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1 Multicast in WLAN-Infrastrukturen Autor: Tobias Gieseke, Teldat GmbH IP Access WLAN ITK VoIP / VoVPN IT Security UC Unified Communications

2 WLAN-Infrastruktur in Krankenhäusern Im Zuge von IPTV und anderen Applikationen, welche Daten an mehrere (jedoch nicht an alle) Empfänger im Netzwerk senden, wird das Verfahren des Multicast immer wichtiger. Während im LAN die Probleme mit IGMP-fähigen Switchen und anderen Strategien weitestgehend behoben sind, ist Multicast in WLAN-Infrastrukturen immer noch ein Problem. Das Multicast-Verfahren wird neben dem Einsatz in Heimanwendungen wie IPTV oder Audio over IP, auch für professionelle Anwendungen genutzt, um gewisse Daten überall im Netzwerk zugänglich zu machen, wie beispielsweise bei drahtlosen Videoüberwachungssysteme. Im Wesentlichen gibt es zwei Problematiken, wenn Multicast zusammen mit WLAN eingesetzt wird: 1. Acknowledge Mechanismus bei Multicast Ausgehend von einem sehr einfachen Szenario, bestehend aus einem Access Point, der an ein LAN angeschlossen ist sowie mehreren WLAN-Clients, die in dieses WLAN eingebucht sind, entsteht ein Problem bei Applikationen, die ein verbindungsloses Protokoll nutzen wie beispielsweise UDP (Streaming). Im Falle des Unicastes vom LAN zum WLAN-Client wird, obwohl es sich um verbindungslose Kommunikation auf OSI-Schicht 3 handelt, jedes Paket auf Schicht 1 (WLAN) mit einem Acknowledgement quittiert. Kommt der ACK nicht zum Access Point zurück, wird dieses Paket noch einmal geschickt. Dieses Verfahren nennt sich ARQ, Automatic Repeat Request. Es ist zwingend notwendig, da eine Kollision der Pakete in der Luft nicht erkannt werden kann. WLAN ist daher ein CSMA/CA Medium. Das ARQ sorgt also dafür, dass WLAN Pakete wiederholt werden, wenn sie nicht beim Empfänger angekommen sind. Dies ist einleuchtend für Unicast Traffic und verbessert die Qualität der Übertragung deutlich. Das gilt auch für (auf OSI-Schicht 3) verbindungslose Kommunikation wie UDP, trotz der meist zeitkritischen Anwendung. Wird jetzt Multicast gesendet, muss dieser ARQ-Mechanismus laut IEEE abgeschaltet werden, da der Access Point natürlich nicht wissen kann, welcher seiner Clients den Multicast empfängt und wieviel ACKs er somit empfangen müsste. Eine Quittierung der Pakete im WLAN findet bei Multicast also nicht statt, was die Verlässlichkeit der Übertragung reduziert. Somit kommt es bei Multicast in Kombination mit WLAN häufiger zu Verlusten in der Übertragung als bei Multicast im kabelgebundenen LAN. Eine Umgehung des Problems ist bisher nur mit proprietären Softwareimplementierungen möglich. Eine Anpassung des IEEE Standards ist bisher nicht geplant.

3 2. Fluten der WLAN Zellen durch Multicast Betrachtet man nun eine ganze WLAN-Infrastruktur, also ein LAN mit mehreren angeschlossenen Access Points, ergibt sich ein weiteres, sehr offensichtliches Problem. In aller Regel arbeiten Access Points im Bridge Modus, d.h. sie funktionieren wie ein LAN-Switch, nur dass ein Port dieses Switches die WLAN Schnittstelle ist und ein oder mehrere Clients (Laptop, Mobiltelefone etc.) anschließt. Geht man jetzt davon aus, dass die Switche im LAN nicht Multicast-fähig sind (Stichwort: IGMP) würde ein Multicast-Stream in das ganze Netzwerk sozusagen gebroadcastet werden. Das ist im LAN weniger kritisch, da dort meist genügend Bandbreite zur Verfügung steht. Im WLAN hingegen ist, trotz IEEE n, die (Netto-) Bandbreite vergleichsweise gering. Wird jeder Multicast-Stream in jede WLAN-Zellen gesendet, ist natürlich die gesamte WLAN-Infrastruktur belastet. Darum sollte ein Multicast-Stream nur in jene Zellen gesendet werden, wo dieser auch angefordert ist. Dazu dient das IGMP. Dieses kann auf den LAN-Switches implementiert sein, aber auch professionelle Access Points unterstützten IGMP. Für den beschriebenen Fall ist besonders das IGMP Snooping von Bedeutung. Dieser Schnüffler erkennt, wenn ein Client (hier WLAN- Client) einen Multicast-Stream anfordert. Dazu sendet der Client einen IGMP Join. Somit schließt er sich einer Multicast- Gruppe an und der AP weiß damit, dass er diese Gruppe in sein WLAN verteilen muss. Hierbei ist es natürlich irrelevant, ob sich ein oder mehrere IGMP Querrier (Anfragende) in der Zelle befinden. Der Multicast Stream wird in jedem Fall nur einmal in die Zelle hinein übertragen und jeder, der sich selbst als Empfänger deklariert, kann dieses Stream nutzen. Steigt ein Client aus einer Multicast- Gruppe aus, muss er dieses mit einem IGMP leave kundtun. Verlässt der letzte IGMP Querrier seine Multicast-Gruppe wird die WLAN-Zelle nicht mehr von dem Multicast-Stream durchflutet. Wie man sieht, funktioniert das IGMP auf einem Access Point analog zu dem IGMP auf einem Switch. Folgendes Beispiel aus dem medizinischen Umfeld zeigt die Anwendung von Multicast in einer WLAN-Infrastruktur, bei der das IGMP zwingend notwendig ist: Patientendaten drahtlos übermitteln Moderne Krankenhäuser zeigen derzeit hohes Interesse an einer WLAN- Infrastruktur zur Erweiterung ihres vorhandenen LAN. Das WLAN wird meistens benötigt, um die sogenannte mobile Visite durchzuführen, oder um den Patienten das Internet direkt ans Bett zu bringen. Hersteller moderner Krankenhausgeräte gehen dabei sogar noch einen Schritt weiter. Sie nutzen die WLAN-Infrastruktur, um Patientendaten wie beispielsweise Herzfrequenz und Puls für jeden Arzt verfügbar zu machen. Die Herausforderung ist dabei, dass sich der Arzt, also das Ziel der Patientendaten, nicht immer an dem gleichen Ort aufhält. Deshalb müssen die Patientendaten überall verfügbar sein.

4 Bild 1: Patientendaten müssen durch das ganze Netzwerk geschickt werden, um den Arzt überall zu erreichen. Da die Patientendaten überlebenswichtig sein können, ist es zwingend notwendig, dass sie ohne Unterbrechung und mit hoher Priorität durch das WLAN gesendet werden. Das heißt, wiederum, dass das WLAN nicht zu hoch belastet werden darf, damit eine störungsfreie Übertragung der Daten möglich ist. Es stehen also zwei Herausforderungen gegenüber. Zum einen die Patientendaten an jeden Ort zu bringen und zum anderen die WLAN-Zellen durch das Broadcasten (verteilen der Daten in die Zellen) nicht zu sehr zu belasten. Um dies zu erreichen ist IGMP Snooping notwendig - diese Funktion ist meist nur in Access Points der professionelleren Schiene zu finden, wie beispielsweise bei den bintec W1002n von der Teldat GmbH, die darüber hinaus speziell für den Einsatz im medizinischen Umfeld zugelassen sind. Diese Kategorie von Access Points ist damit bestens geeignet, um eine Infrastruktur für die Patientenmonitore bereitzustellen und garantiert somit eine unterbrechungsfreie Übertragung der Daten in der ganzen Klinik. In einem gewöhnlichen Szenario würde ein Multicaststream, hier also die Patientendaten, das Gesamtnetzwerk fluten. Dies würde natürlich auch bedeuten, dass die Daten in die WLAN-Zellen geflutet werden, in denen sie gar nicht benötigt werden, weil sich dort kein Arzt aufhält. Geht man nun davon aus, dass sehr viele Patientenmonitore verwendet werden, beispielsweise auf einer Intensivstation, wird schnell klar, dass diese Menge an Patientendaten alle WLAN- Zellen im Krankenhaus dicht machen würden. Die Datenübertragung aus dem WLAN wäre nicht mehr gesichert.

5 Bild 2: Viele Patienten belasten die WLAN-Zellen, obwohl sie dort nicht gebraucht werden Das intelligente Multicasting im Access Point, genauer das IGMP Snooping, sorgt nun dafür, dass die Daten nur in die Zellen ausgesendet werden, in denen sie auch benötigt werden. Somit werden andere WLAN-Zellen nicht belastet und die störungsfreie Übertragung der überlebenswichtigen Daten gewährleistet. Bild 3: Das IGMP sorgt dafür, dass nur die Daten in die Zelle gesendet werden, die dort auch benötigt werden.

6 Natürlich gibt es für die Anwendung von WLAN im medizinischen Umfeld mehrere Voraussetzungen, die ein Access Point erfüllen muss. Besonders wichtig ist natürlich die medizinische Zulassung nach EN 60601, welche bescheinigt, dass das WLAN andere medizinische Geräte nicht stört. Multicast ist sicherlich nicht das einzige Thema über das man sich Gedanken machen muss, wenn man eine WLAN-Infrastruktur aufsetzt. Man sollte sich vorher im Klaren sein, ob Multicast im Netzwerk auftreten kann und wie stark sich dieser auswirken wird. Handelt es sich um ein Netzwerk mit erhöhtem Multicast-Verkehr, wie das genannte Beispiel aus dem Krankenhaus, sollte man dringend darauf achten, dass die eingesetzten Access Points IGMP Snooping beherrschen. Gerade im Multicast ist eine Übertragung über WLAN wesentlich unzuverlässiger (mehr Datenverluste) als über LAN, nicht zuletzt wegen anderer Geräte, die evtl. auf der gleichen Frequenz funken wie das eigene Netz. Daher sollte man darauf achten, dass die Anwendung, die über das WLAN laufen soll mit verlorenen Paketen zurrecht kommt. Gerade bei sicherheitskritischen Anwendungen ist eine gesicherte Übertragung überlebenswichtig. Kooperationspartner von Teldat Teldat GmbH bintec Südwestpark elmeg GmbH 94 Südwestpark Nürnberg, 94 Germany Nürnberg, Germany Tel. +49 (0) 911 / Telefon: Fax +49 (0) / Telefax: Internet: Patientendaten drahtlos übermitteln Technische Änderungen vorbehalten FA v / 2012

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