Mesh Networks

Mesh-Netzwerk mit Internet-Anbindung und lokalem Radio-Stream

Ein Ad-hoc-Netz (lat. ad hoc, sinngemäß „für diesen Augenblick gemacht“) ist ein Funknetz, das zwei oder mehr Endgeräte zu einem vermaschten Netz verbindet. Netze, die sich selbstständig aufbauen und konfigurieren, nennt man auch mobile Ad-hoc-Netze (engl. mobile ad hoc network, MANet) oder Mesh-Netze (engl. mesh [mɛʃ], „Masche“, „Netz“)

Ad-hoc-Netze verbinden mobile Geräte (Netzknoten) wie Mobiltelefone, Personal Digital Assistants und Notebooks ohne feste Infrastruktur wie Wireless Access Points. Daten werden von Netzknoten zu Netzknoten weitergereicht, bis sie ihren Empfänger erreicht haben, wodurch sich die Datenlast vorteilhafter verteilt als in Netzen mit zentraler Anlaufstelle. Knappe Ressourcen wie Rechenzeit, Energie und Bandbreite fordern eine effektive Zusammenarbeit der Netzknoten. Spezielle Routingverfahren sorgen dafür, dass sich das Netz beständig anpasst, wenn sich Knoten bewegen, hinzukommen oder ausfallen.

Funktionsweise

Direkte Verbindung

Die einzelnen Knoten sehen sich und können miteinander kommunizieren.

Indirekte Verbindung

Die einzelnen Knoten sind zum Teil so weit voneinander entfernt, dass sie nicht direkt miteinander kommunizieren können. Hierbei leiten die dazwischen liegenden Knoten die Daten weiter. Auf diese Weise kann ein fast beliebig großes, sich selbst verwaltendes Netz entstehen.

Vor- und Nachteile eines vermaschten Funknetzes

Vorteile:

• sicherste Variante eines Netzwerkes;
• bei Ausfall eines Endgerätes ist durch Umleitung die Datenkommunikation weiterhin möglich;
• sehr leistungsfähig;
• gute Lastverteilung;
• niedrige Netzwerkkosten;
• keine zentrale Verwaltung

Nachteile:

• vergleichsweise komplexes Routing nötig;
• speichern von Routing-Tabellen in jedem Endgerät;
• jedes Endgerät arbeitet als Router und ist demnach oft aktiv;
• die Endgeräte sollten möglichst eingeschaltet bleiben;
• höherer Stromverbrauch im Endgerät

Näheres siehe Artikel Vermaschtes Netz.

Routingverfahren allgemein

Um eine zielgerichtete Weiterleitung der Daten in einem mobilen Ad-hoc-Netz zu ermöglichen, kommen spezielle Routingprotokolle zum Einsatz. Diese haben die Aufgabe, einen Pfad vom Quell- zum Zielknoten zu bestimmen. Je nach verwendeter Metrik sollte dieser z. B. möglichst kurz sein, oder möglichst gering belastete Regionen des Netzes nutzen. Weitere Anforderungen an die Protokolle sind möglichst kleine Routingtabellen, welche ständig aktualisiert werden müssen, wenn Knoten verschwinden, sich bewegen oder neue erscheinen. Die Zeit und die Anzahl der Nachrichten, die zum Auffinden einer Route benötigt werden, sollten möglichst gering sein.

Aufgrund der speziellen Bedingungen in einem mobilen Ad-hoc-Netzwerk können die üblicherweise im Internet eingesetzten Routing-Algorithmen nicht verwendet werden. Die wesentlichen Gründe hierfür sind:

• Knoten haben kein Vorwissen über die Topologie des Netzwerkes, sie müssen diese selbst erkunden;
• keine zentralen Instanzen zum Speichern von Routinginformationen;
• Mobilität der Knoten und damit verbundener ständiger Topologiewechsel;
• wechselnde Metrik der Übertragungsstrecken z. B. durch Interferenzen;
• beschränkte Ressourcen der Knoten (z. B. Systemleistung, Energieverbrauch).

Routing-Protokolle

Es gibt mehr als 70 konkurrierende Entwürfe für das Routing der Pakete durch ein mobiles Ad-hoc- bzw. Maschennetzwerk. Eine Klassifikation der Routingprotokolle kann durch Anzahl der Empfänger getroffen werden:

• Unicast-Routing – Ziel der Datenübertragung ist ein einzelner Knoten;
• Multicast-Routing – Ziel sind mehrere Knoten;
• Geocast-Routing – Ziel sind alle Knoten in einem bestimmten geografischen Bereich;
• Broadcast-Forwarding – Ziel sind alle Knoten in der Reichweite des Senders.

Eine andere Möglichkeit der Klassifikation besteht in der Einteilung der Protokolle hinsichtlich des grundsätzlichen Ansatzes. Diese Ansätze werden im Folgenden vorgestellt.

Positionsbasierte Routingverfahren

Positionsbasierte Routingverfahren nutzen geodätische Informationen über die genauen Positionen der Knoten. Diese Informationen werden z. B. über GPS-Empfänger gewonnen. Anhand dieser Ortsinformationen lässt sich der kürzeste oder der beste Pfad zwischen Quell- und Zielknoten bestimmen. Ein Beispiel für ein positionsbasiertes Routingprotokoll ist LAR.

Topologiebasierte Routingverfahren

Die topologiebasierten Routingverfahren kommen ohne geodätische Informationen über die Positionen der Knoten des mobilen Ad-hoc-Netzes aus. Ihnen genügen logische Informationen über die Nachbarschaftsbeziehungen der Knoten, also welche Knoten eine direkte Verbindung haben oder über einen oder mehrere Zwischenknoten (hop) in Verbindung treten können. Diese Nachbarknoten können miteinander kommunizieren. Die topologischen Informationen werden meistens durch den Versand so genannter HELLO-Pakete gewonnen. Je nach Zeitpunkt des Aufbaus der Topologiedatenbasis handelt es sich um proaktives oder reaktives Routing. Ein Beispiel für ein Protokoll aus dieser Klasse ist das Neighbourhood Discovery Protocol (NHDP), das Elemente des Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) verwendet.

Proaktive Verfahren

Proaktive Routingverfahren bestimmen die zu verwendenden Pfade zwischen zwei Knoten bereits, bevor diese für die Übertragung von Nutzdaten benötigt werden. Sollen dann Nutzdaten verschickt werden, so muss nicht auf die Bestimmung des Pfads zum Zielknoten gewartet werden. Nachteilig ist dafür jedoch, dass diese Verfahren auch ohne Verkehr von Nutzdaten viele Kontrollpakete verschicken, um Pfade zu bestimmen, die womöglich später nicht benötigt werden. Ein Beispiel für ein Protokoll aus dieser Klasse ist das Optimized Link State Routing Protocol (OLSR).

Reaktive Verfahren

Im Gegensatz zu den proaktiven Verfahren bestimmen reaktive Routingverfahren für mobile Ad-hoc-Netze die benötigten Pfade zwischen zwei Knoten erst, wenn Nutzdaten übertragen werden sollen. Daraus ergibt sich, dass das erste Datenpaket einer Verbindung erst mit Verzögerung versendet werden kann, da zunächst auf den Abschluss der Routenbestimmung gewartet werden muss. Dafür werden allerdings auch nur Kontrollpakete versendet, wenn Nutzdaten verschickt werden und dies zur Routenbestimmung notwendig ist. Dies schlägt sich positiv im Energieverbrauch der Knoten nieder. Das Protokoll Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) ist ein Beispiel für ein Protokoll dieser Kategorie.

Hybride Verfahren

Hybride Verfahren kombinieren proaktive und reaktive Routingverfahren. Dabei soll das Ziel erreicht werden, die Vorteile der beiden Ansätze in einem neuen Routingprotokoll zusammenzufassen. Beispielsweise kann in einem lokal beschränkten Bereich ein proaktives Verfahren eingesetzt werden, während für weiter entfernte Ziele ein reaktives Verfahren eingesetzt wird. Dies vermindert die Belastung des Netzes durch Kontrollpakete, die bei einem rein proaktiven Verfahren über das gesamte Netz versendet würden. Trotzdem stehen für lokale Ziele sofort Pfade zur Verfügung, ohne dass auf deren Bestimmung wie bei einem rein reaktiven Verfahren gewartet werden müsste. Zone Routing Protocol (ZRP) ist ein Routingprotokoll, das diesen Ansatz umsetzt.

Kommerzielle Bedeutung

2004 ist das Thema noch akademisch und es existieren fast ausschließlich einige Pilotprojekte. Die Übernahme von MeshNetworks, einem führenden Anbieter im Bereich mobiler Ad-hoc-Netze, durch Motorola Ende 2004 zeigt, dass die Industrie hier mit stark wachsenden Märkten rechnet.

2006 könnte mobilen Ad-hoc-Netzen neue Aufmerksamkeit zukommen. Im Roadcasting wird ein mobiles Ad-hoc-Netz genutzt, um ein individualisiertes Radioprogramm zu verbreiten, noch ist aber auch diese Software nur ein Prototyp.

In großem Maßstab wird im Rahmen des gemeinnützigen Projekts 100-Dollar-Laptop die Vernetzung der speziell konstruierten Schüler-Laptops automatisch über ein Mesh-Netzwerk erfolgen. Dazu hat das Massachusetts Institute of Technology ein neuartiges Protokoll auf den mobilen Computern installiert.^[1]

Seit 2006 steht mit "meshnode"^[2] die erste kommerzielle deutsche Lösung zur Verfügung. Das mesh basiert auf layer 2. Im Jahre 2007 stellte iABG sein HiMoNN^[3] system vor.

Ad-hoc-Netzwerk

Ein Ad-hoc-Netzwerk bezeichnet in der Informationstechnik ein Funknetz zwischen zwei oder mehr mobilen Endgeräten, das ohne feste Infrastruktur auskommt.

Verwendet wird diese Technik zum Beispiel bei Bluetooth, um die spontane Koppelung von Mobiltelefonen z. B. mit Headsets zu ermöglichen. Auch WLAN kennt einen Ad-hoc-Modus.

Einfache Ad-hoc-Netzwerke unter IEEE 802.11

Mit gewöhnlichen Endgeräten für die WLAN-Standards IEEE 802.11 können Verbindungen zwischen Geräten gleichzeitig aufgebaut werden. Qualitätsmerkmal der Netzwerke ist die Latenzzeit zum Aufbau eines Links, diese ist für IEEE 802.11 recht hoch.

Mobile Ad-hoc-Netzwerke unter IEEE 802.15

Um drei oder mehr Geräte ad hoc sinnvoll zu vernetzen, sind also zusätzlich Protokolle nötig, die ein Mobiles Ad-hoc-Netz (MANet) schaffen. MANets werden zur Zeit hauptsächlich noch experimentell betrieben, es gibt aber erste Software- und Hardware-Produkte, wie beispielsweise kleine Router, die mit OLSR arbeiten. Qualitätsmerkmal der Netze ist die Latenzzeit zum Aufbau eines Links, diese ist für IEEE 802.15 recht kurz.

Sind die Knoten eines MANets in Fahrzeugen, so spricht man von einem VANet.

Infrastruktur-Netzwerke unter IEEE 802.11 (nicht ad hoc)

Neben dem Ad-hoc-Modus können WLAN-Geräte nach IEEE 802.11 auch in einem Infrastrukturmodus betrieben werden. Infrastruktur-Netzwerke benötigen als zentralen Punkt mindestens eine Basisstation (Wireless Access Point), an der sich die Endgeräte einbuchen. Der Access Point vermittelt die Daten zwischen allen Teilnehmern.

Siehe auch

• Freies Funknetz
• Dijkstra-Algorithmus

Weblinks

• IETF MANET group (englisch)
• Openwireless, Open-Source-Mesh-Router-Projekt in der Schweiz
• Freifunk, Open-Source-Mesh-Router-Projekt in Deutschland
• Open Mesh, Verwaltung von auf FON, Meraki oder Accton basierenden Meshing Netzwerken

Einzelnachweise

1. ↑ Der Traum vom Roadcasting, Heise.de, 29.06.05
2. ↑ meshnode Herstellerseite
3. ↑ HiMoNN Herstellerseite