Ciao.
Se seguiamo la 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 in modo semplice e dettagliato il funzionamento di un'unica parte del nuovo standard, che per qualche motivo la Wi-Fi Alliance considera indegna di essere menzionata nelle infografiche sulle nuove funzionalità di Wi-Fi 6. Tuttavia, come scopriremo insieme, è molto importante e interessante. Non entrerò in ogni dettaglio e sicuramente non sarà esaustivo (perché è difficile affrontare un argomento così grande anche a pezzi), ma spero che tutti possano trarre qualcosa di nuovo e interessante dalle mie spiegazioni.
Finalmente, il tanto atteso 802.11ax, in rampa di lancio da oltre due anni, porta con sé novità straordinarie. Ogni volta che qualcuno desidera parlarne, si trova di fronte a una scelta: oppure fare un rapido giro tra varie abbreviazioni e sigle, cercando di non perdersi nei complessi meccanismi sottostanti, oppure dedicarsi a una presentazione approfondita su un argomento che gli sta più a cuore. Oggi, vorrei spingermi oltre: la maggior parte del mio intervento non sarà nemmeno dedicata al nuovo!
Da oltre venti anni, alcune reti wireless per la trasmissione dati sono costruite su un insieme di standard della famiglia 802.11 e, come ogni relatore rispettabile, dovrei ripercorrere la cronologia di questa catena di eventi che ha donato al mondo miliardi di dispositivi compatibili tra loro. Tuttavia, come autore rispettoso del lettore, oserei astenermi dal farlo. Tuttavia, ci sono alcune cose che meritano di essere riprese.
Tutte le iterazioni del Wi-Fi hanno messo al primo posto l'affidabilità, piuttosto che la massimizzazione delle capacità. Questo deriva dal meccanismo di accesso al medium (CSMA/CA), non esattamente ottimale per spremere gli ultimi kilobit al secondo dal medium di trasmissione (per maggiori dettagli sulle imperfezioni del mondo in generale e del Wi-Fi in particolare, si può leggere l'articolo del mio ex collega ), ma incredibilmente resiliente in quasi tutte le condizioni. In effetti, è possibile violare praticamente tutti i principi di progettazione delle reti Wi-Fi e in una rete di questo tipo ci sarà comunque scambio di dati! A garantire quello che in inglese viene chiamato con un termine difficile da tradurre, robustness, è l'intero meccanismo che consente ai clienti di una rete Wi-Fi di inviare e/o ricevere i propri pacchetti di dati. L'intero strato di modulazioni incrementate e aggregazione dei frame di dati (non proprio così, ma ci sta!) continua a funzionare dopo i due principi fondamentali dell'802.11 che forniscono questa affidabilità ineguagliabile:
- “Finché parla uno, gli altri stanno in silenzio”;
- “Tutto tranne i dati viene comunicato lentamente e chiaramente”.
Il secondo punto danneggia la 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:
Cerchiamo di capire cosa significa per le persone comuni, che non sanno quante pagine ci siano nello standard 802.11-2016. La velocità di trasmissione dati che il sistema riporta nelle proprietà della rete wireless e quella che i produttori di access point riportano sulle loro confezioni (beh, sicuramente l'avrete visto — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), è non solo quella di picco e massima al 100% del tempo di trasmissione, ma è anche la velocità alla quale sarà inviata solo la parte blu di questo bel grafico. Tutto il resto sarà trasmesso a una velocità che in inglese si chiama management rate (e in russo pure, perché tradurre tali espressioni potrebbe portare a ulteriori incomprensioni tra ingegneri), e che è inferiore non solo di diversi ordini di grandezza, ma di CENTINAIA Ad esempio, senza alcuna configurazione aggiuntiva, la rete 802.11ac, che può funzionare con client a una velocità di canale di 1300 Mb/s, trasmette tutte le informazioni di gestione (tutto ciò che non è blu nel nostro grafico sempre più inquietante) a una velocità di gestione di 6 Mb/s. Più di duecento volte più lenta!
Una domanda logica è: quale, scusate, giorno e mese tale idea dannosa potrebbe mai essere entrata nello standard, a cui si affidano miliardi di dispositivi in tutto il mondo? La risposta logica è: compatibilità, compatibilità, compatibilità! La rete su un nuovo punto di accesso deve garantire la possibilità di funzionare anche con dispositivi di dieci o addirittura quindici anni, e proprio in tutti questi pezzi 'non blu' vola l'informazione, che i dispositivi più lenti riescono a ricevere, comprendere correttamente e non tenteranno di trasmettere i propri durante i frammenti di dati ultraveloce. La robustezza richiede dei sacrifici!
Ora sono pronto a fornire a chiunque sia interessato uno strumento indispensabile per meravigliarsi della quantità di megabit trasmessi senza scopo nel moderno Wi-Fi — un argomento ormai essenziale da esplorare nei circoli ingegneristici. Il Calcolatore di Tempo AirTime WiFi creato dall'entusiasta norvegese del 802.11 Gjermund Raaen. È disponibile su — il risultato del suo lavoro appare all'incirca così:
Riga 1 — il tempo impiegato per trasmettere un pacchetto dati di 1512 byte da un dispositivo 802.11n con larghezza di banda di 20 MHz.
Riga 2 — il tempo impiegato per trasmettere lo stesso pacchetto da un dispositivo con la stessa formula dell'antenna, ma operante secondo lo standard 802.11ac su un canale di 80 MHz.
Com'è possibile — "rovinato" quattro volte di più lo spettro, la modulazione massima è passata da 64QAM a 256QAM, la velocità di canale è maggiore di SEI volte (433 Mb/s invece di 72 Mb/s), e guadagnato solo il 25% del tempo di occupazione dello spettro?
Compatibilità e due principi 802.11, ricordate?
Bene, come possiamo correggere tale ingiustizia e spreco – ci chiederemo, come probabilmente si chiedeva ogni gruppo di lavoro IEEE che si accingeva a creare uno standard? Ci vengono in mente diversi percorsi logici:
- Accelerare la trasmissione dei dati nel segmento 'verde' del grafico. Questo avviene con ogni nuovo standard, perché i numeri grandi sembrano belli sulle confezioni. Nella pratica, come abbiamo appena notato, porta a un guadagno finale – anche se aumentiamo la velocità del canale a cento mila milioni di gigabit al nanosecondo, tutte le altre parti del grafico non scompariranno. È per questo che consiglio di saltare i paragrafi che menzionano i megabit al secondo in tutte le discussioni sugli standard 802.11.
- Accelerare tutte le altre parti del grafico. Infatti, se raddoppiamo la velocità con cui viene trasmesso tutto ciò che non è 'verde' (o 'blu', se stai ancora guardando l'immagine precedente), otterremo un aumento della capacità effettiva di poco meno del 50% — a costo di perdere compatibilità con i dispositivi e vari altri aspetti di cui scoprirai di più quando ti preparerai per l'esame per ottenere il titolo di CWNA 🙂 Spoiler: non sempre sarà possibile farlo, dopo averci riflettuto bene e capito a cosa porterà. Infatti, si tratta di una violazione di uno dei due principi 802.11, quindi bisogna prestare molta attenzione!
- Assemblare insieme diversi frame di questo tipo con parti verdi. Più lunga è la parte verde, più efficace è l'aumento della velocità di canale. Sì, è una strategia funzionale, emersa con l'802.11n e rappresenta uno dei pochi pilastri della sua rivoluzione. Il problema è che, da un lato, molte applicazioni se ne fregano di tale aggregazione (come quel famigerato Voice over Wi-Fi) e, dall'altro, anche parecchi dispositivi ignorano questa caratteristica (una volta ho provato a catturare almeno alcuni di questi frame aggregati su una rete reale della società in cui lavoro, ma su oltre 500k di frame “catturati”, ne ho trovati esattamente zero. Probabilmente il problema è nella mia metodologia di raccolta dei dati, ma sono disponibile a discuterne con chiunque voglia in un colloquio privato!).
- Violiamo il primo dei due principi dell'802.11, iniziando a parlare mentre qualcun altro lo fa. E qui, appunto, entra in gioco l'802.11ax.
Che bello, finalmente sono arrivato al punto principale del mio racconto su Wi-Fi 6! Se state ancora leggendo, vuol dire che siete obbligati a farlo per qualche motivo oppure siete davvero interessati. Bene, anche se l'802.11ax eredita una grande parte del lavoro precedente di tutta la famiglia 802.11 (e non solo, a dire il vero — alcune cose interessanti sono emerse anche nell'802.16, noto come WiMAX), ci sono comunque aspetti freschi e originali. Di solito, a queste parole si accompagna un'immagine del tipo mostrata sul sito della Wi-Fi Alliance:
Come ho già detto all'inizio, purtroppo possiamo esplorare solo uno di questi punti chiave all'interno di un articolo leggibile, e per la precisione, nessuno di quelli mostrati nell'immagine (sorpresa!). Sono sicuro che avete già letto milioni di descrizioni veloci di ognuno di questi otto elementi chiave, ma io continuerò il mio lungo racconto su cosa ci insegna l'OFDMA — il controllo degli accessi multipli (MU-access control), che, come vediamo, non è affatto presente nell'infografica. E non è affatto un bene!
L'accesso multiplo è ciò che rende significativa la suddivisione del canale in sottoportanti. Perché cercare di osservare diversi pezzi dello spettro, se non ci sarà un meccanismo in grado di far parlare i clienti di una nuova rete Wi-Fi 6 violando una delle regole fondamentali finora rispettate, e iniziare a comunicare contemporaneamente? E, ovviamente, un tale meccanismo doveva necessariamente emergere, riducendo l'impatto del problema "lento" rispetto ai dati di servizio. Come? È molto semplice: la parte "lenta", quella di servizio, continuerà a essere distribuita come prima, mentre la parte "veloce", in cui transitano i dati, verrà inviata simultaneamente da più (o su più) dispositivi con un singolo comando! Appare più o meno così:
Выглядит сложно, но по своей сути достаточно легко объясняется: точка доступа с помощью специального фрейма, понятного всем (даже не Wi-Fi 6!) устройствам, сообщает, что она готова передать данные одновременно STA1 и STA2. Поскольку “заголовок” этого фрейма полностью понятен даже совсем-совсем старым клиентам, они делают правильный вывод, что эфир будет занят в течение определённого времени передачей информации другим клиентам сети, и начинают отсчитывать время до окончания этого периода (собственно, как и всегда в Wi-Fi). А вот устройства STA1 и STA2 понимают, что сейчас им будут переданы данные уже по-новому, одновременно, каждому на своём кусочке канала, и отвечают точке доступа тоже одновременно, а потом так же синхронно подтверждают приём кадра (каждый со своей порцией данных!), и среда снова освобождается. “Снизу вверх” это работает примерно таким же образом:
La principale e sorprendente differenza è che il punto di accesso in questa situazione comunica alle stazioni capaci di parlare simultaneamente quando iniziare la trasmissione, utilizzando un frame speciale chiamato Trigger. Questo è, in sostanza, un nuovo "grilletto" per l'intero meccanismo di accesso simultaneo multiplo all'ambiente, che è, a mio modesto parere, una delle innovazioni più importanti "sotto il cofano" del nuovo standard. È qui che i clienti ricevono un "orario" su come suddividere tra loro un singolo canale di frequenza; è qui che i clienti informano simultaneamente il punto di accesso di aver ricevuto le proprie porzioni di dati e di averle decifrate. Qui il punto di accesso avvisa tutti coloro che possono "parlare" contemporaneamente dell'inizio della trasmissione dei dati — ed è qui che il punto di accesso avvia l'invio dei dati richiesti. Il nuovo meccanismo Trigger frame, in effetti, consente di ridurre l'uso inefficiente della congestione del canale — ed è efficace quanto più numerosi possono essere i clienti a utilizzarlo e a comprenderlo correttamente!
Ora formuliamo i principali punti che derivano da tutto questo lungo racconto e che possono essere considerati come TL;DR:
- I punti di accesso del nuovo standard 802.11ax, basandosi anche solo su una delle molte novità, inizieranno ad aumentare la capacità complessiva dell'intera rete già con un secondo dispositivo client compatibile! Non appena ci saranno almeno due client in grado di comunicare contemporaneamente, alla luce di tutto ciò (non ho alcuna ragione di supporre che i driver per i moduli radio dei client siano scritti meglio rispetto al passato, quindi l'aggregazione delle parti 'utili' dei pacchetti e molte altre funzioni dipendenti dai client continueranno a funzionare mediamente come prima) essi AUMENTERANNO GIÀ la capacità media. Quindi, se stai pensando a una nuova rete Wi-Fi, è utile considerare subito i punti di accesso più recenti e migliori, perché anche se attualmente ci sono pochi client per essi, la situazione non rimarrà tale a lungo.
- Tutte le tecniche e le astuzie che oggi possiede un buon ingegnere wireless rimarranno pertinenti a lungo — il meccanismo di accesso all'ambiente, sebbene sia stato aggiornato, violando principi fondamentali che sono durati oltre 20 anni, mantiene comunque la compatibilità come criterio principale. È ancora necessario escludere i "management rates" "lenti" (e c'è ancora bisogno di comprendere 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 nel Wi-Fi 6 vengono gestite dal punto di accesso. Come possiamo vedere, esso coordina l'accesso dei clienti all'ambiente, riunendo insieme i dispositivi in "periodi" di lavoro simultaneo. Andando un po' oltre, il funzionamento del TWT è completamente sotto la responsabilità del punto di accesso. Ora, il TD deve non solo "diffondere la rete" e gestire il traffico in coda, ma anche tenere traccia di tutti i clienti, pianificando come unirli in modo più vantaggioso in base alle loro capacità di trasmissione e necessità di traffico, alle loro batterie e a molte altre variabili – 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 degli algoritmi di orchestrazione. Più precisamente i punti di accesso prevederanno le esigenze dei clienti, meglio e più uniformemente potranno raggrupparli in multi-accesso – quindi più razionalmente saranno utilizzate le risorse dell'aria e più alta sarà la capacità finale di un tale punto di accesso. L'algoritmo è l'ultimo frontier!
- La transizione dal Wi-Fi 5 al Wi-Fi 6 è, per importanza e significato, altrettanto rivoluzionaria quanto il passaggio da 802.11g a 802.11n. Allora abbiamo ottenuto il multi-streaming e l'aggregazione del 'payload' - ora abbiamo accesso simultaneo all'ambiente e finalmente i funzionanti MU-MIMO e Beamforming (in primo luogo, come sappiamo, sono quasi la stessa cosa; in secondo luogo, la discussione su 'perché MU-MIMO è stato concepito in 802.11ac, ma non è riuscito a funzionare' è un tema di un altro ampio articolo 🙂 ). 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 organizzato da Huawei (pubblicato inizialmente ). In gran parte mi sono basato sulla mia presentazione alla conferenza 'Wireless', tenutasi nel 2019 a San Pietroburgo (la registrazione dell'intervento può essere vista , solo tenete presente che l'audio è, a dir poco, mediocre, nonostante la provenienza video da San Pietroburgo!).
Fonte: habr.com
