WLAN und drahtlose Netzwerke

WLAN, die IEEE 802.11-Familie der Wireless-LAN-Standards, ermöglicht Geräten die Verbindung zu einem Netzwerk über Funk durch Zugangspunkte, unter Verwendung eines Kollisionsvermeidungs-Medienzugriffsprotokolls, das für den unvorhersehbaren drahtlosen Kanal entwickelt wurde.

Definition

Ein Wireless LAN ist ein lokales Netzwerk, in dem Geräte über Funk statt über Kabel kommunizieren, und Wi-Fi ist der Satz von IEEE 802.11-Standards, die seine physikalischen und Medienzugriffssteuerungsschichten definieren, typischerweise organisiert um Zugangspunkte, die drahtlose Stationen mit einem kabelgebundenen Netzwerk verbinden.

Scope

Dieses Thema behandelt drahtlose lokale Netzwerke gemäß IEEE 802.11: die Architektur von Zugangspunkten, Stationen und grundlegenden Dienstsätzen; den Assoziierungsprozess, durch den ein Gerät einem Netzwerk beitritt; das CSMA/CA-Medienzugriffsprotokoll mit zufälligem Backoff, Bestätigungen und dem optionalen RTS/CTS-Handshake zur Handhabung versteckter Terminals; das 802.11-Frame-Format; und die Entwicklung der Geschwindigkeiten und Bänder des Standards. Es berührt auch die drahtlose Sicherheit auf einer hohen Ebene. Es schließt Mobilfunknetze und detaillierte Funktechnik aus.

Core questions

• Wie ist ein drahtloses 802.11-LAN um Zugangspunkte und Stationen herum strukturiert?
• Wie entdeckt und assoziiert sich ein Gerät mit einem WLAN-Netzwerk?
• Wie koordiniert CSMA/CA den Kanalzugriff und vermeidet Kollisionen?
• Wie begegnen Bestätigungen und der RTS/CTS-Handshake drahtlosen Fehlern und versteckten Terminals?
• Wie haben sich die 802.11-Geschwindigkeiten, -Bänder und -Funktionen über die Standardgenerationen hinweg entwickelt?

Key concepts

• IEEE 802.11 (WLAN)
• Zugangspunkte und Stationen
• Grundlegender Dienstsatz (BSS)
• Beacons, Scannen und Assoziierung
• CSMA/CA
• zufälliger Backoff
• Link-Layer-Bestätigungen
• RTS/CTS-Handshake
• 802.11-Frame-Format
• drahtlose Sicherheit (WPA)

Key theories

Infrastrukturarchitektur und Assoziierung

Die meisten WLAN-Netzwerke sind im Infrastrukturmodus: Stationen assoziieren sich mit einem Zugangspunkt, der ihren Datenverkehr zu und von einem kabelgebundenen Netzwerk weiterleitet, nachdem sie ihn über Beacon-Frames entdeckt und sich authentifiziert und assoziiert haben, um seinem grundlegenden Dienstsatz beizutreten.

CSMA/CA Medienzugriff

802.11 verwendet Carrier-Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung: Stationen tasten den Kanal ab, warten zufällige Backoff-Intervalle und verlassen sich auf Link-Layer-Bestätigungen, da Kollisionen während der Übertragung auf einer drahtlosen Verbindung nicht zuverlässig erkannt werden können.

RTS/CTS für versteckte Terminals

Ein optionaler Request-to-Send / Clear-to-Send-Austausch reserviert den Kanal vor einem Datenframe, sodass Stationen, die für den Sender unsichtbar, aber in Reichweite des Empfängers sind, lernen, sich zurückzuhalten, wodurch das Problem der versteckten Terminals gemildert wird.

Clinical relevance

WLAN ist die vorherrschende Methode, mit der Geräte in Innenräumen eine Verbindung zu lokalen Netzwerken und dem Internet herstellen, und dient Haushalten, Büros, Schulen und öffentlichen Hotspots. Das Verständnis seines Zugriffsmechanismus, des Assoziierungsprozesses sowie der Band- und Kanalstruktur ist wesentlich für die Diagnose langsamer oder unzuverlässiger drahtloser Verbindungen, die Planung der Platzierung von Zugangspunkten und der Kanalzuweisung sowie die Sicherung drahtloser Netzwerke gegen unbefugten Zugriff und Abhören.

History

Der erste IEEE 802.11-Standard erschien 1997, gefolgt von weit verbreiteten Generationen (802.11b, a, g, n, ac, ax), die die Geschwindigkeiten erhöhten und Bänder sowie Techniken wie mehrere Antennen hinzufügten. Die Wi-Fi Alliance zertifizierte die Interoperabilität und popularisierte die Marke Wi-Fi, und die drahtlose Sicherheit entwickelte sich vom fehlerhaften WEP zu WPA und WPA2/WPA3, wodurch Wi-Fi weltweit zur Standard-Lokal-Wireless-Technologie wurde.

Key figures

• Andrew S. Tanenbaum
• James F. Kurose
• Keith W. Ross

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

Ist WLAN dasselbe wie das Internet?

Nein. WLAN ist eine drahtlose Verbindungstechnologie, die Ihr Gerät mit einem lokalen Netzwerk verbindet, normalerweise über einen Zugangspunkt. Dieses Netzwerk ist dann über eine separate kabelgebundene oder Mobilfunkverbindung mit dem Internet verbunden. Sie können WLAN ohne Internetzugang und Internetzugang ohne WLAN haben.

Warum verwendet WLAN Kollisionsvermeidung statt -erkennung?

Ein drahtloser Sender kann im Allgemeinen während des Sendens keine Kollisionen abhören, da sein eigenes Signal weitaus stärker ist als jedes eingehende, und versteckte Terminals können kollidieren, wo er sie nicht hören kann. Daher vermeidet 802.11 Kollisionen im Voraus durch Trägererkennung, zufälligen Backoff, Bestätigungen und optionales RTS/CTS, anstatt sie mitten in der Übertragung zu erkennen, wie es bei kabelgebundenem Ethernet der Fall war.