Netzwerke Teil 13: Wireless LAN

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1 Netzwerke Teil 13: Wireless LAN

2 Literatur [13-1] Kafka, Gerhard: WLAN. Hanser, 2005 [13-2] Roth, Jörg: Mobile Computing. dpunkt, 2002 [13-3] Kauffels, Franz-Joachim: Globale Netze. mitp, 2006 [13-4] [13-5] 2

3 Übersicht Mobile Computing WLAN * WLAN-Sicherheit 3

4 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I Jahr Beschreibung 150 v. Chr. Rauchzeichen 1794 Optischer Telegraph 1886 Elektromagnetische Wellen, Heinrich Hertz 1898 Drahtloser Telegraph, Guglielmo Marconi 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1926 Zugtelefon Strecke Hamburg - Berlin 1958 A-Netz Deutschland, analog, ca Nutzer 1972 B-Netz Deutschland, analog, ca Nutzer 1986 C-Netz Deutschland, analog, ca Nutzer 1991 DECT-Standard 1992 D-Netz Deutschland, GSM, 2. Generation 4

5 Geschichte der drahtlosen Kommunikation II Jahr Beschreibung 1994 E-Netz Deutschland, IrDA-Standard, 2. Generation 1996 Wireless ATM-Spezifikation 1997 WLAN nach UMTS -Spezifikation, 3. Generation 1999 WLAN nach a, Bluetooth 2000 GPRS, HYPERLAN/ I-mode in Deutschland 2004 UMTS in Deutschland :-) 2013 LTE 5

6 Mobile Computing Mobile Computing beschäftigt sich mit der Kommunikation, den Techniken und Anwendungen von nicht-ortsgebundenen Geräten. Es gibt es noch weitere Begriffe mit ähnlichen Inhalt: Ubiquitous Computing: Allumfassender Zugriff auf allgegenwärtige Computer siehe: Nomadic Computing: Konzentration auf Geräte, die mit den Benutzern bewegt werden, teilweise Mobil Computing genannt siehe: Ad hoc Networking: Konzentration auf technische Unterstützung des spontanen Kommunizierens über technische Geräte siehe: 6

7 Besondere Probleme mit dem Medium "Äther" Funknetze sind besonders störanfällig: Reflektionen Streuungen Beugungen Absorbierung Niedrige Datenraten Leichtes Mithören Hoheitliche Restriktionen Und auch: Da das Senden relativ viel Energie benötigt, gibt es noch Probleme mit den Batterien/Akkus. 7

8 Mobile Telephonie - Bemerkungen I Netze bestehen aus Zellen, z.b. D-Netz: max. 35 km (Entfernung zur nächsten Basisstation) E-Netz: max. 8 km Zelle = Bereich für das Senden und Empfangen einer fest installierten Basisstation (im Idealfall eine drei-dimensionale Halbkugel) Basisstation = Sender/Empfänger, der zusätzlich mit anderen Stationen erdgebunden oder per Richtfunk vernetzt ist Kosten-Beispiele D-Netz: ca. 4,5 Mrd. DM, D1: im Jahr 2000 ca Basisstationen E-Netz: ca. 7,5 Mrd. DM 8

9 Mobile Telephonie - Bemerkungen II Begriffe der Mobilen Telephonie: Handover = Wechsel der Zelle (bzw. Frequenz innerhalb eines Zelle) ohne Unterbrechung der Verbindung Roaming = Benutzung von Mobiltelefonen bei Providern ohne Vertrag (über Roaming-Verträge mit dem eigenen Provider wird die Benutzung ermöglicht) Roaming = Wechsel der Zelle beim WLAN, z.b. während einer örtlichen Bewegung (Begriff Roaming ist doppelt belegt) 9

10 Wireless LAN Wireless LAN (WLAN) hat zwei Bedeutungen: Oberbegriff für alle lokalen Netze, die auf Funk- oder Infrarot-Basis arbeiten Typ von Netzen, der durch die Arbeitsgruppe IEEE definiert wird Ein allgemeiner Begriff für Funk-Netze ist Radio Network. Diese umfassen jedoch alle funkbasierten Netzwerke, also auch Satellitennetze. 10

11 IEEE * - Einige Standards IEEE Leistung Jahr oder 2 Mbit/s b 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s (das eigentliche WLAN) a 54 Mbit/s d Anpassung an nationale Regelungen e MAC-Erweiterung, um besseres QoS und Power- Management zu erreichen f Kommunikation zwischen den Access Points g 54 Mbit/s h Höhere Datenraten i MAC-Erweiterung um bessere Authentifizierungs- und Sicherheitsmöglichkeiten n Nachfolger von 11g und 11a

12 Wireless LAN nach Drei Medien/Verfahren auf dem Physical Layer: Funk 2,4 GHz mit Frequenzsprungverfahren Funk 2,4 GHz mit Direct Sequence Infrarot Entfernungen Funk: Freies Gelände mit direkter Sicht: bis 300m Im Haus: bis 30m Entfernungen Infrarot: Im Haus: bis 10m Bei starkem Sonnenlicht ist kein Betrieb außerhalb Häusern möglich. 12

13 OSI-Einbindung Die Schichtenstruktur zeigt deutlich, dass es sich bei den WLANs um lokale Netze handelt, da lediglich die unteren beiden Schichten betroffen sind. Darüber hinaus gibt es noch das Orthogonal Frequency Division Multiplex- Verfahren (OFDM) als Alternative zu DSSS, FHSS etc. 13

14 Erläuterungen Die Teilschichten des Link-Layers: LLC (Logical Link Control) und MAC (Media Access Control) haben dieselbe Bedeutung wie beim Ethernet, nur dass hier eine andere MAC-Technik zur Anwendung kommt. Die LLC-Schicht ist für alle lokalen Netze gleich. Die physikalische Schicht ist in zwei weitere Unterschichten eingeteilt: Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) Diese Schicht verdeckt die Eigenarten der konkreten physikalischen Bitübertragung der darunter liegenden Schicht. Physical Medium Dependent (PMD) Die Schicht der Bitübertragung, für die es bei den WLANs drei alternative, inkompatible Varianten gibt: FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum Infrarot 14

15 Spreizspektrum (Spread Spectrum) Es wird ein breiteres Frequenzband als notwendig benutzt. Gründe: Größere Unempfindlichkeit gegen Störungen, wenn nur bestimmte Frequenzbänder gestört sind Bessere Schutzmethoden gegen Abhören möglich Methode stammt ursprünglich vom Militär. Im WLAN werden zwei Verfahren alternativ angewendet: FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum 15

16 Frequenzsprungverfahren (PMD) FHSS = Frequency Hopping Spread Spectrum Es wird ständig nach einem Pseudozufallsverfahren das Frequenzband gewechselt Fast Frequency Hopping: noch während der Übertragung eines Bits, mind. 2,5-mal pro Sekunde Slow Frequency Hopping: erst nach einigen Bits Verwendung der restlichen Bänder: Auf den nicht verwendeten Bänder wird Müll gesendet, oder: Diese stehen anderen Stationen zur Verfügung. 79 Bänder mit 1 MHz Breite In Frankreich, Spanien und Japan: 23 Bänder Ohne Kenntnis des Verfahrens und seiner Parameter erscheint einem Empfänger das Gesendete als Rauschen. 16

17 Direct Sequence I (PMD) DSSS = Direct Sequence Spread Spectrum Jedes Bit wird durch mehrere Bits dargestellt. Jedes zu sendende Bit wird mit Exclusiv-Oder mit einer pseudozufälligen Bitmaske bearbeitet. Das Resultat wird dann Chipping Code genannt. Das Ziel dieses Verfahrens ist dasselbe wie beim Frequenzhopping: neben erhöhter Abhörsicherheit eine höhere Redundanz gegenüber Störungen. In der Praxis hat sich DSSS gegenüber FHSS aufgrund des geringeren Hardware-Aufwands durchgesetzt. 17

18 Direct Sequence II (PMD) Das Originalsignal wird mit einer Sequenz von Pseudozufallsbits mit der XOR-Funktion (Exklusiv-Oder) verknüpft, d.h. da, wo das Original 1 ist, wird negiert, ansonsten das Original gelassen. Die Bits der Zufallsbitfolge werden Chips genannt. Üblich ist eine 11 bit lange Folge von Chipping-Bits, d.h. das Signal wird um Faktor 11 verlängert. 18

19 Arbeitsmodi der Kommunikation in einem Netz Ad Hoc-Mode (Distribution Coordination Function, DCF) Die Stationen kommunizieren direkt. Die Stationen müssen Kollisionen selbst behandeln. Kommunikation/Topologie des Netzes entsteht spontan. Infrastructure-Mode (Point Coordination Function, PCF) Die Stationen kommunizieren immer vermittelt über eine Basisstation (Access Point), die den Mittelpunkt einer Zelle bildet. In einem bestimmten Modus fragt die Basisstation alle Stationen nach einander ab, ob sie Daten senden wollen und gibt ihnen explizit dazu die Erlaubnis (Polling). Die Access Points können in einem LAN untereinander vernetzt sein (Verteilsystem) und können dadurch auch einen Zugang zu anderen Netzen (Portal) bieten. 19

20 Verteilsystem (Distribution System, DS) Das Verteilsystem selbst kann neben anderen terristrischen Netzen wieder Funk-LANs oder Richtfunk-Strecken benutzen. Im Ad hoc-modus gibt es kein Verteilsystem; die Stationen kommunizieren direkt ohne Access Points. 20

21 Erläuterungen Eine Zelle wird durch die Sende-/Empfangsreichweite einer Basisstation (Access Point) definiert. Innerhalb der Zelle wird ohne Weiterleitung durch eine Basisstation direkt kommuniziert. Basisstationen sind untereinander vernetzt; dieses Netz wird Verteilsystem genannt. Üblich: Access Point mit Bridge gekoppelt und mit Übergang ins sonstige Festnetz Zellen werden hier als Basic Service Set (BSS) bezeichnet. Als Extended Service Set (ESS) wird die Zusammenfassung aller Zellen und dem Verteilsystem bezeichnet. 21

22 Kollisionen I (MAC) Nicht jeder Knoten kann den anderen erreichen (Hidden Terminals), hier B und D: D ist von B nicht erreichbar, obwohl D die Kommunikation von C nach B mithören würde. D ist hinter C "versteckt". Wenn B und D gleichzeitig senden, gibt es eine Kollision im Bereich von C. Nicht jeder Knoten hört alles (Exposed Terminals), hier B sendet an A, so kann C parallel an D senden, da die Störungen von den Empfängern A bzw. D nicht gehört werden d.h. die Kommunikation klappt, obwohl es Kollisionen gibt. 22

23 Kollisionen II (MAC) Die skizzierten Phänomene sind deshalb möglich, weil bei Funk- LANs nicht wie bei TP/Koaxial-Kabeln eine Störung durch gleichzeitiges Senden zu einer Mischung, sondern zu einer Verdrängung führt, bei der das stärkere Signal das schwäche übertönt, d.h. die Collision Detect (CD)-Eigenschaft des Ethernet-Mediums liegt hier nicht vor. Ein Empfänger kann daher allein anhand des Signals nicht entscheiden, ob eine Kollision vorliegt. Es gibt noch weitere Möglichkeiten für Fehler aufgrund von Störungen (Reflektionen etc.). 23

24 CSMA/CA oder MACA(W) CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance MACA (W)= Multiple Access with Collision Avoidance (for WLAN) WLANs sehen folgende Zugriffsverfahren vor: 1. Einfaches CSMA/CA (DCF) ad hoc 2. CSMA/CA mit RTS/CTS (DCF) ad hoc 3. Point Coordination Function (PCF) - Infrastruktur-Modus Die ersten beiden werden unter Distributed Coordination Function (DCF) zusammengefasst, da sie keine zentrale Entscheidungsinstanz benötigen, was beim dritten Verfahren (PCF) nicht der Fall ist. 24

25 Einfaches CSMA/CA I Will ein Sender das Medium belegen, hört er es ab. Ist das Medium eine bestimmte Dauer (Interframe Space, IFS) nicht belegt, so wird angenommen, dass es frei ist. Ist das Medium belegt, wird solange gewartet bis es frei ist, dann noch eine gewisse IFS-Zeit sowie eine weitere zufallsbedingte Zeit. Ist das Medium dann frei, wird gesendet. Soll darauf geantwortet werden, wird das Warten der zufallsbedingten Zeit (letzter Punkt) ausgesetzt und stattdessen nach einer anderen festen IFS-Zeit begonnen. Es gibt verschiedene Werte für IFS: Diese Werte bestimmen gleichzeitig die Priorität des Zugriffs (je kürzer, desto höher): DIFS (DCF Interframe Space) = Standard-Wartezeit SIFS (Short Interframe Space)= kürzer als DIFS 25

26 Einfaches CSMA/CA II Alle vier Stationen wollen senden; durch Zufall konnte Station A belegen. Nach einer Wartezeit von DIFS werden Zufallswerte nach jeder Zeiteinheit herunter gezählt. Ist beim Wert von 0 das Medium frei, wird es belegt. Dies kann immer noch zu einer Kollision führen, wenn die Zufallszahlen initial gleich waren. 26

27 Einfaches CSMA/CA III Wird eine Kollision festgestellt, wird das Senden abgebrochen und eine neue Zufallszahl für die Wartezeit gewählt. Die betreffenden Paare bewerben sich dann von neuem um das Medium. Contention Window = Längst mögliche Wartezeit (größtmöglicher Zufallswert) Kleine Contention Windows erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, sind aber bei Unterlast effizienter. Große Contention haben die gegenteilige Auswirkung. Backoff Prozess = Vorgang der Wahl der Wartezeiten Exponential Backoff = Adaptives Backoff-Verfahren, bei dem nach jeder erneuten Kollision aus einer Wertereihe immer der nächst höhere Wert für das Contention Window gewählt wird: 7, 15, 31, 63, 127 und 255 (Variation zum Ethernet-Verfahren). 27

28 Einfaches CSMA/CA IV A sendet an B, die nach einer kürzeren Wartezeit SIFS (höhere Priorität) eine Bestätigung an A sendet, was den Vorgang des Wartens unterbricht. Der Backoff-Prozess der sendewilligen Stationen wird von der Bestätigung nicht berührt. DIFS ist die normale Wartezeit. 28

29 CSMA/CA mit RTS/CTS I RTS = Request to send CTS = Clear to send Idee: Durch kurze Frames das Senden längerer Frames mit Daten ankündigen. 1. Sender sendet RTS-Frame mit Angabe der Sendelänge, Wartezeit DIFS 2. Empfänger antwortet mit CTS, Wartezeit SIFS 3. Sender sendet sein Frame, Wartezeit SIFS 4. Empfänger antwortet mit Acknowledge, Wartezeit SIFS RTS/CTS-Pakete haben ein Feld NAV (Net Allocation Vector), das die Wartezeit für die anderen Stationen bestimmt; sein Wert hängt von der gewollten Sendelänge ab. 29

30 CSMA/CA mit RTS/CTS II A sendet Frame 1 an B: das erste RTS bekommen B und C mit, nicht jedoch Station D. Die Antwort von B (CTS) bekommt nun D mit, so dass C und D entsprechend den unterschiedlichen NAV-Werten in RTS bzw. CTS warten bis das abschließende Acknowledge gesendet wurde. 30

31 CSMA/CA mit RTS/CTS III Fälle: Empfängt eine Station ein fremdes CTS, so weiß sie, dass sie nahe dem Empfänger ist und bis zum nächsten Sendeversuch NAV bzw. bis zum Acknowledge warten muss Empfängt eine Station ein fremdes RTS, aber nicht das dazugehörige CTS, so weiß sie, dass sie senden kann, aber woanders hin (Exposed Terminals) Wenn nach einer gewissen Zeit nach einem RTS kein CTS empfangen wird, muss eine Kollision angenommen werden. Dann beginnt der Backoff-Prozess. Da es keine Kollisionserkennung gibt, wird stattdessen eine TimeOut-Länge auf CTS gewartet. Kollisionen sind nicht vom Verlust zu unterscheiden. 31

32 Point Coordination Function I Eine Station, üblicherweise der Access Point, übernimmt die Rolle des Point Coordinator (PC). Der PC wartet bis das Medium frei ist und sendet nach einer PIFS-Zeit (PCF Interframe Space), die zwischen SIFS und DIFS liegt, den Start des PCF-Modus an alle Stationen. Mit dieser Ankündigung wird auch eine NAV-Zeit angegeben, in der sämtliche Backoff-Verfahren ausgesetzt werden. Dann sendet der PC an jede Station ein Polling-Frame, das dann dieser Station das Senderecht für ein Frame gibt. Dies erfolgt hintereinander für alle Stationen, wobei die Wartezeiten immer SIFS ist, d.h. der kürzeste Zeitraum. Nach der Abfrage aller Stationen beendet der PC den PCF- Modus, der dann wieder in den DCF-Modus wechselt. 32

33 Point Coordination Function II Station A übernimmt die Rolle des PC und spricht Station für Station explizit an. Die anderen müssen mindestens die Zeit NAV stillhalten und dürfen in dieser Zeit sich nicht um das Medium bemühen. 33

34 Point Coordination Function III Am Ende wird durch den PC das Ende des PCF-Modus bekannt gegeben; dann geht es normal mit dem DCF-Modus weiter. PollSB, PollSC und PollSD sind Polling-Frames für die Stationen B, C bzw. D. 34

35 Bemerkung zum Stromsparen Es gibt noch besondere Regeln zum Stromsparen: 1. Schlafen einer Station 2. Zwischenpuffern von Daten 3. Aufwecken 4. Senden der gepufferten Daten 35

36 Roaming (Zellenwechsel) Der Wechsel der Zellen wird beim WLAN Roaming genannt, dabei kann die Verbindung auf höherer Ebene erhalten bleiben. 36

37 Erläuterungen Diesen Begriff des Roamings nicht mit dem der mobilen Telephonie verwechseln; dort würde dieses Verfahren eher als Handover bezeichnet werden. Beim Roaming wird das Scanning durchgeführt. Verlässt eine Station eine Zelle während der Übertragung eines Pakets, so geht dieses verloren. 37

38 Besonderheiten WLAN arbeitet im in den meisten Ländern frei gegebenen ISM- Frequenzband (Industrial, Scientific, Medical) von 2,4..2,483 GHz (Europa) Keine Genehmigungspflicht Keine Abstimmung bei Überschneidungen Mikrowellenherde arbeiten im selben Frequenzband Andere WLANs auch, z. B. Bluetooth Weitere Funktionen: Uhrensynchronisation im Ad hoc- und Infrastructure-Modus möglich Power Management: Probleme der Zwischenspeicherung von Frames, wenn Empfänger sich im Sleep Mode befindet 38

39 Security (WEP) I WEP = Wired Equivalent Privacy Jedem Teilnehmer (Stationen und Access Points) wird derselbe(!) geheime 40 bit-schlüssel mitgeteilt. Der geheime Schlüssel ist der Startwert eines bekannten Pseudozufallszahlengenerators (RC4), dessen Werte mit dem zu sendenden Signal mit Exklusiv-Oder verknüpft werden. Auf der Empfängerseite erfolgt derselbe Vorgang, da Daten nach zweimaliger XOR-Verknüpfung wieder die alten sind. Es handelt sich damit um eine symmetrische Verschlüsselung. Die Schlüssel werden selten verändert. Der generierte Schlüssel wird um eine wechselnde Bitfolge (Initialisierungsvektor, IV, 24 bit) verlängert, die jedoch im Klartext dem Empfänger mitgeteilt wird. 39

40 Security (WEP) II Der CRC-Wert wird berechnet bevor die Daten verschlüsselt werden (Integrity Check Value, ICV). Schlüssellängen 40 bit Schlüssel und 24 bit Initialisierungsvektor 104 bit Schlüssel und 24 bit Initialisierungsvektor Verfahren der Authentifizierung (Prüfung, ob der Partner derjenige ist, für den er sich ausgibt): Sender A sendet 124 bit Zufallsbits unverschlüsselt an den Empfänger B B verschlüsselt die 124 bit mit dem (bekannten?) geheimen Schlüssel und sendet es an A zurück Der Sender A verschlüsselt mit seinem geheimen Schlüssel: ist es der Originalwert, so besitzt der Empfänger B denselben geheimen Schlüssel. 40

41 Probleme von WEP I Dass alle Teilnehmer denselben geheimen Schlüssel für eine symmetrische Verschlüsselung bekommen, ist höchst problematisch. Der Zufallzahlenalgorithmus RC4 gilt als relativ unsicher. 24 bit Initialisierungsvektor erlauben zu wenig Variationen, so dass Wiederholungen auftauchen, was Schlüsse auf den geheimen Schlüssel erlaubt. Angriffsmöglichkeit: Dasselbe Paket wird per LAN an den Access Point gebracht, so dass jetzt der Angreifer beide Versionen hat: die unverschlüsselte und die verschlüsselte... Knackzeiten bei 104 bit-schlüssel: ca. 40 Min. 41

42 Probleme von WEP II WEP2 als Verbesserung von WEP erlaubt nun echte 128 bit (statt 104 bit) Schlüssel, benutzt immer noch RC4 (aus Kostengründen). WEP und WEP2 sind nicht ernst zu nehmen (waren gut gemeint). Sie müssen durch höhere Schichten abgesichert werden, wie z. B. IPsec. 42

43 Weiterentwicklung durch WPA i wollte WEP verbessern, doch vorher... Wi-Fi Protected Access (WPA) vorher (2003): Schlüssellänge 128 bit RC4-Algorithmus Eigenes Authentifizierungsverfahren i wurde dann fertig AES-Algorithmus (aber: höhere Rechenleistung erforderlich) Verbesserte Authentifizierungsverfahren nach x WPA2 (2004) beruht auf i mit leichten Änderungen zwecks Rückwärtskompatibilität zu WPA WPA und WPA2 gelten inzwischen auch nicht mehr als richtig sicher. 43

44 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 44