Wireless MESH-Networks nach IEEE 802.11s

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Teil 19 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Alle WLANs nach IEEE 802.11 a, b, g, h und n haben die gleiche Struktur aus Access Point und Stationen. Das hat natürlich seine Grenzen und mehrere WLANs müssen dann via anderer Netze zusammengeschaltet werden. Es gibt aber noch ein ganz anderes Konzept für Wireless Netze: die MESH-Networks.

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 sog. WLAN-Controller (jeder Hersteller nennt das anders), die die WLAN-Access Points kontrollieren. 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 Steuerung. 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.

Die initiale Bildung eines Mesh Netzes ist ganz einfach. Die Stationen (im Allgemeinen 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 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, einfach 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, was 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 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. Das 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 usf. 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 also mit allen bekannten Funkschnittstellen wie die nach IEEE 802.11 a, b, g, h, n und IEEE 802.16 sowie weiteren aufbauen.

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

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. Dann ist dieser auch isoliert. Das kann man aber bei der grundsätzlichen Konstruktion des Netzes berücksichtigen. Ein Wireless Mesh Netz ist sozusagen unkaputtbar.

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 mit dem standardmäßigen TPC (Transmit Power Control) dazu nutzen, mit nur geringen Sendeleistungen zu arbeiten. Das hat neben den Vorzügen für die Stromversorgung und die EMV-Belastung vor allem den Vorzug, dass man die zur Verfügung stehenden Frequenzbänder gut ausnutzen kann. Normalerweise kann man in einer zweidimensionalen Struktur des Netzes spätestens zwei Nachbarn weiter wider die gleiche Frequenz verwenden, ohne Störungen befürchten zu müssen.

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

Mesh-Networks 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 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. 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 haben können. Ein Maschen-Netz kann durch seine enorme Flexibilität den Anforderungen in HotSpot-Umgebungen wesentlich besser Rechnung tragen als Systeme konventioneller Bauart.

IEEE 802.11s

Der Wireless MESH-Standard IEEE 802.11s bewegt sich im bekannten Universum und versteht sich initial als Erweiterung der bestehenden Standards für Wireless Distribution Systeme. Das Auffinden von Nachbarn birgt kaum Überraschungen. Es gibt sog. aktives und passives Scanning und ein Gerät, welches noch kein MP (Mesh Point, also Maschen-Knoten) ist, kann MP werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: von dem betreffenden Gerät wird ein Beacon empfangen, das empfangene Beacon enthält eine Mesh Identifikationsnummer Mesh ID, die der Mesh ID in mindestens einem Profil des MP entspricht und der empfangene Beacon enthält ein WLAN Maschen Capability Element mit folgenden Inhalten: eine unterstützte Versionsnummer, eine MP Aktiv Anzeige und einen Path Selection Protocol Indikator sowie einen Path Selection Metrik Indicator, der zu dem ausgewählten Profil passt.

Sensationell ist aber: es gibt mindestens einen Synchronisationskanal. Das Netz arbeitet so, dass sich MPs in diesem Synchronisationskanal darüber verständigen, dass sie miteinander kommunizieren und auf welchem Kanal, der durch DFS gewählt wird, diese Kommunikation stattfinden soll. Dann wechseln sie für die Dauer der Übertragung auf diesen Kanal und geben ihn anschließend wieder frei. Damit vollzieht IEEE 802.11s erstmals in der Geschichte die Abkehr vom unseligen DCF-Steuerungsverfahren, was normalerweise für die Regelung des Kanalzugriffs von APs und Stationen benutzt wird und eine der nachweislich größten Performancebremsen in der Geschichte des Networkings ist.

13 Dynamische Kanal-Auswahl

Verbindungen nach IEEE 802.11s sind eigentlich „Peer Links“, aber uneigentlich gibt es einen initiierenden MP und einen reagierenden MP. Der Verbindungsaufbau geschieht mit Association Request und Response. Die Anzahl der durch einen MP zu verwaltenden Verbindungen ist begrenzt. Routing und Forwarding werden, wie besprochen, auf Layer 2 vorgenommen. Eine zentrale Rolle spielt hierbei das sog. Hybrid Wireless Mesh Protocol HWMP. HWMP ist ein Wegwahlverfahren, welches nach Angaben seiner Erzeuger die Flexibilität von bedarfsgesteuerter Routenermittlung mit Erweiterungen für das effiziente proaktive Routing, welches im Zusammenhang mit Mesh Portals gebraucht wird, kombiniert.

Die hybride Natur erlaubt die flexible Wegwahl sowohl in infrastrukturellen als auch in ad Hoc Maschen-Netzen. Die Kombination von On-demand und proaktivem Routing erlaubt es, dass die MPs entweder selbst optimale Routen entdecken und verwalten oder Informationen dafür nutzen, die von einem Root-Knoten im Zusammenhang mit einer Baumstruktur erzeugt und weitergegeben werden. In beiden Fällen geschieht die Auswahl von geeigneten Nachbarknoten auf dem Weg nach einer Metrik.
HWMP benutzt eine einzelne Menge von Protokollprimitiven und Verarbeitungsregeln aus dem „Ad Hoc On-Demand Distance Vector“ AODV-Protokoll (IETF RFC 3561) für alle Funktionen, die mit dem Routing zusammenhängen

Das 802.11s HWMP ist also grob ein Mittelding zwischen Spanning Tree- und Source Routing Verfahren, sieht aber so aus, als könne es funktionieren. Es gibt ein sog. Extensible Path Selection Framework für die flexible Implementierung unterschiedlicher Protokolle und Metriken für die Path Selection. Die Spezifikation enthält ein Protokoll und eine Metrik, die immer zwingend implementiert werden müssen, um zu ermöglichen, dass Geräte unterschiedlicher Hersteller grundsätzlich miteinander kommunizieren können. Aber jeder Hersteller kann darüber hinaus auch eigene Protokolle implementieren, um z.B. bestimmte Anwendungen spezifisch zu unterstützen.

Der bisherige Verlauf der Standardisierung hat leider nicht dazu geführt, das Vertrauen in die Mesh-Technologie zu stärken. Dadurch kommt es auf der einen Seite zu einer großen Anzahl von Anwendungen, die unbedingt benötigt werden und dann aber auf proprietären Lösungen basieren, die die Hersteller gerne anbieten und zum anderen zu einer in solchen Lagen immer zu beobachtenden Zurückhaltung des breiten Marktes.

Da sowohl von der Herstellerseite als auch durch die Gesamtkonzeption der Bereich „Sicherheit“ in genau der gleichen Weise abgewickelt werden kann wie bei herkömmlichen WLANs, beschränken sich die Bedenken auf die Bereiche Routing und Performance.

Ein wesentliches Design-Ziel der Maschen-Knoten ist es, dass diese relativ preiswert sind und nicht Unmengen Strom verbrauchen. Also werden sie auch keine wirklich überragende Rechen- und Speicherleistung haben. Konsequenterweise dürfen sie dann am Routing nicht zu lange herumrechnen, weil sonst die Mesh-Performance in den Keller geht. Die Kombination von proaktivem und reaktivem Routing ist an sich schon eine gute Idee. Ein auf einem rein linearen Adressraum arbeitendes Routingverfahren ist wegen der quadratischen Komplexität daher ungeeignet für größere Netze. Notwendig ist also ein hierarchisch strukturiertes Routing-Verfahren, wenigstens als Möglichkeit.

Hinsichtlich der Performance gibt es verschieden starke Einflussfaktoren. Sehr hohen Einfluss hat der Anteil der nicht-maschenfähigen Knoten/Stationen sowie die funktechnische Ausführung hinsichtlich der Anzahl der Radioteile und der Anzahl nutzbarer überlappungsfreier Kanäle. Hohen Einfluss hat die Rechen- und Speicherfähigkeit der Prozessoren. Das eigentliche Routing- und Forwardingverfahren hat nur geringen Einfluss. Es kann nämlich nicht viel retten, wenn der Rest nicht stimmt. Der eigentliche Bereich, der über die Performance entscheidet, ist die Struktur. Mesh-Knoten mit nur einem Radioteil sind Unfug. Gibt es an einem Maschenknoten C gleichberechtigte Kandidaten, die er (via DCF) als Access Point versorgen muss, stehen für jeden Kandidaten 1/C Bandbreite zur Verfügung. Da er es mit DCF tut, ist das schon sehr wenig. Bleibt alles auf einem Kanal, so muss sich der nächste Maschen-Knoten mit 1/C für seinen gesamten aggregaten Verkehr begnügen. In letzter Konsequenz bedeutet das, dass für eine Station, die „weiter weg“ ist, letztlich nur noch im Extremfall 1/NC an Bandbreite zur Verfügung steht, wobei N die Anzahl der zu durchlaufenden Maschenknoten ist. Zwei Radioteile sind ein annehmbarer Kompromiss für die erste Generation, hat aber Grenzen. Drei Radioteile wie z.B. bei HP/Colubris sind das Minimum für Linearität hinsichtlich der verfügbaren Kapazität in Abhängigkeit von der Größe des Mesh-Networks. Das Optimum der Radios liegt bei der Zahl der zu erwartenden Nachbarn für die Vollduplex-Verbindungen.

Fazit: die Mesh-Networks stellen ein so attraktives Designkonzept dar, dass sie ihren Platz in der unternehmensweiten Datenverarbeitung, bei Providern, in privaten Haushalten und an noch vielen anderen Stellen finden werden.

In einer ersten Welle werden sie bestehende Strukturen nicht ersetzen, sondern um eine wesentlich flexiblere Anbindungsmöglichkeit für Endgeräte ergänzen.

Jeder verantwortliche Betreiber ist aufgefordert, sich angesichts der schnellen und vielfältigen Änderungen in den Anwendungen und Anwendungsprofilen nach Strukturen umzusehen, die wirklich zukunftsfähig sind.

Und das sind die Mesh-Networks, auch wenn sie, wie alles Größere, zunächst einmal klein anfangen.

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