Definition Was ist ein Mesh Network?

In einem Mesh Network sind die Netzknoten vermascht verbunden. Jeder Knoten kann mit mehreren anderen Knoten direkt und nicht nur über einen zentralen Knoten kommunizieren. Mesh-Netzwerke kommen zum Beispiel in Form des WLAN-Mesh zum Einsatz. Ein WLAN-Mesh erreicht eine lückenlose Netzabdeckung und erzielt überall gleichbleibend hohe Übertragungsraten.

Der englische Begriff Mesh Network bedeutet wörtlich übersetzt "vermaschtes Netzwerk". In einem solchen Netzwerk sind die einzelnen Netzwerkknoten untereinander über mehrere Verbindungen vernetzt. Es existieren alternative Verbindungswege von einer Quelle zu einem Ziel. Die Informationen können über diese verschiedenen Wege von Knoten zu Knoten weitergegeben werden, bis der Zielknoten erreicht ist.

Im vollständig vermaschten Netzwerk ist jeder Knoten mit jedem anderen Knoten verbunden. Die Anzahl der Verbindungen steigt in diesem Fall quadratisch mit der Zahl der Knoten. Dies ist der Grund dafür, dass große Netze in der Regel nur teil- und nicht vollvermascht sind. Dank der vielen alternativen Wege in einem Mesh Network ist ein sehr zuverlässiger Betrieb möglich. Der Ausfall einzelner Leitungen oder Netzknoten lässt sich über alternative Verbindungswege kompensieren.

Die Auswahl der Wege kann auf verschiedenen Ebenen des OSI-Schichtenmodells erfolgen. In vermaschten IP-Netzwerken kommen Routingprotokolle wie RIP, OSPF oder BGP zum Einsatz. Aber auch Layer-2-Mesh-Netzwerke, die auf MAC-Ebene arbeiten und wie ein großer Switch agieren, sind üblich.

Grundsätzlich ist ein Mesh Network sowohl auf Basis von kabelbasierten Strukturen als auch funkbasiert realisierbar. Formal beschreibt der Begriff Mesh Network zwar sämtliche Netztopologien mit redundanten Pfaden, etabliert hat er sich aber stark im drahtlosen Bereich. Ist von einem Mesh Network die Rede, ist damit häufig ein WLAN-Mesh gemeint.

Die prinzipiellen Vor- und Nachteile eines vermaschten Netzwerks

Durch die Vermaschung ergeben sich für ein Netzwerk einige Vorteile. Beim vollvermaschten Netzwerk handelt es sich aufgrund der vielen alternativen Wege um eine sehr sichere und performante Variante eines Netzes. Es gibt immer eine kürzeste Verbindung über nur einen Hop zum nächsten Knoten. Ausfälle von Leitungen und Geräten können so lange kompensiert werden, so lange noch eine Verbindungsmöglichkeit von der Quelle zum Ziel existiert.

Sind Verfahren zur Lastverteilung im Netz implementiert, lassen sich die alternativen Wege verwenden, um zur Verfügung stehende Bandbreiten optimal zu nutzen. Intelligente, sich selbst organisierende Routingprotokolle sorgen für die automatische Wegfindung im Netz und machen eine zentrale Verwaltung überflüssig.

Ein Mesh Network hat aber auch einige Nachteile. Die hohe Zahl an benötigten Leitungen führt unter Umständen zu hohen Kosten. Das ist insbesondere der Fall, wenn die Leitungen in einem WAN (Wide Area Network) von Providern angemietet werden müssen. Je mehr Netzwerkknoten und Verbindungen existieren, desto aufwendiger und komplexer werden die Routingprotokolle und Hardwareanforderungen. Sämtliche Netzwerkknoten arbeiten als Router und sind aktive Komponenten, die Rechenleistung und Routingintelligenz bereitstellen müssen.

Das WLAN-Mesh - eine Implementierungsform des Mesh-Netzwerks

Das WLAN-Mesh ist eine Implementierungsform eines Mesh-Netzwerks. Die beiden Begriffe WLAN-Mesh und Mesh Network werden daher manchmal gleichgesetzt, obwohl das WLAN-Mesh nur eine Untermenge aller möglichen Mesh-Netzwerke darstellt.

Ein WLAN-Mesh unterscheidet sich deutlich vom klassischen, hierarchisch aufgebauten WLAN. In einem klassischen WLAN kommunizieren die Teilnehmer über einen zentralen Router oder Accesspoint. Ein WLAN-Mesh hat verteilte Funkknoten in Form von Mesh-Satelliten, die sich untereinander vermaschen. Solche Mesh-Satelliten können beispielsweise weitere Router, Repeater, Accesspoints oder Powerline-Adapter, aber auch WLAN-Endgeräte sein. Sie stellen gemeinsam ein durchgängiges WLAN unter einer einheitlichen SSID bereit. Die Nodes können direkt miteinander kommunizieren, ohne dass ein zentraler Accesspoint eingebunden werden muss. Die Daten werden über mehrere Zwischenknoten weitergeleitet, bis sie ihr Ziel erreichen. Das führt zu einer besseren Netzabdeckung und größeren Reichweiten des WLANs sowie zu stabil hohen Datenraten.

Typische Merkmale eines WLAN-Mesh-Netzwerks sind:

• direkte Datenweitergabe der Knoten untereinander

• Kommunikation der Knoten zur Selbstorganisation, Selbstoptimierung und Selbstheilung des Netzwerks

• automatisches, nahtloses Roaming (automatische, unterbrechungsfreie Verbindung der Clients über den Knoten mit dem stärksten Funksignal)

• einheitliche SSID im kompletten WLAN-Mesh

• in der Regel über eine einheitliche Benutzeroberfläche konfigurier- und steuerbar

Die grundlegende technische Funktionalität für ein herstellerunabhängiges, selbstheilendes und erweiterbares WLAN-Mesh wurde bereits Anfang der 2000er-Jahre im IEEE-Standard 802.11s, einer Teilspezifikation des IEEE-802.11-Industriestandards, entwickelt und definiert. 802.11s floss später vollständig in die 802.11-Standardreihe ein und wurde kontinuierlich weiterentwickelt. Einige der grundlegenden Konzepte sind auch heute noch in den aktuellen WLAN-Standards 802.11ax (Wi-Fi 6) und 802.11be (Wi-Fi 7) zu finden. Sie wurden hinsichtlich Funktionalität, Effizienz und Leistungsfähigkeit aber stark verbessert und erweitert.

Typische Einsatzbereiche des WLAN-Mesh-Netzwerks

Das Mesh Network in Form des WLAN-Mesh kommt sowohl im Consumer-Bereich als auch im professionellen Umfeld zum Einsatz.

Im privaten Umfeld beherrschen immer mehr Router, Accesspoints, WLAN-Repeater oder Powerline-Adapter Mesh-Funktionen. Dadurch lassen sich ausgehend vom Internetzugangsrouter leistungsfähige WLAN-Netzwerke aufspannen, die für eine engmaschige WLAN-Abdeckung in der eigenen Wohnung oder im eigenen Haus sorgen. Beispielsweise sind in den in Deutschland sehr beliebten Fritz!-Produkten wie Routern, Powerline-Adaptern oder Repeatern umfangreiche Mesh-Funktionen implementiert. Die Benutzeroberfläche der Fritz!Boxen besitzt eine grafische Anzeige, in der die einzelnen Komponenten des Mesh-Netzwerks und ihre Verbindungen untereinander angezeigt werden. Aber auch Produkte vieler anderer Hersteller wie TP-Link Deco, Netgear Orbi, Asus AiMesh, D-Link Covr, Google Nest Wifi, Amazon eero, Devolo, Linksys, Zyxel Multy und viele mehr bieten WLAN-Mesh-Unterstützung.

Viele der kommerziellen Produkte basieren auf implementierten WLAN-Mesh-Funktionen aktueller Standards wie Wi-Fi 6 oder Wi-Fi 7, erweitern diese aber häufig mit proprietären Funktionen und Protokollen für beispielsweise das Roaming, das Band Steering oder die Verwaltung der Mesh-Knoten. Das verhindert meist einen interoperablen Einsatz der Produkte unterschiedlicher Hersteller.

Im professionellen Umfeld wird das WLAN-Mesh beispielsweise eingesetzt, um die kabelbasierte Anbindung von Accesspoints zu ersetzen. Dies macht aufwendige und teure Verkabelungsarbeiten für die Verbindung der einzelnen Accesspoints überflüssig, da sich diese per WLAN-Mesh selbständig untereinander organisieren und vermaschen. Einige Produkte (sowohl im professionellen als auch im Consumer-Bereich) verwenden so genannte Mehrband-Mesh-Architekturen. Bei diesen Netzwerken nutzen die Komponenten für die Verbindung untereinander eigene, vom Frequenzband der Clients unabhängige Funkbänder. So müssen Client-Funkbänder wie das 2,4-, 5- oder 6-GHz-Band nicht mehr für die Vernetzung der Knoten untereinander mit den Clients geteilt werden.

Weitere typische Einsatzbereiche für das Mesh Network sind:

• Outdoor-WLANs und drahtlose Campusnetze

• drahtlose Smart-City-Infrastrukturen

• drahtlose Netzwerke für temporäre Zwecke wie Veranstaltungen

• drahtlose Vernetzung von industriellen Komponenten

• drahtlose Vernetzung in der Logistik

• drahtlose Vernetzung von IoT-Geräten

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