Wer mit der Anschaffung eines drahtlosen Netzes liebäugelt, dem schlägt die Industrie ein komplettes Standard-Alphabet um die Ohren: Von 802.11a bis n reicht der Buchstabensalat. LinuxUser buchstabiert die Angelegenheit aus.

Vernetzen ist in, Kabel sind out. Nicht nur wer ein WLAN-fähiges Notebook besitzt, verzichtet gerne auf das Strippenziehen. In vielen Haushalten soll mehr als nur ein Rechner auf die Internet-Verbindung zugreifen; auch Consumer-Electronics-Geräte wie Audio-Anlage oder Personal Video Recorder verlangen zunehmend nach einem Anschluss ans LAN. Der sollte jedoch tunlichst drahtlos ausfallen – wer legt schon gerne dröge Netzwerkkabel durchs Wohnzimmer?

Dementsprechend explodieren die Umsätze mit drahtlosen Netzen, die WLAN-Chip- und Gerätehersteller reiben sich die Hände. Allein in Europa sollen bis 2007 die Wireless-Umsätze die magische Milliarden-Dollar-Marke knacken. Als Kunden könnte uns das eigentlich nur recht sein, reduzieren die stetig steigenden Stückzahlen die Preise für das WLAN-Equipment doch deutlich.

Statt des früher einzigen und damit verlässlichen Standards IEEE 802.11b jedoch steht mittlerweile ein regelrechter Buchstabensalat von Wireless-Varianten zur Auswahl. 802.11a, b, g und h konkurrieren als Basistechnologien um die Gunst des Käufers, 802.11n steht als Nachfolger in den Startlöchern. Garnieren lässt sich das ganze je nach Bedarf mit 11c, d, e, f und i.

Vor diesem Buchstaben-Sortiment steht ratlos der potentielle Benutzer: 11 oder 54 Mbit/s? 2,4 oder 5 GHz? WEP, WPA oder 802.11i? Dieser Beitrag sortiert das WLAN-Alphabet, fasst den aktuellen Stand der verschiedenen Techniken zusammen und unterstützt Sie bei der Kaufentscheidung.

Technologien im Überblick

Die Basistechnologien für drahtlose Netze teilen sich in zwei Hauptlinien auf, die sich primär im verwendeten Frequenzband unterscheiden. Die klassischen Technologien setzen auf das 2,4-GHz-Band, die neueren Varianten arbeiten im breiteren 5-GHz-Band. Zu ersteren zählen das bislang am häufigsten verwendete IEEE 802.11b (11 Mbit/s) sowie sein rückwärtskompatibler Nachfolger 802.11g (54 Mbit/s).

Im 5-GHz-Band operieren dagegen 802.11a und 802.11h, die beide eine nominell Durchsatzrate von 54 Mbit/s erreichen. Das jenseits des Atlantiks gern salopp als “Compatibility Issue in Europe” umschriebene 802.11h stellt lediglich die europäische Variante des US-amerikanischen a-Standards das: Es bietet mit dynamischen Frequenzauswahl und variabler Sendeleistung zwei Zusatzfeatures, die ETSI für den europäischen Markt zwingend vorschreibt.

IEEE 802.11c behandelt die Verfahren für Wireless Bridging, also die drahtlose Kopplung verschiedener Netzwerk-Topologien. Mit dem Begriff “World Mode” wird die Standardkomponente 802.11d meist umschrieben: Sie behandelt regionsspezifische technische Unterschiede – etwa wie viele und welche Kanäle welche der Basistechnologien in welcher Region der Welt verwenden darf. Als Anwender müssen Sie lediglich das Land angeben, im Sie Ihre WLAN-Karte gerade verwenden; der Treiber regelt dann die entsprechende Anpassung.

IEEE 802.11e definiert Quality-of-Service- und Streaming-Erweiterungen für 802.11a/h und g. Dies soll die 54 Mbit/s schnellen Netze für Multimedia-Applikationen und vor allem Voice over IP – also Telefonie über IP-Netze und das Internet – fit machen. Zu den dafür notwendigen Merkmalen zählen etwa garantierte Datenraten für einzelne Dienste oder minimale Laufzeitschwankungen. Mit standardisierten Verfahren zum Übergabe (“Roaming”) mobiler Clients zwischen Access Points beschäftigt sich 802.11f. Die Abstimmung erfolgt dabei über IAPP, das Inter Access Point Protocol.

Security-Standards

Der Standard 802.11i soll allen Sicherheitsproblemen den finalen Garaus bereiten, von denen die drahtlosen Netze bis jetzt geplagt wurden. Er integriert sozusagen im Rundumschlag alles, was an Sicherheitstechnologien nur gerade zu finden ist. Dazu zählen als wichtigste Eckpunkte die Authentifizierung gemäß IEEE 802.1x (EAP, RADIUS, Kerberos) sowie eine Verschlüsselung nach dem Rijndael-Algorithmus (AES). Dementsprechend schwierig gestaltete sich auch die Definition von 802.11i: Die Verabschiedung des Standards durch IEEE erfolgte nach langem Hin und Her erst im Spätsommer 2004.

Sowohl der Umfang als auch Länge der Standardisierungsphase bei 802.11i verdeutlichen, wie dünnhäutig Industrie und Gremien inzwischen bei Sicherheitsfragen geworden sind. Ursache dafür ist das fast komplette Versagen des ersten für WLANs standardisierten Verschlüsselungsverfahrens WEP. WEP beruht auf einer RC4-Stromverschlüsselung mit statischem Key und einem Initialisierungsvektor (IV), der für jedes Paket die Verschlüsselung modifiziert. Die Implementierung des IV weist bei WEP jedoch so gravierende Schwächen auf, dass sich durch Mithören einer ausreichenden Anzahl Datenpakete der verwendete Schlüssel rekonstruieren lässt. Dazu existieren inzwischen Analysewerkzeuge [4], die diese Aufgabe automatisch erledigen.

Abbildung 1: Airsnort knackt nach Abhören einer genügend großen Datenmenge automatisch die WEP-Verschlüsselung.

Bis zur Verabschiedung vom 802.11i versuchten die Hersteller unter der Ägide ihres Industriekonsortiums Wi-Fi Alliance [5], die nicht mehr behebbaren Schwächen von WEP durch die Zwischenlösung WPA aufzufangen. WPA umfasst als Kernbestandteile die Weak Key Avoidance (“WEPplus”), EAP-gestützte Authentifizierung sowie TKIP. Das Temporal Key Integrity Protocol soll die gravierendsten Schwächen von WEP umgehen: Es ersetzt den konstanten Schlüssel durch ständig wechselnde Keys und implementiert eine stark verbesserte Integritätssicherung. Aus Gründen der Rückwärtskompatibilität benutzt TKIP aber nach wie vor die anfällige RC4-Stromchiffre. Als WPA2 schließlich bezeichnet die Wi-Fi Alliance die Implementation aller verpflichtenden Bestandteile des 802.11i-Standards.

Die Qual der Wahl

Das Wireless-LAN-Alphabet lässt in der Regel beim potenziellen Käufer mehr Fragen offen, als es beantwortet: Bei 802.11b handelt es sich um einen bewährten Standard – aber ist die Technologie nicht bereits überholt? Seit gut einem Jahr offerieren alle Anbieter die 54 Mbit/s schnellen Nachfolgeprodukte nach 802.11g – aber vertragen sich die auch mit existierendem 802.11b-Equipment? Ebenfalls mit 54 Mbit/s operieren 802.11a-WLANs, die jedoch deutlich teurer ausfallen, als 11b/g-Komponenten. Was können Sie mehr, und lohnt die Anschaffung?

Dass einige Hersteller mit Marketing-Ködern wie “11b-Plus” oder “Super-G” und höheren Datenrate locken, macht die Entscheidung nicht eben einfacher. Um diese Frage nach der geignetsten Variante für den eigenen Einsatz zu klären, gilt es einen genaueren Blick auf die fraglichen Frequenzbänder, die rechtlichen Voraussetzungen für deren Nutzung und die diesbezüglichen Eigenschaften der einzelnen Standards zu werfen. Dabei treten einige deutliche Beschränkungen der einzelnen Technologien ans Licht, die die Industrie zwar nicht verschweigt, aber die Hersteller auch nicht unbedingt an die große Glocke hängen.

2,4 vs. 5 GHz

Als klassisches Frequenzband für drahtlose Netze gilt das ISM-Band im 2,4 GHz-Bereich. Das Kürzel ISM steht für “Industrial, Scientific, Medical”; für entsprechende Anwendungen wurden das ISM-Band ursprünglich einmal international freigegeben. Dies umfasst die Nutzung sowohl innerhalb als auch außerhalb von Gebäuden. Solange die Funkstrecken über eigenem Gelände verlaufen, ist die Nutzung nach deutschem Recht sowohl anmelde- als auch gebührenfrei.

Die fast unbeschränkte Nutzungsmöglichkeit des ISM-Bands hat allerdings dazu geführt, das sich hier inzwischen neben WLAN-Varianten wie 802.11b und g auch zahlreiche weitere Funktechnologien tummeln. Die bekannteste darunter stellt wohl Bluetooth [1] dar. Doch nicht nur Funknetze, sondern auch drahtlose Lautsprecher oder Tastaturen übermitteln mittlerweile gerne ihre Daten in diesem Frequenzbereich. Neben Funksendungen anderer Netze und Systeme kommen im 2,4-GHz-Band aber auch Mikrowellen und sogar Leuchtstoffröhren-Starter als potentielle Störquellen in Frage.

Die drangvolle Enge wird durch die Tatsache verschärft, dass in dem nur 80 MHz schmalen Frequenzband lediglich drei Kanäle zum konkurrierenden Betrieb zur Verfügung stehen. Das erschwert zum einen im professionellen Betrieb die Versorgung großer Benutzerzahlen durch eng gepackte Access Points, zum anderen in jeder Einsatzart das Umgehen von Störquellen. Anders formuliert: Betreiben bereits drei Ihrer Nachbarn im 50-Meter-Umkreis ein 11b/g-Wireless-LAN, sollten Sie sich keine allzu hohen Datenübertragungsraten erhoffen.

Auch der von der Industrie gern als Allheilmittel gegen das überfüllte ISM-Band angepriesene 5-GHz-Frequenzbereich weist bei genauem Hinsehen einige Nachteile auf. Die Einschränkungen resultieren einerseits aus schlichter Physik, andererseits aus den rechtlichen Rahmenbedingungen. Die Nutzung einer höheren Frequenz verursacht auch eine höhere Dämpfung sowie eine Anfälligkeit gegen Rauschen, Abschattungen und andere parasitäre Effekte. Beides verteuert die Nutzung der 5-GHz-WLANs: Die Störeffekte lassen sich durch technische Maßnahmen in den Griff bekommen, die jedoch die Kosten der Komponenten für 802.11a-Funknetze erhöhen. Die geringere Reichweite – sie beträgt etwa die Hälfte jener der 2,4-GHz-WLANs – erfordert das Aufstellen einer höheren Zahl von Access Points, um eine gleiche Abdeckung zu erreichen.

Auf der Haben-Seite verbuchen die 5-GHz-WLANs ein selbst nach den strengen deutschen Regulatorien sehr breites nutzbares Frequenzband. Bei 802.11a/h stehen dadurch acht statt wie bei 11b/g nur drei parallele Kanäle zur Verfügung. Beim Privatbetrieb vermindert dies das Störungspotenzial durch andere WLANs in der Nachbarschaft. In großen Funknetzen, in denen aufgrund hoher Benutzerzahlen die Access Points ohnehin sehr dicht gepackt werden müssen, erweist es sich ebenfalls als Vorteil.

802.11a vs. 802.11h

Allerdings handelt es sich auch beim 5-GHz-Band durchaus nicht um die tabula rasa, für die Anbieter es gerne ausgeben. In Europa tummeln sich im 5-GHz-Band beispielsweise neben Amateurfunkern diverse militärische Kommunikationsanwendungen sowie bestimmte Flugnavigationsdienste. Speziell Flugsicherung und Streitkräfte reagieren ausgesprochen allergisch auf jedwede Störung. Selbst in USA, wo 802.11a anfangs für In- und Outdoor-Betrieb zugelassen und in großen Stückzahlen verkauft wurde, kritisiert inzwischen das Militär die Technik und fordert Frequenzbeschränkungen oder technische Ergänzungen.

Dem Vernehmen nach funken dort die 11a-WLANs vor allem den bei der US Air Force immer beliebteren Kampfdrohnen a la Predator ins Handwerk. Deswegen beschränken auch die US-Zulassungsbehörden für den Betrieb von Funkanwendungen im 5-GHz-Band die Sendeleistung drastisch oder verlangen alternativ technische Maßnahmen zum automatischen Ausweichen bei Frequenzkollisionen (DFS) sowie zur flexiblen Regelung der Sendeleistung auf das unbedingt notwenige Minimum (TPC).

Der Standard 802.11a stellt jedoch weder Dynamic Frequency Selection noch Transmit Power Control zur Verfügung. Daher beschränkt die deutsche RegTP in der entsprechenden Frequenznutzungsverfügung Vfg35/2002 [2] das Verfahren auf eine Sendeleistung von 30 mW und den reinen Indoor-Einsatz. Die europäisierte Variante 802.11h dagegen ergänzt 11a um DFS und TPC und erlaubt damit eine Sendeleistung von 200 mW. Für den Outdoor-Betrieb sieht die Verordnung ausschließlich den Frequenzbereich von 5470 bis 5725 MHz vor. Den deckt 802.11a/h aber gar nicht ab – die Technologie bleibt also im Gegensatz zu 11b/g auf die Nutzung innerhalb von Gebäuden begrenzt.

Aufgrund der weltweiten Popularität der 802.11a-Technologie und der auch in USA immer nachdrücklicheren Forderung nach DFS/TPC weisen inzwischen die meisten Hersteller eine Standard-Kompatibilität zu 802.11h gar nicht mehr gesondert aus. Sie rüsten ihre Produkte zwar von vorneherein mit DFS/TPC aus, bewerben sie jedoch als 802.11a-Equipment. Bestenfalls finden sich im Datenblatt Anmerkungen wie “supports DFS/TPC” oder ähnliches. Als europäischer und speziell deutscher Betreiber sollten Sie im Zweifelsfall bei “11a”-fähigen Geräten unbedingt nachhaken, ob die Systeme die 11h-Features auch tatsächlich bieten.

Kompatibilitätsaspekte

Falls Sie Ihr WLAN nicht gerade auf der sprichwörtlichen grünen Wiese errichten, stellt sich notgedrungen auch die Frage der Kompatibilität zu vorhandenen 802.11b-Geräten. Hier kann 802.11g voll punkten: 11b- und g-Geräte nutzen das selbe Frequenzband, verwenden ein gemeinsames Modulationsverfahren und bieten die selbe Reichweite. Daher lassen sie sich problemlos im Mischbetrieb verwenden.

Allerdings geht die Kompatibilität zu Lasten der Performance: Sobald auch nur eine einzige 11b-Komponente in ein 11g-Netz einklinkt, sinkt der Durchsatz des Gesamtsystems von 54 auf 11 Mbit/s. Zudem ist zu bedenken, dass man sich mit der Kompatibilität gleichzeitig auf einen gemeinsamen Frequenzbereich festlegt – das ohnehin schon dicht belegte 2,4-GHz-Band. 802.11a nutzt dagegen das bis jetzt noch relativ dünn besiedelte 5-GHZ-Band, ein Parallelbetrieb zu 802.11b ist dadurch ohne jede gegenseitige Beeinflussung möglich.

Auch hinsichtlich der Sicherheit wirft der Mischbetrieb von 802.11b- und g-Komponenten, aber auch älteren und neueren g-Geräten unter Umständen Probleme auf. Der WLAN-Security-Standard 802.11i ist erst im Sommer 2004 verabschiedet worden. Daher bieten ältere Funknetz-Systeme meist nur den erheblich schwächeren Schutz gemäß WEP und erzwingen die zusätzliche Absicherung des Netzes mit VPN-Technik. Stellen die Geräte dagegen bereits den 802.11i-Subset WPA zur Verfügung, offerieren die Hersteller meist auch ein Firmware-Upgrade zu 802.11i/WPA2.

Der Erwerb von so genannten Dual-Band/Triple-Mode-Produkten befreit von vorne herein von den meisten Kopfschmerzen hinsichtlich der Kompatibilität. Solche Systeme beherrschen sowohl den Betrieb im 2,4- als auch im 5-GHz-Band und unterstützen alle drei Basistechnologien 11a, 11b und 11g. Zumindest funktechnisch kann beim Zusammenspiel mit beliebigen WLAN-Komponenten also nichts mehr schiefgehen. Diesen Vorzug muss man jedoch mit deutlich höheren Anschaffungskosten honorieren.

Das reibungslose Zusammenspiel zwischen WLAN-Systemen verschiedener Hersteller soll das vom Industriegremium Wi-Fi Alliance vergebene Label “WiFi-certified” sicherstellen. Dieses Qualitätssiegel erhalten nur Produkte, die im umfangreichen Testsuiten ihre Konformität zu den Standards sowie die Interoperabilität mit Geräten anderer Hersteller nachweisen können. Die WiFi-Alliance vergibt das Certified-Logo für 2,4-GHz-Systeme in den Geschwindigkeitsklassen 11 und 54 Mbit/s, für 5-GHz-Systeme bei 54 Mbit/s sowie für WPA, WPA2 und WMM. WMM steht für Wi-Fi Multimedia und signalisiert 802.11e-Konformität.

Abbildung 2: Das Certified-Logo der Wi-Fi Alliance auf der Produktverpackung signalisiert Standardkonformität und Kompatibilität zu den Produkten anderer Hersteller.

Völlig aus dem Kompatibilitätsraster fallen Chipsatz-spezifische und nicht standardisierte Übertragungsverfahren mit höheren Datenraten. Dazu zählen insbesondere “802.11b+” mit 22 Mbit/s sowie die 108-Mbit/s-Modi bei Produkten nach IEEE 802.11a (“Turbo-Mode”) und 802.11g (“Super-G”, “Extreme-G”). Die entsprechenden Brutto-Transferraten lassen sich nur mit Systemen des selben Herstellers und aus der selben Produktreihe nutzen.

WLAN 2006: 802.11n

Höhere Datenraten als Standard-Bestandteil werden erst die WLANs der nächsten Generation bringen, an deren Definition die Task Group n des IEEE-Komittees 802.11 derzeit arbeitet. Der WLAN-Chiphersteller Agere hat bereits mit einem Demo-Chip demonstriert, wie die zugrunde liegende Technik funktioniert: Mit simplen Mitteln beschleunigt der Prototyp existierende 802.11a-Technologie auf 162 Mbit/s. Zur Erhöhung der Transferrate nutz er drei parallel arbeitende Sende/Empfangsantennen. Dabei lässt sich das ohnehin zum 11a-Verfahren gehörende Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) zur sauberen Trennung der einzelnen Subcarrier innerhalb des Frequenzbands nutzen. Dieser als MIMO (Multiple Input / Multiple Output) apostrophierte Trick erlaubt laut Agere einen mit der Antennenanzahl fast proportional wachsenden Durchsatz.

Abbildung 3: Erste Anbieter offerieren bereits nach dem MIMO-Prinzip arbeitende Komponenten als “Pre-N”-Systeme. Dieser Router von Belkin operiert im 2.4-GHz-Band mit einer Transferrate von über 300 Mbit/s.

Der für 2006 geplante Standard 802.11n soll mit Hilfe der MIMO-Technik wenigstens 100 Mbit/s Netto-Datenrate erreichen. Das ist aber auch schon alles, was sich momentan mit Sicherheit über die Nachfolger der heutigen drahtlosen Netze aussagen lässt. Über die weiteren technischen Rahmendaten des künftigen 802.11n-Standards streiten sich zwei konkurrierende Industrielager momentan noch verbissen. Zur TGn-Sync-Fraktion [3] – das Kürzel steht für “Task Group n Synchronization” – zählen neben Agere auch Branchenriesen wie Atheros, Intel, Sony und Philips. Die Gruppe peilt die Verwendung von 40 MHz breiten Kanälen im 5-GHz-Band an. Dies ermöglicht, so gibt sich insbesondere Agere überzeugt, problemlos Netto-Durchsatzraten bis zu 500 Mbit/s.

Einen konservativeren Ansatz mit wie bisher 20 MHz breiten Channels im 2,4-GHz-Band peilt dagegen die WWiSE-Gemeinschaft (“World Wide Spectrum Efficency”) [6] an, zu deren prominentesten Vertretern Broadcom, Conexant, Texas Instruments, Airgo and STMicroelectronics zählen. Der WWiSE-Ansatz verspricht zwar Abwärtskompatibiltät zu den verbreiteten b/g-Systemen sowie eine schonende Ausnutzung der Frequenzen, lässt jedoch andererseits keine sehr hohen Datenraten zu.

Fazit

Der ausgereifte Standard 802.11b hat trotz der Konkurrenz durch die 54-Mbit/s-Nachfolger das Ende seiner Lebensdauer noch lange nicht erreicht. Aufgrund der durch die hohen Stückzahlen konkurrenzlosen Preise und seiner Eignung für fast alle Anwendungsgebiete stellt er nach wie vor eine ideale Einsteiger-Technologie dar. Wer auf hohe Bandbreiten und Multimedia verzichten kann, der fährt auch weiterhin mit 802.11b gut – und vergleichsweise billig.

Als dedizierte Nachfolger im Heim- und Small-Business-Einsatz positioniert sich das zum Vorgänger abwärtskompatible 802.11g. Entsprechende Komponenten lassen sich in 11b-Netze problemlos nachrüsten, bis das Budget einen kompletten Umstieg hergibt. Zudem erschließt es durch Unterstützung für den Multimedia-Standard 802.11e zusätzlichen Einsatzgebiete wie Voice over WLAN.

WLANs nach 802.11a/h dagegen eignen sich aufgrund ihrer spezifischen Vorzüge und Nachteile am ehesten für große Netze mit vielen Benutzern. In einer solchen Umgebung fallen die Handicaps der Technologie nicht ins Gewicht, die Vorteile lassen sich dort voll ausreizen.