1. Jak działa sieć Mesh? MeshCom jako przykład łączności wielowęzłowej
Sieć, w której każdy węzeł może być przekaźnikiem
Jedną z najważniejszych cech sieci Mesh jest sposób, w jaki poszczególne urządzenia współpracują ze sobą. W klasycznej sieci radiowej komunikacja często odbywa się według z góry określonego schematu: urządzenie wysyła dane bezpośrednio do odbiorcy albo przez konkretny przemiennik czy digipeater.
W sieci Mesh sytuacja wygląda inaczej. Każdy uczestniczący węzeł może jednocześnie być użytkownikiem i przekaźnikiem danych dla innych urządzeń. Dzięki temu wiele pojedynczych urządzeń tworzy wspólnie jedną, rozproszoną sieć radiową. Dobrym przykładem takiego rozwiązania jest radioamatorska sieć MeshCom.
Jak wiadomość przechodzi przez sieć?
Załóżmy, że użytkownik A chce wysłać wiadomość do użytkownika D, ale oba urządzenia nie mają bezpośredniego zasięgu radiowego. Pomiędzy nimi znajdują się dwa inne węzły:
A → B → C → D
Jeżeli warunki radiowe na to pozwalają, węzeł B odbiera pakiet od A i może przekazać go dalej. Następnie C robi to samo. W ten sposób wiadomość dociera do D mimo tego, że A i D nie mogą się usłyszeć bezpośrednio.
To właśnie jest podstawowa idea sieci mesh: zasięg całej sieci może być większy niż zasięg pojedynczego urządzenia, ponieważ węzły współpracują w przekazywaniu informacji.
2. Co oznacza „hop”?
Każde przejście pakietu z jednego węzła do kolejnego nazywamy hopem.
Przykładowo:
A → D
to komunikacja bezpośrednia, czyli 0 pośrednich hopów.
Natomiast:
A → B → D
oznacza przejście przez jeden węzeł pośredni.
Jeszcze inny przykład:
A → B → C → D
oznacza dwa węzły pośrednie.
Hop nie oznacza więc „kolejnego użytkownika”, ale kolejne radiowe przekazanie pakietu przez sieć.
Dlaczego liczba hopów jest ograniczona?
Teoretycznie można byłoby wyobrazić sobie sieć, w której wiadomość jest przekazywana przez dziesiątki kolejnych urządzeń. W praktycznej sieci radiowej byłoby to jednak bardzo nieefektywne.
Każde kolejne przekazanie:
- zajmuje czas antenowy,
- zwiększa obciążenie kanału,
- zwiększa możliwość kolizji z innymi transmisjami,
- zwiększa opóźnienie,
- powoduje, że jeden pakiet może być wielokrotnie retransmitowany.
Dlatego protokoły sieci mesh stosują mechanizmy ograniczające liczbę przekazań pakietu. W MeshCom liczba możliwych przekazań nie jest nieskończona. Pakiet posiada informację pozwalającą kontrolować jego dalsze przekazywanie, dzięki czemu wiadomość nie krąży po sieci bez końca.
Ograniczenie liczby hopów jest jednym z podstawowych mechanizmów chroniących radiową sieć mesh przed niekontrolowanym zalewaniem kanału.
3. Mesh nie oznacza jednak, że każdy węzeł przekazuje wszystko
W sieci mesh nie chodzi o to, aby każde urządzenie retransmitowało każdy odebrany pakiet bez żadnych ograniczeń. Gdyby tak było, nawet niewielka liczba aktywnych użytkowników mogłaby bardzo szybko zająć cały kanał radiowy. Mechanizm sieci musi więc decydować czy pakiet należy przekazać dalej, ile razy może być przekazany i kiedy należy zakończyć jego dalszą transmisję. Dzięki temu sieć może działać jako wspólna infrastruktura wielu urządzeń, a nie jako nieskończony łańcuch retransmisji.
4. Jak sieć MeshCom „organizuje się” sama?
W klasycznej infrastrukturze radiowej operator może wyznaczyć konkretny przemiennik lub digipeater, przez który mają przechodzić dane. W sieci mesh nie ma potrzeby budowania takiego centralnego punktu dla każdej komunikacji.
Węzły:
słuchają kanału → odbierają pakiety → rozpoznają pakiety przeznaczone do dalszego przekazania → przekazują je zgodnie z zasadami protokołu.
W efekcie powstaje rozproszona infrastruktura radiowa. Jeżeli jeden węzeł przestanie działać, pozostałe urządzenia nadal mogą tworzyć działające połączenia. Jeżeli pojawi się nowy węzeł, może stać się kolejnym elementem infrastruktury. To jedna z największych różnic pomiędzy ideą mesh a klasyczną siecią opartą na pojedynczym punkcie pośredniczącym.
5. Jeden użytkownik = potencjalny element infrastruktury
W MeshCom użytkownik nie jest wyłącznie odbiorcą informacji.
Jego urządzenie może jednocześnie odbierać, przetwarzać i przekazywać dalej
Dlatego wraz ze wzrostem liczby odpowiednio rozmieszczonych urządzeń może zwiększać się również zasięg i odporność całej sieci. Przykładowo pojedynczy węzeł może mieć zasięg kilku kilometrów. Kilka odpowiednio rozmieszczonych węzłów może natomiast stworzyć znacznie większy obszar dostępny dla komunikacji. Nie jest to jednak zwykłe „wydłużenie anteny”. Zasięg jest zwiększany przez kolejne radiowe odcinki pomiędzy węzłami.
6. MeshCom a APRS – dwie różne filozofie
MeshCom i APRS wykorzystują radio do przesyłania danych, ale ich podstawowe założenia są inne.
APRS – sieć oparta na infrastrukturze digipeaterów
W APRS użytkownik zazwyczaj wysyła pakiet radiowy, który może zostać odebrany przez digipeater.
Digipeater retransmituje pakiet zgodnie z określonymi zasadami.
Schemat może wyglądać na przykład tak:
STACJA → DIGI → DIGI → IGATE
albo:
STACJA → DIGI → STACJA
APRS posiada więc mechanizm wielokrotnego przekazywania pakietów, ale nie jest to mesh w takim znaczeniu jak MeshCom.
W APRS bardzo ważną rolę odgrywa ustalona infrastruktura digipeaterów oraz ścieżka APRS, np. parametr określający maksymalną liczbę przeskoków.
7. MeshCom – sieć rozproszona
W sieci Mesh idea jest inna. Nie budujemy przede wszystkim centralnej infrastruktury, do której użytkownicy muszą się podłączać. Zamiast tego same urządzenia uczestniczące w sieci tworzą jej infrastrukturę. Można to przedstawić bardzo prosto:
APRS:
Użytkownik → infrastruktura → użytkownik
MeshCom:
Użytkownik ↔ użytkownik ↔ użytkownik ↔ użytkownik
Każdy kolejny węzeł może stać się elementem drogi, którą informacja dotrze do celu.
8. Najważniejsza różnica: „ścieżka” kontra „sieć”
W APRS użytkownik może określić ścieżkę, przez którą pakiet ma być przekazywany. System wykorzystuje do tego mechanizm digipeatingu.
W mesh najważniejsza jest natomiast współpraca wielu węzłów tworzących wspólną sieć. Dlatego nie należy utożsamiać wielu hopów z mesh. Sieć może mieć wiele hopów i nadal nie być siecią mesh. O tym, czy mamy do czynienia z mesh, decyduje przede wszystkim sposób organizacji i przekazywania informacji pomiędzy węzłami, a nie sama liczba przeskoków.
9. Dlaczego mesh jest interesujący w łączności awaryjnej?
Rozproszona architektura może być szczególnie interesująca w sytuacjach, w których klasyczna infrastruktura przestaje działać. Nie trzeba zakładać, że wszystkie urządzenia muszą mieć dostęp do Internetu, sieci komórkowej czy jednego centralnego serwera. Jeżeli pomiędzy dwoma użytkownikami znajduje się odpowiednio rozmieszczony działający węzeł, może on pomóc w przekazaniu informacji dalej.
Przykład:
OSP A → węzeł B → węzeł C → sztab kryzysowy
Nawet jeśli A i sztab nie mają bezpośredniej łączności radiowej, sieć może zapewnić drogę poprzez znajdujące się pomiędzy nimi urządzenia.
10. Mesh ma jednak swoją cenę
Sieć mesh nie tworzy „darmowego” zasięgu. Każdy hop oznacza kolejną transmisję radiową. Kanał LoRa ma ograniczoną przepustowość, dlatego wraz ze wzrostem liczby użytkowników i ilości przesyłanych informacji rośnie również obciążenie sieci. Zbyt duża liczba wiadomości, częste retransmisje i niepotrzebny ruch mogą doprowadzić do sytuacji, w której użytkownicy zaczną wzajemnie zajmować kanał. Dlatego dobrze zaprojektowana sieć mesh musi równoważyć zasięg, liczbę hopów oraz ilość przesyłanych danych. Właśnie dlatego ograniczenie liczby hopów i mechanizmy kontroli retransmisji są tak istotne.
11. MeshCom w jednym przykładzie
Wyobraźmy sobie pięć urządzeń rozmieszczonych w terenie:
A — B — C — D — E
A może bezpośrednio komunikować się z B.
B może komunikować się z A i C.
C może komunikować się z B i D.
D może komunikować się z C i E.
A nie słyszy E.
Dzięki sieci mesh informacja może jednak przejść:
A → B → C → D → E
W ten sposób urządzenia znajdujące się pomiędzy nadawcą i odbiorcą tworzą radiową drogę dla informacji.
Jeżeli jeden z elementów przestanie być dostępny, możliwość komunikacji może zależeć od tego, czy istnieje inna droga przez pozostałe węzły.
To właśnie jest sedno koncepcji Mesh – wiele urządzeń współpracujących ze sobą jako jedna sieć.
MeshCom a klasyczny digipeater – podsumowanie
| Cecha | APRS | MeshCom |
|---|---|---|
| Podstawowa idea | Przesyłanie pakietów w systemie APRS | Rozproszona sieć mesh |
| Węzły pośredniczące | Digipeatery | Węzły sieci |
| Wiele hopów | Tak | Tak |
| Każdy użytkownik może być elementem sieci | Nie jest to podstawowa zasada | Tak |
| Centralna infrastruktura | Często istotna | Nie jest konieczna |
| Retransmisja | Według zasad APRS/path | Według mechanizmów MeshCom |
| Zastosowanie | Pozycje, statusy, wiadomości, telemetria | Wiadomości i komunikacja w rozproszonej sieci |
| Charakter sieci | Infrastrukturalny | Rozproszony |
12. Mesh to nie tylko większy zasięg
Najważniejszą zaletą technologii mesh nie jest samo zwiększenie zasięgu. Najważniejsza jest zmiana sposobu budowania sieci. Zamiast stawiać jeden bardzo mocny punkt i uzależniać komunikację od jego działania, możemy rozmieścić wiele mniejszych węzłów, które wspólnie tworzą system. Każdy kolejny węzeł może być jednocześnie użytkownikiem i częścią infrastruktury. Dlatego dobrze zaprojektowana sieć MeshCom może tworzyć rozproszony system łączności radiowej, w którym wiadomości mogą przemieszczać się przez wiele kolejnych węzłów, a liczba hopów i mechanizmy retransmisji są kontrolowane tak, aby nie doprowadzić do przeciążenia wspólnego kanału radiowego.