Lokalisierung durch Messung von WLAN-Signallaufzeiten

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1 Lokalisierung durch Messung von WLN-Signallaufzeiten Mario Haustein Chemnitzer Linux-Tage 19. März 2011 Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 nliegen Wie funktioniert eine Laufzeitmessung überhaupt? Wie geht das unter Linux? Welche Software benötigt man dazu? Sind Patches notwendig? Wenn ja wo? Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

2 Einleitung Motivation GPS kann in Gebäuden nicht zur Lokalisierung eingesetzt werden. WLN ist eine weit verbreitete Infrastruktur. Nutzen WLN zur Lokalisierung. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit c aus. r = c t Diese Korrelation ist sehr stark. Feldstärken-Werte sind ebenfalls mit der Entfernung korreliert. Sie werden aber durch bauliche Gegebenheiten stark gestört. Es gab bereits ähnliche nsätze. 1 1 vgl. ndré Günther; Christian Hoene: Measuring Round Trip Times to Determine the Distance Between WLN Nodes In: NETWORKING S Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Einleitung nforderungen Ziel: Weite Verbreitungsmöglichkeit sicherstellen. Keine Spezial-Hardware Off-the-shelf Keine Hardware-Modifikationen Keine Firmware-Modifikationen Reine Software-Lösung Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

3 Theorie Laufzeitmessung (allgemein) Wie misst man die Signallaufzeit? Time-of-Flight-Verfahren: Nachrichtenaustausch B T 1 T 1 R R T 2 T 2 B Es ist keine Uhrensynchronisation notwendig. = T 2 T 1 = (T 1 T 1 ) + (R T 1 ) + (T 2 R ) + (T } {{ } } {{ } } {{ } 2 T 2 ) = 2t + d + g } {{ } t d g t Nach Umstellen erhält man: t = 1 2 ( d g) Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Theorie Laufzeitmessung (WLN) Die IEEE MC-Schicht IEEE stellt den Zustellung von Frames bereits auf MC-Ebene sicher. TX RX DT 2t + SIF S B TX RX SIF S CK Dieser Mechanismus stellt eine TOF-Sequenz dar. Wurde bereits in der Vergangenheit zur Lokalisierung genutzt. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

4 Theorie Laufzeitmessung (WLN) Das NULL-CK-Verfahren NULL-Frames transportieren keine Nutzlast. Sie dienen der Umsetzung von Stromsparfunktionen. TX RX NULL 2t + SIF S B TX RX SIF S CK + Keine ssoziierung mit dem ccess Point notwendig + Keine Belastung des Netzwerks hinter dem ccess Points + Keine Beeinflussung durch Verschlüsselung - Erzeugung nicht so einfach wie bei DT-CK-Sequenzen Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Theorie Laufzeitmessung (WLN) Das RTS-CTS-NULL-CK-Verfahren RTS-CTS-Handshakes regulieren den Medienzugriff. 4t + 3 SIF S + d RTS + d CTS + d DT SIF S TX RX RTS DT B TX RX CTS CK SIF S SIF S Signallaufzeit t geht vier statt zwei mal ein. Müssen Möglichkeit schaffen, ein RTS-CTS-Handshake auszuführen. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

5 WLN unter Linux MC80211 MC80211 Mit Version in den Linux-Kernel aufgenommen. Verwaltet u.a. Netzwerkinterfaces (VIF) von Wireless LN daptern (PHY). Die Treiber erfüllen nur noch Backend-Funktionen. $ iw phy phy0 interface add wlan0 type managed $ iw phy phy0 interface add mon0 type monitor wlan0 mon VIFs MC80211 phy0... PHYs Jedes VIF arbeit in einem bestimmten Modus In den Modi managed, ibss und master werden Ethernet-Frames ausgetauscht. Im Modus monitor werden Radiotap-Frames ausgetauscht. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 WLN unter Linux MC80211 Monitor-Schnittstellen m Monitor-Interface können alle eingehenden Frames beobachtet werden. Sogar die Gegenrichtung ist möglich: Einschleusen (manipulierter) Frames. Das Radiotap-Protokoll ustausch von Metainformationen a zwischen nwendung und MC80211 Kanal, TSF-Zeitstempel Bitrate TX-Flags a vgl. Der TSF-Zähler Nach Kapitel 1.11 in IEEE in jedem WLN-dpater vorhanden. Viele Treiber vermerken für empfangene Frames den Wert des TSF-Zählers zum Zeitpunkt des Empfangs im Radiotap-Header. uflösung: 1 µs, Kein Jitter! Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

6 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen Frage Die uflösung des TSF reicht doch für eine nanosekundengenaue Messung gar nicht aus, oder? ntwort Doch! Wir müssen nur oft genug messen. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen T 1 et 1 T1 e + 1 T2 e 1 T 2 T2 e B Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

7 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen P e T 1 et 1 T1 e + 1 T2 e 1 T 2 T2 e o e hängt vom Offset o ab. Ist o gleichverteilt, folgt e einer Zweipunktverteilung (P... uflösung). 8 >< 0 < o fi fl P P < 1 P e = >: > o fi fl P P 1 P Es gilt: E[ e ] = Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen Laufzeitschätzung Der Schätzer ist erwartungstreu: = P n n i i=1 E[ ] = Die Genauigkeit hängt von n und P ab: D 2 [ ] = P n P ( 1 P ) P 2 n Bereits ab n = 1000 erhält man brauchbare Schätzungen. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

8 Implementierung Zeitstempel & Zeitquellen Die Notwendigkeit eines Monitor-dapters Problem Die TOF-Methode benötigt Sendezeitstempel. Sendezeitstempel können nicht ohne Weiteres erfasst werden. Lösung Ein zweiter Monitor-dapter in Nähe von M B Bei M müssen nur Empfangsereignisse gemessen werden. Die Uhr von M erfüllt die notwendige Unabhängigkeit. Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Wie kommt man an die Zeitstempel heran? Die Zeitstempel stehen im Radiotap-Header. Zunächst ein Monitor-VIF für M anlegen... $ ip link set Interface up $ iw dev Interface set channel Kanal $ iw dev Interface interface add monif type monitor $ ip link set monif up... dann Wireshark starten $ tshark -i mon -w mon. pcap -f \ "( wlan addr1 B and wlan addr2 and subtype null ) \ or ( wlan addr1 and subtype ack )" Die NULL-CK-Sequenzen sind jetzt in mon.pcap gespeichert. Keine Patches notwendig Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

9 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Und wie kommen die NULL-CK-Sequenzen zu Stande? NULL-Frames können über Monitor-VIFs eingeschleust werden. Im Radiotap-Header wird festgelegt: Bitrate RTS-CTS-Handshake Notwendige Kernel-Patches: Bitrate für eingeschleuste Frames 2 zzgl. Korrekturpatch RTS-CTS-Handshake vor eigentlichem Frame ausführen Umgehung treiberspezifischer Rate-Control-lgorithmen... Es wird wieder ein Monitor-VIF für benötigt. $ ip link set Interface up $ iw dev Interface set channel Kanal $ iw dev Interface interface add injif type monitor $ ip link set injif up 2 Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Und wie kommen die NULL-CK-Sequenzen zu Stande? Zum Einschleusen von Frame kann libpcap genutzt werden. v o i d inject ( char * iface, unsigned i n t cnt, uint8_t * frame, unsigned i n t len, unsigned l o n g delay ) { char errbuf [ PCP_ERRBUF_SIZE ]; pcap_t * pcap ; i n t result ; unsigned i n t i; strcpy ( errbuf, ""); pcap = pcap_open_live ( iface, 800, 1, 20, errbuf ); f o r (i = 0; i < cnt ; i ++) { result = pcap_inject ( pcap, frame, len ); usleep ( delay ); } } pcap_close ( pcap ); 2 Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

10 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Die uswertung von NULL-CK-Sequenzen Hier kann wieder Wireshark eingesetzt werden (Export als CSV-Format). $ tshark -r mon. pcap -T fields -E header = n -E separator =, \ -e frame. number -e frame. len \ -e radiotap. mactime -e radiotap. datarate \ -e wlan. fc. type_subtype -e wlan. ta \ -e wlan.sa -e wlan.da \ -e wlan. bssid... Weiteres Vorgehen 1. NULL-CK-Sequenzen identifizieren. 2. e berechnen. 3. Messfehler filtern. Keine Patches notwendig Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Implementierung Erfassung, Erzeugung & uswertung Die Software-seitige Umsetzung ktuell nur Proof-of-Concept-Code. Einfaches C-Programm nullinject Lua-Framework zum Erfassen, Erzeugen und uswerten der NULL-CK-Sequenzen Framework nsammlung von Hilfsfunktionen Bedienung über interaktive Lua-Shell $ cd messtool $ lua -i tool. lua Lua Copyright (C) Lua.org, PUC - Rio > mo = proc. nullack : prepare (" wlan2 ", { " wlan0 ", " wlan1 " }, 13) > mo: measure ("/ tmp / messung ", " MC v. B ", " BSSID ", 10000, 54, 1000) packets - > B via na_ ini ( bssid BSSID ) packets transmitted > mo: cleanup () > ^D $ Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

11 Versuchsergebnisse Ergebnisse 54 MBit/s, theros-usb-stick (TL-WN422G), ca bis 9000 Einzelmessungen pro Schätzung 49 b [µs] r [m] Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22 Versuchsergebnisse Ergebnisse 54 MBit/s, Intel-Karte (IWL6000), ca bis 9000 Einzelmessungen pro Schätzung b [µs] r [m] Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22

12 Ergebnisse usblick Eine Software-basierte Laufzeitmessung ist möglich! Nicht jede Hardware-Plattform ist dafür geeignet. Technische Schwierigkeiten erfordern ein zweites WLN-Gerät Kann evt. durch Firmwaremodifikationen behoben werden. Treiber mit quelloffener Firmware: carl In baulich schwierigen Umgebungen werden WLN-Signale reflektiert und haben einen längeren Funkweg. IEEE y setzt die Laufzeitmessung in Zukunft Hardware-seitig um. 3 Mario Haustein (Chemnitzer Linux-Tage) Lokalisierung durch WLN 19. März / 22