Funknetze stricken

Gemeinsamkeiten und Unterschiede von WLAN und Mesh-Netzen

Herkömmliche WLANs decken oft kaum die eigene Wohnung ab, geschweige denn, noch den Garten dazu. Repeater können die Funkblase zwar ausdehnen, funktionieren aber oft nicht zuverlässig, weil es dafür keinen Standard gibt. Das wird sich demnächst ändern.

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Funknetze nach der WLAN-Standardfamilie IEEE 802.11 arbeiten bislang stets mit einem Kabelnetz, das als Backbone fungiert. An der Geburtsstätte des Standards, dem Institute of Electrical and Electronics Engineers, arbeitet die Task Group 802.11s an einer Erweiterung, damit WLAN-Zellen auf das Kabel verzichten können. Das WLAN wird zum Mesh-WLAN, in dem die zentralen Access Points (AP) drahtlos miteinander kommunizieren. Typische Anwendungen für Mesh-WLAN sieht die Arbeitsgruppe etwa bei:

  • flächendeckender Funkversorgung einer Wohnung ohne zusätzliche Verkabelung, etwa für Media Streaming,
  • schnellen, öffentlichen Internet-Zugängen von Providern,
  • flexiblen Datennetzen in Büros, Lagerhallen, Produktionsstätten,
  • Ad-hoc-Netzen für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, wenn im Krisenfall die vorhandene Infrastruktur ausfällt und
  • autonomen Netzen beim Militär mit hoher Redundanz und Flexibilität.

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Carrier Sense funktioniert zuverlässig nur auf kurze Distanz. Doch das Signal wirkt selbst in größerem Abstand noch störend auf andere Zellen.

Vermaschte WLAN-Zellen sind nicht nur zum Vergrößern der Funkabdeckung daheim oder fürs DSL-Sharing mit dem Nachbarn interessant: Unternehmen brauchen zwar die gleiche Anzahl Basisstationen, um die gleiche Fläche zu versorgen. Von denen benötigt dann aber nur noch ein Teil – im günstigsten Fall bloß eine – den Übergang ins LAN. Das spart Kosten bei der LAN-Verkabelung. Ein Mesh-Netzwerk kann auch parallel zu einem Kabelnetz funken und dieses in Krisenfällen ersetzen. Solche Vorteile hat auch Microsoft erkannt und forscht seit längerem an Wireless Mesh [1]. In Berlin erproben WLAN-Fans die Technik mit angepasster Firmware auf Standard-Hardware [2]. Mesh-WLAN hat zwar vieles mit dem gewohnten WLAN gemein, aber einige signifikante Unterschiede gibt es doch.

In den WLAN-Standards sind alle Geräte gleichberechtigt. Manche sind jedoch gleicher: Stationen (STA), die einen Übergang zum Backbone-Netz (auch Distribution System, DS genannt) bieten, heißen Access Point (AP). Ein AP und die bei ihm angemeldeten (assoziierten) Stationen bilden das Basic Service Set (BSS), eine Funkzelle. Stationen in einer Zelle können nur über den AP mit anderen Stationen oder über den Backbone erreichbaren Geräten kommunizieren. Die über den Backbone zusammengeschlossenen Zellen nennt man ein Extended Service Set (ESS). Bislang realisiert man das Distribution System stets mit einem Kabelnetz, typischerweise Ethernet-LAN.

Der entscheidende Dreh am Mesh-WLAN ist, dass die Verbindung zwischen APs nun auch drahtlos und für Stationen nach wie vor vollkommen transparent geschehen soll. Die Mesh-WLAN-Gruppe IEEE 802.11s verfolgt dabei einen hierarchischen Ansatz: Nur die APs bilden das Mesh-WLAN und werden zu Mesh-APs (MAP). Außerdem definiert 802.11s Mesh Points (MP), die Daten zwar weiterleiten, aber Stationen keine Möglichkeit zur Assoziierung bieten.

Um Datenintegrität und Vertraulichkeit sicherzustellen, sollen Komponenten von 802.11i (MAC Security Enhancements, verbesserte Verschlüsselung) wiederverwendet und von einer zentralen Instanz, zum Beispiel einem Radius-Server, verwaltet werden. Schließlich wird 802.11s die Verwendung von ein oder mehreren Funkmodulen (Transceiver, Sende/Empfangseinheit) pro AP vorsehen.


Andere Mesh-Standards
Neben WLAN arbeiten derzeit zwei weitere IEEE-Gruppen an drahtlosen Mesh-Netzen. Die Mobile Multi-Hop Relay Study Group (MMR SG, www.ieee802.org/16/sg/mmr ) wurde erst im Juli 2005 gegründet und arbeitet an Mesh-Funktionen für 802.16 (Wimax, Standard für stadtteilgroße Funkzellen). Die Mesh-Funktionen hat man bei 802.16 zwar schon von Anfang an vorgesehen, sie sind aber bislang nicht definiert worden. Wie WLAN verlangt auch Wimax die Kompatibilität des Mesh mit existierenden Clients. Ziel ist die Entwicklung von Relay Stations, die über zusätzliche Hops die Abdeckung der Basisstation erhöhen. Die Relays nutzen wie gewöhnliche Clients das ohnehin zugeteilte Spektrum.

Die Arbeitsgruppe IEEE 802.15 befasst sich mit Wireless Personal Area Networks (WPAN) für langsame und schnelle Anwendungen, was von wenigen kBit/s bis einige hundert MBit/s reicht. Darunter fallen zum Beispiel Bluetooth, drahtlose Sensornetze oder Ultrawideband-Systeme (UWB). Die Untergruppe 802.15.5 kümmert sich um Empfehlungen (Recommended Practice) für die Umsetzung von Mesh-WPAN. Diese sollen in der Mehrzahl autonom arbeiten und ohne Übergang ins Internet auskommen. Alle Stationen im Mesh-WPAN arbeiten als drahtlose Router und leiten Daten weiter. Derzeit konzentriert sich die Arbeit auf hochbitratige WPANs, in denen die Mesh-Funktionen hauptsächlich für Audio- und Video-Streaming dienen sollen.

Als typische Größe eines Mesh-WLANs nimmt 802.11s 32 Mesh-(Access)-Points an, doch das ist keine absolute Grenze. Ein Paket braucht bei WLANs solcher Größe maximal etwa vier bis fünf Hops bis zum Ziel. Die Hops gelten hier für die MAC-Ebene (Link Layer), nicht für höhere Schichten (IP). Dies ist ein wesentlicher Unterschied zum Ansatz der Berliner Freifunker [2].

Damit bei den Freifunkern das Routing effizient abläuft, müssen sie ein Verfahren auf IP-Ebene verwenden, das sich über die Schichtgrenze hinweg zusätzliche Informationen zur Link-Güte aus der MAC-Schicht holt. Dazu gehören beispielsweise die Geschwindigkeit, die Paketfehlerrate oder der Auslastungsgrad der Verbindung. Bei 802.11s findet das Routing dagegen ausschließlich in der MAC-Ebene statt, wo diese Parameter bekannt sind.

Erfahrungen mit verschiedenen kommerziellen und freien Mesh-Netzen zeigen, dass ein auf Standard-WLAN aufgepfropfter IP-Routing-Algorithmus schnell an Performance-Grenzen stößt. Das liegt zum großen Teil daran, dass der 802.11-MAC nicht für Multi-Hop-Verbindungen entworfen wurde, denn ein typisches WLAN bildet eine Sternstruktur mit dem AP im Mittelpunkt – alles andere als ein Mesh.

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Bei herkömmlichen Installationen (oben) verknüpft ein Kabelnetz (DS) einzelne Funkzellen (BSS) zum übergreifenden WLAN (ESS). Mesh-Installationen nach 802.11s ersetzen das Kabelnetz durch eine Funkverbindung. Vergrößern

Bei herkömmlichen WLANs berühren sich Funkzellen eher zufällig, doch bei Mesh-WLAN ist das Absicht: Dort liegen Mesh-APs in gegenseitiger Empfangsreichweite, denn sonst würden sie kein Netz bilden können. Darüber hinaus hat ein Mesh-AP aber stets auch Nachbarn, deren Signale so schwach ankommen, dass er mit ihnen keinen Link aufbauen kann. Allerdings sind diese Nachbarsignale noch so stark, dass sie störend wirken. Folglich ist die Interferenzreichweite immer höher als die Empfangsreichweite.

Darin liegt der Hauptgrund, warum Meshes weitaus anfälliger gegen Störungen sind als reines 802.11-WLAN. Denn in Mesh-Netzen, wo viele Stationen direkt und noch mehr indirekt benachbart sind, gerät der WLAN-Zugriffsmechanismus Carrier Sense (CS) an seine Grenzen.

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