Fakultät II ­ Informatik, Wirtschaft und Rechtswissenschaften

Department für Informatik

Abteilung Rechnernetze und Telekommunikation

Diplomarbeit

Analyse eines Freifunknetzwerkes

Oldenburg, den 21.12.06

Bearbeitet von

Stefan Hosbach

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 5

1.1 Hintergrund und Motivation 5

1.2 Ziel der Diplomarbeit 6

1.3 Aufbau der Arbeit 7

2 Grundlagen 8

2.1 Mesh Netzwerk 8

2.1.1 Vermaschtes Netz 8

2.1.2 Vermaschte Funknetze 9

2.1.3 Routing in Mesh Netzwerken 10

2.2 OLSR 13

2.2.1 Link State Routing 13

2.2.2 Optimierungen für Funknetze 16

2.3 Freifunk 20

2.3.1 Das Projekt 20

2.3.2 Pico Peering Agreement 20

2.3.3 Rechtslage 22

2.3.4 Freifunk Knoten 23

2.4 Funkübertragung 27

2.4.1 ISM Band 27

2.4.2 Sendeleistung 27

2.4.3 Störquellen 28

2.4.4 Strahlenbelastung 32

3 Analyse 35

3.1 Freifunk in Hannover 35

3.1.1 Das Projekt 35

3.1.2 Topologie des Netzes 36

3.1.3 Installation des Knotens 37

3.2 Vorhandene Software 41

3.2.1 Darstellung mit Google Maps 41

3.2.2 OLSR-Viz 42

3.2.3 Freifunk-Statistics 43

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3.2.4 Vergleich 44

3.2.5 Gewonnene Erkenntnisse 46

3.3 Daten für die Analyse 47

3.3.1 Relevante Daten 48

3.3.2 Absolute Luftfeuchtigkeit 52

3.3.3 Störung durch benachbarte Funknetze 53

4 Entwicklung der Software 61

4.1 Ausgangssituation 61

4.2 Anforderungsdefinition 61

4.2.1 Einordnung der Arbeit 61

4.2.2 Einsatzbereich der Software 62

4.2.3 Funktionale Anforderungen 62

4.2.4 Nichtfunktionale Anforderungen 64

4.2.5 Benutzerschnittstellen 64

4.2.6 Fehlerverhalten 64

4.3 Entwurf 65

4.3.1 Technologiewahl 65

4.3.2 Architektur 67

4.3.3 Entwurf der Datenhaltung 68

4.3.4 Entwurf des Datensammlers 72

4.3.5 Entwurf des Web Frontends 74

4.4 Implementierung und Test 79

4.4.1 Implementierung des Datensammlers 79

4.4.2 Implementierung der Datenbank 80

4.4.3 Implementierung des Web Frontends 81

4.4.4 Test 82

4.5 Datenanalyse 83

4.5.1 Freifunk Verbindungen 83

4.5.2 Benachbarte Funknetze 86

4.5.3 Wetterdaten 88

4.5.4 Konfiguration der Router 90

5 Abschließende Überlegungen 92

5.1 Gewonnene Erkenntnisse 92

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5.2 Fazit 92

5.3 Ausblick 94

5.3.1 Verbesserte Datenerfassung 94

5.3.2 Genauere Wetterdaten 95

5.3.3 Bestimmung der WLan Topographie 96

5.3.4 Einbindung der Wettervorhersage 97

Glossar 99

Literatur 101

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1 Einleitung

1.1 Hintergrund und Motivation

Nach der Wiedervereinigung Deutschlands wurde in den 90er Jahren in Ostdeutschland mit

OPAL ein modernes Telefonnetz basierend auf Glasfasertechnik aufgebaut. Erst Ende des

Jahrzehnts stellte sich heraus, dass die erste Generation der bezahlbaren Breitbandanschlüsse

für den Privatanwender - das ADSL - nur auf Kupferkabel eingesetzt werden kann. Aber nicht

nur OPAL, sondern auch die ökonomisch orientierten Ausbaupläne der Telekom bezüglich

ihres DSL Netzes waren unter anderem der erste Anstoß für die Entstehung von Funknetzen,

die über die Grenzen der Grundstücke hinausgingen, um das Internet an Menschen zu

bringen, die ansonsten keinen Zugang zu Breitband-Internetanschlüssen hatten. Das OPAL

Netz im Osten von Berlin war einer der Auslöser für die Entstehung des ersten Freifunk

Netzwerkes in Deutschland. In den folgenden Jahren sind Bürger in vielen Städten und

Gemeinden dem Vorbild der Berliner Freifunker gefolgt und haben mit der gewonnen

Erfahrung und bewährten Technik eigenständige Netze aufgebaut. Inzwischen ist nicht mehr

alleine die Verbreitung von kostenlosen Internetzugängen das Hauptziel der Freifunk

Gemeinschaft, sondern die Entstehung eines eigenen Netzes, das entgegen dem Trend des

Internets nicht reglementiert und kontrolliert werden soll.

Bereits kurz nach dem Beginn des Freifunk Netzwerkes in Hannover trat der Autor dieser

Arbeit der stetig wachsenden Gemeinschaft der Freifunker bei. Aus diesem persönlichen

Interesse für die Materie und der Tatsache, dass das Thema Freifunk bislang kaum

wissenschaftlich untersucht wurde, begründet sich die Wahl für dieses Thema als

Diplomarbeit.

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1.2 Ziel der Diplomarbeit

Im Rahmen der Diplomarbeit ,,Analyse eines Freifunk Netzwerkes" sollen zunächst die

Grundlagen der dem Freifunk zugrunde liegenden Techniken und Protokolle beschrieben

werden. Darüber hinaus soll die Arbeit vermitteln, was sich hinter dem Freifunk Projekt

verbirgt. Um überhaupt praktische Aussagen über das Freifunk Netzwerk treffen zu können,

soll zunächst eine Anbindung an dieses erfolgen. Die dabei gewonnenen Erfahrungen und

Erkenntnisse werden ebenfalls in die Arbeit einfließen.

Da eine fundierte Analyse des Freifunk Netzwerkes ohne größeres Datenmaterial nur begrenzt

möglich ist, wird eine Software entwickelt, die in der Lage sein soll Daten zu sammeln und

zu analysieren. Dabei ist sowohl der praktische Nutzen in Form von Fehlerdiagnostik, als

auch der wissenschaftliche Aspekt, wie zum Beispiel durch die Untersuchung des

Zusammenhanges zwischen Wetterverhältnissen und Stabilität des Freifunk Netzwerkes, das

Hauptziel der Entwicklung. So soll die Software aber auch eine zentrale Anlaufstelle bieten,

die dem Anwender alle wichtigen Daten des Freifunk Netzwerkes verfügbar macht.

Um einen Überblick über bereits vorhandene Analysesoftware zu gewinnen, ist es geplant,

dass verschiedene Anwendungen aus diesem Bereich getestet, beschrieben und miteinander

verglichen werden, um auf diesem Weg Erkenntnisse für die selbstständige Entwicklung

gewinnen zu können.

Darüber hinaus muss untersucht werden, welche Daten für die softwaregestützte Analyse

relevant sind. In diesem Rahmen können weitere Untersuchungen bezüglich bestimmter

Aspekte nötig sein. Die zu entwickelnde Software soll aus zwei eigenständigen Programmen

bestehen. Bei diesen handelt es sich um einen Datensammler, der alle relevanten

Informationen abruft und in eine Datenbank ablegt. Auf Basis dieser Informationen operiert

die zweite Anwendung. Diese soll dem Anwender nicht nur Zugriff auf die gesammelten

Informationen bieten, sondern diese auch auswerten können.

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1.3 Aufbau der Arbeit

Der strukturelle Aufbau der Arbeit lässt sich grob in vier Teile gliedern. Der erste Teil

umfasst das Kapitel 2 und stellt zunächst die Grundlagen für das Verständnis von Freifunk

Netzwerken vor.

Der zweite Teil dieser Arbeit umfasst Kapitel 3 und beschäftigt sich mit der Analyse des

Freifunk-Netzwerkes.

Kapitel 4, der dritte Teil dieser Arbeit, beschreibt in Anlehnung an das Wasserfallmodell, den

der gesamte Entwurf der zu entwickelnden Software. Abschließend wir am Ende dieses

Kapitels die gesammelten Ergebnisse ausgewertet.

Der vierte und letzte Teil besteht mit Kapitel 5 aus den abschließenden Überlegungen. Nach

der Betrachtung von allgemeinen Erkenntnissen, gefolgt von einem Fazit, schließt der

Abschnitt Ausblick sowohl das Kapitel als auch die Arbeit ab.

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2 Grundlagen

Das folgende Kapitel setzt sich mit den Grundlagen dieser Arbeit auseinander. Zunächst wird

in Abschnitt 2.1 auf das Mesh Netzwerk eingegangen. Beginnend mit der Vermittlung des

OLSR Protokolls in Abschnitt 2.2 und gefolgt von dem Beschreibung der Bereiche des

Freifunks Projekts in Abschnitt 2.3, schließt das Kapitel mit Abschnitt 2.4 ab, welcher die

notwendigen Grundlagen im Bereich Funkübertragung beschreibt.

2.1 Mesh Netzwerk

In diesem Abschnitt wird zunächst das vermaschte Netz vorgestellt. Im Anschluss daran

erfolgt die Hervorhebung der Besonderheiten in vermaschten Funknetzen. Zum Ende des

Abschnittes wird das Routing in Mesh Netzwerken erläutert.

2.1.1 Vermaschtes Netz

Abbildung 1 -

Vermaschtes Netzwerk [FHA]

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Bei dem vermaschten Netz(eng. Mesh Network) handelt es sich um eine Netzwerktopologie

bei der alle Knoten mit einem oder mehreren anderen Knoten des Netzwerkes verbunden sind.

Somit ist ein Knoten in der Lage jeden beliebigen Knoten des Netzwerkes direkt oder indirekt

über seine Nachbarknoten zu erreichen. Sind alle Knoten direkt miteinander verbunden, so

handelt es sich um ein vollvermaschtes Netz. Alle anderen vermaschten Netz werden auch als

teilvermaschtes Netz bezeichnet. Ein solches ist auf Abbildung 1 dargestellt. [KES]

2.1.2 Vermaschte Funknetze

Die meisten Funk Netzwerke arbeiten in dem auf Abbildung 2 gezeigten

,,Infrastrukturmodus" und basieren somit auf einem funkgestützten Access Point. In dem

dabei entstehende Netzwerk übernimmt der Access Point die Funktion eines kabellosen

Switches und erzeugt damit eine Stern Topologie. Verbindet man die Access Points über

Ethernet so entsteht eine Zell Topologie. Eine Möglichkeit die Abdeckung eines WLANs zu

erhöhen ist das Wireless Distribution System (WDS). Bei diesem handelt es sich um einen

nicht standardisierten Modus der in der Lage ist Access Points auf OSI Schicht 2 drahtlos zu

verbinden. Da die Informationen zwischen den Access Points auf dem gleichen Kanal

übertragen werden auf der auch die Kommunikation mit den Clients läuft, wird die zur

Verfügung stehende Bandbreite halbiert.

Abbildung 2 -

Infrastructure und Ad-Hoc [OL1]

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Wird ein Funknetzwerk ohne Access Point betrieben, so steht nur der ebenfalls auf Abbildung

2 ersichtliche Ad-Hoc Modus zur Verfügung. Diese Netze werden auch Mobile Ad-hoc-Netze

(MANet) bezeichnet. Hier sind die Teilnehmer in der Lage eine Verbindung zu allen

Teilnehmen in ihrer Sende- / Empfangsreichweite aufzunehmen, die im selben Modus

betrieben werden. Das dabei entstehende vermaschte Netz wird auch als Mesh Netzwerk oder

,,WLAN Wolke" bezeichnet. In diesem kann ohne Routing Protokolle nur bei direkter

Verbindung miteinander kommunizieren werden. Von einem vermaschten Netzwerk wird

aber nicht nur im Zusammenhang mit drahtlosen Netzwerken geredet, sondern auch große

Teile des Internet basieren auf dieser Topologie. [DCH] [THW] [NWR] [FF1] [FF7]

2.1.3 Routing in Mesh Netzwerken

Das Routing ist im ISO/OSI Modell eine der Hauptaufgaben der dritten Schicht, auch

Vermittlungs-Schicht genannt. Die einfachste Art der Wegwahl ist das statische Routing, bei

welchem es sich um ein nicht-adaptives Routingverfahren handelt. Das Routing ist statisch da

für jeden Knoten vor der Inbetriebnahme eine feste Tabelle angelegt wird, in welcher für alle

zu erreichenden Ziele die optimalen Wege gespeichert werden. Anwendung findet das

statische Routing vor allem bei Netzwerken mit einer festen Struktur und einer vermaschten

Netzwerktopologie.

In großen dynamischen Mesh Netzwerken, wie unter anderem in großen Teilen des Internets,

finden wir jedoch eine Umgebung vor, in der laufend neue Wege entstehen und alte

wegfallen. Aufgrund der riesigen Menge an angeschlossenen Teilnehmern und ihren nicht

vorhersagbaren Verhalten kann es in kürzester Zeit zu stark fluktuierenden Belastungen auf

den einzelnen Knoten des Netzwerkes kommen. Um diesem Problem Rechnung zu tragen

bedarf es einer Lösung die über eine statische Wegwahl hinausgeht. Die Klasse der adaptiven

Verfahren bietet eine Reihe von Lösungen für dieses Problem, da sie in der Lage ist aufgrund

von äußeren Einflüssen dynamisch die Wegwahl zu bestimmen.

Bei den adaptiven Routingprotokollen unterscheidet man zwischen zentralisierten, isolierten

und verteilten Verfahren. Die zentralisierten Routingverfahren bestimmen die

Übertragungsleitung zentral für das gesamte Netz auf einem Knoten, welcher auch Routing

Control Center (RCC) genannt wird. Bei den isolierten Routingverfahren übernimmt ein

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