Definition

Was ist 802.11?

| Autor / Redakteur: tutanch / Andreas Donner

(© aga7ta - Fotolia)

802.11 ist der der Überbegriff einer Normenfamilie drahtloser Netzwerke (WLAN), benennt aber auch den ersten Standard der Normenreihe. Der Standard wird vom Institute of Electrical and Electronics Engineers herausgegeben und als IEEE 802.11 bezeichnet.

Die Arbeit an den 802-Normen, die zunächst den Zugriff auf kabelgebundene Netze definierten, begann im Februar 1980. Deshalb wählte das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) die Bezeichnung 802. Unter IEEE 802.11 fallen die Standards für drahtlose Netze. 802.11 wird daher häufig auch als WLAN- oder Wi-Fi-Standard bezeichnet.

In seiner ersten Version erschien die Spezifikation im Jahr 1997 und definierte den MAC-Layer und die physische Bitübertragungsschicht für ein drahtloses Netzwerk. In seiner ursprünglichen Version unterstützt 802.11 Datenraten von einem oder zwei Megabit pro Sekunde für Nutzdaten und den Protokoll-Overhead. Die tatsächlich nutzbare Übertragungsrate liegt deutlich unter diesen Werten.

Als Frequenzband nutzt der erste Standard aus der Protokollfamilie 802.11 ausschließlich das 2,4-GHz-Band im Frequenzbereich von 2,400 bis 2,485 Gigahertz. Es steht also eine Bandbreite von ungefähr 80 Megahertz für ein drahtloses Netzwerk zur Verfügung. Als Modulationsverfahren kommen Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) zum Einsatz.

Der ursprüngliche 802.11 Standard wurde für höhere Datenraten, größere Reichweiten und mehr Sicherheit laufend erweitert und ist heute veraltet. Er wird für drahtlose Netzwerke nicht mehr verwendet, denn die Nachfolgestandards wie 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n oder 802.11ac ersetzen ihn. Der 802.11n WLAN-Standard erreicht beispielsweise Übertragungsraten von bis zu 600 Megabit pro Sekunde. Aktuelle WLAN-Standards nutzen neben dem 2,4-GHz-Band auch das 5-GHz-Band. Im ursprünglichen Standard ist neben der Übertragung im 2,4-GHz-Band auch eine Datenübertragung per Infrarotschnittstelle spezifiziert. Im WLAN kann der Aufbau eines Netzwerks im Ad-hoc-Modus und im Infrastruktur-Modus mit Bassistation erfolgen.

Erreichbare Geschwindigkeiten mit 802.11

Mit dem ersten Standard aus der Protokollfamilie 802.11 sind maximale Übertragungsraten (brutto) von zwei Megabit pro Sekunde möglich. Die nutzbare Datenrate liegt allerdings deutlich darunter und bewegt sich in einem Bereich von maximal 0,5 bis einem Megabit pro Sekunde. Die Differenz aus Brutto- und Nettoübertragungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass es sich bei der Funkübertragung um ein gemeinsam genutztes Übertragungsmedium handelt.

Den Zugriff auf das Medium regelt ein spezielles Verfahren mit der Bezeichnung CSMA/CA. In diesem Verfahren sind Pausen nach dem Senden durch eine Station vorgesehen, wodurch sich die Funkschnittstelle niemals zu 100 Prozent belegen lässt. Weitere Einflussfaktoren auf die Datenrate sind lokale Gegebenheiten wie Decken, Wände und Möbel oder andere Funkübertragungen und WLANs in unmittelbarer Nähe, die die eigenen Funksignale stören. Alle Teilnehmer im WLAN müssen sich die zur Verfügung stehende Bandbreite teilen.

Die Protokolltransparenz von 802.11

Eine wesentliche Eigenschaft von 802.11 ist die Protokolltransparenz. Da der WLAN-Standard im OSI-Schichtenmodell die Bitübertragungsschicht für das Funknetzwerk definiert, ist er für Protokolle höherer Schichten ähnlich wie Ethernet vollkommen transparent. Die drahtlose Kommunikation per WLAN ist daher problemlos in vorhandene Netzwerkstrukturen integrierbar. Eine kabelgebundene Ethernet-Verbindung nach dem Standard IEEE 802.3 kann ohne Auswirkungen auf Netzprotokolle oder Anwendungen durch eine WLAN-Verbindung ersetzt werden. Es entstehen höchstens Einschränkungen aufgrund geringerer Datenraten, Funkstörungen oder längeren Antwortzeiten.

Das Zugriffsverfahren CSMA/CA

Für die Steuerung des Zugriffs auf das drahtlose Medium sieht der 802.11 Standard das CSMA/CA-Verfahren vor (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Da sich alle Teilnehmer im Drahtlosnetzwerk das Übertragungsmedium teilen, regelt das CSMA/CA, wie die Teilnehmer zugreifen dürfen.

Es kann immer nur eine störungsfreie Übertragung stattfinden, weshalb jeweils nur ein Teilnehmer senden darf. CSMA/CA sieht vor, dass jeder Teilnehmer vor dem Senden prüfen muss, ob das Medium frei ist. Erkennen zwei Teilnehmer gleichzeitig, dass das Medium frei ist und senden ihre Daten, entsteht eine Kollision und die Daten werden für den Empfänger unbrauchbar. Solche Kollisionen sind unbedingt zu vermeiden.

Das kabelgebundene Ethernet verwendet hierfür das CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Clients erkennen die Kollision schon während der Übertragung und brechen den Sendevorgang ab. In einem Funknetzwerk können Kollisionen und Funkstörungen leider nicht unterschieden werden. Zudem kann der Sender nicht davon ausgehen, dass seine Signale tatsächlich fehlerfrei beim Empfänger ankommen. Daher kommt im Gegensatz zum kabelbasierten Ethernet Collision Avoidance (CA) und nicht Collision Detection (CD) zum Einsatz. Da beim Senden eine Kollision nicht feststellbar ist, muss der Sender ein Bestätigungspaket des Empfängers abwarten, bevor er weitere Pakete schicken darf. Erfolgt keine Bestätigung ist das ursprüngliche Paket erneut zu senden.

Erlaubte Funkleistungen im 2,4-GHz-Band

Das 2,4-GHz-Band darf in den meisten Ländern wie in Deutschland lizenzfrei genutzt werden. Allerdings sind die maximalen Sende- und Strahlungsleistungen der Geräte beschränkt. Die maximale Sendeleistung kann sich von Land zu Land unterscheiden. In Deutschland darf im 2,4-GHz-Band maximal mit einer Leistung von 100 Milliwatt gesendet werden. Mit dieser Sendeleistung lassen sich im Optimalfall Entfernungen von bis zu 300 Metern im Freien überbrücken. In Gebäuden liegt die Reichweite aufgrund von Wänden, Decken und Einrichtungsgegenständen deutlich darunter.

Vor- und Nachteile des 2,4-GHz-Frequenzbands

Für drahtlose Netze kommen heute in der Regel die beiden Frequenzbänder im 2,4- und 5-GHz-Bereich zum Einsatz. Der 802.11 Standard in seiner ersten Version sieht nur die Nutzung des 2,4-GHz-Bandes vor. Da die Frequenzbänder in sehr vielen Ländern lizenzfrei nutzbar sind, haben die IEEE-Standards eine weltweite Verbreitung gefunden. Durch eine Zertifizierung der Wi-Fi-Alliance lässt sich die Interoperabilität und Standardkonformität der WLAN-Produkte unterschiedlicher Hersteller nachweisen. Die Vorteile des 2,4-GHz-Bandes sind im Folgenden aufgeführt:

  • lizenz- und gebührenfrei nutzbares ISM-Frequenzband
  • überwindet im Vergleich zum 5-GHz-Band störende Gegenstände verlustärmer und erzielt größere Reichweiten
  • die volle Sendeleistung von 100 Milliwatt ist ohne aufwendige Verfahren wie TPC (Transmit Power Control) oder DFS (Dynamic Frequency Selection) nutzbar
  • weltweit akzeptierte Frequenz
  • geringe Implementierungskosten für Geräte

Als Nachteile lassen sich folgende Aspekte anführen:

  • für einen störungsfreien Betrieb stehen maximal eine Bandbreite von 80 MHz und vier nicht überlappende Kanäle zur Verfügung
  • maximal können vier Netzwerke in räumlicher Nähe störungsfrei betrieben werden
  • das Frequenzband ist stark genutzt. Es muss mit anderen Funkgeräten wie Babyphones oder Bluetoothgeräten geteilt werden
  • Geräte wie Mikrowellenherde können die Übertragung stören

Mögliche Topologien in einem 802.11 Netzwerk

In einem drahtlosen Netzwerk können zwei grundsätzlich unterschiedliche Topologien auftreten. Schon mit zwei drahtlosen Clients wie zwei WLAN-fähigen Laptops lässt sich ein drahtloses Netzwerk herstellen. Sind die beiden WLAN-Geräte direkt miteinander per Funkmedium verbunden, spricht man vom so genannten Ad-hoc-Netzwerk.

Für die Herstellung der Netzwerkverbindung werden keine weiteren aktiven Komponenten benötigt. Beide Clients kommunizieren direkt über ihre WLAN-Schnittstellen. Voraussetzung hierfür ist, dass sie sich innerhalb ihrer jeweiligen Reichweite befinden. Die Ad-hoc-Vernetzung ist für den 802.11 Standard jedoch eher untypisch. Für diese Art der Vernetzung ist Bluetooth besser geeignet und einfacher zu nutzen.

Üblich für den Betrieb eines WLANs ist das so genannte Basic Service Set (BSS). Es besitzt als zentrales Element einen Access Point, mit dem sich die Clients drahtlos verbinden. Der Access Point bildet in dieser Topologie den Übergang vom drahtlosen in das drahtgebundene Netzwerk und fungiert als Bridge. Beim Access Point handelt es sich um ein aktives Layer-2-Element, das die zwei unterschiedlichen physikalischen Schichten des drahtlosen und drahtgebundenen Netzes verbindet. Die WLAN-Clients teilen sich die vom Access Point in der Funkzelle bereitgestellte Übertragungsrate. Access Points werden in der Regel zentral platziert, damit sie einen großen Bereich für die Clients abdecken.

Sicherheit im 802.11 Netzwerk

Der erste Standard der 802.11 Protokollfamilie war in puncto Sicherheit nicht spezifiziert. Es handelte sich um ein offenes WLAN, das eine unverschlüsselte Kommunikation ermöglichte. Clients mussten sich im Funknetzwerk nicht authentisieren. Prinzipiell konnte man sich beliebig mit dem Netzwerk verbinden und sämtlichen Verkehr im Klartext mitlesen. Für die nötige Sicherheit hatten Protokolle und Anwendungen aus den höheren Schichten des OSI-Referenzmodells zu sorgen. Da diese Konstellation ein hohes Sicherheitsrisiko sowohl für private als auch für Unternehmensnetze darstellte, wurden in den Nachfolgestandards wie 802.11b technische Möglichkeiten zur Absicherung der Kommunikation spezifiziert. Ein erstes Sicherheitsmerkmal war beispielsweise die WEP-Verschlüsselung (Wired Equivalent Privacy). WEP erwies sich jedoch schnell ebenfalls als unsicher, sodass Protokolle wie WPA (Wi-Fi Protected Access) und das heute noch gebräuchliche WPA2 folgten.

Folgende Sicherheitsrisiken bestehen in einem 802.11 Netzwerk der ersten Generation:

  • aufgrund der hohen Reichweiten von bis zu 300 Meter sind die Signale auch außerhalb von Gebäuden empfangbar
  • auf das Netzwerk kann unbefugt zugegriffen werden
  • die Daten im Netzwerk sind unverschlüsselt
  • Daten lassen sich abhören
  • Daten sind manipulierbar

IEEE 802.11 und Bluetooth – Gemeinsamkeiten und Unterschiede

Zwischen dem WLAN-Standard 802.11 und Bluetooth existieren einige Gemeinsamkeiten. Beide Funkstandards nutzen das 2,4-GHz-Band und sorgen für drahtlose Verbindungen von Geräten. Wireless LAN ist optimiert für hohe Übertragungsraten und große Reichweiten und kommt hauptsächlich für lokale Netzwerke und in Kombination mit Access Points zum Einsatz. Bluetooth ist konzipiert für wenig bandbreiteintensive Ad-hoc-Verbindungen von Endgeräten über kürzere Distanzen und eignet sich dank geringem Energiebedarf und niedrigen Hardwarekosten auch für Kleinstgeräte. Bluetooth löst beispielsweise Übertragungen per Infrarot (IrDa, Infrared Data Association) ab.

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