Die Medium Access Control (MAC)-Schicht in Wi-Fi ist eine entscheidende Komponente des IEEE 802.11-Standards und verantwortlich für die Verwaltung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte Kommunikationsmedium, typischerweise das Funkfrequenzspektrum. Die MAC-Schicht spielt eine Schlüsselrolle bei der Koordinierung des Zugriffs mehrerer Geräte auf den drahtlosen Kanal und sorgt so für eine effiziente und faire Kommunikation innerhalb eines Wi-Fi-Netzwerks.
Hauptaspekte der Medium Access Control (MAC) in Wi-Fi:
- Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA/CA):
- Wi-Fi-Netzwerke verwenden ein Protokoll namens Carrier Sense Multiple Access with Collision Vermeidung (CSMA/CA), um den Zugriff auf das gemeinsam genutzte drahtlose Medium zu verwalten. Bei CSMA/CA hören Geräte den Kanal ab, bevor sie Daten übertragen, um Kollisionen zu vermeiden. Wenn der Kanal belegt ist, warten die Geräte eine zufällige Backoff-Zeit, bevor sie versuchen zu übertragen.
- Verteilte Koordinationsfunktion (DCF):
- DCF ist die grundlegende Zugriffsmethode in Wi-Fi-Netzwerken und basiert auf CSMA/CA. Der Betrieb erfolgt vollständig verteilt, sodass Geräte unabhängig voneinander um den Kanal konkurrieren können. DCF umfasst Mechanismen zum Umgang mit Konflikten, zur Bestätigung erfolgreicher Übertragungen und zur erneuten Übertragung fehlgeschlagener Frames.
- Netzwerkzuteilungsvektor (NAV):
- Der NAV ist ein Timer-Mechanismus, der in WLAN verwendet wird, um andere Geräte über die laufende Übertragung zu informieren. Wenn ein Gerät den Kanal für die Übertragung erfasst, legt es den NAV fest und verhindert so, dass andere Geräte Übertragungsversuche unternehmen, bis der NAV abläuft. Dies hilft, Kollisionen während laufender Übertragungen zu vermeiden.
- Punktkoordinationsfunktion (PCF):
- PCF ist ein optionaler Teil des IEEE 802.11-Standards, der einen zentralisierten Koordinationsmechanismus bereitstellt. Bei PCF übernimmt ein Zugangspunkt die Kontrolle über den Kanal und fragt die zugehörigen Geräte ab, um Daten zu übertragen. PCF wird zwar weniger häufig verwendet als DCF, kann aber einen deterministischeren Zugriff auf den Kanal ermöglichen.
- Frame-Austausch:
- Die MAC-Schicht verwaltet den Austausch von Frames zwischen Geräten in einem Wi-Fi-Netzwerk. Zu den Frames gehören Verwaltungsframes (z. B. Assoziations- und Disassoziationsframes), Kontrollframes (z. B. Bestätigungsframes) und Datenframes, die die eigentliche Nutzlast enthalten.
- Assoziation und Authentifizierung:
- Die MAC-Schicht verwaltet die Prozesse der Zuordnung und Authentifizierung zwischen einem Wi-Fi-Gerät und einem Zugangspunkt. Bei der Zuordnung wird ein Gerät einem bestimmten Basic Service Set (BSS) beitreten, während durch die Authentifizierung sichergestellt wird, dass das Gerät über die erforderlichen Anmeldeinformationen für den Zugriff auf das Netzwerk verfügt.
- Energieverwaltung:
- Die MAC-Schicht umfasst Mechanismen zur Energieverwaltung, um in mobilen Geräten Energie zu sparen. Geräte können in den Energiesparmodus wechseln und regelmäßig aufwachen, um zu prüfen, ob Daten für sie anstehen. Dies ist besonders wichtig für batteriebetriebene Geräte in WLAN-Netzwerken.
- Dienstqualität (QoS):
- MAC unterstützt QoS-Mechanismen, um bestimmte Arten von Datenverkehr gegenüber anderen zu priorisieren. Dazu gehört die Verwendung verschiedener Zugriffskategorien und die Möglichkeit, unterschiedliche Prioritäten für Frames festzulegen, um sicherzustellen, dass zeitkritische Anwendungen bevorzugt behandelt werden.
- MAC-Adressierung:
- Die MAC-Schicht ist für die Zuweisung und Verwaltung eindeutiger MAC-Adressen für jedes Gerät im Wi-Fi-Netzwerk verantwortlich. MAC-Adressen sind für die Adressierung und Weiterleitung von Frames an das richtige Ziel unerlässlich.
- Sicherheit:
- Die MAC-Schicht trägt zur Wi-Fi-Sicherheit bei, indem sie Verschlüsselungsmechanismen wie WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (Wi-Fi Protected Access) und WPA2/WPA3 implementiert, um die Übertragung von Daten über das drahtlose Medium zu sichern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Medium Access Control (MAC)-Schicht eine entscheidende Komponente von Wi-Fi-Netzwerken ist und Mechanismen für einen effizienten und fairen Zugriff auf das gemeinsam genutzte drahtlose Medium bereitstellt. Durch Protokolle wie CSMA/CA, NAV und QoS-Mechanismen gewährleistet die MAC-Schicht zuverlässige Kommunikation, Koordination und Sicherheit innerhalb von Wi-Fi-Netzwerken.