Hey.
Se você acredita na teoria da simplicidade de Einstein, o principal indicador para a compreensão de um assunto é a capacidade de explicá-lo da forma mais simples possível, então neste post tentarei explicar da forma mais simples e completa possível o efeito de apenas um detalhe do novo padrão, que por algum motivo até a Wi-Fi Alliance considera indigno de menção no infográfico sobre os novos recursos do Wi-Fi 6, embora, como veremos em breve juntos, seja muito importante e digno de nota. Nem tudo aqui é profundo o suficiente e certamente não é abrangente (porque é difícil comer um elefante assim, mesmo em partes), mas espero que todos aprendamos algo novo e interessante para nós mesmos com meus exercícios verbais.
Esse mesmo 802.11ax, pelo qual esperávamos todos os dias pelo menos pelo segundo ano, traz consigo muitas coisas novas e surpreendentes. Quem quiser contar algo sobre ele sempre tem uma escolha: ou fazer uma corrida geral sobre as cabeças, mencionando um balde de abreviaturas e abreviaturas, tentando não se atolar nos complexos mecanismos sob o capô de cada um deles, ou embrulhar elaborar um relatório de uma hora sobre uma coisa que mais agrada ao autor. Arrisco-me a ir ainda mais longe: a maior parte da minha nota será dedicada a algo que nem sequer é novo!
Portanto, há mais de vinte anos, algumas redes de dados sem fio foram construídas de acordo com vários padrões da família 802.11 e, como qualquer palestrante que se preze, eu teria que restaurar um pouco a linha do tempo de toda a cadeia de eventos que deram ao mundo bilhões de dispositivos interoperáveis - mas, como autor que respeita o leitor, ainda arrisco não fazer isso. No entanto, devemos lembrar uns aos outros de algo.
Todas as iterações de Wi-Fi priorizaram a confiabilidade em vez de maximizar o rendimento. Isto decorre do mecanismo de acesso ao meio (CSMA/CA), que não é o mais ideal do ponto de vista de extrair os últimos kilobits por segundo do meio de transmissão (você pode ler mais sobre as imperfeições do mundo em geral e Wi -Fi em particular no artigo do meu ex-colega ), mas incrivelmente durável em quase todas as condições. Na verdade, você pode quebrar quase todos os fundamentos do design de uma rede Wi-Fi - e essa rede ainda trocará dados! Todo o mecanismo pelo qual os clientes da rede Wi-Fi são capazes de transmitir e/ou receber suas porções de dados visa garantir o que em inglês é chamado de uma palavra com um toque de tecnocracia e robustez difícil de traduzir. Toda a camada de modulação aumenta, a agregação de quadros com dados (não exatamente assim, mas que assim seja!) espalhados por cima continua funcionando após os dois princípios básicos do 802.11, que fornecem essa confiabilidade insuperável:
- “Enquanto um fala, os demais ficam em silêncio”;
- “Tudo, exceto os dados, é dito de forma lenta e clara.”
O segundo ponto causa muito mais danos à largura de banda da rede do que pode parecer à primeira vista. Aqui está uma imagem legal que ilustra um dado enviado em uma rede Wi-Fi:
Vamos descobrir o que isso significa para pessoas comuns que não sabem quantas páginas existem no padrão 802.11-2016. A velocidade de transferência de dados que o sistema escreve nas propriedades da rede sem fio e que os profissionais de marketing de qualquer fabricante utilizam nas caixas de ponto de acesso (bem, você provavelmente já viu - 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!) , não é apenas o pico e o máximo em 100% do tempo ocupado pela transmissão, mas também a velocidade com que apenas a parte azul deste lindo gráfico será enviada. Todo o resto será enviado a uma velocidade que é chamada de taxa de gerenciamento em inglês (e também em russo, porque a tradução de tais expressões ameaça ainda mais mal-entendidos entre os engenheiros), e que é menor não apenas por várias vezes, mas por um fator CENTENAS uma vez. Por exemplo, sem quaisquer configurações adicionais, uma rede 802.11ac, que pode trabalhar com clientes a uma velocidade de canal de 1300 Mb/s, transmite todas as informações de serviço (tudo o que não está azul em nosso gráfico cada vez mais terrível) a uma taxa de gerenciamento de 6 Mb/s . Mais de duzentas vezes mais lento!
A questão lógica é: em que mês, desculpe-me, em que mês essa ideia de sabotagem poderia se tornar parte do padrão pelo qual bilhões de dispositivos operam em todo o mundo? A resposta lógica é compatibilidade, compatibilidade, compatibilidade! A rede no ponto de acesso mais recente deve fornecer a capacidade de funcionar para dispositivos de dez e até quinze anos de idade, e é em todas essas peças “não azuis” que voam informações que dispositivos idosos lentos ouvirão, entenderão corretamente e não tentará transmitir dados em ultra-alta velocidade. Robustez requer sacrifício!
Agora estou pronto para dar a todos os interessados uma ferramenta indispensável para ficarem horrorizados com os potenciais megabits transmitidos perdidos sem rumo no Wi-Fi moderno - isso já se tornou obrigatório para estudo nos círculos de engenharia envolvidos. A calculadora WiFi AirTime pelo entusiasta norueguês do 802.11, Gjermund Raaen. Está disponível em — o resultado do seu trabalho é mais ou menos assim:
A linha 1 é o tempo gasto na transmissão de um pacote de dados de 1512 bytes por um dispositivo 802.11n em uma largura de canal de 20 MHz.
A linha 2 é o tempo gasto na transmissão do mesmo pacote por um dispositivo com a mesma fórmula de antena, mas já operando segundo o padrão 802.11ac em um canal de 80 MHz.
Como pode ser isso - quatro vezes mais tempo de antena foi “estragado”, a modulação máxima tornou-se mais complexa de 64QAM para 256QAM, a velocidade do canal é maior SEIS vezes (433 Mb/s em vez de 72 Mb/s), mas no máximo 25% do tempo de transmissão foi ganho?
Compatibilidade e dois princípios do 802.11, lembra?
Bem, como podemos corrigir tal injustiça e desperdício - nos perguntamos, como provavelmente se perguntou todo grupo de trabalho do IEEE que começou a criar um padrão? Vários caminhos lógicos vêm à mente:
- Acelere a transferência de dados na parte “verde” do gráfico. Isso é feito quando cada padrão é lançado, porque números grandes ficam bem nas caixas. Na prática, como acabamos de notar, isso dá um aumento finito - mesmo que aceleremos a velocidade do canal para cem bilhões de gigabits por nanossegundo, todas as outras partes do gráfico não desaparecerão. É por isso que recomendo que em todas as histórias sobre os novos padrões 802.11, pule os parágrafos que mencionam megabits por segundo.
- Acelere todas as outras partes do gráfico. Na verdade, se pelo menos duplicarmos a velocidade com que tudo o que é “não verde” é transmitido (bem, ou “não azul”, se você ainda estiver olhando para a imagem anterior), obteremos um pouco menos de 50 % de aumento no rendimento real - no entanto, perdendo a compatibilidade com dispositivos e uma série de outras nuances que você aprenderá quando for se preparar para o exame para o orgulhoso título de CWNA :) Spoiler: você nem sempre será capaz de faça isso, depois de pensar muito e entender aonde isso vai levar. Na verdade, isso é uma violação de um dos dois princípios do 802.11, então você precisa ter muito cuidado com isso!
- Junte vários quadros assim com as partes verdes juntas. Quanto mais longa for a parte verde, mais eficaz será o aumento da velocidade do canal. Sim, esta é uma estratégia totalmente funcional, que apareceu no 802.11n e é um dos vários pilares da sua natureza revolucionária. O único problema é que, em primeiro lugar, vários aplicativos não deram a mínima para tal agregação (por exemplo, aquele mesmo sanguinário Voice over Wi-Fi) e, em segundo lugar, vários dispositivos também não deram a mínima para isso (de alguma forma, decidi capturá-lo. Haveria vários desses quadros agregados na rede real da empresa para a qual trabalho, mas para> 500 mil quadros “captados”, havia exatamente zero quadros agregados. Provavelmente, o problema é na minha metodologia de coleta de dados, mas estou pronto para discutir isso com qualquer pessoa em qualquer lugar (em algum momento em uma conversa pessoal!).
- Viole o primeiro dos dois princípios do 802.11 começando a falar quando outra pessoa estiver falando. E é aqui que o 802.11ax realmente vem em socorro.
É ótimo finalmente ter chegado ao Wi-Fi 6 em minha história sobre o Wi-Fi 6! Se você ainda está lendo isso, é porque precisa ler isso por algum motivo ou está realmente interessado. Portanto, embora o 802.11ax herde uma grande parte dos desenvolvimentos anteriores de toda a família 802.11 (e não apenas, aliás - algumas coisas legais apareceram no 802.16, também conhecido como WiMAX), algo nele ainda é novo e original. Normalmente essas palavras vêm acompanhadas de uma imagem como esta, disponível no site da Wi-Fi Alliance:
Como fiz uma reserva desde o início, dentro dos limites de um artigo legível poderemos considerar apenas um destes pontos-chave, ou melhor, nenhum dos mostrados na imagem (que surpresa!). Tenho certeza de que você já leu um milhão de descrições rápidas de cada um desses oito elementos-chave, mas continuarei minha tediosamente longa história sobre o que se segue do OFDMA - controle de acesso a múltiplas mídias (controle de acesso MU), que, como vemos, não recebi o infográfico. Mas é completamente em vão!
O acesso múltiplo é algo sem o qual dividir um canal em subportadoras não faz sentido algum. Por que tentar olhar para diferentes partes do espectro se não existe nenhum mecanismo que possa forçar os clientes da nova rede Wi-Fi 6 a quebrar uma das regras até então inabaláveis e começar a falar ao mesmo tempo? E, claro, tal mecanismo simplesmente tinha que aparecer - e reduzir o impacto do problema “longo” em comparação com dados de informação proprietários. Como? Sim, é muito simples: deixemos que a parte “lenta” do serviço seja enviada da mesma forma que antes, mas enviaremos a parte “rápida”, na qual os dados são enviados diretamente, simultaneamente, de vários (ou para vários) dispositivos mediante comando! Parece algo assim:
Parece complicado, mas em essência é bastante fácil de explicar: o ponto de acesso, usando um quadro especial que é compreensível para todos os dispositivos (nem mesmo Wi-Fi 6!), informa que está pronto para transmitir dados simultaneamente para STA1 e STA2. Como o “cabeçalho” deste quadro é completamente compreensível mesmo para clientes muito, muito antigos, eles chegam à conclusão correta de que as ondas estarão ocupadas por um certo tempo transmitindo informações para outros clientes da rede, e começam a contar o tempo até o final deste período (na verdade, como sempre em Wi-Fi). Mas os dispositivos STA1 e STA2 entendem que agora os dados serão transmitidos para eles de uma nova forma, simultaneamente, cada um em seu próprio pedaço do canal, e eles respondem ao ponto de acesso ao mesmo tempo, e então também confirmam de forma síncrona a recepção de o quadro (cada um com sua própria porção de dados!) e o ambiente é liberado novamente. “Bottom-up” funciona da mesma maneira:
A principal e mais marcante diferença é que o ponto de acesso nesta situação informa às estações que podem falar ao mesmo tempo quando iniciar a transmissão, utilizando um quadro especial denominado Trigger. Este é, de facto, um novo “gatilho” de todo o mecanismo de múltiplos acessos simultâneos ao meio, o que é, na minha humilde opinião, uma das mais importantes inovações “sob o capô” do novo padrão. É nele que os clientes recebem um “agendamento” de como dividir um canal de frequência entre si; é aqui que os clientes informam simultaneamente ao ponto de acesso que receberam suas porções de dados e foram capazes de analisá-los. Nele, o ponto de acesso avisa a todos que podem “falar” ao mesmo tempo sobre o início da transmissão de dados - nele, o ponto de acesso passa a enviar-lhe os dados necessários. O novo mecanismo Trigger frame, de fato, permite reduzir o uso irracional do tempo de antena - e de forma tão eficaz quanto muitos clientes podem usá-lo e percebê-lo corretamente!
Agora vamos formular as principais teses que decorrem de toda esta longa história e qualificar para TL;DR:
- Os pontos de acesso do novo padrão 802.11ax, mesmo contando com apenas uma das muitas inovações, começarão a aumentar o throughput total de toda a rede já a partir de segundo dispositivo cliente compatível! Assim que houver pelo menos dois clientes que possam conversar ao mesmo tempo, então, todas as outras coisas sendo iguais (não tenho razão para supor que os drivers para módulos de rádio cliente serão escritos melhor do que antes, o que significa que a agregação de partes “úteis” dos frames e muitas outras funções dependentes do cliente ainda não funcionarão “em média em um zoológico”), JÁ aumentarão o rendimento médio. Portanto, se você está pensando em uma nova rede Wi-Fi, faz sentido considerar imediatamente os melhores e mais novos pontos de acesso, pois mesmo que ainda haja poucos clientes para eles, a situação não permanecerá assim por muito tempo.
- Todos os truques e truques que hoje estão no arsenal de um bom engenheiro sem fio permanecerão relevantes por muito tempo - embora o mecanismo de acesso ao meio tenha sido atualizado, violando os princípios fundamentais que duraram mais de 20 anos, ele ainda mantém compatibilidade em primeiro plano. Você ainda precisa cortar taxas de gerenciamento “lentas” (e ainda precisa entender por que e quando), ainda precisa planejar a camada física corretamente, porque nenhum mecanismo no nível do enlace de dados funcionará se houver problemas no nível físico. nível. Acabou de surgir a oportunidade de fazer melhor ainda.
- Quase todas as decisões no Wi-Fi 6 são tomadas pelo ponto de acesso. Como podemos ver, ele controla o acesso dos clientes ao ambiente agrupando os dispositivos em “períodos” de operação simultânea. Indo um pouco mais para o lado, o trabalho do TWT também fica inteiramente a cargo do ponto de acesso. Agora o AP deve não apenas “transmitir a rede” e armazenar o tráfego em filas, mas também manter registros de todos os clientes, planejando como combiná-los de forma mais lucrativa com base em suas necessidades de largura de banda e tráfego, suas baterias e muito, muito mais. — Eu chamo esse processo de “orquestração”. Os algoritmos pelos quais o ponto de acesso tomará todas essas decisões não são regulamentados, o que significa que a real qualidade e abordagem estrutural dos fabricantes se manifestarão justamente no desenvolvimento de algoritmos de orquestração. Quanto mais precisamente os pontos preverem as necessidades dos clientes, melhor e mais uniformemente eles serão capazes de combiná-los em vários grupos de acesso - portanto, mais racionalmente serão utilizados os recursos de tempo de antena e maior será o rendimento final de tal ponto de acesso vai ser. O algoritmo é a última fronteira!
- A transição do Wi-Fi 5 para o Wi-Fi 6 é tão revolucionária em natureza e importância quanto a transição do 802.11g para o 802.11n. Depois obtivemos multi-threading e agregação de “carga útil” - agora temos acesso simultâneo ao meio e finalmente funcionamos MU-MIMO e Beamforming (em primeiro lugar, como sabemos, são quase a mesma coisa; em segundo lugar, a discussão “por que MU- MIMO foi inventado em 802.11ac, mas não pôde funcionar” é o tópico de um longo artigo separado :) Tanto o 802.11n quanto o Wi-Fi 6 operam em ambas as bandas (2,4 GHz e 5 GHz), ao contrário de seus antecessores “intermediários” – na verdade, “seis são os novos quatro”!
Um pouco sobre as origens deste artigo
O artigo foi escrito para um concurso realizado pela Huawei (publicado originalmente ). Ao escrevê-lo, confiei em grande parte no meu próprio relatório na conferência “Bezprovodov”, que foi realizada em 2019 em São Petersburgo (você pode assistir à gravação do discurso , apenas tenha em mente - o som ali, falando francamente, não é ótimo, apesar da origem do vídeo em São Petersburgo!).
Fonte: habr.com