Ahoj.
Pokud věřit teorii jednoduchosti od Einsteina, hlavním ukazatelem porozumění tématu je schopnost maximálně jednoduše ho vysvětlit. I v tomto příspěvku se pokusím co nejjednodušeji a podrobněji vysvětlit funkčnost jediné součásti nového standardu, kterou si Wi-Fi Alliance jaksi považuje za nedostatečnou pro zmínku v infografice o nových možnostech Wi-Fi 6, ačkoliv, jak brzy zjistíme, je velmi důležitá a podstatná. Není zde vše dostatečně hluboké a rozhodně neobsáhlé (protože jíst slona po částech je i tak náročné), ale doufám, že si z mých slovních cvičení odneseme něco nového a zajímavého.
Ten známý 802.11ax, který očekáváme ze dne na den už minimálně druhý rok, přináší spoustu nového a fascinujícího. Každý, kdo se o něm chce zmínit, stojí vždy před volbou: buď provede přehled s množstvím zkratek a akronymů, snaží se nezaplést se ve složitých mechanismech každého z nich, nebo se zaměřit na hodinovou prezentaci o něčem jednom, co autorovi připadá nejzajímavější. Riskuji jít ještě dál: většina mé poznámky bude věnována dokonce ne novému!
Takže už více než dvacet let část bezdrátových sítí pro přenos dat se staví na základě množství standardů rodiny 802.11. A jako každý sebeúctyhodný prezentátor bych měl trochu rekonstruovat časovou osu celé této řetězce událostí, která dala světu miliardy kompatibilních zařízení — ale jako autor, který si váží svých čtenářů, riskuji to tentokrát neudělat. Nicméně by bylo dobré některé věci si připomenout.
Všechny iterace Wi-Fi kladly důraz na spolehlivost, nikoliv na maximální propustnost. To vyplývá z mechanismu přístupu k médiím (CSMA/CA), který není z hlediska vytěsnění posledních kilobitů za sekundu z přenosového média zrovna optimální (podrobněji o nedokonalostech světa obecně a Wi-Fi zejména si můžete přečíst v článku mého bývalého kolegy ), ale neuvěřitelně odolné téměř za jakýchkoliv podmínek. Opravdu lze porušit téměř všechny zásady návrhu Wi-Fi sítí – a v takové síti stejně probíhá výměna dat! Celý mechanismus, který zabezpečuje, že klienti Wi-Fi sítě mohou přenášet a/nebo přijímat své datové pakety, je zaměřen na zabezpečení toho, co se v angličtině nazývá termínem s těžko přeložitelným zabarvením technokracie, robustness. Celá vrstva překrytí zlepšených modulací, agregace rámců s daty (ne úplně, ale budiž!) nadále funguje již po dvou základních principech 802.11, které zabezpečují tuto bezkonkurenční spolehlivost:
- „Dokud jeden mluví – ostatní mlčí“;
- „Všechno kromě dat se říká pomalu a srozumitelně.“
Druhý bod způsobuje mnohem větší škody na propustnosti sítě, než by se na první pohled mohlo zdát. Tady je skvělý obrázek, který ilustruje jeden odeslaný kousek dat v síti Wi-Fi:
Pojďme si vysvětlit, co to znamená pro obyčejné lidi, kteří nevědí, kolik stran má standard 802.11-2016. Ta rychlost přenosu dat, kterou systém uvádí v vlastnostech bezdrátové sítě a kterou na krabicích přístupových bodů zobrazuje marketing každý výrobce (no, jistě jste to už viděli – 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), není jen vrcholná a maximální při 100% vytížení přenosu, ale je to také rychlost, při které bude odesílána pouze modrá část v tomto krásném grafu. Všechno ostatní bude přenášeno rychlostí, která se anglicky nazývá management rate (a rusky také, protože překlady takových výrazů hrozí dalším nedorozuměním mezi inženýry), a která je nižší nejen o několik násobků, ale o STOVKY násobků. Například bez jakýchkoliv dodatečných nastavení síť na 802.11ac, která může pracovat s klienty při kanálové rychlosti 1300 Mb/s, přenáší veškeré řídicí informace (všechno, co není modré na našem stále více strašném grafu) při management rate 6 Mb/s. O víc než dvěstěkrát pomaleji!
Logická otázka – jakého, omlouvám se, čísla a měsíce se mohla tato zničující myšlenka vůbec dostat do standardu, podle něhož pracují miliardy zařízení po celém světě? Logická odpověď – kompatibilita, kompatibilita, kompatibilita! Síť na nejnovějším přístupovém bodě by měla zajistit možnost fungování i pro desetiletá a dokonce patnáctiletá zařízení, a právě ve všech těchto „ne-modrých“ kouscích letí informace, kterou pomalá stará zařízení uslyší, správně pochopí a nebudou se během superrychlých datových přenosů snažit předat své. Robustnost si žádá oběti!
Nyní jsem připraven poskytnout každému zájemci nezbytný nástroj, aby mohl být zděšen bezcílně ztrácejícími se v moderním Wi-Fi potenciálně předanými megabity – to se stalo již povinnou znalostí v příslušných inženýrských kruzích. WiFi AirTime Calculator od norského nadšence 802.11 Gjermunda Raaena. Je k dispozici na – výsledek jeho práce vypadá přibližně takto:
Řádek 1 – čas potřebný k přenosu datového paketu o délce 1512 bajtů zařízením 802.11n v šířce pásma 20 MHz.
Řádek 2 – čas potřebný k přenosu stejného paketu zařízením se stejnou anténní charakteristikou, ale které již pracuje podle standardu 802.11ac v kanálu o šířce 80 MHz.
Jak je to možné – "zneužito" čtyřikrát více rádiového spektra, maximální modulace se zkomplikovala z 64QAM na 256QAM, kanálová rychlost je větší o ŠEST krát (433 Mb/s místo 72 Mb/s), a vyhráno bylo maximálně 25 % času obsazenosti rádiového spektra?
Pamatujete si na kompatibilitu a dva principy 802.11?
Dobře, jak můžeme napravit takovou nespravedlnost a plýtvání – zeptáme se sami sebe, jak se asi ptal každý pracovní tým IEEE, když začal vytvářet standard? Na mysli přichází několik logických cest:
- Zrychlit přenos dat v "zeleném" kousku grafu. To se dělá při každém vydání standardu, protože velká čísla dobře vypadají na krabicích. V praxi, jak jsme právě poznamenali, dává konečný přírůstek – i když zrychlíme kanálovou rychlost na sto tisíc milionů gigabitů za nanosekundu, všechny ostatní části grafu nikam nezmizí. A právě proto doporučuji při všech příbězích o nových standardech 802.11 vynechat odstavce, kde se zmiňují megabity za sekundu.
- Zrychlit všechny ostatní části grafu. Opravdu, pokud alespoň zdvojnásobíme rychlost, kterou se přenáší všechno "ne-zelené" (nebo "ne-modré", pokud se ještě díváte na předchozí obrázek), získáme o něco méně než 50% nárůst skutečné propustnosti — samozřejmě se ztrátou kompatibility s zařízeními a ještě několika detaily, o kterých se dozvíte, když se začnete připravovat na zkoušku o hrdém titulu CWNA 🙂 Spoiler: ne vždy to bude možné, pokud si to důkladně promyslíte a pochopíte, k čemu to povede. Vlastně to porušuje jeden ze dvou principů 802.11, takže s tím je třeba být velmi opatrný!
- Slepit dohromady několik takových rámců se zelenými částmi. Čím delší je zelená část, tím efektivněji funguje zvyšování kanálové rychlosti. Ano, to je zcela funkční strategie, která vznikla už v 802.11n a je jedním z několika základních kamenů její revolučnosti. Problém je ale v tom, že, za prvé, řada aplikací na takovou agregaci vůbec nedbá (například zmíněný žravý Voice over Wi-Fi), a za druhé, řada zařízení také na ni nedá. Jednou jsem se rozhodl zachytit alespoň několik takových agregovaných rámců v reálné síti firmy, ve které pracuji, ale z >500k "zachycených" snímků bylo agregovaných právě nula. Pravděpodobně je to problém mé metodologie sběru dat, ale jsem připraven ji probrat s kýmkoli, kdo bude mít zájem o osobní rozhovor!).
- Porušit i první ze dvou principů 802.11, začínající mluvit, když mluví někdo jiný. A tady přichází na pomoc 802.11ax.
Jak skvělé, konečně jsem se ve svém vyprávění o Wi-Fi 6 dostal k samotnému Wi-Fi 6! Pokud to stále čtete, buď musíte, nebo máte opravdu zájem. Takže i když 802.11ax zdědil obrovskou část předchozího vývoje celé rodiny 802.11 (a nejen to, některé skvělé věci se objevily vůbec v 802.16, což je WiMAX), něco v něm je přece jen nové a originální. Obvykle se při těchto slovech přikládá takový obrázek, který je dostupný na stránkách Wi-Fi Alliance:
Jak jsem již na začátku zmiňoval, v rámci jednoho přehledného článku se můžeme podívat pouze na jeden z těchto klíčových bodů, konkrétně ani na jeden z těch, které jsou uvedeny na obrázku (překvapení!). Jsem si jistý, že jste už četli miliony stručných popisů každého z těchto osmi klíčových prvků, já však budu pokračovat ve svém nudně dlouhém vyprávění o tom, co vyplývá z OFDMA — o vícenásobném přístupu k médiu (MU-access control), který, jak vidíme, se na infografiku vůbec nevešel. A to je velká škoda!
Vícenásobný přístup je to, bez čeho je dělení kanálu na podnosné naprosto bezvýznamné. Proč se snažit zkoumat různé kousky spektra, když nebude mechanizmus, který by mohl donutit klienty nové sítě Wi-Fi 6 porušit jedno z dosud neotřesitelných pravidel a začít mluvit současně? A samozřejmě, takový mechanizmus prostě musel vzniknout — a snížit vliv problému „dlouhé“ doby ve srovnání s údaji o řízení. Jak? Je to velmi jednoduché: ať se „pomalá“ část řízení šíří tak, jak tomu bylo dříve, ale „rychlou“ část, ve které procházejí přímo údaje, budeme posílat současně z několika (nebo na několik) zařízení na povel! Vypadá to přibližně takto:
Vypadá to složitě, ale ve své podstatě se to vysvětluje celkem snadno: přístupový bod pomocí speciálního rámce, který je srozumitelný všem (dokonce i zařízení, které nejsou Wi-Fi 6!), oznamuje, že je připraven předávat údaje současně STA1 a STA2. Protože je „hlavička“ tohoto rámce naprosto srozumitelná i těm opravdu velmi starým klientům, dospívají k správnému závěru, že éter bude po určitou dobu obsazen předáváním informací ostatním klientům sítě, a začínají odpočítávat čas do konce tohoto období (jak tomu bylo vždy ve Wi-Fi). A zařízení STA1 a STA2 chápou, že nyní jim budou předány údaje už novým způsobem, současně, každému na jeho kousku kanálu, a odpovídají přístupovému bodu také současně, a poté také synchronně potvrzují přijetí rámce (každý se svou porcí dat!), a médium je opět uvolněno. „Zespodu nahoru“ to funguje přibližně stejným způsobem:
Hlavní a nápadný rozdíl spočívá v tom, že přístupový bod v této situaci informuje stanicím schopným komunikovat současně, kdy mají začít přenos, pomocí speciálního rámce, který se nazývá Trigger. To je v podstatě nový "spouštěcí mechanismus" celého systému vícero souběžného přístupu k prostředí, který, podle mého skromného názoru, představuje jednu z nejdůležitějších inovací "pod kapotou" nového standardu. Právě v něm klienti dostávají "rozvrh", jak mají sdílet jeden frekvenční kanál; právě v něm klienti současně informují přístupový bod, že obdrželi své datové balíčky a dokázali je zpracovat. V něm přístupový bod upozorňuje všechny, kteří mohou "mluvit" současně, na začátek přenosu dat — v něm přístupový bod také spouští odeslání požadovaných dat. Nový mechanismus Trigger frame v podstatě umožňuje snížit nehospodárné využití obsazenosti éteru — a to tak účinně, jak jen mnoho klientů může využívat a správně vnímat!
A nyní formulujeme hlavní teze, které vyplývají z celého tohoto dlouhého vyprávění a zasluhují si TL;DR:
- Přístupové body nového standardu 802.11ax, i když se opírají pouze o jedno z mnoha nových prvků, začnou zvyšovat celkovou propustnost celé sítě již s měl přístup pomocí uživatelského jména a hesla. kompatibilním klientským zařízením! Jakmile se objeví alespoň dva klienti, kteří mohou komunikovat současně, tak za jinak stejných podmínek (nemám žádný důvod předpokládat, že ovladače pro klientské rádiové moduly budou psány lépe než dříve, což znamená, že agregace "užitečných" částí rámců a mnoho dalších funkcí závislých na klientech stále "dá těm průměrným zvědavcům" nebude fungovat příliš dobře) již ZVÝŠÍ průměrnou propustnost. Takže pokud zvažujete novou Wi-Fi síť — má smysl rovnou zvážit ty nejnovější a nejlepší přístupové body, protože i když nyní pro ně ještě není příliš klientů — tato situace dlouho nevydrží.
- Všechny triky a fígle, které má dnes v arzenálu dobrý bezdrátový inženýr, zůstanou ještě dlouho aktuální — přístupový mechanismus se sice obnovil a narušil více než 20 let trvající základní principy, ale stále klade důraz na kompatibilitu. Pořád je potřeba odříznout "pomalé" management rates (a stále je potřeba chápat, proč a kdy), stále je potřeba správně plánovat fyzickou úroveň, protože žádný mechanismus na kanálové úrovni nebude fungovat, pokud jsou na fyzické úrovni problémy. Jen se objevila možnost dělat ještě lépe.
- Téměř všechna rozhodnutí v Wi-Fi 6 přijímá přístupový bod. Jak vidíme, řídí přístup klientů k prostředí, spojuje zařízení do "období" simultánního provozu. Pokud se posuneme trochu dál — práce TWT je také zcela na bedrech přístupového bodu. Nyní musí AP nejen "vysílat síť" a uchovávat provoz v prioritách, ale také sledovat všechny klienty, plánovat, jak je nejlépe spojit na základě jejich propustnosti a potřeb v provozu, jejich baterií a mnoha dalších faktorů — tento proces nazývám "orchestrace". Algoritmy, podle kterých přístupový bod bude přijímat všechny tyto rozhodnutí, nejsou regulovány, což znamená, že skutečná kvalita a strukturovaný přístup výrobců se projeví právě v návrhu algoritmů orchestrace. Čím přesněji budou přístupové body předpovídat potřeby klientů, tím lépe a rovnoměrněji je budou moci spojovat do skupin vícero provozů — tím pádem tím efektivněji budou využívány prostředky vzduchu a tím vyšší bude konečná propustnost takového přístupového bodu. Algoritmus — poslední hranice!
- Přechod z Wi-Fi 5 na Wi-Fi 6 je v podstatě a důležitosti tak revoluční, jako přechod z 802.11g na 802.11n. Tehdy jsme dostali multi-streaming a agregaci „užitečného zatížení“ — nyní získáváme současný přístup k médiu a konečně fungující MU-MIMO a Beamforming (za prvé, jak víme, to je téměř to samé; za druhé, diskuse „proč MU-MIMO v 802.11ac vymysleli, ale nedokázali ho donutit fungovat“ — to je téma na velký samostatný článek 🙂 ). A 802.11n, i Wi-Fi 6 pracují v obou pásmech (2,4 GHz a 5 GHz), na rozdíl od „mezi“ předchůdců — skutečně, „šest je nové čtyři“!
Něco o původu tohoto článku
Článek byl napsán pro soutěž, kterou pořádala společnost Huawei (původně byl publikován ). V mnoha ohledech jsem se při jeho psaní opíral o svou vlastní prezentaci na konferenci „Bezdrátové“, která se konala v roce 2019 v Petrohradu (nahrávku vystoupení můžete shlédnout , jen mějte na paměti — zvuk tam, abych tak řekl, není zrovna skvělý, navzdory petrohradskému původu videa!).
Zdroj: habr.com
