Leistung und Leistungsmessung bei 802.11n-WLANs
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Auch wenn der 802.11n-Standard immer noch nicht offiziell ratifiziert ist, übernehmen Produkte mit der aktuellsten WLAN-Technik langsam die Oberhand in den Regalen der Anbieter. Doch bessere Durchsatzraten erreicht der Anwender mit 802.11n nicht automatisch. LANline stellt Messmethoden und Tipps für mehr Wireless Speed vor.
Ein WLAN auf der Basis des neuen "Beinahe"-Standards 802.11n verspricht deutlich höhere
Durchsatzraten als die bisherigen Varianten 802.11a/b/g: Bis zu 600 MBit/s sollen erzielbar sein.
Dies ermöglicht eine Kombination aus mehreren technischen Komponenten. Die bekannteste davon ist
MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO bezeichnet in der Nachrichtentechnik die Nutzung
mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation, das Konzept ist nicht auf WLAN
oder 11n beschränkt. Dahinter stecken Codierungsverfahren, die neben der zeitlichen auch die
räumliche Dimension zur Informationsübertragung nutzen.
Auf Seiten des Senders verwendet MIMO das Space-Division-Multiplexing-(SDM-) Verfahren, um
mehrere Datenströme auf derselben Frequenz aber in getrennten Kanälen zu übertragen. Dadurch können
größere Datenmengen mit höherer Sendeleistung über die Luftschnittstelle gesendet werden. Auf
Seiten des Empfängers lassen sich mithilfe von MIMO mehrere Signale kombinieren, um die
Signalstärke zu erhöhen und Störungen durch Mehrweg-Überblendung (Fading) zu unterdrücken. Während
die älteren Techniken Probleme mit der Verarbeitung von Mehrweg-Signalreflexionen und -Dämpfung
hatten, ist MIMO auf diese Reflexionen sogar angewiesen. Dabei trifft das Signal mehrfach mit
zeitlicher Verzögerung und unterschiedlichen Signalstärken beim Empfänger ein.
Obwohl die Signale im selben Funkkanal arbeiten, lässt sich dadurch die räumliche Signatur
(Spatial Signature) zweier Signale voneinander unterscheiden. So wird die Kanalkapazität
gesteigert. Je nach Anzahl der Antennen sind mehrere "Spatial Streams" möglich: Den vollen
theoretischen 11n-Durchsatz von 600 MBit/s schafft nur ein Array aus vier Sende- und vier
Empfangsmodulen, auch als 4×4 bezeichnet. Üblich sind zurzeit zwei Spatial Streams (2×2), die für
maximal 300 MBit/s sorgen. Dabei gilt – wie bei den bisherigen WLAN-Standards auch, dass sich die
Over-the-Air-(OTA-)Durchsatzraten nicht direkt in Nettodurchsatz übersetzen lassen. So
repräsentiert bei 802.11b ein OTA-Durchsatz von 11 MBit/s gerade einmal 5 MBit/s Nettodurchsatz,
und die 54 MBit/s von 802.11a und -g ergeben meist nur etwa 25 MBit/s Nettodurchsatz. Bei 11n lässt
sich aus 300 MBit/s OTA im besten Fall 140 bis 150 MBit/s realer Durchsatz erreichen.
Der schönste Strahl gewinnt
Eine weitere Technik, die zur Verbesserung von Performance und Abdeckung zum Einsatz kommt, ist
das so genannte Beamforming. Dabei versucht der Sender, durch die zeitliche Manipulation des
abgestrahlten Signals eine bestimmte Richtwirkung hervorzurufen. Da 802.11n – wie erwähnt – nicht
nur mit dem eigentlichen Signal, sondern auch mit dessen Reflexionen arbeitet, kann sich die
RF-Situation (Radio Frequency) oft im Millisekundenbereich ändern. Damit Beamforming eine positive
Wirkung hat, muss der Sender über sein Antennen-Array ständig die RF-Verhältnisse ermitteln und das
abgestrahlte Signal anpassen.
Noch mehr Leistung aber auch ein Problem bringt die Möglichkeit von 802.11n, zwei benachbarte
Kanäle mit je 20 MHz zu einem 40-MHz-Kanal zusammenzufassen. Dadurch wird die Übertragungsleistung
verdoppelt. Im 2,4-GHz-Band stehen allerdings nur drei nichtüberlappende Kanäle zur Verfügung, ist
ein Kanal beispielsweise bereits durch einen starken Sender im Nachbargebäude belegt, so bleibt für
ältere Techniken (802.11b/g) fast kein Platz mehr im Frequenzspektrum. Effektiver ist die
11n-Kanalbündelung im 5-GHz-Band, da dort wesentlich mehr Kanäle zur Verfügung stehen.
Weitere Detailverbesserungen auf der MAC-Ebene haben bei 802.11n ebenfalls Einfluss auf die
Performance. So lassen sich mehrere Anwendungsdatenpakete in einem gemeinsamen Übertragungsrahmen
zusammenfassen und der Overhead pro Paket reduzieren. Davon profitieren vor allem große
Dateitransfers – weniger Anwendungen, die aus vielen, nicht zusammenhängenden Transaktionen
bestehen. Als Resultat all dieser Maßnahmen können 802.11n-Systeme wesentlich mehr Daten pro
genutzter Bandbreite übertragen als herkömmliche WLANs.
Fehlende Leistungskategorien
Die Bestimmung der WLAN-Performance ist mit 802.11n nicht einfacher geworden. So sorgt der hohe
Einfluss der Beschaffenheit der physischen und der Funkumgebung für eine außerordentliche
Abhängigkeit vom jeweiligen Standort. Industrieweit ist bekannt, dass 802.11n andere Anforderungen
an die Performance-Bestimmung und -Bewertung stellt als traditionelle Funk-LANs. Je nach Anzahl der
Spatial Streams, angewandtem Beamforming und anderen Faktoren können Leistungswerte erheblich
voneinander abweichen. Die Zertifizierung durch die Wi-Fi Alliance macht aber beispielsweise keine
Aussage zur Übertragungsleistung eines Produkts, was die Auswahl für den Anwender erschwert. Ein
Beispiel sind die gerade auf den Markt drängenden 802.11n-Systeme, die lediglich über eine einzige
Antenne verfügen und daher auch nur einen Spatial Stream mit maximal 150 MBit/s ermöglichen
(1×1).
Diese Geräte erhalten eigentlich keine 802.11n-Wi-Fi-Zertifizierung, weil dafür im Moment zwei
Spatial Streams gefordert sind. Doch die Adapter und Access Points (APs) nutzen im Prinzip
802.11n-Technik, und in Zukunft wird es wohl noch erheblich mehr solcher und ähnlicher Produkte
geben. Viele Hersteller haben bislang 11n-Technik nicht in ihre Spezialanwendungen integriert, weil
die Anforderungen hinsichtlich des Stromverbrauchs der Module zu hoch waren. Mit einer 1×1-Matrix
und dadurch zwar reduziertem Durchsatz aber längerer Batterielebensdauer sieht dies anders aus,
sorgt aber für eine Lücke bei der Zertifizierung. Ein aktuell diskutierter Vorschlag lautet, die
Zertifizierung durch die Wi-Fi Alliance hinsichtlich der unterstützten Spatial Streams vorzunehmen.
So könnten Geräte in Leistungskategorien eingeteilt werden – eine Hilfe für Anwender bei der
Auswahl der passenden Endgeräte.
Hängepartie Stromsparmodus
Auch wenn der Begriff "Standard" etwas anderes suggeriert, so handelt es sich bei "11n" eben
noch nicht um einen stabilen IEEE-Standard. Die letzten Schätzungen gehen von einer endgültigen
Verabschiedung Anfang 2010 aus. Die Hersteller implementieren zwar alle Funktionen, die mit hoher
Wahrscheinlichkeit Eingang in das finale Dokument finden werden, lassen sich aber noch Spielraum in
der Interpretation. So ist etwa das Power-Management für 802.11n verpflichtend und daher durchweg
integriert: Der Mechanismus "Power Save Multi-Poll" (PSMP) schickt 802.11n-Geräte in den
Schlafmodus, wenn sie nicht aktiv Daten verarbeiten. Damit können mobile Geräte ihre Laufzeit
erheblich verlängern. Abgesehen von größeren Datentransfers sind die WLAN-Adapter die meiste Zeit
in Bereitschaftsstellung ohne echte Aufgaben. Ein passender Energiesparmodus, der auch in der Lage
ist, das Funkmodul schon für sehr kurze Ruhephasen von einigen Millisekunden schlafen zu schicken,
spart natürlich viel Leistung. PSMP passt auf, dass die mobilen Kommunikationseinheiten zum
richtigen Zeitpunkt wieder auf Touren kommen.
Doch PSMP sorgt nicht nur für Freude bei den Anwendern. Je nach Implementierung liegen Access
Point und Client manchmal nicht ganz auf einer "Wellenlänge", was die Einschlaf- und Aufwachzeiten
betrifft. Dies kann deutliche Auswirkungen auf den Durchsatz haben: So stellten sich im
LANline-Test verschiedener 802.11n-Produkte wiederholt die erwarteten Durchsätze erst dann ein,
wenn die Einstellungen des Power-Save-Modus entweder komplett ein- oder komplett ausgeschaltet
wurden. Bei Intel-Clients half es beispielsweise, den Regler auf "Highest" zu schieben. Auch ein
Notebook im Akkubetrieb brachte – technisch nachvollziehbar – weniger Durchsatz als ein Gerät im
Netzbetrieb.
Bei den begleitenden Tests zu diesem Beitrag fanden wir alle möglichen Einflussgrößen auf den
Durchsatz der vorhandenen 11n-Access-Points und -Clients. So lief ein Adapter erst dann zu voller
Leistung auf, als er mit WPA2 und nicht mit WPA verschlüsseln durfte. Spannend auch die
Möglichkeiten bei den Access Points oder WLAN-Controllern, wenn es sich um ein zentral gemanagtes
System handelte. WLAN-Controller sind wohl oft so getrimmt, dass sie beim Aufspüren von a/b/g-WLANs
in der Nähe die Kanalbreite auf 20 MHz reduzieren, falls dies per "Auto"-Betriebsart erlaubt ist.
Dies mag zwar eine edle Geste gegenüber fremden Systemen sein, ist aber völlig unnötig, wenn die
anderen WLANs weiter entfernten benachbarten Unternehmen gehören. Eine Kanalbreite von 20 MHz
reduziert den Durchsatz immerhin auf jeden Fall um die Hälfte.
Dass eine Positionierung von AP und Client in einem großen Raum mit freier Sichtverbindung
Einbußen beim Durchsatz zur Folge haben kann, ist mit 802.11n ebenfalls eine neue Erfahrung.
Tatsächlich wurden im Test die besten Durchsätze in einem Laborraum mit vielen reflektierenden
Flächen wie PC-Gehäusen und Racks ermittelt. Bei WLAN-Controllern, die eine Mesh-Funktion
aufweisen, wie dies bei Ruckus der Fall ist, kann das Abschalten dieser Funktion ebenfalls ein paar
Prozent mehr Durchsatz bringen. Das Gleiche gilt für den QoS-Pakettreiber des
Windows-Netzwerk-Stacks: Wer keine QoS-Dienste nutzt, sollte das Häkchen vor dem Eintrag entfernen.
Das positive Fazit aus der stundenlangen Beschäftigung mit Einstellungen in Treibern und Access
Points: Mit etwas Mühe ließ sich immer ausreichend Durchsatz "herauskitzeln".
Preisliches Mittelfeld fehlt
Um überhaupt zu wissen, welche Durchsätze mit dem jeweiligen WLAN realisierbar sind, muss sie
der Anwender messen. Administratoren haben dabei die Wahl, entweder sehr viel oder sehr wenig Geld
auszugeben. Das preisliche Mittelfeld ist bei entsprechenden Messlösungen praktisch nicht
vertreten. So gibt es einerseits beispielsweise Netzwerkanalysesoftware wie Observer von Network
Instruments oder Omnipeek von Wildpackets. Beide Programme unterstützen 802.11n mit entsprechenden
WLAN-Karten – die Hersteller empfehlen Adapter mit Atheros-Chipsatz und liefern auch eigene Treiber
dafür mit. Wir testeten mit einer PC-Card DWA-645 von D-Link und hatten keine Probleme in puncto
Erfassungsfähigkeiten. Beide Analyzer sind natürlich vor allem auf die tief gehende Analyse von
Datenströmen spezialisiert. Dies beherrschen die Tools perfekt, ist aber für die reine
Leistungsbestimmung bei WLANs nicht notwendig.
Der aktuelle Observer in Version 13 unterstützt zusätzlich eine AP-Statistik und besitzt eine
Site-Survey-Funktion, mit der Administrator sehr viele Details über APs und Kanalauslastung erhält.
Über diesen Weg ist auch eine Performance-Bestimmung möglich, die Omnipeek 6 ebenfalls anbietet.
Dazu wird ein Access Point ausgewählt und ein entsprechender Filter für ihn definiert. Die
resultierenden Pakete sichert der Anwender in einem separaten Pufferspeicher und nutzt die
vordefinierte Durchsatzgrafik, um den Auslastungsverlauf pro Kanal anzuzeigen. Generell gilt, dass
diese Analyzer ohne spezielle Hilfsmittel nur einen Kanal komplett erfassen können. Für Omnipeek
gibt es immerhin ein Softwarezusatzmodul, das mehrere USB-WLAN-Adapter gleichzeitig zum Erfassen
mehrerer Kanäle nutzen kann.
Deutlich unter den beiden kommerziellen Analyzern ist das kostenlose Tool Wireshark in
Kombination mit einer speziellen Messhardware angesiedelt. Wer auf gute Erfassungsleistung Wert
legt, für den bietet sich in dieser Hinsicht der Airpcap NX von Cace Technologies an. Dieses
USB-Modul verfügt über zwei externe Antennen und ist nahtlos in Wireshark integriert. Wie bei
Observer und Omnipeek liegt der Fokus auf dem Erfassen von Paketen, daraus Leistungswerte
abzuleiten ist möglich, aber aufwändig.
Erheblich einfacher geht es mit Ixchariot vom Ixia. Dieses Tool ist auf Benchmarking und
Performance-Ermittlung spezialisiert und unterstützt neben vordefinierten Lastprofilen auch
verteiltes Testen mit mehreren Endpunkten. Preislich ist es allerdings noch über Observer und
Omnipeek angesiedelt und daher für viele IT-Verantwortliche kleinerer Unternehmen jenseits des
Budgetrahmens. Da diese Lösung vor allem stationär ihre Vorteile ausspielt, haben Administratoren
zudem in der Regel von einem portablen Analyzer mehr Nutzen. Ixchariot dürfte letztlich eher die
Entwicklerfraktion ansprechen.
Deutlich günstiger – nämlich umsonst – kommt der Anwender davon, wenn er sich auf Open Source
oder mit der Hardware mitgelieferte Tools verlässt. So hat Ruckus in seinen WLAN-Controller die
Lösung Speedflex eingebaut. Diese besteht aus zwei Endpunkten und einem Kontrollprozess: Ein
Endpunkt läuft auf dem WLAN-Controller, der andere auf dem PC und der Kontrollprozess im Browser.
Der sendende Prozess schickt immer nur kurze Bursts von UDP-Paketen, da der Down-Link zum Client
gemessen werden soll und nicht etwa Buffer-Größen auf dem Weg zwischen den Endpunkten. Dies ist
praktisch und führt mit minimalem Aufwand zu Durchsatzergebnissen für alle Rechner, die über
Ruckus-APs online sind. Allerdings ist die Ausgabe auf eine Tachoskala und einen Endwert
beschränkt, Reports oder Verläufe sind nicht vorgesehen.
Für Fein-Tuning bietet sich hingegen ein kostenloses Tool an, das sich während der Tests als
unentbehrlich erwies: "Iperf" läuft sowohl als Server- als auch als Client-Prozess und erlaubt
zahlreiche unterschiedliche Einstellungen der Testtransaktion. So lassen sich TCP-Fenster- und
Puffergrößen einstellen und parallele Prozesse starten. Das Utility Iperf ist eigentlich
kommandozeilenbasierend – es gibt Versionen für Windows und Linux. Doch mithilfe des zusätzlich
verfügbaren Java-Tools "Jperf" gewinnt der Alleskönner eine praktische Benutzeroberfläche, die auch
gleich die grafische Auswertung der Ergebnisse übernimmt. Mit Iperf/Jperf konnten wir im Test
übrigens auch die Speedflex-Ergebnisse von Ruckus verifizieren.
Zum Teil sind auch die Tools innerhalb der Treibersoftware von WLAN-Clients brauchbar. Ralink
ist ein gutes Beispiel dafür – die Adapter von Logilink setzen diesen Chipsatz ein. Dessen Utility
verwaltet nicht nur Verbindungsprofile, sondern zeigt auch die aktuelle Verbindungsgeschwindigkeit
und den Durchsatz an. Für einen schnellen Test reichen die präsentierten Infos allemal aus.
Empfangsstärke entscheidend
Profis nehmen ohnehin einen anderen Weg zur Verifizierung von WLAN-Performance. So führt
beispielsweise das Consulting-Unternehmen 2ndwave seit Jahren Planungen für WLAN-Installationen
durch – seine Erfahrungen mit 802.11n lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen: Für eine optimale
802.11n-Implementierung muss das 5-GHz-Band genutzt werden. Channel-Bonding ist im 2,4-GHz-Band
kaum nutzbar, wenn der Anwender nicht den kompletten Frequenzbereich für andere WLAN-Techniken
blockieren will. Und ohne Channel-Bonding bleibt die Leistung weit hinter den angestrebten Werten
von 100 bis 140 MBit/s zurück. Die Profis arbeiten bei ihrer Abnahme des Standorts unabhängig von
einem bestimmten WLAN-Hersteller, die später verwendeten Produkte sind manchmal gar nicht bekannt.
Dieses Abstraktionsniveau erreichen die Consultants, indem sie keine Durchsätze am Standort
ermitteln, sondern die Empfangsleistung messen. Diese muss in allen Bereichen ausreichend groß
sein.
2ndwave ermittelt die Empfangssignalstärke sowie das "Signal-to-Noise Ratio" (SNR) und berechnet
daraus über eine Software von Ekahau die resultierende Leistung. Die Experten messen Standorte
entweder mithilfe eines Referenz-Access-Points aus, oder sie errechnen die zu erwartende
Empfangsleistung über eine Simulation am Computer und verifizieren diese Ergebnisse dann mit
Stichproben. Die gewünschte Empfangsleistung wird mit einem gewissen Spielraum nach oben angesetzt,
um noch Reserven für den Praxiseinsatz zu besitzen. Um auch die Beeinflussung durch andere WLANs
und sonstige Signalquellen berücksichtigen zu können, ermitteln die Consultants auch das
entstehende Rauschniveau. Zum Messeinsatz gehört auch ein Test mit einem Spektrumsanalysator, der
überprüft, ob analoge Störquellen existieren, die einen Kanal komplett belegen. All diese Messungen
und Kontrollen führt 2ndwave unabhängig von der geplanten WLAN-Technik durch – also sowohl für
11a/b/g als auch für den neuen Standard 11n.
Fazit: Auch wenn die Leistung bei 802.11n deutlich stärker von Umgebungsfaktoren abhängt als bei
Vorgängertechniken, können und sollen Administratoren Einfluss auf die Performance nehmen. Oft sind
es nur Kleinigkeiten in der Konfiguration von AP oder Client, die große Auswirkungen haben können.
Für die grundlegende Bestimmung, wo das eigene WLAN in puncto Durchsatz steht, genügt schon ein
kostenloses Tool wie Iperf, mit dem sich der Durchsatz zuverlässig messen lässt. Wer im Unternehmen
von Verfügbarkeit und Leistung des WLANs dauerhaft abhängig ist, wird allerdings über kurz oder
lang nicht um eines der kommerziellen Analyzer-Tools herumkommen.
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