J. Rech, "Wireless LAN WLAN-Technologien & praktische..., Heise, 2004"

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1 25. Drahtlose lokale Netze x Referenzen Jochen Schiller: "Mobilkommunikation", Kapitel 7, 2. überarbeitete Auflage, Pearson München J. Rech, "Wireless LAN WLAN-Technologien & praktische..., Heise, 2004" B. O Hara, A. Petrick, "The IEEE Handbook A Designers Companion IEEE, 1999" [4.5] E. K. Wesel, "Wireless Multimedia Communications", Addison-Wesley, 1998 T. S. Rappaport, "Wireless Communications", Prentice Hall, 1999 TU Braunschweig, PDF-Script: M. Zitterbarth, Karlsruhe: 1 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

2 WLAN Zugangspunkt: Mit integriertem Ethernet- & DSL-Router Firewall, DHCP, DNS... Mit DSL-Modem. WLAN Adapter für Endgeräte: WLAN Adapter über USB, PC-Card für Laptop, Bis 54 Mb/s brutto Gerätebeispiele 2 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

3 Tabelle: WLAN Standard-Empfehlungen Bruttodatenrate Frequenzband PHY Notiz Gremium [MBit/s] [GHz] ,0 bis 2,0 2,4 FHSS,DSSS - IEEE b 11 2,4 DSSS g 54 2,4 OFDM a 54 5,5 OFDM ~1 >10 OFDM WMAN Hiperlan II 54 5,5 OFDM QoS ETSI 2000 Ergänzungen: h: e: f: i: Dynamische Kanalwahl und Leistungssteuerung, QoS Verfahren für die MAC-Ebene (Dienstequalität), Interoperabilität der Zugangspunkte über das DS (Backbone), Im Vergleich zu WEP bessere Verschlüsselung & Authentifizierung. 3 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

4 Ad-Hoc Netz: Systemarchitektur & Protokoll-Stapel AP BSS ESS Distribution System - DS Infrastruktur-Netz: Stationen, Access Point, Distribution System, BSS - Basic Service Set, ESS - Extended Service Set. BSS AP 4 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

5 Protokollstapel TCP, IP und LLC setzen transparent auf der MAC Ebene auf. MAC Management enthält genügend Intelligenz zum Aufbau eines ESS. Physical Layer Convergence Protocol für 3 verschiedene PHY-Ebenen (#1): Infrarot, Frequenzsprung-Verfahren, Direkte Spektrumspreizung, Inhalt: Start-of-Frame, Datenrate,Länge, Header-Prüfsumme... Physical Media Dependent Layer. MAC Mgmt PHY Managmt Anwendung TCP IP LLC MAC PLCP PMD Access Point + Brücke MAC PHY MAC PHY Anwendungsebene 5 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm TCP IP LLC MAC PHY

6 25.5. MAC Ebene Einfaches verteiltes Mediumzugangsverfahren DFWMAC - Distributed Foundation Wireless Media Access Control Kollisionsreduktion mithilfe von exponentiellem Backoff, Clear-Channel Assessment von PHY-Ebene. Sicherheitsabstände (... InterFrameSpacing) : kurzer Abstand für Steuernachrichten und Bestätigungen (z.b. 10 µsec), PIFS: für Nachrichten mit Echtzeitanforderungen & Access Point, : für reguläre Nachrichten ("delayed"?). PIFS Medium belegt Allg. Wettbewerb belegt t 6 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

7 Backoff Verfahren Hier vorerst Rundspruch-Nachrichten, ohne Bestätigung. Immer warten, bis das Medium mindestens für 1 Interframe-Space frei ist. 1. Versuch: falls das Medium frei ist, kann nach Ablauf von sofort gesendet werden, falls jedoch belegt, so wird abgewartet bis das Medium nicht mehr belegt ist, anschliessend zufällige Backoff-Zeit aus dem Wettbewerbsfenster wählen, Backoff-Zeit + warten und versuchen zu senden. Nach einer Kollision: Verlierer-Stationen erhalten ihre mittlerweile reduzierte Wartezeit als "Gutschrift", Wettbewerbsfenster bis auf 255 Slots verdoppeln (20 µsec/slot). 7 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm t

8 Unicast Nachrichten werden sofort bestätigt: Kürzerer Sicherheitsabstand, Ergibt höhere Übertragungspriorität für die Bestätigungen, Nachrichten mit falscher Prüfsumme werden explizit abgewiesen (Reject), Bleibt die Bestätigung aus, so wird eine Kollision zwischen Nachrichten vermutet. retransmit ack t Kollisionen ergeben sich: wenn der Belegungszustand des Kanals nicht erkannt werden kann, wenn versteckte Stationen im Spiel sind (->RTS/CTS), und bei gleichzeitigen Sendeversuchen. Auch Bestätigungen von versteckten Stationen können kollidieren. 8 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

9 Versteckte Stationen Die rote und die grüne Station hören sich gegenseitig nicht. Es wird nicht erkannt, wenn versteckte Stationen den Kanal belegen. Nachrichten von beiden Stationen können sich beim Empfänger überlagern. Damit zerstören sich die Nachrichten gegenseitig. Verbessertes Zugangsverfahren mit Berücksichtigung versteckter Endgeräte ("Hidden Stations") im nächsten Abschnitt. 9 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

10 Verteiltes Zugangsverfahren mit RTS/CTS RTS (Request to Send) als kurzes Probepaket senden. CTS (Clear to Send) als Sendeerlaubnis empfangen. NAV ist der Network Allocation Vector: Reserviert das Netz für eine bestimmte Zeitspanne, einschliesslich Bestätigung, Muss auch von derzeit passiventeilnehmern berücksichtigt werden, Ist sowohl im RTS als auch im CTS enthalten. RTS CTS Data Ack Data/RTS NAV t 10 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

11 Paketfragmentierung Bei hohen Bitfehlerraten sind kürzere Nachrichten vorteilhafter. Die MAC-Ebene unterstützt eine Fragmentierung von Paketen. Die Paketfragmente können einen neuen NAV enthalten. NAV - Net Allocation Vector.. Data RTS Frag-1 Frag-2 CTS Ack NAV Ack t 11 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

12 Mediumzugangsverfahren mit Zugangspunkt-Koordinierung Ein Superrahmen kann QoS garantieren. Er besteht aus: Wettbewerbsfreie (Polling) Periode abgeschlossen durch ein Contention Free End, Anschliessend folgt Periode mit Wettbewerb zwischen den Sekundärstationen, Für den nächsten Superrahmen ergreift der Koordinator wieder die Initiative mit PIFS. Wettbewerbsfreie Periode Periode mit Wettbewerb CFend PIFS Data Out Data In Data Out Data In Data Out PIFS Data Out Data In CF end Data Ack Data 12 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm Ack PIFS Data Out t

13 25.6. MAC-Rahmenformat Rahmensteuerfeld (Frame Control) Protokollversion (derzeit 0). Typ: Verwaltung, Steuerung, Daten. Subtyp: RTS, CTS, Beacon, Association req. Zum/Vom DS (=> Adressierung). Weitere Fragmente folgen. Wiederholte Übertragung. Power Managment, going to sleep. More Data pending. Wire Equivalent Privacy (WEP). Order (Nachrichtenreihenfolge) Frame Control Duration/NAV Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Ctrl Address 4 Data CRC 13 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

14 Adressierung im Verbundnetz (ESS) Durch eine erweiterte Adressierung soll Tunneling vermieden werden. Maximal vier MAC-Adressen in einem Rahmen: 11= im DS: Receiver(a1), Transit(a2), Destination(a3), Source(a4), 10= zum DS: BSSID(a1), SA(a2), DA(a3), 01= vom DS: DA(a1), BSSID(a2), SA(a3),. Distribution Subsystem 14 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

15 Im Ad-hoc Netz werden eigentlich nur zwei Adressen benötigt: Die Bits "zum DS" und "vom DS" sind nicht gesetzt => Ad-Hoc Netz, Die dritte Adresse bezeichnet das Ad-Hoc Netz insgesamt ("BSSID"). Ad Hoc Netz Spezielle Steuerpakete: RTS Frame Control Duration/NAV Empfänger Adresse Sender Adresse CRC CTS, Ack Frame Control Duration/NAV Empfänger Adresse CRC 15 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

16 25.7. Verwaltung der MAC-Ebene Begriffliches: Association = Eingliederung eines mobilen Teilnehmers in ein neues Netz. Roaming = Hand-Over - eine vom üblichen Sprachgebrauch abweichende Terminologie. Beacon = Nachricht zur Bekanntmachung und Zeitsynchronisierung eines Netzes. Die MAC-Ebene übernimmt in auch Aufgaben der Netzwerkebene. MIB = Management Information Base: für Konfigurationsdaten der Stationen und des Netzes, Verwaltungsdatenbank, für Statistik. Synchronisierung der lokalen Uhren der einzelnen Stationen: Normalerweise durch den Zugangsknoten zum DS. In ad-hoc Netzen durch regelmässige Beacon Nachrichten. Die erste Station in einem Beacon-Intervall gibt die Zeit vor. 16 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

17 Schlafzustände und Leistungssteuerung: Die MAC-Ebene enthält Protokollelemente zur Unterstützung von periodischen Schlaf- und Wachzuständen der Stationen: "Power Mgmt" und "More Data" Bits sind im Frame Control Feld enthalten, DTIM: Delivery Traffic Indication Map, für Rundsprüche & Multicast, TIM : Traffic Indication Map, 17 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm

18 25.8. Bitübertragungsschicht Drei verschiedene Modulationsverfahren DSSS - "Direkte Frequenzspreizung", Frequenzsprungverfahren, Infrarot-Übertragung. Geschwindigkeitssteuerung im b Kompatibilitätsmodus: Die Präambel und Kopf des PHY-Rahmens hat meistens die Datenrate 1 Mbit/sec, Anschliessend Brutto-Datenraten von 1-54 Mbit/sec oder höher, optionaler nicht kompatibler Frame in g. PHY-Rahmenformate: Langes Format und optionales kurzes Format mit kürzerer Synchronisierung. Synchronisierung SFD Signal Service Länge H-CRC Nutzdaten CRC Präambel, 1 Mbit/s Kopf, 1 oder 2 Mbit/s 1 & 2 & 5,5 & Mbit/s 18 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm