Cześć.
Jeśli wierzyć teorii prostoty Einsteina, głównym wskaźnikiem zrozumienia tematu jest zdolność do wyjaśnienia go maksymalnie prosto, zatem w tym poście postaram się maksymalnie prosto i szczegółowo wyjaśnić działanie tylko jednej części nowego standardu, którą z jakiegoś powodu nawet Wi-Fi Alliance uważa za niegodną wzmianki w infografice o nowych możliwościach Wi-Fi 6, chociaż jak wkrótce się przekonamy, jest ona bardzo ważna i godna uwagi. Nie wszystko tutaj jest wystarczająco głębokie i z pewnością nie jest to wyczerpujące (ponieważ takiego słonia trudno jest zjeść nawet w częściach), ale mam nadzieję, że wyniesiemy z moich słownych ćwiczeń coś nowego i interesującego dla siebie.
To właśnie 802.11ax, na który czekamy od co najmniej dwóch lat, niesie ze sobą mnóstwo nowości i zaskoczeń. Przed każdym, kto chce o tym opowiedzieć, zawsze stoi wybór: albo zorganizować przeglądowy skok przez głowy, wspominając wiadro skrótów i akronimów, starając się nie utknąć w skomplikowanych mechanizmach kryjących się za każdym z nich, albo zawinąć godzinny wykład na temat czegoś jednego, najbardziej przyjemnego dla autora. Zaryzykuję pójście jeszcze dalej: większa część mojej notatki będzie poświęcona nawet nie nowemu!
Otóż już od ponad dwudziestu lat część bezprzewodowych sieci przesyłu danych opiera się na całej gamie standardów rodziny 802.11, i jak każdy szanujący się mówca, powinienem był nieco odtworzyć oś czasu całego ciągu wydarzeń, który podarował światu miliardy wzajemnie kompatybilnych urządzeń — ale jako szanujący czytelnika autor, zaryzykuję tego jednak nie robić. Niemniej, pewne rzeczy warto byłoby sobie przypomnieć.
Wszystkie iteracje Wi-Fi stawiały na pierwszym miejscu niezawodność, a nie maksymalizację przepustowości. Wynika to z mechanizmu dostępu do medium (CSMA/CA), który nie jest zbyt optymalny z punktu widzenia wydobywania ostatnich kilobitów na sekundę z medium przesyłowego (więcej na temat niedoskonałości świata w ogóle i Wi-Fi w szczególności można przeczytać w artykule mojego byłego kolegi. ), ale niezwykle odpornego w praktycznie każdych warunkach. Naprawdę, można złamać niemal wszystkie zasady projektowania sieci Wi-Fi — a w takiej sieci i tak będzie zachodzić wymiana danych! Cały mechanizm, który zapewnia, że w języku angielskim nazywa się to słowem z trudnym do przetłumaczenia technokratek, robustness, jest skierowany na to, by klienci sieci Wi-Fi mogli przesyłać i/lub odbierać swoje porcje danych. Cała warstwa nałożonych na siebie podwyższeń modulacji, agregacji ramek z danymi (nie do końca tak, ale niech będzie!) nadal działa po dwóch podstawowych zasadach 802.11, które zapewniają tę niezrównaną niezawodność:
- „Kiedy jeden mówi — pozostali milczą”;
- „Wszystko oprócz danych mówi się wolno i wyraźnie”.
Drugi punkt szkody w przepustowości sieci jest znacznie większy, niż może się wydawać na pierwszy rzut oka. Oto fajny obrazek ilustrujący jeden wysłany kawałek danych w sieci Wi-Fi:
Zrozummy, co to oznacza dla zwykłych ludzi, którzy nie wiedzą, ile stron ma standard 802.11-2016. Ta prędkość transmisji danych, którą system podaje w właściwościach sieci bezprzewodowej i którą marketerzy wszelkich producentów malują na pudełkach punktów dostępowych (no pewnie widzieliście — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), nie tylko jest szczytową i maksymalną przy 100% zajętości czasem transmisji, ale również jest prędkością, z jaką będzie przesyłany tylko niebieski fragment na tym pięknym grafiku. Wszystko inne będzie przesyłane z prędkością, która w języku angielskim nazywa się management rate (i po rosyjsku również, ponieważ tłumaczenie takich wyrażeń grozi dalszym niezrozumieniem między inżynierami), a która jest niższa nie tylko wielokrotnie, ale w SETKI razy. Na przykład, bez żadnych dodatkowych ustawień sieć na 802.11ac, która może pracować z klientami przy prędkości kanałowej 1300 Mb/s, przesyła całe informacje kontrolne (wszystko, co nie jest niebieskie na naszym coraz bardziej strasznym grafiku) z prędkością management rate 6 Mb/s. Ponad dwieście razy wolniej!
Logiczne pytanie - którego, przepraszam, dnia którego miesiąca taka szkodliwa idea mogła w ogóle trafić do standardu, na którym opiera się miliardy urządzeń na całym świecie? Logiczną odpowiedzią jest - kompatybilność, kompatybilność, kompatybilność! Sieć na najnowszym punkcie dostępu musi zapewnić możliwość współpracy dla dziesięcio- i nawet piętnastoletnich urządzeń, i to właśnie w tych wszystkich "nie-niebieskich" kawałkach przemieszczają się informacje, które wolne, starsze urządzenia usłyszą, poprawnie zrozumieją i nie będą próbować przesyłać swoich w czasie super szybkich kawałków danych. Solidność wymaga ofiar!
Teraz jestem gotów dać każdemu zainteresowanemu niezastąpione narzędzie do tego, aby przerażająco zagubić się w nowoczesnych transmisjach Wi-Fi potencjalnych przekazywanych megabitów - to stało się już obowiązkową lekturą w odpowiednich kręgach inżynieryjnych Kalkulator Czasu Powietrznego WiFi autorstwa norweskiego entuzjasty 802.11 Gjermunda Raaena. Jest dostępny pod — wynik jego pracy wygląda mniej więcej tak:
Wiersz 1 — czas potrzebny na przesłanie pakietu danych o długości 1512 bajtów przez urządzenie 802.11n w kanale o szerokości 20 MHz.
Wiersz 2 — czas potrzebny na przesłanie takiego samego pakietu przez urządzenie z tą samą anteną, ale działające już w standardzie 802.11ac w kanale o szerokości 80 MHz.
Jak to możliwe - "zepsuto" cztery razy więcej pasma, maksymalna modulacja stała się bardziej skomplikowana z 64QAM do 256QAM, a szybkość kanału wzrosła w SZEŚĆ razy (433 Mb/s zamiast 72 Mb/s), a zyskujemy w najlepszym wypadku 25% czasu zajęcia pasma?
Kompatybilność i dwie zasady 802.11, pamiętacie?
Dobrze, jak możemy naprawić taką niesprawiedliwość i marnotrawstwo - zapytamy siebie, jak pewnie pytała siebie każda grupa robocza IEEE przystępująca do tworzenia standardu? Przychodzą na myśl kilka logicznych dróg:
- Przyspieszyć przesyłanie danych w "zielonym" kawałku wykresu. Dzieje się tak przy wydaniu każdego standardu, ponieważ duże liczby ładnie wyglądają na opakowaniach. W praktyce, jak dopiero co zauważono, daje to ograniczony wzrost - nawet jeśli przyspieszymy szybkość kanału do stu tysięcy milionów gigabitów na nanosekundę, wszystkie inne części wykresu nigdzie nie znikną. Dlatego zalecam pomijanie w każdym opowiadaniu o wszystkich nowych standardach 802.11 akapitów, w których wspomina się o megabitach na sekundę.
- Przyspieszyć wszystkie pozostałe części wykresu. Rzeczywiście, jeśli podwoimy prędkość, z jaką przekazywane są wszystkie 'niezielone' (no, lub 'niesine', jeśli nadal patrzysz na naszą poprzednią grafikę), otrzymamy nieco mniej niż 50% wzrostu rzeczywistej przepustowości — jednak kosztem utraty zgodności z urządzeniami oraz innymi niuansami, o których dowiesz się, gdy zaczniesz przygotowywać się do egzaminu na dumne miano CWNA 🙂 Spoiler: nie zawsze będzie to możliwe, trzeba dobrze się zastanowić i zrozumieć, do czego to prowadzi. Faktycznie jest to naruszenie jednego z dwóch zasad 802.11, dlatego trzeba z tym bardzo uważać!
- Zlepiać w całość kilka takich ramek z zielonymi częściami razem. Im dłuższa zielona część, tym efektywniej działa zwiększenie prędkości kanału. Tak, to całkiem sensowna strategia, która pojawiła się już w 802.11n i jest jednym z kilku fundamentów jego rewolucyjności. Problem w tym, że po pierwsze, wiele aplikacji w ogóle nie interesuje się taką agregacją (na przykład krwiożerczy Voice over Wi-Fi), a po drugie, również wiele urządzeń na nią nie zwraca uwagi (kiedyś próbowałem przechwycić kilka takich zaggregowanych ramek w rzeczywistej sieci firmy, w której pracuję, ale spośród >500k 'złapanych' klatek, z tych zaggregowanych nie było ani jednej. Najprawdopodobniej to problem mojej metodologii zbierania danych, ale jestem gotów omówić to z każdym chętnym gdzieś w osobistej rozmowie!).
- Naruszyć pierwszą z dwóch zasad 802.11, zaczynając mówić, kiedy ktoś inny już mówi. I tutaj z pomocą przychodzi 802.11ax.
Jak wspaniale, w końcu dotarłem w mojej opowieści o Wi-Fi 6 do samego Wi-Fi 6! Jeśli wciąż to czytasz, to albo musisz to robić z jakiegoś powodu, albo naprawdę cię to interesuje. Cóż, chociaż 802.11ax dziedziczy ogromną część wcześniejszych prac całej rodziny 802.11 (i nie tylko, naprawdę — kilka fajnych rzeczy pojawiło się w 802.16, czyli WiMAX), to jednak jest też kilka świeżych i oryginalnych pomysłów. Najczęściej na tych słowach pokazuje się taka ilustracja, dostępna na stronie Wi-Fi Alliance:
Jak już od samego początku zauważyłem, w ramach jednego czytelnego artykułu będziemy mogli rozważyć tylko jeden z tych kluczowych punktów, a konkretnie, żaden z tych przedstawionych na obrazku (co za niespodzianka!). Jestem pewien, że czytałeś milion pobieżnych opisów każdego z tych ośmiu kluczowych elementów, a ja kontynuuję swoją nużąco długą opowieść o tym, co wynika z OFDMA — o wielodostępie do medium (MU-access control), który, jak widzimy, w infografice w ogóle się nie pojawił. A całkiem słusznie!
Wielodostęp to coś, bez czego dzielenie kanału na podnośne w ogóle nie ma sensu. Po co próbować dostrzegać różne kawałki widma, jeśli nie będzie mechanizmu, zdolnego zmusić klientów nowej sieci Wi-Fi 6 do złamania jednej z niezmiennych do tej pory zasad i zaczęcia mówienia jednocześnie? I oczywiście, taki mechanizm po prostu musiał się pojawić — i zmniejszyć wpływ problemu „długiego” w porównaniu z danymi informacji sterującej. Jak? To bardzo proste: niech „wolna” część, służąca do przesyłania usług, będzie rozsyłana tak samo jak wcześniej, a „szybką” część, w której przekazywane są dane, wyślemy jednocześnie z kilku (lub na kilka) urządzeń na sygnał! Wygląda to mniej więcej tak:
Wygląda to skomplikowanie, ale w swojej istocie jest dość łatwe do wytłumaczenia: punkt dostępowy przy pomocy specjalnej ramki, zrozumiałej dla wszystkich (nawet nie Wi-Fi 6!) urządzeń, informuje, że jest gotowy do przesłania danych jednocześnie do STA1 i STA2. Ponieważ „nagłówek” tej ramki jest w pełni zrozumiały nawet dla bardzo starych klientów, wyciągają oni właściwy wniosek, że pasmo będzie zajęte przez określony czas przesyłania informacji innym klientom sieci, i zaczynają odliczać czas do końca tego okresu (właściwie jak zawsze w Wi-Fi). Natomiast urządzenia STA1 i STA2 rozumieją, że teraz dane będą przesyłane już w nowy sposób, jednocześnie, każdy na swojej części kanału, i odpowiadają punktowi dostępowemu również jednocześnie, a potem tak samo synchronizują potwierdzenie odbioru ramki (każdy ze swoją porcją danych!), a medium znowu się zwalnia. „Z dołu do góry” działa to mniej więcej w ten sposób:
Główna i rzucająca się w oczy różnica polega na tym, że punkt dostępu w tej sytuacji informuje stacje, które mogą mówić jednocześnie, kiedy rozpocząć transmisję, za pomocą specjalnej ramki, która nazywa się Trigger. To w zasadzie nowy „spust” całego mechanizmu wielokrotnego jednoczesnego dostępu do medium, który moim skromnym zdaniem jest jedną z najważniejszych innowacji „pod maską” nowego standardu. To w nim klienci otrzymują „harmonogram”, jak podzielić między sobą jeden kanał częstotliwości; to w nim klienci równocześnie informują punkt dostępu, że odebrali swoje porcje danych i byli w stanie je zrozumieć. W tym punkcie dostępu informuje wszystkich, którzy mogą „mówić” jednocześnie, o rozpoczęciu transmisji danych — to w nim punkt dostępu uruchamia wysyłkę wymaganych danych. Nowy mechanizm Trigger frame, w zasadzie, pozwala na zmniejszenie nieefektywnego wykorzystania pasma — przy czym działa to tak efektywnie, jak wiele klientów może z niego korzystać i poprawnie odbierać!
A teraz sformułujmy podstawowe tezy, które wynikają z całej tej długiej opowieści i pretendują na TL;DR:
- Punkty dostępu nowego standardu 802.11ax, nawet opierając się tylko na jednym z wielu innowacji, zaczną zwiększać łączną przepustowość całej sieci już z posiadał dostęp za pomocą loginu i hasła. kompatybilnym urządzeniem klienckim! Jak tylko pojawi się przynajmniej dwóch klientów, którzy będą mogli mówić jednocześnie, to przy innych równych warunkach (nie mam żadnego powodu sądzić, że sterowniki dla radiomodulów klienckich będą pisać lepiej niż wcześniej, co oznacza, że agregacja „pożytecznych” części ramek oraz wiele innych funkcji zależnych od klienta nadal będą działać średnio) oni JUŻ zwiększą średnią przepustowość. Więc jeśli myślisz o nowej sieci Wi-Fi — warto od razu rozważyć najnowsze i najlepsze punkty dostępu, ponieważ nawet jeśli klientów dla nich jest teraz mało — sytuacja nie potrwa długo.
- Wszystkie triki i sztuczki, które dzisiaj znajdują się w arsenale dobrego inżyniera bezprzewodowego, jeszcze długo będą aktualne — mechanizm dostępu do medium, chociaż się zaktualizował, naruszając obowiązujące od ponad 20 lat fundamentalne zasady, wciąż kładzie nacisk na kompatybilność. Nadal należy eliminować „wolne” stawki zarządzania (i ciągle trzeba rozumieć, dlaczego i kiedy), nadal trzeba odpowiednio planować poziom fizyczny, ponieważ żaden mechanizm na poziomie łącza nie zadziała, jeśli wystąpią problemy na poziomie fizycznym. Po prostu pojawiła się możliwość robienia jeszcze lepiej.
- Prawie wszystkie decyzje w Wi-Fi 6 podejmuje punkt dostępu. Jak widzimy, zarządza on dostępem klientów do medium, łącząc razem urządzenia w „okresach” równoczesnej pracy. Odsuwając się trochę dalej, praca TWT również całkowicie spoczywa na punkcie dostępu. Teraz punkt dostępu musi nie tylko „transmitować sieć” i przechowywać ruch w kolejce, ale także prowadzić ewidencję wszystkich klientów, planując, jak najlepiej ich połączyć w oparciu o ich przepustowość i potrzeby w zakresie ruchu, ich baterie i wiele, wiele innych — nazywam ten proces „orkiestracją”. Algorytmy, według których punkt dostępu podejmie wszystkie te decyzje, nie są regulowane, a to oznacza, że prawdziwa jakość i strukturalne podejście producentów ujawnią się w opracowywaniu algorytmów orkiestracji. Im dokładniej punkty będą prognozować potrzeby klientów, tym lepiej i równomierniej będą mogły łączyć ich w grupy dostępu wieloosobowego — a tym samym efektywniej będą wykorzystywane zasoby eteru i tym wyższa będzie łączna przepustowość takiego punktu dostępu. Algorytm — ostatnia granica!
- Przejście z Wi-Fi 5 do Wi-Fi 6 jest tak samo rewolucyjne, jak przejście z 802.11g do 802.11n. Wtedy otrzymaliśmy wielowątkowość i agregację „ładunku użytecznego” — teraz mamy jednoczesny dostęp do medium i w końcu działające MU-MIMO oraz Beamforming (po pierwsze, jak wiemy, to prawie to samo; po drugie, dyskusja na temat „dlaczego MU-MIMO w 802.11ac zostało wymyślone, ale nie zdołano go uruchomić” — to temat na osobny, duży artykuł 🙂 ). Zarówno 802.11n, jak i Wi-Fi 6 działają w obu pasmach (2,4 GHz i 5 GHz), w przeciwieństwie do „pośrednich” poprzedników — naprawdę, „sześć to nowe cztery”!
Trochę o źródłach tego artykułu
Artykuł został napisany na konkurs organizowany przez firmę Huawei (pierwotnie opublikowany ). W dużej mierze opierałem się przy jego pisaniu na własnym wystąpieniu na konferencji „Bezprzewodowe”, która odbyła się w 2019 roku w Petersburgu (nagranie wystąpienia można obejrzeć , tylko miej na uwadze — dźwięk tam, delikatnie mówiąc, nie jest zbyt dobry, mimo petersburskiego pochodzenia wideo!).
Źródło: habr.com
