Здравейте.
Според теорията за простотата на Айнщайн, основният показател за разбиране на предмета е способността да се обясни максимално просто, така че и в тази статия ще се опитам максимално ясно и подробно да обясня функцията на една единствена част от новия стандарт, която по някаква причина дори Wi-Fi Alliance счита за недостойна да се споменава в инфографиката за новите възможности на Wi-Fi 6, въпреки че, както скоро ще видим заедно, тя е много важна и забележителна. Тук не всичко е достатъчно дълбоко и определено не е всеобхватно (защото е трудно да се яде такъв слон дори на части), но се надявам, че ще открием нещо ново и интересно от моите словесни упражнения.
Този 802.11ax, на който чакаме от ден на ден вече поне две години, носи с себе си много ново и удивително. Пред всеки, който иска да разкаже нещо за него, винаги стои избор: или да направи обзорно скокове през главите, спомняйки си ведро абревиатури и съкращения, опитвайки се да не затъне в сложните механизми под капака на всяко от тях, или да представи часова лекция за нещо едно, което най-много допада на автора. Аз рискувам да отида още по-далеч: по-голямата част от моята бележка ще бъде посветена дори не на новото!
И така, вече над двадесет години част от безжичните мрежи за предаване на данни се изграждат на база различни стандарти от семейството 802.11, и, като всеки уважаващ се докладчик, трябваше да възстановя малко хронологията на цялата събитийна верига, която е дала на света милиарди съвместими устройства — но, като уважавам читателя, ще рискувам да не го направя. Впрочем, би следвало да си припомним някои неща.
Всички итерации на Wi-Fi поставяха акцент върху надеждността, а не максимизацията на пропускателната способност. Това произлиза от механизма за достъп до средата (CSMA/CA), който не е най-оптималният що се отнася до извличането на последните килобити в секунда от предавателната среда (по-подробно за недостатъците на света като цяло и Wi-Fi в частност можете да прочетете в статията на бившия ми колега ), но изключително издръжлив в практически всякакви условия. Всъщност, можете да нарушите почти всички основи на проектирането на Wi-Fi мрежи — и в такава мрежа все пак ще се извършва обмен на данни! Целият механизъм, който позволява на клиентите на Wi-Fi мрежата да предават и/или получават своите дялове от данни, е насочен към осигуряване на това, което на английски език се нарича с труднопереводимия термин robustness. Целият слой от нанесени повърхностно модулации, агрегации на данни (не съвсем точно, но нека бъде така!) продължава да работи дори след прилагането на двата основни принципа на 802.11, които осигуряват тази ненадмината надеждност:
- “Докато говори един — останалите мълчат”;
- “Всичко, освен данните, се казва бавно и ясно”.
Вторият пункт нанася много по-голямо увреждане на пропускателната способност на мрежата, отколкото може да изглежда на пръв поглед. Ето страхотна картинка, която илюстрира един изпратен дял данни в мрежата Wi-Fi:
Нека да разгледаме какво означава тя за обикновените хора, които не знаят колко страници има в стандарта 802.11-2016. Скоростта на предаване на данни, която системата записва в свойствата на безжичната мрежа и която маркетолозите на различни производители рисуват на кутииите на точките за достъп (сигурен съм, че сте я виждали — 1,7 Гб/с! 2,4 Гб/с! 9000 Гб/с!), не само че е пикова и максимална при 100% заето време за предаване, но също така е скоростта, с която ще се изпрати само синята част на тази красива графика. Всичко останало ще бъде прехвърлено със скорост, която на английски език наричат management rate (и на руски също, защото превеждането на такива изрази заплашва с по-нататъшно непонимание между инженерите), а тази скорост е по-ниска не просто многократно, а в СТОТИ пъти. Например, без никакви допълнителни настройки, мрежа на 802.11ac, която може да работи с клиенти на канална скорост 1300 Мб/с, предава цялата служебна информация (всичко, което не е синьо на нашата все по-страшна графика) на management rate 6 Мб/с. Двеста и повече пъти по-бавно!
Логичен въпрос — на коя дата и в кой месец тази вредна идея изобщо може да е попаднала в стандарта, по който работят милиарди устройства по целия свят? Логичният отговор е — съвместимост, съвместимост, съвместимост! Мрежата на новата точка за достъп трябва да осигури възможност за работа на десет и дори петнадесетгодишни устройства, и именно през всички тези “не-сини” парчета минава информация, която бавните стари устройства ще чуят, правилно разберат и няма да се опитват да изпращат своите данни по време на свръхскоростни данни. Устойчивостта изисква жертви!
Сега съм готов да дам на всеки, който се интересува, незаменим инструмент, за да се ужасят от безцелно губещите се в съвременния Wi-Fi потенциални предадени мегабити — това е вече задължителният за изучаване инструмент в свързаните инженерни кръгове. Калкулатор на WiFi AirTime с авторството на норвежкия ентусиаст от 802.11 Gjermund Raaen. Той е достъпен на — резултатът от неговата работа изглежда приблизително така:
Ред 1 — времето, необходимо за предаване на пакет от данни с дължина 1512 байта от устройство 802.11n с ширина на канала 20 MHz.
Ред 2 — времето, необходимо за предаване на същия пакет от устройство с такава съща антена, но работещо по стандарта 802.11ac в канал с ширина 80 MHz.
Как така — „разбито“ е в четири пъти повече ефир, максималната модулация се усложни от 64QAM до 256QAM, каналната скорост е по-голяма с ШЕСТ пъти (433 Mb/s вместо 72 Mb/s), а спечелихме от сила 25% време заетост на ефира?
Съвместимост и два принципа на 802.11, помните ли?
Добре, как можем да поправим такава несправедливост и разточителство — ще попитаме, както вероятно се е питала всяка работна група на IEEE, която е започнала създаването на стандарта? Наум ми идват няколко логични начина:
- Ускоряване на предаването на данни в „зеленото“ парче на графиката. Това се прави с всяко излизане на стандарт, защото големите числа изглеждат красиво на кутии. На практика, както току-що отбелязахме, дава крайно увеличение — дори ако ускорим каналната скорост до сто хиляди милиона гигабита в наносекунда, всички останали части на графиката няма да изчезнат. Именно затова препоръчвам в разказите за всички нови стандарти 802.11 да се пропускат абзаците, където се споменават мегабити в секунда.
- Ускоряване на всички останали части от графика. Наистина, ако удвоим скоростта, с която се предава всичко "не-зелено" (или "не-синьо", ако все още разглеждате предишната картинка), ще получим малко под 50% увеличение на реалната пропускателна способност – разбира се, с риска от загуба на съвместимост с устройствата и множество подробности, за които ще научите, когато започнете подготовката си за изпита за гордо звание CWNA 🙂 Спойлер: не винаги е възможно да се направи това, след внимателно обмисляне и разбиране на последствията. Всъщност, това е нарушение на един от двата принципа на 802.11, така че трябва да бъдете много внимателни!
- Съединяване на няколко от тези фреймове с зелени части заедно. Колкото по-дълга е зелената част, толкова по-ефективно работи увеличението на канална скорост. Да, това е напълно работеща стратегия, която се появи още в 802.11n и е един от няколкото основополагаещи камъка на неговата революционност. Проблемът е, че някои приложения не проявяват интерес към такава агрегация (например, черешовото Voice over Wi-Fi) и редица устройства също не се интересуват от нея (някога се опитах да улавям поне няколко от агрегирани фреймове в реалната мрежа на компанията, в която работя, но от >500к "записани" кадри агрегирани, не получих нито един. Вероятно проблемът е в методологията ми за събиране на данни, но съм готов да я обсъдим с всеки желаещ на лично събрание!).
- Нарушаване на първия от двата принципа на 802.11, като започнете да говорите, когато говори някой друг. И точно тук на помощ идва 802.11ax.
Какво прекрасно удовлетворение, най-накрая достигнах до самия Wi-Fi 6 в разказа си! Ако все още четете това, то вие или трябва да го правите по някаква причина, или наистина ви интересува. И така, макар 802.11ax да наследява значителна част от предишната работа на цялото семейство 802.11 (и не само, между другото – някои страхотни неща се появиха изцяло в 802.16, известен и като WiMAX), все пак има и нови и оригинални елементи. Обикновено на тези думи се лепи такава картинка, налична на сайта на Wi-Fi Alliance:
Както споменах в самото начало, бихме могли да разгледаме в една удобочитаема статия само един от тези ключови аспекти, а именно, нито един от показаните на картинката (неочаквано, нали?). Сигурен съм, че вече сте чели хиляди обобщения на всеки от тези осем ключови елемента, но аз ще продължа дългия си разказ за OFDMA — за многократния достъп до средата (MU-access control), който, както виждаме, не е включен в инфографиката. А напразно!
Многократният достъп е това, без което разделянето на канала на поднесущи няма смисъл. Защо да се опитваме да разглядаме различни парчета от спектъра, ако няма механизъм, способен да накара клиентите на новата мрежа Wi-Fi 6 да нарушат едно от неизменните правила и да започнат да говорят едновременно? И, разбира се, такъв механизъм трябваше да се появи — за да намали влиянието на проблема с "дългата" информация. Как? Много просто: нека "бавната", служебна част да се разпространява както и преди, но "бързата" част, в която се предават данните, да се изпрати едновременно от няколко (или на няколко) устройства по команда! Изглежда приблизително така:
Изглежда сложно, но в същността си е доста лесно за обяснение: точката за достъп с помощта на специален фрейм, разбираем за всички (дори не за Wi-Fi 6!) устройства, съобщава, че е готова да предава данни едновременно на STA1 и STA2. Осколките на този фрейм са напълно разбираеми дори за много стари клиенти, които правилно заключават, че радиото ще бъде заето за определено време с предаване на информация на други клиенти в мрежата, и започват да отчитат времето до края на този период (както винаги в Wi-Fi). А устройствата STA1 и STA2 разбират, че в момента данните ще им бъдат предадени по нов начин, едновременно, на всяко от тях на тяхната част от канала, и отговарят на точката за достъп също едновременно, след което синхронно потвърдят приемането на кадъра (всяко с своя доза данни!), и средата отново се освобождава. "Отдолу нагоре" това работи приблизително по същия начин:
Основната и очевидна разлика е, че точката за достъп в тази ситуация уведомява станциите, които могат да комуникират едновременно, когато да започнат предаването, чрез специален кадър, който се нарича Trigger. Това е, по същество, новият „спусък“ на целия механизъм на множество едновременни достъпи до средата, който, според мен, е една от най-важните иновации „под капака“ на новия стандарт. Именно в него клиентите получават „разписание“ как да разделят един частотен канал помежду си; именно в него клиентите съобщават на точката за достъп, че са получили своите данни и са успели да ги обработят. В него точката за достъп уведомява всички, които могат да „говорят“ едновременно, за началото на данни предавания — в него също точката за достъп стартира изпращането на необходимите данни. Новият механизъм Trigger frame, по същество, позволява да се намали нерационалното използване на радиочестотите — и то толкова ефективно, колкото много клиенти могат да го използват и да го възприемат коректно!
Сега да формулираме основните тези, които произтичат от всичко това дълго разказване и искат да бъдат TL;DR:
- Точките за достъп на новия стандарт 802.11ax, дори опирайки се само на едно от многото нововъведения, ще започнат да увеличават общата пропускателна способност на цялата мрежа от второ съвместимо клиентско устройство! След като се появят поне двама клиенти, които могат да говорят едновременно, при равни условия (нямам причина да смятам, че драйверите за клиентските радиомодули ще бъдат написани по-добре, отколкото преди, и следователно агрегацията на „полезните“ части от кадрите и много други клиентозависими функции все още ще работят слабо) те ВЕЧЕ ще увеличат средната пропускателна способност. Така че, ако обмисляте нова Wi-Fi мрежа — има смисъл веднага да разгледате най-новите и най-добрите точки за достъп, защото, дори ако в момента клиентите за тях са още малко — ситуацията няма да остане така дълго.
- Всички трикове и хитрости, които днес са в арсенала на добрия безжичен инженер, ще останат актуални дълго време – механизмът за достъп до средата, макар и обновен, наруши устоялите се повече от 20 години основни принципи, но все още поставя на първо място съвместимостта. Все още е необходимо да се отсека „бавните“ management rates (и все още е необходимо да се разбере защо и кога), все още е необходимо правилно да се планира физическото ниво, тъй като никакъв механизъм на канално ниво няма да сработи, ако има проблеми на физическото. Просто се появи възможността да се прави още по-добре.
- Почти всички решения в Wi-Fi 6 се взимат от точката за достъп. Както виждаме, тя управлява достъпа на клиентите до средата, обединявайки устройства в „периоди“ на едновременна работа. Отклонявайки се малко встрани – работата на TWT също е напълно на раменете на точката за достъп. Сега точката за достъп трябва не само да „предава мрежата“ и да съхранява трафика в опашки, но и да следи всички клиенти, планирайки как да ги обедини по най-изгоден начин въз основа на техните пропускателни способности и нужди от трафик, техните батерии и много-много друго – наричам този процес „оркестрация“. Алгоритмите, по които точката за достъп ще взима всичките тези решения, не са регламентирани, което означава, че истинското качество и структурният подход на производителите ще се проявят именно в разработката на алгоритми за оркестрация. Колкото по-точно точките прогнозират нуждите на клиентите, толкова по-добре и равномерно ще могат да ги обединят в групи за многократен достъп – следователно, ресурсите на енергията ще се използват по-рационално и крайната пропускателна способност на тази точка за достъп ще бъде по-висока. Алгоритъмът е последната граница!
- Преходът от Wi-Fi 5 към Wi-Fi 6 по същността и важността си е също толкова революционен, колкото преходът от 802.11g към 802.11n. Тогава получихме многопоточност и агрегация на „полезната натовареност“ - сега получаваме едновременен достъп до средата и накрая работещи MU-MIMO и Beamforming (на първо място, както знаем, това е почти същото; на второ място, дискусията „защо MU-MIMO в 802.11ac беше измислен, но не можа да се накара да работи“ - това е тема за отделна голяма статия 🙂 ). И 802.11n, и Wi-Fi 6 работят и в двата диапазона (2,4 GHz и 5 GHz), за разлика от „промеждутъците“ предшественици - наистина, „шест е новото четири“!
Няколко думи за произхода на тази статия
Статията беше написана за конкурс, организиран от компанията Huawei (първоначално беше публикувана ). В голяма степен разчитах при нейното написване на собственото си изказване на конференцията „Безпроводов“, която се проведе през 2019 година в Санкт Петербург (записът от изказването може да се види , просто имайте предвид - звукът там, меко казано, не е най-добрият, въпреки питерския произход на видеото!).
Източник: habr.com
