Najważniejsza rzecz w Wi-Fi 6. Nie, poważnie

Cześć

Jeśli wierzyć teorii prostoty Einsteina, głównym wyznacznikiem zrozumienia tematu jest umiejętność jego możliwie najprostszego wyjaśnienia, to w tym poście postaram się możliwie najprościej i najdokładniej wyjaśnić wpływ choćby jednego szczegółu nowego standard, który z jakiegoś powodu nawet Wi-Fi Alliance uważa za niegodny wzmianki w infografice o nowych funkcjach Wi-Fi 6, chociaż on, jak wkrótce się przekonamy, jest bardzo ważny i godny uwagi. Nie wszystko jest tu wystarczająco głębokie i na pewno nie wyczerpujące (bo takiego słonia nawet w częściach trudno zjeść), ale mam nadzieję, że z moich ćwiczeń słownych wszyscy dowiemy się czegoś nowego i ciekawego dla siebie.

Ten sam standard 802.11ax, na który czekamy każdego dnia co najmniej drugi rok, niesie ze sobą wiele nowych i niesamowitych rzeczy. Każdy, kto chce coś o nim opowiedzieć, zawsze ma wybór: albo zrobić przegląd wyścigowy po głowie, wymieniając wiadro skrótów i skrótów, starając się nie ugrzęznąć w skomplikowanych mechanizmach stojących pod maską każdego z nich, albo zawinąć napisali godzinny reportaż o jednej rzeczy, która najbardziej spodobała się autorowi. Zaryzykuję posunięcie się jeszcze dalej: większość mojej notatki będzie poświęcona czemuś, co nawet nie jest nowe!

Tak więc od ponad dwudziestu lat niektóre bezprzewodowe sieci danych są budowane zgodnie z wieloma standardami rodziny 802.11 i jak każdy szanujący się mówca musiałbym nieco przywrócić oś czasu całego łańcucha wydarzeń, które dały światu miliardy interoperacyjnych urządzeń – ale jako autor szanujący czytelnika nadal ryzykuję, że tego nie zrobię. Jednak powinniśmy sobie o czymś przypominać.

We wszystkich wersjach Wi-Fi priorytetem była niezawodność, a nie maksymalizacja przepustowości. Wynika to z mechanizmu dostępu do medium (CSMA/CA), który nie jest najbardziej optymalny z punktu widzenia wyciśnięcia ostatnich kilobitów na sekundę z medium transmisyjnego (więcej można przeczytać o niedoskonałościach świata w ogóle i Wi -Fi w szczególności w artykule mojego byłego kolegi skhomm oto plamy), ale niesamowicie wytrzymałe w niemal każdych warunkach. Tak naprawdę można złamać prawie wszystkie podstawy projektowania sieci Wi-Fi - a taka sieć nadal będzie wymieniać dane! Cały mechanizm, dzięki któremu klienci sieci Wi-Fi są w stanie przesyłać i/lub odbierać swoje porcje danych, ma na celu zapewnienie tego, co w języku angielskim nazywa się słowem o trudnym do przetłumaczenia poczuciu technokracji, solidności. Cała warstwa modulacji wzrasta, agregacja ramek z danymi (niezupełnie tak, ale niech tak będzie!) rozsmarowanymi na wierzchu nadal działa zgodnie z dwiema głównymi zasadami standardu 802.11, które zapewniają tę niezrównaną niezawodność:

1. „Kiedy jeden mówi, pozostali milczą”;
2. „Wszystko oprócz danych jest powiedziane powoli i wyraźnie”.

Punkt drugi powoduje znacznie większe szkody w przepustowości sieci, niż mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Oto fajny obrazek ilustrujący jeden fragment danych przesyłany w sieci Wi-Fi:

Zastanówmy się, co to oznacza dla zwykłych ludzi, którzy nie wiedzą, ile stron jest w standardzie 802.11-2016. Szybkość przesyłania danych, którą system zapisuje we właściwościach sieci bezprzewodowej i którą marketerzy dowolnego producenta rysują na skrzynkach punktów dostępowych (no cóż, pewnie to widziałeś - 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!) , to nie tylko szczyt i maksimum przy 100% czasu zajmowanego przez transmisję, ale także prędkość, z jaką zostanie wysłana tylko niebieska część tego pięknego wykresu. Cała reszta będzie przesyłana z szybkością, która w języku angielskim nazywana jest szybkością zarządzania (a także w języku rosyjskim, ponieważ tłumaczenie takich wyrażeń grozi dalszymi nieporozumieniami między inżynierami), a która jest niższa nie tylko kilkukrotnie, ale o współczynnik SETKI raz. Przykładowo bez żadnych dodatkowych ustawień sieć 802.11ac, która może współpracować z klientami z szybkością kanału 1300 Mb/s, przesyła wszystkie informacje o usługach (wszystko, co nie jest niebieskie na naszym coraz bardziej strasznym wykresie) z szybkością zarządzania 6 Mb/s. Ponad dwieście razy wolniej!

Logiczne pytanie brzmi – w którym, przepraszam, w którym miesiącu taki pomysł sabotażu mógłby w ogóle stać się częścią standardu, według którego działają miliardy urządzeń na całym świecie? Logiczną odpowiedzią jest kompatybilność, kompatybilność, kompatybilność! Sieć na najnowszym punkcie dostępowym powinna zapewnić możliwość pracy na urządzeniach dziesięcioletnich, a nawet piętnastoletnich i to właśnie w tych wszystkich „nieniebieskich” fragmentach lecą informacje, które powolne starsze urządzenia usłyszą, poprawnie zrozumieją i nie będzie próbował przesyłać podczas ultraszybkich fragmentów danych. Solidność wymaga poświęceń!

Teraz jestem gotowy dać każdemu zainteresowanemu niezbędne narzędzie do przestraszenia się potencjalnej utraty przesyłanych megabitów w nowoczesnej sieci Wi-Fi - stało się to już obowiązkowe do nauki w zaangażowanych kręgach inżynieryjnych Kalkulator czasu antenowego Wi-Fi autorstwa norweskiego entuzjasty 802.11 Gjermunda Raaena. Jest dostępny pod adresem link — efekt jego pracy wygląda mniej więcej tak:

Linia 1 to czas transmisji pakietu danych o długości 1512 bajtów przez urządzenie 802.11n przy szerokości kanału 20 MHz.

Linia 2 to czas transmisji tego samego pakietu przez urządzenie o tej samej konstrukcji anteny, ale działające już zgodnie ze standardem 802.11ac w kanale 80 MHz.

Jak to możliwe - „zepsuto” czterokrotnie więcej czasu antenowego, maksymalna modulacja stała się bardziej złożona od 64QAM do 256QAM, prędkość kanału jest wyższa SZEŚĆ razy (433 Mb/s zamiast 72 Mb/s), ale uzyskano co najwyżej 25% czasu antenowego?

Pamiętasz zgodność i dwie zasady standardu 802.11?

No cóż, jak skorygować taką niesprawiedliwość i marnotrawstwo – zadajemy sobie pytanie, jak zapewne zadawała sobie pytanie każda grupa robocza IEEE, która zaczęła tworzyć standard? Przychodzi mi na myśl kilka logicznych ścieżek:

1. Przyspiesz transfer danych w „zielonym” fragmencie wykresu. Odbywa się to po wydaniu każdego standardu, ponieważ duże liczby ładnie wyglądają na pudełkach. W praktyce, jak właśnie zauważyliśmy, daje to skończony wzrost – nawet jeśli przyspieszymy prędkość kanału do stu miliardów gigabitów na nanosekundę, pozostałe części wykresu nie znikną. Dlatego też zalecam, aby we wszystkich opowieściach o nowych standardach 802.11 pomijać akapity wspominające o megabitach na sekundę.
2. Przyspiesz wszystkie pozostałe części wykresu. Rzeczywiście, jeśli przynajmniej podwoimy prędkość, z jaką przesyłane jest wszystko, co „nie zielone” (no cóż, lub „nie niebieskie”, jeśli nadal patrzysz na poprzednie zdjęcie), wówczas otrzymamy nieco mniej niż 50 % wzrost realnej przepustowości - jednak poprzez utratę kompatybilności z urządzeniami i szereg innych niuansów, o których dowiesz się, jadąc przygotować się do egzaminu na dumny tytuł CWNA :) Spoiler: nie zawsze będziesz mógł zrób to po głębokim przemyśleniu i zrozumieniu, do czego to doprowadzi. W rzeczywistości jest to naruszenie jednej z dwóch zasad standardu 802.11, dlatego należy zachować szczególną ostrożność!
3. Złóż kilka takich ramek, łącząc razem zielone części. Im dłuższa zielona część, tym efektywniejsze jest zwiększanie prędkości kanału. Tak, jest to całkowicie działająca strategia, która pojawiła się już w standardzie 802.11n i jest jednym z kilku kamieni węgielnych jej rewolucyjnej natury. Jedynym problemem jest to, że po pierwsze szereg aplikacji nie przejmowało się taką agregacją (na przykład ten sam krwiożerczy Voice over Wi-Fi), po drugie, wiele urządzeń też się tym nie przejmowało (chociaż jakoś postanowiłem to wyłapać. W rzeczywistej sieci firmy, w której pracuję, byłoby kilka takich zagregowanych ramek, ale dla > 500 tys. „odebranych” ramek było dokładnie zero zagregowanych ramek. Najprawdopodobniej problem polega na tym, że w mojej metodologii gromadzenia danych, ale jestem gotowy omówić to z kimkolwiek, gdziekolwiek. Czasem w osobistej rozmowie!).
4. Narusz pierwszą z dwóch zasad standardu 802.11, zaczynając mówić, gdy mówi ktoś inny. I tu właśnie z pomocą przychodzi standard 802.11ax.

Świetnie, że w mojej opowieści o Wi-Fi 6 w końcu dotarłem do samego Wi-Fi 6! Jeśli nadal to czytasz, oznacza to, że albo z jakiegoś powodu musisz to zrobić, albo naprawdę jesteś zainteresowany. Tak więc, choć 802.11ax dziedziczy ogromną część poprzednich osiągnięć całej rodziny 802.11 (i nie tylko, swoją drogą – w 802.16, czyli WiMAX pojawiło się kilka fajnych rzeczy), jest w nim wciąż coś świeżego i oryginalnego. Zwykle tym słowom towarzyszy obrazek podobny do tego, dostępny na stronie internetowej Wi-Fi Alliance:

Ponieważ od początku robiłem rezerwację, w ramach jednego czytelnego artykułu będziemy mogli uwzględnić tylko jeden z tych kluczowych punktów, a raczej żaden z pokazanych na zdjęciu (co za niespodzianka!). Jestem pewien, że przeczytałeś już milion krótkich opisów każdego z tych ośmiu kluczowych elementów, ale będę kontynuował moją żmudnie długą historię o tym, co wynika z OFDMA - kontroli dostępu do wielu mediów (MU-access control), która, jak Widzimy, w ogóle nie dostałem infografiki. Ale to zupełnie na próżno!

Dostęp wielokrotny to coś, bez czego dzielenie kanału na podnośne nie ma żadnego sensu. Po co patrzeć na różne fragmenty widma, jeśli nie ma mechanizmu, który może zmusić klientów nowej sieci Wi-Fi 6 do złamania jednej z dotychczas niezachwianych zasad i jednoczesnego rozpoczęcia rozmowy? I oczywiście taki mechanizm po prostu musiał się pojawić - i zmniejszyć wpływ „długiego” problemu w porównaniu z zastrzeżonymi danymi informacyjnymi. Jak? Tak, to bardzo proste: niech „wolna” część serwisowa zostanie wysłana w taki sam sposób jak poprzednio, ale my wyślemy część „szybką”, w której dane zostaną przesłane bezpośrednio, jednocześnie z kilku (lub kilku) urządzeń na Komenda! Wygląda to mniej więcej tak:

Wygląda to skomplikowanie, ale w zasadzie jest dość łatwe do wyjaśnienia: punkt dostępowy za pomocą specjalnej ramki zrozumiałej dla wszystkich (nawet Wi-Fi 6!) urządzeń raportuje, że jest gotowy do jednoczesnej transmisji danych do STA1 i STA2. Ponieważ „nagłówek” tej ramki jest całkowicie zrozumiały nawet dla bardzo, bardzo starych klientów, wyciągają słuszny wniosek, że fale radiowe będą przez pewien czas zajęte przesyłaniem informacji do innych klientów sieci i zaczynają odliczać czas do końca tego okresu (właściwie jak zawsze w Wi-Fi). Ale urządzenia STA1 i STA2 rozumieją, że teraz dane będą do nich przesyłane w nowy sposób, jednocześnie, każdy na swoim odcinku kanału, i jednocześnie odpowiadają punktowi dostępowemu, a następnie również synchronicznie potwierdzają odbiór ramkę (każda z własną porcją danych!), a środowisko zostaje ponownie uwolnione. „Oddolnie” działa to w podobny sposób:

Główną i najbardziej uderzającą różnicą jest to, że w tej sytuacji punkt dostępowy informuje stacje, które mogą mówić w tym samym czasie, kiedy rozpocząć nadawanie, za pomocą specjalnej ramki zwanej Trigger. To tak naprawdę nowy „wyzwalacz” całego mechanizmu wielokrotnego jednoczesnego dostępu do nośnika, co moim skromnym zdaniem jest jedną z najważniejszych innowacji „pod maską” nowego standardu. To w nim klienci otrzymują „harmonogram” podziału między siebie jednego kanału częstotliwości; to tutaj klienci jednocześnie informują punkt dostępowy, że otrzymali swoje porcje danych i mogli je przeanalizować. W nim punkt dostępowy powiadamia wszystkich, którzy mogą jednocześnie „rozmawiać” o rozpoczęciu transmisji danych - w nim punkt dostępowy zaczyna wysyłać mu wymagane dane. Nowy mechanizm Trigger Frame pozwala bowiem ograniczyć irracjonalne wykorzystanie czasu antenowego – i to tak skutecznie, jak wielu klientów może z niego korzystać i prawidłowo go postrzegać!

Sformułujmy teraz główne tezy, które wynikają z całej tej długiej historii i kwalifikują się do TL;DR:

1. Punkty dostępowe nowego standardu 802.11ax, nawet bazując na jednej z wielu innowacji, zaczną zwiększać całkowitą przepustowość całej sieci już od drugi kompatybilne urządzenie klienckie! Gdy tylko będzie przynajmniej dwóch klientów, którzy będą mogli rozmawiać jednocześnie, to przy wszystkich innych parametrach bez zmian (nie mam powodu zakładać, że sterowniki do klienckich modułów radiowych będą napisane lepiej niż dotychczas, co oznacza, że ​​agregacja „użyteczne” części ramek i wiele innych zależnych od klienta funkcji nadal nie będzie działać „przeciętnie w zoo”) JUŻ zwiększą średnią przepustowość. Jeśli więc myślisz o nowej sieci Wi-Fi, warto od razu zastanowić się nad najnowszymi i najlepszymi punktami dostępowymi, bo nawet jeśli teraz jest dla nich niewielu klientów, sytuacja taka nie utrzyma się długo.
2. Wszystkie sztuczki i triki, które są dziś w arsenale dobrego inżyniera łączności bezprzewodowej, pozostaną aktualne przez długi czas - chociaż mechanizm dostępu do medium został zaktualizowany, naruszając podstawowe zasady, które przetrwały ponad 20 lat, nadal działają kompatybilność na pierwszym planie. Nadal musisz odciąć „powolne” stawki zarządzania (i nadal musisz zrozumieć dlaczego i kiedy), nadal musisz poprawnie zaplanować warstwę fizyczną, ponieważ żaden mechanizm na poziomie łącza danych nie będzie działał, jeśli wystąpią problemy na poziomie fizycznym poziom. Właśnie nadarzyła się okazja, żeby to zrobić nawet lepiej.
3. Prawie wszystkie decyzje w Wi-Fi 6 podejmowane są przez punkt dostępowy. Jak widać kontroluje dostęp klientów do środowiska grupując urządzenia w „okresy” jednoczesnego działania. Przechodząc nieco dalej na bok, praca TWT również w całości spoczywa na barkach punktu dostępowego. Teraz punkt dostępowy musi nie tylko „rozgłaszać sieć” i przechowywać ruch w kolejkach, ale także prowadzić rejestr wszystkich klientów, planując, w jaki sposób połączyć ich ze sobą w sposób bardziej opłacalny, w oparciu o ich przepustowość i potrzeby w zakresie ruchu, ich akumulatory i wiele, wiele więcej — Nazywam ten proces „orkiestracją”. Algorytmy, według których punkt dostępowy będzie podejmował wszystkie te decyzje, nie są regulowane, co oznacza, że ​​rzeczywista jakość i podejście strukturalne producentów przejawi się właśnie w rozwoju algorytmów orkiestracji. Im dokładniej punkty prognozują potrzeby klientów, tym lepiej i bardziej równomiernie będą mogli je łączyć w wielokrotne grupy dostępowe – tym samym racjonalniej zostaną wykorzystane zasoby czasu antenowego i tym wyższa będzie końcowa przepustowość takiego punktu dostępowego będzie. Algorytm to ostatnia granica!
4. Przejście z Wi-Fi 5 na Wi-Fi 6 ma równie rewolucyjny charakter i znaczenie, jak przejście z 802.11g na 802.11n. Potem dostaliśmy wielowątkowość i agregację „payloadu” – teraz dostajemy jednoczesny dostęp do medium i wreszcie działające MU-MIMO i Beamforming (po pierwsze, jak wiemy, to prawie to samo; po drugie, dyskusja „dlaczego MU- MIMO zostało wynalezione w standardzie 802.11ac, ale nie dało się go zmusić do działania” to temat na osobny, długi artykuł :) Zarówno 802.11n, jak i Wi-Fi 6 działają w obu pasmach (2,4 GHz i 5 GHz), w przeciwieństwie do swoich „pośrednich” poprzedników – naprawdę „sześć to nowa czwórka”!

Trochę o pochodzeniu tego artykułu
Artykuł powstał na konkurs organizowany przez firmę Huawei (pierwotnie opublikowany tutaj). Pisząc ją, w dużej mierze opierałem się na własnej relacji z konferencji „Bezprovodov”, która odbyła się w 2019 roku w Petersburgu (nagranie wystąpienia można obejrzeć na YouTube, pamiętaj - dźwięk tam, szczerze mówiąc, nie jest świetny, pomimo petersburskiego pochodzenia filmu!).

Źródło: www.habr.com