Was ist ein IoT Mesh-Netzwerk? Und wie Sie es nutzen können
Was ist ein Mesh-Netzwerk?
Ein Mesh- IoT Netzwerk ist eine lokale Netzwerktopologie, bei der Geräte direkt und nicht hierarchisch verbunden sind, um Daten über das Netzwerk weiterzuleiten. Die Geräte in einem Mesh-Netzwerk kommunizieren nach einem vordefinierten Protokoll, das es jedem Gerät ermöglicht, an der Datenübertragung im Netzwerk teilzunehmen.
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Mesh-Netzwerke werden normalerweise, aber nicht immer, für IoT -Anwendungen wie industrielle Automatisierung und Smart Metering verwendet. Alle Geräte in einer Mesh-Topologie arbeiten zusammen, um Daten auf die verschiedenen Komponenten im Netzwerk zu verteilen.
Hauptkomponenten IoT Mesh Networking
Ein IoT Mesh-Netzwerk besteht aus drei Hauptkomponenten: dem gateway , dem Repeater und den Endpunkten.
Gateway s
Gateway sind Geräte, die das Mesh-Netzwerk mit dem Internet verbinden. Gateway ermöglichen es Netzwerkknoten, sich mit Systemen außerhalb des Netzwerks selbst zu verbinden und mit ihnen zu interagieren.
Wiederholer
Repeater erfassen Daten im Netzwerk und leiten sie an die Endpunkte weiter. Sie spielen in jedem Mesh-Netzwerk eine wichtige Rolle, da sie es jedem Knoten ermöglichen, Nachrichten zu empfangen, unabhängig davon, wie weit dieser Knoten vom gateway entfernt ist. Aus diesem Grund sind Repeater in jeder Netzwerktopologie so konzipiert, dass sie jederzeit aktiviert 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 arbeiten mit einer Reihe von Protokollen zur Datenübertragung. Nachfolgend sind die häufigsten aufgeführt.
IoT Mesh-Netzwerkprotokolle
Wirepas ist ein Netzwerkprotokoll, bei dem alle Geräte in einem Netzwerk Daten je nach aktuellen Funkverhältnissen lokal und homogen weiterleiten können. Dieses Protokoll ermöglicht die Verbindung einer unbegrenzten Anzahl von Wirepas-fähigen Geräten in einem einzigen Netzwerk.
Eine typische Wirepas-Netzwerkarchitektur ist vollständig dezentralisiert. Es funktioniert effizient für IoT Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch erfordern. Es kann mit Standard-LPWA-Funktechnologien wie Bluetooth Low Energy sowie mehreren System-on-Chip-Anwendungen (SOC) betrieben werden
Die Wirepas-Website bietet ein vollständiges Verzeichnis der Partnerprodukte , einschließlich einiger unserer Partner, Rigado .
Zigbee-Mesh-Topologie
Zigbee ermöglicht die Datenübertragung über große Entfernungen über miteinander verbundene Zigbee-fähige Geräte. Diese Netzwerktopologie umfasst drei Arten von Knoten: Koordinatoren, Router und Endgeräte. Ein einzelner Koordinator bildet das Netzwerk und leitet den Datenverkehr darauf weiter. Ein Zigbee-Router fungiert als Zwischenknoten, der Daten von anderen Geräten im Netzwerk weiterleitet. Router können auch Endgeräte sein und gehen nie in den Ruhemodus.
Endgeräte kommunizieren entweder mit dem Koordinator oder den Routern . Endgeräte in einem Zigbee-Netzwerk verfügen über die Möglichkeit, den Schlafmodus zu aktivieren, was sie zu äußerst energieeffizienten Geräten macht. In einem Zigbee-Netzwerk kann jeder Koordinator oder Router bis zu 20 Endgeräte versorgen.
Das Zigbee-Protokoll ermöglicht die Interoperabilität zwischen vielen kommerziellen Anbietern. DIGI ist ein gutes Beispiel für einen Zigbee-Chipsatz-Anbieter IoT integriert ist, die Sie wahrscheinlich verwendet haben oder planen.
Google Thread Mesh-Netzwerk
Das Thread-Mesh-Netzwerk von Google ist ein Protokoll, das Geräte nahtlos und ohne Single Point of Failure verbindet. Wenn ein einzelnes Gerät nicht verfügbar ist, werden Thread-Netzwerke automatisch neu konfiguriert. Das Netzwerkprotokoll wurde entwickelt, um Smart-Home-Geräte universell zu verbinden.
Was Thread von anderen Protokollen wie Zigbee und Z-Wave unterscheidet, ist, dass seine Netzwerke kein Hub-Gerät benötigen. Die offene, herstellerunabhängige und interoperable Technologie basiert auf offenen Standards wie IPv6 und einer 6LoWPAN-Basis.
Obwohl Thread bei mehreren Herstellern an Bedeutung gewonnen hat, ein kurzer Blick auf die zertifizierten Produkte , dass das Unternehmen eher auf Unterhaltungselektronik ausgerichtet ist und nur sehr wenige kommerzielle – nicht industrielle – Anwendungsfälle aufweist.
Allerdings werden Sie selten auf die Notwendigkeit stoßen, Thread in einem Industrie- gateway oder -Gerät zu verwenden.
Bluetooth Mesh
Bluetooth Low Energy Mesh Networking ist ein Protokoll, das die Flooding-Methode verwendet. Wie der Name schon sagt, ist die Technologie für drahtlose Mesh-Netzwerke mit geringem Stromverbrauch konzipiert, die ein hohes Volumen an Multicast-Datenverkehr übertragen. Dies geschieht durch die Festlegung einiger Geräte im Netzwerk als Relays.
Geräte in einem Bluetooth Low Energy-Netzwerk kommunizieren über Nachrichten, die über einen Publish/Subscribe-Mechanismus über bis zu 127 Hops weitergeleitet werden können.
Im Gegensatz zu anderen drahtlosen Mesh-Netzwerktechnologien mit geringem Stromverbrauch ist Bluetooth Mesh eine vollständige Full-Stack-Lösung , die alles von der physischen Funkschicht auf niedriger Ebene bis zur Anwendungsschicht auf hoher Ebene definiert:
Auch wenn BLE in der Unterhaltungselektronik recht beliebt ist (wir alle haben Bluetooth-fähige Telefone in der Tasche, oder?), haben einige kommerzielle und industrielle IoT Anbieter wie Minew , Rigado und EnOcean die einzigartigen Fähigkeiten von BLE genutzt, um verbrauchsarme, kostengünstige IoT Sensoren Knoten.
Vorteile der Verwendung von Mesh-Netzwerken
Mesh-Netzwerke bieten eine Reihe von Vorteilen, die in anderen Netzwerktopologien nicht zu finden sind. Einige davon sind unten aufgeführt:
Echte kabellose Verbindung
Mesh-Netzwerke übertragen Nachrichten mithilfe der Flooding- oder Routing-Technik. Durch Flooding wird sichergestellt, dass Daten über alle ausgehenden Links gesendet werden, mit Ausnahme derjenigen, die dieselben Daten einbringen. Dadurch wird das Netzwerk mit Informationen „überflutet“.
Beim Routing bewegen sich Daten um verschiedene Netzwerkknoten herum, bevor sie an ihrem endgültigen Ziel landen. Dadurch kann jeder Netzwerkknoten die Daten basierend auf der verfügbaren Geschwindigkeit und Sicherheit über einen geeigneten Pfad weiterleiten.
Effiziente Wartung
Mesh-Netzwerke sind einfach zu installieren und zu warten. Sie müssen keine Voreinstellungen für neue Sensoren vornehmen. Jeder hinzugefügte Knoten kann sich selbst kalibrieren und automatisch eine Verbindung zum Netzwerk herstellen.
Wenn Sie einen drahtlosen Knoten physisch mit einer Netzwerkverbindung, beispielsweise einem Router, verbinden, werden die ihm am nächsten gelegenen Netzwerkknoten mit dem Internet verbunden. Dieser Vorgang wird für weitere Knoten wiederholt, bis das gesamte Netzwerk verbunden ist.
Mit einem solchen Mechanismus wird viel Zeit und Geld bei der Wartung des Netzwerks gespart.
Erweiterter Konnektivitätsbereich
Wenn Ihr IoT Projekt nicht mit Konnektivitätsmethoden wie Wi-Fi und Bluetooth ausgeführt werden kann, kann ein Mesh-Netzwerk seine drahtlose Reichweite unterstützen und erweitern.
Herkömmliche drahtlose Signale verlieren an Stärke, wenn Sie sich weiter vom Router oder der Quelle entfernen. Im Gegensatz dazu sind Mesh-Netzwerke auf mehrere Signale angewiesen, die über das gesamte System verteilt sind.
Da alle Netzwerkknoten an das System angeschlossen sind, wird der Knoten mit der stärksten und sichersten Verbindung verwendet. Dadurch können andere Knoten schlafen. Darüber hinaus hat eine Fehlfunktion eines Knotens keine Auswirkungen auf den Rest des Systems.
Mesh-Netzwerke bieten daher einen größeren Abdeckungsbereich für Systeme, die entweder keine Konnektivität wie WLAN unterstützen können oder sich an Standorten befinden, die diese nicht unterstützen.
Selbstheilende Algorithmen
Ein wichtiges Merkmal der Routing-Methode ist, dass die Algorithmen über Selbstheilungskräfte verfügen . Dies bedeutet, dass sich das Netzwerk neu konfiguriert, wenn ein Pfad unterbrochen wird.
Shortest Path Bridging beispielsweise um Algorithmen, die schnell den kürzesten Weg für die Datenübertragung auswählen, wenn einer der Knoten die Verbindung verliert. Somit bleibt das gesamte Netzwerk stabil, da die Algorithmen immer die einzigen verfügbaren Knoten verwenden.
Der Nachteil besteht darin, dass das System seine Ressourcen nutzen muss, um den defekten Knoten , ein Prozess, der zeitaufwändig ist.
Herausforderungen, denen Sie beim Aufbau eines Mesh-Netzwerks gegenüberstehen, und Möglichkeiten, diese zu meistern
Auch wenn das Ziel der oben genannten Protokolle darin besteht, so viel Komplexität wie möglich zu abstrahieren, gibt es beim Aufbau eines IoT -Mesh-Netzwerks dennoch einige Hürden, auf die Sie stoßen können:
1. Hohe Intelligenz der Knoten
Mesh-Netzwerke sind auf hohe Effizienz ausgelegt. Idealerweise müssen Sie einen Weg finden, Leistungsberichte von einzelnen Knoten zu erhalten. Darüber hinaus kann es schwierig sein, dafür zu sorgen, dass jeder Knoten Informationen über benachbarte Knoten sammelt, versteht, wie die Route erstellt wird, und die Route ändert, wenn ein Knoten nicht antwortet.
2. Lastausgleich
Die Netzwerkleistung nimmt normalerweise ab, wenn eine große Datenmenge über eine große Route übertragen wird. Um dieses Problem zu lösen, müssen Sie Zeit in den Lastausgleich investieren. Der Lastausgleich optimiert die Antwortzeit und verteilt die Last auf Ihre Knoten.
3. Routenverwaltung
Wenn Sie ein Mesh-Netzwerk betreiben, müssen Sie die Routen, über die die Daten gesendet werden, ständig aktualisieren. Dies liegt daran, dass sich Knoten ohne Vorwarnung mit dem Netzwerk verbinden und wieder trennen können. Darüber hinaus müssen Sie möglicherweise Daten erneut senden, falls diese nicht am IoT gateway ankommen.
Ein Mesh-Netzwerk muss auch in der Lage sein, bestehende Routen zu unterbrechen, wenn kein IoT gateway verfügbar ist. Geschieht dies nicht, wird viel Strom verschwendet, wenn angeschlossene Geräte weiterhin Daten ohne besonderen Zweck senden.
4. Stromverbrauch
Wenn Sie ein Mesh-Netzwerk ordnungsgemäß warten möchten, benötigen Sie eine maßgeschneiderte CPU, die die Software tragen kann, die die Mesh-Netzwerkknoten und die Kanalzugriffsmethodenlogik ausführt.
Die ideale CPU muss effizient und dennoch stromsparend sein. Dies stellt eine gewisse Hürde dar, da es keinen allgemeinen Standard für die Mesh-Netzwerkkommunikation gibt.
Ist ein Mesh-Netzwerk eine gute Lösung für Ihr Unternehmen?
Ein Mesh-Netzwerk ist eine großartige Netzwerklösung für Ihr Unternehmen. Die Anwendungen sind vielfältig und zielen alle auf Effizienz in der Konnektivität ab.
Beispielsweise können medizinische Geräte massiv von Mesh-Netzwerken profitieren. Die Selbstheilungsalgorithmen können ein defektes medizinisches Gerät schnell identifizieren, es automatisch wieder verbinden und so einen Massenausfall des Netzwerks verhindern.
Wenn Ihr Unternehmen stark auf Konnektivität angewiesen ist, ist die Anschaffung eines Mesh-Netzwerks eine Selbstverständlichkeit. Die Topologie bietet Ihnen nicht nur eine effiziente Möglichkeit zur Verwaltung Ihres Netzwerks, sondern stellt auch sicher, dass es zu keinen Ausfallzeiten aufgrund eines nicht angeschlossenen Computers oder Sensors kommt.
Ursprünglich veröffentlicht am 13. Oktober 2021
Häufig gestellte Fragen
Ist LoRaWAN ein Mesh-Netzwerk?
LoRaWAN läuft traditionell auf einer Sternnetzwerktopologie. Hierbei übermitteln Endknoten Daten über ein oder mehrere gateway an einen zentralen Server. In einem LoRaWAN-Netzwerk sind alle Geräte asynchron und übertragen Daten nur, wenn diese verfügbar sind.
Wenn Sie jedoch die Sicherheit und Reichweite eines LoRaWAN-Netzwerks erhöhen möchten, können Sie es als Mesh-Netzwerk umkonfigurieren.
Was ist ein IoT Netzwerk?
Das Internet der Dinge ( IoT ) ist ein miteinander verbundenes Netzwerk von Alltagsgegenständen, die mithilfe von Sensoren, spezieller Software und speziellen Technologien Daten drahtlos über das Internet senden und empfangen. Während die meisten von ihnen über drahtlose Modi wie LTE, Bluetooth und Wi-Fi mit den anderen Geräten „kommunizieren“, nutzen einige der unbeweglichen Geräte auch Ethernet-Kommunikation.
Ist Mesh besser als WLAN?
Durch die Art und Weise, wie Geräte in einem Mesh-Netzwerk verbunden sind, erhalten Sie eine bessere Leistung und weniger Netzwerkengpässe als bei WLAN. Mesh-Konnektivität sorgt für höhere Geschwindigkeiten, bessere Zuverlässigkeit und eine größere WLAN-Abdeckung Ihres Zuhauses als herkömmliches WLAN.
Was ist ein Mesh gateway ?
Dabei handelt es sich um ein Gerät, das das Mesh-Netzwerk mit dem globalen Internet verbindet.