Hochschule RheinMain — Master Informatik — Masterprojekt IEEE 802.11s Mesh Network auf SoHo Routern mit OpenWRT Thomas Wagner 26. August 2012 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III 1 Einfu¨hrung 1 1.1 Wireless Mesh Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 U¨berblick u¨ber IEEE 802.11s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Komponenten eines 802.11s-Meshnetzes . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 OpenWRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Das Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.1 Ziel des Projektes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.2 Anpassung des Projektzieles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4.3 Projektabschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 IEEE 802.11s-Meshnetzwerk im Betrieb 6 2.1 Erweiterung des 802.11-Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vermaschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3 Address Resolution Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Hybrid Wireless Meshprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4.1 Aufbau eines Pfades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4.2 Reaktiver Modus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4.3 Proaktiver Modus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4.4 Vor- und Nachteile der verschiedenen Routingvarianten . . . . . . . 12 2.5 U¨berblick u¨ber die verschiedenen Kommunikationsebenen . . . . . . . . . . 12 3 IEEE 802.11s-Meshnetzwerke unter Linux 13 I Inhaltsverzeichnis 3.1 Verh¨altnis zwischen Mesh Points und Mesh Access Points . . . . . . . . . . 14 3.2 Meshframehandling im Linuxkernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4 IEEE 802.11s-Meshnetzwerke unter OpenWRT 17 4.1 UCI - das OpenWRT-Konfigurationstool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.1 802.11s per UCI einrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.2 LUCI - Webkonfigurationsinterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.2 Verschlu¨sselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 5 Troubleshooting 19 5.1 Kein Datenaustausch im 802.11s-Meshnetzwerk . . . . . . . . . . . . . . . 19 5.1.1 Manuelles Fu¨llen der Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.2 ARP-Verabeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.2.1 ARP-Filterung per sysctl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.3 Open11s-Funktionen in der MAC80211-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.4 Welche Frames erreichen die MAC80211-Schicht . . . . . . . . . . . . . . 20 5.5 Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6 Zusammenfassung 23 6.1 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.1.1 LUCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 6.1.2 Auth SAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 A 802.11s-Meshnetz mit iw verwalten 25 A.1 Aufsetzen eines 802.11s-Meshnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 A.2 Netzstatus abfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 A.3 Mesh-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 A.4 Verschlu¨sseltes Mesh einrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 B 802.11s-Meshnetz unter OpenWRT einrichten 28 B.1 Mesh Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 B.2 Mesh Portal (MPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 B.3 Mesh Access Point (MAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 B.4 Mesh-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 B.5 Verschlu¨sselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 C OpenWRT mit 802.11s fu¨r WRT160NL kompilieren 38 Literaturverzeichnis 41 II Abbildungsverzeichnis 1.1 Wireless Mesh Network mit direktem Path und Path u¨ber mehrere Hops . . . . 1 1.2 Netzwerk mit Mesh Point, MPP und MAP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1 Standard-802.11-Frame wird um das Mesh-Control-Field erweitert . . . . . . . 6 2.2 Sequenznummer bei Broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 Peerbildung nach Beacon-Empfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Erwartungsgem¨aßes Verhalten der Verarbeitung eines ARP-Request. . . . . . . 9 2.5 Path Request nach Senden des Rootannouncments . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1 Das Open 11s-Projekt steuert 802.11s-Erweiterungen fu¨r Linux Wireless bei. . . 13 3.2 Treiber u¨bergibt Frame an MAC80211 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.1 ARP-Reply kann wegen fehlenden Pfades nicht gesendet werden. . . . . . . . . 19 Quelle der in den Abbildungen verwendeten Cliparts: openclipart.org, Public Domain. III Kapitel 1 Einfu¨hrung Dieses Kapitel vermittelt zun¨achst die Grundlagen, auf denen dieses Projekt aufbaut. Abschnitt 1.1 beschreibt allgemeine (Wireless) Mesh Networks. Anschließend geht Abschnitt 1.2 auf denSpezialfall IEEE802.11sein.Zum Betreiben des Meshnetzeskommtindiesem Projektdas in Abschnitt 1.3 beschriebene OpenWRT als Betriebssystem zum Einsatz. NachVermittelungderGrundlagenwerdeninAbschnitt1.4dieZielediesesMasterprojektesgenauer beschrieben. 1.1 Wireless Mesh Networks WirelessMeshNetworks(WMN)sindkabelloseAd-hoc-Netzwerke,dieohnefesteInfrastrukturaus- kommen. Netzaufbau und Konfiguration finden automatisch statt. Knoten, die im direkten Funk- kontaktstehen, bauen einen virtuellen Datenkanal (Peer) zueinander auf, wie Abbildung 1.1 zeigt. Abbildung 1.1: Wireless Mesh Network mit direktem Path (gelb) und Path u¨ber mehrere Hops (orange). 1 1.2. U¨berblick u¨ber IEEE 802.11s U¨ber diesenDatenkanalk¨onnenbenachbarteKnotendirekt miteinanderkommunizieren.Nachrich- ten an entfernte Knoten mu¨ssen von den WMN-Teilnehmern entsprechend weitergeleitet werden. Die Strecke von Datenquelle (sendender Knoten) zu Datensenke (empfangender Knoten) wird als Pfad bzw.Path bezeichnet.InderRegelhabenMeshnetzwerkeauchkeinenzentralenKnotenbzw. Master-Knoten. Alle Teilnehmer sind gleichberechtigte Kommunikationsparter. Peers und Paths zwischen den Knoten werden st¨andig aktualisiert. Dies erlaubt eine hohe Dynamik hinsichtlich der Topologie des Netzwerkes. Außerdem zeichnet sich ein Meshnetz durch eine gute Skalierbarkeit aus. Die Knoten k¨onnen sich also jederzeit in ein Mesh ein- und ausbuchen, sowie ihre Position innerhalb des Netzwerkes ver¨andern. 1.1.1 Einsatzgebiete Wireless Mesh Networks sind vielseitig einsetzbar. Nachfolgend werden beispielhaft zwei Einsatz- szenarien erl¨autert. Sensornetzwerke: In einem Sensornetzwerk werden die einzelnen Sensoren h¨aufig ¨uber ein Meshnetz miteinander verbunden. Dieses Meshnetz (WSN, Wireless Sensor Network) kann von außen als eine einzige logische Sensorenplattform betrachtet werden. Internet in strukturschwachen Regionen: In strukturschwachen Regionen, in denen kein DSL oder vergleichbar schnelle Internetanbindungen verfu¨gbar sind, werden Meshnetze genutzt, um einzelne Haushalte per Funk an das Internet anzuschließen. Die einzelnen H¨auser werden mit Antennen ausgestattet und vernetzen sich untereinander. Zus¨atzlich wird mindestens ein Haus per Richtfunk mit einem Sendemast verbunden, der dann den Zugang zum Internet fu¨r das gesamte Meshnetz zur Verfu¨gung stellt. 1.2 U¨berblick u¨ber IEEE 802.11s Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat seine WLAN-Spezifikation 802.11 mitderTeilspezifikation802.11s[11s]umeinenStandardfu¨rMeshnetzwerkeerweitert.DieSpezifi- kationhatzurZeitdenStatusDraft.Sieistalsonochnichtendgu¨ltigabgeschlossen.Dasbesondere dabei ist, dass das Routing auf MAC-Ebene stattfindet (Layer 2 des OSI-Modells) und nicht wie sonst u¨blich auf IP-Ebene (OSI-Layer 3). Dies macht das Routing sehr effizient hinsichtlich Be- arbeitungszeit, Ressourcenbedarf und Energieverbrauch. Fu¨r die Anwendungsebene wird das Rou- tingverfahren transparent gehalten. Anwendungenk¨onnen u¨ber normale IP-Sokets kommunizieren. Es mu¨ssen keine speziellen MAC-Sockets implementiert werden. Dies geschieht durch das Address Resolution Protokoll (ARP), welches IP-Adressen auf MAC-Adressen abbildet (siehe [ARP]). Wie in Meshnetzen u¨blich, k¨onnen auch in 802.11s-Netzen st¨andig Teilnehmer wegfallen und neue hinzukommen. Daher wird auf die Verwendung von DHCP verzichtet. Gem¨aß der Spezifika- tion ist n¨amlich nicht gew¨ahrleistet, das ein DHCP-Server immer verfu¨gbar ist. Die IP-Adressen 2 1.2. U¨berblick u¨ber IEEE 802.11s mu¨ssen von den Meshteilnehmern statisch konfiguriert werden. Kapitel 2 erl¨autert die wichtigsten Vorg¨angeim Betrieb eines802.11s-Meshnetzes,wie die Vermaschungder Knotenund das Routing der Datenpakete. Parameter eines 802.11s-Meshnetzes: • Mesh-ID:IdentifizierteinMeshnetzundistsomitdasPendantzurESSIDimherk¨ommlichen WLAN-Netz. Alle Netzwerkteilnehmer mit derselben Mesh-ID bilden ein Meshnetz. • Kanal/Frequenz: Es werden die im 802.11-Standard-u¨blichen Kan¨ale und Frequenzen ge- nutzt. Die Teilnehmer eines Meshnetzes mu¨ssen denselben Kanal verwenden. • Bandbreite:Standardgem¨aßwird eine Bandbreite von 20 MHzgenutzt.Optional kann,wie beim IEEE 802.11n-Standard,auch eine Bandbreite von 40 MHz gew¨ahlt werden. Verschlu¨sselte Kommunikation: Da lautSpezifikationein 802.11s-Meshnetzwerkstarkska- liert, kann es keinen zentralen Knoten als Authentifizierungsserver geben. Die Authentifizierung muss Peer-2-Peer u¨ber einen Preshared-Key erfolgen. Hierfu¨r k¨onnen die in IEEE 802.11i definier- ten Authentifizierungsmethoden wie WPA2 eingesetzt werden. AlsAlternativedefiniert802.11smit[SAE]eineigenesAuthenfizierungs-undVerschlu¨sselungsprot- koll:SimultaneousAuthenticationofEquals(SAE,AuthSAE).AuthSAEwendetZero-Knowledge- Proof an. Es ist sicher gegenu¨ber aktiven und passiven Attacken, so wie W¨orterbuchattacken. 1.2.1 Komponenten eines 802.11s-Meshnetzes Abbildung 1.2: Netzwerk mit Mesh Point (MP), Mesh Portal (MPP) und Mesh Access Point (MAP) DieTeilnehmereines802.11s-MeshnetzwerkeswerdenalsMeshPoint(MP)bezeichnet.EinMP kanneinRoutersein,aberauchein802.11s-f¨ahigesLaptop,dasssichmitdemMeshverbundenhat. Die Mesh Points k¨onnen zus¨atzlich zwei Sonderrollen einnehmen. Ein Mesh Access Point (MAP) geh¨ort zum einen zu einem Mesh wie ein gew¨ohnlicher MP, zum anderen gibt er sich als normaler 802.11a/b/g/n-Access Point aus und macht somit das Mesh fu¨r herk¨omliche WLAN-Endger¨ate 3 1.3. OpenWRT nutzbar.EinMeshPortal(MPP)verbindetdasMeshmiteinemandrenNetzwerk(Gateway).Esist m¨oglich, einen Meshknoten gleichzeitig als MAP und MPP zu konfigurieren. Abbildung 1.2 zeigt ein Meshnetz mit verscheidenen Komponenten. 1.2.2 Einsatzgebiete Der Einsatzzweckvon 802.11sliegt haupts¨achlichim ErsatzkleinererinternerNetzwerke,sowieim Last-Mile-Internetaccess(siehe[Abid]). In kleinerenFirmen k¨onntedasIntranet durch ein 802.11s- Meshnetzwerkrealisiertwerden.DasVerlegenvonKabelnunddieInstallationvonSwitchesistsomit u¨berflu¨ssig.RelativteureBusinesshardwarekanndurchgu¨nstigeSoHo-Produkteersetztwerden.Ein Firmengeb¨aude kann problemlos mit WLAN abgedeckt werden, ohne dass Repeater, welche in der Realit¨at oft Probleme verursachen, zum Einsatz kommen mu¨ssen. Auch im Heimbereich kann 802.11szum Einsatzkommen.In ¨alteren H¨ausern mit stark abschir- menden W¨andenkanndas Meshnetzfu¨rfl¨achendeckendenNetzwerkzugriffsorgen.DiesesKonzept kann auf große Wohnalagen ausgedehnt werden. In einem Studentenwohnheim oder einem Hoch- haus g¨abe es dann einen zentralen High-Speed-Internetzugang. Die einzelnen Wohnungen nutzen diesen gem¨aß dem Last-Mile-Internetaccess-Konzeptdann u¨ber das Meshnetzwerk. In San Francisco wird dieses Konzept bereits angewandt, um in sozialen Brennpunkten kosten- losen Internetzugang anzubieten. Ein Meshnetz wird hier u¨ber ganze H¨auserblocks verteilt. Auch das One LaptopperChild-Projekt1 nutzt den 802.11s-Standard.Im Gegensatzzuden vorher genannten Einsatzgebieten existiert hier keine feste Infrastruktur, also keine fest installierten Rou- ter. Die Laptops vernetzen sich direkt im freien Feld miteinander. Dies ist dank der Dynamik und Skalierbarkeit der 802.11s-Netzeproblemlos m¨oglich. Damit sind Meshnetze auch fu¨r den Katastrophenschutz, Rettungsdienst oder die Polizei eine denkbare M¨oglichkeit, eine mobile Vernetzung an gr¨oßeren Einsatzorten umzusetzen. Ein Einsatz- leitfahrzeug dient als Gateway zum Internet bzw. zum Polizei-Intranet. Weitere Einsatzwagen ver- netzensichmitdemEinsatzleitfahrzeug.Zudemk¨onnenAkkubetriebeneRouterdieReichweitedes Netzes erweitern. 1.3 OpenWRT OpenWRT ist eine minimale Linuxdistribution, die fu¨r den Einsatz auf Embedded Devices, insbe- sondere fu¨r Router, konzipiert wordenist. Die OpenWRT-Community2 stellt sowohlfertige Images derStable-VersionzumDownload,alsauchdenkomplettenQuellcodezusammenmiteineraufMe- nuconfig basierenden Toolchain ¨uber SVN bereit. Der Einsatz von OpenWRT auf SoHo-Routern bringt diverse Vorteile gegenu¨ber dem Betrieb mit der originalen Firmware. OpenWRT nutzt die 1OneLaptop per Child verteilt 100-Dollar-Laptops an Kinder in Entwicklungsl¨andern. 2OpenWRT-Homepage: http://www.openwrt.org/; Projektmanagement: https://dev.openwrt.org/ 4 1.4. Das Projekt technischen M¨oglichkeiten der Hardware nahezu komplett aus, w¨ahrend die Herstellersoftware oft nur einen bestimmten Bereich an Funktionen zul¨asst. Kapitel 3 zeigt, dass 802.11s-Meshnetze unter Linux mit Hilfe des Kernelmoduls MAC80211 betrieben werden. MAC80211 ist fu¨r Soft- MAC-WLAN-Karten zust¨andig. Die meisten SoHo-Router setzen diese relativ gu¨nstige Variante von WLAN-Karten ein.OpenWRT kann somitmit sehrvielen Routern 802.11s-Meshnetzeaufbau- en, auch wenn die Konfiguration noch nicht ganz ausgereift ist, wie in Kapitel 4 zu sehen ist. 1.4 Das Projekt 1.4.1 Ziel des Projektes Ziel des Projektes ist es ein Meshnetzwerk nach IEEE 802.11s-Standard mit SoHo-Routern auf- zubauen. In dem Projekt kommen fu¨nf Router vom Typ Linksys WRT160NL3 zum Einsatz. Diese werden mit OpenWRT Backfire 10.03.1 (Stable, Dez. 2011) oder der Entwicklerversion Attitude Adjustment (Version: r32582) aus dem SVN-Trunk geflasht. Es soll dokumentiert werden, wie ein Meshnetzwerk unter OpenWRT konfiguriert und aufgebaut werden kann. Bisher fehlende Kon- figurationsm¨oglichkeiten sollen durch entsprechende Erweiterungen erg¨anzt werden. Mit diesem Dokument werden wichtige Komponenten von 802.11s erl¨autert und die Umsetzung von 802.11s unter Linux und OpenWRT betrachtet. 1.4.2 Anpassung des Projektzieles Das Meshnetzwerk ließ sich mit der gegebenen Hardware zwar aufbauen, aber das Austauschen von Daten zwischen den einzelnen Knoten schlug fehl. Das Projektziel wurde dementsprechend angepasst.H¨ochstePriorit¨athattedasAuffindenundBehebendesFehlers,derdenDatenaustausch zwischendenWRT160NL-KnotenindemMeshnetzwerkverhinderte.Kapitel5beschreibtdenWeg der Fehlerbehebung. 1.4.3 Projektabschluss Alle Ziele konnten innerhalb des Projektes umgesetzt werden. Kapitel 6 erl¨autert die erreichten Ziele genauer. Die im Rahmen des Projektes erstellten Erweiterungen sind u¨ber das VS-Wiki der Hochschule RheinMain4 verfu¨gbar. 3Informationen zu OpenWRTauf dem WRT160NL http://wiki.openwrt.org/toh/linksys/wrt160nl 4https://wwwvs.cs.hs-rm.de/vs-wiki/index.php/MasterProjekte/802.11s auf SoHo-Routern 5 Kapitel 2 IEEE 802.11s-Meshnetzwerk im Betrieb InersterLiniesind802.11s-MeshnetzwerkeeineSpezialformvongenerellen802.11-WLAN-Netzwerken. Sie nutzendie Standard-802.11-Frames,mit einerin Abschnitt2.1beschriebenenErweiterung.Zu- dem kommt Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) zum Einsatz. Dieser Mechanismus soll das gleichzeitige Senden zweier 802.11-WLAN-Ger¨ate auf der selben Frequenz verhindern. Bevor ein 802.11-Frame abgeschickt wird, muss der Sender ¨uberpru¨fen, ob auf der Frequenz gesendet wird und gegebenenfalls die zusendende Frame solange zuru¨ckhalten, bis die Frequenz wieder frei ist. 2.1 Erweiterung des 802.11-Frames Abbildung 2.1: In 802.11s Meshnetzen wird der Body eines Standard-802.11-Frames um das Mesh-Control-Field erweitert. 6