MeshRoute

1. Kurzfassung

Meshtastic (v2.6/2.7) verwendet Managed Flooding mit SNR-basierter Unterdrueckung fuer Broadcasts und Next-Hop-Routing fuer Direktnachrichten. Das sind clevere Optimierungen gegenueber naivem Flooding — aber beide skalieren weiterhin mit O(n) pro Nachricht und erfordern ein Hop-Limit (Standard 3–7), das die Netzwerkreichweite begrenzt.

Diese Arbeit stellt System 5 vor, ein Routing-Protokoll, das O(hops)-Kosten fuer alle Nachrichtentypen erreicht. Im Vergleich mit Meshtastics aktuellem Managed Flooding bei realistischen Hop-Limits (3, 5, 7) ueber 21 Szenarien (20–1500 Knoten, je 6 Router) liefert System 5 92–100% weniger Uebertragungen in kleinen bis mittleren Netzwerken bei gleicher oder hoeherer Zustellrate.

Die wichtigste Erkenntnis: Halbduplex-Funk und Kollisionen zerstören Managed Flooding bereits bei mittleren Netzwerken. Bei 100 Knoten liefert Managed Flooding nur 27% der Nachrichten aus. Bei 500 Knoten nur 3%, bei 1000 Knoten 0%. System 5 liefert in denselben Szenarien 46–100%. Bei 1000+ Knoten verbraucht System 5 mehr TX insgesamt als Managed Flooding — liefert aber die einzigen Nachrichten, die ueberhaupt ankommen. Halbduplex-Kollisionen und Hop-Limits sind die primaeren Skalierungsbarrieren.

2. Was Meshtastic heute macht

Das Routing von Meshtastic (v2.6/2.7) ist bereits deutlich besser als naives Flooding:

• Managed Flooding — Vor dem Weiterleiten hoeren Knoten kurz zu. Wenn sie eine andere Weiterleitung hoeren, unterdruecken sie ihre eigene. SNR-basierte Prioritaet gibt entfernten Knoten kuerzere Wettbewerbsfenster. ROUTER/ROUTER_LATE-Rollen leiten immer weiter. Dies spart ~40–50% der Uebertragungen gegenueber naivem Flooding.
• Next-Hop-Routing (v2.6+) — Nur fuer Direktnachrichten. Die erste DM flutet; das System lernt, welches Relay erfolgreich war. Folge-DMs nutzen nur dieses eine gecachte Relay. Faellt bei Ausfall des Next-Hops auf Flooding zurueck.
• Congestion Scaling (v2.6+) — Netzwerke mit 40+ Knoten strecken Broadcast-Intervalle: Intervall × (1 + (Knoten-40) × 0,075).

Die verbleibende Einschraenkung: Sowohl Managed Flooding als auch Next-Hop skalieren weiterhin mit O(n) pro Nachricht. Das Hop-Limit (3–7) ist notwendig, weil jeder Hop die Uebertragungen proportional zur Netzwerkgroesse vervielfacht. Das erzeugt zusammen mit Halbduplex-Kollisionen eine doppelte Strafe: Nicht nur verschwendet jede Nachricht Bandbreite — die gleichzeitigen Weiterleitungen blockieren sich gegenseitig. Bei 100 Knoten sinkt die Zustellrate auf 27%. Bei 500 Knoten auf 3%. Bei 1000 Knoten auf 0%. Halbduplex und Hop-Limit zusammen machen grosse Netzwerke grundlegend unzuverlaessig.

3. Vergleich der Ansaetze

Vier Routing-Strategien werden auf identischen Netzwerktopologien simuliert und verglichen:

4. System 5 — Die Loesung

System 5 kombiniert sechs bewaehrte Konzepte, jeweils aus einer anderen Domaene entlehnt:

• OSPF Areas → Geo-Cluster — Knoten organisieren sich selbst nach Geohash-Praefix. Vollstaendige Topologie innerhalb der Cluster, nur zusammengefasste Routen dazwischen. Skaliert von 10 bis 50.000+ Knoten.
• B.A.T.M.A.N. OGMs → Qualitaetsmetrik — Periodische Originator-Nachrichten messen die Linkqualitaet durch Zaehlen der Empfangsraten. Keine komplexe Berechnung — nur Ankuenfte zaehlen.
• Gewichtetes ECMP → Load Balancing — Verkehr wird proportional auf 2–3 Routen verteilt. Gute Pfade bekommen mehr Verkehr, aber nie allen. Kein einzelner Engpass.
• Back-Pressure → Staukontrolle — Ueberlastete Knoten melden Warteschlangendruck per Piggyback (2 Bytes, 0,8% Overhead). Verkehr meidet automatisch ueberlastete Pfade.
• Ameisenkolonie-Optimierung → Selbstoptimierung — Erfolgreiche Zustellungen staerken Routen, Timeouts schwaecken sie. Unbenutzte Pfade verblassen. Das Netzwerk lernt durch Erfahrung.
• DNS → Knotenentdeckung — Hierarchischer Standort-Cache. Zuerst lokal fragen, dann Cluster, dann Region. Begrenztes Flooding nur als letzter Ausweg. Antworten werden gecacht.

Die proportionale Verteilung erzeugt eine negative Rueckkopplungsschleife: Ueberlastete Pfade verlieren Gewicht → Verkehr verschiebt sich → Pfad erholt sich → Gewicht steigt. Das Netzwerk balanciert sich selbst ohne zentrale Steuerung.

5. Mathematische Bewertung

Jedes System wurde anhand von sieben gewichteten Kriterien mit 0–10 bewertet:

6. Resilienz & Adaptive QoS

System 5 bewaeltigt jeden kritischen Ausfallmodus mit graceful Degradation:

• Knotenausfall — Sofortiger Failover auf gecachte Backup-Route (0ms). Wenn ein Border-Knoten ausfaellt, uebernimmt ein zweiter. Wenn alle Border-Knoten ausfallen, faellt der Cluster auf lokales Flooding zurueck.
• GPS-Ausfall — Nachbar-Konsens: Wenn 4 von 5 Nachbarn Geohash „u0x8" melden, uebernimmt der GPS-lose Knoten diesen Cluster. Wenn keine Nachbarn GPS haben: „Homeless"-Modus mit lokalem Flooding-Fallback.
• MQTT-Bridge-Ausfall — LoRa-Relay-Subnetze werden aktiviert. Kleine Relay-Knoten zwischen Staedten bilden eine physische Funkbruecke. Langsamer (mehr Hops), aber funktional ohne Internet.
• Vollstaendiger Internetausfall — Lokales Mesh arbeitet weiter. Cluster kommunizieren ueber LoRa-Relay-Ketten. Interkontinentaler Verkehr nutzt DTN (Store-and-Forward).

7. Ergebnisse

Hauptvorteile gegenueber Meshtastics aktuellem Routing:

• O(hops) vs. O(n) — Kosten haengen von der Pfadlaenge ab, nicht von der Netzwerkgroesse. Die fundamentale Skalierungsverbesserung.
• Zustellrate — System 5 liefert in den meisten Szenarien deutlich mehr Nachrichten. Bei 1000 Knoten 46% vs. 0% für Managed Flooding.
• Hop-Limit eliminiert — 20 Hops kosten weniger als Managed Flooding fuer 1 kostet. Ermoeglicht Reichweite und Preset-Freiheit.
• Alle Verkehrstypen — Anders als Next-Hop (nur DMs), routet System 5 alle Nachrichten inklusive Broadcasts.
• Multi-Path-Resilienz — 5 gecachte Pfade mit sofortigem Failover + BFS-Notfall-Reroute.
• Load Balancing — Proportionale Verteilung verhindert Engpaesse. Meshtastic hat keinerlei Lastwahrnehmung.
• Adaptive QoS — NHS pro Cluster mit Prioritaets-Gate. SOS kommt immer durch.

8. Roadmap & Naechste Schritte