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

Hallo.

Wenn man der Einfachheitstheorie von Einstein glauben schenkt, besteht das Hauptmerkmal des Verständnisses eines Themas in der Fähigkeit, es möglichst einfach zu erklären. Daher werde ich in diesem Beitrag versuchen, die Funktionsweise eines einzigen Aspekts des neuen Standards so einfach und detailliert wie möglich zu erläutern, der aus irgendeinem Grund selbst vom Wi-Fi Alliance nicht für erwähnenswert in der Infografik über die neuen Möglichkeiten von Wi-Fi 6 erachtet wird, obwohl er, wie wir bald gemeinsam feststellen werden, sehr wichtig und bemerkenswert ist. Hier ist nicht alles ausreichend tiefgehend und sicherlich nicht alles umfassend (da es schwierig ist, einen solchen Elefanten sogar stückweise zu essen), aber ich hoffe, dass wir aus meinen wortreichen Exzerzen etwas Neues und Interessantes für uns herausholen können.

Der besagte 802.11ax, auf den wir nun schon seit über zwei Jahren warten, birgt eine Fülle an Neuheiten und Erstaunlichem. Jeder, der etwas darüber erzählen möchte, steht immer vor der Wahl: entweder ein Überblick über zahlreiche Abkürzungen und Akronyme zu geben und zu versuchen, sich nicht in den komplexen Mechanismen hinter jedem einzelnen davon zu verlieren, oder einen einstündigen Vortrag über etwas einzuhalten, das dem Autor am angenehmsten ist. Ich wage es, noch weiter zu gehen: Ein Großteil meines Beitrags wird sich sogar nicht auf das Neue konzentrieren!

So bauen bereits seit mehr als zwanzig Jahren Teile der drahtlosen Datenübertragungsnetze auf einem Wirrwarr von Standards der Familie 802.11 auf, und als ein respektabler Redner hätte ich gezwungenermaßen den Zeitrahmen der gesamten Ereigniskette rekonstruieren müssen, die der Welt Milliarden von miteinander kompatiblen Geräten beschert hat – aber, als ein respektvoller Autor, wage ich es, dies dennoch nicht zu tun. Dennoch sollten wir uns gegenseitig an einiges erinnern.

Alle Iterationen von Wi-Fi stellten die Zuverlässigkeit in den Vordergrund, jedoch nicht die Maximierung der Übertragungskapazität. Das folgt aus dem Zugangskontrollmechanismus (CSMA/CA), der aus Sicht der Ausnutzung der letzten Kilobits pro Sekunde im Übertragungsmedium nicht optimal ist (über die Unvollkommenheit der Welt im Allgemeinen und von Wi-Fi im Besonderen kann man bei Interesse in dem Artikel meines ehemaligen Kollegen lesen. skhomm hier), aber unglaublich widerstandsfähig unter praktisch allen Bedingungen. Tatsächlich können nahezu alle Grundlagen des Designs von Wi-Fi-Netzwerken verletzt werden — und in einem solchen Netzwerk wird trotzdem der Datenaustausch funktionieren! Der gesamte Mechanismus, durch den die Wi-Fi-Netzwerk-Kunden die Möglichkeit erhalten, ihre Datenmengen zu übertragen und/oder zu empfangen, ist auf die Sicherstellung ausgerichtet, was im Englischen als unübersetzbares technokratische Flair bezeichnet wird, robustness. Die gesamte Schicht über den Erhöhung der Modulationen, Aggregation von Datenrahmen (nicht ganz so, aber lassen wir es dabei!) funktioniert weiterhin, nachdem die zwei grundlegenden Prinzipien von 802.11, die diese unübertroffene Zuverlässigkeit gewährleisten, implementiert wurden:

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

Der zweite Punkt schädigt die Netzwerkbandbreite erheblich mehr, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Hier ist ein tolles Bild, das ein gesendetes Datenpaket in einem Wi-Fi-Netzwerk illustriert:

Lassen Sie uns klären, was es für gewöhnliche Menschen bedeutet, die nicht wissen, wie viele Seiten der Standard 802.11-2016 hat. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit, die im Eigenschaften der drahtlosen Netzwerke von dem System aufgeführt wird und die auf den Verpackungen der Access Points von Marketingabteilungen jedes Herstellers abgebildet ist (nun, Sie haben es wahrscheinlich schon gesehen — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), das ist nicht nur der Spitzenwert und maximal bei 100% der Übertragungszeit belegt, sondern ist auch die Geschwindigkeit, mit der nur der blaue Teil auf diesem schönen Diagramm gesendet wird. Alles andere wird mit einer Geschwindigkeit gesendet, die auf Englisch management rate genannt wird (und auch auf Russisch, denn die Übersetzung solcher Ausdrücke kann zu weiterem Missverständnis zwischen Ingenieuren führen) und die nicht nur um Vielfaches, sondern um HUNDERTE mal geringer ist. Zum Beispiel überträgt ein Netzwerk auf 802.11ac, das mit Clients bei einer Kanalgeschwindigkeit von 1300 Mb/s arbeiten kann, alle Verwaltungsinformationen (alles, was nicht blau auf unserem immer grässlicheren Diagramm ist) mit einer Managementrate von 6 Mb/s. Mehr als zweihundertmal langsamer!

Eine logische Frage — an welchem, entschuldigen Sie, Tag welchen Monats konnte eine so schädliche Idee überhaupt in den Standard gelangen, nach dem Milliarden von Geräten weltweit arbeiten? Die logische Antwort — Kompatibilität, Kompatibilität, Kompatibilität! Ein Netzwerk an dem neuestens Zugangspunkt muss die Möglichkeit bieten, mit zehn- und sogar fünfzehn Jahre alten Geräten zu funktionieren, und genau in all diesen „nicht-blauen“ Stücken fliegt die Information, die langsame ältere Geräte hören, richtig verstehen und während der superschnellen Datenübertragungen nicht versuchen werden, ihre eigenen zu übermitteln. Robustheit erfordert Opfer!

Jetzt bin ich bereit, jedem Interessierten ein unverzichtbares Werkzeug zu geben, um sich über potenziell ankommende Megabits im modernen Wi-Fi zu erschrecken — es ist der bereits obligatorisch gewordene Begriff in den beteiligten Ingenieurgemeinschaften Der WiFi AirTime Rechner des norwegischen Enthusiasten der 802.11, Gjermund Raaen. Er ist erhältlich unter diesem Link — das Ergebnis seiner Arbeit sieht ungefähr so aus:

Zeile 1 — die Zeit, die benötigt wird, um ein Datenpaket mit 1512 Byte von einem 802.11n Gerät mit einer Kanalbreite von 20 MHz zu übertragen.

Zeile 2 — die Zeit, die benötigt wird, um dasselbe Paket von einem Gerät mit der gleichen Antennenformel zu übertragen, das jedoch nach dem Standard 802.11ac in einem Kanal mit 80 MHz arbeitet.

Wie kann es sein — "verschwendet" wurde viermal mehr Bandbreite, die maximale Modulation hat sich von 64QAM auf 256QAM erhöht, die Kanalgschwindigkeit ist über SECHS mal (433 Mbit/s statt 72 Mbit/s), und es wurden nur 25% der Sendezeit eingespart?

Kompatibilität und zwei Prinzipien von 802.11, erinnert ihr euch?

Gut, wie können wir dieses Unrecht und diese Verschwendung beheben — fragen wir uns, wie wohl jede Arbeitsgruppe der IEEE gefragt hat, die mit der Erstellung des Standards begonnen hat? Mehrere logische Wege kommen in den Sinn:

1. Die Datenübertragung im „grünen“ Abschnitt des Diagramms beschleunigen. Das geschieht bei jedem neuen Standard, denn große Zahlen sehen gut auf den Verpackungen aus. In der Praxis, wie wir gerade festgestellt haben, bringt es einen begrenzten Gewinn — selbst wenn wir die Kanalspeed auf hunderttausend Millionen Gigabit pro Nanosekunde erhöhen, werden alle anderen Teile des Diagramms nicht verschwinden. Deshalb empfehle ich, in all den Erzählungen über alle neuen Standards von 802.11 die Absätze zu überspringen, in denen Megabits pro Sekunde erwähnt werden.
2. Alle anderen Teile des Diagramms beschleunigen. Tatsächlich, wenn wir die Geschwindigkeit, mit der alles "nicht-grüne" (oder "nicht-blaue", falls Sie sich immer noch das vorherige Bild ansehen) übertragen wird, mindestens verdoppeln, erhalten wir etwas weniger als 50% Zuwachs an tatsächlicher Kapazität — allerdings auf Kosten der Kompatibilität mit Geräten und einer Reihe anderer Nuancen, die Sie kennenlernen werden, wenn Sie sich auf die Prüfung zum stolzen CWNA-Titel vorbereiten 🙂 Spoiler: Das gelingt nicht immer, wenn man intensiv darüber nachdenkt und versteht, wohin das führt. Tatsächlich verstößt das gegen eines der beiden Prinzipien von 802.11, also ist Vorsicht geboten!
3. Einige solcher Frames mit grünen Teilen zusammenfügen. Je länger der grüne Teil, desto effektiver funktioniert die Erhöhung der Kanalgeschwindigkeit. Ja, das ist eine durchaus funktionierende Strategie, die schon in 802.11n auftauchte und einer von mehreren Grundpfeilern seiner Revolutionärität ist. Das Problem ist nur, dass erstens viele Anwendungen auf eine solche Aggregation pfeifen (zum Beispiel das blutrünstige Voice over Wi-Fi), und zweitens auch viele Geräte auf sie verzichten wollten (ich habe versucht, zumindest einige solcher aggregierten Frames in einem echten Netzwerk des Unternehmens, in dem ich arbeite, zu fangen, aber von über 500.000 "aufgefangenen" Frames war exakt null aggregiert. Wahrscheinlich liegt das an meiner Methodik der Datensammlung, aber ich bin bereit, diese mit jedem, der möchte, irgendwo in einem persönlichen Gespräch zu diskutieren!).
4. Das erste der beiden Prinzipien von 802.11 verletzen, indem man zu reden beginnt, wenn jemand anderes spricht. Und hier kommt 802.11ax ins Spiel.

Wie großartig, endlich habe ich in meiner Erzählung über Wi-Fi 6 tatsächlich Wi-Fi 6 erreicht! Wenn Sie das hier immer noch lesen, haben Sie entweder einen Grund dazu oder es interessiert Sie wirklich. Nun, obwohl 802.11ax einen Großteil der bisherigen Entwicklungen der gesamten 802.11-Familie (und nicht nur, übrigens — einige coole Sachen wurden ursprünglich in 802.16, auch bekannt als WiMAX, eingeführt) erbt, gibt es dennoch einige frische und originelle Aspekte. Gewöhnlich wird an dieser Stelle ein Bild gezeigt, das auf der Website der Wi-Fi Alliance verfügbar ist:

Wie ich von Anfang an gesagt habe, können wir innerhalb eines einzigen lesbaren Artikels nur einen dieser Schlüsselpunkte ausreichend behandeln, genauer gesagt, keinen der auf dem Bild gezeigten (was für eine Überraschung!). Ich bin mir sicher, dass Sie bereits Millionen von flüchtigen Beschreibungen jedes dieser acht Schlüsselfaktoren gelesen haben, ich werde jedoch meine mühsam langen Ausführungen über das, was aus OFDMA folgt — über den Mehrfachzugang zur Übertragungsmedien (MU-Zugangskontrolle), der, wie wir sehen, in die Infografik überhaupt nicht aufgenommen wurde, fortsetzen. Und das ist wirklich schade!

Der Mehrfachzugang ist das, ohne das die Aufteilung des Kanals in Unterträger völlig sinnlos wäre. Warum sollten wir versuchen, verschiedene Teile des Spektrums zu betrachten, wenn es keinen Mechanismus gibt, der die Kunden des neuen Wi-Fi 6-Netzes dazu bringt, eines der bis dahin unverbrüchlichen Regeln zu brechen und gleichzeitig zu kommunizieren? Und natürlich musste ein solcher Mechanismus einfach geschaffen werden – um den Einfluss des Problems „lange“ im Vergleich zu den Daten von Steuerinformationen zu reduzieren. Wie? Ganz einfach: Lassen Sie die „langsame“, steuerliche Teil wie zuvor versendet werden, während wir die „schnelle“ Teil, in der die Daten tatsächlich übertragen werden, gleichzeitig von mehreren (oder auf mehrere) Geräten auf Befehl senden! So sieht das ungefähr aus:

Es sieht kompliziert aus, lässt sich jedoch im Grunde ganz einfach erklären: Der Zugangspunkt informiert mit Hilfe eines speziellen Rahmens, der für alle (sogar nicht-Wi-Fi 6!) Geräte verständlich ist, dass er bereit ist, Daten gleichzeitig an STA1 und STA2 zu übertragen. Da der „Header“ dieses Rahmens für die ganz alten Clients völlig verständlich ist, ziehen sie den richtigen Schluss, dass der Kanal für eine bestimmte Zeit mit der Übertragung von Informationen an andere Netzwerkclients belegt ist, und beginnen, die Zeit bis zum Ende dieses Zeitraums zu zählen (wie immer in Wi-Fi). Die Geräte STA1 und STA2 hingegen verstehen, dass ihnen nun nach einer neuen Methode, gleichzeitig und jeweils auf ihrem Kanalabschnitt, Daten übermittelt werden, und antworten dem Zugangspunkt ebenfalls gleichzeitig, und bestätigen dann synchron den Empfang des Rahmens (jeder mit seinem eigenen Datenpaket!), und die Übertragungsumgebung wird erneut frei. „Von unten nach oben“ funktioniert es ungefähr so:

Der Hauptunterschied, der ins Auge fällt, ist, dass der Zugriffspunkt in dieser Situation den Stationen mitteilt, die gleichzeitig sprechen können, wann sie mit der Übertragung beginnen sollen, und zwar mit Hilfe eines speziellen Frames, der Trigger genannt wird. Das ist im Grunde genommen der neue „Auslöser“ für den gesamten Mechanismus des mehrfachen gleichzeitigen Zugriffs auf das Medium, der, so meine bescheidene Meinung, eine der wichtigsten Innovationen „unter der Haube“ des neuen Standards darstellt. Hier erhalten die Clients den „Zeitplan“, wie sie sich einen Frequenzkanal aufteilen; hier teilen die Clients gleichzeitig dem Zugriffspunkt mit, dass sie ihre Datenpakete erhalten haben und in der Lage sind, sie zu verarbeiten. Hier informiert der Zugriffspunkt alle, die gleichzeitig „sprechen“ können, über den Beginn der Datenübertragung – und hier startet der Zugriffspunkt auch die Übertragung der erforderlichen Daten. Der neue Mechanismus Trigger-Frame ermöglicht es im Grunde, die ineffiziente Nutzung der Funkfrequenz erheblich zu reduzieren – und zwar so effizient, wie es viele Clients können, die ihn nutzen und korrekt wahrnehmen!

Und jetzt formulieren wir die wichtigsten Thesen, die aus dieser langen Erzählung folgen und als TL;DR angesehen werden können:

1. Die Zugriffspunkte des neuen Standards 802.11ax werden, selbst wenn sie sich nur auf eine der vielen Neuerungen stützen, die Gesamtdatenrate des gesamten Netzwerks bereits ab einem zweiten kompatiblen Client-Gerät erhöhen! Sobald es auch nur zwei Clients gibt, die gleichzeitig sprechen können, werden sie bei gleichen Bedingungen (ich habe keinen Grund anzunehmen, dass die Treiber für die Client-Radio-Module besser geschrieben werden als früher, und daher werden die Aggregation der „nützlichen“ Teile der Frames und viele andere clientabhängige Funktionen nach wie vor „im Durchschnitt“ nicht besonders gut funktionieren) bereits die durchschnittliche Datenrate erhöhen. Wenn Sie also über ein neues Wi-Fi-Netz nachdenken – macht es Sinn, sich sofort die neuesten und besten Zugriffspunkte anzusehen, denn selbst wenn es momentan noch wenige Clients dafür gibt – wird sich die Situation nicht lange so halten.
2. Alle Tricks und Kniffe, die heute im Arsenal eines guten Wireless-Ingenieurs vorhanden sind, werden noch lange relevant bleiben – der Zugang zur Umgebung hat sich zwar aktualisiert und damit die seit über 20 Jahren bestehenden Grundsätze verletzt, aber die Kompatibilität steht weiterhin an erster Stelle. Es ist nach wie vor notwendig, die "langsamen" Management-Rates abzuschneiden (und weiterhin zu verstehen, warum und wann), und es ist immer noch notwendig, die physische Schicht richtig zu planen, denn kein Mechanismus auf der zweiten Schicht funktioniert, wenn es Probleme auf der physischen Ebene gibt. Es gibt jetzt einfach die Möglichkeit, dies zu tun. noch besser.
3. Fast alle Entscheidungen im Wi-Fi 6 trifft der Zugangspunkt. Wie wir sehen, verwaltet er den Zugang der Clients zur Umgebung, indem er Geräte in "Perioden" gleichzeitig arbeitender Verbindungen zusammenführt. Wenn wir einen Schritt weiter gehen – die TWT-Arbeit liegt ebenfalls vollständig auf den Schultern des Zugangspunkts. Jetzt muss der AP nicht nur "das Netzwerk übermitteln" und den Verkehr in Warteschlangen speichern, sondern auch alle Clients im Auge behalten und planen, wie sie vorteilhafter miteinander basierend auf ihren Bandbreiten und Verkehrsbedürfnissen, ihren Batterien und vielen anderen Faktoren zusammengeführt werden – ich nenne diesen Prozess "Orchestrierung". Die Algorithmen, nach denen der Zugangspunkt all diese Entscheidungen treffen wird, sind nicht reguliert, was bedeutet, dass die wahre Qualität und der strukturierte Ansatz der Hersteller genau in der Entwicklung der Orchestrierungsalgorithmen zum Tragen kommen werden. Je genauer die Punkte die Bedürfnisse der Clients vorhersagen können, desto besser und gleichmäßiger können sie diese in Gruppen von Mehrfacheingängen zusammenfassen – dementsprechend werden die Ressourcen des Frequenzbands effizienter genutzt und die endgültige Bandbreite eines solchen Zugangspunkts höher sein. Der Algorithmus ist die letzte Grenze!
4. Der Übergang von Wi-Fi 5 zu Wi-Fi 6 ist ebenso revolutionär in seinem Wesen und seiner Bedeutung wie der Übergang von 802.11g zu 802.11n. Damals erhielten wir die Unterstützung für Multiple Streams und die Aggregation von "Nutzlast" – jetzt erhalten wir gleichzeitigen Zugang zur Umgebung und endlich funktionierendes MU-MIMO und Beamforming (erstens, wie wir wissen, ist das fast dasselbe; zweitens ist die Diskussion darüber, "warum MU-MIMO in 802.11ac erfunden wurde, aber nicht zum Laufen gebracht wurde" ein Thema für einen eigenen großen Artikel 🙂 ). Sowohl 802.11n als auch Wi-Fi 6 arbeiten in beiden Frequenzbereichen (2,4 GHz und 5 GHz), im Gegensatz zu den "intermediären" Vorgängern – wahrlich, "sechs ist das neue vier"!

Ein wenig über die Ursprünge dieses Artikels
Der Artikel wurde für einen Wettbewerb geschrieben, den die Firma Huawei veranstaltete (ursprünglich veröffentlicht hier). Bei dessen Erstellung stützte ich mich zum großen Teil auf meinen eigenen Bericht auf der Konferenz "Wireless", die 2019 in St. Petersburg stattfand (die Aufzeichnung des Vortrags kann man sich auf YouTubeansehen, nur beachten Sie – der Ton ist, um es gelinde auszudrücken, nicht gerade berauschend, trotz des Petersburger Ursprungs des Videos!).

Quelle: habr.com