Der OpenWrt-Praktiker (eBook)

Kapitel 1

Mesh-WLAN

In einem WiFi-Mesh-Netzwerk besteht das Kernnetz aus Funkverbindungen. Drahtlose WiFi-Router verbinden sich dynamisch miteinander und leiten die Pakete ihrer Teilnehmer zielgerichtet vom Sender zum Empfänger.

Der klare Vorteil zur „klassischen“ Vernetzung liegt darin, dass das Mesh-Netz ohne LAN-Kabel auskommt. Damit kann das Mesh-Netz auch Lokationen erreichen, die per Kabel nur schwer zugänglich sind oder ein verlegtes Kabel mit hohen Kosten verbunden ist.

Seit 2012 regelt der Standard IEEE 802.11s das Miteinander in Mesh-Netzen und bringt damit die Geräte verschiedener Hersteller unter einen Hut. Zusätzlich dazu definiert der Standard ein Routingprotokoll, welches die Pfadentscheidungen der Mesh-Teilnehmer festlegt.

Dieses Kapitel baut ein kleines Mesh-Netz mit vier Teilnehmern auf. Nach der ersten Einrichtung vernetzen sich die WiFi-Router und erreichen über verschiedene Routingprotokolle ihre Endgeräte.

Grundlagen

Die drahtlosen Kernkomponenten eines Mesh-Netzes sind Mesh-Points (MP). Sie leiten Datenpakete von anderen Mesh-Points weiter und bilden so die Infrastruktur des Netzes. Den Zugang zum Mesh-Netz bildet ein Mesh-Accesspoint (MAP), der zusätzlich die Funktion des Accesspoints hat und damit für reguläre WiFi-Clients sichtbar ist. Die Clients verbinden sich mit dem Accesspoint und betreten damit (unbewusst) das Mesh-Netz. Wenn ein Mesh-Point Zugang zu einem anderen Netz hat, wird er zum Mesh Portal Point (MPP) und agiert als Gateway zwischen den beiden Netzen. Abbildung 1.1 zeigt die verschiedenen Rollen und das geplante Mesh-Netz.

Ein Mesh-Point kann ein OpenWrt-Router mit WiFi-Schnittstelle sein, aber auch ein Laptop mit mesh-fähigem WiFi-Adapter und der passenden Software.

Labor

Das verwendete Labor-Mesh-Netz aus Abbildung 1.1 verwendet vier Mesh-Points, von denen einer gleichzeitig als Mesh-Portal-Point den Zugang zum Internet darstellt und ein weiterer als Accesspoint arbeitet. Der Mesh-Accesspoint in Abbildung 1.1 hat zwei WiFi-Adapter und kann damit unterbrechungsfrei das Mesh und die WiFi-Clients aus Standort-2 bedienen. Der Mesh-Portal-Point hat einen Uplink ins Internet und stellt den Übergabepunkt dar.

Die Mesh-Router sind so platziert, dass sich alle Geräte per Funk direkt erreichen können, mit Ausnahme von Mesh2 und Mesh4. Die grauen Ovale um die einzelnen Geräte zeigen die gewollte Überlappung. Damit entstehen zwei mögliche Pfade von einem drahtlosen Client in Standort-2 zum Internet: via Mesh2, Mesh1 zu Mesh4 oder via Mesh2, Mesh3 zu Mesh4. Es wird Aufgabe des Routingprotokolls sein, den besten Pfad zu finden und zu verwenden.

Voraussetzung

Das 802.11s-fähige Mesh-Netz benötigt kompatible Mesh-Points. Das gilt für die verwendete WiFi-Hardware und für die Einstellungen von Mesh-ID und Kanal.

• WiFi-Adapter. Die verbaute WiFi-Schnittstelle und der verwendete Treiber müssen die Fähigkeit zum „meshen“ haben. Unter OpenWrt zeigt das iw-Kommando, ob der Netzadapter bereit für das Mesh ist:

root@mesh2:~# iw list

Wiphy phy0

[...]

[...]

• Mesh-ID. Die Mesh-ID ist die Kennung des Mesh-Netzwerks. Alle beteiligten Mesh-Points müssen dieselbe Mesh-ID verwenden. Damit hat die Mesh-ID die gleiche Funktion wie die SSID eines WiFi-Accesspoints.
• Kanal. Alle Mesh-Points müssen denselben Funkkanal belegen.
• Routingprotokoll. Obwohl der 802.11s-Standard ein Routingprotokoll mitbringt, gibt es mehrere gute Alternativen. Der Betreiber des Mesh-Netzes legt fest, welches Protokoll die Mesh-Points verwenden.
• Verschlüsselung. Die Verschlüsselung in Mesh-Netzen ist optional, muss aber einheitlich erfolgen. Es gelten dieselben Regeln wie bei der Mesh-ID und der Kanalwahl: Alle MPs verwenden dieselben Einstellungen.

Routingprotokoll

Das Routingprotokoll im Mesh-Netz hat die gleichen Aufgaben wie im kabelgebundenen Netz: Die Mesh-Points lernen sich gegenseitig kennen und erfahren von ihren verbundenen Clients. Damit kann jeder Mesh-Point die transportierten Pakete zielgerichtet weiterleiten und muss sie nicht ins Netz fluten.

In drahtlosen Netzen steht das Routingprotokoll vor weiteren Herausforderungen, dass sich das Netzwerk dynamisch verändert, die Verbindungen häufig asymmetrisch sind und ein unzuverlässiges Transportmedium benutzen. Für die Pfadentscheidung in Funknetzen kann das Routingprotokoll zusätzlich die Verbindungsqualität bewerten und damit Nachbarn mit guter Signalstärke bevorzugen.

Routingprotokolle arbeiten proaktiv, reaktiv oder beherrschen beide Formen. Bei der proaktiven Arbeitsweise baut der Router eine vollständige Routingtabelle und hat damit alle Informationen, bevor er sie tatsächlich braucht. Im reaktiven Modus informiert sich der Router nur bei Bedarf über den benötigten Pfad.

Beide Ansätze haben ihre Vorteile: Im proaktiven Modus müssen die IP-Pakete nicht „warten“, bis die Mesh-Points den Weg erfragt haben. Im reaktiven Modus spart der Mesh-Point Bandbreite und Leistung.

Tabelle 1.1 auf der nächsten Seite vergleicht Routingprotokolle, die im Verlauf dieses Kapitels näher untersucht werden. Zusätzlich dazu unterstützt OpenWrt die Protokolle Babel, cjdns und OSPF (vgl. Kap. 2).

Tabelle 1.1: Vergleich der bekannten Routingprotokolle für Mesh-Netze

HWMP

Das Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP) ist das „eingebaute“ Routingprotokoll. Ohne weitere Konfiguration verwenden die Mesh-Points HWMP und finden damit den richtigen Pfad durch das Netz. Der Vorteil vom HWMP liegt darin, dass jeder 802.11s-kompatible Mesh-Router das Protokoll versteht, da es fester Bestandteil des IEEE-Standards ist.

Unter OpenWrt läuft HWMP direkt im Linux-Kernel und benötigt kein zusätzliches Softwarepaket. Feintuning am Protokoll erlaubt OpenWrt über das iw-Kommando.

HWMP eignet sich für kleine Mesh-Netze, oder wenn die eingesetzten Geräte keinen Platz für ein zusätzliches Routingprotokoll haben.

OLSR

Wenn HWMP im eigenen Mesh nicht ausreicht oder ungünstige Pfadentscheidungen trifft, kann das Optimized Link State Routing-Protokoll (OLSR) aushelfen. OLSR ist spezialisiert auf Funknetze und arbeitet proaktiv. In diesem Modus kennt jeder Mesh-Point das gesamte Netz und benötigt daher entsprechend viel Arbeitsspeicher für die Routingtabelle und CPU-Leistung für deren Berechnung.

OLSR ist eins der ersten Routingprotokolle für Mesh-Netze. Seit Version 1 aus dem Jahr 2003 hat das Protokoll an Stabilität gewonnen und verwendet in der neueren Version die Verbindungsqualität für Pfadentscheidungen. OLSR ist nicht auf Mesh-Netze beschränkt und funktioniert auch in kabelgebundenen Ethernetsegmenten.

OpenWrt bietet Softwarepakete für beide OLSR-Versionen. Die Implementierung olsrd lässt sich per LuCI und UCI konfigurieren, ist vielseitig via Plug-ins erweiterbar und orientiert sich an OLSR-Version 1.

B.A.T.M.A.N.

Das Projekt Better Approach To Mobile Adhoc Networking (BATMAN) entstand aus den Nachteilen von OLSR und dem Wunsch nach einem effizienteren Routingprotokoll für Mesh-Netze.

Genau wie OLSR kommunizieren bei BATMAN die Mesh-Points miteinander und lernen sich kennen. Die erste Version von BATMAN arbeitet proaktiv auf Ebene 3 des OSI-Modells und lässt die Mesh-Points per IP-Paketen kommunizieren. Mit diesem Ansatz ergibt sich noch nicht die gewünschte...