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Wireless Mesh Networks – drahtlose Netzwerktechnologie der Zukunft Mesh Networks auf WLAN-Basis – unterschätzte Schlüsseltechnologie

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

Wireless Mesh Networks werden meist immer noch als wenig relevant eingestuft. Dies ist eine ausgesprochen grobe Fehleinschätzung, denn Mesh Networks haben nicht nur eine interessante Grundfunktionalität, sondern durchbrechen zum ersten Mal wirkungsvoll starre Strukturen und erschließen damit völlig neue Anwendungsbereiche in eleganter Art und Weise. Und wie bei jeder anderen Technologie sind auch hier mögliche Probleme lösbar.

Wireless Mesh Networks haben das Potenzial zur Netzwerk-Revolution, werden aber noch oft unterschätzt
Wireless Mesh Networks haben das Potenzial zur Netzwerk-Revolution, werden aber noch oft unterschätzt
( 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 jedoch 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 sog. 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 in alten SNA-Unterlagen blättert, stellt man fest, dass sogar die Funktionalitäten in weiten Bereichen vergleichbar sind.

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Ein klassisch aufgebautes WLAN funktioniert demnach genau wie SNA, hat Stärken wie SNA (z.B. die systematische Versorgung einer großen Benutzermenge mit vergleichbaren Dienstleistungen) aber strukturbedingt eben auch große Schwächen wie hohe Kosten, mangelnde Flexibilität und komplizierte Erschließung von Anwendungsbereichen, die partout nicht zu dem Modell passen wollen.

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

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Strukturbedingte Schranken durchbrechen

Und genau diese strukturbedingten Schranken können Wireless Mesh Networks sehr elegant durchbrechen. Jeder Maschen-Knoten kann hier 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 Steuerung. Dadurch ergibt sich eine völlig autonome und dezentralisierte Arbeitsweise. Knoten, die keine Maschen-Fähigkeit haben, können dadurch eingebunden werden, dass sich ihnen gegenüber ein Maschen-Knoten wie ein AP verhält. Und schließlich gibt es gibt Maschen-Knoten, die Übergänge zu anderen Netzen schaffen. Sie heißen oft Maschen-Ports.

Zusammenfassend ergeben sich damit 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.

Die initiale Bildung eines Mesh Netzes ist ganz einfach. Die Stationen (in der Regel der 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 sog. 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 seiner „Selbstkonfiguration“ ausgesprochen simpel aufzubauen.
  • Ein Wireless Mesh-Network ist sehr leicht zu erweitern, einfach indem man neue Mesh Knoten aufstellt und diese mit Strom versorgt. 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 getrennte, aber in sich funktionsfähige Mesh-Networks.
  • Ein Wireless Mesh Network ist portabel, das heißt es ist das erste und einzige Netz, das – wenn die Distanzen zwischen den Knoten nicht zu groß werden –sich einfach abbauen und an einer anderen Stelle wieder aufbauen lässt, ohne irgendwelche Kabel zu bemühen.
  • Ein Wireless Mesh Network kann die Nachrichtenströme unter gewissen Voraussetzungen bezüglich der Verteilung von Quellen und Zielen parallelisiert abarbeiten, weil die Anzahl von gleichzeitig aktiven Routen nicht durch die Konstruktion beschränkt wird.

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Wireless Mesh Networks : Opfer von Mißverständnissen

Die aktuelle Produktsituation suggeriert, dass Mesh Networks nichts weiter als eine andere Ausprägung gewohnter WLANs nach IEEE 802.11 seien. Dies ist in erheblicher Weise unrichtig.

Denn ein Mesh Network wird erst 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.

Die Software ist in ihrer Grundfunktionalität an und für sich unabhängig von der Implementierung der Funkschnittstellen. Man kann Mesh Networks daher also mit allen bekannten Funkschnittstellen, wie bspw. denen nach IEEE 802.11 a,b,g,h,n und IEEE 802.16 sowie anderer Alternativen aufbauen.

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

Wir befinden uns heute in einer Frühphase dieser Technologie, etwa vergleichbar mit dem Ethernet auf dem gelben Kabel. Und wer hätte vor 30 Jahren schon gedacht, dass wir heute über skalierbares, hochredundantes 100 Gigabit Ethernet sprechen würden? 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 aggregierte Bandbreite und gute Ausnutzung der Frequenzbänder. Dadurch werden Mesh Networks ideale Infrastruktur-Netze. In Zukunft erreichbare weitere Möglichkeiten könnten jedoch zur Revolution und zu einer völlig neuen Netzstruktur führen. Aber freuen wir uns zunächst über die Möglichkeiten der aktuellen Generation.

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Höchste Ausfallsicherheit

Wenn ein Mesh-Knoten ausfällt oder gewaltsam außer Betrieb gesetzt wird, macht das für den Rest des Netzes kaum etwas aus: die Nachbarn des betroffenen 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 erreicht ihre Grenzen lediglich dann, wenn der ausgefallene Knoten der einzige Nachbar eines am Rand des Mesh Netzes liegenden Knotens war. Denn dann wäre dieser bei einem Ausfall seines Nachbarn isoliert. Dies kann man aber bei der grundsätzlichen Konstruktion des Netzes berücksichtigen.

Damit ist ein Wireless Mesh Netz sozusagen unzerstörbar. Doch wo kann man derartige Fähigkeiten wirklich brauchen? Nun, ein Beispiel ist die Vernetzung von Überwachungskameras. Eine einzelne Kamera kann man z.B. durch Ansprühen mit Farbe außer Gefecht setzen und jedes Kabel kann man kappen. Also ist die Funkvernetzung der Kameras ein guter Ansatz, die Sicherheit zu erhöhen. Macht man das jedoch mit einem herkömmlichen WLAN, so wäre ein Angriff auf einen Access Point verheerend, denn die Bilder aller von ihm versorgten Kameras würden ausfallen.

Stattet man dagegen jede Kamera mit einem Mesh-Knoten aus, so können zwar immer noch einzelne Kameras lahm gelegt, aber niemals ein gesamter Bereich ausgeschaltet werden.

Das gilt im übertragenen Sinne auch für jede Art von Einsatzfahrzeugen, weshalb Mesh Networks in den USA bspw. bei Polizeibehörden, Zoll und Feuerwehren besonders beliebt sind. Aufgrund der geschilderten 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 so z.B. auch Polizeiboote durch das SFPD flexibel in den Funkverkehr eingebunden.

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Höchste Bandbreiten

Ein Mesh Netz hat eine hohe aggregierte Bandbreite, die sich aus der Summe der Einzelverbindungen zwischen den Nachbarn zusammensetzt. Dies kann selbstverständlich auch dazu verwendet werden, Verbindungen über unterschiedliche Wege zu splitten und an geeigneter Stele wieder zusammenzuführen, um so z.B. funktechnischen Problemzonen aus dem Weg zu gehen.

Die Distanzen zwischen den einzelnen Nachbarn eines Mesh Netzes sind in der Regel gering. Daher kann man über die standardmäßigen TPCs (Transmit Power Control) überall nur mit geringen Sendeleistungen arbeiten. Dies wirkt sich positiv auf den Stromverbrauch und die EMV-Belastung aus. Zudem lassen sich so die zur Verfügung stehenden Frequenzbänder gut ausnutzen. Denn normalerweise kann man in einer zweidimensionalen Struktur des Netzes so spätestens zwei Nachbarn weiter wieder die gleiche Frequenz verwenden, ohne Störungen befürchten zu müssen.

Anwendungsbereiche für Mesh Networks sind demnach auch die Versorgung öffentlicher Bereiche (Hot Spots) im Zusammenhang mit Metropolitan Area Networks, Flughäfen, Bahnhöfen und Häfen. Aber auch das Thema Last-Mile für den Zugang von Haushalten zu Providern ist hier eine Beispielanwendung. Aber auch die öffentliche Sicherheit, Videoüberwachung und medizinische Bereiche wie Notdienste, Krankenhäuser, Industrielle Anwendungen, Logistik-Anwendungen, Industrie- und Medienparks, Veranstaltungsbereiche, Stadien usw. werden die Vorzüge von Mesh-drahtlosen Networks schnell zu schätzen wissen.

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

Ein weiterer wesentlicher Anwendungsbereich ist aber natürlich 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 dies je erlauben würden.

Bei Corporate Networks spielt es dagegen eine Rolle. dass im Gegensatz zu allen anderen bekannten Lösungen die Mesh-Networks in der Lage sind, Last zu balancieren und eine wesentlich höhere aggregierte Gesamtleistung als hierarchische Single-Hop-Netze anbieten können. Zudem kann ein Maschen-Netz durch seine enorme Flexibilität den Anforderungen in HotSpot-Umgebungen wesentlich besser Rechnung tragen als Systeme konventioneller Bauart.

Über den Autor

Dr. Franz-Joachim Kauffels ist seit über 25 Jahren als unabhängiger Unternehmensberater, Autor und Referent im Bereich Netzwerke selbständig tätig. Mit über 15 Fachbüchern in ca. 60 Auflagen und Ausgaben, über 1.200 Fachartikeln sowie unzähligen Vorträgen ist er ein fester und oftmals unbequemer Bestandteil der deutschsprachigen Netzwerkszene, immer auf der Suche nach dem größten Nutzen neuer Technologien für die Anwender.

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