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Wie funktioniert eigentlich ein Mesh-Netzwerk?

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Aktuell ist beim Auf- und Ausbau von drahtlosen Netzwerken im Heimbereich ein klarer Trend zu erkennen. Mesh-Netzwerke sollen nicht nur eine einfache Möglichkeit für den Auf- und Ausbau liefern, sondern können auch beliebig erweitert werden. Doch wie funktioniert ein solches Mesh-Netzwerk? Wo sind die Vor- und Nachteile? Eben damit haben wir uns beschäftigt.

Nahezu alle Hersteller für WLAN-Hardware sind inzwischen auf den Mesh-Zug aufgesprungen. Google verwendet die Technik für seine WiFi-Access-Points ebenso wie ASUS bei Lyra, Netgear bei den Orbi-Systemen, Ubiquiti mit UniFi Mesh und auch AVM testet derzeit einen Teil seiner Hardware auf eine Mesh-Kompatibilität.

Das Prinzip eines Mesh-Netzwerkes ist weder neu noch sonderlich kompliziert. Zwei oder mehr Endgeräte werden zu einem vermaschten Netz zusammengesetzt. Die Mesh-WLAN-Netzwerke für den Endkunden sollen sich selbständig aufbauen und konfigurieren. Mesh-Netze kommen auch in kabelgebundenen Netzwerkstrukturen zum Einsatz.

Einer der großen Vorteile eines Mesh-Netzwerkes ist die Tatsache, dass keine zentrale Infrastruktur vorhanden sein muss. Im Falle der erwähnten WLAN-Hardware gibt es zwar immer eine Art Router, irgendwo muss der Eintrittspunkt für das heimische Netzwerk bzw. die Anbindung des Internets aber auch erfolgen. In der Folge werden die Daten von Netzknoten zu Netzknoten weitergereicht, bis sie ihren finalen Netzknoten in Form eines Access-Points im Mesh-Netzwerk erreicht haben. Theoretisch kann dadurch auch die Datenlast besser verteilt werden, was in einem heimischen WLAN aber sicherlich nicht das Problem sein sollte. Hier spielt der einfache Erweiterbarkeit die wesentlich größere Rolle.

In der Folge wollen wir uns den Aufbau und die verschiedenen Topologien in der Praxis für ein solches Netzwerk einmal anschauen.

Der einfachste Aufbau besteht aus einem Router, der als Eintrittspunkt in das Mesh-WLAN dient. Daran angebunden ist ein Satellite. So sehen die meisten Mesh-Netzwerke zu Beginn aus und entsprechend sind auch die Hardware-Pakete der Hersteller ausgelegt. Die Organisation des Netzwerkes ist relativ einfach und auch das Routing an Daten erfolgt auch dem einfachsten denkbaren Wege.

Etwas komplizierter wird es, wenn man sich den Aufbau eines Mesh-Netzwerkes mit mehr als einem Satelliten anschaut. Praktisches Beispiel ist ein Haushalt, in dem sich der Eintritt in das Netzwerk am Router des Internets im Keller befindet. Von dort soll das Netzwerk über zwei oder drei Stockwerke verteilt werden. Über Satellite 1 und Satellite 2 geht es zu Satellite 3. Entsprechend erfolgt auch das Routing der Daten. Werden am Satellite 3 Daten aus dem Internet bezogen, müssen diese den Weg über Satellite 1 und 2 nehmen. Auch hier ist das Routing noch keine große Herausforderung.

Klar ist aber auch, Satellite 1 und 2 müssen aktiv sein, damit Satellite 3 seine Funktion erfüllen kann. Diest ist einer der Nachteile in einem Mesh-Netzwerk. Fallen Satellite 1 oder 2 aus, ist Satellite 3 vom Netzwerk getrennt. Außerdem verbrauchen Satellite 1 und 2 Energie, obwohl sie zunächst einmal nur als Brücke für Satellite 3 dienen. Befinden sich im WLAN von Satellite 1 und 2 aber ohnehin Endgeräte, müssen diese natürlich so oder so aktiv sein - das wird vermutlich meistens der Fall sein.

Etwas vom vorherigen Beispiel abgewandelt ist die dritte mögliche Konfiguration. Dabei überdecken sich einige der Mesh-Knoten deutlich stärker, was die Abdeckung des WLANs verbessert, das Netzwerk aber auch komplizierter macht. Daten an Satellite 4 können über Satellite 2 und 3 herangeführt werden. Als Brücke dient immer Satellite 1. Ob das Routing an Satellite 4 nun über Sattelite 2 oder 3 erfolgt, entscheidet das Mesh-Netzwerk selbstständig. Dies kann abhängig gemacht werden von der zur Verfügung stehenden Bandbreite über die unterschiedlichen Wege oder aber von den Latenzen.

Da es sich bei der erwähnten Hardware um solche für Endkunden handelt, hat der Nutzer darauf keinen Einfluss und kann dies meist auch nicht einsehen. Bei Profi-WLAN-Hardware kann dies anders aussehen.

Solche Netzwerke können auch noch beliebig komplexer werden. Dies ist im privaten Umfeld aber meist nicht der Fall, denn mit 3-4 Satelliten können schon mehrere Stockwerte und einige Quadratmeter gut abgedeckt werden.

Das Routing ist der Schlüssel

Für die Geschwindigkeit in einem solchen Mesh-Netzwerk gibt es verschiedene Faktoren. Der wichtigste ist natürlich die Hardware und der verwendete WLAN-Standard. Ob 4x4 Antennen mit kombinierten 867 MBit/s oder 6x6 Antennen mit kombinierten 1.733 MBit/s eingesetzt werden, macht natürlich einen großen Unterschied. Wir haben die verschiedenen Systeme einmal gegenübergestellt:

Gegenüberstellung der verschiedenen Systeme
Mesh-System dedizierte Backhaul-Verdindung Antennenkonfiguration Ethernet-Anschlüsse
ASUS Lyra Ja (WLAN: 867 MBit/s) 2x2 1x 1.000 MBit/s
AVM Mesh Nein (optional über PowerLine)
2x2 2x 1.000 MBit/s
Google WiFi Nein (optional über Ethernet) 2x2 2x 1.000 MBit/s
Netgear Orbi Ja (WLAN: 1.733 oder 867 MBit/s) 4x4 oder 2x2 3x oder 4x 1.000 MBit/s
Ubiquiti UniFi Mesh Ja (WLAN: 867 MBit/s)
6x6 Nein

Es gibt also große Unterschiede in der Funktionsweise. Während einige Systeme eine dedizierte Backhaul-Verbindung verwenden, nutzen andere einige der zur Verfügung stehenden WLAN-Kanäle dazu. Optional ist es bei einigen Systemen auch möglich ein Netzwerkkabel zu verwenden – zumindest dort, wo sich das Mesh auf diese Art und Weise sinnvoll erweitert werden kann. Auf dem Papier ist Netgear mit dem Orbi bei maximalen 1.733 MBit/s natürlich gut aufgestellt. Wie gut sich die unterschiedlichen Mesh-Systeme verhalten, schauen wir uns noch genauer an.

In diesem Artikel soll nun die Software und Funktionsweise des Routings aber die Hauptrolle spielen.

Einen einheitlichen Standard gibt es beim Routing bei den Mesh-Netzwerken nicht. Ziel eines Routing-Protokolls ist es immer, den möglichst besten Weg vom Quell- zum Zielknoten zu bestimmen. Dazu wurden unterschiedliche Metriken verwendet, auf die wir noch genauer eingehen wollen. Dies gilt für ein Routing von IPv6-Paketen im Internet ebenso wie für das Routing in einem Mesh-WLAN.

In Mesh-Netzwerken kann das Routing aber weitaus dynamischer sein, als dies üblicherweise der Fall ist. Satelliten können bewegt werden und damit ändert sich auch die Topologie. Außerdem kann es gerade im WLAN zu Interferenzen kommen, wenn beispielsweise der Nachbar sein WLAN verändert und damit das eigene Mesh-WLAN beeinflusst. Außerdem gibt es in Mesh-WLAN-Netzwerken keine zentrale Instanz für das Speichern von Routing-Tabellen, sondern die Knotenpunkte handeln dies immer neu aus.

Aber nun zu den verschiedenen Möglichkeiten zur Bestimmung des Routings:

Reaktive Verfahren:

Sollen Datenpakete übertragen werden, muss der bestmögliche Pfad zwischen den Knoten erst noch bestimmt werden. Über Kontrollpakete wird die bestmögliche Route bestimmt und die Nutzerdaten werden erst im Anschluss übertragen. Dies sorgt für eine gewisse Verzögerung, da die bestmögliche Route erst noch bestimmt werden muss.

Proaktive Verfahren:

Im Gegensatz zum reaktiven Verfahren wird beim proaktiven Verfahren ständig über Kontrollpakete die bestmögliche Route für die verschiedenen Übertragungswege bestimmt. Damit können die Nutzerdaten deutlich schneller übertragen werden, da nicht erst auf eine Bestimmung der Route gewartet werden muss. Dies bedeutet aber auch, dass ständig Kontrollpakete verschickt werden müssen, auch wenn über eine längere Zeit kein Datenverkehr übertragen werden muss.

Es gibt auch Mischformen beider Verfahren. Dabei werden Teile des Mesh-Netzwerkes über ein reaktives Verfahren betrieben und andere wiederum im proaktiven Verfahren.

Innerhalb der verschiedenen Verfahren spielen unterschiedliche Anforderungen eine Rolle zur Bestimmung der besten Route. Latenzen sind dabei ebenso von Bedeutung, wie die zur Verfügung stehende Bandbreite über unterschiedliche Wege oder aber aktuelle Auslastung bestimmter Bereiche des WLAN-Meshes.

Damit sollte die grundsätzliche Funktionsweise eines Mesh-WLANs verdeutlich worden sein. Die technischen Details lassen sich natürlich beliebig komplex beschreiben. Wer sich etwas genauer mit dem Thema beschäftigen möchte, kann dies natürlich bei der Wikipedia tun oder einem Podcast lauschen, der sich mit den verschiedenen RFCs (Request for Comments) des RIPE Network Coordination Centre beschäftigt. Inzwischen gibt es drei Beträge zu diesem Thema:

Ansonsten werden wir uns die verschiedenen Systeme der Hersteller noch einmal genauer anschauen. Dazu gehört das Netgear Orbi, Google WiFi, ASUS Lyra und AVM Mesh. Dabei soll es unter anderem darum gehen, wie einfach sich das Netzwerk aufbauen lässt und wie unterschiedlich schnell sie unter Praxisbedingungen sind. Die Basis dazu haben wir in Form der Theorie nun gelegt.

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