Drahtloses Ethernet WLAN: IEEE 802 - RWTH Aachen · Lehrstuhl für Informatik 4 Kommunikation und...

Lehrstuhl für Informatik 4

Kommunikation und verteilte Systeme

134Kapitel 3: Netze

Entwurfsziele für drahtlose Netze (WLAN/WPAN)

• weltweite Funktion

• möglichst geringe Leistungsaufnahme wegen Batteriebetrieb• Betrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglich

• robuste Übertragungstechnik• Vereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffen

• einfache Handhabung und Verwaltung• Schutz bereits getätigter Investitionen im Festnetzbereich

• Sicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der Emissionen

• Transparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten

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135Kapitel 3: Netze

Genereller Aufbau von Funknetzen

1. Netze mit fester Infrastruktur

• Infrastruktur bedeutet: feststehendes Netz, z.B. Ethernet oder Satellitenstrecken

• Zentraler Access Point (AP), drahtlose Geräte kommunizieren nur mit dem AP

• Kontrollfunktionalitäten (Medienzugriff, Mobilitätsmanagement, Authentisierung, …) sind in der Infrastruktur realisiert

• Komplexität liegt in den Infrastrukturkomponenten, drahtlose Geräte brauchen nur ein Minimum an Funktionalität zu realisieren

2. Ad-hoc-Netze

• Keine Infrastruktur – die drahtlosen Geräte kommunizieren direkt

• Höhere Komplexität der Geräte, da jedes Gerät alle Zugriffs- und Kontrollmechanismen implementieren muss

InfrastrukturL a p to pAP

APAPL a p to pL a p to p L a p to p L a p to p

LaptopLaptop

Laptop

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136Kapitel 3: Netze

Drahtloses Ethernet

• Drahtloses Äquivalent zu Ethernet: "Wireless LAN" (WLAN)• Ausschließlich datenorientierte, breitbandige Internetzugangslösung

• Standardisiert von der IEEE als IEEE 802.11� 1997: IEEE 802.11 (Bandbreiten von maximal 2 Mb/s)

� IEEE 802.11a mit 54 Mb/s durch Verwendung eines (störanfälligeren) Frequenzbandes mit größerer Kapazität

� 1999: IEEE 802.11b (Brutto-Datenrate von 11 MB/s bei einem Nutzdatenanteil von bis zu 6 Mb/s)

� IEEE 802.11g: höhere Datenraten (zukünftig Datenraten von bis zu 100 Mb/s)� …

802.11

• 1 oder 2 Mbit• 2,4 GHz• FHSS, DSSS

802.11a

• 54 Mbit• 5 GHz• FHSS, DSSS

802.11b

• 11 Mbit• 2,4 GHz• nur DSSS

802.11g

• Erweiterung auf20 bzw. 54 Mbit

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137Kapitel 3: Netze

WLAN: IEEE 802.11b

• Datenraten– 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s, abhängig von SNR (Signal-to-Noise-Ratio)– Nutzdatenrate max. ca. 7 Mbit/s

• Kommunikationsbereich– 300m Außen-, 30m Innenbereich– Maximale Datenrate erreichbar bis ~10m (in Gebäuden)

• Frequenzbereich– Freies 2.4 GHz ISM-Band (2.4 - 2.4835 GHz)

• Sendeleistung– maximal 100 mWatt

• Vorteil: – viele installierte Systeme, weltweite Verfügbarkeit, freies ISM-Band, viele

Firmen, integriert in Laptops, einfaches System• Nachteil:

– starke Störungen auf dem ISM-Band (Bluetooth, Mikrowellenherde, Mikrowellenbeleuchtung, analoge TV-Übertragung, Überwachung, lizenzfreie Stadtnetze), keine Dienstgüte, relativ niedrige Datenraten

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138Kapitel 3: Netze

Aufbau eines WLAN

Integration in ein bestehendes Festnetz:

FestnetzLaptopAP

APAP

LaptopLaptop Laptop Laptop

• An ein bestehendes Festnetz werden sogenannte Access Points (APs) angeschlossen

• Jeder AP regelt alle Kommunikation in seinem Empfangsbereich

• APs mit gleichen Kanälen müssen weit genug auseinander stehen, um Störungen zu vermeiden

LaptopLaptop

Laptop

Bildung eines Ad-hoc-Netzes:• Steht kein AP zur Verfügung, können

Stationen auch ein eigenes LAN aufbauen

• Die Übertragung findet nun direkt zwischen den Stationen statt

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139Kapitel 3: Netze

APs in Aachen - MoPS

www.mops.rwth-aachen.dewww.urmel.rwth-aachen.de

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140Kapitel 3: Netze

Architektur: Infrastrukturnetz

• Station (STA)

Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point

• Access Point (AP)

Station, die sowohl in das Funk-LANals auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist

• Basic Service Set (BSS)

Gruppe von Stationen samt AP innerhalb eines Übertragungsbereichs

• Portal

Übergang in ein anderes Festnetz• Distribution System

Verbindung verschiedener Zellen zur Bildung eines logischen Netzes (EES: Extended Service Set)

Distribution System

Portal

802.x LAN

AccessPoint

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

AccessPoint

STA1

STA2STA3

ESS

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141Kapitel 3: Netze

Architektur: Ad-hoc Netzwerk

• Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite

– Station (STA)Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium

– Independent Basic Service Set (IBSS)

Gruppe von Stationen, die innerhalb eines Übertragungsbereichs dieselbe Funkfrequenz nutzen

• Unterschiedliche BSS durch räumliche Trennung oder Verwendung unterschiedlicher Trägerfrequenzen

• Keine ausgezeichneten Stationen zur Weiterleitung von Daten, Wegwahl, …

802.11 LAN

IBSS2

802.11 LAN

IBSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3

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142Kapitel 3: Netze

Protokollarchitektur

Medium Access Control• Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung

• MAC Management: Synchronisierung, Roaming zwischen APs, Power Management

Physikalische Schicht• Kanalwahl, Modulation, Codierungsart

Anwendungen sollen von der Existenz des drahtlosen Netzes nichts mitbekommen (außer Bandbreite, längeren Zugriffszeiten)

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143Kapitel 3: Netze

802.11 - Physikalische Schicht

Varianten zur Übertragung: 2 Funk (im 2,4 GHz-Band), 1 Infrarot

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

– 2 Frequenzen bei 1 Mbit/s, 4 Frequenzen bei 2 Mbit/s– 79 unterschiedliche Kanäle von 1 MHz Bandbreite

– min. 2,5 Frequenzwechsel/s– GFSK-Modulation

– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW

• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

– DBPSK-Modulation für 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK für 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK)

– Chip-Sequenz: (+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1), ein Barker-Code

– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW

• Infrarot

– 850-950nm, diffuses Licht, typ. 10 m Reichweite

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144Kapitel 3: Netze

FHSS PHY Paketformat

Synchronisation SFD PLW PSF HEC Nutzdaten

Präambel Header

80 16 12 4 16 variabel Bits

• Synchronisation

– Synchronisation der Empfänger mit 010101... • SFD (Start Frame Delimiter)

– 0000110010111101 als Startmuster• PLW (PLCP_PDU Length Word)

– Länge der Nutzdaten in Bytes inklusive 32-Bit-CRC (am Ende der Nutzdaten). Erlaubte Werte liegen zwischen 0 und 4095

• PSF (PLCP Signaling Field)

– Datenrate der Nutzdaten (1 oder 2 Mbit/s)• HEC (Header Error Check)

– CRC mit x16+x12+x5+1

Übertragung immer mit 1 Mbit/s

Übertragung wahlweise mit 1 oder 2 Mbit/s

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145Kapitel 3: Netze

DSSS PHY Paketformat

Synchronisation SFD Signal Service HEC Nutzlast

Präambel Header

128 16 8 8 16 variabel Bits

Length

16

• Synchronisation– Snychronisation, Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung

• SFD (Start Frame Delimiter)– 1111001110100000 als Startmuster

• Signal– Datenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK)

• Service– Für spätere Verwendung reserviert, Standard: 00 für 802.11-Rahmen

• Length (Länge der Nutzdaten) und HEC (CRC) wir bei FHSS

Übertragung immer mit 1 Mbit/s

Übertragung wahlweise mit 1 oder 2 Mbit/s

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146Kapitel 3: Netze

802.11b - Physikalische Schicht

erreichte Bits/Symbol

verwendete Symbolrate

ModulationCodelängeDatenrate

81.375 MS/sQPSK8 (CCK)11 Mb/s

41.375 MS/sQPSK8 (CCK)5.5 Mb/s

21 MS/sQPSK11 (Barker-Code)2 Mb/s

11 MS/sPSK11 (Barker-Code)1 Mb/s

Dynamic Rate Shifting: Anpassung der Übertragungsrate an die Übertragungsqualität:

• Nur noch DSSS

• CCK: Complementary Code KeyingVerwendung einer 8-Chips-langen Spreizsequenz: wähle 64 (11 Mbit/s) bzw. 4 (5.5 Mbit/s) der 48 möglichen Zustände aus, die möglichst gute Kreuzkorrelationseigenschaften aufweisen. D.h.: verwende die Spreizung zur Übertragung mehrerer Bits gleichzeitigDamit wird die Übertragung deutlich störanfälliger als für 1 bzw. 2 Mbit/s

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147Kapitel 3: Netze

Reichweite von IEEE 802.11

10 30 60 100 m0

2

4

6

8

10

Datenrate

Mbit/s

Distanz

802.11

802.11b

Aufgrund der fehlende Spreizung für niedrige Bitraten sind die höheren Übertragungsraten störanfälliger. Damit ergibt sich eine geringere Reichweite:

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148Kapitel 3: Netze

Reichweite 802.11b

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149Kapitel 3: Netze

IEEE 802.11b – PHY-Rahmenformate

synchronization SFD signal service HEC Nutzdaten

Präambel Header

128 16 8 8 16 variabel Bits

length

16

192 µs bei 1 Mbit/s DBPSK 1, 2, 5.5 oder 11 Mbit/s

short synch. SFD signal service HEC Nutzdaten

Präambel(1 Mbit/s, DBPSK)

Header(2 Mbit/s, DQPSK)

56 16 8 8 16 variabel Bits

length

16

96 µs 2, 5.5 oder 11 Mbit/s

Langes Rahmenformat:

Kurzes Rahmenformat, optional:

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150Kapitel 3: Netze

Kanalwahl bei IEEE 802.11b

2400[MHz]

2412 2483.52442 2472

Kanal 1 Kanal 7 Kanal 13

22 MHz

• Kanäle sind je 22 MHz breit• Kanäle überlappen

• 13 Kanäle in Deutschland (2412, 2417, 2422, … 2467, 2472 MHz), 11 in USA/Kanada

• Nicht-überlappende Kanalwahl:

• Im Idealfall: vergebe nur Kanäle 1, 6 und 11: 116

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