WiMedia WLP Vielseitiges Protokoll für den Aufbau drahtloser Ad-hoc-Funknetzwerke

Das WiMedia WLP (Logical Link Control Protocol) definiert das Netzwerkprotokoll der Logical-Link-Control-Schicht für die WiMedia-Funkplattform, um das Verhalten einer IEEE-802-Umgebung nachzubilden. Da sowohl Wi-Fi (IEEE 802.11) als auch Ethernet (IEEE 802.3) auf IEEE 802 beruhen, soll WLP als unkomplizierte Brücke zwischen diesen beiden Netzwerktypen fungieren.

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Bei WLP handelt es sich um das Schema, mit dem WiMedia-Internet-Traffic über seine kurzen Funkstrecken überträgt. WLP kann dabei parallel zu dem bekannteren, vom USB Developers’ Forum unterstützten Certified-Wireless-USB-Standard operieren. Grundlage für den Parallelbetrieb beider Protokolle ist die Konvergenzschicht (Convergence Layer).

Während man die Konvergenzschicht von WiMedia gelegentlich in einer Grauzone irgendwo im siebenschichtigen ISO-Referenzmodell einordnet, handelt es sich dabei in Wirklichkeit um einen im WiMedia MAC-Protokoll implementierten Regelsatz.

Zum Verständnis des WiMedia MAC ist ein kurzer Rückblick erforderlich: Ursprünglich war UWB als Funktechnik für IEEE 802.15.3 MAC gedacht. Man gründete folgerichtig ein Komitee mit der Bezeichnung 802.15.3a, das allerdings nach ein paar Jahren Entwicklungstätigkeit aufgelöst wurde, da man sich auf keine UWB-Technik zur Implementierung des Netzwerkstandards IEEE 802.15.3 einigen konnte.

IEEE 802.15.3 wurde den gegensätzlichen Vorgaben nicht gerecht

IEEE 802.15.3 war für die drahtlose Videoübertragung über kurze Distanzen konzipiert worden, denn dies war mit den seinerzeit existierenden Funksystemen nur unter Schwierigkeiten möglich. Die in der WiMedia Alliance zusammengeschlossenen Unternehmen bauten daher zunächst IEEE-802.15.3-Systeme zur Unterstützung der digitalen Videoübertragung.

Einige wollten jedoch die drahtlose USB-Übertragung unterstützen, während bei anderen der Wunsch bestand, energieeffiziente Kurzstrecken-Ad-hoc-Netzwerke für Mobiltelefone und portable Media-Player zu realisieren.

Als sich abzuzeichnen begann, dass IEEE 802.15.3 diesen gegensätzlichen Vorgaben nicht gerecht werden würde, startete man eine Initiative zur Definition einer neuen MAC-Schicht, die sich deutlich von IEEE 802.15.3 unterschied. Die WiMedia Alliance veröffentlichte ihre neuen Standards schließlich als ECMA-368 und ECMA-369.

Koexistenz mit CW-USB und gleichzeitig eingesetzten proprietären Protokollen

Heutzutage basieren sämtliche Certified-Wireless-USB-Implementierungen (CW-USB) auf einer Teilmenge der WiMedia-MAC- und -PHY-Schicht. Zusätzlich gibt es eine ganze Reihe proprietärer Methoden für den Videotransport über die WiMedia-MAC- und PHY-Schicht.

WLP wiederum ist eine standardisierte Technik zur Unterstützung von IEEE 802 über WiMedia-Hardware, die eine Koexistenz mit Certified Wireless USB und beliebigen, gleichzeitig eingesetzten proprietären Protokollen ermöglicht.

Dies bedeutet in der Praxis, dass drahtlose Geräte an öffentlichen Orten miteinander kooperieren, um die Ressourcen des vorhandenen Frequenzspektrums untereinander aufzuteilen – obwohl die Geräte keinerlei Anwenderdaten untereinander austauschen.

Ähnlich verhält es sich mit portablen, für Batteriebetrieb ausgelegten Geräten, die in derselben Umgebung betrieben werden können wie Home-Video-Geräte, die für das Video-Streaming mit sehr großer Bandbreite ausgelegt sind.

Alle IEEE-802-Netzwerke sind von Ethernet abgeleitet, denn sie benutzen 48-Bit-UUIDs (Universally Unique IDs) zum Kennzeichnen der Quell- und Zieladressen. Das von der WiMedia MAC-Schicht verwendete Schema zur Identifikation der Quell- und Zieladressen weicht dagegen von der Art und Weise, wie die Frames in IEEE-802-Netzwerken strukturiert werden, ab:

WLP erlaubt zwei Frameformate, nämlich ein IEEE-802-kompatibles Format und ein verkürztes Format. Letzteres wird zwischen WiMedia-Geräten verwendet, für die Bridging nicht vorgesehen oder nicht gewünscht ist. Dies gestattet eine einfachere Implementierung von Geräten, die lediglich eine simple Punkt-zu-Punkt-Verbindung benötigen.

Vermaschte Netzwerke werden nicht unterstützt

Das Bridging erlaubt WLP-Knoten die Verbindungsaufnahme mit Geräten an anderen IEEE-802-Netzwerken, unterstützt aber keine vermaschten Netze (Mesh Networking): Will ein WLP-Knoten einen anderen adressieren, so müssen sich beide in direkter Funkreichweite zueinander befinden. Möglicherweise wird das WLP in Zukunft so erweitert, dass Knoten Nachrichten über mehrere Teilstrecken hinweg weiterleiten können. Kurzfristig aber konzentriert sich WLP auf ein einfacheres Punkt-zu-Punkt-Verbindungskonzept.

Weshalb wurde bei WLP auf Mesh Networking verzichtet? Zu den Schwierigkeiten des Mesh Networkings gehört das Hidden-Radio-Problem. Ein Beispiel: Angenommen, es gäbe drei Funkeinheiten A, B und C, von denen A und B miteinander kommunizieren können und sich auch B und C in gegenseitiger Reichweite befinden, während A und C zu weit voneinander entfernt sind.

Die WiMedia-MAC-Schicht löst dieses Problem auf einer recht elementaren Ebene: Auch wenn sich die Funkeinheiten nicht direkt hören können, leiten die dazwischenliegenden benachbarten Einheiten Reservierungsinformationen weiter. Alle Knoten, gleich ob sie sich in gegenseitiger Reichweite befinden oder nicht, respektieren also ihre Reservierungen des gemeinsam genutzten Wellenspektrums.

Da das Problem der verborgenen Knoten damit grundlegend gelöst war, musste das WLP sich dieser Problematik nicht erneut widmen – CW-USB, WLP und proprietäre Protokolle können einwandfrei miteinander koexistieren.

WLP ist für den Aufbau von Ad-hoc-Netzwerken gedacht

Das WLP ist für den Aufbau von Ad-hoc-Netzwerken gedacht, in denen sich Geräte gegenseitig erkennen können. Außerdem kann WLP für den Internetzugang IEEE-Brücken unterstützen. Im Gegensatz zu IEEE-802.11-Netzwerken unterscheidet WLP nicht zwischen dem Ad-hoc- und dem Infrastruktur-Modus. WLP ist vielmehr eine echte Peer-to-Peer-Technik: Alle Knoten können sich gegenseitig hören und dürfen miteinander kommunizieren. Darüber hinaus dürfen dass einige oder alle Knoten als Brücken fungieren.

Von drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken wurde bislang selten Gebrauch gemacht. Als Ad-hoc bezeichnet man Netzwerke, in denen sich die Geräte selbst vernetzen und sich Netzwerkadressen zuweisen, anstatt die Verfolgung der IP-Adressen einem Server zu überlassen. Auf diese Weise können zwei beliebige Geräte (z.B. Media Player) Dateien untereinander austauschen.

IPv6 verspricht Unterstützung für das Ad-hoc-Networking

Der Media Player Zune von Microsoft z.B. unterstützt das Ad-hoc-Networking per Wi-Fi – andere Geräten bleiben allerdings ausgeschlossen. Selbst für die Kommunikation mit einem unter Microsoft-Software laufenden PC kann ein Zune-Gerät seine Wi-Fi-Funktion nicht nutzen.

IPv6 verspricht Unterstützung für das Ad-hoc-Networking, speziell weil es Bestandteil des Microsoft-Betriebssystems Vista ist. Vista lässt bereits zu, dass Gruppen von Laptops Wi-Fi im Ad-hoc-Modus Daten untereinander austauschen, ohne einen externen Server zu verwenden. Auch wenn dies nicht die „Killer-Applikation“ für Kurzstrecken-Funknetzwerke sein mag, stellt es eine Referenz-Implementierung für einen offenen Standard dar. Während es noch zu früh ist, Nutzungsmuster für WLP-fähige portable Geräte vorherzusagen, erscheint dieser auf IPv6 beruhende Standard zur Bildung von Ad-hoc-Netzwerken als geeigneter Anwärter.

Mobiltelefone werden für den Aufbau eines PANs genutzt

Allgemein war erwartet worden, dass Mobiltelefone mit Wi-Fi ausgestattet werden. Da aber WiMax und andere schnelle digitale Dienste mehr und mehr den Direktzugriff von Handys auf das Internet möglich machen, könnte die Nachfrage nach einem Internetzugang per Wi-Fi zurückgehen.

Wahrscheinlich ist vielmehr, dass das Mobiltelefon zum Internet-Zugangspunkt für Geräte wie etwa Digitalkameras und Media Player wird, die sich in der näheren Umgebung des Telefons befinden. Man bezeichnet dies als Personal Area Network (PAN).

Wi-Fi könnte durchaus als Basis für ein PAN fungieren. Im Gegensatz zu WLP bietet es jedoch keine gleichzeitige Unterstützung für den Access-Point- und den Peer-to-Peer-Modus.

Problematisch ist auch das Power-Management, denn Wi-Fi setzt bezüglich des Power-Managements einige Dinge voraus, die die Nutzung eines Handys als Internet-Zugangspunkt erschweren: So muss der Access Point bei Wi-Fi eine Stromversorgung besitzen und fortlaufend Beacons aussenden. Die Client-Geräte können dadurch im Sleep-Modus verbleiben, bis der Access Point signalisiert, dass der Client entweder Daten bereithält oder eine Sendemöglichkeit besteht.

Power-Management von WLP wurde für Akku-betriebene Geräte konzipiert

WLP ist ein echtes Peer-to-Peer-Netzwerk. Sämtliche aktiven Geräte müssen Beacons aussenden und damit ihre Präsenz in einer WiMedia Beacon-Gruppe ankündigen. Im Sleep-Zustand befindliche Geräte dürfen einige Beacon-Perioden „verschlafen“, bevor davon ausgegangen wird, dass sie dem WSS nicht mehr angehören.

Klar ist, dass nicht alle Geräte sofort in den Sleep-Modus wechseln dürfen. Eine beliebige Einheit muss aktiv bleiben und Beacons erzeugen, damit sich die übrigen Einheiten weiter synchronisieren können. Dieser eine Knoten wird als Anker bezeichnet.

WLP-Geräte geben in ihrem Beacon an, ob ihr Stromverbrauch begrenzt ist oder nicht. Steht ein netzgespeistes Gerät zur Verfügung, übernimmt dieses die Rolle des Ankers. Anderenfalls teilen die gleichrangigen Geräte (Peers) die Anker-Funktion untereinander auf, indem diese Aufgabe alle paar Minuten an einen anderen Knoten übertragen wird.

WLP wurde für den Einsatz in einer batteriebetriebenen Umgebung konzipiert. Spekulationen darüber, welche Arten von Anwendungen es für WLP-basierte PANs einmal geben wird, wären zwar voreilig, doch ist bereits jetzt klar, dass WLP eine solide Grundlage für die Ausdehnung der Internet-Anbindung auf batteriebetriebene Geräte darstellt, die mit Mobiltelefonen nicht besonders gut harmonieren.

Neuer Funktionen für das konventionelle Netzwerkzugangskonzept

WLP bringt eine Reihe neuer Features für das konventionelle Netzwerkzugangskonzept mit, das mit Wi-Fi populär wurde. Die Architekten von WLP hatten es nicht darauf abgesehen, Wi-Fi durch WLP zu verdrängen, zumal Wi-Fi für die flächenmäßige Abdeckung eines Hauses oder Büros hervorragend geeignet ist.

In einer Büroumgebung kann WLP zum Anschluss von Geräten an das Firmennetzwerk dienen. Dabei liegt die Betonung auf der Verwaltbarkeit: In die meisten Büros dürfen keine Wi-Fi-Geräte betrieben werden, zum einen aus Sicherheitsgründen, zum anderen wegen möglicher Interferenzen mit anderen Wi-Fi-Geräten.

WLP dagegen richtet automatisch eine sichere Verbindung ein, und dank des geringen Einzugsbereichs werden Interferenzen mit Geräten weitgehend vermieden. Sollten sich die Funkradien verschiedener Geräte überschneiden, kann WLP mit anderen WiMedia-Geräten koexistieren, ganz egal, ob diese unter WLP oder Certified Wireless USB laufen.

Der relativ neue Standard IEEE 802.3af bzw. Power over Ethernet für die Stromversorgung über das Ethernet-Kabel erleichtert beispielsweise die Herstellung von VoIP-Telefonen erheblich. Denkbar ist die Single-Chip-Implementierung einer WLP/Ethernet-Brücke für eine kostengünstige Verbindung zwischen WLP-Geräten und einem Firmen-Netzwerk.

Der Einsatz von WLP in Heimnetzwerken im Privathaushalt

In Heim-Netzwerken geht es im Zusammenhang mit Brücken in erster Linie um die Bandbreite. Die Digital Living Network Alliance (DLNA) beruht auf Internet-Protokollen, die wiederum auf IEEE-802-basierten Protokollen laufen. Die DLNA geht davon aus, dass Heim-Netzwerke zur Verteilung von Video- und Audio-Streams genutzt werden, was große Anforderungen an die Bandbreite stellen kann.

Wi-Fi und Ethernet sind hier wichtige Komponenten, doch wenn immer mehr Wi-Fi Access Points zu einem Heim-Netzwerk hinzukommen, werden die damit erzielten Verbesserungen immer geringer, da immer mehr Geräte miteinander oder mit Geräten des Nachbarn interferieren.

Die Illustration veranschaulicht die Dichte, die mit mehreren WLP-Instanzen in einem Raum, der dem Einzugsbereich einer einzigen 802.11n-Instanz entspricht, erzielt werden kann. Dieses Modell wird für mathematische Simulationen der Funk-Performance herangezogen. Das Hinzufügen weiterer WLP-Instanzen vergrößert somit die im Haus verfügbare Gesamt-Bandbreite.

Praktisch gesehen ist WLP in einem Haus auf jeweils einen einzigen Raum beschränkt, während die Kommunikation von einem Raum zum anderen einem im gesamten Haus installierten Kabelsystem überlassen wird. Als derartige WLP-Brücken kommen neben verschiedenen Ethernet-Varianten auch Fernsehkabel und die Powerline-Kommunikation in Betracht.

Man kann davon ausgehen, dass in einem Privathaushalt Ad-hoc-Geräte mit Geräten koexistieren müssen, die via Brücke ans Backbone-Netz angeschlossen sind. Beispielsweise ist denkbar, dass sich Game-Controller zu einem Ad-hoc-Netzwerk zusammenschließen, während gleichzeitig ein elektronischer Bilderrahmen über eine WLP-Brücke, die mit einem nahegelegenen Kabelanschluss verbunden ist, Bilddateien herunterlädt.

WLP unterstützt zwei Modi für Quality of Service

Der Begriff Quality of Service (QoS), also die Dienstqualität, bezeichnet die Fähigkeit des Netzwerks, mit kurzen Verzögerungszeiten das Streamen von Audio oder Video auch in der Gegenwart von anderem Netzwerk-Traffic zu unterstützen. WLP unterstützt zwei QoS-Modi.

Die WiMedia MAC-Schicht unterstützt den Priority Contention Access (PCA), bei dem es sich um eine Abwandlung der CSMA-Technik (Carrier Sense Multiple Access) handelt.

Dementsprechend sieht das PCA-Verfahren vor, dass ein Host vor dem Senden prüft, ob auf dem jeweiligen Kanal bereits Aktivitäten auftreten. Ist dies nicht der Fall, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der Host ohne Interferenzen mit einer anderen Übertragung auf den Kanal zugreifen kann. Wie lange der Host den Kanal abhört, hängt von der Priorität des jeweiligen Traffics ab: je wichtiger der Traffic, umso kürzer ist die Zeitspanne, die der Host den Kanal abhört.

Der DRP-Mechanismus erlaubt das Reservieren von Ressourcen

PCA erlaubt das Mischen von Audio und Video-Traffic mit im Hintergrund ablaufenden Dateitransfers. Dabei erhalten Audio und Video eine höhere PCA-Priorität und können die weniger hoch eingestuften Dateitransfers unterbrechen. Vorteile der PCA-Technik sind ihr einfaches Konzept und die Tatsache, dass die Hosts keine Zustandsinformationen austauschen müssen.

Ein alternatives QoS-Schema beruht auf dem Distributed Reservation Protocol (DRP) der WiMedia-MAC-Schicht. Der DRP-Mechanismus erlaubt zwei oder mehreren Hosts die Reservierung von Ressourcen, die beschreiben, wieviel Bandbreite benötigt werden wird. Diese Reservierungen werden von anderen Geräten respektiert.

Die WLP-Spezifikation lässt die Verwendung entweder des DRP oder des PCA-Features des WiMedia MAC zu. Daher ist zu erwarten, dass WLP zur Unterstützung von Echtzeit-Audio und -Video mit einem der beiden Mechanismen dienen wird.

Die Sicherheitsfunktionen des WLP

WLP nutzt die gleiche AES128-Verschlüsselungs-Engine, die auch im WiMedia-MAC eingebaut ist. Daher tritt das Problem der erstmaligen Verknüpfung ebenso auf wie bei CW-USB. Bei CW-USB ist eine geschützte Verbindung für alle Geräte zwingend. WLP dagegen lässt ungeschützte Paarungen zu, wenn dies seitens des Herstellers erlaubt ist – und auch nur dann, wenn der Anwender ausdrücklich eine ungesicherte Verbindung anfordert.

In WLP gibt es ein so genanntes WLP Service Set (WSS). Dabei handelt es sich um eine benamte Gerätegruppe. Der Name wird im Klartext während der Beacon-Periode übertragen, sodass jedes innerhalb der Reichweite befindliche Gerät ein WSS entdecken kann. Dies ist mit dem SSID von Wi-Fi vergleichbar, doch ist das SSID einem Access Point zugeordnet. Bei WLP dagegen kann ein Knoten einem oder mehreren WSS angehören. Ob ein Knoten als Brücke fungiert oder nicht, ist vom WSS unabhängig.

Man kann z.B. denselben WSS-Namen für die Wohnung und das Auto verwenden. Der eigene Media Player nimmt zwar Verbindung auf, sobald andere Geräte in seine Reichweite kommen, doch ist es unwahrscheinlich, dass Auto, Media Player und das Soundsystem im Wohnzimmer jemals in die gegenseitige Reichweite gelangen.

Wofür wird WLP eingesetzt werden?

Marktanalysten gehen davon aus, dass Millionen von CW-USB-Chips verkauft sein werden, bevor WLP zu allgemeiner Verbreitung gelangt. Zu erwarten ist, dass digitale Foto- und Videokameras auf CW-USB setzen werden, da diese Technik bezüglich des Stromverbrauchs pro übertragenem Bit am effizientesten ist und außerdem in sehr kurzer Zeit große Datenmengen übertragen kann.

Weiterer Vorteil von CW-USB: die Software, die in Devices und Hosts gegenwärtig für die USB-Kommunikation verwendet wird, läuft ohne Änderungen auch mit CW-USB.

Ein Nachteil ist hingegen, dass eine Kamera unter Umständen als CW-USB-Host und Device arbeiten muss. Bei der Kommunikation mit einem PC muss die Kamera als Device agieren, und in der Direktverbindung mit einem Drucker als Host.

Viele Drucker unterstützen USB und Internet-Produkte. WLP hat den Vorzug, dass es auf gleiche Weise mit einem PC und einem Drucker kommunizieren kann.

Wi-Fi- und WiMedia-Chips werden konkurrieren

Wi-Fi wird üblicherweise verwendet, um einen öffentlichen Internetzugang bereitzustellen. Dabei punktet Wi-Fi mit seiner großen Reichweite, da ein einziges Gerät einen großen Bereich abdecken kann. Toshiba etwa stellte eine drahtlose Docking-Station vor, bei der die USB-Verbindung und die Internet-Anbindung mit einer proprietären UWB-Funktechnik realisiert ist.

Wird die Kombination aus Certified Wireless USB und WLP die Grundlage für künftige drahtlose Docking-Stationen bilden oder wird sich Wi-Fi weiterentwickeln, um USB-ähnliche Funktionen zu unterstützen? Klar ist auf jeden Fall, dass Anbieter von Wi-Fi-Chips und von WiMedia-Chips in gewissen einander überschneidenden Marktsegmenten miteinander konkurrieren werden.

Auf offenen Wegen zu offenen Standards

Die WLP-Spezifikation liegt mittlerweile in der Version 1.0 vor. Ein Großteil des Erfolgs von Internet, Wi-Fi und Ethernet resultiert aus der Offenheit dieser Standards. Auch wenn WLP derzeit noch nicht als offener Standard publiziert wurde, bleibt unbestritten, dass dieser Schritt zwingend notwendig ist. In welcher Form dies jedoch erfolgen wird, ist zurzeit noch unklar.

*Billy Brackenridge ist Mitarbeiter von Staccato Communications

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