To nejdůležitější na Wi-Fi 6. Ne, vážně

Ahoj

Pokud věříte Einsteinově teorii jednoduchosti, hlavním ukazatelem pochopení předmětu je schopnost vysvětlit jej co nejjednodušeji, pak se v tomto příspěvku pokusím co nejjednodušeji a nejdůkladněji vysvětlit vliv jen jednoho detailu nového standard, který z nějakého důvodu i Wi-Fi Alliance považuje za nehodný zmínky v infografice o nových funkcích Wi-Fi 6, ačkoli je, jak brzy společně uvidíme, velmi důležitý a pozoruhodný. Ne vše je zde dostatečně hluboké a rozhodně ne obsáhlé (protože takový slon se těžko sní i po částech), ale doufám, že se z mých slovních cvičení všichni dozvíme něco nového a zajímavého pro sebe.

Ten samý 802.11ax, na který čekáme každý den už minimálně druhý rok, s sebou přináší spoustu nových a úžasných věcí. Každý, kdo o něm chce něco říct, má vždy na výběr: buď si zaběhat s přehledem nad hlavami, zmínit kýbl zkratek a zkratek, snažit se nezabřednout do složitých mechanismů pod kapotou každého z nich, nebo zabalit hodinovou zprávu o jedné věci, která se autorovi nejvíce líbí. Risknu, že zajdu ještě dále: většina mé poznámky bude věnována něčemu, co ani není nové!

Některé bezdrátové datové sítě jsou tedy již více než dvacet let budovány podle hromady standardů rodiny 802.11 a jako každý sebeúctyhodný řečník bych musel trochu obnovit časovou osu celého řetězce událostí, které daly světu miliardy interoperabilních zařízení - ale jako autor, který respektuje čtenáře, stále riskuji, že to neudělám. Něco bychom si však měli připomínat.

Všechny iterace Wi-Fi upřednostňují spolehlivost spíše než maximalizaci propustnosti. Vyplývá to z mechanismu přístupu k médiu (CSMA/CA), který není z pohledu ždímání posledních kilobitů za vteřinu z přenosového média nejoptimálnější (o nedokonalostech světa obecně a Wi si můžete přečíst více -Fi zejména v článku mého bývalého kolegy skhomm tady jsou skvrny), ale neuvěřitelně odolné v téměř jakýchkoli podmínkách. Ve skutečnosti můžete porušit téměř všechny základy návrhu Wi-Fi sítě – a taková síť si bude stále vyměňovat data! Celý mechanismus, kterým jsou klienti sítě Wi-Fi schopni přenášet a/nebo přijímat své části dat, je zaměřen na zajištění toho, čemu se v angličtině říká slovo s těžko přeložitelným nádechem technokracie, robustnost. Celá vrstva modulace se zvyšuje, agregace rámců s daty (ne přesně tak, ale budiž!) rozmazanými navrchu nadále funguje po dvou hlavních principech 802.11, které poskytují tuto nepřekonatelnou spolehlivost:

1. „Zatímco jeden mluví, ostatní mlčí“;
2. "Vše kromě údajů je řečeno pomalu a jasně."

Druhý bod způsobuje mnohem větší škody na šířce pásma sítě, než by se na první pohled mohlo zdát. Zde je skvělý obrázek ilustrující jeden kus dat odeslaných v síti Wi-Fi:

Pojďme zjistit, co to znamená pro běžné lidi, kteří nevědí, kolik stránek je ve standardu 802.11-2016. Rychlost přenosu dat, kterou systém zapisuje do vlastností bezdrátové sítě a kterou marketéři od jakéhokoli výrobce čerpají na boxech s přístupovými body (no, asi jste to viděli - 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!) , je to nejen vrchol a maximum na 100% času obsazeného přenosem, ale je to také rychlost, kterou se bude odesílat pouze modrá část v tomto krásném grafu. Vše ostatní bude odesláno rychlostí, která se v angličtině (a také v ruštině, protože překlad takových výrazů ohrožuje další nedorozumění mezi inženýry) nazývá management rate, a která je nižší nejen několikanásobně, ale dokonce i STOVKY jednou. Například síť 802.11ac, která může pracovat s klienty při kanálové rychlosti 1300 Mb/s, bez jakýchkoliv dalších nastavení, přenáší všechny servisní informace (vše, co není v našem stále hroznějším grafu modré) rychlostí správy 6 Mb/s. Více než dvěstěkrát pomalejší!

Logická otázka zní – co, promiňte, jaký měsíc by se takový sabotážní nápad vůbec mohl stát součástí standardu, podle kterého fungují miliardy zařízení po celém světě? Logická odpověď je kompatibilita, kompatibilita, kompatibilita! Síť na nejnovějším přístupovém bodu by měla poskytovat schopnost pracovat deset i patnáct let stará zařízení a právě ve všech těchto „nemodrých“ kouscích létají informace, které pomalá starší zařízení uslyší, správně pochopí a se nebude snažit přenášet během ultra-vysoké rychlosti kusy dat jejich. Robustnost vyžaduje oběti!

Nyní jsem připraven dát každému, kdo má zájem, nepostradatelný nástroj pro zděšení potenciálních přenášených megabitů, které se bezcílně ztrácejí v moderní Wi-Fi - to se již stalo povinným pro studium v ​​zainteresovaných inženýrských kruzích Kalkulačka WiFi AirTime od norského nadšence 802.11 Gjermunda Raaena. Je k dispozici na odkaz — výsledek jeho práce vypadá asi takto:

Řádek 1 je čas strávený vysíláním 1512 bajtového datového paketu zařízením 802.11n v šířce kanálu 20 MHz.

Řádek 2 je čas strávený vysíláním stejného paketu zařízením se stejným anténním vzorcem, které však již pracuje podle standardu 802.11ac v kanálu 80 MHz.

Jak je to možné - čtyřikrát více vysílacího času bylo „zkaženo“, maximální modulace se stala složitější z 64QAM na 256QAM, rychlost kanálu je vyšší SIX krát (433 Mb/s místo 72 Mb/s), ale bylo získáno maximálně 25 % vysílacího času?

Kompatibilita a dva principy 802.11, pamatujete?

Inu, jak napravit takovou nespravedlnost a plýtvání – ptáme se sami sebe, jak si asi položila otázku každá pracovní skupina IEEE, která začala vytvářet standard? Napadá mě několik logických cest:

1. Zrychlete přenos dat v „zelené“ části grafu. To se provádí při vydání každého standardu, protože velká čísla vypadají na krabicích pěkně. V praxi, jak jsme si právě všimli, poskytuje konečný nárůst - i když zrychlíme rychlost kanálu na sto tisíc milionů gigabitů za nanosekundu, všechny ostatní části grafu nezmizí. Proto doporučuji ve všech příbězích o všech nových standardech 802.11 přeskočit odstavce, které zmiňují megabity za sekundu.
2. Zrychlete všechny ostatní části grafu. Skutečně, pokud alespoň zdvojnásobíme rychlost, s jakou se vše „nezelené“ přenáší (no, nebo „nemodré“, pokud se stále díváte na předchozí obrázek), dostaneme o něco méně než 50 % zvýšení reálné propustnosti - ovšem ztrátou kompatibility se zařízeními a řadou dalších nuancí, o kterých se dozvíte, až se půjdete připravovat na zkoušku na hrdý titul CWNA :) Spoiler: ne vždy se vám podaří udělejte to po důkladném přemýšlení a pochopení toho, k čemu to povede. Ve skutečnosti se jedná o porušení jednoho ze dvou principů 802.11, takže s ním musíte být velmi opatrní!
3. Sestavte několik rámů takto se zelenými částmi k sobě. Čím delší je zelená část, tím efektivnější je zvýšení rychlosti kanálu. Ano, toto je zcela funkční strategie, která se objevila již v 802.11n a je jedním z několika základních kamenů její revoluční povahy. Jediný problém je v tom, že za prvé řadě aplikací taková agregace nevadila (třeba ten samý krvelačný Voice over Wi-Fi), zadruhé řadě zařízení to také nedalo. (Nějak jsem se rozhodl to chytit, ačkoliv na skutečné síti společnosti, pro kterou pracuji, by bylo několik takových agregovaných rámců, ale pro >500k „vyzvednutých“ rámců bylo přesně nula agregovaných rámců. S největší pravděpodobností je problém v mé metodice sběru dat, ale jsem připraven to probrat s kýmkoli kdekoli. někdy v osobním rozhovoru!).
4. Porušte první ze dvou principů 802.11 tím, že začnete mluvit, když mluví někdo jiný. A právě zde přichází na pomoc 802.11ax.

Je skvělé, že jsem se ve svém příběhu o Wi-Fi 6 konečně dostal k samotné Wi-Fi 6! Pokud to stále čtete, buď z nějakého důvodu musíte, nebo vás to opravdu zajímá. I když tedy 802.11ax zdědilo velkou část předchozího vývoje celé rodiny 802.11 (a nejen mimochodem – v 802.16, neboli WiMAXu, se objevilo několik skvělých věcí), něco je v něm stále čerstvé a originální. Obvykle jsou tato slova doprovázena obrázkem, jako je tento, který je k dispozici na webu Wi-Fi Alliance:

Jak jsem si od samého začátku dělal výhradu, v rámci jednoho čitelného článku budeme moci uvažovat pouze o jednom z těchto klíčových bodů, respektive o žádném z toho, co je na obrázku (jaké překvapení!). Jsem si jistý, že jste si již přečetli milion rychlých popisů každého z těchto osmi klíčových prvků, ale já budu pokračovat ve svém únavně dlouhém vyprávění o tom, co vyplývá z OFDMA – řízení přístupu k více médiím (MU-access control), které jako vidíme, infografiku jsem vůbec nedostal. Ale je to úplně marné!

Vícenásobný přístup je něco, bez čeho rozdělení kanálu na dílčí nosné nemá vůbec smysl. Proč se pokoušet dívat na různé části spektra, když neexistuje mechanismus, který by klienty nové sítě Wi-Fi 6 donutil porušit jedno z dosud neotřesitelných pravidel a zároveň začít mluvit? A samozřejmě se takový mechanismus prostě musel objevit – a snížit dopad „dlouhého“ problému ve srovnání s proprietárními informačními daty. Jak? Ano, je to velmi jednoduché: nechte „pomalou“ část služby posílat stejným způsobem jako dříve, ale „rychlou“ část, ve které se data posílají přímo, současně z několika (nebo několika) zařízení zašleme příkaz! Vypadá to nějak takto:

Vypadá to složitě, ale v podstatě se to dá celkem snadno vysvětlit: přístupový bod pomocí speciálního rámce, který je srozumitelný všem (ani Wi-Fi 6!) zařízením, hlásí, že je připraven vysílat data současně do STA1 a STA2. Vzhledem k tomu, že „záhlaví“ tohoto rámce je zcela srozumitelné i velmi, velmi starým klientům, učiní správný závěr, že rádiové vlny budou po určitou dobu zaneprázdněny přenosem informací dalším klientům sítě, a začnou odpočítávat čas do konce. tohoto období (vlastně jako vždy ve Wi -Fi). Zařízení STA1 a STA2 však chápou, že nyní do nich budou data přenášena novým způsobem, současně, každé na svém kousku kanálu, a současně reagují na přístupový bod a poté také synchronně potvrzují příjem rámec (každý s vlastní částí dat!) a prostředí se znovu uvolní. „zdola nahoru“ to funguje v podstatě stejným způsobem:

Hlavním a nejmarkantnějším rozdílem je, že přístupový bod v této situaci říká stanicím, které mohou mluvit současně, kdy začít vysílat, pomocí speciálního rámce zvaného Trigger. Jde vlastně o nový „spouštěč“ celého mechanismu vícenásobného simultánního přístupu k médiu, což je podle mého skromného názoru jedna z nejdůležitějších inovací „pod kapotou“ nového standardu. Právě v něm klienti dostávají „rozpis“, jak si rozdělit jeden frekvenční kanál; zde klienti současně informují přístupový bod, že obdrželi své části dat a byli schopni je analyzovat. Přístupový bod v něm upozorní všechny, kdo mohou zároveň „mluvit“ o zahájení přenosu dat – v něm mu přístupový bod začne posílat požadovaná data. Nový mechanismus Trigger frame vám ve skutečnosti umožňuje omezit iracionální využívání vysílacího času – a to tak efektivně, jak jej může mnoho klientů využívat a správně vnímat!

Nyní pojďme formulovat hlavní teze, které vyplývají z celého tohoto dlouhého příběhu a kvalifikují se pro TL;DR:

1. Přístupové body nového standardu 802.11ax, spoléhající se dokonce jen na jednu z mnoha inovací, začnou zvyšovat celkovou propustnost celé sítě již od druhý kompatibilní klientské zařízení! Jakmile budou existovat alespoň dva klienti, kteří mohou hovořit současně, pak za stejných podmínek (nemám důvod předpokládat, že ovladače pro klientské rádiové moduly budou napsány lépe než dříve, což znamená, že agregace „užitečné“ části rámců a mnoho dalších funkcí závislých na klientovi stále nebude fungovat „v průměru v zoo“), JIŽ zvýší průměrnou propustnost. Pokud tedy uvažujete o nové Wi-Fi síti, má smysl hned uvažovat o nejnovějších a nejlepších přístupových bodech, protože i když je pro ně nyní stále málo klientů, situace takto dlouho nevydrží.
2. Všechny triky a triky, které má dnes dobrý bezdrátový inženýr ve svém arzenálu, zůstanou relevantní po dlouhou dobu – ačkoli byl mechanismus přístupu k médiu aktualizován, porušujíc základní principy, které přetrvaly více než 20 let, stále si zachovává kompatibilita v popředí. Stále musíte omezit „pomalé“ rychlosti správy (a stále musíte pochopit proč a kdy), stále musíte správně naplánovat fyzickou vrstvu, protože žádný mechanismus na úrovni datového spoje nebude fungovat, pokud se vyskytnou problémy na fyzickém úroveň. Příležitost se právě naskytla ještě lepší.
3. Téměř všechna rozhodnutí ve Wi-Fi 6 dělá přístupový bod. Jak vidíme, řídí přístup klientů do prostředí seskupováním zařízení do „období“ simultánního provozu. Když se posuneme trochu dále do strany, práce TWT je také zcela na bedrech přístupového bodu. Nyní musí AP nejen „vysílat síť“ a ukládat provoz do front, ale také uchovávat záznamy o všech klientech a plánovat, jak je vzájemně výhodněji kombinovat na základě jejich šířky pásma a potřeb provozu, jejich baterií a mnohem, mnohem více. — Tento proces nazývám „orchestrací“. Algoritmy, kterými bude přístupový bod všechna tato rozhodnutí dělat, nejsou regulovány, což znamená, že skutečná kvalita a strukturální přístup výrobců se projeví právě ve vývoji orchestračních algoritmů. Čím přesněji body predikují potřeby klientů, tím lépe a jednotněji je budou moci kombinovat do více přístupových skupin – tím racionálněji tedy budou využívány zdroje vysílacího času a tím vyšší bude výsledná propustnost takového přístupového bodu. bude. Algoritmus je poslední hranicí!
4. Přechod z Wi-Fi 5 na Wi-Fi 6 je svou povahou a významem stejně revoluční jako přechod z 802.11g na 802.11n. Pak jsme dostali multi-threading a agregaci „payload“ - nyní získáme současný přístup k médiu a konečně fungující MU-MIMO a Beamforming (zaprvé, jak víme, je to téměř totéž; zadruhé diskuse „proč MU- MIMO bylo vynalezeno v 802.11ac, ale nemohlo být zprovozněno“ je tématem samostatného dlouhého článku :) Jak 802.11n, tak Wi-Fi 6 fungují v obou pásmech (2,4 GHz a 5 GHz), na rozdíl od svých „středních“ předchůdců – skutečně „šestka je nová čtyřka“!

Něco málo o původu tohoto článku
Článek byl napsán pro soutěž pořádanou společností Huawei (původně publikováno zde). Při jeho psaní jsem z velké části vycházel z vlastní zprávy na konferenci „Bezprovodov“, která se konala v roce 2019 v Petrohradě (na záznam projevu se můžete podívat Na youtube, jen mějte na paměti - zvuk tam, upřímně řečeno, není skvělý, navzdory petrohradskému původu videa!).

Zdroj: www.habr.com