Lo más importante del Wi-Fi 6. No, en serio

Hey.

Si crees en la teoría de la simplicidad de Einstein, el principal indicador para comprender un tema es la capacidad de explicarlo de la manera más simple posible, entonces en esta publicación intentaré explicar de la manera más simple y completa posible el efecto de solo un detalle de lo nuevo. estándar, que por alguna razón incluso la Wi-Fi Alliance considera indigno de mencionar en la infografía sobre las nuevas características de Wi-Fi 6, aunque, como pronto veremos juntos, es muy importante y digno de mención. No todo aquí es lo suficientemente profundo y ciertamente no completo (porque un elefante así es difícil de comer incluso en partes), pero espero que todos aprendamos algo nuevo e interesante de mis ejercicios verbales.

Ese mismo 802.11ax, que llevamos esperando cada día al menos desde el segundo año, trae consigo un montón de cosas nuevas y sorprendentes. Cualquiera que quiera contar algo sobre él siempre tiene una opción: o hacer una carrera de repaso por las cabezas, mencionando un cubo de abreviaturas y abreviaturas, tratando de no atascarse en los complejos mecanismos bajo el capó de cada una de ellas, o envolver Redacté un informe de una hora sobre una cosa que agradó mucho al autor. Me arriesgaré a ir aún más lejos: ¡la mayor parte de mi nota estará dedicada a algo que ni siquiera es nuevo!

Entonces, desde hace más de veinte años, algunas de las redes de datos inalámbricas se construyen de acuerdo con una serie de estándares de la familia 802.11 y, como cualquier orador que se precie, tendría que restaurar ligeramente la línea de tiempo de toda la cadena. de eventos que dieron al mundo miles de millones de dispositivos interoperables, pero, como autor que respeta al lector, todavía me arriesgo a no hacerlo. Sin embargo, deberíamos recordarnos algo.

Todas las iteraciones de Wi-Fi han priorizado la confiabilidad en lugar de maximizar el rendimiento. Esto se desprende del mecanismo de acceso al medio (CSMA/CA), que no es el más óptimo en términos de exprimir los últimos kilobits por segundo del medio de transmisión (puedes leer más sobre las imperfecciones del mundo en general y Wi -Fi en particular en el artículo de mi ex colega. skhomm aquí están los lugares), pero increíblemente duradero en casi cualquier condición. De hecho, puedes romper casi todos los fundamentos del diseño de una red Wi-Fi, ¡y dicha red seguirá intercambiando datos! Todo el mecanismo mediante el cual los clientes de la red Wi-Fi pueden transmitir y/o recibir sus porciones de datos tiene como objetivo garantizar lo que en inglés se llama una palabra con un toque de tecnocracia difícil de traducir, robustez. Toda la capa de modulación aumenta, la agregación de fotogramas con datos (no exactamente así, ¡pero que así sea!) embadurnados en la parte superior continúa funcionando según los dos principios fundamentales de 802.11, que proporcionan esta confiabilidad insuperable:

1. “Mientras uno habla, los demás callan”;
2. “Todo, excepto los datos, se dice lenta y claramente”.

El segundo punto causa mucho más daño al ancho de banda de la red de lo que parece a primera vista. Aquí hay una imagen interesante que ilustra un dato enviado a través de una red Wi-Fi:

Averigüemos qué significa para la gente común que no sabe cuántas páginas hay en el estándar 802.11-2016. La velocidad de transferencia de datos que el sistema escribe en las propiedades de la red inalámbrica y que los comercializadores de cualquier fabricante utilizan en las cajas de los puntos de acceso (bueno, probablemente lo hayas visto: ¡1,7 Gb/s! ¡2,4 Gb/s! ¡9000 Gb/s!) , no solo es el pico y máximo al 100% del tiempo ocupado por la transmisión, sino que también es la velocidad a la que solo se enviará la parte azul de este hermoso gráfico. Todo lo demás se enviará a una velocidad que en inglés se llama tasa de gestión (y también en ruso, porque traducir tales expresiones amenaza con mayores malentendidos entre ingenieros), y que es menor no sólo varias veces, sino también un factor de Cientos una vez. Por ejemplo, sin ninguna configuración adicional, una red 802.11ac, que puede trabajar con clientes a una velocidad de canal de 1300 Mb/s, transmite toda la información del servicio (todo lo que no está en azul en nuestro cada vez más terrible gráfico) a una velocidad de gestión de 6 MB/s. ¡Más de doscientas veces más lento!

La pregunta lógica es: ¿en qué mes, perdón, una idea de sabotaje de este tipo podría convertirse en parte del estándar según el cual funcionan miles de millones de dispositivos en todo el mundo? ¡La respuesta lógica es compatibilidad, compatibilidad, compatibilidad! La red en el punto de acceso más nuevo debería brindar la capacidad de funcionar con dispositivos de diez e incluso quince años de antigüedad, y es en todas estas piezas "no azules" donde vuela la información que los dispositivos lentos de mayor edad escucharán, comprenderán correctamente y no intentará transmitir datos a velocidades ultraaltas. ¡La robustez requiere sacrificio!

Ahora estoy dispuesto a ofrecer a todos los interesados ​​una herramienta indispensable para horrorizarse ante los posibles megabits transmitidos que se pierden sin rumbo en el Wi-Fi moderno; esto ya se ha convertido en un estudio obligatorio en los círculos de ingeniería interesados. La calculadora de tiempo aire WiFi por el entusiasta noruego 802.11 Gjermund Raaen. Está disponible en este enlace — el resultado de su trabajo se parece a esto:

La línea 1 es el tiempo dedicado a transmitir un paquete de datos de 1512 bytes mediante un dispositivo 802.11n en un ancho de canal de 20 MHz.

La línea 2 es el tiempo dedicado a transmitir el mismo paquete por un dispositivo con la misma fórmula de antena, pero que ya opera según el estándar 802.11ac en un canal de 80 MHz.

¿Cómo puede ser esto? Se ha "estropeado" cuatro veces más tiempo aire, la modulación máxima se ha vuelto más compleja de 64QAM a 256QAM, la velocidad del canal es mayor SEIS veces (433 Mb/s en lugar de 72 Mb/s), pero como máximo se ganó el 25% del tiempo de emisión?

Compatibilidad y dos principios del 802.11, ¿recuerdas?

Bueno, ¿cómo podemos corregir tal injusticia y despilfarro? Nos preguntamos, como probablemente se preguntó cada grupo de trabajo del IEEE que comenzó a crear un estándar. Me vienen a la mente varios caminos lógicos:

1. Acelere la transferencia de datos en la parte "verde" del gráfico. Esto se hace cuando se publica cada estándar, porque los números grandes se ven bien en las cajas. En la práctica, como acabamos de notar, da un aumento finito: incluso si aceleramos la velocidad del canal a cien mil millones de gigabits por nanosegundo, todas las demás partes del gráfico no desaparecerán. Por eso recomiendo que en todas las historias sobre los nuevos estándares 802.11, omita los párrafos que mencionan megabits por segundo.
2. Acelere todas las demás partes del gráfico. De hecho, si al menos duplicamos la velocidad a la que se transmite todo lo “no verde” (bueno, o “no azul”, si sigues mirando la imagen anterior), obtendremos un poco menos de 50 % de aumento en el rendimiento real; sin embargo, al perder compatibilidad con los dispositivos y una serie de otros matices que aprenderá cuando se prepare para el examen para el orgulloso título de CWNA :) Spoiler: no siempre podrá Haga esto, después de pensarlo detenidamente y comprender a qué conducirá. De hecho, esto es una violación de uno de los dos principios de 802.11, por lo que debes tener mucho cuidado.
3. Arma varios cuadros como este con las partes verdes juntas. Cuanto más larga sea la parte verde, más efectivo será el aumento de la velocidad del canal. Sí, esta es una estrategia completamente funcional que apareció en 802.11n y es una de las piedras angulares de su naturaleza revolucionaria. El único problema es que, en primer lugar, a varias aplicaciones les importaba un carajo dicha agregación (por ejemplo, esa misma Voz a través de Wi-Fi sedienta de sangre), en segundo lugar, a varios dispositivos tampoco les importaba un carajo (de alguna manera decidí detectarlo. Habría habido varios fotogramas agregados de este tipo en la red real de la empresa para la que trabajo, pero para >500 fotogramas "recogidos", no hubo exactamente cero fotogramas agregados. Lo más probable es que el problema sea en mi metodología de recopilación de datos, pero estoy dispuesto a discutirlo con cualquier persona en cualquier lugar (¡en algún momento en una conversación personal!).
4. Viole el primero de los dos principios de 802.11 al comenzar a hablar cuando alguien más está hablando. Y aquí es donde 802.11ax realmente viene al rescate.

¡Es genial que finalmente haya llegado al Wi-Fi 6 en mi historia sobre Wi-Fi 6! Si todavía estás leyendo esto, o tienes que hacerlo por alguna razón o estás realmente interesado. Entonces, aunque 802.11ax hereda una gran parte de los desarrollos anteriores de toda la familia 802.11 (y no solo, por cierto, algunas cosas interesantes aparecieron en 802.16, también conocido como WiMAX), algo en él todavía es fresco y original. Normalmente estas palabras van acompañadas de una imagen como esta, disponible en la web de Wi-Fi Alliance:

Como hice una reserva desde el principio, dentro de los límites de un artículo legible podremos considerar sólo uno de estos puntos clave, o mejor dicho, ninguno de los que se muestran en la imagen (¡qué sorpresa!). Estoy seguro de que ya ha leído un millón de descripciones rápidas de cada uno de estos ocho elementos clave, pero continuaré mi tediosamente larga historia sobre lo que sigue de OFDMA: control de acceso a múltiples medios (control de acceso MU), que, como Ya vemos, no entendí la infografía en absoluto. ¡Pero es completamente en vano!

El acceso múltiple es algo sin lo cual dividir un canal en subportadoras no tiene ningún sentido. ¿Por qué intentar mirar diferentes partes del espectro si no existe ningún mecanismo que pueda obligar a los clientes de la nueva red Wi-Fi 6 a romper una de las reglas hasta ahora inquebrantables y empezar a hablar al mismo tiempo? Y, por supuesto, un mecanismo de este tipo simplemente tenía que aparecer y reducir el impacto del problema "largo" en comparación con los datos de información privados. ¿Cómo? Sí, es muy sencillo: dejamos que la parte del servicio “lento” se envíe de la misma forma que antes, pero nosotros enviaremos la parte “rápida”, en la que los datos se envían directamente, simultáneamente desde varios (o a varios) dispositivos a la vez. ¡dominio! Se parece a esto:

Parece complicado, pero en esencia es bastante fácil de explicar: el punto de acceso, utilizando un marco especial que es comprensible para todos los dispositivos (¡ni siquiera para Wi-Fi 6!), informa que está listo para transmitir datos simultáneamente a STA1 y STA2. Dado que el "encabezado" de este cuadro es completamente comprensible incluso para clientes muy, muy antiguos, llegan a la conclusión correcta de que las ondas estarán ocupadas durante un cierto tiempo transmitiendo información a otros clientes de la red y comienzan a contar el tiempo. hasta el final de este periodo (de hecho, como siempre en Wi -Fi). Pero los dispositivos STA1 y STA2 entienden que ahora los datos se les transmitirán de una nueva manera, simultáneamente, cada uno en su propia parte del canal, y responden al punto de acceso al mismo tiempo, y luego también confirman sincrónicamente la recepción de el marco (¡cada uno con su propia porción de datos!), y el entorno se libera nuevamente. “Abajo hacia arriba” funciona de la misma manera:

La principal y más llamativa diferencia es que el punto de acceso en esta situación indica a las estaciones que pueden hablar al mismo tiempo cuándo empezar a transmitir, mediante un marco especial llamado Trigger. Este es, de hecho, un nuevo "desencadenante" de todo el mecanismo de acceso múltiple simultáneo al medio, que es, en mi humilde opinión, una de las innovaciones más importantes "bajo el capó" del nuevo estándar. Es en él donde los clientes reciben un "horario" sobre cómo dividirse un canal de frecuencia entre ellos; Es aquí donde los clientes informan simultáneamente al punto de acceso que han recibido sus porciones de datos y han podido analizarlos. En él, el punto de acceso notifica a todos los que pueden "hablar" al mismo tiempo sobre el inicio de la transmisión de datos; en él, el punto de acceso comienza a enviarle los datos necesarios. El nuevo mecanismo Trigger frame, de hecho, le permite reducir el uso irracional del tiempo aire, ¡y con la misma eficacia que muchos clientes pueden usarlo y percibirlo correctamente!

Ahora formulemos las tesis principales que se derivan de toda esta larga historia y califiquemos para TL;DR:

1. Los puntos de acceso del nuevo estándar 802.11ax, incluso basándose en solo una de las muchas innovaciones, comenzarán a aumentar el rendimiento total de toda la red desde segundo dispositivo cliente compatible! Tan pronto como haya al menos dos clientes que puedan hablar al mismo tiempo, entonces, en igualdad de condiciones (no tengo motivos para suponer que los controladores para los módulos de radio del cliente se escribirán mejor que antes, lo que significa que la agregación de Las partes "útiles" de los marcos y muchas otras funciones dependientes del cliente todavía no funcionarán "en promedio en un zoológico"), YA aumentarán el rendimiento promedio. Por lo tanto, si está pensando en una nueva red Wi-Fi, tiene sentido considerar inmediatamente los mejores y más nuevos puntos de acceso, porque incluso si todavía hay pocos clientes para ellos, la situación no seguirá así por mucho tiempo.
2. Todos los trucos y trucos que hoy están en el arsenal de un buen ingeniero inalámbrico seguirán siendo relevantes durante mucho tiempo; aunque el mecanismo de acceso al medio se ha actualizado, violando los principios fundamentales que han durado más de 20 años, aún se mantiene. compatibilidad a la vanguardia. Aún necesita reducir las tasas de administración “lentas” (y aún necesita comprender por qué y cuándo), aún necesita planificar la capa física correctamente, porque ningún mecanismo a nivel de enlace de datos funcionará si hay problemas en la capa física. nivel. Simplemente surgió la oportunidad de hacer aun mejor.
3. Casi todas las decisiones en Wi-Fi 6 las toma el punto de acceso. Como podemos ver, controla el acceso de los clientes al entorno agrupando dispositivos en “períodos” de funcionamiento simultáneo. Moviéndonos un poco más hacia un lado, el trabajo de TWT también recae enteramente sobre los hombros del punto de acceso. Ahora el AP no sólo debe “transmitir la red” y almacenar el tráfico en colas, sino también mantener registros de todos los clientes, planificando cómo combinarlos de manera más rentable entre sí en función de sus necesidades de ancho de banda y tráfico, sus baterías y mucho, mucho más. — A este proceso lo llamo “orquestación”. Los algoritmos mediante los cuales el punto de acceso tomará todas estas decisiones no están regulados, lo que significa que la verdadera calidad y enfoque estructural de los fabricantes se manifestará precisamente en el desarrollo de algoritmos de orquestación. Cuanto más exactamente los puntos predigan las necesidades de los clientes, mejor y más uniformemente podrán combinarlos en múltiples grupos de acceso; por lo tanto, más racionalmente se utilizarán los recursos de tiempo aire y mayor será el rendimiento final de dicho punto de acceso. será. ¡El algoritmo es la última frontera!
4. La transición de Wi-Fi 5 a Wi-Fi 6 es tan revolucionaria en naturaleza e importancia como la transición de 802.11g a 802.11n. Luego obtuvimos la agregación de subprocesos múltiples y "carga útil": ahora tenemos acceso simultáneo al medio y finalmente trabajamos con MU-MIMO y Beamforming (en primer lugar, como sabemos, son casi lo mismo; en segundo lugar, la discusión "por qué MU- MIMO se inventó en 802.11ac, pero no se pudo hacer que funcionara” es el tema de un artículo extenso aparte :) Tanto 802.11n como Wi-Fi 6 funcionan en ambas bandas (2,4 GHz y 5 GHz), a diferencia de sus predecesores "intermedios". En verdad, ¡"seis son los nuevos cuatro"!

Un poco sobre los orígenes de este artículo.
El artículo fue escrito para un concurso organizado por Huawei (publicado originalmente aquí). Al escribirlo, me basé en gran medida en mi propio informe en la conferencia "Bezprovodov", que se celebró en 2019 en San Petersburgo (puedes ver la grabación del discurso en Youtube, solo tenga en cuenta que el sonido allí, francamente, no es excelente, ¡a pesar del origen del video en San Petersburgo!).

Fuente: habr.com