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Mit Packet-Radio können auf einfache
Weise leistungsfähige Datennetze aufgebaut werden. Man unterscheidet in
einem Packet-Netz die User (Benutzer), die die Daten senden und
empfangen, und die Nodes (Netzknoten), die die Daten empfangen und in
Richtung zum Empfänger weitervermitteln.
Die Nodes sind intelligente Systeme,
die die aktuelle Struktur des Netzes kennen und damit in der Lage sind,
die Datenpakete auf dem optimalen Weg durchs Netz zu schleusen.
Während der User mit einem
Packet-Radio-Controller oder Steckermodem schon am Datenverkehr
teilnehmen kann, wird bei einem Netzknoten ein leistungsfähiger Rechner
(z.B. TNC3S mit X-Net Software, PC, RMNC) benötigt.
Geschichtliche
Entwicklung
Der Begriff Packet-Radio wurde bereits
1981 von der Tucson Amateur Packet Radio Gruppe (TAPR) geprägt. Für den
Daten-Funkverkehr wurde ein leistungsfähiges Protokoll unter der
Bezeichnung "AX.25" festgelegt, das sich an die existierenden X.25
Protokolle der drahtgebundenen Datenübertragung anlehnt und wesentliche
Erweiterungen für den Gebrauch in Funknetzen besitzt.
Werden im Netz nur Standard-TNC
benutzt, so sind Verbindungen mit großer Reichweite möglich, indem man
beim Verbindungsaufbau Zwischenstationen (Digipeater) angibt, also z.B.
'CONNECT C via A, B'. Bevor man eine Verbindung startet muß man
probieren, welche Zwischenstationen möglich und sinnvoll sind. Bei
Ausfall eines Digipeaters muß der Benutzer neue Wege für die Verbindung
suchen. Meist sind mehrere Wege möglich, man muß anhand von praktischen
Erfahrungen denjenigen Weg finden, auf dem die Daten am schnellsten und
am zuverlässigsten in Richtung zur Gegenstation weitergesendet werden.
In den USA entwickelten Ron Raikes,
WA8DED und Mike Busch, W6IXU um 1985 ein Programm für das TNC2 mit der
Bezeichnung 'Net-ROM'. Das EPROM wurde in ein TNC2 eingebaut und
erweiterte die Möglichkeiten von Packet-Radio wesentlich. Die mit
Net-ROM ausgestatteten Netzknoten tauschen regelmäßig Daten über den
Zustand des Netzes aus und ermittelten dabei selbständig die optimalen
Verbindungswege. Netzknoten aus mehreren zusammengeschalteten TNCs
können Funkstrecken auf verschiedenen Frequenzen bedienen und die Daten
intelligent in die gewünschte Richtung weitersenden. Bei Veränderungen
im Netz, z.B. Ausfall einer Verbindung, reagieren die Knoten dynamisch
und ändern die gespeicherten Tabellen so, dass die fehlende Strecke
durch alternative Wege ersetzt wird.
Von der Nord-Link Gruppe wurde die
TheNet Software entwickelt, die zu Net-ROM kompatibel war und sich in
Deutschland rasch verbreitete. Da die Leistungsfähigkeit der Z80
Prozessoren im TNC2 rasch ausgeschöpft war, wurden hauptsächlich von
Nord-Link andere Knoten-Architekturen entwickelt, bei denen die
wesentlichen Funktionen eines Netzknotens von einem PC-Programm erledigt
wurden und die TNC2 nur noch zur Steuerung der Modems dienten. Das
Problem bei diesen Lösungen war, dass die maximale Gesamtdatenrate auf
19200 oder 38400 Baud beschränkt war.
Als 1992 mit dem TNC3S erstmals ein TNC
mit 16 Bit CPU erhältlich war, wurde die vorhandene TheNet Software auf
diese Hardware portiert. Da das TNC3S mehrere HDLC-Schnittstellen
gleichzeitig bedienen kann, konnte man mit nur einem Gerät bereits
Knoten mit drei Modems bzw. Funkstrecken realisieren. Durch die für
serielle Kommunikation optimierte Architektur der 68302-CPU wurde die
Übertragungsgeschwindigkeit um den Faktor 100 gesteigert. Mehrere TNC3
konnten über einen seriellen High-Speed-Bus mit über 1 Mbit/s Datenrate
zu leistungsfähigen Knoten verknüpft werden. Während die TNC2 auf 32
kByte Speicher beschränkt sind, kann das TNC3 bis zu 2 Mbyte
adressieren, also das 64-fache. Durch die 16/32 Bit Architektur der CPU
laufen die Rechenprozesse wesentlich schneller ab. Die bei TNC2 Knoten
auftretenden Verzögerungen durch überlastete CPU und Speicher werden
vermieden.
Die für TNC3 angepasste NetNode
Software nutzte nur einen Teil der im TNC3 vorhandenen Möglichkeiten, da
sie ursprünglich für den 8 Bit Prozessor Z80 konzipiert war. Die 1995
fertiggestellte Version von ThreeNet wurde speziell für das TNC3 völlig
neu geschrieben. Dabei konnten verschiedene Mängel behoben werden, die
Programme wurden überarbeitet, verbessert und auf den aktuellen Stand
gebracht. Das neue Programm läuft unter dem bewährten
TNC3-Betriebssystem als selbständiger Prozess, gleichzeitig können
andere Programme, z.B. Mailbox oder Hostmode, laufen. Es ist möglich,
weitere Prozesse im TNC3 ablaufen zu lassen, z.B. andere
Knotenprotokolle, TCP/IP-Router oder Steuerprogramme für
Geräteüberwachung.
In der aktuellen Version von ThreeNet
wurde ein Autorouter für das verbreitete FlexNet-Protokoll (RMNC) sowie
für TCP/IP Anwendungen eingebaut. Ein Hayes-Interpreter wird
voraussichtlich in zukünftigen Versionen verfügbar sein..
Datennetze
Der Zweck eines Datennetzes besteht
darin, Nachrichten von jeder Stelle zu jeder anderen Stelle zu
transportieren. Dies soll möglichst schnell und zuverlässig geschehen.
Eine einfache (Daten-) Funkverbindung
zwischen zwei Stationen ist noch kein Datennetz. Daten werden in diesem
Fall weder vermittelt noch weitergereicht, es existiert nur EIN
möglicher Verbindungsweg. Auch wenn mehrere Stationen jeweils paarweise
Daten austauschen ist das noch kein Netz.
Erst wenn einzelne oder alle Stationen
die Möglichkeit besitzen, empfangene Daten weiterzusenden, spricht man
von einem Netz. Die Stationen, welche Daten von einer Station empfangen
und an andere Stationen weitergeben nennt man Netzknoten, Knoten, Node
oder allgemein 'Digipeater'. Im Gegensatz zu den Knoten werden die
übrigen Stationen als 'user' (Benutzer) bezeichnet. Die User sind die
Stationen, die die Daten ursprünglich erzeugen und empfangen, während
die Knoten die Daten nur weiterreichen.
Eine der einfachsten Strukturen hat das
sternförmige Netz. Die User können nur über den zentralen Knoten in der
Mitte kommunizieren. Direkte Verbindungen zwischen den Usern existieren
nicht. Die Wege zwischen beliebigen Usern liegen fest, es gibt keine
Ausweichmöglichkeiten. Der zentrale Knoten sendet die Daten an alle User
in gleicher Weise aus. Vorteil: der zentrale Knoten hat die vollständige
Kontrolle über den Datenverkehr. Fällt er aber aus, dann geht nichts
mehr.
Eine Erweiterung des sternförmigen
Netzes ist die Backbone (=Rückgrat)-Struktur. Die Funktionen des
zentralen Knotens sind auf mehrere Knoten verteilt. Die Knoten sind im
allgemeinen durch eine schnelle Verbindung miteinander gekoppelt und
über einen größeren geographischen Bereich verteilt. Zur Vermittlung von
Datenpaketen zwischen zwei Usern benötigen die Knoten nun eine weitere
Funktion: sie müssen entscheiden, in welche Richtung, d.h. zu welchem
Nachbarknoten die Daten weitergegeben werden sollen. Diese Funktion
nennt man Wegesuche oder Routing. Es gibt zwischen zwei beliebigen Usern
nur EINEN möglichen Verbindungsweg. Die Vorteile dieser Netzstruktur:
Feste Wege, große Reichweite. Nachteil: Ausfall eines Knotens legt
nahezu das gesamte Netz lahm.
Das vermaschte Netz hat eine weitere
Eigenschaft: Zwischen den Knoten bestehen mehrere alternative Wege.
Knoten A kann Knoten B zwar direkt erreichen, es sind jedoch auch die
Wege A-E-B, A-E-F-B oder
A-C-D-E-F und
A-C-D-E-B möglich. Die Verbindungen sind nicht mehr sternförmig,
es existieren Maschen in diesem Netz. Für die Knoten besteht nun die
Notwendigkeit, aus den vielen alternativen Wegen zwischen zwei Knoten
den besten zu ermitteln.
Es gibt möglicherweise andere (weitere
oder kompliziertere) Wege die unsere Daten schneller ans Ziel bringen:
Der direkte Weg zwischen A und B ist
möglicherweise der langsamste. Umwege führen manchmal schneller ans
Ziel.
Die Knoten müssen in vermaschten Netzen
in der Lage sein, von mehreren Wegen den besten auszusuchen.
Grundsätzlich gibt es dazu zwei Möglichkeiten:
statisches Netz:
Jeder Knoten besitzt eine unveränderliche (aber veränderbare) Tabelle,
in der Informationen über das Netz (Nachbarknoten, Strecken etc.) durch
den Operator eingetragen werden. Die Entscheidung, welche Strecke von A
nach B verwendet werden soll trifft prinzipiell der Betreiber bzw.
Operator durch den Eintrag in die Listen. Das Verfahren ist absolut
stabil und arbeitet sehr zuverlässig, sofern die eingetragenen
Verbindungswege auch tatsächlich immer verfügbar sind. Ein Austausch von
Daten zur Netzverwaltung zwischen den Netzknoten ist nicht notwendig.
Fällt eine Strecke aus, muß durch einen Eingriff des Operators eine
Ersatzstrecke geschaltet werden. Bei hoher Belastung bestimmter Strecken
kann es zu Wartezeiten kommen, obwohl möglicherweise alternative
Verbindungen zur Verkehrsentlastung genutzt werden könnten. Ein in USA
gängiges System ist unter der Bezeichnung 'ROSE' bekannt.
dynamisches Netz:
durch ständigen Informationsaustausch zwischen den Knoten kann die
Leistungsfähigkeit jeder Linkstrecke präzise beurteilt werden. Damit ist
es jederzeit möglich, zwischen zwei beliebigen Knoten den optimalen Weg
zu berechnen. Ändert sich die Struktur des Netzes (etwa durch Ausfall
eines Knotens oder durch Installation eines neuen Knotens), dann
spiegelt sich dies in den Dateien wieder, die als Grundlage für die
Wegoptimierung dienen. Bei sehr starker Auslastung bestimmter Strecken
sinkt die Qualität dieser Links. Das Netz reagiert automatisch, indem es
diese Strecke als 'schlecht' meidet und andere, bessere (weil weniger
belastete) Strecken bevorzugt. Damit ist eine problemlose Lastverteilung
zwischen mehreren parallelen Strecken gewährleistet. Nachteil des
dynamischen Netzes ist, dass ein gewisser 'Verwaltungsaufwand'
(Overhead) die Strecken zusätzlich belastet. Großer Vorteil: Ein
dynamisches Netz benötigt keinen Operator, der sich zuverlässig um den
Zustand jeder Strecke kümmert. Wenn jeder Knoten, wie es in den privaten
Funkdatennetzen ja der Fall ist, von einem anderen Operator betrieben
wird, ist ein netzwerk-weites Management nicht möglich. Gerade für
Netzknoten die nicht mit 100%iger Wahrscheinlichkeit verfügbar sind,
eignet sich die dynamische Wegeoptimierung sehr gut.
Die ThreeNet Software unterstützt
dynamisches Routing. Die Qualität der Linkstrecken wird ständig
kontrolliert und damit die Grundlage geschaffen, dass jedes Datenpaket
auf dem optimalen Weg durchs Netz geschickt wird. Bei Überlastung
einzelner Strecken werden alternative Wege verwendet, dadurch steigt der
Durchsatz im Vergleich zu statischen Netzen. Bei Ausfall von Strecken
reagiert das Netz rasch, indem es alternative Wege schaltet. Neu
hinzukommende Strecken werden ohne Zutun vom Netz erkannt und in die
bestehende Netzstruktur eingebunden. ThreeNet ist mit drei verbreiteten
Netzwerkprotokollen kompatibel: TheNet (TNN, NET-ROM etc.) und FlexNet
(RMNC) und TCP/IP. Welches Netzwerkprotokoll verwendet wird ist
konfigurierbar, es können auch alle drei Protokolle parallel gefahren
werden.
Wegesuche
(Routing im Netz)
Die exakte Funktion der
Netzwerkprotokolle ist sehr kompliziert, wir wollen daher die
grundlegenden Funktionen nur oberflächlich erklären. Auf Unterschiede
zwischen den verschiedenen Protokollen wird dabei nicht eingegangen.
ThreeNet benötigt Informationen über
den Zustand des Netzes. Nur wenn die Knoten über zuverlässige und
aktuelle Daten über Nachbarknoten, Streckenqualitäten etc. verfügen kann
der Routing-Algorithmus gut arbeiten. Dazu senden die Knoten immer
wieder sogenannte 'Broadcast'-Meldungen aus, die von allen benachbarten
Knoten empfangen werden. Die Broadcast-Meldung hat sinngemäß folgenden
Inhalt:
- Hallo, hier ist der Knoten XYZ. Ich
begrüße meine Nachbarknoten, die mich jetzt hören können
- Folgende Knoten sind von mir aus
erreichbar (Laufzeit): A (10), B(22), C(40), D(3), E(80) ....
Die Broadcasts werden regelmäßig (z.B.
alle 10 Minuten) gesendet. ThreeNet sendet Broadcasts außerdem immer
dann, wenn wesentliche Änderungen im Netz auftreten, z.B. Ausfall eines
Knotens.
Nachbarknoten sind die Knoten, deren
Broadcasts empfangen werden können. Die Nachbarknoten werden in der
Nodes-Liste bzw. Links-Liste, sowie in die Destinations-Liste (siehe
unten) eingetragen. Meldet sich ein Nachbarknoten eine Weile nicht mehr,
so wird er nach einiger Zeit aus der Liste gelöscht, da man davon
ausgehen muß, dass die Strecke oder der Knoten nicht mehr funktioniert.
Wird ein Broadcast das erste Mal empfangen, so 'wartet' ThreeNet einige
weitere Broadcasts ab bevor er den neu aufgetauchten Knoten in die Liste
aufnimmt. Dies verhindert, dass plötzlich Knoten in den Listen
auftauchen, die nur (z.B. durch kurzlebige Überreichweiten) sporadisch
empfangen werden können.
Von der Existenz aller übrigen
Netzknoten erfährt ThreeNet nur über die Listen, die per Broadcast von
den Nachbarknoten empfangen werden. Die Gesamtliste aller im Netz
bekannten Knoten wird 'Destinations-Liste' oder 'Nodes-Liste' genannt
und ist in jedem Knoten vorhanden. Zu jeder Knotenadresse (Rufzeichen)
ist eine gemittelte Laufzeit gespeichert, sowie die Adresse des
Nachbarknotens, über den das Ziel mit dieser Laufzeit erreicht werden
kann.
Datenpakete werden stets zu dem
Nachbarknoten weitergeleitet, der in seiner Broadcast-Meldung die beste
Laufzeit zu dem Bestimmungsknoten eingetragen hat.
Nun laufen durch ein reales Netz
ständig große Datenmengen, die die Linkstrecken zwischen den Netzknoten
belasten und die Verbindungsqualität verringern. Das Netz reagiert
damit, indem es andere, weniger belastete Strecken verwendet und die
stark belasteten Strecken entlastet. Dies klingt vernünftig, bringt
jedoch einige Probleme: sobald eine Strecke entlastet wurde, steigt
deren Qualität wieder an, die Ausweichstrecke dagegen wird schlechter.
Damit kehren sich die Verhältnisse um und man hat nichts gewonnen. Das
Netz ist instabil, da die Wege ständig hin- und her gehen. Über
derartige Effekte gibt es zahlreiche theoretische Arbeiten. Um ein
stabiles Routing zu gewährleisten müssen die komplexen dynamischen
Eigenschaften eines realen Datennetzes berücksichtigt werden. Durch die
relativ großen Broadcast-Intervalle wird außerdem sichergestellt, dass
das Routing nicht in allzu kurzen Abständen hin- und hergeschaltet wird.
Verbindungsaufbau im Netz
Zum Aufbau einer Verbindung zwischen
zwei Usern wird zuerst ein normaler Connect zwischen dem User 1 und dem
sogenannten Einstiegsdigi hergestellt. Von dort aus wird mit dem
Kommando C die Verbindung innerhalb des Netzes angefordert und wie oben
hergestellt. Nun ist User1 mit dem Ausstiegsknoten verbunden, von dem
aus er wieder mit dem C Kommando den User 2 (der natürlich vom
Ausstiegsknoten aus erreichbar sein muß) connected.
Die Teilnehmer (User) in einem
Datennetz verwenden die übliche Packet-Radio Funktionen und haben im
Netz nicht die Funktion eines Knotens. Sie senden keine Broadcasts aus,
führen keine Nodes-Listen und können mit den Broadcasts der Knoten
nichts anfangen. Die Adressen der User werden von den Knoten nicht
gespeichert. Zum Aufbau einer Verbindung zwischen zwei Usern muß also
stets bekannt sein, über welchen Knoten man ins Netz einsteigt und über
welchen Ausstiegsknoten der Partner erreicht werden kann. Den Weg der
Daten zwischen Einstiegs- und Ausstiegsknoten zu finden ist dagegen
Sache des Netzes. |
