Digipeating in APRS
Ein Digipeater ist eine digitale Relaisstation. Er empfängt einen vollständigen AX.25-Frame, analysiert dessen Pfad und sendet ihn erneut aus, wenn die erforderlichen Bedingungen erfüllt sind.
Er arbeitet daher nicht wie ein analoger Repeater, der ein Signal laufend weiterleitet. Ein Digipeater folgt dem Prinzip store and forward:
Frame empfangen ↓Pfad und Regeln prüfen ↓auf Duplikat prüfen ↓Pfadfeld ändern ↓erneut sendenMeist wird das Paket auf demselben Funkkanal erneut ausgesendet, ein Multiport-Digipeater kann Verkehr jedoch auch zwischen unterschiedlichen Kanälen weiterleiten.
Die grundlegende Entscheidung über eine Weiterleitung betrifft das AX.25-Adressfeld und nicht den APRS-Inhalt im Information-Feld. Ein Digipeater muss nicht verstehen, ob ein Paket eine Position, Nachricht, Wetterdaten oder Telemetrie enthält, um dessen Pfad korrekt zu verarbeiten.
Wichtiger Hinweis zur Spezifikation
Die ursprüngliche APRS Protocol Reference beschreibt Pfadformate und APRS-Mechanismen, enthält jedoch keinen vollständigen und eindeutigen Algorithmus für einen modernen Digipeater.
Daher entstanden im Laufe der Jahre Implementierungen, die sich in Einzelheiten unterscheiden.
Dieser Artikel verwendet als Bezugspunkte:
- das moderne, nachvollziehbare New-N-Modell,
- die Empfehlungen von APRS 1.1,
- den Referenzalgorithmus von John Langner WB2OSZ aus dem Dokument APRS Digipeater Algorithm.
Wo sich ältere Geräte oder andere Implementierungen abweichend verhalten können, wird dies ausdrücklich erwähnt.
AX.25-Pfadfeld
Ein beispielhaftes APRS-Paket kann so aussehen:
SQ9MDD-7>APBOX0,WIDE1-1,WIDE2-1:...Nach Source Address und Destination Address folgen die Digipeater-Adressen:
WIDE1-1,WIDE2-1AX.25 erlaubt maximal acht Digipeater-Adressen in einem Frame.
Jede dieser Adressen enthält unter anderem ein H-Bit, also Has Been Repeated. Dieses Bit zeigt an, ob das betreffende Pfadelement bereits verwendet wurde.
Der Digipeater trifft seine Entscheidung anhand des ersten noch nicht verwendeten Pfadelements.
Bereits verwendete Elemente werden nicht erneut verarbeitet.
H-Bit und *-Markierung
In der textuellen Monitordarstellung wird der Zustand des H-Bits mit:
*angezeigt.
Beispiel:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5ABC*:...bedeutet, dass die Adresse SR5ABC bereits für eine Weiterleitung verwendet wurde.
* ist weder Teil des Rufzeichens noch des Alias. Es ist eine textuelle Darstellung des Zustands im AX.25-Adressfeld.
Nur die zuletzt verwendete Adresse trägt *
Im klassischen Monitorformat wird das Zeichen * an die zuletzt verwendete Digipeater-Adresse gesetzt.
Wenn der Pfad so aussieht:
SR5AAA,SR5BBB*bedeutet das, dass:
SR5AAASR5BBBverwendet wurden und SR5BBB das zuletzt verwendete Element ist.
Eine Darstellung wie:
SR5AAA*,SR5BBB*kann von manchen Programmen als direkte Visualisierung einzelner H-Bits angezeigt werden, entspricht aber nicht der Standardkonvention des klassischen Monitorformats. In der Standarddarstellung werden früher verwendete Adressen durch die Position des letzten Sternchens impliziert.
Weiterleitung über konkrete Rufzeichen
Der einfachste Fall liegt vor, wenn die Quellstation konkrete Digipeater-Rufzeichen in den Pfad einträgt:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA,SR5BBB:...SR5AAA erkennt sein eigenes Rufzeichen als erstes noch nicht verwendetes Pfadelement.
Nach der Weiterleitung erhalten wir:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA*,SR5BBB:...Danach kann SR5BBB das nächste Element verwenden.
Nach dessen Weiterleitung sieht die Standard-Monitordarstellung so aus:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA,SR5BBB*:...Im eigentlichen AX.25-Feld ist das H-Bit für beide verwendeten Adressen gesetzt.
Diese Arbeitsweise entspricht Routing über ausdrücklich angegebene Digipeater.
Aliasse
APRS verlangt nicht, dass die Rufzeichen aller Digipeater entlang des Pfades bekannt sind. Stattdessen werden häufig Aliasse verwendet.
Ein Digipeater kann reagieren auf:
- sein eigenes Rufzeichen,
- einen konfigurierten einfachen Alias,
- einen Alias vom Typ WIDEn-N,
- lokale oder regionale Aliasse nach ähnlichen Regeln.
Wenn ein Alias nachvollziehbar sein soll, sollte ein moderner Digipeater sein eigenes Rufzeichen im Pfad hinterlassen, damit später erkennbar ist, welchen tatsächlichen Weg das Paket genommen hat.
Ein nachvollziehbarer Alias wie:
TEMPkann nach der Weiterleitung ersetzt werden durch:
SR5ABC*Es gibt auch nicht nachvollziehbare Alias-Implementierungen, die den Alias lediglich als verwendet markieren. Moderne APRS-Praxis bevorzugt jedoch Pfade, aus denen sich der tatsächliche Weg eines Pakets rekonstruieren lässt.
WIDEn-N
Der wichtigste moderne Mechanismus für allgemeines APRS-Digipeating ist WIDEn-N.
Beispiel:
WIDE2-2Die erste Zahl:
2definiert die Alias-Klasse WIDE2.
Die zweite Zahl:
2ist der Zähler der noch verbleibenden Nutzungen dieses Pfadelements.
Vereinfacht:
WIDE2-2 ^ 2 Nutzungen verbleibenJeder korrekt arbeitende WIDEn-N-Digipeater verringert die zweite Zahl bei der Weiterleitung.
Wenn N größer als 1 ist
Das Paket:
SQ9MDD-7>APBOX0,WIDE2-2:...wird vom Digipeater SR5AAA empfangen.
Nach der Weiterleitung:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA*,WIDE2-1:...Der Digipeater:
- hat sein Rufzeichen in den Pfad eingefügt,
- es als verwendet markiert,
- den Zähler von
2auf1reduziert.
Das verbleibende:
WIDE2-1ist nun das erste noch nicht verwendete Pfadelement und kann von einem weiteren Digipeater verarbeitet werden.
Wenn N gleich 1 ist
Empfängt ein weiterer Digipeater SR5BBB:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA*,WIDE2-1:...ist der Zähler danach aufgebraucht.
Im Referenzalgorithmus bleibt kein sinnloses:
WIDE2-0im Pfad stehen.
Der Alias wird durch das Rufzeichen des Digipeaters ersetzt.
In der Standard-Monitordarstellung ergibt sich:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA,SR5BBB*:...Das Paket hat den gesamten vorgesehenen Abschnitt WIDE2-2 verbraucht.
Einige ältere Implementierungen können einen aufgebrauchten Alias mit gesetztem H-Bit im Pfad belassen, weshalb in realen Logs auch andere Darstellungen vorkommen können.
Wenn N gleich 0 ist
Ein Element wie:
WIDE2-0ist aufgebraucht und sollte keine weitere Weiterleitung auslösen.
In einem korrekt erzeugten Pfad sollte dieser Zustand nicht als erste noch nicht verwendete Adresse auftreten.
WIDE1-1 und Fill-in-Digipeater
Der Alias:
WIDE1-1hat in einer typischen APRS-Netzarchitektur eine besondere Bedeutung.
Er wird vor allem für den ersten lokalen Hop über einen Fill-in-Digipeater verwendet, also eine Station mit kleinerer Reichweite an einem Ort, an dem Benutzer keinen guten direkten Zugang zu den großen Digipeatern haben.
Ein Beispielpfad:
WIDE1-1,WIDE2-1kann folgendermaßen verarbeitet werden.
Ausgangspaket:
SQ9MDD-7>APBOX0,WIDE1-1,WIDE2-1:...nach dem lokalen Fill-in SR5FILL:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5FILL*,WIDE2-1:...danach nach dem Haupt-Digipeater SR5WIDE:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5FILL,SR5WIDE*:...Ein Fill-in sollte entsprechend seiner lokalen Aufgabe konfiguriert sein. Ein typischer Fill-in reagiert auf WIDE1-1, sollte sich jedoch nicht wie ein vollwertiger Wide-Area-Digipeater verhalten, der beliebige WIDEn-N verarbeitet.
Die Wahl eines Pfades aus Sicht des Benutzers ist ein eigenes Thema. Hier ist nur wichtig, wie die einzelnen Pfadelemente verarbeitet werden.
Das erste noch nicht verwendete Element ist entscheidend
Der grundlegende Digipeater-Algorithmus durchsucht den Pfad nicht beliebig nach einem Element, das er verarbeiten kann.
Vorrangig betrachtet wird:
die erste noch nicht verwendete Digipeater-Adresse.
Bei:
SR5AAA*,WIDE2-1,SR5XYZist das erste noch nicht verwendete Element:
WIDE2-1SR5XYZ steht später im Pfad und sollte im Normalbetrieb nicht über WIDE2-1 hinweg “springen”.
Diese Regel erhält die vom Sender vorgegebene Pfadreihenfolge und verhindert ein willkürliches Überspringen einzelner Elemente.
Preemptive Digipeating
Einige moderne Implementierungen bieten optionales preemptive digipeating.
Dieser Mechanismus erlaubt einem Digipeater, sein eigenes Rufzeichen oder einen bestimmten Alias weiter hinten im noch nicht verwendeten Teil des Pfades zu finden und trotz vorheriger Elemente zu reagieren.
Zum Beispiel:
WIDE1-1,SR5ABCwürde normalerweise erfordern, dass zuerst WIDE1-1 verwendet wird.
Preemptive Digipeating kann SR5ABC erlauben, das Paket früher zu übernehmen.
Dies ist jedoch keine grundlegende Regel des klassischen APRS-Digipeatings. Es verändert die Semantik der Pfadreihenfolge und sollte bewusst eingesetzt werden. Das genaue Verhalten hängt von der jeweiligen Implementierung ab.
Duplikatunterdrückung
Der WIDEn-N-Zähler und die H-Bits allein reichen nicht aus, um das Netz zu schützen.
Ein Digipeater muss auch Duplikate erkennen.
Dieselbe ursprüngliche Aussendung kann von mehreren benachbarten Digipeatern empfangen werden und anschließend über unterschiedliche Wege erneut bei einem davon eintreffen.
Ohne einen Speicher kürzlich weitergeleiteter Pakete würde das Netz sehr schnell immer neue Kopien derselben Information erzeugen.
Im WB2OSZ-Referenzalgorithmus merkt sich der Digipeater kürzlich weitergeleitete Pakete typischerweise für ungefähr:
30 sTaucht dasselbe Paket innerhalb dieses Zeitfensters erneut auf, wird es nicht noch einmal weitergeleitet.
Der Pfad darf nicht Teil des Duplikatvergleichs sein
Das ist sehr wichtig.
Derselbe Frame kann nach dem Durchlaufen unterschiedlicher Digipeater verschiedene Pfade besitzen:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA*:...und:
SQ9MDD-7>APBOX0,SR5BBB*:...und dennoch können beide Kopien derselben ursprünglichen Aussendung sein.
Das Pfadfeld darf daher nicht darüber entscheiden, ob ein Paket ein Duplikat ist.
Der WB2OSZ-Referenzalgorithmus vergleicht:
- Source Address,
- Destination Address, wobei dessen SSID ignoriert wird,
- das Information-Feld,
und ignoriert die Digipeater-Adressen.
Implementierungen speichern häufig einen Hash dieser Daten anstelle des gesamten Frames.
Warum ein Digipeater die Paketdaten nicht verändern sollte
Beim normalen modernen Digipeating ändert sich der Digipeater-Pfad.
Ein Digipeater sollte nicht verändern:
Source AddressDestination AddressInformationWürde eines dieser Felder geändert, wäre die weitergeleitete Kopie aus Sicht der Duplikaterkennung nicht mehr derselbe Frame.
Das ist besonders wichtig, weil unterschiedliche Kopien derselben Aussendung über verschiedene Pfade laufen können, aber trotzdem als dasselbe Paket erkannt werden müssen.
Der historische Routing-Mechanismus über Destination SSID war eine Ausnahme von dieser modernen Regel, ist heute jedoch veraltet und sollte nicht als Grundlage neuer Implementierungen dienen.
Schutz vor Schleifen
Ein korrekt arbeitendes APRS-Netz verwendet mehrere unabhängige Schutzmechanismen:
- Das H-Bit markiert bereits verwendete Pfadelemente.
- Die erste noch nicht verwendete Adresse erzwingt die Verarbeitungsreihenfolge.
- Der WIDEn-N-Zähler begrenzt die Zahl weiterer Weiterleitungen.
- Duplikatunterdrückung verhindert, dass dieselbe Aussendung, die über einen anderen Weg empfangen wurde, erneut gesendet wird.
- Nachvollziehbarkeit durch das eigene Rufzeichen des Digipeaters macht den tatsächlichen Weg sichtbar und hilft, fehlerhaftes Netzverhalten zu erkennen.
Keiner dieser Mechanismen ersetzt die anderen.
Traced und non-traced Digipeating
Historisch gab es zwei wichtige Arten, Aliasse zu behandeln.
Non-traced
Der Alias blieb im Pfad und nur sein Zustand oder Zähler wurde verändert.
Aus einer solchen Darstellung ließ sich nicht eindeutig erkennen, welcher physische Digipeater die Weiterleitung durchgeführt hatte.
Traced
Der Digipeater fügt sein eigenes Rufzeichen in den Pfad ein.
Beispiel:
WIDE2-2nach dem ersten Hop:
SR5AAA*,WIDE2-1Dadurch kann der Empfänger den tatsächlichen Weg des Pakets rekonstruieren.
Das moderne New-N Paradigm bevorzugt nachvollziehbares WIDEn-N gerade deshalb, weil es Analyse, Diagnose und Verwaltung des Netzes ermöglicht.
RELAY, WIDE und TRACE - historische Mechanismen
In älterer APRS-Dokumentation finden sich Pfade wie:
RELAYWIDETRACETRACEn-NSie dürfen nicht mit dem heutigen:
WIDE1-1WIDEn-Nverwechselt werden.
Die alten Aliasse RELAY, einfaches WIDE und TRACE wurden im Rahmen des New-N Paradigm außer Betrieb genommen, weil ältere Implementierungen damit große Mengen an Duplikaten erzeugten und keine ausreichende Kontrolle über den Netzverkehr boten.
APRS 1.1 und spätere Empfehlungen führen neue Implementierungen zu nachvollziehbarem WIDEn-N und kleinen, durch die lokalen Netzbedingungen begründeten N-Werten.
Artikel und Konfigurationen mit RELAY,WIDE sollten als historisches Material betrachtet werden.
Begrenzung zu großer N-Werte
Ein moderner Digipeater muss nicht jeden vom Benutzer gesendeten Wert:
WIDEn-Nuneingeschränkt akzeptieren.
Implementierungen können lokale Grenzwerte und Schutzmechanismen für übermäßig große Werte verwenden, damit eine einzelne falsch konfigurierte Station nicht unnötig einen großen Teil des gemeinsamen Kanals belegt.
Ein Paket mit einem sehr aggressiven Pfad kann zum Beispiel:
- verworfen,
- auf einen Hop begrenzt,
- entsprechend lokaler Regeln umgeschrieben werden.
Dies schützt die gemeinsam genutzte Kanalressource und ändert nicht die grundsätzliche Bedeutung von WIDEn-N.
Maximale Pfadlänge
AX.25 erlaubt maximal acht Digipeater-Adressen.
Das ist für nachvollziehbares WIDEn-N wichtig, weil aufeinanderfolgende Digipeater ihre Rufzeichen in den Pfad einfügen können.
Ist die Adressliste bereits voll, kann eine Implementierung nicht unbegrenzt weitere Elemente hinzufügen.
Der Referenzalgorithmus berücksichtigt diese Grenze beim Umschreiben des Pfades.
Neue Systeme sollten keine künstlich langen Routen erzeugen. Im praktischen APRS geht es um einen wirksamen Zugang zum lokalen Netz, nicht um die Maximierung der Hop-Anzahl.
Verzögertes und “viscous” Digipeating
Einige Implementierungen verwenden zusätzlich einen Mechanismus zur verzögerten Weiterleitung.
Der Digipeater:
- stellt fest, dass das Paket zur Weiterleitung geeignet ist,
- sendet es nicht sofort,
- hört für kurze Zeit, ob ein anderer Digipeater denselben Frame weiterleitet,
- verwirft seine eigene Aussendung, wenn er eine passende Kopie hört.
Dadurch kann die Zahl gleichzeitiger Weiterleitungen im Netz reduziert werden.
Dies ist kein grundlegender Bestandteil des APRS- oder AX.25-Formats. Es handelt sich um eine Implementierungsstrategie, die von manchen Programmen und Geräten verwendet wird.
Was verändert ein Digipeater tatsächlich?
Für modernes standardmäßiges Digipeating lässt sich die wichtigste Regel in einem Satz zusammenfassen:
Ein Digipeater leitet dasselbe Paket weiter und ändert nur die Informationen, die zur Verarbeitung des AX.25-Pfades erforderlich sind.
Beispiel:
vorher:SQ9MDD-7>APBOX0,WIDE2-2:!5213.45N/02100.12E>Test
nach dem ersten Digi:SQ9MDD-7>APBOX0,SR5AAA*,WIDE2-1:!5213.45N/02100.12E>TestUnverändert blieben:
SQ9MDD-7 Source AddressAPBOX0 Destination Address!5213.45N/02100.12E>Test InformationGeändert wurde nur der Pfad:
WIDE2-2zu:
SR5AAA*,WIDE2-1Diese Trennung ist entscheidend für korrektes Routing, Pfadverfolgung und Duplikatunterdrückung.
Quellen
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