Het belangrijkste van Wi-Fi 6. Nee, serieus

Hallo.

Als we de theorie van de eenvoud van Einstein geloven, dan is het belangrijkste aspect van het begrijpen van een onderwerp de mogelijkheid om het zo eenvoudig mogelijk uit te leggen. In deze post zal ik proberen de werking van slechts één detail van de nieuwe standaard zo eenvoudig en gedetailleerd mogelijk uit te leggen, een detail dat de Wi-Fi Alliance blijkbaar niet relevant genoeg vond om te vermelden in de infografiek over de nieuwe mogelijkheden van Wi-Fi 6, terwijl het, zoals we snel samen zullen zien, zeer belangrijk en opmerkelijk is. Het is hier niet alles voldoende diepgaand en zeker niet allesomvattend (omdat het moeilijk is om zo'n grote hoeveelheid materiaal in delen te verwerken), maar ik hoop dat we allemaal iets nieuws en interessants kunnen halen uit mijn woordenwisseling.

Diezelfde 802.11ax, die we al meer dan twee jaar op de hoogte van wachten, brengt een hoop nieuwe en verrassende dingen met zich mee. Voor iedereen die er iets over wil vertellen, staat altijd de keuze open: ofwel een overzichtelijke sprongetje maken vol afkortingen en termen, terwijl je probeert niet vast te lopen in de ingewikkelde mechanismen onder de motorkap van elk van hen, of een uur lang een lezing over iets dat de auteur het meest aanspreekt. Ik durf het nog verder te brengen: het grootste deel van mijn opmerking zal zelfs niet aan het nieuwe gewijd zijn!

Dus, al meer dan twintig jaar worden een deel van de draadloze netwerken voor gegevensoverdracht gebouwd naar een berg normen van de 802.11-familie, en als een gerespecteerde spreker zou ik enige moeite moeten doen om de tijdlijn van de hele gebeurtenissen te herstellen die de wereld miljarden onderling compatibele apparaten heeft gegeven - maar als een gerespecteerde auteur die de lezer waardeert, waag ik het om dit niet te doen. Echter, er zijn enkele dingen die we elkaar zouden moeten herinneren.

Alle iteraties van Wi-Fi hebben de nadruk gelegd op betrouwbaarheid, maar niet op het maximaliseren van de doorvoercapaciteit. Dit blijkt uit het toegangsmecanisme (CSMA/CA), dat niet het meest optimale is wat betreft het persen van de laatste kilobits per seconde uit het overdrachtsmedium (meer over de tekortkomingen van de wereld in het algemeen en Wi-Fi in het bijzonder kan worden gelezen in het artikel van mijn voormalige collega skhomm hier.), maar ongelooflijk veerkrachtig in praktisch alle omstandigheden. Sterker nog, je kunt bijna alle basisprincipes van Wi-Fi-netwerkontwerp schenden — en in zo'n netwerk zal nog steeds gegevensuitwisseling plaatsvinden! De hele mechanismen die ervoor zorgen dat Wi-Fi-klanten hun datastromen kunnen verzenden en/of ontvangen, zijn gericht op het waarborgen van wat in het Engels een moeilijk te vertalen technocratisch begrip, robustness, wordt genoemd. De hele laag van de aangebrachte modulatieverhogingen, het aggregeren van gegevensframes (niet helemaal zo, maar laat het zo zijn!) blijft werken, zelfs na de twee belangrijkste principes van 802.11, die deze ongeëvenaarde betrouwbaarheid garanderen:

1. “Als er één spreekt, zwijgen anderen”;
2. “Alles behalve gegevens wordt langzaam en duidelijk gezegd.”

Het tweede punt brengt veel meer schade toe aan de netwerkcapaciteit dan op het eerste gezicht lijkt. Hier is een leuk plaatje dat een verzonden gegevenspakket in een Wi-Fi-netwerk illustreert:

Laten we eens kijken wat dit betekent voor gewone mensen die niet weten hoeveel pagina's er in de 802.11-2016 standaard staan. De datasnelheid die het systeem in de eigenschappen van het draadloze netwerk vermeldt en die op de dozen van toegangspunten door marketeers van welk bedrijf dan ook wordt weergegeven (nou, je hebt vast gezien — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), is niet alleen piekwaarde en maximaal bij 100% bezettingstijd, maar ook de snelheid waarop alleen het blauwe gedeelte op deze mooie grafiek zal worden verzonden. Alles daarbuiten zal worden verzonden met een snelheid die in het Engels management rate wordt genoemd (en in het Russisch ook, omdat het vertalen van zulke uitdrukkingen verder misverstand tussen ingenieurs kan veroorzaken) en die niet zomaar aanzienlijk lager is, maar met HENDELDEN snelheid. Bijvoorbeeld, zonder enige extra instellingen, verzendt een 802.11ac-netwerk, dat met clients kan werken bij een kanaalsnelheid van 1300 Mb/s, al zijn beheertaken (alles wat niet blauw op onze steeds schrikbarendere grafiek is) met een management rate van 6 Mb/s. Meer dan tweehonderd keer langzamer!

Een logische vraag: op welke datum van welke maand kon zo'n schadelijk idee überhaupt in de standaard komen die miljarden apparaten over de hele wereld bedienen? Het logische antwoord is: compatibiliteit, compatibiliteit, compatibiliteit! Een netwerk op de nieuwste toegangspunt moet de mogelijkheid bieden om samen te werken met apparaten van tien tot zelfs vijftien jaar oud, en het is precies in al deze 'niet-blauwe' stukjes waar de informatie vliegt, die langzame oude apparaten zullen horen, correct begrijpen en niet zullen proberen hun gegevens door te geven tijdens super snelle datastromen. Robuustheid vereist offers!

Ik ben nu klaar om iedereen die geïnteresseerd is een onmisbaar hulpmiddel te geven om geschokt te raken door de waardevolle overdraagbare megabits die verloren gaan in het moderne Wi-Fi netwerk - dit is een verplicht studiemateriaal geworden in betrokken technische kringen. De WiFi AirTime Calculator van de Noorse enthousiasteling van 802.11 Gjermund Raaen. Het is beschikbaar op deze link — het resultaat van zijn werk ziet er ongeveer zo uit:

Regel 1 - de tijd besteed aan het verzenden van een datapakket van 1512 bytes door een 802.11n-apparaat op een kanaal van 20 MHz.

Regel 2 - de tijd besteed aan het verzenden van hetzelfde pakket door een apparaat met dezelfde antenneconfiguratie, maar dat werkt volgens de 802.11ac-standaard op een kanaal van 80 MHz.

Hoe kan het zijn dat 'vier keer meer' draadloos spectrum 'verpest' wordt, de maximale modulatie is ingewikkelder geworden van 64QAM naar 256QAM, de kanaalsnelheid is meer dan ZES keer (433 Mb/s in plaats van 72 Mb/s), en er is maar 25% tijdswinst geboekt?

Compatibiliteit en de twee principes van 802.11, herinneren jullie je dat?

Goed, hoe kunnen we deze ongerechtvaardigde verspilling corrigeren - zo vragen we ons af, zoals waarschijnlijk elke werkgroep van de IEEE heeft gedaan bij het creëren van de standaard? Er komen verschillende logische wegen in gedachten:

1. Versnel de gegevensoverdracht in het 'groene' stuk van de grafiek. Dit gebeurt bij de lancering van elke standaard, omdat grote cijfers goed staan op de verpakkingen. In de praktijk, zoals we net hebben opgemerkt, levert het uiteindelijk slechts een kleine verbetering op - zelfs als we de kanaalsnelheid tot honderdduizend miljoen gigabit per nanoseconde versnellen, zullen alle andere delen van de grafiek niet verdwijnen. Daarom raad ik aan om in alle verhalen over nieuwe 802.11-standaarden de alinea's over megabits per seconde over te slaan.
2. Versnel alle andere delen van de grafiek. Inderdaad, als we de snelheid waarmee alles "niet-groen" (of "niet-blauw", als je nog steeds naar de vorige afbeelding kijkt) wordt verzonden, zelfs maar verdubbelen, krijgen we iets minder dan 50% stijging in de werkelijke bandbreedte — echter met verlies van compatibiliteit met apparaten en nog een aantal nuances waar je achterkomt als je je voorbereidt op het examen voor de trots CWNA 🙂 Spoiler: dit lukt niet altijd, dus denk goed na en begrijp wat dit zal betekenen. Feitelijk schendt dit een van de twee principes van 802.11, dus wees daar heel voorzichtig mee!
3. Kneed enkele van deze frames samen met groene delen. Hoe langer het groene deel, hoe effectiever de verhoging van de kanaalsnelheid werkt. Ja, dit is een zeer werkbare strategie, die zijn oorsprong vindt in 802.11n en een van de fundamentele kenmerken van zijn revolutionariteit is. Het probleem is alleen dat, ten eerste, een aantal applicaties niet geïnteresseerd is in dergelijke aggregatie (bijvoorbeeld die bloeddoorweekte Voice over Wi-Fi), en ten tweede, een aantal apparaten ook niet geïnteresseerd is (ik probeerde zelfs om een paar van die geaggregeerde frames op een echt bedrijfsnetwerk te vangen, maar van meer dan 500k "opgepikte" frames waren er precies nul geaggregeerd. Hoogstwaarschijnlijk ligt het probleem in mijn methodologie voor gegevensverzameling, maar ik ben bereid om hierover met iemand te discussiëren in een persoonlijk gesprek!).
4. En de eerste van de twee principes van 802.11 schenden door te beginnen met spreken terwijl iemand anders het woord heeft. En hier komt 802.11ax echt te hulp.

Hoe geweldig, eindelijk ben ik in mijn verhaal over Wi-Fi 6 aangekomen bij Wi-Fi 6 zelf! Als je dit nog steeds leest, moet je het om een of andere reden doen, of je bent echt geïnteresseerd. Dus, hoewel 802.11ax een groot deel van de eerdere ontwikkeling van de hele 802.11-familie overneemt (en niet alleen dat — er zijn zelfs enkele leuke dingen in 802.16, ook wel WiMAX genoemd), is er toch iets in dit nieuwe dat fris en origineel is. Gewoonlijk verschijnt op dit moment zo'n afbeelding, die beschikbaar is op de website van de Wi-Fi Alliance:

Zoals ik aan het begin al zei, kunnen we in een enkel leesbaar artikel slechts één van deze belangrijke punten goed bespreken, en wel, verrassend genoeg, geen van de punten op de afbeelding. Ik weet zeker dat je al een miljoen beknopte beschrijvingen van elk van deze acht sleutelelementen hebt gelezen, maar ik ga verder met mijn vermoeiend lange verhaal over wat voortvloeit uit OFDMA — over multi-user toegang (MU-access control), die, zoals we zien, absoluut niet op de infographic staat. En dat is eigenlijk jammer!

Multi-user toegang is essentieel; zonder het opsplitsen van de kanaalbandbreedte in subdraaggolven heeft het geen enkele zin. Waarom zou je proberen verschillende stukjes van het spectrum te bekijken, als er geen mechanisme is dat klanten van het nieuwe Wi-Fi 6 netwerk in staat stelt een van de onwrikbare regels van vroeger te schenden en tegelijkertijd met elkaar te communiceren? En zo'n mechanisme moest natuurlijk verschijnen — en het effect van het probleem van “lange” (t.o.v. gegevens van controle-informatie) verminderen. Hoe? Heel eenvoudig: laat het “langzame” deel zoals vroeger worden uitgezonden, maar laten we het “snelle” deel, waar de gegevens zelf in zitten, gelijktijdig van meerdere (of verschillende) apparaten verzenden op commando! Dit ziet er ongeveer zo uit:

Het lijkt complex, maar is in wezen vrij eenvoudig uit te leggen: een access point meldt met behulp van een speciaal frame, dat door alle (zelfs geen Wi-Fi 6!) apparaten begrepen kan worden, dat het klaar is om gegevens gelijktijdig aan STA1 en STA2 over te dragen. Aangezien de “header” van dit frame volledig begrijpelijk is voor zelfs de oudste klanten, concluderen zij terecht dat het medium gedurende een bepaalde tijd bezet zal zijn door het verzenden van informatie naar andere netwerkkklanten, en beginnen ze de tijd te tellen tot het einde van deze periode (zoals altijd in Wi-Fi). En de apparaten STA1 en STA2 begrijpen dat ze nu op een nieuwe manier, gelijktijdig, gegevens ontvangen over hun eigen stuk kanaal, en reageren ook tegelijkertijd naar het access point, en bevestigen daarna ook synchroon de ontvangst van het frame (ieder met zijn eigen portie gegevens!), en het medium wordt weer vrijgegeven. Vanuit het “beneden naar boven” werkt het ongeveer op dezelfde manier:

Het belangrijkste en opvallendste verschil is dat het toegangspunt in deze situatie aan stations kan meedelen wanneer ze tegelijkertijd moeten beginnen met zenden, met behulp van een speciaal kader dat een Trigger wordt genoemd. Dit is in wezen een nieuwe 'trekker' voor het hele mechanisme van meervoudige gelijktijdige toegang tot de medium, dat naar mijn bescheiden mening een van de belangrijkste innovaties 'onder de motorkap' van de nieuwe standaard is. Dit is waar klanten een 'schema' krijgen over hoe ze een frequentiekanaal moeten delen; dit is ook waar klanten gelijktijdig aan het toegangspunt meedelen dat ze hun datapunten hebben ontvangen en ze hebben kunnen ontcijferen. In dit mechanisme brengt het toegangspunt iedereen op de hoogte die tegelijkertijd kan 'praten' over het begin van de datatransmissie — hierin start het toegangspunt ook met het verzenden van de gegevens die het nodig heeft. Het nieuwe Trigger frame mechanisme maakt in wezen een efficiënter gebruik mogelijk van de ether, en wel zo effectief als het aantal klanten dat ervan kan profiteren.

Laten we nu de belangrijkste punten formuleren die uit dit lange verhaal volgen en die recht doen aan de TL;DR:

1. Toegangspunten van de nieuwe 802.11ax standaard zullen, zelfs gebaseerd op slechts één van de vele innovaties, de totale netwerkcapaciteit gaan verhogen vanaf de tweede compatibele clientapparaat! Zodra er ten minste twee clients zijn die gelijktijdig kunnen praten, zal dit, onder gelijke voorwaarden (ik heb geen enkele reden om aan te nemen dat de drivers voor clientradiomodules beter geschreven zullen worden dan voorheen, en dus dat de aggregatie van 'nuttige' delen van frames en vele andere clientafhankelijke functies nog steeds 'gemiddeld in de dierentuin' zullen functioneren, blijven ze al de gemiddelde capaciteit verhogen. Dus als je nadenkt over een nieuw Wi-Fi-netwerk, is het de moeite waard om direct de nieuwste en beste toegangspunten te overwegen, want zelfs als er nu nog maar weinig clients voor zijn, zal deze situatie niet lang duren.
2. Alle trucs en technieken die vandaag de dag in het arsenaal van een goede draadloze ingenieur aanwezig zijn, zullen nog lange tijd relevant blijven — het toegangssysteem is weliswaar vernieuwd en heeft de meer dan 20 jaar oude hoekstenenprincipes doorbroken, maar compatibiliteit blijft centraal staan. Het is nog steeds nodig om 'langzame' management rates te filteren (en nog steeds moet men begrijpen waarom en wanneer), het is nog steeds belangrijk om het fysieke niveau goed te plannen, want geen enkel mechanisme op het datalinkniveau zal werken als er problemen zijn op het fysieke niveau. Er is alleen de mogelijkheid gekomen om nog beter.
3. Bijna alle beslissingen in Wi-Fi 6 worden genomen door het toegangspunt. Zoals we zien, beheert het de toegang van klanten tot de omgeving, waarbij het apparaten samenbrengt in 'periodes' van gelijktijdig gebruik. Een stap verder weg — het werken met TWT ligt ook volledig op de schouders van het toegangspunt. Nu moet het toegangspunt niet alleen 'het netwerk uitzenden' en het verkeer in wachtrijen opslaan, maar ook al zijn klanten in de gaten houden, plannen hoe ze het meest efficiënt met elkaar kunnen worden samengebracht op basis van hun bandbreedtes en verkeersbehoeften, hun batterijen en nog veel meer — ik noem dit proces 'orkestratie'. De algoritmes op basis waarvan het toegangspunt al deze beslissingen zal nemen zijn niet gereguleerd, wat betekent dat de echte kwaliteit en gestructureerde aanpak van fabrikanten zich zal uiten in de ontwikkeling van orkestratie-algoritmes. Hoe nauwkeuriger de toegangspunten de behoeften van klanten voorspellen, hoe beter en gelijkmatiger ze hen in groepen van meervoudige toegang kunnen samenvoegen — dit betekent ook dat de middelen van de radiogolven efficiënter worden gebruikt en dat de uiteindelijke bandbreedte van zo'n toegangspunt hoger zal zijn. Het algoritme is de laatste frontier!
4. De overstap van Wi-Fi 5 naar Wi-Fi 6 is net zo revolutionair in zijn essentie en belangrijkheid als de overstap van 802.11g naar 802.11n. Toen kregen we multi-streaming en de aggregatie van nuttige belasting - nu krijgen we gelijktijdige toegang tot de omgeving en eindelijk werkende MU-MIMO en Beamforming (ten eerste, zoals we weten, is dat bijna hetzelfde; ten tweede, de discussie over “waarom MU-MIMO in 802.11ac werd bedacht, maar niet kon worden gemaakt om te werken” — dat is een onderwerp voor een aparte grote artikel 🙂 ). Zowel 802.11n als Wi-Fi 6 werken in beide frequentiebanden (2,4 GHz en 5 GHz), in tegenstelling tot de

tussenliggende
voorlopers - waarlijk, hierzes is het nieuwe vier! Een beetje over de oorsprong van dit artikelDit artikel is geschreven voor een wedstrijd georganiseerd door Huawei (oorspronkelijk gepubliceerd)

Bron: habr.com