Funk- und Mobilkommunikations - Labor Arbeitsweise eines WLAN-Repeaters Projektarbeit April Christian Backhaus Hendrik Deckert

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1 Funk- und Mobilkommunikations - Labor Arbeitsweise eines WLAN-Repeaters Projektarbeit April 2006 Christian Backhaus Hendrik Deckert

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Netzwerkgeräte WLAN Access Point Funktionsweise eines WLAN - Access Point Was ist MIMO Repeater Funktionsweise eines Repeaters Verwendete Programme Network Stumbler Ethereal IPerf Versuchsdurchführung Durchsatzmessung LAN-WLAN ohne Repeater Durchsatzmessung WLAN-WLAN ohne Repeater Durchsatzmessung WLAN-WLAN mit Repeater Ethereal Protokollanalyse mit Repeater im Netzwerk Einstellungen der Netzwerkgeräte Konfiguration der Netzwerkkarten Konfiguration des Access Points Konfiguration des Repeaters Quellen Seite 1 von 16 April 2006

3 1. Einleitung In diesem Versuch sollen ein WLAN-Access Point und ein Repeater in Betrieb genommen werden, sowie zwei Laptops für eine Netzwerkverbindung konfiguriert werden. Ziel des Versuches ist es, die Arbeitsweise eines Repeaters sowie dessen Einfluss auf die Qualität des Netzwerkes, bzw. die Durchsatzrate kennen zu lernen. Dazu müssen zuerst die verschiedenen Netzwerkgeräte konfiguriert werden, ebenso die benötigten Netzwerkdiagnoseprogramme. Benötigt werdend drei Laptops drei WLAN-Karten ein WLAN-Access Point mit MIMO-Technik ein WLAN-Repeater ein Netzwerkkabel Seite 2 von 16 April 2006

4 2. Netzwerkgeräte 2.1. WLAN Access Point Funktionsweise eines WLAN - Access Point Access Points werden benötigt, wenn man eine WLAN-Infrastruktur aufbauen will, bzw. um WLAN- Stationen an das drahtgebundene Netzwerk anzuschließen. Die klassischen Access Points kennen drei Betriebsarten: - der Access-Point-Betrieb (Infrastructure-mode) - den Client-Betrieb mit Anschluss an einen Computer (als WLAN-Karten-Ersatz) - die Repeater-Funktion zur Erhöhung der Reichweite eines Access Points oder zur Kopplung zweier drahtgebundener Netzwerke Im Access-Point-Betrieb findet die Kommunikation zwischen zwei drahtlosen Endgeräten (Clients) nur über eine zentrale Vermittlungsstelle, den Access Point, statt. Zwischen den einzelnen Clients findet, im Gegensatz zum Ad-hoc-Mode, zu keinem Zeitpunkt eine direkte Datenübertragung statt. Der Access Point dient auch als Bridge zum drahtgebundenen Netz, vermittelt also die Datenpakete zwischen den Netzen. (Im Ad-hoc-Mode findet die Kommunikation direkt zwischen den einzelnen Clients statt.) Gleichzeitig arbeitet er als Repeater, da er die Datenpakete der Clients empfängt und an andere weiterleitet, wodurch jedoch der Durchsatz sinkt. Der Access Point kann die Reichweite zweier Clients erweitern, wenn er zentral aufgestellt wird; so können diese, obwohl sie sich im Ad-hoc-Mode nicht mehr erreichen können, trotzdem kommunizieren. Des Weiteren ermöglicht der Infrastructure-Mode durch die Installation mehrerer Access Points eine flächendeckende Versorgung von großen Bereichen, da durch die sich überlappenden Funkzellen die Funkverbindung auch beim Übergang eines Clients in die nächste Funkzelle aufrechterhalten werden kann. Dieser Vorgang heißt Roaming und wird in sehr ähnlicher Form auch im Mobilfunk eingesetzt. Abb : Infrastructure-Mode mit drei Clients Abb : Infrastructure-Mode mit Reichweitenerhöhung Seite 3 von 16 April 2006

5 Was ist MIMO MIMO steht für Multiple Input Multiple Output und ist ein systemtheoretischer Begriff, der Systeme mit mehreren Eingangs- und Ausgangsgrößen beschreibt. MIMO nutzt einen Effekt, der bei üblichen Funkverbindungen eher schädlich ist: Funkwellen werden häufig an Objekten reflektiert und gelangen deswegen auf mehreren Wegen zum Empfänger. Da die einzelnen Wege unterschiedlich lang sind, kann es zur Beeinträchtigung oder gar Auslöschung des Signals kommen (Multipath Fading). Bei MIMO werden mit mehreren Sendeantennen gleichzeitig unterschiedliche Signale in Richtung Empfänger gesendet. Eine Gruppe von Antennen kann so eine Richtwirkung entwickeln. Im Empfänger liefern mehrere Antennen ein besseres Empfangssignal und vergrößern die Distanz oder erhöhen den Datendurchsatz. Gleichzeitig kann die Antennengruppe so störende Signale ausblenden und dem Empfänger zu räumlichen Informationen verhelfen, was zur Steigerung der Übertragungsrate (Spatial Multiplexing) genutzt werden kann. Getrennt wird das Wellengemisch mittels digitaler Signalverarbeitung. Abb Blockschaltbild MIMO 2.2. Repeater Funktionsweise eines Repeaters Ein Wireless Repeater ist nichts anderes als ein Access Point mit einem speziellen Betriebsmodus, in dem von anderen Wireless-Stationen erhaltene Daten über den gleichen Funkkanal weitergeleitet werden. Das bedeutet, dass sich mit nur einem Repeater und einer Anschlussdose die Reichweite eines WLAN deutlich vergrößern lässt. Repeater filtern Signale nicht, ebenso übersetzen sie sie nicht. Sie wiederholen (regenerieren) die Signale lediglich und leiten den gesamten Netzwerkverkehr in alle Richtungen weiter. Dafür benötigen Repeater keinerlei Adress-Informationen vom Datenrahmen, da sie lediglich Datenbits wiederholen. Das bedeutet, dass ein Repeater auch Daten wiederholt, die fehlerhaft sind. Ein Repeater wiederholt sogar einen Broadcast-Storm, der von einer defekten Netzwerkkarte erzeugt worden ist. Für angeschlossene Geräte ist nicht erkennbar, ob sie an einem Repeater angeschlossen sind. Seite 4 von 16 April 2006

6 Endsystem A Endsystem B Schicht 7 Application Schicht 6 Representation Schicht 5 Session Schicht 4 Transport Schicht 3 Network Schicht 2 Repeater Logical Link Schicht 1 Physikal Abb : Verbindungsart OSI-Schichtenmodell Access Point Repeater Client Abb : Infrastructure-Mode mit Repeater Im Gegensatz zu einem LAN-Repeater, der auf der Schicht 1 arbeitet, arbeitet ein WLAN-Repeater auf der Schicht 2. Pro Repeater geht so ungefähr die Hälfte des normalen Durchsatzes verloren; eine 5 Mbit/s- Verbindung mutiert so schnell zu einer Verbindung mit ungefähr 2,5 Mbit/s. Manche Repeater erlauben es, sich mit mehreren zu verbinden, also drahtlose Daten über mehrere Repeater zugunsten größerer Reichweiten weiterleiten. Alle Netzwerke sind in Ihrer Größe beschränkt. Der wichtigste Grund für diese Beschränkung ist die Signallaufzeit. In einem Netzwerk muss ein Signal innerhalb einer vernünftigen Zeit übertragen werden. Die Zeit, die ein Signal benötigt, um den im Netzwerk am weitesten entfernten Punkt zu erreichen und wieder zum Ausgangspunkt zurückzugelangen, wird als Signallaufzeit bezeichnet. Wenn diese maximale Signallaufzeit überschritten wird, ohne dass ein Signal ankommt, wird ein Netzwerkfehler angenommen. Die max. Anzahl von WLAN-Repeatern ist jedoch abhängig von örtlichen Gegebenheiten. Seite 5 von 16 April 2006

7 3. Verwendete Programme Um die Messungen für den Versuch durchzuführen, werden mehrere Programme verwendet. Die Programme sollen an dieser Stelle kurz erläutert werden und es soll auch erwähnt werden, für was die Software eingesetzt werden soll, bzw. kann. Es ist jedoch zu beachten, dass an dieser Stelle nicht jedes Detail der verschiedenen Programme in Form einer Bedienungsanleitung wiedergeben werden kann, sondern lediglich nur ein sehr kleiner Teilbereich. Wenn Sie sich mehr mit dem Programm auseinander setzen wollen, dann benutzen Sie bitte die verschiedenen Dokumentationen zu den einzelnen Programmen, diese finden Sie im Internet auf den entsprechenden Seiten Network Stumbler Network Stumbler ist ein von Marius Milner entwickeltes WLAN-Monitor-Programm für Windows, welches das Auffinden von Wireless Local Area Networks (WLAN-Netze) erlaubt, die die Standards b, a und g nutzen. Network Stumbler scannt die WLAN-Kanäle und ist in der Lage verfügbare Netzwerke und Access Points anzuzeigen und eignet sich somit hervorragend zum Aufspüren von Hotspots. Im Vergleich zum Windows Service listet Network Stumbler alle Access Points eines WLANs einzeln auf und zeigt auch deren Signalqualität an. Anhand der MAC-Adressen, bzw. der SSID lassen sich die Access Points identifizieren, die Anzeige der Signalqualität ermöglicht eine bessere Ausrichtung von Antennen und hat sich daher gerade bei der Installation von Richtantennen als wichtiges Tool hervorgetan. Weitere Features von Network Stumbler sind darüber hinaus die Anzeige des Kanals der einzelnen Geräte, deren Verschlüsselungstyp, deren Verbindungsgeschwindigkeit und im Zusammenspiel mit einem GPS-Gerät auch deren ungefährer Standort. Seite 6 von 16 April 2006

8 Abb : Network Stumbler In der Abbildung ist die Oberfläche von Network Stumbler dargestellt. Hier sieht man die beiden WLAN-Geräte (Access-Point und Repeater) mit den dazugehörigen Daten. Das Tool zeigt an dieser Stelle Übertragungsrate, SSID, Übertragungsgeschwindigkeit, Typ, Signalstärke, Rauschabstand und weitere Details. Anhand dieser Anzeige lässt sich der ideale Standort für den Repeater ermitteln. Dazu ermittelt man einfach die Stelle, an der das Signal vom Access-Point minimal wird, aber noch vorhanden ist. Dort wird dann der Repeater eingesetzt, damit er ab dort das Signal verstärkt Ethereal Ethereal ist ein freier Netzwerkprotokollanalysator. Er erlaubt es, sowohl Daten im laufenden Netzwerkbetrieb zu analysieren, als auch gesammelte Daten aus einem Capture-File zu lesen. Mit diesem Tool lassen sich Details über jedes einzelne TCP/IP-Paket (IP-Adressen, Mac-Adressen, Daten,...) anzeigen. Zusätzlich verfügt Ethereal über leistungsfähige Analyse- und Summary- Funktionen sowie eine eigene Sprache zum Filtern von Netzwerkpaketen. Das Programm Ethereal wird benötigt, um festzustellen, wie der Daten- bzw. Paketaustausch auf der Protokollebene zwischen den einzelnen Netzwerkgeräten aufgebaut ist. Die Kommunikation zwischen den Geräten kann über die WLAN-Karte oder über das LAN getrennt beobachten werden, je nachdem, welcher Netzwerktyp in diesem Moment benutzen werden soll. Zudem kann vor der Messung die gewünschte Dauer der Messung eingestellt werden. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass max. 1 Minute für die gewünschten Ergebnisse reicht. Die Messung kann aber auch ohne vorherige Zeitbegrenzung gestartet werden und jederzeit im laufenden Betrieb gestoppt werden. Seite 7 von 16 April 2006

9 Abb : Ethereal In der Abbildung ist die Oberfläche von Ethereal mit einer bereits durchgeführten Messung dargestellt. Um eine Messung zu starten, muss unter Capture -> Interface die Netzwerkkarte (Adapter) ausgewählt werden, die für die Messung benutzt werden soll. Die Messung wird über Schaltfläche Capture gestartet IPerf Das Tool "Iperf" ermittelt die verfügbare Bandbreite, bzw. den Durchsatz zwischen zwei Rechnern in einem Netzwerk. Dazu läuft es auf einem Rechner als Server (iperf -s), der auf Port 5001 (oder einem beliebigen anderen Port) empfängt. Von einem oder mehreren Rechnern aus sendet Iperf im Clientmodus (iperf -c <Server-IP-Adresse>) größere Datenmengen an den Server. Der Server ermittelt die Bandbreite und gibt diese wieder an den Client zurück. Seite 8 von 16 April 2006

10 Abb : Befehlsübersicht Iperf Hier sind die einzelnen möglichen Optionen für das Programm IPerf dargestellt. Für diesen Versuch genügen die Standardeinstellungen. Um IPerf nutzen zu können, muss es zuerst auf der Festplatte abgespeichert werden. Die Software muss nicht installiert werden, es reicht, lediglich den Ordner mit den Dateien auf der Festplatte abzuspeichern. Es ist ratsam, IPerf direkt unter c:\ abzulegen. Um das Programm aufzurufen, muss zuerst die DOS-Eingabeaufforderung gestartet werden. Das DOS Fenster kann über Start -> Ausführen aufgerufen werden, indem in der Eingabeaufforderung cmd eingeben wird. Nun muss in das Verzeichnis gewechselt werden, in dem Iperf abgelegt wurde. Um in das nächst höhere Verzeichnis zu wechseln, geben Sie cd... (Change Directory) ein. Um in das nächst tiefere Verzeichnis zu wechseln, geben Sie cd Verzeichnisname ein. Für eine Durchsatzmessung muss Iperf auf einem Laptop als Server gestartet werden. Geben Sie dazu iperf.exe s ein. Auf dem anderen Laptop muss Iperf als Client gestartet werden. Seite 9 von 16 April 2006

11 Für den Clientmodus wird die IP-Adresse des IPerf-Servers benötigt. Geben Sie dazu iperf.exe c Server-IP-Adresse ein. Anschließend startet IPerf die Messung automatisch, sofern die Verbindung zum anderen Rechner per LAN oder WLAN steht. Wenn Sie später Optionen verändern wollen, geben Sie Ipfer.exe s (für den Server) oder Ipfer.exe c (für den Client) ein und fügen dahinter die gewünschte Option ein. Dies könnte zum Beispiel Iperf.exe s d lauten, um einen gleichzeitigen, bidirektionalen Bittest durchzuführen 4. Versuchsdurchführung Messaufbau ohne Repeater Verwendet werden ein Access Point (D-Link MIMO) und zwei Notebooks. Der Access Point steht an einer geeigneten Stelle im Raum, die frei gewählt werden kann. An diesem Access Point werden die Notebooks per LAN, bzw. WLAN angebunden. Das WLAN ist dabei nicht verschlüsselt, da dies bei diesem Versuch grundsätzlich keine Rolle spielt, da die eigentliche und ungestörte Bandbreite im WLAN gemessen werden soll und eine Verschlüsselung die Bandbreite künstlich drosseln würde. Durch die verschiedenen Durchsatzmessungen soll der Einfluss der Verbindungsart (LAN oder WLAN) auf den Datendurchsatz untersucht werden Durchsatzmessung LAN-WLAN ohne Repeater Schalten Sie den Access Point ein. Konfigurieren Sie den Access Point wie unter Konfiguration der Netzwerkgeräte beschrieben. Verbinden Sie Notebook 1 per LAN mit dem Access Point. Verbinden Sie Notebook 2 per WLAN mit dem Access Point. (Unter Umständen muss das Laptop manuell mit dem Access Point verbunden werden. Öffnen Sie dazu die WLAN-Eigenschaften. Wählen Sie die Option Mit unsicherem Netzwerk verbinden aus) Führen Sie eine Durchsatzmessung mit Iperf durch. Speichern Sie das Ergebnis. Seite 10 von 16 April 2006

12 Abb : Messaufbau LAN-WLAN, ohne Repeater 4.2. Durchsatzmessung WLAN-WLAN ohne Repeater Verbinden Sie beide Laptops per WLAN mit dem Access Point. Führen Sie eine Durchsatzmessung mit Iperf durch. Speichern Sie das Ergebnis Abb : Messaufbau WLAN-WLAN ohne Repeater 4.3. Durchsatzmessung WLAN-WLAN mit Repeater Durch diese Durchsatzmessungen soll der Einfluss des Repeaters auf den Datendurchsatz untersucht werden. Seite 11 von 16 April 2006

13 Der Standort des Repeaters wird mit Hilfe von Network Stumbler bestimmt. Bei der Messung ist es wichtig, dass sich ein Laptop komplett außerhalb des Empfangsbereiches des Access Points befindet, so dass sichergestellt ist, dass das empfangene Signal nun nur noch über den Repeater kommen kann. Verbinden Sie Laptop 1 per WLAN mit dem Access Point. Starten Sie auf Laptop 2 Network Stumbler. Stellen Sie den Repeater an einer Stelle auf, an der das Signal des Access Point niedriger als -70dB / -80dB ist. Konfigurieren Sie den Repeater. Verlassen Sie mit Laptop 2 komplett den Empfangsbereich des Access Point. Überprüfen Sie dies mit Network Stumbler. Verbinden Sie Laptop 2 per WLAN mit dem Repeater. Führen Sie eine Durchsatzmessung mit Iperf durch. Speichern Sie das Ergebnis. Abb : Messaufbau WLAN-WLAN mit Repeater 4.4. Ethereal Protokollanalyse mit Repeater im Netzwerk Bei dieser Messung soll die Beteiligung des Repeaters in der Kommunikation zwischen den einzelnen Netzwerkgeräten untersucht werden. Bauen Sie die Geräte dazu wie bei der WLAN-WLAN - Durchsatzmessung auf, siehe auch Abbildung Das dritte Laptop soll als Scanner eingesetzt werden auf dem Ethereal als Protokollanalyse eingesetzt wird. Seite 12 von 16 April 2006

14 Abb Um möglichst wenige nicht benötigte Pakete der Datenübertragung der einzelnen Geräte aufzuzeichnen, empfiehlt es sich, die Ethereal-Aufzeichnung unmittelbar vor Beginn einer Datenübertragung zu starten und unmittelbar nach deren Beendigung zu stoppen. Als Datenübertragung soll eine Durchsatzmessung mit Iperf dienen. Starten Sie Etherreal auf dem als Scanner eingesetzten Laptop. Starten Sie Iperf auf den anderen beiden Laptops. Starten Sie die Ethereal-Aufzeichnung. Starten Sie eine Durchsatzmessung mit Iperf. Beenden Sie die Ethereal-Aufzeichnung direkt nach der Durchsatzmessung. Anhand der Ethereal-Aufzeichnung soll untersucht werden - Ob, bzw. wie sich der Repeater im Netz anmeldet und sich dort verhält. - Ob, bzw. wie sich der Repeater bei der Datenübertragung im Netzwerk bemerkbar macht Seite 13 von 16 April 2006

15 5. Einstellungen der Netzwerkgeräte 5.1. Konfiguration der Netzwerkkarten Für die Versuche ist es ratsam, eine feste IP-Adresse zu vergeben. Um die Netzwerkkarten zu konfigurieren, gehen Sie wie folgt vor: Öffnen Sie die Netzwerkverbindungen. Wählen Sie dort die zu konfigurierende Netzwerkkarte aus. Wählen Sie unter Eigenschaften die Einstellung Internetprotokolle (TCP / IP) aus. Vergeben Sie eindeutige IP-Adressen im Adressbereich X für die LANsowie die WLAN-Karten, anhand derer Sie die Laptops identifizieren können. Als Standardgateway wählen Sie die IP-Adresse des Access Point Geben Sie für den bevorzugten DNS-Server ebenfalls die IP-Adresse des Access Point ein Konfiguration des Access Points Um den Access Point zu konfigurieren, öffnen Sie einen Internet-Browser. Der Access Point ist unter der IP-Adresse erreichbar. Der Benutzername lautet admin, ein Kennwort ist nicht vorhanden. Sollte die IP-Adresse des Access Point verstellt sein, kann dieser folgendermaßen auf die Werkeinstellungen zurückgesetzt werden: Trennen Sie den Access Point vom Strom. Halten Sie den Resetknopf auf der Rückseite min. 10 sec. gedrückt, während Sie den Access Point am Strom anschließen. Dieser Vorgang dauert 4 Minuten! Register: Home Menü: Wireless Im Allgemeinen sollte Wireless Radio aktiviert sein. Über die SSID (Service Set Identification) lässt sich später das WLAN identifizieren. Geben Sie eine SSID ein. Unter Channel lässt sich der Arbeitskanal des Access Point einstellen. Wählen Sie, ggf. mit Hilfe von Network Stumbler, einen freien Kanal aus. Mit SSID Broadcast können Sie auswählen, ob der Access Point die SSID sendet. Aktivieren Sie diese Option. Mit Authentication und WEP können sie das WLAN gegen unbefugten Zugriff absichern. Deaktivieren Sie diese Optionen. Menü: DHCP Deaktivieren Sie den DHCP-Server Register: Advanced Überprüfen Sie, ob die Optionen Virtual Server und Applications deaktiviert sind. Register: Status Hier können nach der Konfiguration die eingestellten Parameter überprüft werden Konfiguration des Repeaters Um den Repeater zu konfigurieren, öffnen Sie einen Internet-Browser. Der Repeater ist unter der IP-Adresse erreichbar. Der Benutzername lautet admin, ein Kennwort ist nicht vorhanden. Seite 14 von 16 April 2006

16 Sollte die IP-Adresse des Repeaters verstellt sein, kann dieser folgendermaßen auf die Werkeinstellungen zurückgesetzt werden: Trennen Sie den Repeater vom Strom. Halten Sie den Resetknopf auf der Rückseite min. 10 sec. gedrückt, während Sie den Repeater am Strom anschließen. Register: Home Hier erhalten Sie eine Übersicht über die eingestellten Parameter. Register: Network Hier können die IP-Adresse, die Subnetzmaske sowie das Gateway verändert werden. Geben Sie als Gateway die IP-Adresse des Access Point ein. Register: Wireless Der Repeater selbst spiegelt lediglich den Access Point wieder. Er greift selbst nicht in die Kommunikation ein. Dazu muss der Repeater allerdings die gleichen Parameter benutzen wie der Access Point. Geben Sie hier exakt die gleichen Parameter wie bei dem Access Point ein. Seite 15 von 16 April 2006

17 6. Quellen Seite 16 von 16 April 2006

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