. In Heimnetzwerken ist der letzte, der Infrastruktur Modus interessant. In diesem Modus spannt ein zentraler WLAN Access Point, eine WLAN Funkzelle auf, in der sich eine Vielzahl von WLAN Clients zu dem WLAN Access Point verbinden können. Alle Daten werden immer von und zum WLAN Access Point übertragen. Der WLAN Access Point ist auch die zentrale Instanz, welche WLAN Clients den Zugriff auf ein WLAN erlaubt oder verwehrt (die Authentifizierung). Des Weiteren übernimmt der WLAN Access Point auch alle notwendigen Funktionen, um den Zugriff auf das Medium der Funkschnittstelle zu steuern.

Notiz: Verwechseln Sie den Mesh Modus nicht mit Mesh-WLAN. Das zweitere ist ein Marketingbegriff und bezeichnet ein Konzept, mit welchem mehrere WLAN Access Points und Repeater von außen als ein geschlossenes WLAN Netzwerk gesehen werden können. Nach eigenem Eindruck setzen die derzeitig erhältlichen Mesh-WLAN Systeme aber nicht auf den Mesh Modus, sondern basieren auf dem Infrastruktur Modus.

Soll die Reichweite der Funkzelle des WLAN Access Point nicht ausreichen, so kann ein WLAN Repeater das WLAN erweitern und eine neue Funkzelle aufspannen. Der WLAN Repeater reicht alle Daten welche er empfängt einfach weiter, so dass alle WLAN Clients weiterhin immer mit dem WLAN Access Point verbunden sind.

WLAN Clients sind in der großen Mehrzahl integriert in Endgeräte wie z.B. in einem Tablet. Alternativ können Endgeräte wie ein PC per USB WLAN Adapter mit einem WLAN Client ausgerüstet werden und WLAN fähig gemacht werden. Wenn mehrere Geräte mit einem Ethernet Anschluss an dem gleichen Ort stehen und an ein WLAN angebunden werden sollen, dann kann man eine WLAN Client Bridge einsetzen, welche Ethernet auf WLAN umsetzt. Damit entfällt der Bedarf alle Geräte einzeln an ein WLAN anzubinden.

Hier die Grafische Darstellung eines WLAN Netzwerkes, mit einem WLAN Access Point, Repeater, Client Bridge und Clients.

Bild: Ein Heimnetzwerk mit WLAN
Bild: Ein Heimnetzwerk mit WLAN

Seit ca. dem Jahr 2017 hält der Begriff „Mesh-WLAN“ Einzug. Dahinter steckt, dass sich mehrere WLAN Access Points und Repeater als ein geschlossenes WLAN präsentieren. Die Einrichtung und Konfiguration ist vereinfacht und das Roaming zwischen verschiedenen WLAN Funkzellen verbessert. Hersteller versprechen gerne auch eine erhöhte Datenrate. Diese ist aber nicht notwendigerweise integraler Bestandteil des Mesh-WLAN Konzeptes, sondern basiert auf dem Einsatz leistungsfähigerer HW und verbesserter Benutzerführung für das finden geeigneter WLAN Standorte. Mehr Infos über Mesh-WLAN können Sie in dem hier verlinkten Artikel finden.

Notiz: Es wird später noch genauer erklärt, doch die Effizienz eines WLAN nimmt mit der Anzahl angeschlossener WLAN Clients ab. Eine WLAN Client Bridge kann somit helfen, die Anzahl der WLAN Clients in einem WLAN etwas niedriger zu halten und es ist unnötig für jedes Gerät einen externen WLAN Adapter zu kaufen, falls keiner integriert ist. Dafür können WLAN Client Bridges komplizierter in der Einrichtung sein oder andere Probleme verursachen. Hierzu mehr im Kapitel über WLAN Client Bridges.

Wie Ethernet und PowerLine nimmt WLAN prinzipiell ein Paket einer höheren Schicht als Nutzdaten entgegen und sorgt dafür, dass es über ein oder mehrere Verbindungen übertragen wird. Am Ende der Übertragungsstrecke werden die Kopfdaten eines WLAN Frames, welche nur für die Übertragung im WLAN benötigt wurden, wieder entfernt. Die dadurch zurückgewonnenen ursprünglichen Nutzdaten werden weiterübertragen (z.B. im Internet-Router) oder in einem Empfänger terminiert und die Zielapplikation zugestellt.

Da WLAN oft mit anderen LAN Technologien wie Ethernet kombiniert wird, wurde auch die Möglichkeit vorgesehen das WLAN einen Ethernet Frame übertragen kann. Der grundlegende Mechanismus der Enkapsulierung für Protokolle höherer Schichten wird hier beibehalten, ein zusätzliches Adressfeld und die Nutzung der gleichen Adressstruktur (MAC Adressen) erlaubt die einfache Umsetzung in einem WLAN Access Point von und zu Ethernet.

Bild: WLAN Enkapsulierung
Bild: WLAN Enkapsulierung

Alle WLAN Clients und der WLAN Access Point, welche auf dem gleiche Frequenzband und Kanal senden, teilen sich das gleiche Übertragungsmedium. Das bedeutet zwangsläufig das der Zugriff auf das Übertragungsmedium Funk in irgendeiner Art und Weise geregelt sein muss. Hierfür wird das sogenannte CSMA/CA Konzept (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) verwendet. Kern des Konzeptes ist, dass alle Teilnehmer in einem WLAN lauschen ob das Funkübertragungsmedium frei ist, also kein anderer Teilnehmer gerade sendet. Ist dies für eine definierte Zeit der Fall, wartet der Teilnehmer noch einmal für eine kurze zufällige Zeitdauer, um Probleme zu vermeiden die durch einen wiederkehrenden gleichen Ablauf entstehen könnten. Ist das Funkübertragungsmedium dann immer noch frei, startet der Teilnehmer den Sendeprozess. War der Sendeprozess erfolgreich, dann sendet der Empfänger eine Bestätigung an den Absender und die Datenübertragung war erfolgreich. Die Wahrscheinlichkeit für Konflikte oder sogenannte Kollisionen auf dem Übertragungsmedium Funk ist hiermit noch nicht gleich Null, aber doch zu einem Großteil vermieden. Sollte doch einmal eine Kollision entstehen da zufälligerweise 2 Teilnehmer gleichzeitig angefangen haben zu senden, dann wird kein erfolgreicher Empfang stattfinden und somit keine Bestätigung an die Absender geschickt werden. Diese wiederholen dann nach geschildertem Konzept den Sendeprozess solange bis dieser erfolgreich war.

Ein größeres Problem von WLAN ist das ein WLAN Client nicht zwangsläufig den Sendeverkehr eines anderen WLAN Client empfängt. Stehen z.B. zwei WLAN Clients gegensätzlich zu einem WLAN Access Point, kann es vorkommen das diese mit dem WLAN Access Point eine einwandfreie Verbindung aufbauen können, aber nicht feststellen ob der jeweils andere WLAN Client gerade sendet. Dies ist das sogenannte “hidden Terminal” (verstecktes Endgerät) Problem, welches die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen durch gleichzeitiges Senden erheblich erhöht.

Dieses Problem ist unten dargestellt. Die Funkzellen des PCs und es Tablets erreichen den WLAN Access Point, decken aber jeweils nicht das Tablet bzw. den PC ab.

Bild: WLAN hidden Terminal Problem
Bild: WLAN hidden Terminal Problem

Es ist leicht nachzuvollziehen das sich die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen, mit der Anzahl von Teilnehmern in einem WLAN erhöht. Da jede Kollision dazu führt das sich der Sendeprozess wiederholt, steigt die Wahrscheinlichkeit für Kollisionen nicht linear sondern exponentiell und die netto Datenrate sinkt immer schneller gegen Null.

Tipp: Genau diese Zusammenhänge sind der Grund warum Sie die Anzahl der Teilnehmer in einem WLAN beschränken sollten. Genaue Empfehlungen hängen vom Aufbau Ihres persönlichen WLAN, ihrem Nutzungsverhalten und der eingesetzten WLAN Variante ab. Um aber eine grobe Empfehlung für Heimnetzwerke zu liefern, dann sollten für zeitkritische Anwendungen, wie z.B. Telefonie, nicht mehr als ca. 10 - 20 aktive Teilnehmer zu Ihrem WLAN verbunden sein. Bei zeitunkritischen Anwendungen wie das Surfen im Internet kann die Anzahl der Teilnehmer deutlich erhöht werden. Hier sollten mit WLAN nach IEEE802.11n 40 - 50 aktive Teilnehmer das WLAN mit akzeptabler Qualität nutzen können. Falls Hersteller von WLAN Access Points Empfehlungen ausgeben, kann man sich natürlich auch daran orientieren. Falls Sie allerdings Wert auf höchste Leistung für Online-Gaming legen, dann können schon 10 Teilnehmer in einem WLAN zuviel sein. Hier empfiehlt es sich wenn möglich Ethernet zu nutzen, welches die beste Leistung bietet.

Notiz: Den vorhergehend geschilderten Effekt haben Sie wahrscheinlich schon selbst erlebt, wenn Sie über einen öffentlichen gut frequentierten WLAN Hotspot in das Internet wollten, die Datenübertragung aber nur sehr schleppend verlief.

Falls Sie die Stabilität und die Anzahl der Teilnehmer in einem WLAN deutlich erhöhen wollen, dann gibt es noch die Möglichkeit die Wahrscheinlichkeit der Kollisionen über den RTS/CTS Mechanismus zu verringern. Einfach ausgedrückt erlaubt es dieser Mechanismus das sich Teilnehmer für einen kurzen Augenblick das Übertragsungsmedium Funk exklusiv reservieren. Dadurch das die Koordination über den WLAN Access Point geschieht und die Reservierungsbestätigung an alle WLAN Clients gesendet wird, wird das “hidden Terminal” Problem umgangen. Nachteil des RTS/CTS Mechanismus ist das mehr Kontrolldaten gesendet werden müssen und damit bei wenig Betrieb die netto Datenrate, verglichen gegenüber dem Betrieb ohne den RTS/CTS Mechanismus, sinkt. Bei Interesse an der Nutzung dieses Mechanismus müssen Sie noch prüfen ob Ihr WLAN Access Point diesen Mechanismus unterstützt und per Konfiguration einschalten kann, da die für den Heimgebrauch üblichen WLAN Access Points diese Funktion nicht immer anbieten.

Zum Verständnis von WLAN im Infrastruktur Modus muss noch folgender Punkt erläutert werden. Wie eingangs erwähnt steuert und verwaltet der WLAN Access Point das WLAN. Ein zentrales Konzept für die Steuerung ist das regelmäßige Senden eines sogenannten “Beacon Frames” an alle WLAN Clients. In diesem Beacon Frame sind wichtige Information über das WLAN enthalten, welche die WLAN Clients benötigen. Unter anderem ist dies der Name (SSID; Service Set Identification) des WLAN, welche optionalen Funktionen unterstützt, bzw. nicht unterstützt werden und die unterstützten. WLAN Clients können nach diesen Beacon Frames scannen und automatisch oder aufgrund der Selektion des Endnutzers Verbindung zu einem WLAN aufnehmen.

Zum Abschluss dieses Kapitels noch eine vereinfachte grafische Darstellung eines WLAN Frames auf der MAC Schicht, mit nachfolgender kurzer Erläuterung der einzelnen Felder. Vereinfacht da WLAN über die Zeit eine Vielzahl von Frame Varianten definiert und erweitert hat, deren Erläuterung zu weit führen würde. Die folgende Frame Struktur stellt einen Daten Frame ohne die optionalen Adress 4, QoS (Quality of Service) und HTC (High Throughput Control) Felder dar.

Bild: WLAN MAC Frame
Bild: WLAN MAC Frame

Eine kurze Erläuterung der Felder des WLAN Frames im einzelnen:

Das Frame Control Feld beinhaltet eine Reihe von Kontrollinformationen. So unter anderem um was für einen Frame es sich genau handelt oder ob dieser Frame über ein weiteres LAN übertragen werden soll.

Das Duration/ID Feld beinhaltet im Falle eines Daten Frames eine Abschätzung über die Dauer der Nutzung des Funkübertragungsmediums, inklusive der Zeit das eine Bestätigung gesendet wird. Das ermöglicht es lauschenden Geräten, die Zeitdauer welche Sie warten müssen bevor Sie selbst senden können zu aktualisieren.

Die 3 Adress Felder dienen dazu die Quelle und das Ziele des Frames zu definieren. Das 3. Adressfeld erlaubt eine unkomplizierte Umwandlung eines WLAN Frames in einen Ethernet Frame. Die genaue Bedeutung jedes einzelnen Adressfeldes ist Variabel und hängt von Bits in dem Frame Control Feld ab.

Das Sequence Control Feld ermöglicht es einem Empfänger die Reihenfolge empfangener Frames zu erkennen und wiederherzustellen. Falls ein zusammenhängendes NutzdatenPaket zu groß für das Nutzdatenfeld von WLAN ist dann kann es auch zerteilt und in Fragmenten versendet werden. Dieses Feld erlaubt es auch einem Empfänger die zueinandergehörigen Fragmente für die Defragmentierung zu erkennen.

Über die Frame Prüfsumme können Bitfehler festgestellt werden, welche bei der Übertragung eines Frames entstehen können. Im Fall das ein Bitfehler festgestellt wurde wird der fehlerhafte Ethernet Frame verworfen.

Notiz: Falls sich bei Ihnen der Eindruck ergibt das WLAN ungleich komplexer als Ethernet ist, dann ist Ihr Eindruck korrekt. Schon aus den Eigenschaften des benutzten Übertragungsmedium Funk, ergibt sich eine höhere Komplexität. Über die Entwicklung und Anpassung von WLAN an neue Anforderungen und schnellere Datenraten wurde die Komplexität nochmals deutlich gesteigert.

Nächstes Kapitel: WLAN und die Funkschnittstelle