Funksysteme- und Mobil- Kommunikation Labor

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1 Funksysteme- und Mobil- Kommunikation Labor Versuch 2: Besonderheiten des IEEE WirelessLAN Standards: Repeater Betrieb und Medium- Zugangsmechanismus Inhalt Hinweis: Fragen zur Vorbereitung Einleitung Protokolle und Mechanismen Ziele des Versuchs Verwendete Geräte Versuchsdurchführung Diskussion Hinweis: Grundlagen zu sowie allgemeine Hilfestellungen zur Konfiguration der Hardware finden sich im Begleithandbuch zu den WirelessLAN Versuchen. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 1

2 1. Fragen zur Vorbereitung Bitte beschäftigen Sie sich vor dem Labortermin mit den folgenden Fragen. Ein Großteil lässt sich mittels Recherche über gängige Online-Quellen wie beispielsweise Wikipedia, Google, etc. lösen. Die betreffenden Inhalte sind versuchsrelevant und sollten wenn möglich kurz aber prägnant beantwortet werden. Offene Punkte und Unklarheiten werden dann am Anfang der Laboreinheit diskutiert. Die Beantwortung bzw. Diskussion schließt alle Teilnehmer der Gruppe gleichermaßen ein. Sollte ein oder mehrere Gruppenmitglieder komplett unvorbereitet erscheinen so muss der Versuch an einem anderen Termin wiederholt werden. 1. Was ist der Unterschied zwischen der MAC Adresse und der IP Adresse eines Interface? Lässt sich die MAC Adresse verändern? 2. Was ist der Sinn und Zweck eines WLAN Repeaters und auf welcher Schicht des OSI Modells arbeitet das Gerät ausschließlich? 3. Erklären Sie in Ihren eigenen Worten das Hidden Terminal / Hidden Node Problem im WLAN Betrieb und unter welchen Umständen es dazu kommt. 4. Im Laufe des Versuchs untersuchen wir das WLAN spezifische Verfahren CSMA/CA. Erklären Sie kurz wofür man das Verfahren braucht, wie es in den Grundzügen funktioniert und welche Problemstellung im WLAN Betrieb es adressiert. 2. Einleitung Der WLAN 2 Versuch behandelt einige besondere Aspekte im WLAN Betrieb die in Standard- Infrastruktur-Szenarien oft vorkommen: Wenn die Signalstärke eines WLAN Access Points (AP) nicht mehr weit genug reicht oder durch Hindernisse stark gedämpft wird, so nutzt man oft einen WLAN Repeater um die Reichweite des AP zu erhöhen. Im ersten Versuch soll daher die Funktionsweise eines Repeaters Paket-genau untersucht werden. Ein Repeater hat jedoch nicht nur Einfluss auf die Reichweite sondern auch auf die Leistungsfähigkeit eines WLAN Netzes, welche im zweiten Versuch analysiert wird. Der dritte Versuch behandelt eine ungünstige Netzwerk-Konstellation die das Hidden Terminal aus Frage 3 zur Folge hat. Die letzte Messung dazu beurteilt schließlich die Wirksamkeit des CSMA/CA Verfahrens mit RTS/CTS Handshake unter dieser Netzwerk-Anordnung. Anmerkung 1: Der Versuch ist sehr umfangreich. Zur effizienteren Durchführung empfiehlt es sich dringend im Vorfeld im Labor D113 die Konfiguration und einzelnen Befehle die gebraucht werden auszuprobieren. Gerne kann dazu mit dem Betreuer oder Professor ein individueller Termin ausgemacht werden. Anmerkung 2: Um diese Laboreinheit zeitgerecht abzuschließen kommt es vor allem auf eine sinnvolle Aufteilung der anstehenden Konfigurations-Mess- und Auswertungsarbeiten auf alle Gruppenmitglieder an. Versuchen Sie sich also vor jeder neuen Messung entsprechende Aufgaben zuzuteilen und nutzen Sie Ihre Gruppenstärke. 3. Protokolle und Mechanismen Dieses Kapitel soll Ihnen einen kurzen Überblick über die für den Versuch besonders relevanten Protokolle und Mechanismen verschaffen. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 2

3 WLAN Repeater Wie eingangs erwähnt soll der Repeater die Reichweite eines APs erhöhen. Die Konfiguration des Repeaters ist dabei denkbar einfach; man muss dem Repeater lediglich die zu verstärkende SSID des AP mitteilen und gegebenenfalls das passende WEP/WPA/WPA2 Passwort. Ein Repeater wiederholt Pakete die normalerweise zwischen Client und AP ausgetauscht werden. Dies geschieht (erfahrungsgemäß) jedoch nur wenn der Repeater einen spürbar höheren Signal- Rausch Abstand aufweist als der eigentliche Access Point, sprich wenn sich der Repeater wesentlich näher am Client befindet als der AP. Ein Repeater filtert oder verwirft keine Pakete (weder selektiv noch allgemein) sondern leitet diese bedingungslos weiter. Er schließt auch keine Sicherheitsmechanismen ein (zb. zur Prüfung der Datenintegrität), es können also auch fehlerhafte Daten übertragen werden (zb. von einer defekten WLAN Karte). Ein Repeater beschränkt sich wiederum aber auch nicht nur auf die simple physikalische Regeneration eines Signals, sondern bedient sich einer Manipulation die wir in diesem Versuch untersuchen werden. Ping und das ICMP Protokoll (siehe auch Begleithandbuch) Um zu testen wie der Repeater einzelne Pakete behandelt wird in diesem Versuch zu Analyse- Zwecken nur ein einzelner Ping von einem Client zum andern ausgesendet. Da das Ping tool das Internet Control Message Protocol (ICMP) nutzt schauen wir uns zwei ICMP Pakettypen genauer an: Pingt der erste Client den zweiten an so sendet er ein ICMP echo request Paket aus, welches vom Empfänger durch ein ICMP echo reply direkt quittiert wird. Ein einzelner Ping beinhaltet daher 2 Pakete; eine Anfrage und eine Bestätigung. Der Empfänger eines request Pakets muss bei seiner Antwort den Inhalt (Payload) des ersten Pakets exakt übernehmen. Auf diese Weise lässt sich zb. eindeutig feststellen ob ein reply zu einem response gehört (auch in unserem Versuch 6.1.). CSMA/CA mit RTS/CTS Handshake In den Vorbereitungsfragen haben Sie sich bereits über das im WLAN Standard fest integrierte CSMA/CA Verfahren informiert. CSMA/CA bietet eine Option um den Hidden Terminal Effekt abzuschwächen. Dabei muss jeder Node zwangsläufig mehr WLAN MAC Management Pakete ( Request-to-Send (RTS) und Clear-to-Send (CTS) Pakete) aussenden, was jedoch unter bestimmten Bedingungen Paket-Kollisionen auf dem geteilten Medium effektiv vermeiden kann. Ziel ist es dass ein Sender sicher sein kann dass das Medium unmittelbar vor dem Senden seines Pakets frei ist, vor allem wenn Stationen auf demselben Medium funken die der Sender selbst nicht sehen kann. Vereinfacht dargestellt läuft die Kommunikation mit zusätzlichen RTS/CTS Paketen folgendermaßen ab: Ein Paket, das im Sender gerade von einer Applikation generiert wurde oder weitergeleitet werden soll, wird an den IEEE Medium Access Control (MAC) Layer übergeben. Der MAC prüft ob das Medium frei ist, wenn nicht wartet er eine bestimmte Zeit (backoff time). Ist der Kanal frei wird ein RTS Paket versendet. Wird dieses vom betreffenden Empfänger durch ein CTS Paket quittiert ( handshake ) kann die Übertragung beginnen. Abbildung 1 (Quelle: Wikipedia) verdeutlicht den Mechanismus. Dies wiederholt sich für jedes einzelne Paket. Dies bedeutet dass bei eingeschalteter RTS/CTS Option bei starker Netzwerklast viel mehr Overhead durch RTS/CTS WLAN Management Pakete entsteht, welcher die Gesamtkapazität zusätzlich belastet. Netzwerk-Optimierer machen sich daher Gedanken um den besten Kompromiss zwischen der durch RTS und CTS Pakete belegten Bandbreite und der damit verknüpften verbesserten Paketfehlerrate (weniger Kollisionen). Die zu optimierende Variable ist dabei die Paketgröße ab der ein RTS Paket genutzt wird (der sog. RTS Threshold), diese variiert auch im späteren Versuch. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 3

4 Abbildung 1 4. Ziele des Versuchs Folgendes Wissen soll Ihnen durch den Versuch vermittelt werden: Manuelle Konfiguration von WLAN Hardware in einer Linux Konsolen-Umgebung Arbeitsweise eines WLAN Repeaters Einfluss eines Repeaters auf die Kapazität des Netzwerks Einfluss des RTS/CTS Mechanismus auf die beiden Netzwerk-Parameter Durchsatz und Paketverlustrate Bedeutung der Vermeidung von Kollisionen im drahtlosen Medium im Gegensatz zu kollisionsfreien Ethernet Netzwerken Umgang mit den beiden Analyse-Tools Iperf und Wireshark 5. Verwendete Geräte Die Informationen aus diesem Kapitel ergänzen das Begleithandbuch und sind hier gesondert gelistet das sie nur in diesem Versuch relevant sind. Folgende Geräte kommen zum Einsatz: 1x Access Point D-Link DIR-825 Der Router/Access Point hat zwei WLAN Interfaces die komplett getrennt voneinander betrieben Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 4

5 werden können; auch parallel im Ad-Hoc und im Infrastruktur Modus. Des Weiteren hat der Router Zugriff auf das 2.4 GHz und auf das 5 GHz Band, was den Betrieb auf einer Vielzahl von Kanälen ermöglicht. Damit beherrscht der AP a/b/g/n. Konfiguration: IP Adressbereich: /24 MAC Adresse: 00:18:e7:dc:31:a2 SSID: dlinkfm Kanal im Infrastruktur-Betrieb: 11 Verschlüsselung: keine 4x Netbook Asus Eee PC 1005PE Die Netbooks verfügen größtenteils über Standard-Hardware. Als Betriebssystem läuft Linux Ubuntu in der Version Lediglich das WLAN Interface des Netbooks ist hervorzuheben, da dieses einen Atheros Chipsatz beherbergt der den für die WLAN-Analyse erforderlichen Monitor Mode beherrscht. Das Interface funkt ausschließlich auf den 2.4 GHz Kanälen und kennt die Standards g/n. Konfiguration: IP Adressen: Werden per DHCP vergeben, sind im Versuch zu bestimmen MAC Adressen: Sind im Versuch zu bestimmen Die restlichen Parameter werden vom Benutzer angepasst 1x WLAN Repeater D-Link DWL-G710 Der Repeater ist bereits vorkonfiguriert und muss zur Inbetriebnahme lediglich an den Strom angeschlossen werden. Er funkt auf dem 2.4 GHz Band und beherrscht b/g. Konfiguration: SSID: vom Access Point übernommen IP Adresse: Nicht relevant MAC Adresse: 00:13:46:c3:0f:ff Verschlüsselung: keine 6. Versuchsdurchführung Abbildung 2 beschreibt die Positionen für die Versuche 5.1. und 5.2. Die Punkte sind so exakt wie möglich einzuhalten. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 5

6 CISCO AIRONET 350SERIES WIRELESS ACCESS POINT Position AP Iperf Server (2x) Positionen für Messung 6.1. Positionen für Messung 6.2. Repeater an Steckdose Monitor Repeater an Steckdose Monitor Iperf Client Iperf Client Abbildung Analyse der Repeater-Funktionalität Positionieren Sie die Geräte gemäß Abbildung 2, melden Sie jedoch den iperf Client noch nicht am Access Point (AP) an. Der AP ist vorkonfiguriert und nutzt keine Sicherheitsmechanismen (WPA2, WEP, etc.) zur Anmeldung der Clients und Verschlüsselung der Daten. Der AP operiert auf dem Kanal 11 (2,462 GHz) mit der BSSID dlinkfm. Gehen Sie mit Hilfe des Begleithandbuchs folgendermaßen vor: 1. Melden Sie zunächst nur ein Netbook auf der Position des Iperf Servers am AP an. Das Programm Iperf selbst wird in dieser Messung nicht benötigt, es muss also kein Iperf Server aufgesetzt werden. 2. Konfigurieren Sie ein Netbook im Monitor Mode (Position siehe Abb. 2) um nur Pakete auf Kanal 11 zu empfangen Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 6

7 3. Scannen Sie mit dem Iperf Client Netbook (wieder: Iperf wird in dieser Messung noch nicht benutzt) alle verfügbaren Basisstationen auf Kanal 11. Wir möchten mit der ausgewählten Position sicherstellen dass es sich nur in der Empfangszone des Repeaters befindet und nicht in Sichtweite des APs ist. Befindet sich der Client sowohl in der Reichweite des AP als auch in der des Repeaters wird zweimal die SSID dlinkfm auftauchen. Sieht es nur den Repeater, taucht die SSID nur einmal auf. 4. Melden Sie den Iperf Client an seiner Position am AP an 5. Starten Sie Wireshark und beginnen Sie mit dem Capture über das Interface mon0. Filtern Sie nur das ICMP Protokoll 6. Setzen Sie vom iperf Client einen einzelnen Ping zum iperf Server ab 7. Überprüfen Sie zusammen mit Ihrem Betreuer ob 4 zeitlich zueinander gehörende ICMP Pakete aufgezeichnet wurden. Beenden Sie das Capture wenn die Messung erfolgreich war 8. Vervollständigen Sie die Adressliste für die spätere Analyse der Messung: Gerät IPv4 Adresse MAC / Hardware Adresse Access Point / 00:18:e7:dc:31:a2 Repeater / 00:13:46:c3:0f:ff Iperf Server Iperf Client Analyse: Betrachten Sie die 4 aufgenommenen Pakete und füllen Sie die nachfolgende Tabelle aus, die exemplarisch den Ablauf der Kommunikation beschreibt zwischen Iperf Client, Iperf Server und Repeater. Zur Erinnerung, wir erwarten normalerweise 2 ICMP Pakete; ein ECHO_REQUEST und ein ECHO_RESPONSE. Anstatt der MAC Adresse können Sie auch einfach die Namen der involvierten Geräte eintragen. Paket Nr. MAC Source Address MAC Destination Address BSSID Hinweis: Um die SSID des Paketes zu bestimmen schauen Sie bitte in die Paketdetails rein. Dazu müssen Sie jedes Paket einzeln auswählen und sich zu dem entsprechenden Feld navigieren (vgl. zb. Abb. 3). Diskutieren Sie das Ergebnis mit Ihrem Betreuer und fassen Sie in Ihren eigenen Worten die Rolle des Repeaters und seinen Einfluss auf die Kommunikation zusammen. Die 4 gemessenen ICMP Pakete und deren Inhalt sollen in etwa denen in den Abbildungen 3 bis 6 entsprechen. Sollten mehrere Pakete in Ihrer Wireshark Liste auftauchen, zb. weil die Messung öfter wiederholt wurde, ist das kein Problem; löschen Sie bei Bedarf einfach die unwichtigen Pakete. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 7

8 Abbildung 3 Abbildung 4 Abbildung 5 Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 8

9 Abbildung Performance Analyse: Einfluss des Repeaters auf das Netzwerk Die folgende Messreihe soll den quantitativen Einfluss eines Repeaters auf den Datendurchsatz einer Ende-zu-Ende Verbindung im WLAN Netzwerk untersuchen. Der AP ist vorkonfiguriert und nutzt keine Sicherheitsmechanismen (WPA2, WEP, etc.) zur Anmeldung der Clients und Verschlüsselung der Daten. Der AP operiert auf dem Kanal 11 (2,462 GHz) mit der BSSID dlinkfm. Positionieren Sie die Geräte gemäß Abbildung 2 und gehen Sie folgendermaßen vor: Hinweis zum Monitor Rechner: dieser wird in diesem Versuch nicht gebraucht, sollte es trotzdem von Interesse sein den Traffic auf Kanal 11 aufzuzeichnen so ist eine günstige Position für die Monitor Mode Station in Abb. 2 beschrieben - 1. Der Repeater hängt zunächst nicht am Strom! 2. Melden Sie 2 Netbooks am AP (keine Verschlüsselung) auf ihren Positionen an und setzen Sie eine Iperf Server-Client Verbindung im TCP Modus auf (Iperf Server starten, kurz testen ob die Verbindung zustande kommt). 3. Initiieren Sie eine Iperf TCP Verbindung am Iperf Client (Standardparameter) für 30 Sekunden und notieren Sie den durchschnittlichen Durchsatz in der unteren Tabelle 4. Melden Sie den Client ab mit ifconfig wlan0 down 5. Aktivieren Sie den Repeater (Netzkabel einstecken) und warten Sie bis die Power und die LAN LED leuchten 6. Melden Sie den Iperf Client erneut am AP an 7. Listen Sie am Client die SSIDs und Signalstärken aller verfügbaren Access Points auf. Unser AP dlinkfm muss dabei zweimal mit jeweils unterschiedlichen Signalpegeln auftauchen 8. Initiieren Sie eine Iperf TCP Verbindung am Iperf Client (Standardparameter) für 30 Sekunden und notieren Sie den durchschnittlichen Durchsatz in der unteren Tabelle. Der Durchsatz sollte nun geringer sein. Falls das nicht der Fall ist so informieren Sie bitte den Betreuer Messergebnisse: Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 9

10 CISCO AIRONET 350SERIES WIRELESS ACCESS POINT Ohne Repeater Mit Repeater TCP Goodput (Mbit/s) auf der Iperf Client Seite Analyse: Diskutieren Sie die Ergebnisse mit Ihrem Betreuer: Warum unterscheiden sich die beiden Datenraten? 6.3. Performance Analyse des CSMA/CA Verfahrens Die letzte Messung behandelt den quantitativen Einfluss des CSMA/CA RTS/CTS Handshake Verfahrens auf die Performance im WLAN Netzwerk. Abbildung 7 beschreibt den Aufbau: Iperf Client 2 Positionen für Messung 5.3. Position AP Iperf Server 2 Iperf Server 1 Iperf Client 1 Abbildung 7 Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 10

11 Anmerkungen: Die Konfiguration muss auf allen 4 WLAN Stationen durchgeführt werden, die Steuerung bzw. das Anstoßen der Messung erfolgt dann jedoch nur von Iperf Client 1! Zuerst betrachten wir den Fall dass der RTS/CTS Handshake für kein übertragenes Paket verwendet wird. Dazu setzen wir den RTS/CTS Threshold auf 2347 Bytes; dies entspricht der maximalen Paketgröße im WLAN Betrieb. Dies bedeutet dass nur Pakete mit der maximalen Größe den Handshake nutzen, diese Paketgröße tritt jedoch selten auf. Um dies zusätzlich zu sichern werden wir für die folgenden Vergleiche eine UDP Verbindung verwenden, deren Standard UDP Datagramm Größe 1470 Bytes beträgt. Zum Vergleich folgt dann später der Fall dass für alle Pakete die größer als 500 Bytes sind ein RTS Paket ausgesendet wird. Der Threshold für die Paketgröße muss sowohl auf den mobilen Stationen als auch auf dem Access Point konfiguriert werden; letztere Einstellung übernimmt der Betreuer für Sie. Außerdem verringern wir die Sendeleistung der WLAN Interfaces der 4 Netbooks von standardmäßig 100mW/20dBm auf 1mW/0dBm. Diese Einstellung ist nötig um in dem räumlich begrenzten Labor das Hidden Terminal Problem zu provozieren. Der AP ist vorkonfiguriert und nutzt keine Sicherheitsmechanismen (WPA2, WEP, etc.) zur Anmeldung der Clients und Verschlüsselung der Daten. Der AP operiert auf dem Kanal 11 (2,462 GHz) mit der BSSID dlinkfm. Messung: Starten Sie zwei Iperf Streams gleichzeitig zwischen den beiden Clients 1 und 2 und den Iperf Servern 1 und 2. Gehen Sie dazu folgendermaßen vor: 1. Konfigurieren Sie bitte zunächst alle 4 Netbooks: o o o Iw phy phy0 set rts 2347 (Befehl ist nicht im Handbuch aufgeführt) RTS/CTS Threshold auf das Maximum setzen iw phy phy0 txpower 1mw (Befehl ist nicht im Handbuch aufgeführt) Sendeleistung des Interface auf 1 Milliwatt reduzieren Überprüfen Sie den Interface Status mit iwconfig um sicher zu gehen dass die beiden Einstellungen übernommen wurden o Melden Sie die 4 Netbooks am AP auf ihren Positionen an und setzen Sie 2 Iperf Server-Client Verbindungen auf (Iperf Server 1 und 2 starten, kurz testen ob die jeweilige Verbindung zustande kommt). 2. Richten Sie dazu Iperf Server 1 und 2 als UDP Server ein, die restlichen Parameter entsprechen der Standardkonfiguration 3. Öffnen Sie eine Konsole auf Client 1 und geben Sie alle nötigen Parameter für eine iperf UDP Verbindung für 30 Sekunden zum Server 1 mit einer Sendebitrate von 4 Mbit/s ein, starten Sie sie jedoch noch nicht. 4. Öffnen Sie eine zweite Konsole auf demselben Client, am besten in einem separaten Reiter im selben Fenster, und geben Sie ein: ssh root@ip-adresse-von-client-2 Geben Sie darauf hin noch das Root Passwort ein Mit diesem Befehl greifen Sie per Remote Zugriff auf den zweiten Iperf Client zu und können so bequem eine zweite Iperf Verbindung aufbauen, ohne den zweiten Client direkt bedienen zu müssen: Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 11

12 5. Geben Sie in der neu kreierten Remote Konsole alle nötigen Parameter für eine iperf UDP Verbindung für 30 Sekunden zum Server 2 mit einer Sendebitrate von 4 Mbit/s ein, starten Sie sie jedoch noch nicht. 6. Sie sollten nun auf beiden Konsolen/Reitern eine startbereite Zeile sehen um die beiden iperf Verbindungen zu starten. Starten Sie sie möglichst zeitgleich. 7. Tragen Sie die Messergebnisse aus den Konsolen von Client 1 und 2 in die unten aufgeführte Tabelle ein 8. Lösen Sie die Verbindung zum AP auf allen 4 Netbooks auf mit ifconfig wlan0 down und beenden Sie die beiden Iperf Server mit Strg. + c 9. Sagen Sie Ihrem Betreuer Bescheid; dieser richtet dann den AP für die nächste Messung ein 10. Wiederholen Sie die Schritte 1-7, jedoch mit einer Änderung in der Anfangskonfiguration der 4 Netbooks: Iw phy phy0 set rts 500 RTS/CTS Threshold auf 500 Bytes setzen, d.h. für alle anstehenden Pakete über 500 Bytes wird zuerst ein RTS Paket ausgesendet Messergebnisse: RTS/CTS Handshake aus (Threshold for paket size: 2347 bytes) RTS/CTS Handshake an (Threshold for paket size: 500 bytes) Durchsatz (Durchschnitt) [Mbit/s] Paketverlustrate [%] Verbindung 1 Verbindung 2 Verbindung 1 Verbindung 2 Hinweis: Falls der Server-Report bei einer Messung einmal nicht zum Client übertragen wird so tragen Sie nur den durchschnittlichen Durchsatz ein (Zeile sec ). 7. Diskussion Abschließend können offene Fragen geklärt werden. Im Anschluss sollen die aufgenommenen Ergebnisse mit dem Versuchsbetreuer diskutiert und gegenübergestellt werden. Versuch 2: WLAN Besonderheiten Christian.Koebel@IEM.TH-Mittelhessen.de 12