Fast Transition WLAN fürs Homeoffice

Wer WLAN kennt verlegt Kabel! Ist das so und warum ist das so? Abgesehen von Einzelfällen, bei denen eine Kabelverbindung wirklich von Vorteil ist, lässt sich auch WLAN gut optimieren.

WARNUNG! Die Anwendung der beschriebenen Modifikationen an der Hard- / Firmware kann zu Garantieverlust und / oder zu Defekten an der Hardware führen, für die ich keine Verantwortung übernehme. Manche Provider stellen Geräte nur leihweise zur Verfügung, Änderungen an diesen Geräten können rechtliche Konsequenzen nach sich ziehen und ich rate euch dringend davon ab.

Geschichte

Erst mal möchte ich euch etwas über die mir bekannte und von mir miterlebte Geschichte des WLANs erzählen. WLAN gibt es bereits seit 1970! Das erste WLAN wurde auf Hawaii entwickelt und eingesetzt, das so genannte ALOHA-Net. Einzelne Inseln verbanden sich sternförmig mit dem Zentralrechner auf O’ahu mit bis zu 9600 bit/s. Im Vergleich zum ARPA-Net, das  über Telefonleitungen etwas 50 Baud erreichte – was je nach eingesetzter Technologie, vermutlich 4 bit je ein Hi-Byte und ein Low-Byte, 50 – 200 bit/s entspricht – eine echte Rakete.

Die damals eingesetzte Packet Radio Technologie gibt es noch heute – im Amateur und im CB-Funk. Allerdings ist das eher etwas für Bastler und erfordert vermutlich eine hohe Frustrationstoleranz.

Mir begegnete WLAN erst 1999 in theoretischer und 2001 in ganz praktischer Form.  1999 in einer Schulung zum Thema Netzwerke hörte ich Grundlagen über Richtfunk und wie man damit LANs (Local Area Network) zu einem MAN (Metropolitan Area Network) oder einem WAN (Wide Area Network) verbinden könne. 
2001 habe ich dann selbst einige Richtfunkstrecken im Kundenauftrag installiert und betrieben. Mit 1 – 5,5 oder später sogar 11 Mbit/s waren diese eine zwar kostspielige aber im Vergleich zu ISDN (64 -128 Kbit/s) oder einem T-Interconnect (2 Mbit/s) eine gute Alternative, insbesondere weil der Datentransfer über Funk nicht extra bezahlt werden musste.
Mit den damals eingesetzten Richtfunkantennen konnten  bis zu 5 km überbrückt werden.

In Gebäuden, wo man WLAN heute am häufigsten verwendet, kommen vorwiegend Rundstrahlantennen zum Einsatz, bei denen die Ausrichtung nebensächlich ist. In Deutschland sind dafür Geräte mit bis zu 100mW erlaubt und hier kommen wir auch schon zu unseren Problemen und davon gibt es eine ganze Menge. Die Hersteller geben mit der maximalen Reichweite  den Wert an, den man unter idealen Bedingungen, d.h. ohne Hindernisse zwischen Client und Accesspoint (AP) erreichen kann – Datenübertragung ist da aber schon lange keine mehr möglich. Besonders (Stahl-)Beton und Geräte mit Metallgehäuse beeinflussen die Reichweite immens. Möchte man auch die restlichen Funkwellen noch aussperren bieten sich verschiedene Produkte mit feinem Metallgitter an, die speziell dafür angeboten werden, z.B. Vorhänge, Tapeten, Bettschleier uvm. Jetzt wohnen wir aber nicht in Zelten und haben auch nicht immer die Möglichkeit den vom Internet Provider zur Verfügung gestellten Router mit Accesspoint zentral oder nahe am Arbeitsplatz aufzustellen. Wie lösen wir jetzt unser Problem in jedem Stockwerk und in jedem Zimmer eine gute WLAN-Ausleuchtung zu bekommen?

Repeater

So oder so ähnlich kennt das sicher jeder von uns. Die einfachste Idee ist, einen so genannten Repeater möglichst auf halber Strecke zwischen AP und Client einzurichten. Die Vorteile eines Repeaters sind die einfache Konfiguration und die simple Installation. Wir brauchen nur den Repeater mit dem AP / Router zu verbinden (das geht i.d.R. via WPS-Knopf), der Repeater übernimmt dann SSID, Kennwort und Funkkanal vom Router. Zum Betrieb braucht der Repeater nur eine Steckdose, die sich in Reichweite des Routers befindet – und idealerweise auch in Reichweite des Clients. Ein Repeater bringt leider auch eine Reihe von Nachteilen mit sich. Einer der größten Schwachpunkte liegt in der Technologie selbst, bei der die gesamte Kommunikation auf ein und dem selben Funkkanal stattfindet. So kann der Repeater zur selben Zeit entweder senden oder empfangen – die Übertragungsgeschwindigkeit wird also mindestens halbiert. Dazu kommt noch ein weniger dem Repeater anzulastendes Designmanko, bei dem der Client entscheidet, wann er die Verbindung beendet. Das ist insbesondere lästig wenn man sich zwischen Repeater(n) und AP befindet, oder sich von einem zum anderen bewegt. Dazu kommt aber gleich noch mehr.

Multi-AP

Wenn wir jetzt noch weiter vom AP entfernt sind oder andere Gründe gegen einen Repeater sprechen, hilft vielleicht ein oder mehrere Accesspoints, die via Kabel an den Router angeschlossen sind. Wir genießen die volle Bandbreite von WLAN und Netzwerk, müssen dafür aber Netzwerkkabel durch unser Domizil verlegen. Wieder kommt uns die clientbasierte Entscheidung dazwischen. Es spielt nur wenig eine Rolle, ob alle APs sich eine SSID teilen, oder jeder seine eigene bekommt und wie gut und ausgetüftelt unsere WLAN-Ausleuchtung sein mag, der Client entscheidet, wann er die Verbindung trennt und sich nach einem neuen AP umsieht. Zudem entscheidet sich der Client nicht unbedingt für den bestmöglichen AP, sonder eher für das Gegenteil. Manchmal hilft es das WLAN am Client kurz abzustellen und wieder an – manchmal… Das ist also alles noch nicht so ganz das gelbe vom Ei.

Exkurs

Bevor ich meine  Lösungsansätze vorstelle, möchte ich euch noch ein paar Zahlen liefern. Eine WLAN-Verbindung definiert sich primär über zwei Kenngrößen, die Signalstärke und die Signalqualität. Hinzu kommt noch die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit, die von der verwendeten Technik und der Signalqualität abhängt. Gebräuchlich sind die (Technik-)Standards 802.11n und 802.11ac die 600 bzw. 1300 Mbit/s definieren, erreichen werdet ihr diese Übertragungsraten aber nur sehr selten. Alle Geräte müssen diese Standards unterstützen, der schwächste gewinnt.
Viel interessanter finde ich folgende Zahlen, die man aus verschiedenen Tools wie z.B. Wavemon oder LinSSID herauslesen kann. Das ist zum einen die Signalqualität in Prozent und die Signalstärke bzw. Signaldämpfung in Dezibel (dB).  Zum Arbeiten (oder zum ambitionierten Surfen, Videostreamen oder Zocken) sollte die Signalqualität nicht unter 75% sinken. Die Signalqualität kann man sich wie eine Unterhaltung zwischen 2 Personen vorstellen, die Störquellen in diesem Beispiel als die Umgebungslautstärke. Im stillen Kämmerlein reicht ein flüstern (niedrige Signalstärke), auf der Straße muss man schon lauter werden, in der Disco oder im Festzelt ist selbst mit lautem Schreien nur noch eine recht reduzierte Kommunikation möglich. Je mehr Funknetze im selben Frequenzbereich, im schlimmsten Fall auf dem selben Kanal stattfinden, umso höher ist die benötigte Signalstärke. Als Faustregel verwende ich bis -50dB gute Verbindung, bis -65dB erträglich, alles unter -75dB ist nervtötend und ab -90dB ist die Datenübertragung nicht mehr möglich. Alternativ dazu erreicht man 100% Signalqualität nur in unmittelbarer Nähe zum AP, bis 75% sind gut, unter 60% wirds fade.
Warum erzähle ich euch das? Weil wir natürlich auch messen wollen ob unsere Anstrengungen von Erfolg gekrönt sind. Dazu verwenden wir später noch die bereits genannten Tools. Ach übrigens – manchmal ist mir schon einfach der Antennenstecker locker geworden – dann hilft alles nichts.
Zum Verständnis der folgenden beiden Absätze möchte ich vorab noch etwas zu den WLAN-Standards erklären, die unter  IEEE 802.11 gesammelt und für diesen Artikel von Interesse sind :

• IEEE 802 stellt den grundlegenden Standard für LAN und MAN dar
• IEEE 802.11 regelt WLAN und zwar seit 1997, alle Nase lang wird 802.11 erneuert und nimmt Erweiterungen als neuen Standard auf. Zuletzt ist das 2020 passiert. Trotzdem behalten die Erweiterungen ihren Buchstaben. Als „Z“ durch war gings mit „AA“ weiter.
• IEEE 802.11k „Network Neighbourhood“ informiert den Client über die Auslastung der in Reichweite befindlichen APs und soll so helfen das beste Roaming-Ziel zu finden
• IEEE 802.11v „Network Topologie“ soll dem Client beim Roaming helfen und dessen Roaming-Verhalten positiv beeinflussen (wir wollen ja keine „Sticky Clients“ die so lange wie möglich an ihrem WLAN-AP festhalten)
• IEEE 802.11r „Fast Transition“ soll den eigentlichen Übergang zu einem neuen AP beschleunigen, aktueller Schlüssel und Status des Clients sollen sich schon im Vorfeld auf dem Ziel-AP befinden
• IEEE 802.11s „Mesh“-Technologie, die von diversen bekannten Herstellen beworben wird. Hier bekommen die einzelnen Nodes erweitere Möglichkeiten den Netzwerk-Traffic zu steuern. Der Übergang soll analog zu 802.11r stattfinden.

Mesh

WLAN-Mesh – und alles wird gut! Zumindest wenn man der Werbung der bekannteren Hersteller glauben schenken will. Mesh, so die gängige Bezeichnung für die im Standard 802.11s festgelegten Technologien, soll viele der bisherigen Probleme mit Repeatern lösen. Mesh-Technik an sich ist nicht neu, das Internet z.B. basiert schon lange darauf. Open shortest path first (OSPF) und least cost routing beschreiben redundant aufgebaute Netze, bei denen wie in einem Fischernetz die kürzeste Verbindung zwischen 2 Knoten gesucht wird. Fällt ein oder mehrere Knoten aus, wird eben die nächst kürzeste Verbindung gewählt – schließlich sollte das ARPA- und spätere Internet ja den 3. Weltkrieg überstehen.
Damit wird auch schon ein wenig klar, bei weniger als 3 Geräten ist die Mesh Technologie nur bedingt ein Fortschritt. Immer noch wird die ganze Übertragung auf einem Kanal realisiert und immer noch kann ein AP nur senden oder empfangen, hinzu kommt eine Menge Kommunikations-Overhead durch die Unterhaltung der APs untereinander. Wo liegen denn nun die Vorteile von Mesh?
Ganz klar! Im Mesh können viele APs installiert werden, die sich untereinander kennen, auch wenn nur Nachbarn direkt miteinander kommunizieren. Datenpakete werden auf dem schnellsten – nicht unbedingt kürzesten – Weg in Richtung Ziel (in unserem Fall der Internet-Router) transportiert. Das Mesh berücksichtigt so wohl den für den Client besten AP, die Auslastung der Knotenpunkte und die Anzahl der Hops bis zum Ziel. Das Ein- und Umbuchen des Clients von einem AP zum anderen geht annähernd nahtlos. Dazu wird der Übergang von den APs vorbereitet,  WLAN-Schlüssel, DHCP-Adresse usw. werden nur bei der initialen Verbindung ausgehandelt, beim Umbuchen bleibt alles bestehen – das spart jedes mal einige Sekunden und sollte ohne Abriss funktionieren. Gehe ich also beispielsweise mit meinem Smartphone VoIP telefonierend durch Haus oder Büro, werde ich immer zum besten AP weitergereicht, ohne das mein Gespräch abreißt oder an Qualität verliert – zumindest in der Theorie.
Wenn Meshpoint und Client sich untereinander und 802.11s verstehen funktioniert das zumindest bei mir recht gut. Eine geringe Verzögerung muss man jedoch in Kauf nehmen, denn je höher die Abgleichrate unter den APs und zu den Clients, um so mehr spamt man das Netz mit Informationen zu und verringert die nutzbare Bandbreite. Ist der Client nicht 802.11s fähig oder versteht er sich nicht mit den APs, verschlechtert sich die Lage zur Repeater- oder zur Multi-AP-Lösung nur unwesentlich, man hat vermutlich nun gar keine Ahnung und keinen Einfluss mehr auf den angesteuerten AP.

Fast Transition

Da wäre doch fast die für mich beste Lösung an mir vorbei geschrammt.

Fast Basic Service Set (BSS) Transition, Fast-Transition,  Fast-Roaming oder WLAN-Roaming oder 802.11r ist anscheinend bei weitem nicht so sexy wie „Mesh“ für die Hersteller, für mich aber DIE Lösung. 802.11r lässt sich gut mit 802.11k und 802.11v kombinieren! Wie weiter oben beschrieben sind das die Technologien die den Clients bei der Auswahl von und beim Wechsel zwischen APs helfen sollen. Die einzelnen FT-Fähigen APs werden via Kabel an das Netzwerk und den Router angebunden. Der Client bekommt also die ganze mögliche Bandbreite. Die APs unterhalten sich (wahlweise) über LAN und spamen das WLAN nicht zu. Der Wechsel zwischen den APs wird aufgrund einer Scrore-Liste „empfohlen“ und für den Client vorbereitet. Die APs können unterschiedliche Kanäle verwenden und so sich selbst weniger stören und entsprechenden Störquellen ausweichen.

Hier die Einleitung so langsam zu Ende und wir kommen zu:

Meine Lösung

Die zahlreichen Online Meetings und  Webinare fordern die (WLAN-)Hardware ganz schön heraus, so auch bei mir. Insbesondere das Wechseln von einem Arbeitsplatz zum nächsten war ohne Verbindungsabriss nicht zu machen. Meine zahlreichen Versuche zur Verbesserung der WLAN-Qualität (verbesserte Antennen, Änderung des AP-Standortes oder Repeater zwischengeschaltet) waren allesamt nicht von durchschlagendem Erfolg gekrönt. Auf meiner Suche nach einer Alternative stieß ich zuerst auf Mesh, dann auf OpenWRT und zuletzt auf FastTransition.

Für meinen Versuchsaufbau verwendete ich zuerst eine FritzBox (FB) 7360v2, eine Fritzbox 7312 und 2 Raspberry Pi 1. Generation mit RaspAP.  Ursprünglich sollten die RasPis nur die WLAN-Abdeckung als Multi-APs verbessern, was aber mit oben beschriebenen Nachteilen verbunden war, zudem bekamen die beiden alten FBs schon lange keine Soft-/Firmwareupdates mehr, was meine Flexibilität stark einschränkte. Mit Freetz, welches Erweiterungen für das FritzOS bietet, kam ich nicht weiter. Ich hatte zwar besseren Empfang an meinen Arbeitsplätzen, wurde aber trotzdem beim Wechsel disconnected.
Die Lösung lag in OpenWRT, einer auf Linux basierenden OpenSource Router / AP Software, die auf praktisch allen meinen Geräten laufen sollte. Bei den RasPis war die Hürde recht gering – einfach OpenWRT auf die SD-Karte spielen, booten und (via Weboberfläche „LuCI“) einrichten, bei Unfällen beim Flashen oder Konfigurieren einfach wieder von vorne anfangen. Für die FBs lag die emotionale Hürde schon um einiges höher, die Möglichkeit Elektroschrott zu produzieren ist hier wesentlich höher. Es ging aber alles gut und  vor mir lagen eine WRT-Box und zwei RasPis mit fast unbegrenzten WLAN-Konfigurationsmöglichkeiten. Nach umfangreichen Recherchen hatte ich ein kleines Mesh-Netzwerk vor mir liegen, das im Testbetrieb alle Funktionalitäten bot die ich mir gewünscht hatte, mit dem meine älteren Clients aber nicht so recht kommunizieren wollten.
Also noch mal auf die Schulbank, was hatte ieee802.11 denn noch zu bieten? Fast Transition! Leider war die Dokumentation ein wenig dünn, aber es schien einige Anwender zu geben, die damit erfolgreich waren. Eigentlich war die Konfiguration am Ende simpel, wenn auch nicht vollständig  über Gui möglich. Der WPAD-mini-Stack musste durch den vollständigen WPAD ersetzt werden. In der WLAN-Konfiguration musste die SSID, Verschlüsselung und Schlüssel (müssen auf allen APs die selben und WPA2 sein) eingestellt werden, unter Verschlüsselung 802.11r angehakt, und den Mobilitätsbereich eingestellt werden. Im Prinzip wars das, unter „DAWN“, ein Plugin für LuCI,  kann man jetzt die einzelnen Router sehen und die verbundenen Geräte.

Ich finde es schön die Sendestärke der einzelnen APs zu drosseln, lieber mehrere schwache WLANs als ein starkes.

Damit die RasPis nicht bis zum Ende ihrer Tage als APs dienen müssen habe ich im Internet für rund 25 Euro eine weitere FB erstanden und mit OpenWRT versehen. Jetzt habe ich ein WLAN mit exzellenter Ausleuchtung und FastTransition Funktionalität, die mir das Durchwandern meiner Wohnung (meist) ohne Verbindungsabrisse ermöglicht, und meine Clients zum jeweils besten AP verbindet.
Zwei Wermutstropfen gab es leider doch noch: OpenWRT unterstützt die DECT-Funktionalität der FBs nicht, so fristet die FB 7312 weiter ihr Dasein als DECT-Basis. Die Updates unter OpenWRT müssen manuell durchgeführt werden, was bei den RasPis via Script gut funktionierte, ist bei den FBs durch einen Read-Only-Bereich manchmal schwierig.

Die weiter oben erwähnten Messungen mit Wavemon und LinSSID möchte ich euch in einem zu diesem Artikel erscheinenden Video näher bringen.

Seit etwa 2 Monaten bin ich wirklich zufrieden mit meinem WLAN – nach 15 Jahren ärgern – Danke OpenWRT!