Drahtlose Netzwerke

Jordi Salazar

PROJEKT

European Virtual Learning Platform for Electrical and Information Engineering
http://www.techepdia.eu

Dieses Projekt wurde mit Unterstützung der Europäischen Kommission finanziert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung (Mitteilung) trägt allein der Verfasser; die Kommission haftet nicht für die weitere Verwendung der darin enthaltenen Angaben.

Author

Jordi Salazar

Titel der Arbeit

Drahtlose Netzwerke

Übersetzt (von)

Alena Dvořáková

Veröffentlicht (von)

České vysoké učení technické v Praze

Verarbeitet (von)

Fakulta elektrotechnická

Kontaktadresse

Technicka 2, Prague 6, Czech Republic

1. Ausgabe, 2017

ZUSAMMENFASSUNG

Dieses Modul bietet eine aktuelle Übersicht der drahtlosen Netzwerke im Allgemeinen und der drahtlosen LAN-Netzwerke im Besonderen. Es beschreibt die Grundlagen der verschiedenen drahtlosen Technologien, ihre Hauptcharakteristiken, die Sicherheitsproblematik sowie Vor- und Nachteile und Anwendungen.

ZIELE

Das Modul konzentriert sich auf Spezifika und Unterschiede der Netzwerkarchitekturen verschiedener Typen der drahtlosen Technologien. Desweiteren behandelt es die Sicherheitsaspekte der drahtlosen Netzwerke und stellt Vor- und Nachteile der drahtlosen Netzwerke vor.

LITERATUR

- [1]  STALLINGS, W.: Wireless Communications and Networks, Second Edition, Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2005. ISBN 0-13-191835-4.

- [2]  CIUBOTARU, B.; MUNTEAN, G. M.: Advanced Network Programming. Principles and Techniques, Springer-Verlag London, 2013. ISBN 978-1-4471-5292-7.

- [3]  SHARMA, K.; DHIR, N.: A study of wireless networks: WLANs, WPANs, WMANs, and WWANs with comparison, International Journal of Computer Science and Information Technologies, Vol. 5 (6), S. 7810-7813, 2014.

- [4]  POTHUGANTI, K.; CHITNENI, A.: A comparative study of wireless protocols: Bluetooth, UWB, ZigBee, and Wi-Fi, Advance in Electronic and Electric Engineering, Vol. 4 (6), S. 655-662, 2014.

- [5]  An introduction to Wi-Fi, Rabbit product manual, Digi International Inc., 2007-2008. (www.rabbit.com)

- [6]  Webseite von IEEE Standards Association (http://standards.ieee.org/index.html) [online].

Erläuterung

Definition(en)

Interessantheit (Interessantes)

Bemerkung

Beispiel

Zusammenfassung

Vorteile

Nachteile

Inhaltsverzeichnis

- 1 Einführung in drahtlose Netzwerke

- 2 Drahtlose Technologien

- 2.1 Drahtlose persönliche Netzwerke (WPAN)

- 2.2 Drahtlose lokale Netzwerke (WLAN)

- 2.3 Drahtlose städtische Netzwerke (WMAN)

- 2.4 Weitverkehrsfunknetze (WWAN)

- 3 Netzwerkarchitektur

- 3.1 Begriffe und Terminologie

- 3.2 Architekturen

- 4 Standard IEEE 802.11

- 4.1 Protokoll 802.11

- 4.2 MAC-Frame gemäß IEEE 802.11

- 4.3 Bitübertragungsschicht PHY gemäß 802.11

- 5 Sicherheit

- 5.1 Sichere Kommunikation

- 5.2 Vertraulichkeit und Verschlüsselung

- 6 Vor- und Nachteile

- 7 Anwendungen

- 8 Schlussfolgerung

1

Einführung in drahtlose Netzwerke

Dieses Modul bietet eine Einführung in drahtlose Netzwerke im Allgemeinen und drahtlose LAN-Netzwerke (lokale Netzwerke, engl. Local Area Network) im Besonderen. Es beschreibt und erklärt die Grundlagen der verschiedenen drahtlosen Technologien, ihre Hauptcharakteristiken, die Sicherheitsproblematik sowie Vor- und Nachteile und Anwendungen.

DEFINITION(EN)

Drahtlose Netzwerke verwenden Radiowellen für die Verbindung der Endgeräte und benötigen keinerlei Verkabelung.

Geräte, die üblicherweise in drahtlosen Netzwerken verwendet werden, können tragbare Computer, Desktop-Rechner, PDA (engl. Personal Digital Assistant), Handys, Tablets und Pager sein. Drahtlose Netzwerke arbeiten ähnlich wie Festnetze, jedoch müssen drahtlose Netzwerke die übertragenen Signale in eine Form umwandeln, die für eine Übertragung durch den freien Raum geeignet ist.

Drahtlose Netzwerke dienen vielen Zwecken. In einigen Fällen werden sie als Kabelersatz verwendet, können aber auch den externen Zugriff auf Unternehmensdaten ermöglichen.

Die drahtlose Infrastruktur kann im Vergleich zu klassischen Festanschlüssen mit einem sehr niedrigen Aufwand aufgebaut werden. Dies führt nicht nur zu Kosteneinsparungen. Durch einen billigeren und einfacheren Zugriff auf Informationen können die angeschlossenen Teilnehmer alle Vorteile des Internetzugangs nutzen. Dies spart Zeit und Aufwand.

Drahtlose Netzwerke ermöglichen einen problemlosen Anschluss entfernter Geräte unabhängig davon, ob sie vom Zugriffspunkt einige Meter oder sogar einige Kilometer entfernt sind. Es ist auch nicht erforderlich, für die Verkabelung Wände zu durchbrechen oder Steckverbinder zu installieren. Diese Merkmale haben den Einsatz von drahtlosen Technologien sehr beliebt gemacht und beschleunigen ihre Massenverbreitung.

In drahtlosen Netzwerken werden viele unterschiedliche Technologien genutzt, die sich in den verwendeten Übertragungsfrequenzen, -raten und -reichweiten unterscheiden.

Dabei muss man jedoch spezifische rechtliche Fragen in Betracht ziehen, die die gesetzlichen Vorschriften des elektromagnetischen Spektrums betreffen. Elektromagnetische Wellen werden von verschiedensten Gerätetypen gesendet, dabei ist ihr Betrieb sehr störungsempfindlich. Deshalb brauchen alle Länder gesetzliche Regulierungen und verbindliche Empfehlungen, zur Definition der erlaubten Frequenzbereiche und Übertragungsleistungen für die einzelnen Technologien.

Außerdem sind elektromagnetische Wellen nicht einfach geographisch begrenzbar. So können Hacker den Datenverkehr abhören, wenn die übertragenen Daten nicht ordnungsgemäß verschlüsselt werden. Deshalb sollten die drahtlos übertragenen Informationen geschützt werden.

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Drahtlose Technologien

Drahtlose Netzwerke können in vier spezifische Gruppen gemäß Anwendungsbereich und Signalreichweite eingeteilt werden [1-3]: WPAN-Netzwerke (drahtloses persönliches Netzwerk, engl. Wireless Personal Area Network), WLAN-Netzwerke (drahtloses lokales Netzwerk, engl. Wireless Local Area Network), WMAN-Netzwerke (drahtloses städtisches Netzwerk, engl. Wireless Metropolitan Area Network) und WWAN-Netzwerke (Weitverkehrsfunknetz, engl. Wireless Wide Area Network). Das Bild 1.1 zeigt diese vier Kategorien und Beispiele einiger Technologien in dem gegebenen Netzwerktyp.

Bild 1.1 Klassifikation drahtloser Netzwerke mit Beispielen der verwendeten Technologien

Außerdem können drahtlose Netzwerke auch gemäß ihrer Reichweite in zwei breite Segmente unterteilt werden: Kurzstrecken- (engl. SR, short-range) und Langstreckennetze (engl. LR, long-range). Drahtlose Kurzstreckennetze sind für eine begrenzte Reichweite konzipiert. Das betrifft vor allem drahtlose LAN-Netzwerke (engl. Local Area Network), die man beispielsweise in Firmengebäuden, auf Schulgeländen, in Fertigungsanlagen oder in Privathaushalten finden kann, aber auch PAN-Netzwerke (engl. Personal Area Network), dank derer tragbare Geräte in der näheren Umgebung miteinander kommunizieren können. WPAN-Netzwerke verwenden üblicherweise unlizenzierte Frequenzbänder ISM (engl. Industrial, Scientific and Medical), die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke reserviert sind. Die verfügbaren Frequenzen unterscheiden sich in verschiedenen Ländern. Oft genutzte Frequenzbänder sind Bänder um 2,4 GHz und 5 GHz, die in den meisten Staaten zur Verfügung stehen. Die Verfügbarkeit dieser Frequenzen ermöglicht es den Benutzern, drahtlose Netzwerke ohne eine Lizenz und kostenlos zu betreiben. Dadurch wurde die Verbreitung dieser Netzwerke gefördert.

In Langstreckennetzen wird Konnektivität typischerweise von Firmen realisiert, die drahtlosen Internetzugang als eine Dienstleistung anbieten. Diese Netze decken große Gebiete ab, wie zum Beispiel Metropolen (WMAN), Stadtbezirke, Bundesländer oder ein ganzes Land. Die Hauptaufgabe der Langstreckennetze ist daher eine globale Sicherstellung von drahtlosen Verbindung. Das verbreitetste Langstreckennetz ist WWAN. Wird jedoch globale Abdeckung erforderlich, stehen Satellitennetze zur Verfügung.

2.1 Drahtlose persönliche Netzwerke (WPAN)

Drahtlose persönliche Netzwerke basieren auf dem IEEE 802.15-Standard [3-4]. Ihre Konzeption erlaubt die Kommunikation über sehr kurze Entfernungen von etwa 10 Metern. Im Unterschied zu anderen drahtlosen Netzwerken brauchen WPAN nur geringe oder gar keine Infrastruktur. Damit können leistungsfähige und billige Lösungen für eine breite Skala von Geräten, wie zum Beispiel Smartphones und PDA realisiert werden.

WPAN-Netzwerke werden durch einen niedrigen Energiebedarf und eine niedrige Übertragungsrate charakterisiert. Dieser Netztyp nutzt Technologien wie Bluetooth, IrDA (Infrared Data Association), ZigBee oder UWB (Ultrabreitband, engl. Ultra Wide Band). Bluetooth ist für Geräte wie schnurlose Mäuse, Tastaturen und Freisprechanlagen bestimmt. IrDA eignet sich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Geräten zur einfachen Datenübertragung und Dateisynchronisierung. ZigBee wurde für die zuverlässige drahtlose Überwachung des Zustandes des Netzwerkes und seiner Steuerung entworfen und UWB wird für breitbandige Multimedia-Verbindungen genutzt.

DEFINITION(EN)

Die Bitrate ist die Anzahl von übertragenen oder empfangenen Bits pro Zeiteinheit (bps oder bit/s).

DEFINITION(EN)

Ein Modem ist ein Gerät, das einem Rechner das Senden und den Empfang von Daten ermöglicht.

Bluetooth

Die Bluetooth-Technologie basiert auf dem Standard IEEE 802.15.1. Ursprünglich wurde Bluetooth für die Kommunikation mit einem niedrigen Energieverbrauch, einer kurzen Reichweite und Senden in alle Richtungen (Punkt-zu-Mehrpunkt) für billige Geräte als Kabelersatz entwickelt. Es verbindet die Geräte mittels Ad-Hoc-Netzen. Zurzeit werden Bluetooth-Komponenten und ‑Systeme für eine Reihe von neuen Anwendungen entworfen. Bluetooth spezifiziert drei unterschiedliche Geräteklassen: Klasse 1 (Reichweite bis zu 100 Metern), Klasse 2 (Reichweite bis zu 10 Metern) und Klasse 3 (Reichweite bis zu 1 Meter). Bei einem Band von 2,4 GHz können zwei Geräte innerhalb ihres Signalabdeckungsbereichs bis zu 720 kbit/s ihrer Kapazität oder Übertragungsrate teilen. Die meistbenutzte Klasse ist die Klasse 2.

Ein Bluetooth-Netz wird auch als Piconetz bezeichnet und besteht aus bis zu 8 aktiven Master-Slave-Geräten. Das erste Bluetooth-Gerät im Piconetz ist der Master, alle weiteren Geräte sind Slaves, die im Netz mittels des Masters kommunizieren. Ein Piconetz hat typischerweise eine Reichweite von 10 Metern, unter idealen Bedingungen können jedoch auch Reichweiten von bis zu 100 Metern erzielt werden. Aus Sicherheitsgründen werden alle Verbindungen verschlüsselt und gegen Abhören und Störung geschützt. Zwei Piconetze können in einem Scatternet verbunden werden. Ein Bluetooth-Gerät kann zugleich an mehreren Piconetzen angeschlossen sein und hat damit die Möglichkeit, dass Informationen über die Reichweite eines einzigen Piconetzes hinaus fließen können. Ein Gerät im Scatternet kann als Slave in mehreren Piconetzen, jedoch als Master nur in einem Piconetz arbeiten.

Bild 1.2 Bluetooth-Scatternet mit zwei Piconetzen. Der Master im Piconetz A ist ein Slave im Piconetz B.

IrDA

Die Assoziation IrDA spezifiziert einen kompletten Satz von infraroten Kommunikationsstandards. IrDA standardisiert drahtlose Verbindungen von Geräten, die normalerweise durch Kabel verbunden werden. IrDA hat einen niedrigen Energieverbrauch, geringe Kosten und einen schmalen Ausgangswinkel (< 30º). Sie stellt unidirektionale Verbindungen (Punkt-zu-Punkt) für Ad-Hoc-Netze mit einer Reichweite von bis zu 1 Meter und Übertragungsraten von 9600 bit/s bis zu 4 Mbit/s (zurzeit) bzw. 16 Mbit/s (in Entwicklung) bereit. Geräte, die IrDA verwenden, sind beispielsweise Notebooks, PDA, Drucker und Kameras.

Bild 1.3 IrDA-Kommunikation zwischen PDA und Drucker (Punkt-zu-Punkt)

ZigBee

Die Technologie ZigBee beruht auf dem Standard IEEE 802.15.4 und wurde als ein offener globaler Standard entwickelt, um besondere Bedürfnisse von drahtlosen Netzwerken mit einer einfachen Implementierung und einer hoher Zuverlässigkeit zu erfüllen. Dabei sind Kosten, Energieverbrauch und Übertragungsrate gering. ZigBee arbeitet in unlizenzierten Bändern bis einschließlich 2,4 GHz, 900 MHz und 868 MHz mit einer maximalen Übertragungsrate von bis zu 250 kbit/s, die für drahtlose Übertragungen in Sensoren- und Automatisierungssystemen ausreichend ist.

ZigBee dient auch zum Aufbau großer drahtloser Netzwerke, die keinen hohen Datendurchsatz erfordern. In einem ZigBee-Netz können zwei unterschiedliche Gerätetypen arbeiten – völlig funktionsfähige Geräte FFD (engl. Full-Function Device) und Geräte mit begrenzten Funktionen RFD (engl. Reduced-Function Device). FFD-Geräte können in drei unabhängigen Modi arbeiten: als WPAN-Koordinator, als allgemeiner Koordinator (ZigBee-Router) oder als Endgerät. RFD-Geräte sind für sehr einfache Anwendungen bestimmt, beispielsweise Lichtschalter. ZigBee unterstützt drei unterschiedliche Netztopologien: Stern, Mesh und Cluster-Baum (siehe Bild 1.4). In der Sterntopologie wird die Kommunikation zwischen Geräten und dem zentralen Controller (WPAN-Koordinator) aufgenommen. In der Mesh-Topologie kann jedes Gerät mit einem anderen Gerät kommunizieren, solange sich jedes innerhalb der Reichweite des anderen befindet. Ein Cluster-Baum-Netzwerk stellt einen Sonderfall des Mesh-Netzwerkes dar, in dem die meisten Geräte FFD sind, RFD-Geräte können an das Cluster-Baum-Netzwerk als Endgeräte ohne Möglichkeit weiterer Gabelung angeschlossen werden. Jedes FFD-Gerät kann als Router arbeiten und die Synchronisierung für weitere Geräte und Router sicherstellen. Nur einer dieser Router ist jedoch WPAN-Koordinator.

Bild 1.4 Struktur eines ZigBee-Netzwerkes

UWB

Die Technologie UWB, die auf dem Standard IEEE 802.15.3 basiert, wird für drahtlose Hochgeschwindigkeits-Kommunikation mit einer kurzer Reichweite in Innenräumen (z. B. Gebäuden, Haushalte) genutzt. Im Unterschied zu den anderen hier genannten Technologien verfolgt UWB einen anderen Zweck. UWB ermöglicht die Übertragung von großen Dateien mit hohen Übertragungsraten über kurze Entfernungen. Die Technologie UWB erreicht Datenübertragungsraten von 110 Mbit/s bis 480 Mbit/s über Entfernungen von bis zu einigen Metern, was den Bedarf der meisten Multimediaanwendungen, wie Audio- und Videoanwendungen für Haushalte, abdecken kann. Sie kann auch als drahtloser Kabelersatz eines seriellen Hochgeschwindigkeits-Busses, wie USB 2.0 oder IEEE 1394 dienen. In Amerika wurde für UWB das Frequenzband ab 3,1 GHz bis 10,6 GHz reserviert. In Europa hat das Frequenzband zwei Teile: von 3,4 GHz bis 4,8 GHz und von 6 GHz bis 8,5 GHz.

Übertragungen mittels UWB geschehen durch Generieren eines Funksignals in gewissen Zeitintervallen, womit jedoch eine große Breite des Frequenzbandes besetzt wird (siehe Bild 1.5). So ermöglichen sie Pulsposition- oder Pulsweitenmodulation. Die Informationen können an UWB-Signale (Pulse) durch Verschlüsselung der Pulspolarität, ‑amplitude und/oder mittels orthogonaler Pulse moduliert werden. UWB-Pulse senden sporadisch mit einer relativ niedrigen Pulsrate, um die Puls‑ oder Positionsmodulation zu unterstützen, aber sie können auch mit Raten gesendet werden, die proportional zu der für die UWB-Pulse reservierten Bandbreite sind.

Bild 1.5 Gebrauch von UWB-Leistung und ‑Frequenzbandbreite

2.2 Drahtlose lokale Netzwerke (WLAN)

Drahtlose lokale Netzwerke (WLAN) wurden so entworfen, dass sie den Zugriff in einer Reichweite von bis zu 100 Metern erlauben, und werden am häufigsten in Haushalten, Schulen, Computerlabors oder Büros angewandt (siehe Bild 1.6). Damit hat der Benutzer die Möglichkeit, sich in einem bestimmten Gebiet zu bewegen und gleichzeitig wird noch eine Verbindung zum Netzwerk sichergestellt [2,5]. WLAN beruht auf den Standard IEEE 802.11, der mit dem Markennamen Wi-Fi (engl. Wireless Fidelity) bezeichnet wird. Dank seiner großen Verbreitung wurden keine anderen Standards, wie z. B. HiperLAN, kommerziell realisiert. Die Standards IEEE 802.11 waren einfacher implementierbar und gelangten schneller auf den Markt. Die ganze Familie dieser Standards wird in Sektion 4 dieses Moduls detailliert behandelt.

IEEE 802.11 ist eine Gruppe von Standards für drahtlose lokale Netzwerke. Der Standard IEEE 802.11b war der erste anerkannte Standard dieser Gruppe und unterstützt Datenübertragungen mit Raten bis zu 11 Mbit/s im unlizenzierten Band von 2,4 GHz. Als Nachfolger des IEEE 802.11b wurde der Standard IEEE 802.11g erstellt, der für Übertragungen ein erweitertes Frequenzband verwendet. Ein auf IEEE 802.11g basierender Knoten unterstützt Klienten sowohl von 802.11b als auch von 802.11g. Ähnlich kann auch ein Laptop mit einer Karte für IEEE 802.11g Verbindungen über 802.11b aufbauen. Der Grund ist, dass drahtlose LAN mit dem Standard 802.11g das gleiche unlizenzierte Band von 2,4 GHz wie 802.11b verwenden. Die maximale Übertragungsrate für IEEE 802.11g beträgt 54 Mbit/s, aber sie wird automatisch reduziert, wenn das Funksignal schwach ist oder eine Störung erkannt wird.

Bild 1.6 WLAN im Haushalt

2.3 Drahtlose städtische Netzwerke (WMAN)

Drahtlose städtische Netzwerke WMAN sind die dritte Gruppe von drahtlosen Netzwerken. WMAN basieren auf dem Standard IEEE 802.16, der häufig als WiMAX (engl. Worldwide Interoperability for Microwave Access) bezeichnet wird. WiMAX ist eine Kommunikationstechnologie, die eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (Point-to-Multipoint) mit Orientierung auf drahtlose Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in städtischen Netzwerken unterstützt [1-3]. Dies ermöglicht es kleineren drahtlosen LAN, mittels WiMAX verbunden zu werden und damit ein weites WMAN zu schaffen. So können Netzwerke zwischen Städten ohne eine aufwendige Verkabelung geschaffen werden.

WiMAX ähnelt Wi-Fi, bietet aber die Abdeckung eines viel größeren Gebietes. Wi-Fi ist zur Abdeckung von relativ kleinen Gebieten, beispielsweise Büros oder Hot Spots, bestimmt - dagegen arbeitet WiMAX in zwei Frequenzbändern, die eine Kombination eines lizenzierten und unlizenzierten Bandes sind. Das erste Band erstreckt sich von 2 GHz bis 11 GHz und das zweite liegt zwischen 10 GHz und 66 GHz. So kann eine Übertragungsrate von 70 Mbit/s über eine Entfernung von 50 km für Tausende Benutzer aus einer einzigen Basisstation erzielt werden (siehe Bild 1.7). Weil WiMAX zwei unterschiedliche Frequenzbänder verwendet, kann sie sowohl für Line-of-Sight-Systeme als auch für Systeme eingesetzt werden, die keine direkte Sichtverbindung erfordern. Das Band von 2 GHz bis 11 GHz kann für Systeme ohne direkte Sichtverbindung ausgenutzt werden, beispielsweise für die Kommunikation eines Computers in einem Gebäude mit einem Turm oder einer Antenne außerhalb des Gebäudes. Die Übertragungen auf diesen Frequenzen werden von physischen Hindernissen kaum unterbrochen. Dagegen werden die Frequenzen im Band von 10 GHz bis 66 GHz für Line-of-Sight-Systeme verwendet. Damit ist auch über größere Entfernungen eine Kommunikation zwischen Türmen und Antennen möglich.

Bild 1.7 WiMAX-Netzwerk

2.4 Weitverkehrsfunknetze (WWAN)

Weitverkehrsfunknetze WWAN erstrecken sich über 50 Kilometer und verwenden typischerweise lizenzierte Frequenzen. Dieser Netzwerktyp deckt umfangreiche Gebiete ab, wie z. B. Städte oder Länder, und zwar mittels mehrfacher Satelliten- oder Antennensysteme, die von einem ISP (Internetdienstleister, engl. Internet Service Provider) verwaltet werden. Es gibt im Wesentlichen zwei verfügbare Technologien: digitale Mobilfunksysteme und Satellitensysteme [1-3].

Mobilfunknetze

In einem Mobilfunknetz ist das abgedeckte Gebiet in Zellen aufgeteilt. Ein Sender in der Mitte der Zelle realisiert die Kommunikation der gegebenen Zelle. Alle Sender sind an eine Basisstation und die Basisstationen weiter an eine Mobilfunk-Vermittlungsstelle angeschlossen, die das Mobilfunk- und Festnetz verbindet. Das System bemüht sich um eine Wiederverwendung von Frequenzen mit einem niedrigen Energiebedarf durch die Wahl kurzer Entfernungen.

Seit 1980 wurden verschiedene Mobilfunkgenerationen entwickelt. Die erste Generation (1G) war analog und nur für Sprachanruf ohne Berücksichtigung von Datendiensten konzipiert und entworfen. Die Übertragungsrate betrug lediglich 2,4 kbit/s. Die zweite Generation (2G) basierte auf digitaler Technologie und Netzinfrastruktur GSM (globales System für mobile Kommunikation, Global System for Mobile Communications, früher Groupe Spécial Mobile). Sie hat auch Kurznachrichten SMS (Kurznachrichtendienst, engl. Short Message Service) ermöglicht und unterstützt eine Datenrate von bis zu 64 kbit/s. Die Generation 2,5G entstand zwischen der zweiten und der dritten Generation. Manchmal wird sie als 2G + GPRS (allgemeiner paketorientierter Funkdienst, engl. General Packet Radio Service) bezeichnet. Es handelt sich um eine verbesserte Version von 2G mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 144 kbit/s. Die dritte Generation (3G) wurde im Jahre 2000 mit einer Datenrate von bis zu 2 Mbit/s eingeführt. Die 3,5G ist eine erweiterte Version der 3G, die HSDPA (engl. UMTS-Broadband oder High-Speed Downlink Packet Access) verwendet und Datenübertragungsraten bis zu 14 Mbit/s realisiert. Schließlich kommt die vierte Generation (4G), die Übertragungsleistungen von 1 Gbit/s ermöglicht und alle erforderlichen Dienste unterstützt. Die fünfte Generation (5G) wird für das Jahr 2020 erwartet.

Satellitennetze

Drahtlose Kommunikation kann auch mittels Satelliten sichergestellt werden. Wegen ihrer Position über dem Erdboden können Satellitenübertragungen ein großes Gebiet abdecken. Das kann sehr nützlich für Benutzer von Satellitentelefonen sein, die sich in einer entlegenen Gegend aufhalten oder auf einer Insel befinden, wo es keinen Anschluss über ein Unterseekabel gibt.

Jeder Satellit ist mit verschiedenen Transpondern ausgestattet, die aus einem Sende-/Empfangsgerät und einer Antenne bestehen. Das Eingangssignal wird verstärkt und dann auf einer anderen Frequenz noch einmal gesendet.

Bild 1.8 Satelliten- und Mobilfunknetze

3

Netzwerkarchitektur

3.1 Begriffe und Terminologie

Dieses Kapitel definiert verschiedene Begriffe, die in der drahtlosen Netzwerkarchitektur verwendet werden. Nicht alle Begriffe einer generischen Architektur existieren für alle Technologien und die Funktionalität kann abweichen.

Die logische Architektur gemäß IEEE 802.11 besteht aus einigen wichtigen Komponenten: Station STA, drahtloser Zugriffspunkt AP (engl. Access Point), unabhängiger Basisdienstleistungssatz IBSS (engl. Independent Basic Service Set), Basisdienstleistungssatz BSS (engl. Basic Service Set), Verteilungssystem DS (engl. Distribution System) und erweiterter Dienstleistungssatz ESS (engl. Extended Service Set). Einige Komponenten der logischen Architektur gemäß IEEE 802.11 hängen direkt mit konkreten Geräten, wie Stationen STA und drahtlosen Zugriffspunkten AP, zusammen. Eine drahtlose Station STA hat eine Adapterkarte, eine PC-Karte oder ein anderes integriertes Gerät zur Sicherstellung der drahtlosen Verbindung. Ein drahtloser Zugriffpunkt AP arbeitet wie eine Brücke zwischen der drahtlosen Station STA und dem Backbone-Netz, um den Netzzugriff zu ermöglichen.

DEFINITION(EN)

Eine Station STA kann ein klassischer PC, Laptop, PDA, Handy oder ein beliebiges Gerät mit der Fähigkeit des Zugriffs auf ein drahtloses Medium sein.

DEFINITION(EN)

Ein Zugriffspunkt AP, manchmal auch Basisstation BS bezeichnet, ist ein Gerät, das es drahtlosen Geräten ermöglicht, sich an Festnetze mittels Wi-Fi oder weiterer Standards zu verbinden.

DEFINITION(EN)

Ein Basisdienstleistungssatz BSS besteht aus einem Zugriffspunkt AP mit allen assoziierten Stationen STA. Ein Zugriffspunkt AP arbeitet als Master, der die Stationen innerhalb des Basisdienstleistungssatzes BSS steuert. Der einfachste Basisdienstleistungssatz BSS hat einen Zugriffspunkt AP und eine Station STA.

DEFINITION(EN)

Ein erweiterter Dienstleistungssatz ESS ist ein Satz mit einem oder mehreren verbundenen Basisdienstleistungssätzen BSS, die aus der Sicht des logischen Aufbaus und ihrer Steuerung wie ein BSS auf jeder Station STA mit einem dieser BSS aussehen.

DEFINITION(EN)

Wenn alle Stationen STA im BSS Mobilfunkstationen sind und es keinen Anschluss an das Festnetz gibt, wird der Basisdienstleistungssatz BSS als unabhängiger Basisdienstleistungssatz IBSS bezeichnet. Ein IBSS ist ein Ad-Hoc-Netzwerk, das keine Zugriffspunkte AP umfasst - das heißt, dass kein Anschluss an einen anderen BSS möglich ist.

DEFINITION(EN)

Ein Verteilungssystem DS ist ein Mechanismus, durch den die Zugriffspunkte AP einzelne Frames untereinander und eventuell mit dem Festnetz austauschen. DS muss nicht ein Netzwerk sein und der Standard IEEE 802.11 schreibt für DS keine konkrete Technologie vor. Fast in allen kommerziellen Produkten wird als Technologie für Backbone-Netze Kabel-Ethernet verwendet.

Bild 1.9 Unabhängiger und Infrastruktur-Basisdienstleistungssatz BSS

Bild 1.10 Erweiterter Dienstleistungssatz ESS und Mobilitätsunterstützung

3.2 Architekturen

In drahtlosen Netzwerken stehen zwei Modi der Konfiguration drahtloser Architekturen zur Verfügung: Ad-hoc-Modus und Infrastrukturmodus [1-2]. Beim Ad-Hoc-Modus tauschen Geräte die Daten direkt in Peer-to-Peer-Kommunikation aus, wobei sie beim Infrastrukturmodus über einen Zugriffspunkt AP kommunizieren, der als Brücke zu weiteren Netzwerken dient.

Ad-Hoc-Modus

Durch den Ad-Hoc-Modus kommunizieren alle Geräte im drahtlosen Netzwerk miteinander und direkt im Peer-to-Peer-Betrieb (Punkt-zu-Punkt, engl. Point-to-Point). Das Netzwerk hat keine feste Struktur oder feste Punkte. Kein Zugriffspunkt AP ist für die Kommunikation zwischen den Geräten erforderlich.

Der Ad-Hoc-Modus ist für kleine Gruppen von Geräten geeignet. Jedoch müssen sich alle Geräte physisch in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Die Leistung des Netzwerkes sinkt mit der steigenden Anzahl von Geräten. Häufig können zufällige Unterbrechungen einzelner Geräte auftreten. Der Ad-Hoc-Modus stellt auch hohe Anforderungen an die Netzwerkadministration. Eine weitere Einschränkung des Ad-Hoc-Modus ist, dass sich die Netzwerke in diesem Modus nicht direkt an lokale Festnetze anschließen lassen und dass ein Internetzugang ohne Installation von speziellen Gateways nicht möglich ist.

Dennoch arbeitet der Ad-Hoc-Modus in kleinen Umgebungen gut und stellt die einfachste und billigste Art des Aufbaus eines drahtlosen Netzwerkes dar.

Infrastrukturmodus

Die zweite verfügbare Architektur für drahtlose Netzwerke ist der Infrastrukturmodus. Alle Geräte werden an das drahtlose Netzwerk mittels eines Zugriffspunktes AP angeschlossen. Drahtlose Zugriffspunkte AP sind üblicherweise Router oder Switches, welche die drahtlos übertragenen Daten in Ethernetdaten von Festnetzen umwandeln und als eine Brücke zwischen LAN-Festnetzwerken und drahtlosen Benutzern dienen. Durch die Verbindung von mehren Zugriffspunkten mittels Fest-Backbone-Netzen auf der Basis von Ethernet kann die Reichweite der drahtlosen Netzwerke erweitert werden. Wenn sich ein mobiles Gerät aus der Reichweite eines Zugriffspunktes AP bewegt, gelangt es in die Reichweite eines anderen. Infolgedessen können sich drahtlos arbeitende Geräte von dem Bereich eines Zugriffspunktes zu einem anderen frei bewegen und immer noch einen übergangslosen Netzwerkanschluss haben.

Der Infrastrukturmodus bietet bessere Sicherheit, einfache Verwaltung sowie mehr Skalierbarkeit und Stabilität. Jedoch muss man beim Infrastrukturmodus mit Mehrkosten für die Implementierung von Zugriffspunkten AP rechnen, wie z. B. Router und Switches.

ESSID

Die ESSID (engl. Extended Service Set Identification) und die SSID (engl. Service Set Identification) bezeichnen zwei Servicetypen. In drahtlosen Ad-Hoc-Netzwerken ohne Zugriffspunkte AP wird die BSSID (engl. Basic Service Set Identification) verwendet. In drahtlosen Infrastrukturnetzwerken mit Zugangsknoten wird die ESSID verwendet, die aber vereinfacht immer noch als SSID bezeichnet werden kann.

DEFINITION(EN)

Die SSID ist ein alphanummerischer Schlüssel mit (höchstens) 32 Zeichen zur Identifikation des drahtlosen lokalen Netzwerkes.

Einige Verkäufer verwechseln die SSID mit dem Namen des Netzwerkes. Um die gegenseitige Kommunikation von drahtlosen Geräten in einem Netzwerk zu ermöglichen, müssen alle Geräte mit der gleichen SSID konfiguriert werden.

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Standard IEEE 802.11

Der Standard IEEE 802.11 umfasst Spezifikationen für die Medienzugriffssteuerung MAC (engl. Medium Access Control) und die Bitübertragungsschicht PHY (engl. Physical Layer) zur Implementation von drahtlosen lokalen Netzwerken in Frequenzbändern von 2,4, 5 und 60 GHz [1-2].

Diese Spezifikationen werden von der Arbeitsgruppe IEEE 802.11 erstellt und verwaltet. Die erste Version des Standards wurde 1997 veröffentlicht und später verbessert. Der Standard und seine Verbesserungen bilden die Grundlage für drahtlose Netzwerkprodukte unter dem Markennamen Wi-Fi.

4.1 Protokoll 802.11

Der Standard IEEE 802 definiert zwei gesonderte Schichten, die Steuerung logischer Verbindungen LLC (engl. Logical Link Control) und die Medienzugriffssteuerung MAC (engl. Medium Access Control) für die Sicherungsschicht (engl. Data Link Layer) des Referenzmodells OSI (engl. Open System Interconnection). Der drahtlose Standard IEEE 802.11 definiert Spezifikationen für die Bitübertragungsschicht PHY und Medienzugriffssteuerung MAC, die mit der LLC-Schicht kommuniziert (siehe Bild 1.11).

Bild 1.11 Standard IEEE 802.11 und OSI-Referenzmodell

Alle Komponenten der Architektur gemäß IEEE 802.11 gehören entweder zur Medienzugriffssteuerung MAC (Unter-Schicht der Sicherungsschicht) oder zur Bitübertragungsschicht PHY.

4.2 MAC-Frame gemäß IEEE 802.11

Ein MAC-Frame gemäß IEEE 802.11 (siehe Bild 1.12) besteht aus einem MAC-Header, einem Körper des Frames (Frame Body) und einer Blockprüfzeichenfolge FCS (engl. Frame Check Sequence). Das Format des MAC-Frames umfasst einen Satz von neun Feldern, die in einer festen Reihenfolge in allen MAC-Frames auftreten.

Frame Control

Das Feld Frame Control (siehe Bild 1.12) enthält Steuerungsinformationen, die zur Unterscheidung des Typs des MAC-Frames gemäß IEEE 802.11 verwendet werden, und liefert die erforderlichen Informationen für die folgenden Felder, so dass sichergestellt ist, wie der MAC-Frame zu verarbeiten ist.

Nachfolgend werden weitere Felder von Frame Control beschrieben:

- Protocol Version gibt die aktuelle Version des verwendeten Protokolls IEEE 802.11 an. Die Empfangsstation STA verwendet diesen Wert um festzustellen, ob die Version des Protokolls für den Frame unterstützt wird.

- Type and Subtype bestimmen die Funktion des Frames. Es gibt drei Typen der Frames: Steuerungs-, Daten- und Überwachungsframes. Für jeden Typ des Frames gibt es mehrere Subtypen. Jeder Subtyp bestimmt die spezifische Funktion, die für den damit assoziierten Typ des Frames verknüpft wird.

- To DS und From DS indizieren, ob der Frame in die Richtung zum oder vom Verteilungssystem DS (engl. Distributed System) gesendet wird. Es werden nur diejenigen Datenframes von den Stationen STA verwendet, die mit einem Zugriffspunkt AP assoziiert sind.

- Das Feld More Fragments bestimmt, ob mit weiteren Teilen des Frames, entweder des Daten- oder Überwachungstyps, zu rechnen ist.

- Retry indiziert, ob der Frame, entweder als Daten- oder Steuerungstyp, erneut gesendet wurde.

- Power Management gibt an, ob sich die Sendestation STA im aktiven Betrieb oder Stromsparmodus befindet.

- Das Feld More Data informiert die Station STA im Stromsparmodus, dass der Zugriffspunkt AP weitere Frames zu senden hat. Es ermöglicht dem Zugriffspunkt AP zu signalisieren, dass weitere Frames des Typs Broadcast oder Multicast gesendet werden.

- WEP indiziert, ob Verschlüsselung und Authentifizierung im Frame verwendet wurden. Es kann für alle Daten- und Steuerungsframes eingestellt werden, bei dem der Subtype auf Authentifizierung eingestellt ist.

- Order bestimmt, dass alle empfangenen Datenframes in der gegebenen Reihenfolge verarbeitet werden müssen.

Duration/ID

Dieses Feld wird für alle Steuerungsframes, mit Ausnahme des Subtyps Stromsparframe PSP (engl. Power Save Poll) zur Indikation der restlichen Dauer verwendet, die für den Empfang der Übertragung des weiteren Frames erforderlich ist. Beim Stromsparframe PSP hat dieses Feld die Identifikation der Assoziierung AID (engl. Association Identity) der Sendestation STA.

Adressfelder

In Abhängigkeit vom Typ des Frames werden die vier Adressfelder eine Kombination der folgenden Adresstypen beinhalten:

- Die BSS Identifier (BSSID) identifiziert eindeutig jeden BSS. Wenn der Frame von einer Station STA in Infrastruktur-BSS stammt, ist BSSID die MAC-Adresse des gegebenen Zugriffspunktes AP. Wenn der Frame von einer Station STA in IBSS stammt, ist BSSID eine zufällig generierte, lokal verwaltete MAC-Adresse der Station STA, die durch die IBSS initialisiert wurde.

- Die Destination Address (DA) indiziert die MAC-Adresse des endgültigen Bestimmungsortes des Frames.

- Die Source Address (SA) bestimmt die MAC-Adresse der ursprünglichen Quelle, die den Frame erstellt und gesendet hat.

- Die Receiver Address (RA) bestimmt die MAC-Adresse der nächsten benachbarten Station STA im drahtlosen Medium, die den Frame empfangen kann.

- Die Transmitter Address (TA) indiziert die MAC-Adresse der Station STA, die den Frame ins drahtlose Medium gesendet hat.

Weitere Informationen über alle Adresstypen und Adressfelder der MAC-Header sind in der Dokumentation des Standards IEEE 802.11 auf der Webseite von IEEE zu finden [6].

Sequence Control

Das Feld Sequence Control beinhaltet zwei Subfelder, Feld mit Nummer des Fragments und Feld mit Nummer des Ablaufs, wie auf dem Bild 1.12 zu sehen ist.

Nachfolgend sind die Felder Sequence Control beschrieben:

- Die Sequence Number gibt die Ablaufnummer jedes Frames an. Sie ist für alle Fragmente eines Frames gleich. Die Nummer wird um eins bis 4095 erhöht und fängt dann wieder bei 0 an.

- Die Fragment Number gibt die Nummer des Fragments der aufgeteilten Frames an. Der Ausgangswert ist 0 und wird um eins für jedes folgende Fragment des aufgeteilten Frames erhöht.

Frame Body

Frame Body enthält Daten oder Informationen von Steuerungs- bzw. Datenframes.

Blockprüfzeichenfolge FCS

Die Sendestation STA setzt zyklische Redundanzprüfung CRC (engl. Cyclic Redundancy Check) für alle Felder des MAC-Headers und Körpers des Frames ein, um einen Wert der Blockprüfzeichenfolge FCS zu generieren. Die Empfangsstation STA verwendet dann die gleiche CRC-Berechnung, um ihren eigenen Wert des FCS-Feldes zu bestimmen. So wird überprüft, dass kein Übertragungsfehler im Frame aufgetreten ist.

Bild 1.12 Format des MAC-Frames gemäß Standard IEEE 802.11. Die Felder Frame Control und Sequence Control sind detailliert angezeigt.

4.3 Bitübertragungsschicht PHY gemäß 802.11

Der Standard IEEE 802.11 definiert in der Bitübertragungsschicht PHY für drahtlose Kommunikation einige Verschlüsselungs- und Übertragungsverfahren. Oft verwendet werden das Frequenzsprung-Spektrumspreizverfahren FHSS (engl. Frequency Hopping Spread Spectrum), das Direktsequenz-Spektrumspreizverfahren DSSS (engl. Direct Sequence Spread Spectrum) und das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren OFDM (engl. Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Das Bild 1.13 zeigt die Standards IEEE 802.11, IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n und IEEE 802.11ac, die zurzeit auf der Bitübertragungsschicht PHY verwendet werden. Diese Standards werden in der folgenden Absätzen beschrieben.

Bild 1.13 Standards IEEE 802.11 auf Bitübertragungsschicht

IEEE 802.11

Die Übertragungsrate des ursprünglichen Standards IEEE 802.11 beträgt 2 Mbit/s, wobei das Übertragungsverfahren FHSS mit dem Frequenzband ISM eingesetzt wird, welche den Frequenzbereich von 2,4 bis 2,5 GHz verwenden. Unter ungünstigen Bedingungen wird eine niedrigere Übertragungsrate von 1 Mbit/s verwendet.

IEEE 802.11b

Die wichtigste Verbesserung des Standards IEEE 802.11 in der Version IEEE 802.11b ist die Standardisierung der Bitübertragungsschicht PHY zur Unterstützung von höheren Übertragungsraten. IEEE 802.11b unterstützt zwei weitere Raten, 5,5 Mbit/s und 11 Mbit/s, die das Frequenzband von 2,4 GHz ausnutzen. Um höhere Übertragungsraten zu erzielen, wird das Verfahren DSSS eingesetzt. Unter idealen Bedingungen wird die Übertragungsrate von 11 Mbit/s erreicht. In anderen Fällen stehen niedrigere Übertragungsraten von 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s und 1 Mbit/s zur Verfügung.

BEMERKUNG

Es ist darauf hinzuweisen, dass IEEE 802.11b das gleiche Frequenzband wie Mikrowellenherde, schnurlose Telefone, Babyfons, drahtlose Videokameras und Bluetooth-Geräte verwendet.

IEEE 802.11a

IEEE 802.11a kann mit Übertragungsraten von bis zu 54 Mbit/s arbeiten und verwendet das Frequenzband 5 GHz. Anstatt DSSS verwendet IEEE 802.11a das OFDM-Verfahren, das eine parallele Datenübertragung im Rahmen von Subfrequenzen ermöglicht und eine höhere Störfestigkeit und einen größeren Datendurchsatz erlaubt. Die höhere Übertragungsrate ermöglicht drahtlosen LAN bessere Leistungen für Video- und Konferenzanwendungen.

Wegen der Arbeitsfrequenz, die sich von Frequenzen anderer Geräte unterscheidet (z. B. schnurlose Telefone mit 2,4 GHz), kann IEEE 802.11a mit OFDM sowohl höhere Übertragungsrate als auch ein reineres Signal garantieren. Die Übertragungsrate von 54 Mbit/s kann nur unter idealen Bedingungen erzielt werden. In anderen Fällen stehen niedrigere Übertragungsraten von 48 Mbit/s, 36 Mbit/s, 24 Mbit/s, 18 Mbit/s, 12 Mbit/s und 6 Mbit/s zur Verfügung.

IEEE 802.11g

IEEE 802.11g kann mit Übertragungsraten von bis zu 54 Mbit/s arbeiten, aber verwendet das Frequenzband von 2,4 GHz und das OFDM-Verfahren. Er ist auch rückwärtskompatibel zum Standard IEEE 802.11b und kann mit den Übertragungsraten des IEEE 802.11b arbeiten und das DSSS-Verfahren verwenden. Drahtlose Netzwerkadapter von IEEE 802.11g können problemlos an drahtlose Zugriffspunkte AP, die den IEEE 802.11b Standard verwenden, angeschlossen werden. Umgekehrt können drahtlose Netzwerkadapter für den Standard IEEE 802.11b auch an drahtlose Zugriffspunkte AP für den Standard IEEE 802.11g angeschlossen werden.

ZUSAMMENFASSUNG

IEEE 802.11g erlaubt daher die Netzwerkmigration für Netzwerke von IEEE 802.11b mit frequenzkompatibler Technologie und höherer Übertragungsrate.

BEMERKUNG

Bestehende drahtlose Netzwerkadapter für den Standard IEEE 802.11b können auf IEEE 802.11g nicht nur durch bloße Aktualisierung ihrer Firmware upgegradet werden, sondern müssen ersetzt werden. Im Unterschied zur Migration von IEEE 802.11b auf IEEE 802.11a, bei der alle Netzwerkadapter sowohl bei drahtlosen Kunden als auch drahtlosen Zugriffspunkten AP zugleich ersetzt werden müssen, kann die Migration von IEEE 802.11b auf IEEE 802.11g schrittweise durchgeführt werden.

Wie IEEE 802.11a erzielt auch IEEE 802.11g unter idealen Bedingungen die Übertragungsrate von 54 Mbit/s und anderenfalls werden niedrigere Raten von 48 Mbit/s, 36 Mbit/s, 24 Mbit/s, 18 Mbit/s, 12 Mbit/s und 6 Mbit/s erreicht.

IEEE 802.11n

IEEE 802.11n verbessert vor allem die Reichweite (bis zu 250 m) und den Netzwerkdurchsatz im Vergleich mit den zwei Standards IEEE 802.11a und IEEE 802.11g (von 54 Mbit/s bis zu 600 Mbit/s unter idealen Bedingungen). Diese Verbesserungen wurden durch Integration des Verfahrens MIMO (engl. Multiple Input Multiple Output) und Erweiterung des Übertragungskanals auf 40 MHz erreicht. Das MIMO-Verfahren verwendet mehrere drahtlose Signale und Antennen sowohl für Sender als auch für Empfänger. Es kann auch in den Frequenzbändern von 2,4 GHz oder 5 GHz eingesetzt werden.

IEEE 802.11ac

Der Standard IEEE 802.11ac stellt ein Upgrade von IEEE 802.11n dar und leistet eine ähnliche Reichweite, aber einen erhöhten Durchsatz. Er arbeitet auf dem Frequenzband von 5 GHz und nutzt beam-forming, breite Bänder und mehrere Antennen, um theoretisch Übertragungsraten von bis zu 1,3 Gbit/s zu erzielen, was mehr als das Zweifache der maximalen Übertragungsrate von 600 Mbit/s bei IEEE 802.11n ist.

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Sicherheit

Drahtlose Netzwerke sind im Allgemeinen nicht so sicher wie Festnetze. Festnetze übertragen im einfachsten Fall Daten zwischen zwei Punkten A und B, die mit einem Netzkabel verbunden sind. Im Unterschied dazu senden drahtlose Netzwerke Daten in alle Richtungen und an alle Geräte in einem begrenzten Radius, die diese Sendung zufällig empfangen können. Festnetze können zum Beispiel durch die Beschränkung des physischen Zugriffs und die Installation von Firewalls gesichert werden. Die drahtlosen Netzwerke sind beim Einsatz der gleichen Maßnahmen immer noch durch Abhören gefährdet. Daher erfordern drahtlose Netzwerke einen höheren Aufwand, um die Sicherheit gewährleisten zu können.

5.1 Sichere Kommunikation

Der Begriff Kommunikationssicherheit wird häufig mit den folgenden drei Prozessen verbunden: Authentifizierung (engl. authentication), Vertraulichkeit (engl. confidentiality) und Integrität (engl. integrity) [1].

DEFINITION(EN)

Die Authentifizierung stellt sicher, dass Knoten wirklich diejenigen sind, als die sie sich ausgeben.

Die Authentifizierung basiert typischerweise auf eine Überprüfung von Zugriffsdaten, wie zum Beispiel Benutzername und Passwort, durch eine beauftragte Autorität. In komplexeren Systemen kann die Authentifizierung für den Nachweis auf den Besitz eines gewissen Schlüssels oder Tokens beruhen, das schwieriger gestohlen oder gefälscht werden kann, als ein Zertifikat oder eine Chipkarte.

DEFINITION(EN)

Vertraulichkeit stellt sicher, dass ein Lauscher den Netzverkehr nicht abhören kann.

Die Vertraulichkeit wird typischerweise durch Verschlüsselung des Nachrichteninhalts geschützt. Die Verschlüsselung verwendet eine bekannte reversible Transformationsmethode (auch Chiffre oder Verschlüsselungsalgorithmus bezeichnet) für den Inhalt der ursprünglichen Nachricht (auch Klartext oder Plaintext bezeichnet), um den Schlüsseltext (auch Chiffretext bezeichnet) durch Scrambling oder Maskieren zu generieren. Nur diejenigen, die wissen, wie der Prozess umgekehrt werden kann (d. h. wie die Nachricht entschlüsselt werden kann), können den ursprünglichen Text rekonstruieren. Zu den bekanntesten Verschlüsselungsmethoden gehören mathematische Transformationen, die als Variable einen Schlüssel verwenden, der einen unteilbaren Bestandteil des Transformationsprozesses schafft. Der Empfänger muss dann das richtige Verfahren und den verwendeten Schlüsselwert kennen, so dass er die Nachricht entschlüsseln kann. Für kommerzielle Verschlüsselungsverfahren sind die Methoden allgemein bekannt. Die Geheimhaltung des Schlüssels ist entscheidend.

DEFINITION(EN)

Integrität stellt sicher, dass die Nachrichten ohne Änderungen zugestellt werden.

In Hinblick auf Kommunikationssicherheit bedeutet Integrität die Garantie, dass die empfangene Nachricht keineswegs geändert wurde und identisch mit der gesendeten Nachricht ist. Bytes in Blockprüfzeichenfolge FCS sind ein Beispiel für ein Datenintegritätsverfahren, aber sie sind als nicht sicher zu betrachten. Die üblichen FCS-Bytes werden für den Inhalt der Nachricht nicht berechnet und auch nicht durch Verschlüsselung geschützt. Stattdessen werden sie von dem Schlüsseltext mit einer bekannten Methode berechnet und in einer direkten, d. h. nicht verschlüsselten Form gesendet. Die FCS-Bytes helfen bei der Identifikation der Pakete, die zufällig bei der Übertragung beschädigt werden. Der Angreifer könnte jedoch die richtigen Werte der FCS-Bytes berechnen, um zum Beispiel eine absichtliche Änderung eines empfangenen und weitergeleiteten Pakets zu maskieren. Je schwieriger für den Angreifer die richtige Berechnung der Integritätsprüfzeichenfolge oder der Sicherheits-Hash-Funktion ist, desto zuverlässiger ist der Test der Nachrichtenintegrität.

Die Konzeption der Integrität wird manchmal durch eine Überprüfung ergänzt, dass die Quelle der Nachricht identisch mit der angegebenen Quelle der Nachricht ist. Zeitstempel (engl. timestamp) und Sequenznummern können einen erfolgreichen Schutz vor wiederholten Angriffen darstellen, aber noch einmal wiederholt, können Übertragungen ohne Verschlüsselung als unsicher betrachtet werden.

Der Begriff Sicherheit ist immer relativ, nie absolut. Für jede Verteidigung gibt es einen erfolgreichen Angriff (oder wird es bald geben). Und für jeden Angriff gibt es eine erfolgreiche Verteidigung (oder wird es bald geben). Es ist nur eine Frage von Zeit und Aufwand. Je besser die Verteidigung ist, desto mehr Zeit und Aufwand wird für einen Angriff benötigt.

Die richtige Verteidigung muss ausgewogen sein und dem erwarteten Ausmaß der Angriffe entsprechen. Die Ausgewogenheit muss aus zwei Aspekten beachtet werden. Erstens muss das schwächste Kettenglied ausreichend sicher sein. Zweitens müssen passive Elemente der Authentifizierung, Verschlüsselung und Integritätsprüfung mit aktiven Elementen ergänzt werden, wie z. B. Überwachung des Netzverkehrs, Verfolgung der Verletzungsversuche und Einhaltung von Sicherheitsregeln. Die richtige Verteidigung ist die Verteidigung, die nur ein wenig mehr Zeit und Mühe aufwendet, die ein Angreifer aufzuwenden gewillt ist. Sicherheitsmaßnahmen bedeuten Kosten und Beschränkungen für den Verteidiger. Wie bei anderen Geschäftsentscheidungen müssen auch hier Kompromisse unter Berücksichtigung von allen möglichen Gesichtspunkten getroffen werden.

5.2 Vertraulichkeit und Verschlüsselung

Die Vertraulichkeit, d. h. das Verhindern von unerlaubten Zugriffen auf die Inhalte einer Nachricht, wird durch Verschlüsselung erreicht. Die Verschlüsselung ist für das WLAN optional, denn ohne sie kann jedes kompatible Gerät in seiner Reichweite den Netzverkehr abhören.

Für das WLAN gibt es drei grundlegende Sicherheitsverfahren. Seit der zweiten Hälfte der neunziger Jahre haben Wi-Fi-Sicherheitsalgorithmen mehrere Upgrades erlebt, einschließlich der Entfernung älterer Algorithmen und Updates neuerer Algorithmen. In der chronologischen Reihenfolge handelt es sich um die folgenden Algorithmen:

- WEP-Verfahren (engl. Wired Equivalent Privacy)

- WPA-Verfahren (engl. Wi-Fi Protected Access)

- WPA2-Verfahren (engl. Wi-Fi Protected Access version 2)

WEP

WEP wurde als Sicherheitsstandard für Wi-Fi-Netze im September 1999 genehmigt. Die ersten WEP-Versionen waren nicht besonders stark, nicht einmal zu Zeiten ihrer Veröffentlichung, weil Ausfuhrbeschränkungen der USA seitens verschiedener Verschlüsselungstechnologien zu Herstellerbeschränkungen der Geräte auf max. 64-Bit-Verschlüsselung führten. Nachdem diese Beschränkungen aufgehoben wurden, stiegen die späteren Versionen auf 128 Bits. Trotz der Einführung der WEP-Verschlüsselung mit 256 Bits, sind 128 Bits eine der gängigsten Implementierungen.

Trotz der Überarbeitung des Algorithmus und Verlängerung der Schlüssel wurden im Laufe der Zeit viele Sicherheitsschwachstellen im WEP-Standard gefunden und mit der Steigung der Rechenleistung war es auch einfacher, diese Schwachstellen auszunutzen. Schon 2001 wurde das grundlegende Konzept in Frage gestellt und 2005 organisierte das FBI eine öffentliche Vorführung mit dem Ziel, ein Bewusstsein für die WEP-Schwächen zu schaffen. In dieser Vorführung wurden WEP-Passwörter in wenigen Minuten mittels frei verfügbarer Software geknackt.

Obwohl mehrere Verbesserungen, provisorische Lösungen und weitere Versuche zur Modernisierung des WEP-Verfahrens führten, war es immer noch sehr unsicher. Die Systeme, die auf dem WEP-Verfahren beruhen, sollten upgegradet werden oder, wenn Sicherheitsupgrades nicht möglich sind, ersetzt werden. Die Wi-Fi-Allianz zog WEP im Jahre 2004 zurück.

WPA

Um die Verwundbarkeit von WEP zu überwinden, wurde am Anfang 2003 die WPA-Gruppe im Rahmen der Wi-Fi-Allianz gegründet. Die übliche WPA-Konfiguration ist WPA-PSK (engl. Wi-Fi Protected Access Pre-Shared Key). Die Länge des von WPA verwendeten Schlüssels beträgt 256 Bits, was eine erhebliche Erhöhung gegenüber 64 Bits und 128 Bits bei WEP darstellt.

Eine der bedeutendsten, in WPA eingeführten Änderungen sind die Integritätsprüfung der Nachrichten (zur Feststellung, ob ein Angreifer die Pakete zwischen dem Zugriffspunkt AP und Klienten abgefangen und geändert hat) und das TKIP-Protokoll (engl. Temporal Key Integrity Protocol). TKIP verwendet ein Schlüsselsystem für jedes übertragene Paket, das viel sicherer als ein Festschlüssel im WEP-System ist. TKIP wurde später vom AES-Standard (engl. Advanced Encryption Standard) ersetzt.

Trotz einer erheblichen Verbesserung des WPA im Vergleich mit dem WEP konkurriert WEP immer noch mit WPA. TKIP, die grundlegende Komponente des WPA, wurde so entworfen, dass es einfach mittels Firmwareupgrades in bestehende WEP-Geräte eingeführt werden kann. Als solches werden einige Elemente wiederverwendet, was dann auch zu einer Ausnutzung von Schwachstellen geführt hat.

Bei WPA, wie bei seinem Vorgänger WEP, wurde sowohl mit einem Machbarkeitsnachweis als auch mit einer öffentlichen Vorführung gezeigt, dass ihre Integrität von Angreifern erfolgreich verletzt werden kann. Es ist interessant, dass der Prozess, bei dem WPA üblicherweise angegriffen wird, kein direkter Angriff auf den WPA-Algorithmus ist (obwohl diese Angriffe auch erfolgreich getestet wurden), sondern es handelt sich um Angriffe auf ein zusätzliches System des WPS (engl. Wi-Fi Protected Setup), das mit WPA zusammenarbeitet und das so entworfen wurde, dass Geräte an modernen Zugriffspunkten AP einfach angeschlossen werden können.

WPA2

WPA wurde seit 2006 offiziell durch WPA2 ersetzt. Eine der bedeutendsten Änderungen im Vergleich zu WPA war der obligatorische Einsatz von AES und dem CCMP-Protokoll (engl. Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol) als Ersatz für das TKIP (es wurde in WPA2 als Reservesystem und zur Interoperabilität mit WPA erhalten).

Zurzeit wird die primäre Sicherheitsverletzbarkeit des aktuellen WPA2 als unbedeutend betrachtet (der Angreifer muss dabei schon einen Zugriff zu einem gesicherten Wi-Fi-Netz haben, um den Zugriff auf Sicherheitsschlüssel zu erlangen und dann weitere Geräte im Netz anzugreifen). So werden die Sicherheitsimplikationen der bekannten Verletzbarkeit von WPA2 fast ausschließlich auf Unternehmensnetzwerke begrenzt und haben keine praktische Bedeutung für kleine Haushaltsnetze.

Leider blieb das größte Sicherheitsloch bei WPA auch bei modernen WPA2-Zugriffspunkten bestehen: Vektorangriff über WPS. Obwohl Einbrechen in ein mit WPA/WPA2 gesichertes Netz durch Überwindung des WPS 2-14 Stunden mit einem modernen Computer dauern kann, handelt es sich immer noch um ein seriöses Sicherheitsrisiko und WPS sollte deaktiviert werden. Gleichzeitig sollte die Firmware der Zugangsknoten auf die Version wechseln, die WPS nicht unterstützt, so dass dieses Risiko nicht mehr besteht.

Nachfolgend eine Auflistung der aktuellen Sicherheitsverfahren von Wi-Fi-Netzen von den besten bis zu den schlechtesten:

1. WPA2 + AES

2. WPA + AES

3. WPA + TKIP/AES (TKIP ist hier das Reserveverfahren)

4. WPA + TKIP

5. WEP

6. Offenes Netzwerk (ohne jede Sicherung)

Im Idealfall wird WPS deaktiviert und das Sicherungsniveau auf WPA2 + AES eingestellt. Alle weitere Kombinationen in der Auflistung stellen eine wesentliche Verschlechterung dar.

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Vor- und Nachteile

Drahtlose Netzwerke haben gegenüber Festnetzen eine Reihe von erheblichen Vorteilen, wie Mobilität, Kosteneffizienz und Adaptabilität, aber es gibt auch Nachteile, wie die Sicherheit. Unten sind grundlegende Vor- und Nachteile von drahtlosen Netzwerken gegenüber Festnetzen angeführt.

Die folgende Liste fasst einige Vorteile von drahtlosen Netzwerken zusammen:

VORTEILE

Höhere Effizienz

Verbesserte Datenkommunikation führt zu schnellerer Informationsübertragung zwischen Unternehmen, Partnern und Kunden. Beispielsweise können Geschäftsleute Lagerbestände und Preise über Remote-Verbindungen kontrollieren und zugleich Telefongespräche führen.

Bessere Abdeckung und Mobilität

Kabelanschlüsse binden an einen Ort. Mit dem Übergang zu drahtlosen Netzwerken erhält man Bewegungsfreiheit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Verbindungen, ohne zusätzliche, für Büronetzwerke erforderliche Kabel oder Adapter.

Flexibilität

Büroangestellte können miteinander verbunden sein, ohne an benachbarten Computern sitzen zu müssen, und können auch außerhalb eines Büros produktiv arbeiten. Das kann zu einem neuen Arbeitsstil führen, beispielsweise durch ein Homeoffice oder den direkten Zugriff auf Unternehmensdaten während der Verhandlung beim Kunden.

Kosteneinsparung

Die Installation von drahtlosen Netzwerken kann einfacher und billiger sein, insbesondere in denkmalgeschützten Gebäuden oder wenn Vermieter keine Verlegung von Kabeln erlauben. Die Abwesenheit von Drähten und Kabeln reduziert die Gesamtkosten. Dies wird durch eine Kombination von mehreren Faktoren erzielt: relativ niedrige Kosten der drahtlosen Router, kein Graben, Bohren und Verlegen von Kabeln in Wänden oder keine weitere physische Installationen. Zusätzlich fällt die Wartung der Kabel-Infrastruktur weg.

Adaptabilität

Schnelle und einfache Integration der Geräte an das Netz und hohe Flexibilität bei einer Modifikation der Installation.

Neue Gelegenheiten/Anwendungen

Dank der drahtlosen Netzwerke können neue Produkte und Dienstleistungen angeboten werden. Zum Beispiel haben viele Abflughallen, Bahnhöfe, Hotels, Cafés und Restaurants Hot Spots für Dienstleistungen der drahtlosen Netzwerke installiert, um den mobilen Benutzern einen Anschluss ihrer Geräte an die Netzinfrastruktur zu ermöglichen.

Es gibt auch gewisse Nachteile, die mit der Ausnutzung der drahtlosen Netzwerke verbunden sind.

NACHTEILE

Sicherheit

Eine drahtlose Übertragung ist verletzbarer beim Angriff seitens unbefugter Benutzer und daher muss der Sicherheit eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Installationsprobleme

Man kann gestört werden, wenn andere Geräte in demselben Gebäude auch drahtlose Technologien verwenden oder wenn weitere Quellen von Funksignale in der Nähe sind. Das kann zur schlechten Qualität der Kommunikation oder in einem extremen Fall zum totalen Ausfall der drahtlosen Kommunikation führen.

Abdeckung

In einigen Gebäuden kann eine gleichmäßige Abdeckung schwierig sein. Es können auch Gebäudeteile ohne Signal entstehen. Beispielsweise in Gebäuden mit stahlarmierten Materialien kann es problematisch sein, ein verwendbares mobiles Signal zu finden.

Übertragungsrate

Drahtlose Übertragungen können im Vergleich zu Festnetzen langsamer und weniger effizient sein. Bei umfangreichen drahtlosen Netzwerken wird das Backbone-Netz üblicherweise ein Festnetz und kein drahtloses Netzwerk sein.

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Anwendungen

Die Reichweite der drahtlosen Kommunikation in integrierten Systemen wächst weiter. Die Gesellschaft Forrester Research, die sich mit betriebswirtschaftlichen Auswirkungen von technologischen Änderungen beschäftigt, berichtete, dass in wenigen Jahren bis zu 95 % aller Geräte, die Internetzugang haben, nicht-PC-Geräte mit einem integrierten Betriebssystem sein werden.

Es gibt viele Anwendungen für integrierte Geräte mit einer Wi-Fi-Schnittstelle:

- Industrieprozess- und Steueranwendungen, bei denen Festnetze zu teuer oder ungeeignet sind, z. B. häufige Umzüge von Maschinen.

- Notfallanwendungen, die sofortige und vorübergehende Einstellungen erfordern, wie z. B. in Kriegsgebieten oder in Gebieten von Naturkatastrophen.

- Mobile Anwendungen, z. B. zur Teileverfolgung.

- Überwachungskameras (vielleicht möchten Sie, dass die Kameras nicht sofort entdeckt werden, und Kabel lassen sich nur ungenügend verbergen).

- Vertikale Marktsegmente, z. B. Medizin, Ausbildung und Produktionstechnik.

- Kommunikation mit weiteren Wi-Fi-Geräten, z. B. Laptops oder PDA.

- Kommunikation unter Maschinen (M2M, engl. Machine to Machine).

Der letzte Begriff der M2M-Anwendungen bezieht sich auf Technologien, die eine Kommunikation von Geräten desselben Typs über drahtlose Netzwerke als auch Festnetze ermöglichen. Eine weitere Charakteristik der M2M-Kommunikation besteht darin, dass diese Verbindung vor allem die automatisierte Kommunikation zwischen entfernten Maschinen und einer oder mehr Schichten der zentralen Managementanwendungen ermöglicht. Sie stellt eine Echtzeitüberwachung und -steuerung ohne notwendige menschliche Eingriffe dar.

Im drahtlosen M2M-Raum gibt es zwei Hauptklassen der Verbindungen – mit einer kurzen und einer langen Reichweite. Die überwiegende Technologie der langen Reichweite verwendet integrierte Mobilfunkmodule zum Anschluss von entfernten Geräten an das Internet oder einen Anwendungsserver. Mobilfunkmodule haben viele ähnliche Funktionen wie Handys, einschließlich Sprach- und Datenkommunikation, und sind daher für integrierte Anwendungen ideal.

M2M-Anwendungen kann man in einer Reihe von Industrien finden, z. B. Zählerfernauslesung AMR (engl. Automatic Meter Reading), Verkaufsautomaten, Terminals an Verkaufsorten POS (engl. Point Of Sales), Transport- und Logistiksysteme (Flottenmanagement), Gesundheitspflege und Sicherheitstechnologie.

Gemäß der Gesellschaft ABI Research, die sich mit technologischer Forschung und Beratung beschäftigt, werden bis 2020 mehr als 30 Milliarden Geräte an das Internet der Dinge (engl. Internet of Things) drahtlos angeschlossen sein.

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Schlussfolgerung

Drahtlose Netzwerktechnologien verbinden ohne Kabel unsere Hochtechnologie-Geräte mit Hochgeschwindigkeitsnetzen oder anderen Geräten. In der Vergangenheit musste man Kabel von einem Raum zum anderen, von einem Stock zum nächsten verlegen. Der finanzielle und zeitliche Aufwand war erheblich.

Heutzutage ist die Installation eines drahtloses Netzwerkes eine einfache Aufgabe und es gibt eine Unmenge von drahtlosen Produkten und Hilfsmitteln zur Einstellung und Konfiguration von drahtlosen Netzwerken.

Man kann aus verschiedenen Technologien wählen, um Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Die Reichweite der Datenübertragung kann von einigen Metern bis zu einigen Kilometern reichen.

Damit bieten drahtlose Netzwerke neue Möglichkeiten für industrielle Lösungen, müssen aber unter besonderer Berücksichtigung der Sicherheit implementiert werden.

Vergleich der Typen der drahtlosen Netzwerke

Typ des Netzes

Name

Standard

Frequenzband

Nenn-Reichweite

Maximale Übertragungsrate

WPAN

Bluetooth

IEEE 802.15.1

2,4 GHz

10 m

720 Kbit/s

IrDA

IrDA

Infrarotfenster
Wellenlänge 850-900 nm

1 m

16 Mbit/s

ZigBee

IEEE 802.15.4

868 MHz, 900 MHz, 2,4 GHz

10 m

250 Kbit/s

UWB

IEEE 802.15.3

3,1-10,6 GHz (USA)
3,4-4,8 GHz & 6-8,5 GHz (Europa)

10 m

480 Mbit/s

WLAN

Wi-Fi

IEEE 802.11

2,4 / 5 GHz

100 m

1 Mbit/s

IEEE 802.11a

5 GHz

100 m

48 Mbit/s

IEEE 802.11b

2,4 GHz

100 m

11 Mbit/s

IEEE 802.11g

2,4 GHz

100 m

54 Mbit/s

IEEE 802.11n

2,4 / 5 GHz

250 m

600 Mbit/s

IEEE 802.11ac

5 GHz

250 m

1,3 Gbit/s

WMAN

WiMAX

IEEE 802.16

2-11 GHz+10-66 GHz

50 km

70 Mbit/s

WWAN

Mobilfunknetze

AMPS, GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, LTE

700 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 1900 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz

> 50 km

1 Gbit/s

Satellitennetze

DVB-S2

3-30 GHz

> 50 km

60 Mbit/s