Salut.
Dacă credem în teoria simplității lui Einstein, principalul indicator al înțelegerii unui subiect este capacitatea de a-l explica cât mai simplu. Așadar, în această postare, voi încerca să explic cât mai simplu și detaliat funcționarea unei singure părți din noul standard, care dintr-un motiv oarecare chiar și Wi-Fi Alliance consideră că nu merită menționată în infografia despre noile posibilități ale Wi-Fi 6. Cu toate acestea, așa cum vom constata împreună în curând, aceasta este foarte importantă și remarcabilă. Nu totul este suficient de profund și, cu siguranță, nu este cuprinzător (deoarece este dificil să mănânci un astfel de elefant chiar și pe bucăți), dar sper că din cuvintele mele vom învăța ceva nou și interesant pentru fiecare dintre noi.
Acest 802.11ax pe care îl așteptăm de zile în șir, deja de cel puțin doi ani, aduce cu sine o mulțime de noutăți și surprize. Fiecare dintre cei care vor să vorbească despre el se confruntă întotdeauna cu o alegere: fie să facă o prezentare generală, menționând o mulțime de acronime și abrevieri, încercând să nu se împotmolească în mecanismele complicate ale fiecăruia dintre ele, fie să ofere un raport detaliat despre ceva anume, cel mai plăcut autorului. Voi risca să merg și mai departe: o mare parte din notițele mele nu va fi chiar despre nou!
Deci, de peste douăzeci de ani, o parte din rețelele wireless de transfer de date sunt construite pe baza mulțimii de standarde din familia 802.11, și, ca orice prezentator respectabil, ar trebui să reconstituiesc puțin cronologia întregii serii de evenimente care a adus lumii miliarde de dispozitive compatibile între ele. Cu toate acestea, ca autor care respectă cititorul, voi risca totuși să nu fac asta. Cu toate acestea, ar trebui să ne reamintim câteva lucruri.
Toate iterațiile Wi-Fi au pus accent pe fiabilitate, dar nu pe maximizarea capacității de transmisie. Acest lucru se datorează mecanismului de acces la mediu (CSMA/CA), nu cel mai optim din punct de vedere al extragerii celor mai recente kilobit pe secundă din mediu (detalii despre imperfecțiunile lumii în general și a Wi-Fi-ului în special pot fi citite în articolul fostului meu coleg. ), dar incredibil de rezistent în practic orice condiții. De fapt, se pot încălca practic toate principiile proiectării rețelelor Wi-Fi — și într-o astfel de rețea tot va avea loc transferul de date! Mecanismul prin care clienții rețelei Wi-Fi au posibilitatea de a transmite și/sau de a primi porțiile lor de date este concentrat pe ceea ce în limba engleză se numește cu un termen greu de tradus, robustness. Întreaga structură acoperită de suplimentele de modulație, agregarea cadrelor de date (nu exact așa, dar să fie!) continuă să funcționeze și după cele două principii de bază 802.11, care asigură această fiabilitate incomparabilă:
- “Cât timp vorbește unul — ceilalți tac”;
- “Tot ce nu e date, se spune încet și clar”.
Al doilea punct cauzează o daune mult mai mari lățimii de bandă a rețelei decât s-ar putea părea la prima vedere. Iată o imagine interesantă care ilustrează un pachet de date trimis prin rețeaua Wi-Fi:
Hai să vedem ce înseamnă aceasta pentru oamenii obișnuiți, care nu știu câte pagini conține standardul 802.11-2016. Viteza de transfer a datelor pe care sistemul o scrie în proprietățile rețelei wireless și pe care marketerii oricărui producător o ilustrează pe cutiile punctelor de acces (ei bine, cu siguranță ați văzut — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), nu este doar vârful și maximul în condițiile unei utilizări de 100% a timpului de transfer, ci este și viteza la care va fi trimisă doar partea albastră din acest grafic frumos. Tot ce rămâne va fi transmis la o viteză, care în engleză se numește management rate (și în rusă la fel, deoarece traducerea unor astfel de expresii riscă să ducă la o neînțelegere ulterioară între ingineri), și care este mai mică nu doar de câteva ori, ci de SUTE de ori. De exemplu, fără niciun fel de setări suplimentare, o rețea pe 802.11ac, care poate funcționa cu clienții la o viteză de canal de 1300 Mb/s, transmite toată informația de serviciu (tot ce nu e albastru în graficul nostru din ce în ce mai înfricoșător) la management rate de 6 Mb/s. De mai mult de două sute de ori mai lent!
Întrebare logică – din ce dată, scuzati-mă, a avut o astfel de idee dăunătoare posibila să ajungă în standardul pe care milioane de dispozitive din întreaga lume îl folosesc? Răspunsul logic – compatibilitate, compatibilitate, compatibilitate! Rețeaua la cel mai nou punct de acces trebuie să asigure funcționarea dispozitivelor care au până la zece sau chiar cincisprezece ani, iar exact în aceste „bucăți non-albastre” circulă informația pe care dispozitivele mai vechi o vor auzi, o vor înțelege corect și nu vor încerca să transmită datele lor în timpul tranșelor de date ultra-rapide. Robusteză necesită sacrificii!
Acum sunt pregătit să ofer oricui interesat un instrument indispensabil pentru a fi șocat de megabiții transmiși fără sens în Wi-Fi-ul modern – acesta a devenit deja esențial de studiat în cercurile inginerești implicate. Calculatorul de timp WiFi AirTime scris de entuziastul norvegian al standardului 802.11, Gjermund Raaen. Acesta este disponibil la — rezultatul muncii sale arată cam așa:
Linia 1 – timpul necesar pentru a transmite un pachet de date de 1512 octeți utilizând un dispozitiv 802.11n pe o lățime de bandă de 20 MHz.
Linia 2 – timpul necesar pentru a transmite același pachet utilizând un dispozitiv cu aceeași formulă de antenă, dar care operează conform standardului 802.11ac pe o lățime de bandă de 80 MHz.
Cum se face asta – „a fost afectată” de patru ori mai mult spectrul, modularea maximă s-a complicat de la 64QAM la 256QAM, iar viteza canalului este mai mare cu ȘASE ori (433 Mb/s în loc de 72 Mb/s), iar câștigurile nu depășesc 25% din timpul ocupat al spectrului?
Compatibilitate și cele două principii 802.11, amintiți-vă?
Bine, cum putem să corectăm această nedreptate și risipă – ne vom întreba, așa cum s-au întrebat probabil toate grupurile de lucru IEEE atunci când au început să dezvolte standardul? Ne vin în minte câteva căi logice:
- Accelerarea transmisiei datelor în „bucata verde” a graficului. Acest lucru se face la fiecare ieșire a unui standard, deoarece numerele mari arată frumos pe ambalaje. În practică, așa cum am observat, aduce un câștig final – chiar dacă vom accelera viteza canalului la sute de miliarde de gigabiți pe nanosecundă, celelalte părți ale graficului nu vor dispărea. De aceea, recomand în toate poveștile despre toate noile standarde 802.11 să omitem paragrafele în care sunt menționate megabiții pe secundă.
- Accelerarea tuturor celorlalte părți ale graficului. De fapt, dacă cel puțin ne dublăm viteza cu care se transmite tot ce este 'non-verde' (sau 'non-albastru', dacă încă te uiți la imaginea anterioară), vom obține cu puțin mai puțin de 50% creștere efectivă a lățimii de bandă reale — adevărat, dar cu pierderi de compatibilitate cu dispozitivele și cu o serie de nuanțe despre care vei afla atunci când te pregătești pentru examenul pentru mândrul titlu de CWNA 🙂 Spoiler: nu întotdeauna va reuși, este bine să reflectezi serios și să înțelegi la ce va conduce. De fapt, aceasta încalcă unul dintre cele două principii 802.11, așa că trebuie să fii foarte atent!
- Îmbinarea mai multor cadre de acest fel cu părți verzi împreună. Cu cât partea verde este mai lungă, cu atât mai eficient funcționează creșterea vitezei canalului. Da, este o strategie funcțională, apărută încă în 802.11n și fiind unul dintre pilonii revoluției sale. Problema este că, pe de o parte, o serie de aplicații nu-i pasă de o astfel de agregare (de exemplu, notorietatea Voice over Wi-Fi), iar pe de altă parte, multe dispozitive, de asemenea, ignoră acest lucru (odată am decis să prind câteva cadre agregate pe o rețea reală a companiei în care lucrez, dar din >500k de cadre „capturate”, exact zero au fost agregate. Cel mai probabil, problema este în metodologia mea de colectare a datelor, dar sunt dispus să discut despre aceasta cu oricine este interesat într-o discuție privată!).
- Încălcarea primului din cele două principii 802.11, începând să vorbești când vorbește și altcineva. Și aici, de fapt, intervine 802.11ax.
E atât de bine să ajung în sfârșit în povestea mea despre Wi-Fi 6 la adevăratul Wi-Fi 6! Dacă încă citești asta, atunci fie ești obligat să o faci dintr-un anumit motiv, fie ești cu adevărat interesat. Așadar, deși 802.11ax moștenește o mare parte din munca anterioară a întregii familii 802.11 (și nu doar, de fapt — câteva lucruri interesante au apărut chiar în 802.16, cunoscut și sub numele de WiMAX), totuși, există lucruri în el care sunt proaspete și originale. De obicei, pe aceste cuvinte se lipește o imagine de acest fel, disponibilă pe site-ul Wi-Fi Alliance:
Așa cum am menționat de la început, în cadrul unui articol ușor de citit, putem examina doar unul dintre aceste puncte cheie, mai exact, niciunul dintre cele prezentate în imagine (surpriză!). Sunt sigur că ați citit deja milioane de descrieri superficiale ale fiecărui dintre cele opt elemente cheie, eu voi continua povestea mea lungă despre ceea ce derivă din OFDMA – despre controlul de acces multiplu la mediu (MU-access control), care, după cum vedem, nu a fost inclus în infografie. Și este un lucru complet regretabil!
Accesul multiplu este ceea ce face posibilă divizarea canalului în subporti. De ce să încercăm să analizăm diferite porțiuni ale spectrului, dacă nu există un mecanism capabil să forțeze clienții noului rețea Wi-Fi 6 să încalce una dintre regulile neschimbate și să înceapă să comunice simultan? Și, desigur, un astfel de mecanism trebuia să apară – și să reducă impactul problemei „întârziate” în comparație cu datele informațiilor de control. Cum? Foarte simplu: partea „încet” a informației control se transmite la fel ca înainte, iar partea „rapidă”, în care circulă datele, va fi trimisă simultan de la mai multe (sau de la mai multe) dispozitive la comandă! Arată cam așa:
Pare complicat, dar în esență este destul de ușor de explicat: punctul de acces, prin intermediul unui cadru special, înțeles de toate (chiar și de dispozitivele care nu sunt Wi-Fi 6!) comunică că este pregătit să transmită date simultan către STA1 și STA2. Deoarece „antetul” acestui cadru este complet clar chiar și pentru clienții foarte vechi, aceștia deduc corect că banda va fi ocupată pentru o anumită perioadă de timp cu transmiterea informațiilor către alți clienți ai rețelei, și încep să numere timpul până la sfârșitul acestei perioade (după cum face întotdeauna în Wi-Fi). Dispozitivele STA1 și STA2 înțeleg că acum vor primi datele într-un mod nou, simultan, fiecare pe porțiunea sa de canal, și răspund punctului de acces de asemenea simultan, apoi confirmă la fel de sincronizat primirea cadrului (fiecare cu porția sa de date!), și mediu se eliberează din nou. „De jos în sus” funcționează aproximativ în același mod:
Diferența principală și evidentă este că punctul de acces, în această situație, îi informează pe stațiile capabile să comunice simultan când să înceapă transferul, folosind un cadru special numit Trigger. Acesta este, în esență, un nou "declanșator" pentru întregul mecanism de acces multiplu simultan la mediu, care este, în opinia mea umilă, una dintre cele mai importante inovații "sub capotă" ale noului standard. Aici, clienții primesc un "program" despre cum să împartă un canal de frecvență; aici, clienții informează simultan punctul de acces că au primit porțiile lor de date și au reușit să le decodeze. În acest mecanism, punctul de acces anunță pe toți cei care pot "vorbi" simultan despre începutul transferului de date — tot în acest cadru punctul de acces și pornește trimiterea datelor solicitate. Noul mecanism Trigger frame, în esență, permite reducerea utilizării ineficiente a spectrului — și atât de eficient, cât de mulți clienți pot folosi acest mecanism și percepe corect!
Și acum, să formulăm principalele teze care decurg din toată această poveste lungă și care se pretind a fi TL;DR:
- Punctele de acces ale noului standard 802.11ax, chiar și bazându-se doar pe una dintre numeroasele inovații, vor începe să crească capacitatea totală a întregii rețele încă de la a doua un dispozitiv client compatibil! Când vor exista deja cel puțin două clienți capabili să comunice simultan, atunci, în rest, (nu am niciun motiv să presupun că driverele pentru modulele radio ale clienților vor fi scrise mai bine decât înainte, ceea ce înseamnă că agregarea părților "utilizabile" ale cadrelor și multe alte funcții dependente de client vor continua să funcționeze în mod mediu acceptabil) aceștia vor CREȘTE deja capacitatea medie de transfer. Așa că, dacă te gândești la o nouă rețea Wi-Fi — merită să iei în considerare cele mai noi și mai bune puncte de acces, deoarece chiar dacă acum există puțini clienți pentru ele — situația nu va rămâne așa mult timp.
- Toate trucurile și tehnicile pe care un bun inginer wireless le are astăzi în arsenalul său vor rămâne relevante mult timp de acum înainte – mecanismul de acces la mediu s-a actualizat, încălcând principiile fundamentale care au rezistat timp de mai bine de 20 de ani, dar păstrează în continuare compatibilitatea pe primul loc. În continuare, trebuie să se elimine ratele de management „slow” (încă trebuie să înțelegem de ce și când), și trebuie să planificăm corect nivelul fizic, pentru că niciun mecanism la nivel de canal nu va funcționa dacă există probleme la nivel fizic. A apărut acum oportunitatea de a face și mai bine.
- Aproape toate deciziile în Wi-Fi 6 sunt luate de punctul de acces. Așa cum vedem, acesta gestionează accesul clienților la mediu, reunind împreună dispozitivele în „perioade” de funcționare simultană. Mergând puțin mai departe – funcționarea TWT este, de asemenea, complet în sarcina punctului de acces. Acum, AP trebuie să nu doar „emite rețeaua” și să stocheze traficul în cozi, ci să țină și evidența tuturor clienților, planificând cum să îi grupeze cel mai eficient unul cu celălalt în funcție de capacitățile lor de transfer și necesitățile de trafic, bateriile lor și multe altele – eu numesc acest proces „orchestrare”. Algoritmii după care punctul de acces va lua toate aceste decizii nu sunt reglementați, ceea ce înseamnă că adevărata calitate și abordarea structurată a producătorilor se va manifesta în dezvoltarea algoritmilor de orchestrare. Cu cât punctele sunt mai precise în prognoza necesităților clienților, cu atât mai bine și mai uniform vor putea să îi grupeze în grupuri de acces multiplu – prin urmare, resursele eterului vor fi utilizate mai rațional și capacitatea finală a unui astfel de punct de acces va fi mai mare. Algoritmul este ultima frontieră!
- Trecerea de la Wi-Fi 5 la Wi-Fi 6 este, prin esența și importanța sa, la fel de revoluționară precum trecerea de la 802.11g la 802.11n. Atunci, am obținut multipath și agregarea „încărcăturii utile” — acum avem acces simultan la mediu și în sfârșit funcționale MU-MIMO și Beamforming (pe de o parte, așa cum știm, acestea sunt aproape identice; pe de altă parte, discuția „de ce MU-MIMO a fost inventat în 802.11ac, dar nu a putut fi făcut să funcționeze” este un subiect pentru un alt articol mare 🙂). Atât 802.11n, cât și Wi-Fi 6 funcționează în ambele benzi (2,4 GHz și 5 GHz), spre deosebire de predecesorii lor „intermediari” — cu adevărat, „șase este noul patru”!
Puțin despre originile acestui articol
Articolul a fost scris pentru un concurs organizat de compania Huawei (a fost publicat inițial ). În mare parte, m-am bazat pe propria mea prezentare de la conferința „Fără Fir”, care a avut loc în 2019 la Sankt Petersburg (înregistrarea prezentării poate fi vizionată , dar fiți conștienți — sunetul de acolo, să zicem așa, nu este grozav, în ciuda originii pietrogrădate a videoclipului!).
Sursa: habr.com
