Meshtastic

Aufbau des Netzwerks

Jedes Gerät mit den gleichen LoRa-Einstellungen bildet einen Knoten im Meshnetzwerk und hat eine bestimmte Rolle, meistens jene des Clients.^[5] Datenpakete verfügen über maximal 237 Bytes für Nutzerdaten und werden nach bestimmten Regeln im Netzwerk übermittelt: Es wird vorab eine Sprungweite festgelegt, d. h. wie viele Weiterleitungen (hops) ein Datenpaket maximal nehmen soll. Nach dem Empfang eines Pakets wartet ein Knoten jedoch mit der Weiterleitung eine gewisse Zeit in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Verhältnis SNR. Knoten mit geringerem SNR sind tendenziell weiter entfernt von dem Knoten, von dem sie das Paket empfangen haben, und senden das Paket rascher wieder aus als solche mit hohem SNR. Jene Knoten, welche das Paket nun ein zweites Mal empfangen, verzichten auf eine erneute Aussendung. Mit diesem managed flooding genannten Ansatz und weiteren Regeln wird versucht, Kollisionen und eine Überlastung des Frequenzspektrums zu verhindern.^[6]

Die geographische Ausdehnung eines Meshtastic-Netzes wird durch die Anzahl der möglichen Weiterleitungen sowie die Wahl des verwendeten Übertragungsstandards beschränkt. Die zur Wahl stehenden Übertragungsstandards haben einen physikalisch bedingten Trade-Off zwischen Reichweite und Frequenzauslastung.^[7] In der Standardeinstellung LongFast umfassen stabile Netzwerke maximal ca. 60–80 Knoten.^[3][8] Über (Internet-)Gateways sind solche Netze jedoch miteinander verbindbar. Durch die Wahl anderer Übertragungsstandards kann die Anzahl der Knoten in einem Netz erhöht werden, ohne dass es zu Kollisionen von Datenpaketen kommt.^[8][9] Durch den Einsatz von Geräten mit der Rolle Router als Funkrelaisstation an weit erhöhten Standorten und geeignete Netzplanungsstrategien sind auch sehr weit ausgedehnte Netze möglich. Meshtastic selbst berichtet von Gebieten mit 700 aktiven Nodes, in denen Nachrichten über 300 Meilen hinweg übertragen werden konnten.^[10]

Kanäle

Für jeden Knoten können maximal acht Kanäle definiert werden. Der Kanal Null ist stets der allgemeine Kanal. Er ist in der Standardeinstellung nur mit dem einfachen, allgemein bekannten Schlüssel AQ== verschlüsselt und wird von allen anderen Knoten ebenfalls empfangen. Die übrigen sieben Kanäle können frei definiert und verschlüsselt werden. Einer der acht Kanäle, üblicherweise der allgemeine Kanal 0, ist der primäre Kanal, über welchen automatisierte Aussendungen wie Positions- oder Telemetriedaten abgewickelt werden.^[11]

Verschlüsselung

Die Daten der Kanäle werden symmetrisch nach dem AES256-Standard verschlüsselt.^[12][13] Zur Verschlüsselung direkter Nachrichten von Knoten zu Knoten wird ein asymmetrisches Kryptosystem eingesetzt, das die Nachrichten auch signiert und somit deren Integrität sicherstellt und die Überprüfung der Identität des Absenders ermöglicht.^[14][15]

Frequenzen

In Europa werden für das Netzwerk meist die Frequenzbänder um 433 MHz (ISM-Band) und 868 MHz (SRD-Band Europa) genutzt. In den USA kommt das 915-MHz-Band zum Einsatz, in Asien 920 und 923 MHz. Zusätzlich können die WLAN-Frequenzen im 2,4-GHz- und 5,6-GHz-Frequenzbereich verwendet werden. Bevorzugt wird in Europa das 868-MHz-Frequenzband eingesetzt, da durch die regulatorischen Bestimmungen eine effiziente und störungsfreie Nutzung dieses Bandes möglich ist.^[16] Der Funkbetrieb in diesen Bändern ist gemäß den geltenden Regulierungen kosten- und lizenzfrei.^[17][18] Die Geräte sind auf eine Ausgangsleistung von 10 bis 100 (in seltenen Fällen auch 500) Milliwatt begrenzt. Weitere Regulierungen betreffen die maximale Sendezeit, welche bei 868 MHz unter 10 % der laufenden Stunde liegen muss.

Hard- und Software

Meshtastic benötigt ein kompatibles Funkmodul, welches mindestens mit einem LoRa-Chip und einen Mikrocontroller bestückt ist. Die Software umfasst eine Firmware mit Webanwendung zum Flashen der Firmware sowie Anwendungen für Smartphones und andere Plattformen zum Lesen und Bearbeiten der Nachrichten und zur Konfiguration des Funkmoduls.

Allgemeine Nutzung als Netzwerk

Meshtastic wirkt als dezentrales Netzwerk, bei dem alle Teilnehmer als Relay-Stationen arbeiten und Daten übertragen können.^[24] Dadurch soll eine zuverlässige, redundante und erweiterbare Kommunikation besonders in mit Mobilfunknetzen schlecht abgedeckten Gebieten gewährleistet werden. Mit Meshtastic können Benutzer sowohl untereinander kommunizieren, als auch Sensor-, Positions- (GNSS) und andere Daten mit geringem Volumen übertragen. Informationen über Kanäle und Verschlüsselungen können unter anderem über QR-Codes ausgetauscht werden. Standardmäßig wird ein offener, unverschlüsselter Kanal zur uneingeschränkten Kommunikation bereitgestellt. Es können bis zu 8 verschlüsselte, private Kanäle hinzugefügt werden. Dadurch sind Benutzergruppen festlegbar. Üblicherweise wird die Kommunikation zwischen einem Smartphone und der Meshtastic-Baugruppe über eine Bluetooth-Verbindung hergestellt.^[24]

Amateurfunk

Die Anwendung findet auch zunehmend Verbreitung im experimentellen Amateurfunk. Da der Frequenzbereich 430–440 MHz weltweit und der Bereich 902–928 MHz^[25] in Nord- und Südamerika (ITU-Region 3) auch dem Amateurfunk zugewiesen wurde, ist mittlerweile auch Hardware verfügbar, die über einen sogenannten HAM-Modus^[26] verfügt. Mit diesem Modus können Funkamateure den jeweiligen Frequenzbereich mit Leistungen von mehreren Watt nutzen. Dies steigert die Reichweite erheblich.^[27]

Taktischer Einsatz TAK

Eine weitere Anwendung ist die Verwendung von Meshtastic mit einem Tactical Assault oder Team Awareness Kit (TAK). Dabei handelt es sich um ein Programm, welches den Standort aller Teilnehmer auf geografischen Karten beispielsweise auf einem Smartphone anzeigen kann. Meshtastic kann über ein passendes Plugin mit dem Android Team Awareness Kit (ATAK) verwendet werden, das ursprünglich vom Air Force Research Laboratory (AFRL) entwickelt wurde.^[28][29][30]

Ziviler Einsatz bei der Personensuche

ATAK und Meshtastic können auch für zivile Einsätze eingesetzt werden, z. B. bei Personensuche oder Waldbränden. Rettungshundestaffeln können ihre Einsätze effektiv koordinieren. Im Hochgebirge können sich Bergsteiger und Skifahrergruppen koordinieren. Gleiches gilt für Gruppen von Jägern, Holzfällern und Forstbeamten.^[24]

Einsatz als alternative Netzinfrastruktur in Staaten mit repressiver Militärdiktatur (z. B. Myanmar)

Aufgrund der hohen Verfügbarkeit, der geringen Kosten, der Erweiterbarkeit und der Robustheit, wird der Einsatz von Meshtastic als alternatives dezentrales Kommunikationsnetzwerk zur Versorgung besonders der ländlichen Bevölkerung in Myanmar, auch unter Betrachtung der aktuell dort wirkenden repressiven Militärdiktatur, wissenschaftlich untersucht und diskutiert.^[4]