Was ist ein IoT -Mesh-Netzwerk? Und wie können Sie es nutzen?
Mesh-Netzwerke verändern die Art und Weise, wie IoT Geräte vernetzt werden. Hier finden Sie alle wichtigen Informationen und können herausfinden, ob es die richtige Lösung für Sie ist.
Was ist ein Mesh-Netzwerk?
Ein Mesh IoT Netzwerk ist eine lokale Netzwerkarchitektur, in der Geräte direkt und nicht-hierarchisch miteinander verbunden sind, um Daten im Netzwerk zu leiten. Die Geräte in einem Mesh-Netzwerk kommunizieren gemäß einem vordefinierten Protokoll, das es jedem Gerät ermöglicht, an der Datenübertragung im Netzwerk teilzunehmen.
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Mesh-Netzwerke werden üblicherweise, aber nicht ausschließlich, für IoT Anwendungen wie industrielle Automatisierung und intelligente Messsysteme eingesetzt. Alle Geräte in einer Mesh-Topologie arbeiten zusammen, um Daten über die verschiedenen Komponenten im Netzwerk zu verteilen.
Hauptkomponenten IoT Mesh-Netzwerken
Ein IoT -Mesh-Netzwerk besteht aus drei Hauptkomponenten: dem gateway, dem Repeater und den Endpunkten.
Gateway
Gatewaysind Geräte, die das Mesh-Netzwerk mit dem Internet verbinden. Gatewayermöglichen es Netzwerkknoten, sich mit Systemen außerhalb des Netzwerks zu verbinden und mit diesen zu interagieren.
Repeater
Repeater erfassen Daten im Netzwerk und leiten sie an die Endpunkte weiter. Sie spielen in jedem Mesh-Netzwerk eine entscheidende Rolle, da sie es jedem Knoten ermöglichen, Nachrichten zu empfangen, unabhängig von seiner Entfernung zum gateway. Aus diesem Grund sind Repeater in jeder Netzwerktopologie so ausgelegt, dass sie permanent aktiv sind.
Endpunkte
Endpunkte sind Geräte, die Daten von Repeatern empfangen. Sie müssen sich nicht mit anderen Elementen in einem Mesh-Netzwerk vernetzen und können daher passiv bleiben, wenn sie nicht verwendet werden.
Mesh-Infrastrukturen nutzen verschiedene Protokolle zur Datenübertragung. Die gängigsten sind im Folgenden aufgeführt.
IoT Mesh-Netzwerkprotokolle
Wirepas ist ein Netzwerkprotokoll, mit dem alle Geräte in einem Netzwerk Daten lokal und homogen routen können, abhängig von den aktuellen Funkbedingungen. Dieses Protokoll ermöglicht den Anschluss einer unbegrenzten Anzahl von Wirepas-fähigen Geräten an ein einziges Netzwerk.
Eine typische Wirepas-Netzwerkarchitektur ist vollständig dezentralisiert. Sie eignet sich effizient für IoT Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Sie kann neben verschiedenen System-on-Chip (SoC)-Anwendungen auch auf Standard-LPWA-Funktechnologien wie Bluetooth Low Energy basieren
Auf der Wirepas-Website finden Sie ein vollständiges Verzeichnis der Partnerprodukte , darunter auch Produkte unseres Partners Rigado .
ZigBee-Mesh-Topologie
ZigBee ermöglicht die Datenübertragung über große Entfernungen zwischen miteinander verbundenen ZigBee-fähigen Geräten. Diese Netzwerkarchitektur besteht aus drei Knotentypen: Koordinatoren, Routern und Endgeräten. Ein einzelner Koordinator bildet das Netzwerk und steuert den Datenverkehr. Ein ZigBee-Router fungiert als Zwischenknoten, der Daten von anderen Geräten im Netzwerk weiterleitet. Router können auch Endgeräte sein und befinden sich nie im Ruhemodus.
Endgeräte kommunizieren entweder mit dem Koordinator oder den Routern . Endgeräte in einem ZigBee-Netzwerk können in den Energiesparmodus wechseln und sind dadurch besonders energieeffizient. In einem ZigBee-Netzwerk kann jeder Koordinator oder Router bis zu 20 Endgeräte versorgen.
Das ZigBee-Protokoll ermöglicht die Interoperabilität zwischen zahlreichen kommerziellen Anbietern. DIGI ist ein gutes Beispiel für einen Anbieter von ZigBee-Chipsätzen , die in vielen IoT Produkten verbaut sind, die Sie wahrscheinlich bereits verwendet haben oder verwenden möchten.
Google Thread Mesh-Netzwerk
Googles Thread- Mesh-Netzwerk ist ein Protokoll, das Geräte nahtlos und ohne Single Point of Failure verbindet. Fällt ein Gerät aus, konfiguriert sich das Thread-Netzwerk automatisch neu. Das Netzwerkprotokoll wurde für die universelle Vernetzung von Smart-Home-Geräten entwickelt.
Thread unterscheidet sich von anderen Protokollen wie ZigBee und Z-Wave dadurch, dass seine Netzwerke kein Hub-Gerät benötigen. Die offene, herstellerunabhängige und interoperable Technologie basiert auf offenen Standards wie IPv6 und 6LoWPAN.
Obwohl Thread bei mehreren Herstellern an Bedeutung gewonnen hat, ein kurzer Blick auf die zertifizierten Produkte , dass der Fokus eher auf Unterhaltungselektronik liegt und es nur sehr wenige kommerzielle – nicht industrielle – Anwendungsfälle gibt.
Davon abgesehen werden Sie selten auf die Notwendigkeit stoßen, Thread in einem industriellen gateway oder Gerät zu verwenden.
Bluetooth Mesh
Bluetooth Low Energy Mesh-Netzwerke sind ein Protokoll, das auf dem Flooding-Verfahren basiert. Wie der Name schon sagt, ist diese Technologie für energiesparende, drahtlose Mesh-Netzwerke konzipiert, die ein hohes Volumen an Multicast-Datenverkehr übertragen. Dies geschieht durch die Verwendung bestimmter Geräte im Netzwerk als Relays.
Geräte in einem Bluetooth Low Energy-Netzwerk kommunizieren über Nachrichten, die mittels eines Publish/Subscribe-Mechanismus über bis zu 127 Zwischenstationen weitergeleitet werden können.
Im Gegensatz zu anderen drahtlosen Mesh-Netzwerktechnologien mit geringem Stromverbrauch ist Bluetooth Mesh eine vollständige Komplettlösung , die alles von der physikalischen Funkschicht auf niedriger Ebene bis hin zur Anwendungsschicht auf hoher Ebene definiert:
Obwohl BLE in der Unterhaltungselektronik sehr beliebt ist (wir alle haben doch Bluetooth-fähige Handys in der Tasche, oder?), haben einige Anbieter von kommerziellen und industriellen IoT Lösungen wie Minew , Rigado und EnOcean IoT Sensorknoten anzubieten
Vorteile der Verwendung von Mesh-Netzwerken
Mesh-Netzwerke bieten eine Reihe von Vorteilen, die in anderen Netzwerk-Topologien nicht zu finden sind. Einige davon sind im Folgenden aufgeführt:
Echte Drahtlosverbindung
Mesh-Netzwerke übertragen Nachrichten mithilfe des Flooding- oder Routing-Verfahrens. Beim Flooding wird sichergestellt, dass Daten über alle ausgehenden Verbindungen gesendet werden, außer über diejenigen, die dieselben Daten empfangen. Dadurch wird das Netzwerk mit Informationen „überflutet“.
Durch Routing werden Daten über verschiedene Netzwerkknoten geleitet, bevor sie ihr endgültiges Ziel erreichen. So kann jeder Netzwerkknoten die Daten je nach verfügbarer Geschwindigkeit und Sicherheit über einen geeigneten Pfad weiterleiten.
Effiziente Wartung
Mesh-Netzwerke sind einfach zu installieren und zu warten. Neue Sensoren müssen nicht vorab eingerichtet werden. Jeder hinzugefügte Knoten kann sich selbst kalibrieren und automatisch mit dem Netzwerk verbinden.
Wenn Sie einen drahtlosen Knotenpunkt physisch mit einem Netzwerkanschluss, beispielsweise einem Router, verbinden, werden die ihm nächstgelegenen Netzwerkknotenpunkte mit dem Internet verbunden. Dieser Vorgang wird für weitere Knotenpunkte wiederholt, bis das gesamte Netzwerk verbunden ist.
Mit einem solchen Mechanismus lassen sich viel Zeit und Geld bei der Wartung des Netzwerks sparen.
Erweiterter Konnektivitätsbereich
Falls Ihr IoT Projekt nicht mit Verbindungsmethoden wie Wi-Fi und Bluetooth funktioniert, kann ein Mesh-Netzwerk die drahtlose Reichweite unterstützen und erweitern.
Herkömmliche WLAN-Signale verlieren mit zunehmender Entfernung vom Router oder der Quelle an Stärke. Mesh-Netzwerke hingegen nutzen mehrere Signale, die über das gesamte System verteilt sind.
Da alle Netzwerkknoten mit dem System verbunden sind, wird der Knoten mit der stärksten und sichersten Verbindung genutzt. Dadurch können die anderen Knoten in den Ruhemodus wechseln. Fällt ein Knoten aus, hat dies zudem keine Auswirkungen auf das restliche System.
Mesh-Netzwerke bieten daher eine größere Reichweite für Systeme, die entweder keine Konnektivität wie Wi-Fi unterstützen oder sich an Orten befinden, die diese nicht unterstützen.
Selbstheilungsalgorithmen
Ein wichtiges Kennzeichen des Routing-Verfahrens ist die Selbstheilungsfunktion der Algorithmen . Das bedeutet, dass sich das Netzwerk neu konfiguriert, wenn ein Pfad ausfällt.
Shortest Path Bridging beispielsweise nutzt Algorithmen, die bei Verbindungsverlust eines Knotens schnell den kürzesten Weg für die Datenübertragung auswählen. Dadurch bleibt das gesamte Netzwerk stabil, da die Algorithmen stets nur die verfügbaren Knoten verwenden.
Nachteilig ist jedoch, dass das System seine Ressourcen einsetzen muss, um den defekten Knoten – ein zeitaufwändiger Prozess.
Herausforderungen beim Aufbau eines Mesh-Netzwerks und Möglichkeiten, diese zu bewältigen
Auch wenn das Ziel der oben genannten Protokolle darin besteht, so viel Komplexität wie möglich zu abstrahieren, gibt es dennoch einige Hürden, auf die Sie beim Aufbau eines IoT-Mesh-Netzwerks stoßen können:
1. Hohe Intelligenz der Knoten
Mesh-Netzwerke sind auf hohe Effizienz ausgelegt. Idealerweise sollte man Leistungsberichte von einzelnen Knoten erhalten. Darüber hinaus kann es schwierig sein, jeden Knoten Informationen über benachbarte Knoten sammeln zu lassen, die Routenberechnung zu verstehen und die Route anzupassen, falls ein Knoten nicht reagiert.
2. Lastverteilung
Die Netzwerkleistung sinkt üblicherweise, wenn große Datenmengen über eine lange Route übertragen werden. Um dem entgegenzuwirken, ist eine Lastverteilung erforderlich. Diese optimiert die Antwortzeiten und verteilt die Last gleichmäßig auf die Knoten.
3. Routenmanagement
Beim Betrieb eines Mesh-Netzwerks müssen die Datenrouten ständig aktualisiert werden. Dies ist notwendig, da sich Knoten ohne Vorwarnung mit dem Netzwerk verbinden und wieder trennen können. Außerdem müssen Daten gegebenenfalls erneut gesendet werden, falls sie das IoT gatewaynicht erreichen.
Ein Mesh-Netzwerk muss zudem in der Lage sein, bestehende Routen zu unterbrechen, falls kein IoT gateway verfügbar ist. Andernfalls wird viel Energie verschwendet, da verbundene Geräte weiterhin Daten ohne erkennbaren Zweck senden.
4. Stromverbrauch
Für die ordnungsgemäße Wartung eines Mesh-Netzwerks benötigen Sie eine speziell angefertigte CPU, die die Software ausführen kann, welche die Knoten des Mesh-Netzwerks und die Logik der Kanalzugriffsmethoden steuert.
Die ideale CPU muss effizient und gleichzeitig energieeffizient sein. Dies stellt eine gewisse Herausforderung dar, da es keinen allgemeinen Standard für Mesh-Netzwerkkommunikation gibt.
Ist ein Mesh-Netzwerk eine gute Lösung für Ihr Unternehmen?
Ein Mesh-Netzwerk ist eine hervorragende Netzwerklösung für Ihr Unternehmen. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig und zielen alle auf effiziente Konnektivität ab.
Beispielsweise können medizinische Geräte enorm von Mesh-Netzwerken profitieren. Die selbstheilenden Algorithmen können ein defektes medizinisches Gerät schnell erkennen, es automatisch wieder verbinden und so einen großflächigen Netzwerkausfall verhindern.
Wenn Ihr Unternehmen stark auf Konnektivität angewiesen ist, ist ein Mesh-Netzwerk die naheliegende Lösung. Neben einer effizienten Netzwerkverwaltung gewährleistet die Topologie Ausfallzeiten durch unterbrochene Computer oder Sensoren.
Ursprünglich veröffentlicht am 13. Oktober 2021
Häufig gestellte Fragen
Ist LoRaWAN ein Mesh-Netzwerk?
LoRaWAN basiert traditionell auf einer Sternnetzwerktopologie. Dabei senden die Endgeräte Daten über ein oder mehrere gatewayan einen zentralen Server. In einem LoRaWAN-Netzwerk arbeiten alle Geräte asynchron und senden Daten nur dann, wenn diese verfügbar sind.
Wenn Sie jedoch die Sicherheit und Reichweite eines LoRaWAN-Netzwerks erhöhen möchten, können Sie es als Mesh-Netzwerk konfigurieren.
Was ist ein IoT Netzwerk?
Das Internet der Dinge (IoT) ist ein vernetztes System von Alltagsgegenständen, die mithilfe von Sensoren, spezieller Software und entsprechenden Technologien drahtlos Daten über das Internet senden und empfangen. Während die meisten Geräte drahtlos über Technologien wie LTE, Bluetooth und WLAN kommunizieren, nutzen einige stationäre Geräte auch Ethernet.
Ist Mesh besser als WLAN?
Durch die Art und Weise, wie Geräte in einem Mesh-Netzwerk verbunden werden, profitieren Sie von einer besseren Leistung und weniger Netzwerkengpässen als bei WLAN. Mesh-Konnektivität bietet höhere Geschwindigkeiten, bessere Zuverlässigkeit und eine größere drahtlose Abdeckung in Ihrem Zuhause als herkömmliches WLAN.
Was ist ein Mesh- gateway?
Dies ist ein Gerät, das das Mesh-Netzwerk mit dem globalen Internet verbindet.
