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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 70 Konzeption und Anwendungsbereiche von Wireless MESH-Networks

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Alle WLANs nach IEEE 802.11a, b, g, h und n haben die gleiche Struktur aus Access Points und Stationen. Damit ist die maximale Größe derartiger Netze begrenzt, auch wenn natürlich mehrere WLANs über andere Netze zusammengeschaltet werden können. Aber es gibt noch ein anderes Konzept für Wireless Netze, das praktisch grenzenlose Netze ermöglicht: MESH-Networks. In dieser Folge betrachten wir die generelle Struktur und die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technik.

Mesh-Networks decken große Bereiche ab und organisieren sich selbst; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Mesh-Networks decken große Bereiche ab und organisieren sich selbst; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Grundprinzip eines jeden Mesh-Networks ist die kooperative Autonomie. Es sei bemerkt, dass dieses Prinzip in der Natur wesentlich erfolgreicher ist als jede Art von Hierarchie. Heutige große WLAN-Installationen haben die gleiche hierarchische sternförmige Struktur wie IBMs SNA selig: in der oberen Schicht gibt es Server, die die Dienstleistungen erbringen (das waren früher die Hosts). Darunter befinden sich die so genannten WLAN-Controller (jeder Hersteller nennt das anders), die die WLAN-Access Points kontrollieren.

Das erinnert stark an die Kommunikations-Vorrechner und Cluster Controller. Ganz unten in der Hierarchie stehen die Wireless Endgeräte, das sind die modernen Terminals. Wenn man sich den Spaß macht und alte SNA-Unterlagen anschaut, sind sogar die Funktionalitäten in weiten Bereichen vergleichbar. WLANs funktionieren genau wie SNA, haben Stärken wie SNA, z.B. die systematische Versorgung einer großen Benutzermenge mit vergleichbaren Dienstleistungen, haben aber auch strukturbedingt große Schwächen, wie hohe Kosten, mangelnde Flexibilität und komplizierte Erschließung von Anwendungsbereichen, die partout nicht zu dem Modell passen wollen.

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Eigentlich basieren WLANs im Gegensatz zu SNA auf herstellerneutralen Standards. Aber grade in der Ebene der WLAN-Controller differenzieren sich die Hersteller momentan sehr und schaffen dementsprechend Abhängigkeiten für die Benutzer.

Und genau diese strukturbedingten Schranken können Wireless Mesh-Networks sehr elegant durchbrechen. Jeder Maschen-Knoten kann mit anderen Maschen-Knoten in Verbindung treten – und zwar mit seinen über die Funkschnittstelle erreichbaren Nachbarn direkt und mit anderen Maschen-Knoten via Vermittlung durch die Nachbarn. Dabei wird ein Layer-2-Routing benutzt. Es gibt keine Zentralstation oder andere zentrale Steuerungen. Dadurch ergibt sich eine völlig autonome und dezentralisierte Arbeitsweise. Knoten, die keine Maschen-Fähigkeit haben, können dadurch eingebunden werden, dass sich ein Maschen-Knoten ihnen gegenüber wie ein AP verhält. Schließlich gibt es Maschen-Knoten, die Übergänge zu anderen Netzen schaffen. Sie heißen oft Maschen-Ports.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Knotenarten in einem Mesh-Network:

  • Mesh-Knoten, die die gesamte Logik des Mesh-Networks unterstützen und in der Lage sind, sich mit anderen Mesh-Knoten zu einem geschlossenen Mesh-Network zusammenzufinden
  • Mesh-Access-Points, die zunächst einmal die Fähigkeiten von Mesh-Knoten haben, darüber hinaus aber auch noch Access Points für Stationen sind, die nicht an der Logik des Mesh-Networks teilnehmen können, sondern einen normalen Access Point erwarten, an dem sie sich assoziieren können
  • Stationen, die keine Mesh-Fähigkeiten haben, und sich an Maschen-Access-Points assoziieren müssen, um kommunizieren zu können
  • Mesh-Portale, die die Fähigkeiten von Mesh-Knoten und ggf. auch Access-Point-Fähigkeiten haben und darüber hinaus in der Lage sind, einen Übergang zwischen einem Mesh-Network und einem anderen verkabelten oder kabellosen Netz herzustellen

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Die initiale Bildung eines Mesh-Networks

Die initiale Bildung eines Mesh Netzes ist ganz einfach. Die Stationen (in der Regel die Endbenutzer) assoziieren sich an den Mesh-APs. Mesh-Knoten broadcasten ihre Identität und suchen so Nachbarn. Mesh-Knoten, die als Nachbarn in Frage kommen, geben Antwort. Nachbarn bauen bidirektionale Verbindungen auf und füllen ihre „Nachbarschaftstafeln“. Diese sind nachher Grundlage für das Layer-2-Routing, das so genannte Path-Selection-Verfahren. Pakete können nun geforwardet werden.

Damit ergeben sich auch schon die ersten Vorzüge von Mesh Networks:

  • ein Wireless-Mesh-Network ist aufgrund der „Selbstkonfigurierung“ ausgesprochen simpel aufzubauen
  • ein Wireless-Mesh-Network ist sehr leicht zu erweitern, indem man neue Mesh-Knoten aufstellt und ihnen ein bisschen Strom gibt – den Rest erledigt das Mesh-Network von selbst
  • ein Wireless-Mesh-Network ist unempfindlich gegenüber dem Ausfall einzelner Mesh-Knoten, weil es durch Anpassung der Routen Fehlstellen automatisch überbrücken kann. Eine Grenze ergibt sich nur dann, wenn der Ausfall von Knoten bestimmte andere Knoten in die funktechnische Isolation treibt. Je nach Konstruktion entstehen dann zwei disjunkte, aber in sich funktionsfähige Mesh-Networks
  • ein Wireless-Mesh-Network ist portabel, das heißt es ist das erste und einzige Netz, das man, wenn man die Distanzen zwischen den Knoten nicht übertreibt, einfach abbauen und an einer anderen Stelle wieder aufbauen kann, ohne irgendwelche Kabel zu bemühen
  • Ein Wireless-Mesh Network kann die Nachrichtenströme unter gewissen Voraussetzungen hinsichtlich der Verteilung von Quellen und Zielen parallelisiert abarbeiten, weil die Anzahl von gleichzeitig aktiven Routen nicht durch die Konstruktion beschränkt wird

Durch die aktuelle Produktlage wird dem Interessenten irgendwie suggeriert, dass Mesh-Networks nichts weiter als eine andere Ausprägung gewohnter WLANs nach IEEE 802.11 sind. Dies ist in erheblicher Weise unrichtig:

Ein Mesh Network wird durch eine spezielle Software definiert, die die Mesh-Fähigkeiten, wie Finden von Nachbarn, Aufbau einer Nachbarschaftsstruktur, Routing und Forwarding von Paketen, Finden eines Ersatzweges bei Ausfall eines bestehenden Weges usw. realisiert und sich dabei vorhandener Funkschnittstellen bedient.

Diese Software an und für sich ist in ihrer Grundfunktionalität unabhängig von der Implementierung der Funkschnittstellen. Man kann Mesh-Networks daher mit allen bekannten Funkschnittstellen wie die nach IEEE 802.11a, b, g, h, n und IEEE 802.16 sowie diversen weiteren aufbauen.

In einem Mesh-Network können unterschiedliche Funkschnittstellen existieren, kooperieren und sich mit der Zeit auch ändern, um z.B. durch höhere Leistung höheren Anforderungen gerecht werden.

Wir befinden uns heute in einer Frühphase dieser Technologie, etwa vergleichbar mit dem Ethernet auf dem gelben Kabel. Hätten Sie vor 30 Jahren gedacht, dass wir heute über skalierbares, hochredundantes 100 Gigabit Ethernet sprechen würden? Sicher nicht. Und so ist es auch mit den Mesh-Networks. Zu Beginn sind sie nur eine Evolutionsstufe der bestehenden WLANs.

Sofort sichtbare Vorzüge und Fähigkeiten von Mesh-Networks sind Robustheit, hohe aggregate Bandbreite und gute Ausnutzung der Frequenzbänder. Dadurch werden Mesh-Networks ideale Infrastruktur-Netze. In Zukunft erreichbare weitere Möglichkeiten könnten zur Revolution und damit zu einer völlig neuen Netzstruktur führen. Aber freuen wir uns zunächst über die Möglichkeiten der aktuellen Generation.

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Vorteil Störungs- und Ausfallsicherheit

Wenn ein Mesh-Knoten ausfällt oder gewaltsam außer Betrieb gesetzt wird, macht das für den Rest des Netzes nur wenig aus: die Nachbarn des Knotens merken sofort, dass etwas nicht stimmt und führen das Layer-2-Routing einfach so aus, als sei der Knoten nie existent gewesen. Dadurch kompensieren sie den Ausfall vollständig.

Diese Konstruktion hat ihre Grenzen lediglich dann, wenn der ausgefallene Knoten der einzige Nachbar eines am Rand des Mesh-Netzes liegenden Knotens war. Denn dann ist dieser isoliert. Das kann man aber bei der grundsätzlichen Konstruktion des Netzes berücksichtigen. Ein Wireless-Mesh Netz ist damit sozusagen unkaputtbar. Aber wo kann man das wirklich brauchen? Nun, ein Beispiel wäre die Vernetzung von Überwachungskameras. Eine einzelne Kamera kann man z.B. durch Ansprühen mit Farbe außer Gefecht setzen. Jedes Kabel kann man kappen. Also ist die Funkvernetzung der Kameras ein guter Gedanke. Macht man das mit einem normalen WLAN, so wäre ein Angriff auf einen Access Point verheerend, denn die Bilder aller von ihm versorgten Kameras würden ausfallen.

Stattet man jede Kamera mit einem Mesh-Knoten aus, so kann man zwar immer eine einzelne Kamera lahmlegen, aber niemals einen gesamten Bereich. Das gilt im übertragenen Sinne auch für jede Art von Einsatzfahrzeugen, weshalb Mesh-Networks in den USA bei Polizeibehörden, Zoll und Feuerwehren besonders beliebt sind.

Aufgrund der besprochenen Unabhängigkeit des Konzepts von bestimmten Funkschnittstellen kann man in diesen Fällen z.B. Funk in lizenzierten Bändern mit hoher Reichweite einsetzen. In San Francisco werden z.B. durch das SFPD auf diese Weise auch Polizeiboote flexibel eingebunden.

Ein Mesh-Netz hat eine hohe aggregate Bandbreite, die sich aus der Summe der Einzelverbindungen zwischen den Nachbarn zusammensetzt. Dies kann man natürlich auch dazu nutzen, Verbindungen über unterschiedliche Wege zu splitten und an geeigneter Stelle wieder zusammenzuführen, um z.B. funktechnischen Problemzonen aus dem Weg zu gehen.

Zwischen den Nachbarn in einem Mesh-Netz existieren in der Regel geringe Distanzen. Das kann man in Verbindung mit dem standardmäßigen TPC (Transmit Power Control) nutzen, um mit sehr geringen Sendeleistungen zu arbeiten. Dies hat neben den Vorzügen für die Stromversorgung und die EMV-Belastung vor allem den Vorteil, dass man die zur Verfügung stehenden Frequenzbänder gut ausnutzen kann. Denn normalerweise kann man in einer zweidimensionalen Struktur des Netzes spätestens zwei Nachbarn weiter wieder die gleiche Frequenz verwenden, ohne Störungen befürchten zu müssen.

Spontane Anwendungsbereiche für Mesh-Networks sind demnach die Versorgung öffentlicher Bereiche (Hot Spots) auch im Zusammenhang mit Metropolitan Area Networks (Flughäfen, Bahnhöfe, Häfen), die Last-Mile für den Zugang von Haushalten zu Providern und Öffentliche Sicherheit und die Videoüberwachung. Aber auch Medizinische Bereiche wie Notdienste, Krankenhäuser, industrielle Anwendungen, Logistik-Anwendungen, Industrie- und Medienparks, Veranstaltungsbereiche, Stadien usw. werden die Vorzüge schnell zu schätzen wissen.

Maschen-Netze können immer da sofort erfolgreich Fuß fassen, wo die physikalische Wellenausbreitung herkömmlichen Strukturen Grenzen setzt, Versorgungslücken einigermaßen elegant und kostengünstig geschlossen werden müssen, mit Benutzern „dünn“ besiedelte Bereiche erschlossen werden sollen oder die Dynamik der geforderten Anwendungsszenarien eine Planung im herkömmlichen Sinne ad absurdum führt.

Ein wesentlicher Anwendungsbereich ist zudem der Heimbereich. Die wesentliche Stärke eines Mesh-Networks in dieser Umgebung ist die Fähigkeit zum Transport großer Datenmengen mit einer viel größeren Flexibilität als herkömmliche WLANs. Bei Corporate Networks spielt eine Rolle. dass im Gegensatz zu allen anderen bekannten Lösungen die Mesh-Networks in der Lage sind, Last zu balancieren und eine wesentlich höhere aggregate Gesamtleistung als hierarchische Single-Hop-Netze bereitzustellen. Ein Maschen-Netz kann durch seine enorme Flexibilität den Anforderungen in Hot-Spot-Umgebungen wesentlich besser Rechnung tragen als Systeme konventioneller Bauart.