Здравей.
Ако се вярва на теорията за простотата на Айнщайн, основният показател за разбирането на предмета е способността да го обясниш максимално просто, така че и в този пост ще се опитам да обясня действието на едно единствено ново детайл, което по някаква причина дори Wi-Fi Alliance счита за недостойно да се споменава в инфографиката за новите възможности на Wi-Fi 6, въпреки че, както скоро ще се убедим, то е много важно и забележително. Тук не всичко е достатъчно дълбоко и определено не е всеобхватно (защото е трудно да се изяде дори слон на части), но се надявам, че ще извлечем нещо ново и интересно от моите словесни упражнения.
Този 802.11ax, който чакаме от ден на ден вече поне две години, носи със себе си много ново и изненадаващо. Всеки, който иска да разкаже нещо за него, винаги стои пред избора: или да направи обзорни скокове, споменавайки куп абревиатури и съкращения, опитвайки се да не затъне в сложни механизми, стоящи зад всеки от тях, или да завие в часова презентация за нещо едно, което най-много му харесва. Аз ще рискувам да отида още по-далеч: по-голямата част от моята забележка ще бъде посветена дори не на новото!
И така, вече повече от двадесет години част от безжичните мрежи за предаване на данни се строят върху куп стандарти от семейството 802.11, и, като всякакъв уважаващ себе си докладчик, трябваше да възстановя малко времевата линия на цялата верига от събития, която дари на света милиарди съвместими устройства — но, като уважаващ читателя автор, ще рискувам да не го направя. Въпреки това, някои неща следва да си напомним.
Всички итерации на Wi-Fi поставяха надеждността на първо място, а не максимизацията на пропускателната способност. Това произтича от механизма за достъп до среда (CSMA/CA), който не е най-оптималният от гледна точка на извличането на последните килобити в секунда от предавателната среда (повече за несъвършенствата на света като цяло и на Wi-Fi в частност, можете да прочетете в статията на моя бивш колега ), но невероятно издръжливо при практически всякакви условия. Всъщност, може да нарушите почти всички основи на проектирането на Wi-Fi мрежи — и в такава мрежа все пак ще се осъществява обмен на данни! Целта на целия механизъм, по който клиентите на Wi-Fi мрежата получават възможност да предават и/или приемат своите дялове данни, е свързана с това, което на английски език се нарича с труднопереводимия термин robustness. Целият слой с насложени повишения на модулации, агрегация на кадри с данни (не точно така, но да бъде!) продължава да функционира дори след двата основни принципа на 802.11, които осигуряват тази ненадмината надеждност:
- “Докато един говори — другите мълчат”;
- “Всичко, освен данните, се казва бавно и ясно”.
Вторият аспект нанася значителен удар по пропускната способност на мрежата, много по-голям от този, който може да се види на пръв поглед. Ето една страхотна картинка, илюстрираща един изпратен фрагмент от данни в мрежа Wi-Fi:
Нека да разберем какво означава това за обикновените хора, които не знаят колко страници има в стандарта 802.11-2016. Скоростта на предаване на данни, която системата посочва в характеристиките на безжичната мрежа и която маркетолозите на всякакви производители изобразяват на опаковките на точките за достъп (сигурно сте ги 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 предаде само синята част на тази красива графика. Всичко останало ще се прехвърля на скорост, която на английски език се нарича management rate (и на руски също, защото превеждането на такива изрази би могло да породи допълнителни неразбирания между инженерите), и която е по-ниска не просто многократно, а с СТОТИ пъти. Например, без никакви допълнителни настройки, мрежата на 802.11ac, която може да работи с клиенти на канална скорост от 1300 Мб/с, предава цялата служебна информация (всичко, което не е синьо на нашата ставаща все по-страшна графика) на management rate от 6 Мб/с. Над двеста пъти по-бавно!
Логичен въпрос — каква, извинете, дата на кой месец такава вредителска идея въобще може да попадне в стандарта, по който работят милиарди устройства по целия свят? Логичен отговор — съвместимост, съвместимост, съвместимост! Мрежата на най-новата точка за достъп трябва да осигури възможност за работа на десет- и дори петнадесетгодишни устройства, и именно във всички тези "не-сини" парчета се предава информация, която бавните старши устройства ще чуят, правилно ще разберат и няма да се опитват по време на свръхскоростните парчета данни да предават своите. Robustness изисква жертви!
Сега съм готов да дам на всеки заинтересован незаменим инструмент, за да се ужаси от безцелно губещите се в съвременния Wi-Fi потенциални предадени мегабити — това е станало вече задължително за изучаване в свързаните инженерни кръгове Калкулатор на WiFi AirTime на норвешкия ентусиаст от 802.11 Gjermund Raaen. Той е достъпен на — резултатът от неговата работа изглежда приблизително така:
Ред 1 — времето, похарчено за предаване на пакет данни с размер 1512 байта от устройство 802.11n с ширина на канала 20 МГц.
Ред 2 — времето, похарчено за предаване на такъв пакет от устройство с такава сама антена, но работещо по стандарта 802.11ac в канал с ширина 80 МГц.
Как така — "повреден" е в четири пъти повече ефир, максималната модулация се усложни от 64QAM до 256QAM, канална скорост е по-висока в ШЕСТ пъти (433 Мб/с вместо 72 Мб/с), а спечеленият времеви ресурс е максимум 25%?
Съвместимост и два принципа 802.11, помните ли?
Добре, как можем да поправим такава несправедливост и разточителство — ще се запитаме, как, вероятно, е питала себе си всяка работна група на IEEE, която е започвала работа по създаването на стандарта? Наум ми идват няколко логични пътища:
- Ускоряване на предаването на данни в "зеления" участък на графиката. Това се прави при излизането на всеки стандарт, тъй като големите числа изглеждат хубаво на кутии. На практика, както току-що забелязахме, дава краен ръст — дори ако ускорим канала до сто хиляди милиона гигабита в наносекунда, всички останали части от графиката няма да изчезнат. Именно затова препоръчвам в разказите за новите стандарти 802.11 да пропуснете абзаците, в които се споменават мегабити в секунда.
- Да ускорим останалите части на графика. Всъщност, ако поне удвоим скоростта, с която се предава всичко "не-зелено" (или "не-синьо", ако все още гледате на предишната картинка), ще получим малко под 50% увеличение на реалната пропускна способност - но това идва със загуба на съвместимост с устройствата и редица нюанси, за които ще разберете, когато започнете да се готвите за изпита за престижната титла CWNA 🙂 Спойлер: не винаги ще успеете да го направите, затова внимателно обмислете и разберете до какво води. Всъщност, това е нарушение на един от двата принципа на 802.11, така че трябва да бъдете много внимателни!
- Да съберем на едно място няколко такива фрейма със зелени части. Колкото по-дълга е зелената част, толкова по-ефективно работи увеличаването на каналната скорост. Да, това е напълно работеща стратегия, която се появи още в 802.11n и представлява един от няколкото основни камъка на неговата революционност. Проблемът е, че, от една страна, редица приложения не се интересуват от такава агрегация (например, онзи кръвожаден Voice over Wi-Fi), а, от друга страна, редица устройства също не се интересуват от нея (опитах се да уловя поне няколко такива агрегирани фрейма в реална мрежа на компанията, в която работя, но от >500k "засечени" кадри агрегирани от тях беше точно нула. Вероятно проблемът е в моята методология за събиране на данни, но съм готов да я обсъдя с всеки, който желае, на лично.
- Да нарушим и първия от двата принципа на 802.11, като започнем да говорим, когато говори някой друг. И тук именно идва на помощ 802.11ax.
Колко страхотно, най-накрая стигнах до Wi-Fi 6 в разказа си! Ако все още четете това, значи или трябва да го правите по някаква причина, или наистина ви интересува. Така че, макар 802.11ax да наследява огромна част от предишните разработки на цялото семейство 802.11 (и не само, всъщност - някои интересни неща се появиха дори в 802.16, известен още като WiMAX), все пак има нещо ново и оригинално в него. Обикновено на тези думи се слага такава картинка, налична на сайта на Wi-Fi Alliance:
Както споменах от самото начало, можем да разгледаме само един от тези ключови аспекти в рамките на една четима статия, а именно, нито един от представените на картинката (вот такава изненада!). Сигурен съм, че вече сте чели милион кратки описания на всеки от тези осем ключови елемента, но аз ще продължа с моя дълъг и изтощителен разказ за това, което произтича от OFDMA — за многопъдхода среда (MU-access control), който, както виждаме, не е включен в инфографиката. А съвсем незаслужено!
Многоподходът е нещо, без което разделянето на канала на подносители изобщо няма смисъл. Защо да се опитваме да разглеждаме различни парчета от спектъра, ако няма механизъм, който да накара клиентите на новата мрежа Wi-Fi 6 да нарушат едно от непоклатимите до този момент правила и да започнат да говорят едновременно? И, разбира се, такъв механизъм просто трябваше да се появи — и да намали влиянието на проблема с "дългата" звукова информация в сравнение с данните. Как? Много просто: нека "бавното", служебно съдържание да се изпраща както преди, а "бързата" част, в която се пренасят данните, да пратим едновременно от няколко (или на няколко) устройства по команда! Изглежда горе-долу така:
Изглежда сложно, но по същество се обяснява доста лесно: точката за достъп с помощта на специален фрейм, разбираем за всички (дори не Wi-Fi 6!) устройства, съобщава, че е готова да предаде данни едновременно на STA1 и STA2. Тъй като "заглавието" на този фрейм е напълно разбираемо дори за много стари клиенти, те правят правилният извод, че ефирът ще бъде зает за определено време с предаването на информация на други клиенти в мрежата, и започват да отчитат времето до края на този период (всъщност както винаги в Wi-Fi). А устройствата STA1 и STA2 разбират, че сега ще им бъдат предадени данни вече по нов начин, едновременно, всеки на своята част от канала, и отговарят на точката за достъп също едновременно, а след това по същия начин потвърдят приемането на кадъра (всеки със своя доза данни!), и средата отново се освобождава. "Отдолу нагоре" това работи горе-долу по същия начин:
Основната и забележителна разлика е, че точката за достъп в тази ситуация уведомява станциите, способни да комуникират едновременно, кога да започнат предаването, чрез специален кадър, който се нарича Trigger. Това представлява нов "спусък" за механизма на множество едновременни достъпи до медията, който, по мое скромно мнение, е една от най-важните иновации "под капака" на новия стандарт. В него клиентите получават "разписание" как да поделят един честотен канал помежду си; именно в него клиентите едновременно уведомяват точката за достъп, че са получили своите порции данни и са успели да ги разберат. В него точката за достъп уведомява всички, които могат да "говорят" едновременно, за започването на предаването на данни — в него точката за достъп и стартира изпращането на нужните данни. Новият механизъм Trigger frame всъщност позволява да се намали нерационалното използване на наситеността на ефира — и то толкова ефективно, колкото много клиенти могат да го ползват и да го възприемат коректно!
Сега да формулираме основните тези, които произтичат от целия този дълъг разказ и които искат да бъдат TL;DR:
- Точките за достъп на новия стандарт 802.11ax, дори базирайки се само на едно от многото нововъведения, ще започнат да увеличават общата пропускателна способност на цялата мрежа още от вторият съвместимото клиентско устройство! Щом се появят поне двама клиенти, които могат да говорят едновременно, то при равни условия (нямам причина да предполагам, че драйверите за клиентските радиомодули ще бъдат написани по-добре от преди, следователно агрегацията на "полезните" части на кадрите и много други функции, зависими от клиента, отново ще работят "в средата на зоопарка", не особено добре) те ВЕЧЕ ще увеличат средната пропускателна способност. Така че, ако мислите за нова Wi-Fi мрежа — има смисъл да разгледате най-новите и най-добрите точки за достъп, защото дори и сега, когато клиентите за тях са все още малко — ситуацията няма да остане така дълго.
- Всички трикове и хитрини, които днес са в арсенала на добрия безжичен инженер, ще останат актуални още дълго време — механизмът за достъп до средата, макар и обновен, наруши основополагающите принципи, които съществуваха повече от 20 години, но все още поставя съвместимостта на първо място. Все още е необходимо да се отстраняват "бавните" management rates (и все още е наложително да се разбере защо и кога), все още е нужно правилно планиране на физическия слой, защото никакъв механизъм на канеленото ниво няма да работи, ако има проблеми на физическия. Просто се появи възможност 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 устройствата в "периоди" на едновременна работа. Отклонявайки се малко по-дълбоко — работата на TWT също е изцяло на раменете на точката за достъп. Сега ТД трябва не само да "излъчва мрежа" и да запазва трафика в опашките, но също и да следи всички клиенти, планирайки как да ги обедини по най-удобен начин на основата на техните пропускателни способности и нужди от трафик, техните батерии и много, много други неща — наричам този процес "оркестрация". Алгоритмите, по които точката за достъп ще взима всички тези решения, не са регламентирани, следователно настоящото качество и структурен подход на производителите ще се прояви именно в разработването на алгоритмите за оркестрация. Колкото по-точно точките ще прогнозират нуждите на клиентите, толкова по-добре и по-равномерно ще могат да ги обединяват в групи за множество достъп — следователно, толкова по-разумно ще се използват ресурсите на ефира и толкова по-висока ще бъде крайната пропускателна способност на такава точка за достъп. Алгоритъмът — последната граница!
- Преходът от Wi-Fi 5 към Wi-Fi 6 е революционен по същество и важност, подобно на прехода от 802.11g към 802.11n. Тогава получихме многопоточност и агрегация на 'полезната натовареност' — а сега получаваме едновременен достъп до средата и накрая работещите MU-MIMO и Beamforming (първо, както знаем, почти е едно и също; второ, дискусията 'защо MU-MIMO беше измислен в 802.11ac, но не можа да заработи' — е тема за отделна дълга статия 🙂 ). И 802.11n, и Wi-Fi 6 работят и в двата диапазона (2.4 GHz и 5 GHz), за разлика от 'промеждутъци' предшественици — наистина, 'шест е новото четири'!
Няколко думи за произхода на тази статия
Статията беше написана за конкурс, провеждан от компанията Huawei (първоначално беше публикувана ). В голяма степен се опирах на собствения си доклад на конференцията 'Безпроводов', която се проведе през 2019 година в Санкт Петербург (запис на изказването може да се види , но имайте предвид — звукът там, да кажем, не е много добър, въпреки петербургския произход на видеото!).
Източник: habr.com
