Roaming im WLAN (IEEE 802.11k, v und r)

Roaming im WLAN ist der Wechsel eines bereits verbundenen Endgeräts von einem Zugangspunkt zum nächsten innerhalb desselben Netzes. Drei Ergänzungen des Standards IEEE 802.11 unterstützen diesen Wechsel, jede an einer anderen Stelle: 802.11k liefert dem Endgerät die Informationen über seine Funkumgebung, 802.11v fordert es zum Wechsel auf, und 802.11r verkürzt den Schlüsselwechsel beim Übergang. Geschrieben werden sie von der Arbeitsgruppe 802.11 des Ingenieursverbands IEEE, die seit den 1990er Jahren die WLAN-Normen verantwortet.

Ausführliche Erklärung

Warum ein Wechsel überhaupt schwierig ist

Ein Endgerät sucht sich beim Anmelden einen Zugangspunkt aus und bleibt dort. Ob es später wechselt, prüft es selbst, und es prüft konservativ: Ein Wechsel kostet Zeit, in der keine Daten fließen, und ein bekannt mittelmäßiger Weg ist aus Sicht des Geräts besser als ein unbekannter. Ohne weitere Hilfsmittel muss es dafür alle Kanäle abhören, weiß nichts über die Auslastung der Nachbarn und beginnt nach dem Wechsel die Sicherheitsverhandlung von vorn.

An genau diesen drei Punkten setzen die Ergänzungen an. Sie lösen jeweils ein Teilproblem und lassen sich einzeln aktivieren, weshalb ein Netz auch zwei von dreien beherrschen kann.

802.11k — die Nachbarschaftsliste

Mit 802.11k liefert das Netz dem Endgerät Messwerte über seine Umgebung. Zwei Verfahren daraus sind für den Wechsel wichtig.

Der Beacon Request kehrt die übliche Richtung um: Der Zugangspunkt fragt das Endgerät, welche anderen Zugangspunkte es von seinem Standort aus hört, und bekommt eine Liste mit Kennung, Kanal und Empfangsstärke zurück. Damit erfährt das Netz, wo ein Endgerät ungefähr steht und welche Übergänge für dieses Gerät überhaupt zur Wahl stehen. Der Neighbor Report läuft in die Gegenrichtung: Das Endgerät bekommt eine geordnete Liste der bekannten Zugangspunkte in der Nähe, die als Ziel eines Wechsels in Frage kommen. Es muss die Kanäle also nicht selbst absuchen, sondern kann gezielt an zwei, drei Stellen nachsehen.

Beides sind Angaben, keine Anweisungen. 802.11k allein verändert das Verhalten eines Endgeräts nicht — es verbessert nur die Grundlage, auf der das Gerät entscheidet.

802.11v — die Aufforderung zum Wechsel

802.11v bringt das BSS Transition Management, kurz BTM. Ein BSS ist ein einzelner Zugangspunkt mit den an ihm angemeldeten Geräten; die Ergänzung regelt also den Übergang von einem BSS ins nächste.

BTM funktioniert in beide Richtungen. Das Endgerät kann mit einer BTM Query nachfragen, wohin es wechseln soll, und bekommt vom Zugangspunkt eine Antwort mit Nachbarn und Präferenzwerten — von 255 für den bevorzugten bis 0 für einen ausgeschlossenen Zugangspunkt. Und der Zugangspunkt kann von sich aus einen BTM Request schicken. Die Wi-Fi Alliance nennt dafür drei typische Anlässe: Der Betreiber will Last zwischen Bändern oder Zugangspunkten verteilen; ein Endgerät hängt unnötig an einem Zugangspunkt, obwohl es sich längst weiterbewegt hat; oder der Zugangspunkt wird abgeschaltet oder wechselt den Kanal.

Jeder solche Request muss einen Grund mitliefern, den Transition Reason Code. Das Endgerät darf antworten und dabei seine eigene Sicht auf die Nachbarn mitschicken; lehnt es ab, muss es einen Ablehnungsgrund nennen. An diesem Rückkanal hängt, ob ein Netz mit der Zeit besser steuert: Es erfährt, wie die Funklage an den Stellen aussieht, an denen die Geräte wirklich stehen.

802.11r — der schnelle Schlüsselwechsel

Beim Wechsel an einen neuen Zugangspunkt muss die Verschlüsselung neu ausgehandelt werden, und im professionellen Umfeld hängt daran ein Server im Hintergrund, der die Anmeldedaten prüft. Dieser Umweg kostet die Zeit, die man als Aussetzer hört.

802.11r schafft ihn ab. Fast BSS Transition, kurz FT, leitet die Schlüssel so ab, dass die Zugangspunkte eines Netzverbunds die Sicherheitsbeziehung über den Übergang hinweg teilen — das Endgerät muss sich beim Wechsel nicht erneut beim Anmeldeserver ausweisen. Zwei Grenzen sind dabei wichtig. FT gilt innerhalb eines Extended Service Set, also innerhalb eines zusammengehörigen Netzes; der Sprung in ein anderes Netz oder ins Mobilfunknetz gehört nicht dazu. Und in der über die Luft laufenden Fassung muss das Endgerät bereits im Empfangsbereich des Ziel-Zugangspunkts sein, bevor die Authentisierung beginnt — FT bereitet den Wechsel also nicht vorab an einem Ort vor, an dem das Ziel noch gar nicht zu hören ist.

Im Zertifizierungsprogramm der Wi-Fi Alliance ist FT für Zugangspunkte wie für Endgeräte optional. Genau das erklärt, warum es im Feld so uneinheitlich vorhanden ist.

Wer am Ende entscheidet

Die Wi-Fi Alliance formuliert es auf ihrer Programmseite unmissverständlich: Die schnelle Anmeldung greift, „when a client device decides to roam" — wenn das Endgerät sich zum Wechsel entscheidet. Der Verbindungsmanager im Betriebssystem wägt dabei Dinge ab, von denen das Netz nichts weiß: Nutzereinstellungen, verfügbare Zugangsdaten, Kosten und die Störung laufender Verbindungen.

Es gibt genau drei benannte Ausnahmen, und sie sind eng gefasst. Setzt der Zugangspunkt im BTM Request das Feld „Disassociation Imminent" oder „BSS Termination Included", muss das Endgerät ihn verlassen — er trennt die Verbindung ohnehin gleich. Ist zusätzlich das Feld „Abridged" gesetzt, soll es zu einem der empfohlenen Zugangspunkte wechseln oder das Netz ganz verlassen. Und ein Zugangspunkt, der das Merkmal „Association Disallowed" sendet, darf gar nicht erst als Ziel gewählt werden. In allen übrigen Fällen ist der Request laut Wi-Fi Alliance ein Anstoß, den Wechsel selbst zu erwägen.

Damit steht die eigentliche Aussage dieser Seite fest: Ein Netz kann den sauberen Wechsel vorbereiten, anbieten und beschleunigen. Erzwingen kann es ihn nur, indem es die Verbindung abbricht — und das ist genau der Aussetzer, den man vermeiden wollte.

Häufiges Missverständnis

„802.11r ist das Roaming." Die drei Ergänzungen werden oft als Steigerungsstufen gelesen, und 802.11r klingt als schnellste am attraktivsten. Tatsächlich beschleunigt 802.11r nur den Sicherheitsteil des Übergangs. Ohne 802.11k weiß das Endgerät gar nicht, wohin es wechseln könnte, und ohne 802.11v bekommt es keinen Anstoß. Ein Netz mit k und v und ohne r wechselt zuverlässig, aber hörbar; ein Netz mit r allein wechselt schnell — wenn das Gerät von sich aus auf die Idee kommt.

„Der Router kann das, also klappt der Wechsel." Alle drei Ergänzungen sind Verfahren zwischen zwei Partnern. Ein Endgerät, das den Neighbor Report nicht auswertet und BTM Requests ignoriert, verhält sich in einem bestens eingerichteten Netz genauso zäh wie in einem alten. Wer den sauberen Wechsel braucht, prüft beide Seiten — und im Zweifel zuerst die Endgeräte, weil davon mehr im Haus sind und sie seltener ersetzt werden als die Zugangspunkte.

„Roaming braucht jedes Gerät im Netz." Die Wi-Fi Alliance schreibt für Geräte ohne 802.11r nur den einfachsten Melde-Modus vor und begründet das damit, dass solche Geräte typischerweise nicht mobil sind — genannt ist ein Fernseher — und weder häufig noch schnell wechseln müssen. Ein Einbaulautsprecher, ein Streamer und ein Fernseher stehen dort, wo sie montiert wurden. Für sie zählt eine stabile Verbindung zu einem Zugangspunkt, und die beste Fassung davon ist ein Netzwerkkabel.

Nicht zu verwechseln mit

• Roaming im Mobilfunk: dort der Betrieb im Netz eines fremden Anbieters, hier der Wechsel innerhalb des eigenen Netzes. Gleiches Wort, gegensätzliche Bedeutung.
• Band Steering: der Wechsel eines Endgeräts zwischen 2,4 und 5 GHz an demselben Zugangspunkt. Das Netz leitet dabei über dieselben BTM-Nachrichten, aber der Zugangspunkt bleibt derselbe.
• Mesh-WLAN: das System aus mehreren Zugangspunkten unter gemeinsamer Steuerung. Es benutzt diese Ergänzungen für das Führen der Endgeräte; sie selbst sind Bausteine und noch kein System.
• Handover zwischen WLAN und Mobilfunk: wenn ein Telefonat beim Verlassen des Hauses vom WLAN ins Mobilfunknetz übergeht. Das gehört ausdrücklich in ein anderes Zertifizierungsprogramm der Wi-Fi Alliance, Wi-Fi CERTIFIED Optimized Connectivity.

In der Planung

In einem Haus mit drei Zugangspunkten reißt das Telefonat über WLAN jedes Mal ab, wenn der Bewohner vom Wohnzimmer in die Küche geht. Der naheliegende Griff wäre ein vierter Zugangspunkt im Flur.

Am Anfang steht eine unbequeme Konzeptfrage: Welche Geräte bewegen sich im Betrieb wirklich, und was passiert, wenn deren Verbindung zwei Sekunden aussetzt? In einem Haus sind das meistens zwei oder drei Handys. Alles andere — Einbaulautsprecher, Fernseher, Streamer, Bedienpanel — steht fest. Für die feststehenden Geräte löst kein Roaming-Verfahren ein Problem, weil sie keines haben; ihre Verbindung gehört ans Kabel oder an genau einen Zugangspunkt. Damit schrumpft die Aufgabe von „das ganze Haus" auf „drei Geräte auf einem Weg von zwölf Metern".

Dann die Verfahrensfrage: 802.11k und 802.11v im ganzen Netz einheitlich aktivieren, weil sie einem Endgerät, das sie nicht kennt, auch nicht schaden. 802.11r ist die Entscheidung mit Nebenwirkung — es ist optional, und ältere Endgeräte kommen mit der veränderten Anmeldung gelegentlich nicht zurecht. Ob es überall an ist oder nur im Netzbereich der mobilen Geräte, gehört entschieden und aufgeschrieben, nicht ausprobiert und vergessen.

Zum Schluss die Gerätefrage, kleiner als erwartet: Beherrschen die vorhandenen Zugangspunkte die drei Ergänzungen, und beherrschen die Telefone sie? Die Zertifizierung Wi-Fi CERTIFIED Agile Multiband bündelt sie und ist deshalb das kürzeste Prüfmerkmal für beide Seiten. Ein vierter Zugangspunkt im Flur kommt in dieser Reihenfolge zuletzt — und oft gar nicht, weil ein zusätzliches Gerät die Zahl der möglichen Wechsel erhöht statt sie zu erleichtern.

Verknüpfte Inhalte

Wie mehrere Zugangspunkte unter gemeinsamer Steuerung als ein Netz auftreten und wer dort was entscheidet, steht im Eintrag zu Mesh-WLAN. Wie ein Hausnetz insgesamt geplant wird — Rollen von Router, Switch und Zugangspunkt, Frequenzbänder, Discovery —, erklären die Heimnetzwerk-Grundlagen. Wie Datenverkehr Vorfahrt bekommt, damit ein Telefonat auch bei belegtem Netz durchkommt, steht bei QoS; wie Haus- und Gastnetz getrennt werden, bei VLAN und Subnetz. Für Sonos-Anlagen gelten eigene Herstellervorgaben zur Verkabelung, die in Sonos im Netzwerk stehen.

Quellen

Die Aufgabenteilung der drei Ergänzungen, die Verfahren Beacon Report und Neighbor Report, das BSS Transition Management samt seiner Anlässe, Präferenzwerte und Pflichtfelder, die Grenzen von Fast BSS Transition und die Aussage, dass die Entscheidung beim Endgerät liegt, stammen aus der Technology Overview zu Wi-Fi CERTIFIED Agile Multiband der Wi-Fi Alliance vom Dezember 2017 und aus der zugehörigen Programmseite.