Whitepaper Einführung in Mesh Netzwerke

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1 Stand: Mesh Netzwerke existieren seit über 40 Jahren - angefangen als mobile Funklösung für militärische Anwendungen in den USA wurden sie insbesondere seit Anfang 2000 auch für die zivile Vernetzung von Straßenzügen zur Anbindung von Haushalten mit Breitband-Internet über WLAN eingesetzt und haben damit stark an Popularität zugenommen. Heute findet man Mesh Netzwerke in Industrieanwendungen z.b. zur Vernetzung von Messgeräten, in Unternehmens- und Stadtnetzwerken, in mobile Anwendungen zwischen Fahrzeugen oder auch auf Basis anderer Technologien wie Zigbee zur Verwendung in Sensor Netzwerken. Dabei dienen diese Mesh Netzwerke stets als flexible Möglichkeit um die Reichweite der einzelnen Funkteilnehmer über ihre Funkreichweite zu erhöhen und das Netzwerk einfach, performant und redundant zur Verfügung stellen zu können. Neben den verschiedenen Funktechnologien gibt es viele verschiedene Ansätze in Industrie und Forschung für Routing Algorithmen und Features von Mesh Netzwerken. Dieses Whitepaper bietet eine Einführung in WLAN Mesh Netzwerke mit Fokus auf die Mesh Technologie der MeshBerry. 1 Einsatzgebiet Eine Anwendung, die in den vergangenen Jahren sehr viel Aufmerksamkeit genossen hat, waren Stadtnetzwerke die von Freiwilligen in Großstädten aufgebaut wurden, wie zum Beispiel das Freifunk Netz in Berlin oder das Projekt Funkfeuer in Wien. Dort wurden mit verschiedenen Mesh Technologien über Knoten zusammengeschalten, teilweise um Breitband Internet zu gewähren, mit der Technologie Erfahrung zu sammeln und auch ein eigenes, von Providern unabhängiges Netz aufzubauen. Noch größere Netze gibt es beispielsweise in Katalonien (guifi.net, Teilnehmer Ende 2011) oder Athen (awmn.gr, Nutzer Mitte 2010), die Mesh Netzwerke für bestimmte Flächen einsetzen und außerdem verschiedene andere Routing-Technologien einsetzen. Neben diesen freien Anwendungen, die durch ihren Bedarf an freiwilligen Helfern eine hohen Bedarf an medialer Präsenz haben, gibt es auch viele weniger große oder bekannte Mesh Netzwerke. So werden Mesh Netzwerke beispielsweise oft in Hotels, Bürogebäuden, Zeltplätzen, Baustellen oder Industrieanlagen, Minen etc eingesetzt, wo eine Verkabelung nicht zu aufwendig, unrentabel oder schlichtweg nicht möglich airberry - Luftbrücken nach Maß 1/ 8

2 ist. Auch Internet Service Provider nutzen Mesh Netzwerke als Backbone Verbindung um Ihre Kunden einen Zugang zum Internet anzubieten. Neben diesen statischen Anwendungsgebieten gibt es auch mobile Einsatzszenarien. So werden WLAN Mesh Netzwerke zwischen Fahrzeugen aufgebaut, um ein schnelle Kommunikation beispielsweise für Feuerwehr und Katastrophenschutz zu ermöglichen. Auch in speziellen Handgeräten wird teilweise Mesh Technologie eingesetzt um eine größere, redundante Funkabdeckung zwischen Einsatzkräften zu ermöglichen 2 Einordnung von WLAN Meshnetzwerken Die Mesh Technologie der MeshBerry ist eine Layer 2 Technologie nach dem ISO/OSI Modell. Anders als andere Meshprotokolle und dynamische Routingprotokolle wird eine Ethernet-kompatible Schnittstelle angeboten, sodass das Mesh für den Benutzer wie ein großer Switch mit dynamischer Größe betrachtet werden kann, dessen Ports über die verschiedenen Geräte verteilt sind. Dabei baut das Mesh wiederum selbst auf Ethernet kompatiblen Schnittstellen aufgebaut - so können WLAN Geräte im Infrastrukturund Ad-Hoc Modus, Ethernet-Schnittstellen oder LWL-Schnittstellen in das Mesh mit eingebunden werden. Abbildung 1: Das Layer 2 Mesh der MeshBerry im ISO/OSI Schichtenmodell In den meisten Fällen wird für Mesh Netzwerke ein WLAN Ad-Hoc Netzwerk eingesetzt. Dieses erlaubt die Kommunikation zwischen allen Geräten die in direkte Funkreichweite in die Funkzelle eingebucht sind. Teilweise werden Mesh Netzwerke auch im Infrastruktur-Modus aufgebaut, die aber durch Ihre Eigenschaft als Punkt zu Multipunkt (statt Multipunkt zu Multipunkt) in ihrer Flexibilität beschränkt sind. Zur airberry - Luftbrücken nach Maß 2/ 8

3 Absicherung des Mesh Netzwerks werden die entsprechende Mechanismen der zugrunde liegenden Technologie, z.b. Verschlüsselung mit WPA-NONE oder IBSS/RSN im WLAN Ad-Hoc Modus, eingesetzt. 3 Funktionsweise von Meshnetzwerken Meshnetzwerke bauen dynamische Netzwerke auf. Dazu erforscht jeder Teilnehmer zunächst seine Nachbarschaft, indem er seine eigene Identität und Features per Broadcast (Nachricht an alle) sendet - diese Datenpakete werden oftmals in Routing Protokollen als Hello Pakete bezeichnet. Da jeder Teilnehmer dies gleichermaßen durchführt erfährt der Teilnehmer, welche Geräte sich in Funkreichweite bzw. Nachbarschaft befinden. Abbildung 2: Nachbarschaftserkennung Im zweiten Schritt wird zu diesen Geräten die Verbindungsqualität ermittelt, beispielsweise über die Paketverlustrate, den Signal-Rausch-Abstand oder die ausgewählte Bitrate des Rate Control Algorithmus von WLAN. Diese Verbindungsqualität fließt in die Metrik ein, mit der die Routen bewertet und gegeneinander verglichen werden. airberry - Luftbrücken nach Maß 3/ 8

4 Abbildung 3: Nachbarschaftserkennung Schließlich wird von Gerät zu Gerät Informationen über die Routen mitgeteilt. Im Mesh Algorithmus der MeshBerry werden dazu nicht aufwendige Wegsuchalgorithmen verwendet, sondern die optimale Route implizit durch die versendeten Pakete ermittelt. Dazu sendet jeder Teilnehmer in regelmäßigen Zeitabständen Routenpakete aus, in dem die Metrik von 100% gesetzt ist. Ein Teilnehmer der ein solches Paket zum ersten Mal empfängt (die Pakete eines Teilnehmers werden mit einer Sequenznummer unterschieden) multipliziert seine Verbindungsqualität des Nachbars, von dem er es erhalten hat, auf die Metrik des Paketes auf und sendet es seinerseits. So wird das Paket durch das gesamte Mesh geflutet und jeder Teilnehmer erfährt dadurch sowohl über die Existenz jedes Teilnehmers, als auch über welchen Nachbar er den jeweiligen Teilnehmer am günstigsten erreichen kann. Soll als nun ein Datenpaket gesendet werden, so schickt es ein Teilnehmer an den Nachbarn dessen Routingpakete die höchsten Metriken angegeben haben. Dieser wiederum gibt es wieder seinem besten Nachbar, bis nach einigen Schritten (sog. Hops) das Ziel des Datenpakets erreicht ist. airberry - Luftbrücken nach Maß 4/ 8

5 Abbildung 4: Fluten und Routenbildung Durch diesen Mechanismus werden verschiedene Eigenschaften des Mesh Netzwerkes erzielt, die ihn für die verschiedenen Anwendungen attraktiv machen: Da die Routing Pakete über das gesamte Netz geflutet werden gibt es eine Vielzahl möglicher Routen, es besteht also Redundanz. Durch die periodische Aussendung wird die Metrik automatisch an Änderung in der Signalqualität oder Wegfall von Routen oder einzelnen Verbindungen angepasst. Das Netzwerk kann sich also dynamisch an die Gegebenheiten anpassen. Die dritte wichtige Eigenschaft ist die Fähigkeit zur Selbstheilung. Störungen betreffen im Allgemeinen nur Teile des Netzwerks, und es werden in kurzer Zeit Alternativrouten gefunden die das gestörte Gerät oder die gestörte Verbindung umgehen. Die oben beschriebene Funktionsweise ist eine vereinfachte Zusammenfassung des Mesh Algorithmus der MeshBerry. In die Metrik fließen noch weitere Faktoren, wie beispielsweise die Verbindungsqualität in beide Richtungen (durch verschiedene Antennen kann diese in eine Richtung besser sein) als auch die Anzahl der Hops mit ein. Auch die zur Routenauswahl werden weitere Faktoren herangengezogen, die aber hier nicht dargestellt werden um den Umfang nicht zu sprengen. Diese Architektur bringt für einige Szenarien Herausforderungen mit sich. So wird durch die Nutzung des gleichen Funkkanals von allen Teilnehmern die Bandbreite begrenzt - in einer Funknachbarschaft kann nur ein Gerät gleichzeitig senden damit die Pakete durch Kollisionen nicht verloren gehen. Dadurch sinkt die effektive Bandbreite insbesondere über mehrere Hops. Das mag für Anwendungen mit geringem Anspruch an Bandbreite wie kleine Hotel WLANs akzeptabel sein, für größere Netzwerke mit viel Datenverkehr wie Videodaten stellt das aber durchaus ein Problem dar. Dies kann airberry - Luftbrücken nach Maß 5/ 8

6 mit der Nutzung von mehreren WLAN Modulen umgangen werden, wie im folgenden Abschnitt dargestellt wird. 4 Nutzung mehrere Netzwerkgeräte und Kabelstrecken Viele Mesh WLAN Geräte bieten die AP Funktionalität über das gleiche WLAN Modul wie die Mesh Funktionalität an. Da dann sowohl die Clients als auch die Mesh Teilnehmer auf dem gleichen Kanal senden wird die verfügbare Bandbreite sehr stark beeinträchtigt. In der MeshBerry ist daher der Betrieb von Access Point und Mesh auf verschiedenen WLAN Modulen vorgesehen, wodurch verschiedene WLAN Kanäle benutzt werden können die sich nicht gegenseitig beeinträchtigen. Abbildung 5: Redundanz durch die Nutzung mehrere WLAN Module Darüber hinaus kann das Mesh auf beliebig vielen Geräten konfiguriert werden. So können beispielsweise zwei WLAN Module auf unterschiedlichen Kanälen konfiguriert und im Mesh Modus betrieben werden. Dadurch wird Redundanz erreicht und das Mesh Netzwerk auf mehrere Funkkanäle ausgeweitet - es behält jedoch die Eigenschaft eines großen, zusammenhängenden Mesh Netzwerkes mit all seinen Vorteilen. Wenn zwei Geräte auf beiden Funkfrequenzen eine Verbindung haben kann damit die Verbindung gewahrt bleiben auch wenn eine der beiden Frequenzen gestört wird. Abbildung 6: Abwechselnde Nutzung der WLAN Module airberry - Luftbrücken nach Maß 6/ 8

7 Da mehrere Funkmodule verwendet werden können auch noch weitere Funktionen bereitgestellt werden, beispielsweise die Verwendung verschiedener Module zum Senden und Empfangen. Soll ein Datenpaket weitergeleitet werden und erreicht das Gerät auf dem einen Modul, so wird zum nächsten Nachbar auf dem zweiten WLAN Modul weitergeleitet, sofern auf diesem Modul eine gute Verbindung zu Verfügung steht. Somit kann gleichzeitig gesendet und empfangen werden und die effektive Bandbreite auch auf mehrere Hops deutlich gesteigert werden. Abbildung 7: Bündelung (Bonding) der WLAN Verbindungen Eine weitere Möglichkeit, die genutzt werden kann wenn mehrere WLAN Module im Mesh zur Verfügung stehen, ist die Bündelung dieser Module. So wird, wenn zwei ähnlich gute Verbindung zu einem Nachbarn zur Verfügung stehen, die zu versendenden Datenpakete auf diese Verbindungen gleichmäßig verteilt. Damit kann der Durchsatz gegenüber der Nutzung einer einzelnen Verbindung enorm gesteigert werden. Abbildung 8: Mesh über Kabel verbunden Da der Mesh Algorithmus auf alle Ethernet-kompatiblen Technologien angewendet werden kann, können auch Ethernet Module nach dem gleichen Prinzip in das Mesh eingebunden werden. Ein typischer Anwendungsfall ist ein Turm, auf dem MeshBerrys für die jeweiligen Himmelsrichtungen angebracht werden und diese ausleuchten. Die MeshBerrys werden untereinander per Ethernet verkabelt und müssen dann nicht separat per Funk verbunden werden. airberry - Luftbrücken nach Maß 7/ 8

8 5 Verbindung von LANs In den meisten Szenarien werden an das Mesh weiter LANs gekoppelt. Das sind im einfachsten Fall ein WLAN/BSS, das über das zweite WLAN Modul als Access Point angeboten wird, können aber auch Ethernet LANs sein in das die MeshBerry mit eingebunden wird. Abbildung 9: Bekanntmachung von Netzwerkgeräten im Mesh Ähnlich wie ein Switch, der die Hardware Adressen (MAC Adressen) der angeschlossenen Teilnehmer registriert und an (ausschließlich) an dem Zielport, an dem das Zielgerät angeschlossen ist, ausgibt, arbeitet auch das Mesh in den MeshBerrys. Die MAC Adressen der eingehenden Datenpakete werden registriert und in einer lokalen Datenbank gespeichert. Diese lokalen Datenbanken werden unter den Mesh Teilnehmern ausgetauscht in dem sie an die Routing Pakete angehangen werden. Durch das Fluten im Netzwerk erfährt nun jeder Mesh Teilnehmer, wer welche Endgeräte angeschlossen hat, und kann damit die globale Übersetzungstabelle (Translation Table) zusammensetzen. Mit dieser Tabelle wird bei jedem eingehenden Datenpaket anhand der Ziel MAC Adresse nachgeschlagen, an welchen Mesh Teilnehmer das Datenpaket zu senden ist. Der Mesh Empfänger leitet es schließlich wiederum in sein angeschlossenes LAN oder WLAN und damit an das Endgerät weiter. Durch diesen Mechanismus wird eine sehr einfache, transparente und völlig konfigurationsfreie Möglichkeit geboten, mehrere Netze zusammenzuschalten. Die MeshBerrys lassen sich so einfach bedienen wie ein Switch - die lokalen Netze werden lediglich an die MeshBerry angeschlossen, alles andere erledigt das Mesh Netzwerk. airberry - Luftbrücken nach Maß 8/ 8