WLAN-Mesh / Wireless Mesh Network

Ein WLAN-Mesh ist ein flächendeckendes WLAN, bei dem sich mehrere Access Points untereinander per WLAN verbinden.
Um möglichst überall WLAN verfügbar zu haben, stellt man mehrere Access Points auf. Es benötigt aber nicht jeder Access Point eine Verbindung zum LAN. Mehrere Access Points lassen sich per WLAN miteinander zu einem drahtlosen Netzwerk verbinden. Jeder beteiligte Access Point dient dabei als Knoten, der Datenpakete zu den anderen Knoten weiterleitet. Das nennt man dann ein Mesh-WLAN. Eine Funktion mit der Bezeichnung Seamless-Routing sorgt dafür, dass sich jeder Client mit dem Access Point im Mesh verbindet, dessen Signal am stärksten zu empfangen ist.

Im WLAN-Standard IEEE 802.11 werden Basisstationen als Access Points bezeichnet. In der Mesh-Welt ist der Begriff „Node“ (Knoten) geläufig, die man als synonym betrachten kann. Ein echtes Mesh setzt voraus, dass es immer mindestens zwei Wege zwischen zwei Knoten gibt. Das kleinste Mesh-Netzwerk hat also mindestens drei Access Points.

Der Begriff „Mesh“ ist mehr als Marketing und weniger als Fachbegriff zu sehen. Ein echtes Mesh wird man im Privatbereich eher selten finden. Dafür müsste man einige Access Points aufstellen, die auch noch in Reichweite zueinander sein müssten. Im professionellen Umfeld wird man bestrebt sein, jeden Access Point per Kabel mit dem Netzwerk zu verbinden, damit an jedem Access Point eine definierte Datenrate verfügbar ist.

Warum braucht man ein Mesh-WLAN?

  • WLAN soll überall verfügbar sein
  • Reichweite eines bestehenden WLANs erhöhen
  • Verfügbarkeit durch Redundanz erhöhen
  • größere Fläche durch den Einsatz vieler Access Points
  • Ad-hoc-Netzwerk einrichten und betreiben

Grundlagen: Wireless Mesh Networks (WMN)

Wireless Mesh Networks (WMN)

In einem normalen WLAN kommunizieren die WLAN-Clients immer nur mit einem Access Point. In Wireless Mesh Networks sind die WLAN-Stationen untereinander vermascht. Mesh Networks agieren als Multi-Point-Netzwerke in denen die WLAN-fähigen Geräte im Ad-hoc-Modus als Relaisstationen bis zum nächstgelegenen Access Point dienen. Dabei verbessern Mesh-Network-fähige Endgeräte die Reichweite des Access Points. Als Mesh-Points können alle WLAN-Geräte dienen. Also auch typische WLAN-Clients.

In einem Mesh-WLAN bildet jeder Mesh-Point eine eigene Funkzelle. Während sich bei normalen WLANs die Funkzellen nur selten berühren, ist das bei Mesh-WLAN Absicht. Hier liegen die Mesh-WLANs in gegenseitiger Reichweite. Andernfalls würden sie kein Netzwerk bilden. Allerdings ist ohne Änderung am Zugriffsprotokoll keine brauchbare Performance möglich. Der Grund: Benachbarte Mesh-Points teilen sich einen gemeinsamen Funkkanal. Innerhalb des gemeinsamen Funkkanals kann immer nur ein Gerät senden. Jedes empfangene Paket muss zwischengespeichert werden, bevor es weitergesendet werden kann. Hier erkennt man auch das eigentliche Problem von Mesh-WLANs. Die Störungen durch gleichzeitige Übertragungen nehmen zu und das Zugriffsverfahren CSMA/CA gerät an seine Grenzen.

WLAN-Mesh-Lösungen

Leider gibt es nicht die eine technische Lösung für ein Mesh-WLAN, sondern sehr viele unterschiedliche Techniken und Standards, die Teil einer WLAN-Mesh-Lösung sein können.

  • WDS - Wireless Distribution System
  • WLAN-Mesh-Systeme bzw. Mesh-Kits mit 3 Access Points
  • WLAN-Router-Kaskade als Selbstbau-Lösung
  • Layer-2-Mesh mit BATMAN-Advanced
  • Standardkonforme Roaming-Unterstützung (IEEE 802.11k/v/r)
  • IEEE 802.11s / Mesh Deterministic Access

WDS - Wireless Distribution System

WDS ist im Grundstandard IEEE 802.11 enthalten und bezeichnet die drahtlose Verbindung mehrerer Wireless Access Points untereinander. Es handelt sich dabei um die Funktion eines WLAN-Repeaters innerhalb eines WLAN-Netzes.

WLAN-Mesh-Systeme / Mesh-Kits

WLAN-Mesh-Systeme sind meistens Tri-Band-Systeme. Sie vernetzen sich gegenseitig über einen hohen Kanal im 5-GHz-Frequenzbereich. Die WLAN-Clients versorgen sie über den 2,4-GHz-Frequenzbereich und einen niederen Kanal im 5-GHz-Frequenzbereich. Dabei müssen diese Mesh-Systeme ständig komplizierte Entscheidungen treffen.

  • Wie lange soll ein WLAN-Client im schnelleren 5-GHz-Modus bleiben?
  • Ab wann soll ein WLAN-Client in das langsamere, aber Reichweiten-stärkere 2,4-GHz-Band zurückwechseln?

Mangels eines herstellerübergreifenden Standards sind die meisten WLAN-Mesh-Systeme unterschiedlicher Hersteller nicht kompatibel zueinander. Es gibt keine herstellerübergreifende Funktion für das Verbinden der Mesh-Systeme untereinander. Ein Mesh-WLAN funktioniert in der Regel nur mit den Geräten eines Herstellers.
Eine Multi-Access-Point-Spezifikation der Wi-Fi Alliance ist in Arbeit.

WLAN-Router-Kaskade

Wenn man sich auf die teuren WLAN-Mesh-Kits nicht einlassen will, dann kann man auch mit einer WLAN-Router-Kaskade arbeiten. Es handelt sich dabei in der Regel um eine Basisstation und zusätzliche WLAN-Repeater oder WLAN-Router, die im Repeater-Betrieb konfiguriert sind. Die Geräte konfiguriert man so, dass sie hintereinandergeschaltet sind.
Der Knackpunkt dabei ist, dass der Standort der Geräte gut austariert und die Geräte einheitlich konfiguriert sein müssen. Das muss man aber alles manuell machen. Dabei bekommt man aber auch die bestmögliche Abdeckung hin. Außerdem kann man dabei auch individuelle Anforderungen berücksichtigen.

Layer-2-Mesh mit BATMAN-Advanced

BATMAN-Advanced ist ein Routing-Protokoll für drahtlose Ad-Hoc-Netze und arbeitet auf der OSI-Schicht 2 bzw. zwischen Schicht 2 und 3.
Die Aufgabe dieses Routing-Protokolls ist es, laufend zu ermitteln, welche Knoten aktuell über welchen Weg erreichbar sind. BATMAN-Advanced wird hauptsächlich im Umfeld der Freifunk-Community entwickelt und eingesetzt. Wenn man ein solches Layer-2-Mesh aufbauen will, benötigt man in der Regel OpenWRT-fähige Access Points mit der entsprechenden Software-Erweiterung für BATMAN-Advanced.

WLAN-Roaming mit IEEE 802.11k, 802.11v und 802.11r

Wenn sich die Funkbereiche mehrerer Access Points gegenseitig ein klein wenig überlappen, dann kann sich der Client zwischen den Access Points bewegen, ohne dass die Netzwerkverbindung unterbrochen wird. Diese Funktionsweise bezeichnet man als Roaming. Der Übergang dauert jedoch 100 Millisekunden und je nach Art der Authentifizierung mehrere Sekunden. Laufende Verbindungen auf TCP/IP- und Anwendungsebene werden dabei unterbrochen. Für ein unterbrechungsfreies WLAN-Roaming gibt es Helferfunktionen, die als IEEE 802.11k, 802.11v und 802.11r standardisiert sind.

IEEE 802.11s / Mesh Deterministic Access

IEEE 802.11s ist ein Standard für ein Wireless Mesh Network (WMN) in dem WLAN-fähige Geräte für andere Geräte als Relaisstationen bis zum nächstgelegenen Access Point dienen. IEEE 802.11s regelt, wie WLAN-Stationen untereinander ein drahtloses Backbone aufbauen und Frames für die Stationen außerhalb der Funkzelle weiterleiten.

Fazit

Der Mesh-Betrieb im WLAN ist nichts wirklich Neues. Bereits im Grundstandard von IEEE 802.11 ist mit WDS der Repeater-Betrieb vorgesehen. Nur leider funktionieren die Implementierungen der unterschiedlichen Hersteller nicht gut miteinander. Schon 2005 hat das IEEE mit 802.11s an einer Spezifikation für vermaschte Funknetze auf Basis von WLAN gearbeitet. Doch verbreitet hat sich das nicht.
Weitere propritäre Lösungen funktionieren auch nur mit den Geräten des selben Herstellers.

Die Frage ist, ob man überhaupt ein Mesh-WLAN braucht und ob das sinnvoll ist? Die grundsätzlichen technischen Probleme lassen sich nicht von der Hand weisen. Und jede technische Lösung kann nur eine Krücke sein. Denn die WLAN-Technik wurde auf Basis je eines Access Points entwickelt und nicht auf die Zusammenarbeit mehrere Access Points. Außerdem ist der Betrieb eines WLAN-Netzes mit mehreren Access Points ohne zentrale Instanz wenig sinnvoll. Der Versuch ein dezentrales Mesh-Protokoll zu implementieren kann nur scheitern, weil in der Breite keine Mesh-Funktionen gebraucht werden und demzufolge die Unterstützung dafür nur selten vorhanden sein wird. In den meisten Fällen lässt sich die Reichweite eines WLANs durch einen einfachen WLAN-Repeater erhöhen. Wer mehr braucht, für den gibt es die Mesh-Kits mit propritärer Technik. Und für höhere Reichweiten muss man einfach ein paar Kabel legen und die Access Points zu einem kabelgebunden lokalen Netzwerk zusammenschließen.

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