Ciao.
Se crediamo nella teoria della semplicità di Einstein, il principale indicatore della comprensione di un argomento è la capacità di spiegarlo nel modo più semplice possibile. In questo post cercherò di spiegare nel modo più chiaro e dettagliato possibile il funzionamento di un'unica componente del nuovo standard, che per qualche motivo anche il Wi-Fi Alliance considera non degna di menzione nell'infografica sulle nuove funzionalità del Wi-Fi 6, anche se, come scopriremo insieme, è molto importante e degna di nota. Qui non andiamo troppo in profondità e sicuramente non è tutto esauriente (perché mangiare un elefante è difficile anche per pezzi), ma spero che tutti noi possiamo apprendere qualcosa di nuovo e interessante dalle mie parole.
Il tanto atteso 802.11ax, che aspettiamo da oltre due anni, porta con sé molte novità e sorprese. Chiunque voglia parlarne si trova sempre di fronte a una scelta: fare un riassunto veloce coprendo molte abbreviazioni e termini tecnici, cercando di non affondare nei complessi meccanismi che si celano dietro ciascuno di essi, oppure dedicarsi a una relazione di un’ora su un argomento specifico, quello che più piace all'autore. Io oserei andare oltre: la maggior parte del mio intervento non sarà nemmeno dedicata al nuovo!
Dunque, da oltre vent'anni parte delle reti wireless per la trasmissione di dati è costruita su un insieme di standard della famiglia 802.11 e, come qualsiasi relatore rispettabile, avrei dovuto ricostruire la cronologia di tutta la catena di eventi che ha regalato al mondo miliardi di dispositivi compatibili tra loro — ma, rispettando il lettore, mi prendo il rischio di non farlo. Tuttavia, è necessario ricordare alcune cose.
Tutte le iterazioni del Wi-Fi si sono concentrate soprattutto sulla affidabilità, piuttosto che sulla massimizzazione della capacità di trasmissione. Questo deriva dal meccanismo di accesso al mezzo (CSMA/CA), non particolarmente ottimale dal punto di vista della massimizzazione degli ultimi kilobit al secondo dalla trasmissione (puoi leggere di più sulle imperfezioni del mondo in generale e del Wi-Fi in particolare nell’articolo del mio ex collega ), ma incredibilmente resistente in praticamente tutte le condizioni. Infatti, si possono violare praticamente tutti i principi fondamentali della progettazione delle reti Wi-Fi — e in una rete del genere il transfer di dati avverrà comunque! L'intero meccanismo, attraverso il quale i client della rete Wi-Fi hanno la possibilità di trasmettere e/o ricevere le loro porzioni di dati, è mirato a garantire quello che in inglese viene definito con un termine difficile da tradurre, robustness. L'intero strato sopra le modulazioni elevate, aggregazione dei frame di dati (non proprio così, ma ci sta!) continua a funzionare anche dopo i due principi fondamentali dell'802.11, che garantiscono questa affidabilità senza pari:
- “Finché parla uno — gli altri tacciono”;
- “Tutto, tranne i dati, viene comunicato lentamente e chiaramente”.
Il secondo punto influisce sulla capacità della rete molto più di quanto possa sembrare a prima vista. Ecco un'immagine interessante che illustra un pacchetto di dati inviato su una rete Wi-Fi:
Mettiamo a fuoco cosa significa per le persone comuni, che non sanno quante pagine contiene lo standard 802.11-2016. La velocità di trasmissione dei dati che il sistema indica nelle proprietà della rete wireless e quella che i marketer di qualsiasi produttore disegnano sulle confezioni dei punti di accesso (beh, sicuramente l'hai vista — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), è non solo un picco e massima nel 100% del tempo di trasmissione, ma è anche la velocità alla quale verrà inviato solo il pezzo blu di questo grafico carino. Tutto il resto verrà inviato a una velocità che in inglese viene chiamata management rate (e anche in russo, perché tradurre tali espressioni porta a ulteriori incomprensioni tra ingegneri), e che è inferiore non di qualche volta, ma di CENTINAIA di volte. Ad esempio, senza alcuna configurazione aggiuntiva, una rete 802.11ac, che può funzionare con client a velocità canalare di 1300 Mb/s, trasmette tutte le informazioni di servizio (tutto ciò che non è blu nel nostro grafico sempre più terrificante) a una management rate di 6 Mb/s. Più di duecento volte più lenta!
Una domanda logica: quale, scusate, giorno di quale mese potrebbe mai aver pensato a questa idea dannosa di entrare negli standard su cui operano miliardi di dispositivi in tutto il mondo? La risposta logica è: compatibilità, compatibilità, compatibilità! Una rete sulla più recente access point deve garantire la capacità di funzionare anche per dispositivi di dieci e persino quindici anni, e proprio in questi “pezzi non blu” scorre l'informazione, che i vecchi dispositivi lenti riceveranno, comprenderanno correttamente e non tenteranno di trasmettere i loro dati durante i frammenti ultra-veloci. La robustezza richiede sacrifici!
Ora sono pronto a fornire a chiunque sia interessato uno strumento indispensabile per spaventarsi di fronte ai potenziali megabit trasmessi che si perdono senza scopo nel Wi-Fi moderno: si tratta di un calcolatore diventato ormai obbligatorio di studiare nei circoli ingegneristici pertinenti. Il Calcolatore WiFi AirTime a cura dell'entusiasta norvegese del 802.11 Gjermund Raaen. È disponibile a — il risultato del suo lavoro appare più o meno in questo modo:
Riga 1 — il tempo impiegato per la trasmissione di un pacchetto dati di 1512 byte da un dispositivo 802.11n su un canale di larghezza 20 MHz.
Riga 2 — il tempo impiegato per trasmettere lo stesso pacchetto da un dispositivo con la stessa formula dell'antenna, ma che funziona già secondo lo standard 802.11ac su un canale largo 80 MHz.
Com'è possibile che ci sia stata 'una perdita' di quattro volte più spettro, che la modulazione massima sia cambiata da 64QAM a 256QAM, e che la velocità del canale sia superiore di SEI volte (433 Mb/s invece di 72 Mb/s), e che si sia guadagnato al massimo il 25% del tempo di occupazione dello spettro?
Ricordate la compatibilità e i due principi dell'802.11?
Bene, come possiamo correggere tale ingiustizia e spreco — ci chiederemo, così come probabilmente si è chiesta ogni gruppo di lavoro IEEE che ha iniziato a creare lo standard? Ci vengono in mente alcuni percorsi logici:
- Accelerare la trasmissione dei dati nel 'pezzo verde' del grafico. Questo succede ad ogni uscita di uno standard, perché i numeri grandi fanno una bella impressione sulle confezioni. Nella pratica, come abbiamo appena notato, fornisce un guadagno finale — anche se aumentiamo la velocità del canale a cento miliardi di gigabit per nanosecondo, tutte le altre parti del grafico rimarranno le stesse. È per questo che raccomando di saltare i paragrafi che menzionano i megabit al secondo in tutte le narrazioni riguardanti i nuovi standard 802.11.
- Accelerare tutte le altre parti della timeline. Infatti, se raddoppiamo almeno la velocità con cui viene trasmessa tutta la parte "non verde" (oppure "non blu", se state ancora guardando l'immagine precedente), otteniamo poco meno del 50% di aumento della reale capacità di throughput—certo, a costo di perdere compatibilità con i dispositivi e con una serie di altri dettagli di cui verrete a conoscenza quando inizierete a prepararvi per l'esame per il prestigioso titolo di CWNA 🙂 Spoiler: non è sempre facile farlo, richiedendo una riflessione approfondita e comprensione delle conseguenze. In effetti, questo viola uno dei due principi di 802.11, quindi è necessario fare molta attenzione!
- Unire insieme alcuni di questi frame con le parti verdi. Più lunga è la parte verde, più efficiente è l'aumento della velocità di canale. Sì, questa è una strategia decisamente praticabile, emersa già in 802.11n e che rappresenta uno dei capisaldi della sua innovazione. Il problema è che, da un lato, molte applicazioni non si interessano affatto a tale aggregazione (ad esempio, il famigerato Voice over Wi-Fi), dall'altro, vari dispositivi non sono interessati (una volta ho cercato di catturare alcuni di questi frame aggregati in una rete reale della mia azienda, ma su >500k frame "catturati", esattamente zero erano aggregati. Probabilmente, il problema è nella mia metodologia di raccolta dati, ma sono pronto a discuterne con chiunque voglia in una conversazione privata!).
- Violato anche il primo dei due principi di 802.11, iniziando a parlare quando parla qualcun altro. Ed è qui che entra in gioco 802.11ax.
Che bello, finalmente nel mio racconto su Wi-Fi 6 sono arrivato al vero Wi-Fi 6! Se state ancora leggendo questo, o siete obbligati a farlo per qualche motivo, oppure siete davvero interessati. Dunque, sebbene 802.11ax erediti gran parte del lavoro svolto da tutta la famiglia 802.11 (e non solo, per la verità—alcune cose interessanti sono emerse addirittura in 802.16, noto come WiMAX), ci sono comunque elementi freschi e originali. Di solito, a queste parole si associa un'immagine del genere, disponibile sul sito Wi-Fi Alliance:
Come ho detto fin dall'inizio, in un solo articolo ben leggibile possiamo esaminare solo uno di questi punti chiave, e per essere più precisi, nessuno di quelli mostrati nell'immagine (una sorpresa, vero!). Sono sicuro che avete già letto milioni di brevi descrizioni di ognuno di questi otto elementi chiave, ma io continuerò la mia lunga e noiosa narrazione riguardo a ciò che deriva dall'OFDMA — dal controllo di accesso multiplo (MU-access control), che, come vediamo, non è affatto apparso nell'infografica. E questo è un vero peccato!
L'accesso multiplo è ciò di cui ha bisogno la suddivisione del canale in portanti per avere senso. Perché cercare di esplorare diversi frammenti dello spettro se non esiste un meccanismo in grado di far sì che i clienti della nuova rete Wi-Fi 6 violino una delle regole inviolabili fino a quel momento e inizino a comunicare contemporaneamente? E, naturalmente, un tale meccanismo doveva necessariamente apparire — e ridurre l'impatto del problema della "lentezza" rispetto ai dati delle informazioni di servizio. Come? Molto semplice: facciamo in modo che la parte "lenta", quella di servizio, venga trasmessa come prima, mentre la parte "veloce", in cui circolano i dati reali, la inviamo contemporaneamente da più (o a più) dispositivi su comando! Si presenta così:
Sembra complicato, ma in realtà è piuttosto facile da spiegare: il punto di accesso, tramite un frame speciale comprensibile a tutti (anche ai dispositivi non Wi-Fi 6!), comunica che è pronto a trasmettere dati sia a STA1 che a STA2 simultaneamente. Poiché l'"intestazione" di questo frame è totalmente chiara anche ai clienti più vecchi, deducono correttamente che l'aria sarà occupata per un certo periodo dalla trasmissione di informazioni ad altri clienti della rete e iniziano a contare il tempo fino alla fine di questo periodo (come sempre in Wi-Fi). Ma i dispositivi STA1 e STA2 capiscono che ora riceveranno dati in un modo nuovo, simultaneamente, ciascuno sul proprio pezzo di canale, e rispondono al punto di accesso anche simultaneamente, e poi confermano in modo sincrono la ricezione del frame (ognuno con la propria porzione di dati!), e l'ambiente si libera di nuovo. "Dal basso verso l'alto" funziona più o meno in questo modo:
La differenza principale e più evidente è che il punto di accesso, in questa situazione, informa le stazioni in grado di comunicare simultaneamente su quando avviare la trasmissione, utilizzando un frame speciale chiamato Trigger. Questo, in sostanza, è un nuovo “grilletto” per l'intero meccanismo di accesso simultaneo multiplo all'ambiente, che è, a mio modestissimo avviso, una delle innovazioni più importanti “sotto il cofano” del nuovo standard. È tramite di esso che i clienti ricevono un “orario” su come condividere un canale di frequenza; proprio grazie a questo, i clienti informano simultaneamente il punto di accesso di aver ricevuto le loro porzioni di dati e di essere riusciti a decifrarle. In esso, il punto di accesso avvisa tutti coloro che possono “parlare” simultaneamente dell'inizio della trasmissione dei dati; ed è sempre il punto di accesso che avvia l'invio dei dati richiesti. Il nuovo meccanismo del Trigger frame, in sostanza, permette di ridurre l'uso irrazionale della occupazione dello spettro, e ciò in modo tanto efficace quanto il numero di clienti in grado di utilizzarlo correttamente!
Ora formuliamo i punti principali che emergono da tutto questo lungo racconto e aspirano a un TL;DR:
- I punti di accesso del nuovo standard 802.11ax, anche basandosi su una sola delle molte innovazioni, inizieranno ad aumentare la capacità complessiva dell'intera rete a partire dal secondo dispositivo client compatibile! Non appena appariranno almeno due clienti in grado di comunicare simultaneamente, con tutte le altre cose uguali (non ho motivo di ritenere che i driver per i moduli radio client siano scritti meglio di prima, il che significa che l'aggregazione delle parti “utili” dei frame e molte altre funzioni dipendenti dai client continueranno a funzionare mediamente male), aumenteranno già la capacità media. Quindi, se stai pensando a una nuova rete Wi-Fi, ha senso considerare subito i punti di accesso più recenti e migliori, perché anche se attualmente ci sono pochi clienti per loro, questa situazione non durerà a lungo.
- Tutti i trucchi e le astuzie che oggi sono a disposizione di un buon ingegnere wireless rimarranno attuali a lungo: anche se il meccanismo di accesso all'ambiente è stato aggiornato, rompendo i principi fondamentali che sono durati oltre 20 anni, continua a porre l'accento sulla compatibilità. È ancora necessario escludere i “tassi di gestione lenti” (e bisogna sempre capire perché e quando), è ancora necessario pianificare correttamente il livello fisico, perché nessun meccanismo a livello di collegamento funzionerà se ci sono problemi a livello fisico. È semplicemente emersa la possibilità di fare ancora meglio.
- Quasi tutte le decisioni in Wi-Fi 6 sono prese dal punto di accesso. Come vediamo, esso gestisce l'accesso dei clienti all'ambiente, unendo insieme i dispositivi in “periodi” di lavoro simultaneo. Spostandosi un po' più in là — il funzionamento del TWT ricade anch'esso interamente sulle spalle del punto di accesso. Ora il punto di accesso non solo deve “trasmettere la rete” e conservare il traffico nelle code, ma deve anche monitorare tutti i clienti, pianificando come unirli al meglio in base alle loro larghezze di banda e necessità di traffico, alle loro batterie e molto, molto altro — io chiamo questo processo “orchestrazione”. Gli algoritmi secondo cui il punto di accesso prenderà tutte queste decisioni non sono regolamentati, il che significa che la vera qualità e l'approccio strutturato dei produttori si manifesteranno proprio nello sviluppo degli algoritmi di orchestrazione. Quanto più precisamente i punti saranno in grado di prevedere le esigenze dei clienti, tanto meglio e più uniformemente potranno unirli in gruppi di accesso multiplo — di conseguenza, le risorse radio saranno utilizzate in modo più razionale e la capacità finale di tale punto di accesso sarà maggiore. L'algoritmo è l'ultimo frontiera!
- Il passaggio da Wi-Fi 5 a Wi-Fi 6 è, per natura e importanza, altrettanto rivoluzionario quanto il passaggio da 802.11g a 802.11n. Allora abbiamo ottenuto il multi-streaming e l'aggregazione del 'payload' — ora otteniamo l'accesso simultaneo all'ambiente e finalmente il funzionamento del MU-MIMO e del Beamforming (per prima cosa, come sappiamo, sono quasi la stessa cosa; in secondo luogo, la discussione sul 'perché il MU-MIMO in 802.11ac è stato inventato ma non è riuscito a funzionare' è un argomento di un grande articolo a parte 🙂 ). Sia 802.11n che Wi-Fi 6 operano in entrambe le bande (2,4 GHz e 5 GHz), a differenza dei predecessori 'intermedi' — davvero, 'sei è il nuovo quattro'!
Un po' sulle origini di questo articolo
L'articolo è stato scritto per un concorso indetto da Huawei (iniziialmente pubblicato ). Gran parte di quello che ho scritto si basa sul mio intervento alla conferenza 'Senza fili', che si è tenuta nel 2019 a San Pietroburgo (la registrazione della presentazione può essere vista , ma tenete presente che l'audio non è ottimo, nonostante l'origine videos da San Pietroburgo!).
Fonte: habr.com
