Schrittweiser Prozess der drahtlosen Datenübertragung (Wi-Fi 802.11)
1. Kanalprüfung (CSMA/CA)
Vor der Datenübertragung prüft der Sender, ob der Funkkanal frei ist. Dies geschieht mittels Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). Dabei wird das Medium abgehört, um festzustellen, ob andere Geräte senden. Ist der Kanal belegt, wartet der Sender eine zufällig gewählte Zeitspanne (Backoff-Intervall), bevor er erneut prüft. Dieser Mechanismus reduziert die Wahrscheinlichkeit von Datenkollisionen im Shared Medium.
2. Virtuelle Trägerprüfung (RTS/CTS) (optional, aber empfohlen)
Zur Verbesserung der Übertragung kann der Sender eine virtuelle Trägerprüfung durchführen:
- Request to Send (RTS): Der Sender fordert die Sendeberechtigung beim Empfänger an.
- Clear to Send (CTS): Der Empfänger bestätigt die Anforderung und signalisiert, dass der Sender senden darf.
Dieses Handshake-Verfahren informiert andere Geräte im Netzwerk über die geplante Übertragung und reserviert den Kanal. Besonders in Umgebungen mit versteckten Stationen hilft RTS/CTS, Kollisionen zu vermeiden.
3. Datenübertragung
Nach erfolgreicher Kanalprüfung und ggf. RTS/CTS beginnt die eigentliche Datenübertragung:
- Frame-Aufbau:
- MAC-Header: Enthält Informationen zu Absender, Empfänger, Sequenznummern und Steuerungsinformationen.
- Nutzdaten: Die zu übertragenden Informationen.
- Frame Check Sequence (FCS): Fehlererkennungsmechanismus mittels Prüfsumme (CRC).
Der Sender übermittelt die Frames gemäß den Standardspezifikationen.
4. Fehlerprüfung und Bestätigung (ACK)
Der Empfänger führt eine Fehlerprüfung durch:
- Prüfung der FCS: Stellt sicher, dass der Frame fehlerfrei empfangen wurde.
- Senden eines Acknowledgment (ACK): Bei erfolgreicher Prüfung bestätigt der Empfänger den Empfang.
Fehlerhafte Frames werden verworfen, und es wird kein ACK gesendet.
5. Wiederholungsmechanismus
Erhält der Sender innerhalb eines festgelegten Zeitfensters kein ACK, geht er von einem Übertragungsfehler aus:
- Erneute Übertragung: Das Frame wird erneut gesendet.
- Exponentielle Backoff-Strategie: Wartezeit vor Wiederholung wird mit jedem Fehlversuch erhöht.
- Abbruch nach Maximalversuchen: Nach mehreren fehlgeschlagenen Versuchen gibt der Sender auf und meldet einen Fehler.
Dieser Mechanismus stellt sicher, dass temporäre Störungen überwunden werden können, ohne das Netzwerk unnötig zu belasten.
6. Abschluss und Kanalfreigabe
Nach erfolgreicher Übertragung und Empfang des ACK:
- Kanalfreigabe: Der Sender signalisiert, dass der Kanal wieder frei ist.
- Andere Geräte: Können nun den Kanal nutzen und ihre eigenen Übertragungen initiieren.
Der Prozess beginnt für die nächste Übertragung von vorn.
Ergänzungen
Physische und virtuelle Trägerprüfung
Neben der physischen Kanalprüfung (Hören des Mediums) ermöglicht die virtuelle Trägerprüfung durch RTS/CTS eine effektivere Kollisionserkennung, insbesondere in Umgebungen mit vielen Geräten oder Hindernissen.
Quality of Service (QoS)
Der 802.11e-Standard erweitert Wi-Fi um Quality of Service-Funktionen:
- Traffic-Klassifizierung: Priorisierung von Datenverkehr (z.B. Voice over IP höher als E-Mails).
- Verkürzte Wartezeiten: Bevorzugte Behandlung wichtiger Datenströme durch Anpassung der Backoff-Intervalle.
Sicherheit
Zum Schutz der Übertragung können zusätzliche Sicherheitsmechanismen eingesetzt werden:
- Verschlüsselung: Mit WPA2 oder WPA3 zum Schutz der Datenintegrität und -vertraulichkeit.
- Authentifizierung: Sicherstellen, dass nur autorisierte Geräte am Netzwerk teilnehmen.
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