WLAN – dezentral versus switched

Eine konventionelle WLAN-Infrastruktur ist zellbasiert und besteht häufig aus einer Vielzahl dezentraler Access Points (APs), die über ein gemeinsames Netzwerk verbunden sind – das Distribution System (DS). Jeder AP bildet mit seinen assoziierten Clients ein Basic Service Set (BSS). Die einzelnen BSSs werden durch die Verbindung mit dem DS zu einem Extended Service Set (ESS) erweitert. Innerhalb des ESS befindet sich die gesamte Intelligenz in den verteilten APs, das heißt, die einzelnen Clients sind immer nur mit dem jeweilig erreichbaren AP authentifiziert und assoziiert. Alle anderen Access Points innerhalb des WLAN haben keine Informationen über benachbarte Basic Service Sets. Folglich müssen sich Clients, die ihre Funkzelle wechseln, komplett neu authentifizieren und assoziieren.

Ein weiteres Problem in herkömmlichen WLANs ist die aufwendige Administration, da jeder AP individuell verwaltet und gewartet werden muss. Die Wartung erfordert qualifiziertes Personal, um im Fall eines AP-Wechsels die notwendige Konfiguration neu erstellen zu können. Außerdem stellen die APs ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, weil sie sicherheitsrelevante Daten enthalten können, die durch Diebstahl dem potenziellen Angreifer zur Verfügung stehen.

Beim Ansatz des „Switched WLAN“ wird ein Teil der Funktionalitäten des Access Point in einen zentralen Switch verlagert. Eine mögliche Architektur ist im RFC 4118 der Internet Engineering Task Force (IETF) beschrieben, in dem der Access Point als Wireless Termination Point (WTP) und der zentrale Switch als Access Controller (AC) bezeichnet werden. Der AC kontrolliert und kommuniziert hierbei mit den angeschlossen WTPs über verschiedene Protokolle, welche seit einiger Zeit von der CAPWAP-Arbeitsgruppe (Control and Provisioning of Wireless Access Points) innerhalb der IETF entwickelt und ausführlich diskutiert werden. Nach einer Evaluierung unterschiedlicher Protokolle im RFC 4565 hat die IETF das Light Weight Access Point Protocol (LWAPP) – entwickelt von den Unternehmen Cisco beziehungsweise Airespace – für die Verwendung in der CAPWAP-Protokoll-Spezifikation empfohlen. LWAPP stellt unter anderem Funktionen für die Entdeckung neu angeschlossener WTPs, für die automatische Konfiguration sowie für den Austausch von Diagnose-Informationen bereit.

Der Roaming-Ablauf mit 802.11i-Security: Der offenen Authentifizierung und Assoziierung folgt die aufwendige 802. 1x-Authentifierung und der 4-Wege-Handshake.

Zur Realisierung eines Switched WLAN bieten sich drei Architekturen an: 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 Access Controller. Bei der Split MAC verbleiben nur die echtzeit-kritischen Funktionen – zum Beispiel Beacon-Erzeugung, Retransmissions – im WTP. Die Konfiguration, das Management und die verbleibenden MAC-Funktionen 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 hingegen im AC realisiert. Letztere Variante wird allerdings nicht vom LWAPP unterstützt und ist daher nicht Bestandteil des CAPWAP-Protokolls.

Allen drei Architekturen sind zwei Merkmale gemein: Zum einen erfolgt die Verwaltung der assoziierten Clients immer zentral, so dass die meisten der anfallenden Management- und Monitoring-Aufgaben ausschließlich dem zentralen AC zufallen; zum anderen befindet sich der PHY-Layer immer im WTP. Da die Standardisierung in diesem Bereich nur langsam voranschreitet, gibt es im IT-Bereich bereits mehrere herstellerspezifische Ansätze und Lösungen für diese Zwecke, die aber noch nicht interoperabel sind.

Die Bewertung des Zellwechsels

Der gesamte Roaming-Prozess lässt sich in drei verschiedene Phasen unterteilen. Nach dem Abbruch der Verbindung beginnt die „probe phase“, in welcher potenzielle Access Points gesucht werden. Dies geschieht entweder durch passives Scanning der verfügbaren Kanäle oder durch aktives Senden von „probe request frames“. Ist ein passender AP gefunden, beginnt die „authentication phase“. Der Client authentifiziert sich gegenüber dem AP durch das Senden eines authentication request und erhält vom AP eine authentication response. Abschließend meldet sich der Client beim AP während der „association phase“ an und kann nun wieder Daten senden und empfangen. Bei Verwendung der in 802.11i (Standarderweiterung für Verbesserungen im Bereich Security und Authentifizierung) spezifizierten Mechanismen entstehen jedoch weitere Verzögerungen durch die notwendige 802.1x-Authentifizierung und dem anschließenden 4-Wege-Handshake. Die Authentifizierung stellt beidseitig, das heißt dem Client und dem Access Point, einen gemeinsamen Schlüssel zur Verfügung, den Pairwise Master Key (PMK). Der 4-Wege-Handshake zwischen Client und AP erzeugt anschließend aus dem vorhandenen PMK verschiedene transiente Schlüssel für die eigentliche Verschlüsselung des Datenverkehrs.

Der gesamte Roaming-Prozess lässt sich in drei verschiedene Phasen unterteilen. Nach dem Abbruch der Verbindung beginnt die „probe phase“, in welcher potenzielle Access Points gesucht werden. Dies geschieht entweder durch passives Scanning der verfügbaren Kanäle oder durch aktives Senden von „probe request frames“. Ist ein passender AP gefunden, beginnt die „authentication phase“. Der Client authentifiziert sich gegenüber dem AP durch das Senden eines authentication request und erhält vom AP eine authentication response. Abschließend meldet sich der Client beim AP während der „association phase“ an und kann nun wieder Daten senden und empfangen. Bei Verwendung der in 802.11i (Standarderweiterung für Verbesserungen im Bereich Security und Authentifizierung) spezifizierten Mechanismen entstehen jedoch weitere Verzögerungen durch die notwendige 802.1x-Authentifizierung und dem anschließenden 4-Wege-Handshake. Die Authentifizierung stellt beidseitig, das heißt dem Client und dem Access Point, einen gemeinsamen Schlüssel zur Verfügung, den Pairwise Master Key (PMK). Der 4-Wege-Handshake zwischen Client und AP erzeugt anschließend aus dem vorhandenen PMK verschiedene transiente Schlüssel für die eigentliche Verschlüsselung des Datenverkehrs.

Roaming-Vorgang nach IEEE 802.11r: Der 4-Wege-Handshake wird durch so genanntes „piggybacking”œ auf Frames der offenen Authentifizierung und Re-Assoziierung durchgeführt.

Die Messungen lieferten folgendes Ergebnis: Trotz unterschiedlicher Kanallasten beziehungsweise Kanalzahlen variieren die Mess-Ergebnisse nur geringfügig und sind damit als nahezu konstant anzusehen. Konkret ergab sich in Szenario 1 ein Mittelwert von 636,98 ms für das Roaming. Bei Szenario 2 lag der Mittelwert bei 316,84 ms. Szenario 3 lieferte mit 72,3 ms den besten Mittelwert aufgrund der entfallenen 802.1x-Authentifizierung und einer sehr schnellen Assoziierung.

Zurzeit diskutiert die IEEE-802.11-Taskgroup „r“ weiterführende Optimierungsansätze, die die einzelnen Zeitkomponenten eines WLAN-Zellwechsels weiter verkürzen sollen.
Zum Beispiel wird im 802.11r-Entwurf die lang andauernde Authentifizierung gegenüber dem Authentifizierungs-Server weitgehend vor dem eigentlichen Roaming-Prozess abgeschlossen. Die Empfehlung lautet hier, dass sich eine Station authentifiziert und die damit einhergehende Erzeugung der Schlüssel erfolgt, sobald sich die Station erstmalig in einem ESS anmeldet. Um eine erneute Authentifizierung zu vermeiden, wird im Anschluss der generierte Schlüssel an alle im Subnetz vorhandenen APs verteilt, was den Vorgang des Zellwechsels signifikant beschleunigt. Darüber hinaus werden der in 802.11i notwendige 4-Wege Handshake und die in IEEE 802.11e vorgesehenen „traffic specifications“ bei 802.11r in den (Re)-Assoziierungsprozess eingebettet und bewirken daher eine weitere Reduzierung der Roaming-Zeitdauer.

Switched-WLANs bis dato nur im IT-Umfeld

Als Fazit der Untersuchungen lässt sich festhalten: Der Vergleich einer Switched-WLAN-Infrastruktur im Kontext industrieller Netzwerke mit einer gewöhnlichen dezentralen Infrastruktur aus dem Büro-Umfeld spricht hinsichtlich der entstehenden Roaming-Verzögerungen eindeutig für den zukünftigen Einsatz von Switched-WLAN-Systemen. Derzeitig verfügbare Switched-WLAN-Lösungen zielen allerdings nur auf den IT-Bereich ab. Aktuell existieren industrielle WLANProdukte verschiedener Hersteller, die es zwar ebenso ermöglichen, Zeiten im Bereich unterhalb von 100 ms für den Roaming-Vorgang zu erreichen, den Switched-WLAN-Ansatz jedoch noch nicht verwenden.

Generell gilt: Die erreichbare Roaming-Zeitdauer eines bestimmten Aufbaus hängt wesentlich vom Client und dessen WLAN-Implementierung ab, da dieser die Entscheidung zu treffen hat, zu welchem Zeitpunkt der Wechsel zu einem anderen AP notwendig ist und in welcher Form er ausgeführt wird. Vorteile eines Switched-WLAN-Systems liegen außerdem im Bereich der Verwaltung, der Sicherheit (zum Beispiel Erkennung von nicht erlaubten APs) und der WLAN-Netzplanung. Hierzu zählt unter anderem eine dynamische Anpassung der Kanäle aller angeschlossenen WTPs durch den zentralen Access Controller, um Interferenzen zu vermeiden.

Aktuell laufende Arbeiten zielen darauf ab, die in dem Entwurf des Standards IEEE 802.11r spezifizierten Mechanismen durch simulationsbasierte Studien detailliert zu testen und im Vergleich zu den vorhandenen Mechanismen zu bewerten. Die hierfür notwendigen Simulationsmodelle werden zurzeit entwickelt und validiert. Für zukünftige Untersuchungen arbeitet das inIT zudem an der Entwicklung einer eigenen Switched-WLAN-Implementierung, basierend auf CAPWAP.

Autoren

Prof. Dr. Jürgen Jasperneite leitet das Institut für Industrial IT – kurz inIT – an der Fachhochschule Lippe und Höxter in Lemgo.

Henning Trsek ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am inIT und zuständig für den Bereich industrielles WLAN.

Industrielle WLAN-Produkte

Diverse Hersteller bieten bereits industrielle WLAN-Komponenten an, deren Roaming-Performance für viele Automatisierungsapplikationen ausreicht.

Siemens hat mit der Scalance-W-Produktserie WLAN-APs und -Clients im Programm. Ihnen liegt ein Verfahren namens Rapid Roaming zugrunde, bei dem der Access-Point alle Teilnehmer zyklisch abfragt und dabei Daten sendet und empfängt. Bedingt durch die zyklische Abfrage kann ein Client bei Verbindungsabbruch sehr schnell reagieren. Mit dem gesamten Mechanismus sind Roaming-Zeiten von etwa 50 ms erzielbar. Voraussetzung ist allerdings die ausschließliche Verwendung von APs und Clients der Scalance-W-Serie.

Ein weiterer Hersteller von industriellen WLAN-Lösungen ist das Unternehmen Phoenix Contact, welches ebenfalls sowohl Access-Points als auch WLAN-Clients im Portfolio hat. Für den Zellwechsel zwischen benachbarten Access-Points kommen hier zwei verschiedene Verfahren zum Einsatz: Zum einen das Standard-Verfahren, welches einen möglichst schnellen Zellwechsel durch eingeschränkte Kanal-Listen, entsprechende Roaming-Schwellwerte und aktives Scanning ermöglicht. Zum anderen ein so genanntes Tabellen-Roaming, das eine feste, konfigurierbare Access-Point-Reihenfolge im Client bereitstellt und zusätzlich über eine API gesteuert werden kann. Der zweite Ansatz ermöglicht – vergleichbar der Siemens-Lösung – Roaming-Zeiten im Bereich von 50 ms, erfordert aber wiederum entsprechende Clients von Phoenix Contact.

Die WLAN-Produkte von Hirschmann setzen ebenfalls auf Standardkonformität. Sie erzielen Roaming-Zeiten im Bereich von etwa 30 ms unter Laborbedingungen. Client-seitig besteht hier die Möglichkeit, Roaming-Schwellen zu konfigurieren, die zum Beispiel auf eine festgelegte Anzahl verlorener Beacons oder auf Unterschreitung einer definierten Sendeleistung reagieren.