Mobiles PROFINET mit schnellen Zellwechseln in großflächigen industriellen WLAN Netzwerken Aktueller Stand und Perspektive

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1 Mobiles PROFINET mit schnellen Zellwechseln in großflächigen industriellen WLAN Netzwerken Aktueller Stand und Perspektive M.Sc. H. Trsek, init - Institut Industrial IT (FH LuH), Lemgo Prof. Dr.-Ing. J. Jasperneite, init - Institut Industrial IT (FH LuH), Lemgo Kurzfassung Industrielle Automatisierungsnetzwerke verwenden auch in der Feldebene in zunehmendem Maße Echtzeit-Ethernet Technologien, wie z.b. PROFINET, zur Kommunikation. Um nun mobile Anlagenteile integrieren zu können, kommen immer häufiger drahtlose Technologien zum Einsatz. Bei großflächigen Anlagen bietet sich insbesondere der WLAN Standard an, da dieser ein Roaming zwischen verschiedenen Zellen ermöglicht. Dieser muss allerdings, je nach Applikation, innerhalb von 10 bis 50 ms abgeschlossen sein, damit es nicht zu einem Abbruch der Verbindung zwischen den beiden Kommunikationspartnern kommt. Angesichts der verwendeten Security Mechanismen, wie z. B. IEEE 802.1x-Authentifizierung, ist es mit aktuellen standardkonformen Implementierungen sehr schwierig, diese Anforderung einzuhalten. In dem Beitrag werden zunächst der aktuelle Stand der Technik an konkreten Implementierungen konventionell aufgebauter WLAN-Strukturen und eines Switched-WLAN Systems reflektiert. Die Zeitkomponenten werden analysiert und Lösungsansätze zur Optimierung werden aufgezeigt. Abstract The communication part in industrial automation networks at the field level is more and more realized by means of realtime Ethernet such as PROFINET and appropriate wireless technologies are used to integrate mobile devices seamlessly. The WLAN standard is used in particular for plants which need a large coverage area, because of its roaming capabilities. However, the roaming procedure must be completed within 10 to 50 ms, depending on the targeted application, in order to avoid a termination of the existing communication relationship. It is very challenging to maintain these boundaries with existing implementations, due to the utilized security mechanisms like IEEE 802.1x-authentication. This paper summarizes the current state of the art by means of concrete implementations of a legacy WLAN and a new switched WLAN. Furthermore, the different parts of the roaming process are analyzed and prospective approaches for optimizations are shown.

2 1. Einleitung Die Kommunikation in industriellen Automatisierungsnetzwerken wird auch auf der Feldebene in zunehmendem Maße durch Echtzeit-Ethernet Technologien, wie z.b. PROFINET, realisiert. In Abhängigkeit der industriellen Anwendung sind hierfür vorhersagbare Zykluszeiten bzw. Aktualisierungszeiten im Bereich weniger Millisekunden erforderlich, die von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden können. Das für den zyklischen Prozessdatenaustausch zugrunde liegende Konzept basiert bei PROFINET auf dem Provider-Consumer-Modell. Nach dem erfolgreichen Aufbau einer Kommunikationsbeziehung zwischen dem Provider und dem Consumer mit entsprechend vereinbarten Parametern, stellt der Provider dem Consumer zyklisch und ohne weitere Aufforderung Nutzdaten zur Verfügung. Die Kommunikation wird permanent vom Consumer auf das regelmäßige Eintreffen der Daten innerhalb eines definierten Überwachungsintervalls überprüft und führt beim Ausbleiben der Daten zum Abbruch der Verbindung. Die gesamte Reaktionszeit des Systems setzt sich aus der Datenbereitstellung im Provider, die notwendige Verarbeitung in dessen Kommunikationsstapel, der Übertragung zum Consumer und die Verarbeitung dort zusammen und wird daher wesentlich durch die Verzögerung der Übertragungsstrecke mitbestimmt. Insbesondere beim Einsatz von drahtlosen Technologien ist diese Verzögerung signifikant und meist nicht vorhersagbar und muss daher detailliert betrachtet und analysiert werden. Gleichwohl bringt der Einsatz von drahtlosen Kommunikationsnetzen eine Vielzahl an Vorteilen [3] hinsichtlich der Flexibilität, der Kostenreduktion und der gestiegenen Mobilität mit sich, so dass drahtlose Technologien eine immer größere werdende Akzeptanz bei industriellen Anwendern erreichen. Anwendungsbeispiele für drahtlose Netzwerke, die auf dem WLAN Standard basieren, findet man u. a. in der Gespäckstück Logistik oder aber bei Transportsystemen wie der Einschienenhängebahn. Beide Anwendungen erstrecken sich über einen sehr ausgedehnten geografischen Bereich, der nicht mit einem einzelnen drahtlosen Zugangspunkt abgedeckt werden kann und somit die Bildung mehrerer Zellen erfordert. Aufgrund ihrer Ähnlichkeit zum Ethernet eignet sich die WLAN-Technologie weiterhin in besonderem Maße für die transparente Integration mobiler Anlagenteile in vorhandene großflächige PROFINET Infrastrukturen. In diesem Beitrag wird zunächst der aktuelle Stand der Technik anhand konkreter Implementierungen konventionell aufgebauter WLAN-Strukturen und eines Switched WLAN Systems reflektiert. Die entstehenden Zeitkomponenten bei einem Zellwechsel werden ausführlich analysiert und Lösungsansätze zur Optimierung werden aufgezeigt. Hierfür wurde ein Testsystem realisiert, welches aus einer PROFINET Infrastruktur und entweder

3 aus einem Switched WLAN oder aber aus einem herkömmlichen WLAN besteht. Über die vorhandenen Access Points können mehrere drahtlos angebundene, mobile Komponenten in das Automatisierungssystem integriert und deren Echtzeitverhalten im Bezug auf die entstehenden Antwortzeiten während eines Zellwechsels bestimmt werden. 2. Konventionelle WLAN Infrastruktur Herkömmliche WLAN Infrastrukturen sind zellbasiert und können aus einer Vielzahl dezentraler Access Points (APs) bestehen, die über ein gemeinsames drahtgebundenes Netzwerk, dem distribution system (DS), miteinander verbunden sind. Jeder Client ist mit seinem erreichbaren AP assoziiert und formen ein basic service set (BSS). Die einzelnen BSSs werden wiederrum durch das DS zu einem extended service set (ESS) erweitert und können so sehr große Bereiche abdecken. Die gesamte Intelligenz innerhalb des ESS ist jeweils in den verteilten APs konzentriert, d.h. die einzelnen Clients sind immer nur mit dem jeweilig erreichbaren AP authentifiziert und assoziiert. Die anderen APs des ESS besitzen keinerlei Informationen über benachbarte Zellen. Folglich müssen sich Clients, die ihre Zelle wechseln, an dem neuen AP komplett authentifizieren und assoziieren. Ein mögliches Szenario für Anwendungen der industriellen Automatisierung ist in Bild 1 dargestellt. Es besteht aus einem drahtgebundenen PROFINET Infrastruktur mit einer drahtlosen Erweiterung für vorhandene mobile Anlagenteile. Bild 1: Herkömmliche WLAN Infrastruktur in großflächigen Anlagen Die drahtlose Erweiterung kann jedoch, bedingt durch die folgenden Ursachen, zu einem erheblichen Anstieg der Reaktionszeiten führen. Die Medienzugriffszeiten in WLAN

4 Infrastrukturen sind nicht vorhersagbar und abhängig von der aktuellen Kanallast. Dieses Problem wurde aber mit der Einführung der Standarderweiterung e adressiert und kann damit die Einhaltung vorgegebener Zeiten innerhalb einzelner WLAN-Zellen bereits garantieren. Eine weitere ungelöste Problemstellung sind die auftretenden Verzögerungen beim Zellwechsel. In ausgedehnten Anlagen, ist es unerlässlich, dass sich das WLAN über mehrere Zellen erstreckt. Damit besteht für die mobilen Teilnehmer die Notwendigkeit des Zellwechsels, welcher in herkömmlichen Netzen durch die Suche eines neuen Access Points (AP) und die erneute Authentifizierung des Clients Verzögerungen im Bereich mehrerer Sekunden hervorruft. Um aber eine vorhandene PROFINET Verbindung nicht zu unterbrechen, muss dieser Roaming-Vorgang auf eine Zeit reduziert werden, die von der Anwendung toleriert werden kann. 3. Switched WLAN Infrastruktur Durch den Einsatz eines zentralen WLAN Controllers kann der Roaming Vorgang erheblich beschleunigt werden. Bei einem konventionellen WLAN System ist ein einzelner Client immer nur mit dem erreichbaren AP authentifiziert und assoziiert. Daraus folgt eine komplett neue Authentifizierung und Assoziierung bei einem Wechsel in eine benachbarte Zelle, welches bei Verwendung entsprechender Sicherheitsmechanismen (IEEE i [7]7.[7]) zu großen Latenzzeiten führt. Außerdem sind die aufwendige Administrierung und das Management solcher großflächiger WLANs, die meist aus sehr vielen APs bestehen, ein großes Problem. Das Konzept des Switched WLAN wird schon seit einiger Zeit erfolgreich in Büroumgebungen eingesetzt und kann hier Abhilfe schaffen. Ein Switched WLAN besteht aus einem zentralen access controller (AC) und den angeschlossen APs, die in diesem Kontext als wireless termination points (WTP) bezeichnet werden. Die Kontrolle und die Kommunikation des AC mit den angeschlossenen WTPs erfolgt über ein Protokoll, welches seit einiger Zeit von der CAPWAP Arbeitsgruppe (Control and Provisioning of Wireless Access Points) [9] innerhalb der IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelt und ausführlich diskutiert wird. In herkömmlichen WLANs besteht häufig ein weiteres Problem in der aufwendigen Administration, da jeder AP individuell verwaltet und gewartet werden muss. Dafür ist in den meisten Fällen qualifiziertes Personal erforderlich, damit im Fall eines Fehlers und daraus resultierenden AP Wechsels die notwendige Konfiguration neu erstellt werden kann. Außerdem stellen die APs ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, weil sie sicherheitsrelevante Daten enthalten können, die durch Diebstahl dem potentiellen Angreifer zur Verfügung stehen.

5 Bild 2: Switched WLAN Ansatz und seine verschiedenen Architekturen Daher hat die CAPWAP Arbeitsgruppe verschiedene Architekturen [10] spezifiziert, die einen Teil der AP-Funktionalitäten in den AC verlagern, um über diese zentrale Instanz eine Verwaltung bereitstellen zu können. Diese beinhaltet zum einen Aufgaben der Administrierung für einen einfacheren Betrieb, Wartung und Konfiguration. Zum anderen werden auch alle assoziierten Clients zentral verwaltet, welches die auftretenden Latenzzeiten während des Roamings signifikant verkürzt. Bild 2 zeigt die spezifizierten Architekturen für ein Switched WLAN im Vergleich zu einem herkömmlichen WLAN. Es werden drei verschiedene Ansätze in [10] beschrieben, eine Local MAC, eine Split MAC und eine Remote MAC. Die Local MAC belässt alle WLAN Funktionalitäten im WTP und verlagert nur die Konfiguration und das Management in den AC. Bei der Split MAC verbleiben nur die echtzeitkritischen Funktionen (z. B. Beaconerzeugung, Retransmissions, usw.) im WTP. Die übrigen, die Konfiguration und das Management werden in den AC verlegt. Bei der Remote MAC dient der WTP lediglich als Transceiver, der nur den PHY Layer beinhaltet, sämtliche MAC Funktionalitäten werden im AC realisiert. Diese Variante wird allerdings nicht vom LWAPP unterstützt. Alle drei Architekturen haben dennoch zwei Merkmale gemeinsam. Zum einen werden die assoziierten Clients immer zentral verwaltet, so dass die meisten der anfallenden Management- und Monitoring-Aufgaben ausschließlich dem zentralen AC zufallen und zum anderen befindet sich der PHY Layer immer im WTP.

6 4. Zeitkomponenten des WLAN Handoffs Ein standardkonformer WLAN Roaming Vorgang kann in drei verschiedene Phasen unterteilt werden. Nach dem Abbruch der Verbindung startet der Client die probe phase, in der vorhandene APs gesucht werden. Dies geschiet durch aktives Senden von Probe Request frames oder durch passives Abhören der einzelnen Kanäle. Wird ein passender AP gefunden, startet die authentication phase, in der sich der Client gegenüber dem AP durch das Senden eines authentication requests und das Empfangen einer authentication response authentifiziert. Abschließend meldet sich der Client beim AP während der association phase an und die offene Authentifizierung ist abgeschlossen. Kommen die in i [7] spezifizierten Sicherheitsmechanismen zum Einsatz, kann nun eine weitere sichere Authentifizierung gegenüber einem Authentifizierungsserver erfolgen, welche zusätzliche Verzögerungen zur Folge hat, aber aus Security Aspekten unausweichlich ist. Der komplette Ablauf der 802.1x-Authentifizierung [4] ist in Bild 3 dargestellt und besteht aus der eigentlichen Authentifizierung, die Client und AP einen gemeinsamen Pairwise Master Key (PMK) zur Verfügung stellt und dem anschließenden 4-Wege Handshake. Dieser erzeugt aus dem vorhandenen PMK mehrere transiente Schlüssel, die dann für die Verschlüsselung des Datenverkehrs verwendet werden können. Bild 3: Ablauf der 802.1x-Authentifizierung Damit eine Bewertung der einzelnen Roamingphasen erfolgen konnte, wurden die Messungen wurden in drei verschiedenen Szenarien durchgeführt und die Roaming Prozesse detailliert aufgezeichnet. Weiterhin wurde die Anzahl der angemeldeten Clients

7 variiert, um unterschiedliche Kanallasten zu erzeugen. In dem ersten Szenario kamen herkömmliche APs zum Einsatz, die lediglich mit einem Switch verbunden waren. In dem zweiten wurde ein Switched WLAN System verwendet, bei dem die 802.1x-Authentifizierung nicht vorab (Pre-Authentication), also vor dem Roaming, durchgeführt werden konnte und keine PMKs zwischengespeichert (Key-Caching) wurden. Abschließend kam nochmals das Switched WLAN System zum Einsatz, allerdings wurden nun die beiden zuletzt genannten Mechanismen aktiviert. Bild 4: Roaming Verzögerungen in Abhängigkeit der assoziierten Stationen für verschiedene WLAN Architekturen Die gesamten Messergebnisse sind trotz unterschiedlicher Kanallasten nahezu konstant und variieren nur sehr wenig. Die erzielten Roaming Zeiten sind in Bild 4 zu sehen. Beim ersten Szenario wurde ein Maximalwert von 684,16 ms und ein Mittelwert von 636,98 ms für das Roaming gemessen. Beim zweiten lag der Maximalwert bei 347,85 ms und der Mittelwert bei 316,84 ms. Der maximale gemessene Wert bei Szenario 3 ist 86,26 ms und es wurde ein Mittelwert von 72,3 ms gemessen. Die Begründung für die starke Abweichung ist in Bild 5 ersichtlich. Es zeigt die einzelnen Komponenten des Roaming, unterteilt in Reassociation, 802.1x-Authentifizierung und 4-Wege Handshake. Szenario 3 erreicht die besten Ergebnisse aufgrund der entfallenen 802.1x Authentifizierung und einer sehr schnellen Assoziierung, Demgegenüber erreicht das herkömmliche System mit einer lang andauernden Assoziierung und der kompletten 802.1x-Authentifizierung die schlechtesten Werte. Daraus folgt, dass die gemessenen Werte des Switched WLAN System nur ca. 15% derer des normalen WLAN betragen und damit eine deutliche Verbesserung der gesamten Roamingzeit bedeuten.

8 Gesamt Re-Association Re-Authentication (802.1x) Key Exchange Roaming Verzögerung (ms) Normales WLAN Switched WLAN Switched WLAN with Pre-Auth. Szenarien Bild 5: Phasen des Roamings in verschiedenen Szenarien 5. Optimierungsansätze durch r Um die einzelnen Zeitkomponenten des Roamingvorgangs weiter zu verkürzen, werden hierfür zurzeit weiterführende Optimierungsansätze in der IEEE Taskgroup r diskutiert. Die aktuelle Spezifikation dieser Mechnismen liegt noch als Entwurf [8] vor, wird aber vorraussichtlich Anfang des nächsten Jahres ratifiziert. Der Entwurf r sieht vor, dass die lang andauernde Authentifizierung weitestgehend vor dem eigentlichen Roaming Prozess abgeschlossen ist. Der aktuelle Entwurf empfielt die Authentifizierung einer Station, und die damit einhergehende Erzeugung der Schlüssel, wenn sie sich erstmalig im ESS anmeldet. Anschließend wird der erzeugte Schlüssel an alle im Subnetz vorhandenen APs verteilt, so dass eine erneute Authentifizierung gegenüber einem Authentifizierungsserver entfällt. Der Roamingvorgang wird somit wesentlich beschleunigt. Bild 6: Roaming Vorgang nach IEEE r [8]

9 Außerdem wird der 4-Wege Handshake und die in IEEE e 7.[6] vorgesehenen traffic specifications sind in den (Re)-Assoziierungsprozess eingebettet und bewirken daher eine weitere Reduzierung der Roaming Zeitdauer. Ein kompletter Roaming Vorgang wird in Bild 6 gezeigt. 6. Schlussfolgerung und Ausblick In diesem Beitrag wurde ein Vergleich einer zentralisierten WLAN Infrastruktur mit einem herkömmlichen WLAN hinsichtlich der entstehenden Roaming Verzögerungen und im Kontext industrieller Netzwerke durchgeführt. Die unterschiedlichen Ansätze für drahtlose Netzwerke wurden vorgestellt und durch Messungen mit beiden Systemen gegenübergestellt und bewertet. Mit dem Switched WLAN System konnten durch die vorab durchgeführte Authentifizierung erheblich kürzere Roamingzeiten, mit einem Mittelwert von 72,3 ms im Vergleich zu 636,98 ms beim herkömmlichen WLAN, erreicht werden. Es sollte allerdings beachtet werden, dass weiterhin eine starke Abhängigkeit der erreichbaren Zeiten zum verwendeten Client System besteht, weil der Client die Roamingzeit durch seine Zellwechselentscheidung signifikant mitbestimmt. Außerdem bietet ein Switched WLAN System weitere Vorteile hinsichtlich der Verwaltung, der Sicherheit (z.b. Erkennung von nicht erlaubten APs) und WLAN-Netzplanung. Hierzu zählt u.a. eine dynamische Anpassung der Kanäle aller angeschlossenen WTPs durch den zentralen AC, um Interferenzen zu vermeiden. In folgenden Arbeiten sollen die in dem Entwurf des IEEE r Standard spezifizierten Mechanismen durch simulationsbasierte Studien getestet und im Vergleich zu den vorhandenen Mechanismen bewertet werden. Da hierfür noch keine geeigneten Simulationsmodelle verfügbar sind, müssen diese zunächst entwickelt und validiert werden. 7. Literaturangaben [1] H. Trsek, J. Jasperneite: "Leistungsbewertung einer zentralisierten WLAN Infrastruktur für mobile Anwendungen mit Echtzeit Anforderungen in industriellen Automatisierungsnetzwerken", Wireless Technologies 2006, Dortmund. [2] H. Trsek, J. Jasperneite: "A Simulation Case Study of the new IEEE e HCCA mechanism in Industrial Wireless Networks", 11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 2006), Prague, September 20-22, 2006.

10 [3] J. Jasperneite, J. Weczerek: "Einsatz von Wireless-IO s in der Automatisierungstechnik - Anforderungen und Realisierung-", GMA Fachtagung "Funkgestützte Kommunikation in der industriellen Automatisierung", Mai 2004, Düsseldorf. [4] Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Std x Standards for Local and Metropolitan Area Networks, Port-Based Network Access Control, [5] Institute of Electrical and Electronics Engineers. ANSI/IEEE Std Edition - Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, [6] Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Std e Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications. Amendment 7: Medium access control (MAC) Quality of Service enhancements, [7] Institute of Electrical and Electronic Engineers. IEEE Std i-2004 Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications. Amendment 6: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements, [8] Institute of Electrical and Electronic Engineers. IEEE Std r D5.0 Draft Amendment Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: Fast BSS Set Transition, [9] Internet Engineering Task Force. RFC 3990 Problem Statement: Objectives for Control and Provisioning of Wireless Access Points (CAPWAP), Februar [10] Internet Engineering Task Force. RFC 4118, Architecture Taxonomy for Control and Provisioning of Wireless Access Points (CAPWAP), Juni [11] Kassab, M., Belghith, A., Bonnin, J., Sassi, S. Fast Pre-Authentication Based on Proactive Key Distribution for Infrastructure Networks. Proceedings of the 1st ACM workshop on Wireless multimedia networking and performance modeling, October 2005, pp