Roaming-Performance und Wiederherstellungszeit
Anwendungen wie VoIP für das WLAN testen
Die WLAN-Roaming-Performance inklusive der spezifischen Sicherheitsmechanismen ist das entscheidende Kriterium für den Einsatz mobiler Geschäftsanwendungen, allen voran Voice over IP. Doch erst das Testen unter verschiedenen und reproduzierbaren Umgebungsbedingungen schafft die Sicherheit dafür, dass die Anwendungen auch funktionieren.
Netzwerkverantwortliche müssen sich an der Verfügbarkeit und Qualität von Anwendungen messen
lassen. Die Uptime wird durch die Zuverlässigkeit der Übertragungskomponenten, die Redundanz und
eine schnelle Umschaltung im Fehlerfall bestimmt. Unter dem Gesichtspunkt der Mobilität ist die
Verfügbarkeit eines Dienstes überall im Unternehmen maßgebend für die Systembewertung. Die
entscheidenden Parameter sind dabei die Abdeckung des Funkfelds, also die Dichte der APs (Access
Points) sowie lokal auftretende Störungen. Wann immer das mobile Gerät die Verbindung zu einem AP
verliert, wird die Kommunikation zumindest gestört, wenn nicht gar abgebrochen. Deshalb hat das
Roaming und die für den Roaming-Prozess notwendige Zeit direkte Auswirkung auf die Qualität eines
Dienstes für den Anwender.
Eine verminderte Roaming-Performance kann viele Ursachen haben, zum Beispiel extrem hohe
Umschaltzeiten, Abbruch der Verbindungen während des Roaming-Prozesses, Crashes der Systeme oder
Überlastung der Serviceinfrastruktur. Da diese Effekte in der Praxis relativ häufig auftreten, wird
dringend empfohlen, eine WLAN-Infrastruktur noch vor dem Deployment unter realistischen
Roaming-Lastszenarien zu testen.
Reproduzierbare Tests mit Lastgeneratoren
Mit herstellerunabhängigen Testsystemen (Lastgeneratoren) lassen sich Roaming- und
Performance-Tests gezielt und kontrolliert reproduzierbar durchführen. Die für die Roaming-Tests
notwendigen Clients werden dabei vom Testsystem simuliert. Hier kommt es darauf an, dass die
simulierten virtuellen Clients die individuellen Charakteristiken realer Clients aufweisen, etwa
bezüglich Leistungsänderungen, Datentransfers oder Kollisionen. So kann zum Beispiel das Testsystem
von Veriwave an jedem physischen Port bis zu 500 individuelle Stateful-PC-Clients emulieren, sogar
mobile Stateful-Clients. Durch diese integrierten steuerbaren PC-Clients ist das Roaming von AP zu
AP in einem genau definierten Zustand kontrolliert möglich. Nur unter diesen Voraussetzungen sind
die Messungen des Roaming-Prozesses skalierbar und reproduzierbar.
Die vom Testsystem simulierten Clients können individuell Datenströme senden oder empfangen. Der
Datenverkehr lässt sich auch als Mix aus unterschiedlichen Daten/Applikationen für jeden Client
einzeln gestalten. Die Gesamtverkehrslast kann zwischen einigen kBit/s und mehreren GBit/s
variieren. Die Ethernet-Ports des Lastgenerators agieren dabei als Empfänger oder als Quelle des
Datenverkehrs und emulieren die notwendigen Server und Gateways, mit denen die im Roaming-Prozess
befindlichen Clients ihre Daten austauschen.
Das Testsystem überwacht während des gesamten Roaming-Prozesses alle relevanten
Roaming-Parameter. Dabei erfolgt die Messung von einem zum anderen Ende. In die Testmuster vom
System automatisch eingefügte herstellerspezifische Signaturen, Zeitstempel und Prüfsummen sorgen
sowohl für eine exakte Messung der Roaming-Verzögerungen und Übermittlungsverluste wie auch für
eine Erkennung von Anomalien wie falsche Paketsequenzen oder -duplikate. Das System zeigt dann die
minimale, maximale und mittlere Roaming-Verzögerung, mittlere Datenverluste pro Roaming-Vorgang
sowie die Anzahl der fehlgeschlagenen Roaming-Prozesse an.
Die Roaming-Prozesse
Das Testsystem emuliert das Roaming von Clients durch die Bereitstellung separater Instanzen für
jeden am Roaming-Prozess beteiligten Client. Für das Roaming wird eine Instanz langsam an einem
Port deaktiviert und gleichzeitig auf einem anderen Port aktiviert. Dieser Roaming-Prozess lässt
sich in den unterschiedlichsten Kombinationen von Clients und APs beliebig oft wiederholen.
Zusätzlich zur Sendeleistung und den Fehlerraten lassen sich auf den Clients auch die PHY-Bitraten
verändern und somit Geschwindigkeitsanpassungen simulieren.
Die für den Roaming-Prozess benötigte Zeit umfasst den Zeitraum von dem Moment an, an dem der
Client seine Roaming-Entscheidung trifft, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Daten Ende-zu-Ende in
beiden Richtungen wieder transferiert werden. Die Client-Instanz B nimmt im Uplink den
Datentransfer sofort nach der erfolgreichen Authentifikation und Assoziation mit dem neuen AP
wieder auf. Die durch den Roaming-Prozess hervorgerufene Verzögerung ist daher nur der Zeitraum,
den der neue AP benötigt, um festzustellen, dass der Client den Roaming-Prozess abgeschlossen hat
und um den Datentransfer für die Downlink-Verbindung zu aktivieren. Das Testsystem misst dabei die
Anzahl der während des Roaming-Prozesses verloren gegangenen Pakete und zeichnet die minimalen,
maximalen und mittleren Roaming-Verzögerungen auf.
Zusätzlich zur Kontrolle und der Skalierbarkeit bietet diese Roaming-Testprozedur weitere
Vorteile. Der Prozess ist extrem schnell: Das Roaming der emulierten Clients wird nur durch das zu
testende System und die für die Übertragung der Authentikations-/Assoziations-Pakete über das
WLAN-Medium benötigte Zeit begrenzt. Er entspricht der Realität: Das Testsystem simuliert exakt
alle Schritte eines realen Clients beim Roaming-Prozess. Zur Simulation des Abstands des Clients
zum AP variieren die Clients die Sendeleistung und die damit entstehende Fehlerrate (FER). Darüber
hinaus werden Probe-Requests/Responses vor dem Einbuchungsvorgang zur Ermittlung des nächsten
verfügbaren APs generiert und der Datentransfer so lange unterbrochen, bis der Client sich
vollständig eingebucht hat. Bei einem fehlgeschlagenen Roaming-Prozess durchläuft das System den
gesamten Vorgang erneut. Zudem ist das simulierte Roaming reproduzierbar: Die Sendeleistung, FER
und PHY-Bitraten werden entsprechend dem Standard genau kontrolliert und stufenweise aktiviert oder
deaktiviert. Daher unterliegt das Testsystem nicht den Herstellungstoleranzen der Clients oder
APs.
Unterstützt das Testsystem darüber hinaus auch die Fast-Roaming-Funktionen (Pre-Authentication,
PMKID Caching, Fast-Re-Association etc) und arbeiten die jeweiligen Client-Instanzen mit den
gleichen Sicherheitsmechanismen (etwa PMKSA für das PMKID Caching), ist sichergestellt, dass das
Roaming wie mit echten Clients abläuft, die sich innerhalb des WLANs bewegen. Darüber hinaus ist
das Testsystem in der Lage, sich bereits vor dem Start des Roaming-Prozesses auf den verschiedenen
APs im Funkfeld zu authentifizieren. Durch diese Vorgehensweise werden Messfehler ausgeschlossen
und nur die Performance des Fast-Roaming-Prozesses der zu testenden Gerätekonfiguration
gemessen.
Viele Verfahren messen nur die so genannte Re-Assoziationszeit und damit die Dauer vom Ausbuchen
des Clients beim ersten AP bis zur Einbuchung beim zweiten AP auf dem IEEE 802.11 MAC-Layer. Diese
Re-Assoziationszeit unterschlägt die zusätzlich notwendige Zeit, die die Datenpakete für die
Übermittlung über das getestete WLAN-System benötigen. Baut beispielsweise das zu testende
WLAN-System auf einem WLAN-Switch auf, wird die vom WLAN-Switch verursachte Roaming-Verzögerung
nicht berücksichtigt.
In extremen Fällen werden gültige Roaming-Zeiten gemessen, und dennoch kann keine
Ende-zu-Ende-Verbindung aufgebaut werden. Dies bedeutet, dass sich der Client zwar beim
entsprechenden AP einbuchen kann, aber der folgende Datentransfer fehlschlägt. Dies tritt unter
anderem dann auf, wenn falsche Schlüssel zur Entschlüsselung konfiguriert sind und daher alle
Pakete vor dem Erreichen des Ziels verworfen werden. Der Client hat dabei das Roaming von AP zu AP
ordnungsgemäß ausgeführt und ist trotzdem nicht in der Lage, Daten zu transferieren. Wenn es um gut
funktionierende Applikationen geht, ist die Service-Wiederherstellungszeit Ende-zu-Ende massgebend.
Erst sie garantiert, dass der betreffende Service wieder vollständig hergestellt ist. In der Praxis
wird der Re-Assoziationsprozess oft nur als lokales Ereignis zwischen dem AP und dem Client ohne
die Hinzunahme des WLAN Switches abgearbeitet. Die Wiederherstellung des Services erfordert ein
komplettes Update aller am Kommunikationsprozess beteiligten Komponenten vom kabelgebundenen
LAN-Server bis hin zu den WLAN-Clients. Aus diesem Grund ist die Messung des Roaming-Vorgangs
allein ebenfalls nicht ausreichend. Erst die Service-Wiederherstellungszeiten geben Aufschluss
darüber, ob Applikationen gut funktionieren werden.
Zur Messung der Service-Wiederherstellungzeit versieht das Testsystem die Pakete mit den
entsprechenden Zeitstempeln und Signaturen. So lässt sich exakt der Zeitpunkt ermitteln, an dem die
Applikationsschicht den Datentransfer stoppt oder den Sendevorgang wieder aufnimmt. So überwacht
das Testsystem die Daten im Downlink, die ihren Ursprung im kabelgebundenen LAN haben, vom
Zeitpunkt der Übermittlung in das zu testende System bis zum korrekten Empfang durch den
WLAN-Client. Gleichzeitig überwacht es auch die vom Stateful-WLAN-Client generierten Daten im
Uplink auf der kabelgebundenen Seite des Empfängers und korreliert sie. Damit kann es jeden Schritt
innerhalb des Roaming-Prozesses protokollieren. Die Zeitstempel mit einer Auflösung von 50 ns sind
präziser als die für das Roaming genutzten Zeitstempel von 1 ms. Generell sparen solche
Lastgeneratoren den Verantwortlichen viel Zeit. So genügt es beim System des Herstellers Veriwave,
die Roaming-Profile anzulegen. Anhand dieser Profile kreiert es selbstständig die Anzahl an Clients
vom System und verbindet sie logisch mit dem zu testenden WLAN-System. Unter Nutzung der
Sicherheitsmechanismen generiert es stateful und/oder stateless Traffic zur definierten Last und
misst die Roaming-Prozesse inklusive Kontrolle der Pakete, Korrelation der Paketverluste und
detaillierter Dokumentation.
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