Mesh-WLAN (Wireless Mesh Network)

Was ist ein Mesh-WLAN (Wireless Mesh Network)?

Ein Wireless Mesh Network (WMN) ist ein vermaschtes Netzwerk, das durch die Verbindung von  AP-Knoten (Wireless Access Points) entsteht, die an den Standorten der einzelnen Netzwerkbenutzer installiert sind. Die Netzwerkinfrastruktur ist dezentralisiert und vereinfacht, da jeder Knoten nur bis zum nächsten Knoten übertragen muss. WMNs können je nach Installation mit dem Internet verbunden sein oder nicht.

Mesh-Netzwerke lassen sich für jede Anwendung verwenden, bei der die Endknoten des Netzwerks zu weit voneinander entfernt sind, um einen direkten Zugriff auf einen zentralen Standort, zum Beispiel eine Internetverbindung, zu ermöglichen. Im gesamten Netzwerk kann jedes Netzwerkprotokoll verwendet werden.

WLAN/Wi-Fi wird häufig für Heim- oder Büronetzwerke verwendet, kann aber Nachteile wie hohen Stromverbrauch und begrenzte Reichweite haben. Zwei beliebte Kurzstreckenprotokolle für Maschennetzwerke sind Bluetooth und Zigbee. Sie verbrauchen weniger Strom als WLAN und werden verwendet, um Geräte zu verbinden, die über einen längeren Zeitraum mit Batterien betrieben werden müssen. Bei größeren Entfernungen zwischen den Knoten müssen die Netzwerkadministratoren die Knoten möglicherweise mit Netzwerktechnologien verbinden, die dieses Distanzen überbrücken können.

Wie funktionieren Wireless-Mesh-Netzwerke?

Drahtlose Mesh-Netzwerke funktionieren wie folgt über Mesh-Knoten, Mesh-Clients und Gateways:

• Mesh-Knoten: Diese drahtlosen AP-Geräte mit mehreren Funksystemen fungieren als Mesh-Router und Endpunkte. Ihre Firmware ermöglicht es ihnen, Daten mit anderen Knoten im Netzwerk auszutauschen.
• Mesh-Clients: Dazu gehören drahtlose Geräte wie Notebooks, Mobiltelefone, Drucker, Fernseher, Sicherheitssysteme und Tablet-Computer.
• Gateways: Diese Knoten verbinden zwei Netzwerke, die unterschiedliche Protokolle verwenden. Daten werden durch das Gateway geleitet, wenn sie in ein Netzwerk eintreten oder es verlassen.

Jeder Knoten in einem WMN hat mindestens einen Pfad (oft aber mehrere) zu anderen Knoten, wodurch mehrere Informationswege für Benutzerpaare entstehen. Dadurch wird das Netzwerk widerstandsfähiger, und bei Ausfall eines drahtlosen AP oder einer Verbindung können Informationen weiterhin auf andere Knoten zugreifen, da sie über einen alternativen Pfad umgeleitet werden können, ohne dass der Dienst unterbrochen wird.

Die Netzwerktopologie eines drahtlosen Mesh-Netzwerks kann vollständig oder teilweise vermascht sein. Bei einem Full-Mesh-Netzwerk kommuniziert jeder Knoten mit jedem anderen Knoten. In einer partiellen Mesh-Topologie kommunizieren die Knoten nur mit nahe gelegenen Knoten. Wenn Daten zwischen zwei Knoten übertragen werden, die nicht miteinander kommunizieren, hüpfen die Daten von einem Knoten zum nächsten, bis sie den Client erreichen. Die Knoten sind so programmiert, dass sie adaptive Routing-Algorithmen verwenden, um ständig die optimale Route zwischen den Knoten für die Datenübertragung zu ermitteln.

In einem Wireless Mesh Network empfängt jeder Knoten Daten von einem anderen Knoten und leitet sie an den nächsten weiter. Das daraus resultierende Netzwerk zwischen verbundenen Geräten wird oft als Mesh-Cloud bezeichnet. Je mehr Knoten vorhanden sind, desto größer ist die Reichweite des Netzwerks, mit dem sich die Mesh-Client-Geräte für das Internet verbinden können. Nur ein Knoten muss als Gateway zum und vom Internet fungieren, um eine Verbindung herzustellen.

Wofür werden Mesh-WLANs verwendet?

Drahtlose Mesh-Netzwerke werden in der Regel in Umgebungen eingesetzt, in denen die Verwendung herkömmlicherer Netzwerkverbindungsoptionen, wie zum Beispiel kabelgebundenes Ethernet, nicht praktikabel ist. In Bezug auf Durchsatz und Zuverlässigkeit kann eine drahtlose Verbindungsoption nicht mit den höheren Geschwindigkeiten und der Leistung eines kabelgebundenen Netzwerks mithalten, bietet jedoch mehr Flexibilität und ist kostengünstiger sowie schneller zu implementieren.

Typische Anwendungsfälle für Mesh-WLANs und drahtlose Ad-hoc-Netzwerke, die für temporäre Zwecke eingerichtet werden können, sind unter anderem:

• WLAN im ganzen Haus und Smart-Home-Geräte: Es ist in der Regel unpraktisch, Wände und Böden aufzureißen, um überall im Haus Ethernet-Kabel zu verlegen. In diesem Szenario wird das zentrale Internet-Gateway in einem Schrank oder an einem anderen geschützten Ort installiert und mit drahtlosen Zugangspunkten im ganzen Haus verbunden. Auf diese Weise ist das Internet von jedem Raum aus universell zugänglich. Kameras, intelligente Lautsprecher, Thermostate, Haushaltsgeräte und andere WLAN-Geräte erhalten alle eine gleichmäßige und starke Signalabdeckung. Das Smart Home ist ein wichtiger Teil des Internets der Dinge (IoT), in dem Geräte und Anwendungen häufig über ein Smartphone gesteuert werden.
• Öffentlicher WLAN-Zugang: Städte, Gemeinden, Krankenhäuser und andere Einrichtungen stellen Internetnutzern in öffentlichen Bibliotheken, städtischen und kommunalen Gebäuden sowie Arztpraxen häufig einen kostenlosen WLAN-Zugang zur Verfügung.
• WLAN und Netzwerke an temporären Standorten: WMNs eignen sich für Standorte, an denen für einen begrenzten Zeitraum eine Netzwerkinfrastruktur benötigt wird. Beispielsweise nutzen Bauteams WLAN, um Baustellen zu überwachen und Arbeiten in den oberen Stockwerken hoher Gebäude oder in schwer zugänglichen Bereichen zu verfolgen.
• Verbindung von IoT-Geräten: WMNs verbinden IoT-Geräte wie Sensoren, Sicherheitssysteme, intelligente Geräte und Überwachungssysteme. Dieses Netz von Geräten kommuniziert und tauscht Daten über eine drahtlose Verbindung aus, was eine automatisierte Steuerung und Fernüberwachung ermöglicht.
• Aufbau von Netzen in Entwicklungsländern: Wi-Fi wird effektiv in unterentwickelten Ländern mit begrenzter Kommunikationsinfrastruktur eingesetzt, die weit vom Netz der Internet Service Provider (ISP) mit Hochgeschwindigkeitsverbindungen entfernt sind. Es wird auch in abgelegenen Gebieten eingesetzt, die von Katastrophen betroffen sind und in denen Rettungskräfte Zugang haben und koordiniert werden müssen.

Erweiterte Einsatzmöglichkeiten von Mesh-WLAN

Viele WLAN-Initiativen der letzten Jahre haben die Voraussetzungen für die Ausweitung von Mesh-WLAN auf die folgenden neuen Anwendungsbereiche geschaffen:

• In der Versorgungswirtschaft installieren Strom- und Gasversorger intelligente Zählerablesegeräte, damit Techniker nicht mehr vor Ort gehen müssen, um den Energieverbrauch manuell abzulesen. Hausbesitzer und Versorgungsunternehmen nutzen Energieüberwachungssysteme für den Haushalt, um festzustellen, wo Energie verbraucht wird und wie sie effizienter genutzt werden kann.
• Im Gesundheitswesen ermöglichen Geräte, die von Patienten getragen oder in deren Wohnungen installiert werden, dem Pflegepersonal, den Gesundheitszustand der Patienten zu überwachen. WLAN-Netze, die für die Sicherheit im Haushalt entwickelt wurden, können auch erkennen, ob eine ältere Person einen Herd eingeschaltet oder vergessen hat, ihn auszuschalten.
• In der Satellitenkommunikation wird WLAN in Satellitenkonstellationen für Peer-to-Peer-Verbindungen eingesetzt, um Ausfallsicherheit und optimale Leistung zu gewährleisten.
• Bei Feldeinsätzen von Militär, Bergbau und Vermessung ermöglicht WLAN die Kommunikation vor Ort und den Einsatz von Drohnen.

Welche Vorteile bietet ein Mesh-WLAN?

Im Vergleich zu herkömmlichen Wi-Fi-Routern bieten Wireless Mesh-Netzwerke unter anderem folgende Vorteile:

• Für die Internetverbindung muss nur ein Knoten im Netzwerk physisch verkabelt sein.
• Sie bieten eine kollaborative, redundante Backup-Technologie, die die Datensicherheit im Falle eines Festplattenausfalls gewährleistet.
• Sie lassen sich dynamisch für die Geschwindigkeit konfigurieren.
• Sie verbrauchen weniger Strom.
• Sie bieten eine höhere Zuverlässigkeit, da jeder Knoten mit mehreren anderen Knoten verbunden ist und seine Nachbarn bei einem Ausfall eines Knotens im Netzwerk einfach eine andere Route finden.
• Wireless Mesh-Netzwerke verwenden die gleichen Standards wie die meisten WLAN-Netzwerke.
• Sie sind skalierbar, da es in der Regel einfach ist, dem Netzwerk Knoten hinzuzufügen
• Sie können im Gegensatz zu Wi-Fi Range Extendern WLAN-Mesh-Netzwerke zu Hause effektiv abdecken, ohne die Bandbreite zu verringern.

Welche Nachteile hat ein Mesh-WLAN?

Der Einsatz eines drahtlosen Mesh-Netzwerks hat auch Nachteile:

• Bei Netzwerken mit geringer Verarbeitungskapazität kann es zu größeren Latenzzeiten kommen, da die Daten oft mehrere Knotenpunkte durchlaufen müssen.
• Das Fehlen eines zentralen Servers kann die Überwachung, Steuerung und Fehlerbehebung von Mesh-Systemen komplizierter machen.
• Durch die fehlende Zentralisierung können die Routing- und Ressourcenverwaltungsprozesse komplexer sein als bei anderen Arten von drahtlosen Netzwerken.
• Die anfängliche Einrichtung des Netzwerks kann kompliziert sein, da die ideale Platzierung der Knoten an verschiedenen Punkten in der Umgebung wahrscheinlich einige Versuche und Fehler erfordert.
• Für Privathaushalte können Knotengeräte unwirtschaftlicher sein als herkömmliche Router/Modem-Wi-Fi-Netzwerke.
• Mesh-Netzwerke erfordern eine Breitbandverbindung mit hoher Geschwindigkeit. Dies macht sie oft für ländliche und unterentwickelte Gebiete ungeeignet.

Netzwerkadministratoren können WLAN-Meshs für verschiedene Anwendungen nutzen, da sie unabhängig vom Netzwerktyp sind. Der Netzwerkbetrieb bleibt gleich, unabhängig davon, ob eine Nahbereichsnetzwerktechnologie die Knoten verbindet oder eine Fernbereichstechnologie Knoten unterstützt, die weiter voneinander entfernt sind. Daher können Administratoren Mesh-Netzwerke schnell aktualisieren, wenn sie neue oder verbesserte drahtlose Technologien einführen.

Mesh-WLAN vs. Wi-Fi Extender

Wi-Fi-Extender oder WLAN-Repeater reduzieren oft die Internetgeschwindigkeit und erhöhen die Latenz. Mesh-WLAN hingegen sorgt für eine gleichmäßigere Abdeckung und vermeidet die typischen Bandbreitenverluste von Repeatern. Wer sich also ein stabiles WLAN-Netz ohne Funklöcher wünscht, sollte auf Mesh-WLAN setzen.

Ein wesentlicher Unterschied liegt in der Funktionsweise: Während WLAN-Extender lediglich das Signal eines vorhandenen Routers verstärken, bilden Mesh-Systeme ein eigenständiges, intelligentes Netzwerk, das sich selbst optimiert. Zudem müssen sich Geräte bei Extendern oft neu verbinden, wenn sie sich im Haus bewegen. Bei einem Mesh-Wi-Fi-System entfällt dieser Wechsel, da alle Knoten unter derselben SSID arbeiten.

Lesen Sie mehr über die vier Haupttypen von drahtlosen Netzwerken und wie WLANs, Personal Area Networks (PAN), Metropolitan Area Networks (MAN) und Wide Area Networks (WAN) miteinander verglichen werden.

Dieser Artikel wurde von der ComputerWeekly-Redaktion aktualisiert, um Branchenveränderungen widerzuspiegeln und das Leseerlebnis zu verbessern.