IEEE 802.11s / Wireless Mesh Network (WMN)

IEEE 802.11s ist ein Standard für ein WLAN 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. Auf diese Weise wird die Reichweite einer Funkzelle vergrößert.
Mesh-Network-fähige Endgeräte verbessern die Übertragungsrate und die Netzabdeckung der bestehenden Access-Point-Infrastruktur. Zumindest theoretisch kann ein Mesh-WLAN einen allgegenwärtigen WLAN-Zugang möglich machen. Dazu ist nur ein einziger Access Point nötig, der eine Verbindung ins Internet haben muss.

Es gibt zwar schon im Basisstandard 802.11 das Wireless Distribution System (WDS), doch das lässt viele Fragen offen und funktioniert häufig nur mit den Geräten eines Chipsatz- oder Geräte-Herstellers. Mit IEEE 802.11s wird die drahtlose Vernetzung großer Flächen mit WLAN einfacher.

Der OLPC-Laptop (One Laptop per Child) ist die erste Implementierung von IEEE 802.11s für Mesh-Networking im großen Stil.

Merkmale von IEEE 802.11s

Grundlagen: Wireless Mesh Networks (WMN)

Wireless Mesh Networks (WMN)
In einem normalen WLAN kommunizieren die WLAN-Clients immer nur mit dem 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 dienen Handys, PDAs und Notebooks.

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 nehmen zu und das Zugriffsverfahren gerät an seine Grenzen.

Mesh Network auf Basis von IEEE 802.11s

Herkömmliche Mesh-Verfahren für WLANs routen die Datenpakete auf IP-Ebene. Ein IP-Routing-Algorithmus, der einem WLAN übergestülpt ist, stößt sehr schnell an Performance-Grenzen. IEEE 802.11s verschiebt das Routing auf die MAC-Ebene. Das bedeutet, bei Mesh-WLANs mit IEEE 802.11s findet das Routing auf Schicht 2 (MAC-Ebene) des OSI-Schichtenmodells statt und nicht auf Schicht 3, wie es bei IP-Routing üblich ist. Beim Mesh-Routing leiten die vermaschten Access Points die Datenpakete nur in die Richtung des Empfängers weiter. Das Routing erfolgt mit dem Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP), wobei auch andere Protokolle möglich sind.

Um das Zwischenspeichern zu vermeiden, nutzt IEEE 802.11s EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) für den Kanalzugriff. EDCA ist Bestandteil von IEEE 802.11e.
Um den Kanalzugriff noch effektiver zu gestalten, besitzen die meisten 802.11s-fähigen Basisstationen zwei Funkmodule. So ist es möglich, dass Client- und Mesh-Network-Verkehr in unterschiedlichen Kanälen übertragen werden.
Besser ist MDA (Mesh Deterministic Access). Das ist ein Medienzugriffsverfahren, dass ähnlich wie das Distributed Reservation Protocol von WiMedia arbeitet. MDA ist aber nur als Option vorgesehen.

11s-Mesh-Access-Points verbinden sich automatisch zu einem Funknetz. Sie müssen nur eine gemeinsame Mesh-ID haben und den gemeinsamen Funk-Kanal kennen. Darüber bauen sie die Peer-Links auf, über die die gerouteten Daten übertragen werden.
Für einen WLAN-Client sieht ein Mesh-WLAN wie ein herkömmliches WLAN aus. Da alle Access Points über die gleiche ESSID verführen, können sich die Clients im Funkbereich der Access Points frei bewegen. Bei schlechtem Empfang kann sich ein Client in einen anderen Access Point einbuchen, der einen besseren Empfang bietet.

Mesh-Network-Architektur von IEEE 802.11s

Mesh-Network-Architektur von IEEE 802.11s
Pinzipiell kennen Mesh-WLANs keinen Masterknoten. Sie verwalten sich selbst. Jeder Access Point baut automatisch eine Verbindung zu den in Funkreichweite stehenden Knoten auf. Dabei gehen die Access Points unterschiedliche Rollen ein.

Mesh-Access-Points (MAP) und Mesh-Points (MP) arbeiten auf unterschiedlichen Ebenen. WLAN-Clients können von einem MAP aus keinen MP erreichen. Umgekehrt von einem MP keinen MAP. In einem Netz aus MPs und MAPs leiten die Mesh-Points (MPs) ausschließlich Datenpakete weiter.
Einen Zugang zu anderen Netzen erhalten WLAN-Clients nur dann, wenn das Mesh-Point-Portal (MPP) auch ein Mesh-Access-Point (MAP) ist.

Verschlüsselung

WLANs nutzen WPA2 nur Absicherung des Netzwerks und der Datenübertragung. Bei Mesh-WLANs fehlt jedoch die übliche Hierarchie aus Authenticator (Beglaubiger) und Supplicant (Antragsteller). Deshalb müssen die Mesh-Points sich gegenseitig authentifizieren. Das bedeutet, sie durchlaufen die Prozedur einmal in jeder Rolle. Zur Authentifizierung kann ein zentraler Radius-Server (IEEE 802.1x) dienen oder ein Passwort (Pre-shared Key, PSK) verwendet werden.