Bonjour.
Selon la théorie de la simplicité d'Einstein, le principal indicateur de compréhension d'un sujet est la capacité à l'expliquer de manière aussi simple que possible. Dans ce post, j'essaierai donc d'expliquer le fonctionnement d'un seul élément du nouveau standard de manière claire et détaillée. Il est étrange qu'il soit considéré comme indigne d'être mentionné dans les infographies sur les nouvelles caractéristiques du Wi-Fi 6, même par la Wi-Fi Alliance, alors qu'il s'avère, comme nous allons le constater, qu'il est très important et remarquable. Tout ne sera pas suffisamment approfondi ici, et ce ne sera certainement pas exhaustif (car il est difficile de traiter un tel sujet), mais j'espère que nous pourrons tous tirer quelque chose de nouveau et d'intéressant de mes réflexions.
Le fameux 802.11ax, que nous attendons depuis au moins deux ans, contient une multitude de nouveautés et de surprises. Ceux qui souhaitent en parler sont toujours confrontés à un choix : soit faire un tour d'horizon rempli d'acronymes, en essayant de ne pas se perdre dans les mécanismes complexes de chacun, soit se concentrer sur un sujet particulier, celui qui plaît le plus à l'auteur. Je vais même prendre le risque d'aller plus loin : la majeure partie de ma note ne sera pas consacrée à quelque chose de nouveau !
Ainsi, cela fait plus de vingt ans qu'une partie des réseaux de transmission de données sans fil est construite sur un ensemble de standards de la famille 802.11. En tant que présentateur respectueux, je devrais rappeler brièvement la chronologie de cette chaîne d'événements qui a donné au monde des milliards d'appareils compatibles entre eux, mais en tant qu'auteur respectueux de mes lecteurs, je vais prendre le risque de ne pas le faire. Cependant, il y a certaines choses qu'il faudrait rappeler.
Toutes les itérations du Wi-Fi ont mis l'accent sur la fiabilité plutôt que sur la maximisation des débits. Cela découle du mécanisme d'accès au support (CSMA/CA), qui n'est pas le plus optimal en termes d'extraction des derniers kilobits par seconde du support de transmission (pour ceux qui souhaitent, il est possible de lire sur les imperfections du monde en général et du Wi-Fi en particulier dans un article de mon ancien collègue. ), mais d'une résilience incroyable dans presque toutes les conditions. En réalité, il est possible de violer presque tous les principes de conception des réseaux Wi-Fi — et dans un tel réseau, l'échange de données continuera néanmoins ! Tout le mécanisme qui permet aux clients d'un réseau Wi-Fi de transmettre et/ou de recevoir leurs portions de données vise à assurer ce que les anglophones appellent le terme difficilement traduisible de technocratie, robustness. Tout le niveau d'augmentations modulations, d'agrégation de trames de données (ce n'est pas tout à fait ça, mais ça ira !) continue de fonctionner après les deux principes fondamentaux de 802.11, qui garantissent cette fiabilité incomparable :
- « Tant qu'un parle — les autres se taisent » ;
- « Tout sauf les données est dit lentement et clairement ».
Le deuxième point inflige beaucoup plus de dommages à la bande passante du réseau qu'il n'y paraît au premier abord. Voici une image intéressante, illustrant un morceau de données envoyé dans un réseau Wi-Fi :
Voyons ce que cela signifie pour les gens ordinaires, qui ne savent pas combien de pages contient la norme 802.11-2016. La vitesse de transmission des données, inscrite dans les propriétés du réseau sans fil et que les marketeurs de tout fabricant d'accès point illustrent sur les boîtes (vous l'avez sûrement déjà vu — 1,7 Gb/s ! 2,4 Gb/s ! 9000 Gb/s !), n'est pas seulement un pic et maximum avec 100 % de temps de transmission utilisé, mais c'est aussi la vitesse à laquelle seule la partie bleue de ce joli graphique sera envoyée. Tout le reste sera transféré à une vitesse que l'on appelle en anglais management rate (et aussi en russe, car traduire de telles expressions risque de créer une incompréhension ultérieure entre ingénieurs), et qui est inférieure non seulement de plusieurs fois, mais de CENTAINES de fois. Par exemple, sans aucun réglage supplémentaire, un réseau en 802.11ac, qui peut fonctionner avec des clients à une vitesse de canal de 1300 Mb/s, transmet toute l'information de gestion (tout ce qui n'est pas bleu sur notre graphique toujours plus effrayant) à un management rate de 6 Mb/s. Plus de deux cents fois plus lent !
La question logique est de savoir à quelle date, pardonnez-moi, une telle idée nuisible a pu entrer dans la norme qui régit des milliards d'appareils dans le monde entier ? La réponse logique est compatibilité, compatibilité, compatibilité ! Un réseau utilisant le dernier point d'accès doit permettre le fonctionnement d'appareils d'une dizaine et même d'une quinzaine d'années, et c'est précisément dans tous ces morceaux 'non-bleus' que les informations sont transmises, que les appareils plus anciens recevront, comprendront correctement et ne tenteront pas d'émettre leurs propres données pendant les moments de transmission super rapides. La robustesse exige des sacrifices !
Maintenant, je suis prêt à offrir à quiconque intéressé un outil indispensable pour s'effrayer de la perte potentielle de mégabits dans le Wi-Fi moderne — c'est devenu un sujet incontournable dans les cercles d'ingénierie concernés. Le Calculateur de Temps Air WiFi par l'enthousiaste norvégien de 802.11 Gjermund Raaen. Il est disponible à — le résultat de son travail ressemble à peu près à ceci :
Ligne 1 — le temps nécessaire pour transmettre un paquet de données de 1512 octets par un appareil 802.11n dans une largeur de canal de 20 MHz.
Ligne 2 — le temps nécessaire pour transmettre le même paquet par un appareil ayant la même formule d'antenne, mais fonctionnant selon la norme 802.11ac dans un canal de 80 MHz.
Comment cela se fait-il — ‘plus de quatre fois’ de spectre est ‘gaspillé’, la modulation maximale est devenue plus complexe de 64QAM à 256QAM, la vitesse du canal est augmentée de SIX fois (433 Mb/s au lieu de 72 Mb/s), et seulement 25 % de temps de disponibilité du spectre est gagné ?
Compatibilité et deux principes 802.11, vous vous en souvenez ?
Très bien, comment pouvons-nous corriger une telle injustice et un tel gaspillage — nous nous demanderons comment, sans doute, chaque groupe de travail de l'IEEE s'est posé la question en commençant à créer la norme ? Plusieurs solutions logiques viennent à l'esprit :
- Accélérer la transmission des données dans le ‘morceau vert’ du graphique. Cela se fait à chaque nouvelle norme, car de grands chiffres ont un bel aspect sur les emballages. En pratique, comme nous venons de le voir, cela donne un gain final — même si nous augmentons la vitesse du canal à cent mille millions de gigabits par nanoseconde, toutes les autres parties du graphique ne disparaîtront nulle part. C'est pourquoi je recommande de sauter les paragraphes qui mentionnent des mégabits par seconde dans tous les récits sur les nouvelles normes 802.11.
- Accélérer toutes les autres parties du graphique. En effet, si nous doublons au moins la vitesse à laquelle tout ce qui n'est pas "vert" (ou "bleu", si vous regardez encore l'image précédente) est transmis, nous obtenons un peu moins de 50 % d'augmentation de la capacité réelle — toutefois, cela se fait au prix d'une perte de compatibilité avec certains appareils et d'autres nuances que vous découvrirez lorsque vous préparerez l'examen pour obtenir le titre prestigieux de CWNA 🙂 Spoiler : cela ne sera pas toujours possible, après y avoir bien réfléchi et compris les implications. En fait, c'est une violation de l'un des deux principes de 802.11, il faut donc faire très attention !
- Assembler plusieurs cadres comme ça avec des parties vertes ensemble. Plus la partie verte est longue, plus l'augmentation de la vitesse du canal est efficace. Oui, c'est une stratégie tout à fait valable, apparue avec 802.11n et qui est l'un des piliers de sa nature révolutionnaire. Le problème, c'est que d'une part, de nombreuses applications se moquent de cette agrégation (comme le sanguinaire Voice over Wi-Fi), et d'autre part, certains appareils s'en moquent également (j'ai essayé de capturer au moins quelques-uns de ces cadres agrégés sur un réseau réel de l'entreprise où je travaille, mais parmi les >500k "paquets capturés", il y en avait exactement zéro. Le problème provient probablement de ma méthodologie de collecte de données, mais je suis prêt à en discuter avec quiconque le souhaite lors d'une conversation privée !)
- Violer le premier des deux principes de 802.11 en commençant à parler quand quelqu'un d'autre parle. Et c'est ici que 802.11ax entre en jeu.
Quel bonheur, je suis enfin arrivé à Wi-Fi 6 dans mon histoire ! Si vous lisez encore ceci, c'est soit par obligation pour une raison quelconque, soit parce que cela vous intéresse vraiment. Donc, même si 802.11ax hérite d'une énorme partie des réalisations précédentes de la famille 802.11 (et pas seulement, d'ailleurs — certaines choses intéressantes ont vu le jour dans 802.16, aussi connu sous le nom de WiMAX), il y a néanmoins quelques éléments qui sont frais et originaux. En général, à ce stade, une image comme celle-ci se présente, disponible sur le site de la Wi-Fi Alliance :
Comme je l'ai mentionné dès le début, nous pourrons aborder suffisamment bien un seul de ces points clés dans un article d'une lisibilité acceptable, et plus précisément, aucun des éléments présentés sur l'image (quelle surprise !). Je suis sûr que vous avez déjà lu des millions de descriptions rapides de chacun de ces huit éléments clés, mais je vais continuer mon récit interminable sur ce que signifie l'OFDMA — le contrôle d'accès multiple à un médium (MU-access control), qui, comme nous le voyons, n'apparaît même pas sur l'infographie. Ce qui est bien regrettable !
L'accès multiple est ce sans quoi la division du canal en sous-porteuses n'a tout simplement aucun sens. Pourquoi essayer d'examiner différents morceaux du spectre s'il n'y a pas de mécanisme capable de forcer les clients du nouveau réseau Wi-Fi 6 à violer l'une des règles inviolables jusqu'ici et à commencer à communiquer simultanément ? Et bien sûr, un tel mécanisme devait absolument émerger — et réduire l'impact du problème de « latence » par rapport aux données de contrôle. Comment ? C'est très simple : permettons à la partie « lente », les données de contrôle, d'être diffusées comme auparavant, tandis que la partie « rapide », dans laquelle transitent les données elles-mêmes, sera envoyée simultanément depuis plusieurs (ou à plusieurs) appareils sur commande ! Cela ressemble à peu près à ceci :
Cela semble complexe, mais en réalité, c'est assez facile à expliquer : le point d'accès, à l'aide d'une trame spéciale, compréhensible par tous (même les appareils non-Wi-Fi 6 !), indique qu'il est prêt à transmettre des données simultanément à STA1 et STA2. Puisque l'« en-tête » de cette trame est complètement compréhensible même pour les clients très anciens, ils en déduisent correctement que le spectre sera occupé pendant un certain temps pour la transmission d'informations à d'autres clients du réseau, et commencent à chronométrer la durée de cette période (comme toujours dans le Wi-Fi). En revanche, les appareils STA1 et STA2 comprennent qu'ils recevront maintenant des données de manière nouvelle, simultanément, chacun sur sa propre portion de canal, et répondent également au point d'accès en même temps, puis confirment de manière synchronisée la réception du cadre (chacun avec sa portion de données !), et le médium se libère à nouveau. « De bas en haut », cela fonctionne à peu près de la même manière :
La principale différence frappante est que le point d'accès dans cette situation informe les stations capables de communiquer simultanément, quand commencer la transmission, à l'aide d'une trame spéciale appelée Trigger. C'est, en essence, un nouveau 'déclencheur' de tout le mécanisme d'accès multiple simultané à un environnement, qui est, à mon humble avis, l'une des innovations les plus importantes 'sous le capot' du nouveau standard. C'est celui-ci qui permet aux clients de recevoir un 'emploi du temps' sur la façon de partager un canal de fréquence; c'est aussi ce qui permet aux clients d'informer simultanément le point d'accès qu'ils ont reçu leurs portions de données et qu'ils ont pu les traiter. Dans ce mécanisme, le point d'accès informe tous ceux qui peuvent 'parler' simultanément du début de la transmission des données – c'est lui qui lance également l'envoi des données requises. Le nouveau mécanisme de Trigger frame permet, en effet, de réduire l'utilisation inefficace de la bande passante – de manière aussi efficace que le nombre de clients pouvant l'utiliser et percevoir correctement !
Formulons maintenant les principaux points qui découlent de tout ce long récit et qui prétendent à un TL;DR :
- Les points d'accès du nouveau standard 802.11ax, même en s'appuyant sur une seule des nombreuses innovations, commenceront à augmenter la capacité totale de l'ensemble du réseau dès qu'un deuxième dispositif client compatible apparaîtra ! Dès qu'il y aura au moins deux clients capables de communiquer simultanément, en tenant compte des mêmes conditions (je n'ai aucune raison de penser que les pilotes pour les modules radio des clients seront mieux écrits qu'auparavant, cela signifie que l'agrégation des parties 'utiles' des trames, et de nombreuses autres fonctions dépendant des clients continueront à fonctionner 'comme à l'habitude'), ils AUGMENTERONT déja la capacité moyenne. Donc, si vous envisagez un nouveau réseau Wi-Fi – il est judicieux de considérer immédiatement les points d'accès les plus récents et les meilleurs, car même si vous avez encore peu de clients pour ceux-ci – cette situation ne durera pas longtemps.
- Tous les trucs et astuces que possède aujourd'hui un bon ingénieur sans fil resteront pertinents encore longtemps — le mécanisme d'accès à l'environnement, bien qu'il ait été mis à jour, bouleverse des principes fondamentaux restés intacts pendant plus de 20 ans, mais il conserve toujours la compatibilité comme priorité. Il est toujours nécessaire d'éliminer les "débits de gestion lents" (et il est toujours nécessaire de comprendre pourquoi et quand), il est toujours nécessaire de planifier correctement le niveau physique, car aucun mécanisme au niveau de la couche de liaison ne fonctionnera s'il y a des problèmes au niveau physique. Il est simplement devenu possible de faire encore meilleur.
- Presque toutes les décisions dans Wi-Fi 6 sont prises par le point d'accès. Comme nous le voyons, il gère l'accès des clients à l'environnement en regroupant les appareils en "périodes" de travail simultané. En s'éloignant un peu, le travail de TWT repose également entièrement sur le point d'accès. Maintenant, le point d'accès doit non seulement "diffuser le réseau" et maintenir le trafic dans des files d'attente, mais aussi tenir compte de tous les clients, planifiant comment les regrouper de manière optimale en fonction de leurs capacités de débit et de leurs besoins en trafic, de la batterie de leurs appareils, et bien d'autres choses — j'appelle ce processus "orchestration". Les algorithmes selon lesquels le point d'accès prendra toutes ces décisions ne sont pas réglementés, ce qui signifie que la qualité réelle et l'approche structurée des fabricants se manifesteront précisément dans le développement des algorithmes d'orchestration. Plus les points d'accès prévoient précisément les besoins des clients, mieux et plus équitablement ils pourront les regrouper en groupes d'accès multiple — par conséquent, les ressources du spectre seront utilisées de manière plus rationnelle et la capacité totale d'un tel point d'accès sera plus élevée. L'algorithme est la dernière frontière !
- La transition de Wi-Fi 5 à Wi-Fi 6 est révolutionnaire en importance, tout comme le passage de 802.11g à 802.11n. À l'époque, nous avions obtenu le multiplexage et l'agrégation de la 'charge utile' — maintenant, nous bénéficions d'un accès simultané à l'environnement et enfin de MU-MIMO et Beamforming fonctionnels (d'une part, comme nous le savons, c'est presque la même chose ; d'autre part, la discussion 'pourquoi MU-MIMO a été inventé pour 802.11ac mais n'a pas pu être mis en œuvre' est un sujet pour un autre grand article 🙂). À la fois 802.11n et Wi-Fi 6 fonctionnent dans les deux bandes (2,4 GHz et 5 GHz), contrairement aux précurseurs 'intermédiaires' — effectivement, 'six est le nouveau quatre'!
Un peu sur les origines de cet article
Cet article a été écrit pour un concours organisé par Huawei (publié initialement ). En grande partie, je me suis appuyé sur ma propre présentation lors de la conférence 'Sans Fil', qui a eu lieu en 2019 à Saint-Pétersbourg (l'enregistrement de ma présentation peut être visionné , mais gardez à l'esprit — le son n'est pas exceptionnel, malgré la provenance de la vidéo, issue de Saint-Pétersbourg !).
Source : habr.com
