La cosa più importante del Wi-Fi 6. No, sul serio

Hey.

Se credi alla teoria della semplicità di Einstein, l'indicatore principale della comprensione di un argomento è la capacità di spiegarlo nel modo più semplice possibile, allora in questo post cercherò di spiegare nel modo più semplice e completo possibile l'effetto di un solo dettaglio del nuovo standard, che per qualche motivo anche la Wi-Fi Alliance ritiene indegno di menzione nell'infografica sulle nuove funzionalità del Wi-Fi 6, sebbene, come vedremo presto insieme, sia molto importante e degno di nota. Non tutto qui è abbastanza profondo e certamente non completo (perché un simile elefante è difficile da mangiare anche in alcune parti), ma spero che impareremo tutti qualcosa di nuovo e interessante dai miei esercizi verbali.

Quello stesso 802.11ax, che aspettiamo ogni giorno almeno dal secondo anno, porta con sé tantissime cose nuove e sorprendenti. Chi vuole raccontare qualcosa di lui ha sempre una scelta: o fare una corsa panoramica sopra le teste, menzionando un secchio di abbreviazioni e abbreviazioni, cercando di non impantanarsi nei complessi meccanismi sotto il cofano di ciascuno di essi, oppure avvolgere un rapporto di un'ora su una cosa, molto gradita all'autore. Oserei andare ancora oltre: gran parte del mio appunto sarà dedicato a qualcosa che non è nemmeno nuovo!

Quindi, ormai da più di vent'anni, alcune reti dati wireless sono costruite secondo una serie di standard della famiglia 802.11 e, come ogni oratore che si rispetti, dovrei ripristinare leggermente la sequenza temporale dell'intera catena di eventi che hanno dato al mondo miliardi di dispositivi interoperabili - ma, come autore che rispetta il lettore, rischio ancora di non farlo. Tuttavia dovremmo ricordarci a vicenda qualcosa.

Tutte le iterazioni del Wi-Fi hanno dato priorità all'affidabilità piuttosto che alla massimizzazione del throughput. Ciò deriva dal meccanismo di accesso al mezzo (CSMA/CA), che non è il più ottimale dal punto di vista della spremuta degli ultimi kilobit al secondo dal mezzo di trasmissione (puoi leggere di più sulle imperfezioni del mondo in generale e Wi -Fi in particolare nell'articolo del mio ex collega skhomm ecco gli spot), ma incredibilmente durevole in quasi tutte le condizioni. In effetti, puoi violare quasi tutti gli elementi fondamentali della progettazione della rete Wi-Fi e una rete di questo tipo continuerà comunque a scambiare dati! L'intero meccanismo attraverso il quale i client della rete Wi-Fi sono in grado di trasmettere e/o ricevere le loro porzioni di dati è finalizzato a garantire quella che in inglese viene chiamata una parola con un sapore di tecnocrazia di difficile traduzione, robustezza. L'intero livello di modulazione aumenta, l'aggregazione dei frame con i dati (non proprio così, ma tant'è!) spalmati sopra continua a funzionare secondo i due principi fondamentali di 802.11, che forniscono questa affidabilità insuperabile:

1. “Mentre uno parla, gli altri tacciono”;
2. "Tutto tranne i dati viene detto lentamente e chiaramente."

Il secondo punto causa molti più danni alla larghezza di banda della rete di quanto possa sembrare a prima vista. Ecco una bella immagine che illustra un dato inviato su una rete Wi-Fi:

Scopriamo cosa significa per le persone comuni che non sanno quante pagine ci sono nello standard 802.11-2016. La velocità di trasferimento dati che il sistema scrive nelle proprietà della rete wireless e che gli esperti di marketing di qualsiasi produttore attingono ai box dei punti di accesso (beh, probabilmente l'hai visto: 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!) , non solo è il picco e il massimo al 100% del tempo occupato dalla trasmissione, ma è anche la velocità con cui verrà inviata solo la parte blu di questo bellissimo grafico. Tutto il resto verrà inviato a una velocità che in inglese viene chiamata velocità di gestione (e anche in russo, perché la traduzione di tali espressioni rischia di creare ulteriori malintesi tra gli ingegneri), e che è inferiore non solo di parecchie volte, ma di un fattore di CENTINAIA una volta. Ad esempio, senza alcuna impostazione aggiuntiva, una rete 802.11ac, che può funzionare con i client ad una velocità di canale di 1300 Mb/s, trasmette tutte le informazioni di servizio (tutto ciò che non è blu nel nostro grafico sempre più terribile) ad una velocità di gestione di 6 MB/s. Più di duecento volte più lento!

La domanda logica è: quale, scusatemi, in quale mese un'idea di sabotaggio del genere potrebbe diventare parte dello standard con cui miliardi di dispositivi operano in tutto il mondo? La risposta logica è compatibilità, compatibilità, compatibilità! La rete sul punto di accesso più recente dovrebbe fornire la capacità di funzionare per dispositivi di dieci e anche quindici anni, ed è in tutti questi pezzi "non blu" che volano le informazioni che i dispositivi anziani lenti sentiranno, capiranno correttamente e non tenterà di trasmettere pezzi di dati ad altissima velocità. La robustezza richiede sacrificio!

Ora sono pronto a fornire a tutti gli interessati uno strumento indispensabile per rimanere inorriditi dalla potenziale perdita di megabit trasmessi nel moderno Wi-Fi - questo è già diventato obbligatorio per lo studio nei circoli ingegneristici coinvolti Il calcolatore del tempo di trasmissione WiFi dell'entusiasta norvegese 802.11 Gjermund Raaen. È disponibile su questo link — il risultato del suo lavoro è simile a questo:

La linea 1 è il tempo impiegato per trasmettere un pacchetto di dati da 1512 byte da un dispositivo 802.11n in una larghezza di canale di 20 MHz.

La linea 2 è il tempo impiegato a trasmettere lo stesso pacchetto da un dispositivo con la stessa formula di antenna, ma già funzionante secondo lo standard 802.11ac su un canale a 80 MHz.

Com'è possibile: è stato "rovinato" quattro volte più tempo di trasmissione, la modulazione massima è diventata più complessa da 64QAM a 256QAM, la velocità del canale è più alta SIX volte (433 Mb/s invece di 72 Mb/s), ma è stato guadagnato al massimo il 25% del tempo di trasmissione?

Compatibilità e due principi di 802.11, ricordate?

Ebbene, come possiamo correggere tale ingiustizia e spreco - ci chiediamo, come probabilmente si è chiesto ogni gruppo di lavoro IEEE che ha iniziato a creare uno standard? Mi vengono in mente diversi percorsi logici:

1. Accelera il trasferimento dei dati nella parte “verde” del grafico. Questo viene fatto quando viene rilasciato ogni standard, perché i numeri grandi stanno bene sulle scatole. In pratica, come abbiamo appena notato, dà un aumento finito: anche se acceleriamo la velocità del canale a centomila milioni di gigabit per nanosecondo, tutte le altre parti del grafico non scompariranno. Questo è il motivo per cui consiglio di saltare i paragrafi che menzionano i megabit al secondo in tutte le storie sui nuovi standard 802.11.
2. Velocizza tutte le altre parti del grafico. Infatti, se raddoppiamo almeno la velocità con cui viene trasmesso tutto ciò che è “non verde” (beh, o “non blu”, se stai ancora guardando l'immagine precedente), otterremo poco meno di 50 % di aumento del throughput reale, tuttavia, perdendo la compatibilità con i dispositivi e una serie di altre sfumature che imparerai quando andrai a prepararti per l'esame per l'orgoglioso titolo di CWNA :) Spoiler: non sarai sempre in grado di farlo fallo, dopo aver riflettuto attentamente e capito a cosa porterà. In realtà, questa è una violazione di uno dei due principi di 802.11, quindi devi stare molto attento!
3. Metti insieme diversi fotogrammi come questo con le parti verdi insieme. Più lunga è la parte verde, più efficace sarà l'aumento della velocità del canale. Sì, questa è una strategia completamente funzionante, apparsa nell'802.11n ed è uno dei tanti pilastri della sua natura rivoluzionaria. L'unico problema è che, in primo luogo, a un certo numero di applicazioni non importava niente di tale aggregazione (ad esempio, quella stessa sanguinaria Voice over Wi-Fi), in secondo luogo, anche a un certo numero di dispositivi non importava niente (in qualche modo ho deciso di prenderlo però Ci sarebbero stati molti frame aggregati di questo tipo sulla rete reale dell'azienda per cui lavoro, ma per> 500k frame "raccolti", c'erano esattamente zero frame aggregati. Molto probabilmente, il problema è nella mia metodologia di raccolta dati, ma sono pronto a discuterne con chiunque ovunque, magari in una conversazione personale!).
4. Violare il primo dei due principi 802.11 iniziando a parlare mentre sta parlando qualcun altro. Ed è qui che l’802.11ax viene effettivamente in soccorso.

È fantastico che finalmente sia arrivato al Wi-Fi 6 nella mia storia sul Wi-Fi 6! Se stai ancora leggendo questo, o devi farlo per qualche motivo o sei davvero interessato. Quindi, anche se 802.11ax eredita gran parte degli sviluppi precedenti dell'intera famiglia 802.11 (e non solo, tra l'altro - alcune cose interessanti sono apparse in 802.16, ovvero WiMAX), qualcosa in esso è ancora fresco e originale. Di solito queste parole sono accompagnate da un'immagine come questa, disponibile sul sito Wi-Fi Alliance:

Dato che ho fatto una prenotazione fin dall'inizio, nei limiti di un articolo leggibile potremo considerare solo uno di questi punti chiave, o meglio nessuno di quelli mostrati nella foto (che sorpresa!). Sono sicuro che hai già letto un milione di brevi descrizioni di ciascuno di questi otto elementi chiave, ma continuerò la mia storia noiosamente lunga su ciò che segue da OFDMA: controllo dell'accesso a più media (controllo dell'accesso MU), che, come vediamo, non ho ricevuto affatto l'infografica. Ma è completamente inutile!

L'accesso multiplo è qualcosa senza il quale la suddivisione di un canale in sottoportanti non ha alcun senso. Perché provare a guardare diverse porzioni dello spettro se non esiste un meccanismo che possa costringere i clienti della nuova rete Wi-Fi 6 a infrangere una delle regole finora incrollabili e iniziare a parlare allo stesso tempo? E, naturalmente, un meccanismo del genere doveva semplicemente apparire e ridurre l'impatto del problema "lungo" rispetto ai dati informativi proprietari. Come? Sì, è molto semplice: lasciamo che la parte del servizio “lenta” venga inviata come prima, ma noi invieremo la parte “veloce”, in cui i dati vengono inviati direttamente, contemporaneamente da più (o più) dispositivi su comando! Sembra qualcosa del genere:

Sembra complicato, ma in sostanza è abbastanza semplice da spiegare: l'access point, tramite un apposito frame comprensibile a tutti i dispositivi (nemmeno al Wi-Fi 6!), segnala di essere pronto a trasmettere i dati contemporaneamente a STA1 e STA2. Poiché l'"intestazione" di questo frame è completamente comprensibile anche a client molto, molto vecchi, giungono alla conclusione corretta che le onde radio saranno impegnate per un certo tempo a trasmettere informazioni ad altri client di rete e iniziano a contare il tempo fino alla fine di questo periodo (appunto, come sempre in Wi-Fi). Ma i dispositivi STA1 e STA2 capiscono che ora i dati verranno trasmessi loro in un modo nuovo, simultaneamente, ciascuno sul proprio pezzo di canale, e rispondono al punto di accesso contemporaneamente, e quindi confermano anche in modo sincrono la ricezione di il frame (ognuno con la propria porzione di dati!), e l'ambiente viene nuovamente liberato. “Dal basso verso l’alto” funziona più o meno allo stesso modo:

La differenza principale e più evidente è che il punto di accesso in questa situazione comunica alle stazioni che possono parlare contemporaneamente quando iniziare a trasmettere, utilizzando uno speciale frame chiamato Trigger. Si tratta, infatti, di un nuovo “innesco” dell'intero meccanismo di accesso simultaneo multiplo al mezzo, che è, a mio modesto parere, una delle innovazioni più importanti “sotto il cofano” del nuovo standard. È in esso che i clienti ricevono un "programma" su come dividere tra loro un canale di frequenza; è qui che i client informano contemporaneamente il punto di accesso di aver ricevuto le loro porzioni di dati e di essere in grado di analizzarli. In esso, il punto di accesso avvisa tutti coloro che possono "parlare" contemporaneamente dell'inizio della trasmissione dei dati: in esso il punto di accesso inizia a inviargli i dati richiesti. Il nuovo meccanismo Trigger frame, infatti, consente di ridurre l'uso irrazionale del tempo di trasmissione - e con la stessa efficacia con cui molti clienti possono utilizzarlo e percepirlo correttamente!

Ora formuliamo le tesi principali che seguono da tutta questa lunga storia e si qualificano per TL;DR:

1. I punti di accesso del nuovo standard 802.11ax, anche basandosi su una sola delle tante innovazioni, inizieranno ad aumentare il throughput totale dell'intera rete già da secondo dispositivo client compatibile! Non appena ci sono almeno due client che possono parlare contemporaneamente, allora, a parità di altre condizioni (non ho motivo di ritenere che i driver per i moduli radio client verranno scritti meglio di prima, il che significa che l'aggregazione di parti “utili” dei frame e molte altre funzioni dipendenti dal client continueranno a non funzionare “in media in uno zoo”) aumenteranno GIÀ il throughput medio. Quindi, se stai pensando a una nuova rete Wi-Fi, ha senso considerare subito i punti di accesso più nuovi e migliori, perché anche se adesso ci sono ancora pochi clienti per loro, la situazione non rimarrà così a lungo.
2. Tutti i trucchi e i trucchi che oggi sono nell'arsenale di un buon ingegnere wireless rimarranno rilevanti per molto tempo - sebbene il meccanismo per accedere al mezzo sia stato aggiornato, violando i principi fondamentali che durano da più di 20 anni, mantiene ancora compatibilità in primo piano. Bisogna ancora tagliare i ritmi di gestione “lenti” (e bisogna ancora capire perché e quando), bisogna ancora pianificare bene il livello fisico, perché nessun meccanismo a livello di collegamento dati funzionerà se ci sono problemi a livello fisico. livello. Si è appena presentata l'opportunità di farlo anche meglio.
3. Quasi tutte le decisioni nel Wi-Fi 6 vengono prese dal punto di accesso. Come possiamo vedere, controlla l'accesso dei client all'ambiente raggruppando i dispositivi in ​​“periodi” di funzionamento simultaneo. Spostandosi un po' più lateralmente, anche il lavoro di TWT è interamente sulle spalle del punto di accesso. Ora l'AP non deve solo "trasmettere la rete" e archiviare il traffico in code, ma anche tenere traccia di tutti i client, pianificando come combinarli in modo più redditizio tra loro in base alle loro esigenze di larghezza di banda e di traffico, alle loro batterie e molto, molto altro ancora. .- Io chiamo questo processo “orchestrazione”. Gli algoritmi con cui il punto di accesso prenderà tutte queste decisioni non sono regolamentati, il che significa che la reale qualità e l'approccio strutturale dei produttori si manifesteranno proprio nello sviluppo di algoritmi di orchestrazione. Quanto più accuratamente i punti prevedono le esigenze dei clienti, tanto meglio e in modo più uniforme saranno in grado di combinarli in più gruppi di accesso - quindi, tanto più razionalmente verranno utilizzate le risorse del tempo di trasmissione e maggiore sarà il rendimento finale di un tale punto di accesso sarà. L’algoritmo è l’ultima frontiera!
4. La transizione da Wi-Fi 5 a Wi-Fi 6 è rivoluzionaria per natura e importanza quanto la transizione da 802.11g a 802.11n. Poi abbiamo il multi-threading e l'aggregazione del "payload" - ora abbiamo l'accesso simultaneo al mezzo e finalmente lavoriamo con MU-MIMO e Beamforming (in primo luogo, come sappiamo, sono quasi la stessa cosa; in secondo luogo, la discussione "perché MU- MIMO è stato inventato in 802.11ac, ma non è stato possibile farlo funzionare" è l'argomento di un lungo articolo separato :) Sia 802.11n che Wi-Fi 6 funzionano su entrambe le bande (2,4 GHz e 5 GHz), a differenza dei loro predecessori "intermedi" - davvero, "sei sono i nuovi quattro"!

Un po’ sulle origini di questo articolo
L'articolo è stato scritto per un concorso indetto da Huawei (originariamente pubblicato qui). Per scriverlo mi sono basato in gran parte sulla mia relazione alla conferenza “Bezprovodov”, tenutasi nel 2019 a San Pietroburgo (puoi guardare la registrazione del discorso su Youtube, tieni presente che il suono lì, francamente, non è eccezionale, nonostante l'origine del video a San Pietroburgo!).

Fonte: habr.com