Das Wichtigste an Wi-Fi 6. Nein, im Ernst

Hey.

Wenn Sie Einsteins Theorie der Einfachheit glauben und der Hauptindikator für das Verständnis eines Themas die Fähigkeit ist, es so einfach wie möglich zu erklären, dann werde ich in diesem Beitrag versuchen, die Wirkung nur eines Details des Neuen so einfach und gründlich wie möglich zu erklären Standard, den aus irgendeinem Grund sogar die Wi-Fi Alliance in der Infografik über die neuen Funktionen von Wi-Fi 6 für nicht erwähnenswert hält, obwohl er, wie wir bald gemeinsam sehen werden, sehr wichtig und bemerkenswert ist. Hier ist nicht alles tiefgründig genug und schon gar nicht umfassend (denn so ein Elefant ist auch in Teilen schwer zu fressen), aber ich hoffe, dass wir alle durch meine verbalen Übungen etwas Neues und Interessantes für uns lernen.

Derselbe 802.11ax, auf den wir seit mindestens dem zweiten Jahr jeden Tag warten, bringt viele neue und erstaunliche Dinge mit sich. Wer etwas über ihn erzählen möchte, hat immer die Wahl: entweder einen Überblick über die Köpfe rasen zu lassen, einen Eimer voller Abkürzungen und Abkürzungen zu erwähnen und dabei zu versuchen, sich nicht in den komplexen Mechanismen unter der Haube jedes Einzelnen zu verzetteln, oder zu verpacken einen einstündigen Bericht über eine Sache verfassen, die dem Autor am meisten gefällt. Ich riskiere sogar, noch weiter zu gehen: Der größte Teil meiner Notiz wird etwas gewidmet sein, das nicht einmal neu ist!

Seit mehr als zwanzig Jahren werden einige der drahtlosen Datennetze nach einer Reihe von Standards der 802.11-Familie aufgebaut, und wie jeder Redner mit etwas Selbstachtung müsste ich die Zeitachse der gesamten Kette leicht wiederherstellen von Ereignissen, die der Welt Milliarden interoperabler Geräte bescherten – aber als Autor, der den Leser respektiert, riskiere ich immer noch, dies nicht zu tun. Allerdings sollten wir uns gegenseitig an etwas erinnern.

Bei allen Wi-Fi-Iterationen stand die Zuverlässigkeit im Vordergrund und nicht die Maximierung des Durchsatzes. Dies ergibt sich aus dem Medium-Access-Mechanismus (CSMA/CA), der im Hinblick auf die Auspressung der letzten Kilobits pro Sekunde aus dem Übertragungsmedium nicht optimal ist (mehr über die Unvollkommenheiten der Welt im Allgemeinen und Wi -Fi insbesondere im Artikel meines ehemaligen Kollegen skhomm Hier sind die Spots), aber unter fast allen Bedingungen unglaublich langlebig. Tatsächlich können Sie fast alle Grundlagen des Wi-Fi-Netzwerkdesigns durchbrechen – und ein solches Netzwerk tauscht immer noch Daten aus! Der gesamte Mechanismus, mit dem Wi-Fi-Netzwerk-Clients ihre Datenanteile übertragen und/oder empfangen können, zielt darauf ab, das zu gewährleisten, was im Englischen ein Wort mit einem schwer zu übersetzenden Hauch von Technokratie und Robustheit genannt wird. Die gesamte Modulationsschicht wird erhöht, die Aggregation von Frames mit darüber verschmierten Daten (nicht ganz so, aber sei es so!) funktioniert weiterhin nach den beiden Hauptprinzipien von 802.11, die diese unübertroffene Zuverlässigkeit bieten:

1. „Während einer spricht, schweigen die anderen“;
2. „Alles außer den Daten wird langsam und deutlich gesagt.“

Der zweite Punkt schadet der Netzwerkbandbreite weitaus mehr, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Hier ist ein cooles Bild, das ein über ein Wi-Fi-Netzwerk gesendetes Datenelement veranschaulicht:

Lassen Sie uns herausfinden, was es für normale Leute bedeutet, die nicht wissen, wie viele Seiten der 802.11-2016-Standard enthält. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit, die das System in die Eigenschaften des drahtlosen Netzwerks schreibt und die Vermarkter aller Hersteller auf Access-Point-Boxen zurückführen (naja, Sie haben es wahrscheinlich gesehen – 1,7 Gbit/s! 2,4 Gbit/s! 9000 Gbit/s!) Dies ist nicht nur der Spitzenwert und das Maximum bei 100 % der Übertragungszeit, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der nur der blaue Teil in diesem schönen Diagramm gesendet wird. Alles andere wird mit einer Geschwindigkeit gesendet, die im Englischen Managementrate genannt wird (und auch im Russischen, weil die Übersetzung solcher Ausdrücke zu weiteren Missverständnissen zwischen Ingenieuren führt) und die nicht nur um ein Vielfaches, sondern um einen Faktor geringer ist Hunderte einmal. Ohne zusätzliche Einstellungen überträgt beispielsweise ein 802.11ac-Netzwerk, das mit Clients mit einer Kanalgeschwindigkeit von 1300 Mbit/s arbeiten kann, alle Serviceinformationen (alles, was in unserer immer schrecklicher werdenden Grafik nicht blau ist) mit einer Verwaltungsrate von 6 Mbit/s. Mehr als zweihundertmal langsamer!

Die logische Frage lautet: In welchem ​​Monat könnte eine solche Sabotageidee überhaupt Teil des Standards werden, nach dem Milliarden von Geräten auf der ganzen Welt funktionieren? Die logische Antwort ist Kompatibilität, Kompatibilität, Kompatibilität! Das Netzwerk auf dem neuesten Zugangspunkt sollte die Möglichkeit bieten, für zehn und sogar fünfzehn Jahre alte Geräte zu funktionieren, und in all diesen „nicht blauen“ Teilen fliegen Informationen, die langsame ältere Geräte hören, richtig verstehen und wird nicht versuchen, Daten während der Ultrahochgeschwindigkeit zu übertragen. Robustheit erfordert Opfer!

Jetzt bin ich bereit, jedem Interessierten ein unverzichtbares Werkzeug an die Hand zu geben, damit er nicht erschrocken darüber ist, dass möglicherweise übertragene Megabits im modernen Wi-Fi ziellos verloren gehen – dies ist in den beteiligten Ingenieurkreisen bereits zur Pflichtstudie geworden Der WLAN-AirTime-Rechner vom norwegischen 802.11-Enthusiasten Gjermund Raaen. Es ist erhältlich unter Link — Das Ergebnis seiner Arbeit sieht in etwa so aus:

Zeile 1 ist die Zeit, die ein 1512n-Gerät für die Übertragung eines 802.11-Byte-Datenpakets in einer Kanalbreite von 20 MHz benötigt.

Zeile 2 ist die Zeit, die ein Gerät mit derselben Antennenformel, das jedoch bereits nach dem 802.11ac-Standard in einem 80-MHz-Kanal arbeitet, mit der Übertragung desselben Pakets verbracht hat.

Wie kann das sein - es wurde viermal mehr Sendezeit „verdorben“, die maximale Modulation ist von 64QAM auf 256QAM komplexer geworden, die Kanalgeschwindigkeit ist höher SECHS Zeiten (433 Mbit/s statt 72 Mbit/s), aber höchstens 25 % der Sendezeit gewonnen?

Erinnern Sie sich an die Kompatibilität und zwei Prinzipien von 802.11?

Nun, wie können wir solche Ungerechtigkeit und Verschwendung korrigieren – fragen wir uns, wie sich wahrscheinlich jede IEEE-Arbeitsgruppe, die mit der Erstellung eines Standards begann, gefragt hat? Mir fallen mehrere logische Wege ein:

1. Beschleunigen Sie die Datenübertragung im „grünen“ Teil des Diagramms. Dies geschieht bei der Veröffentlichung jedes Standards, da große Zahlen auf den Kartons gut aussehen. In der Praxis ergibt sich, wie wir gerade bemerkt haben, eine endliche Steigerung – selbst wenn wir die Kanalgeschwindigkeit auf einhunderttausend Millionen Gigabit pro Nanosekunde beschleunigen, verschwinden alle anderen Teile des Diagramms nicht. Aus diesem Grund empfehle ich, in allen Geschichten über alle neuen 802.11-Standards die Absätze zu überspringen, in denen Megabit pro Sekunde erwähnt wird.
2. Beschleunigen Sie alle anderen Teile des Diagramms. Tatsächlich, wenn wir die Geschwindigkeit, mit der alles „nicht grün“ übertragen wird (oder „nicht blau“, wenn Sie sich immer noch das vorherige Bild ansehen), mindestens verdoppeln, dann werden wir auf etwas weniger als 50 kommen % Steigerung des realen Durchsatzes – jedoch durch den Verlust der Kompatibilität mit Geräten und einer Reihe anderer Nuancen, die Sie kennenlernen werden, wenn Sie sich auf die Prüfung für den stolzen Titel CWNA vorbereiten :) Spoiler: Das wird Ihnen nicht immer gelingen Tun Sie dies, nachdem Sie gründlich darüber nachgedacht und verstanden haben, wozu es führen wird. Tatsächlich stellt dies einen Verstoß gegen eines der beiden Prinzipien von 802.11 dar, Sie müssen also sehr vorsichtig damit sein!
3. Setzen Sie auf diese Weise mehrere Rahmen mit den grünen Teilen zusammen. Je länger der grüne Teil ist, desto effektiver ist die Erhöhung der Kanalgeschwindigkeit. Ja, das ist eine völlig funktionierende Strategie, die bereits in 802.11n erschien und einer von mehreren Eckpfeilern ihres revolutionären Charakters ist. Das einzige Problem besteht darin, dass erstens eine Reihe von Anwendungen sich überhaupt nicht um eine solche Aggregation geschert haben (z. B. dasselbe blutrünstige Voice over Wi-Fi), und dass sich zweitens einige Geräte auch nicht darum gekümmert haben (Irgendwie habe ich beschlossen, es abzufangen. Im realen Netzwerk des Unternehmens, für das ich arbeite, hätte es mehrere solcher aggregierten Frames gegeben, aber für >500 „abgeholte“ Frames gab es genau null aggregierte Frames. Höchstwahrscheinlich liegt das Problem darin in meiner Datenerfassungsmethodik, aber ich bin bereit, es mit jedem überall zu besprechen. Irgendwann in einem persönlichen Gespräch!).
4. Verstoßen Sie gegen den ersten der beiden Grundsätze von 802.11, indem Sie anfangen zu sprechen, während jemand anderes spricht. Und hier kommt 802.11ax tatsächlich zur Rettung.

Es ist großartig, dass ich in meiner Geschichte über Wi-Fi 6 endlich auf Wi-Fi 6 selbst eingegangen bin! Wenn Sie dies immer noch lesen, müssen Sie es entweder aus irgendeinem Grund tun oder Sie sind wirklich interessiert. Auch wenn 802.11ax einen großen Teil der früheren Entwicklungen der gesamten 802.11-Familie übernimmt (und übrigens nicht nur – einige coole Dinge erschienen in 802.16, auch bekannt als WiMAX), ist etwas darin immer noch frisch und originell. Normalerweise werden diese Wörter von einem Bild wie diesem begleitet, das auf der Website der Wi-Fi Alliance verfügbar ist:

Da ich von Anfang an einen Vorbehalt gemacht habe, werden wir im Rahmen eines lesbaren Artikels nur einen dieser Schlüsselpunkte berücksichtigen können, oder besser gesagt, keinen der im Bild gezeigten Punkte (was für eine Überraschung!). Ich bin mir sicher, dass Sie bereits eine Million Kurzbeschreibungen zu jedem dieser acht Schlüsselelemente gelesen haben, aber ich werde meine ermüdend lange Geschichte darüber fortsetzen, was aus OFDMA folgt – Multiple Media Access Control (MU-Zugriffskontrolle), was, wie Wie wir sehen, habe ich die Infografik überhaupt nicht verstanden. Aber es ist völlig umsonst!

Mehrfachzugriff ist etwas, ohne das die Aufteilung eines Kanals in Unterträger überhaupt keinen Sinn macht. Warum versuchen, verschiedene Teile des Spektrums zu betrachten, wenn es keinen Mechanismus gibt, der die Kunden des neuen Wi-Fi-6-Netzwerks dazu zwingen kann, eine der bisher unerschütterlichen Regeln zu brechen und gleichzeitig mit dem Sprechen zu beginnen? Und natürlich musste ein solcher Mechanismus einfach erscheinen – und die Auswirkungen des „langen“ Problems im Vergleich zu proprietären Informationsdaten verringern. Wie? Ja, es ist ganz einfach: Lassen Sie den „langsamen“ Serviceteil auf die gleiche Weise wie zuvor senden, aber wir senden den „schnellen“ Teil, bei dem die Daten direkt gleichzeitig von mehreren (oder an mehrere) Geräten gesendet werden Befehl! Es sieht ungefähr so ​​aus:

Es sieht kompliziert aus, ist aber im Wesentlichen ganz einfach zu erklären: Der Access Point meldet mithilfe eines speziellen Frames, der für alle (nicht einmal Wi-Fi 6!) Geräte verständlich ist, dass er bereit ist, Daten gleichzeitig an STA1 und zu übertragen STA2. Da der „Header“ dieses Frames selbst für sehr, sehr alte Clients vollständig verständlich ist, ziehen sie den richtigen Schluss, dass die Funkwellen für eine bestimmte Zeit damit beschäftigt sein werden, Informationen an andere Netzwerk-Clients zu übertragen, und beginnen, die Zeit bis zum Ende herunterzuzählen dieser Zeit (eigentlich wie immer in Wi-Fi). Die Geräte STA1 und STA2 verstehen jedoch, dass ihnen nun Daten auf eine neue Art und Weise gleichzeitig übermittelt werden, jeweils auf ihrem eigenen Kanalabschnitt, und sie antworten gleichzeitig auf den Zugangspunkt und bestätigen dann auch synchron den Empfang von der Rahmen (jeder mit seinem eigenen Datenanteil!) und die Umgebung wird wieder freigegeben. „Bottom-up“ funktioniert ähnlich:

Der wichtigste und auffälligste Unterschied besteht darin, dass der Access Point in dieser Situation Stationen, die gleichzeitig sprechen können, mithilfe eines speziellen Frames namens Trigger mitteilt, wann sie mit der Übertragung beginnen sollen. Dies ist in der Tat ein neuer „Auslöser“ des gesamten Mechanismus des mehrfachen gleichzeitigen Zugriffs auf das Medium, der meiner bescheidenen Meinung nach eine der wichtigsten Neuerungen „unter der Haube“ des neuen Standards darstellt. Darin erhalten Kunden einen „Fahrplan“, wie sie einen Frequenzkanal untereinander aufteilen; Dabei teilen Clients dem Access Point gleichzeitig mit, dass sie ihre Datenanteile erhalten haben und diese analysieren konnten. Darin benachrichtigt der Access Point alle, die gleichzeitig „sprechen“ können, über den Beginn der Datenübertragung – darin beginnt der Access Point, ihm die erforderlichen Daten zu senden. Der neue Trigger-Frame-Mechanismus ermöglicht es Ihnen tatsächlich, die irrationale Nutzung der Sendezeit zu reduzieren – und zwar so effektiv, wie viele Kunden ihn nutzen und richtig wahrnehmen können!

Lassen Sie uns nun die Hauptthesen formulieren, die sich aus dieser gesamten langen Geschichte ergeben und sich für TL;DR qualifizieren:

1. Access Points des neuen 802.11ax-Standards werden, selbst wenn sie nur auf eine von vielen Innovationen basieren, den Gesamtdurchsatz des gesamten Netzwerks bereits steigern zweiten kompatibles Client-Gerät! Sobald es mindestens zwei Clients gibt, die gleichzeitig sprechen können, werden unter sonst gleichen Bedingungen (ich habe keinen Grund anzunehmen, dass Treiber für Client-Funkmodule besser geschrieben werden als zuvor, was bedeutet, dass die Aggregation von „nützliche“ Teile von Frames und viele andere clientabhängige Funktionen werden „im Durchschnitt in einem Zoo“ immer noch nicht funktionieren), sie werden BEREITS den durchschnittlichen Durchsatz erhöhen. Wenn Sie also über ein neues WLAN-Netzwerk nachdenken, ist es sinnvoll, sofort über die neuesten und besten Access Points nachzudenken, denn auch wenn es derzeit noch wenige Clients dafür gibt, wird die Situation nicht lange so bleiben.
2. Alle Tricks und Tricks, die heute zum Arsenal eines guten Wireless-Ingenieurs gehören, werden noch lange relevant bleiben – obwohl der Mechanismus für den Zugriff auf das Medium aktualisiert wurde und damit gegen die seit mehr als 20 Jahren geltenden Grundprinzipien verstößt, bleibt er bestehen Kompatibilität im Vordergrund. Sie müssen immer noch „langsame“ Verwaltungsraten abschalten (und Sie müssen immer noch verstehen, warum und wann), Sie müssen die physische Ebene immer noch richtig planen, da kein Mechanismus auf der Datenverbindungsebene funktioniert, wenn es Probleme auf der physischen Ebene gibt Ebene. Die Gelegenheit dazu ergab sich gerade noch besser.
3. Fast alle Entscheidungen in Wi-Fi 6 werden vom Access Point getroffen. Wie wir sehen können, steuert es den Client-Zugriff auf die Umgebung, indem es Geräte in „Zeiträumen“ gleichzeitigen Betriebs gruppiert. Etwas weiter zur Seite betrachtet, liegt die Arbeit von TWT ebenfalls vollständig auf den Schultern des Access Points. Jetzt muss der AP nicht nur „das Netzwerk verbreiten“ und den Datenverkehr in Warteschlangen speichern, sondern auch Aufzeichnungen über alle Clients führen und planen, wie er sie basierend auf ihrem Bandbreiten- und Datenverkehrsbedarf, ihren Batterien und vielem mehr profitabler miteinander kombinieren kann . – Ich nenne diesen Prozess „Orchestrierung“. Die Algorithmen, nach denen der Access Point all diese Entscheidungen trifft, sind nicht reguliert, was bedeutet, dass sich die wahre Qualität und der strukturelle Ansatz der Hersteller gerade in der Entwicklung von Orchestrierungsalgorithmen manifestieren. Je genauer die Punkte die Bedürfnisse der Kunden vorhersagen, desto besser und einheitlicher können sie diese in mehreren Zugangsgruppen zusammenfassen – desto rationeller werden also die Sendezeitressourcen genutzt und desto höher ist der Enddurchsatz eines solchen Zugangspunkts wird sein. Der Algorithmus ist die letzte Grenze!
4. Der Übergang von Wi-Fi 5 zu Wi-Fi 6 ist von ebenso revolutionärer Natur und Bedeutung wie der Übergang von 802.11g zu 802.11n. Dann bekamen wir Multithreading und „Payload“-Aggregation – jetzt bekommen wir gleichzeitigen Zugriff auf das Medium und schließlich funktionieren MU-MIMO und Beamforming (erstens sind das, wie wir wissen, fast dasselbe; zweitens die Diskussion „Warum MU- „MIMO wurde in 802.11ac erfunden, konnte aber nicht zum Laufen gebracht werden“ ist das Thema eines separaten langen Artikels :) Sowohl 802.11n als auch Wi-Fi 6 arbeiten im Gegensatz zu ihren „mittleren“ Vorgängern in beiden Bändern (2,4 GHz und 5 GHz) – wirklich „sechs ist die neue vier“!

Ein wenig über die Ursprünge dieses Artikels
Der Artikel wurde für einen von Huawei veranstalteten Wettbewerb geschrieben (ursprünglich veröffentlicht). hierher). Beim Schreiben habe ich mich weitgehend auf meinen eigenen Bericht auf der „Bezprovodov“-Konferenz verlassen, die 2019 in St. Petersburg stattfand (Sie können sich die Aufzeichnung der Rede ansehen). auf Youtube, denken Sie daran – der Ton dort ist, ehrlich gesagt, nicht großartig, trotz der St. Petersburger Herkunft des Videos!).

Source: habr.com