Ahoj.
Ak veríme v Einsteinovu teóriu jednoduchosti, kde je hlavným ukazovateľom porozumenia schopnosť čo najjednoduchšie to vysvetliť, aj v tomto príspevku sa pokúsim čo najjednoduchšie a podrobne vysvetliť fungovanie len jednej súčiastky nového štandardu, ktorú z nejakého dôvodu dokonca Wi-Fi Alliance považuje za nezaslúžiacu si zmienku v infografike o nových možnostiach Wi-Fi 6, hoci, ako sa čoskoro presvedčíme, je veľmi dôležitá a zaujímavá. Tu nie je všetko dostatočne hlboké a určite nie je všetkoobsahujúce (pretože takého slona je ťažké jesť aj po častiach), ale dúfam, že každý z nás si z mojich slovných cvičení odnesie niečo nové a zaujímavé.
Ten 802.11ax, ktorý očakávame zo dňa na deň, minimálne už druhý rok, nesie so sebou množstvo nového a prekvapujúceho. Pred každým, kto chce o ňom niečo povedať, vždy stojí voľba: buď usporiadať prehľadové skoky po hlavách, spomínajúc vedro skratiek a skratkových pojmov, snažiac sa nezapadnúť do zložitých mechanizmov v pozadí každého z nich, alebo zabalí hodinovú prezentáciu o niečom jednom, najpríjemnejšom autorovi. Nebojím sa ísť ešte ďalej: väčšia časť mojej poznámky bude venovaná dokonca nielen novému!
Takže, už viac ako dvadsať rokov sa časť bezdrôtových sietí prenosu dát buduje na základnej konštrukcii štandardov z rodiny 802.11 a ako akýkoľvek vážený rečník by som mal trochu obnoviť časovú os celej udalostnej reťaze, ktorá svetu priniesla miliardy navzájom kompatibilných zariadení — ale ako autor, ktorý si váži čitateľa, sa odvážim to predsa len neurobiť. Napriek tomu, niečo by si mali navzájom pripomenúť.
Všetky iterácie Wi-Fi kladli na prvé miesto spoľahlivosť, ale nie maximalizáciu prenosovej kapacity. To vyplýva z mechanizmu prístupu k médiu (CSMA/CA), ktorý nie je z pohľadu vyžmýkania posledných kilobitov za sekundu z prenosového média najoptimálnejší (podrobnejšie o nedokonalosti sveta vo všeobecnosti a Wi-Fi najmä si môžete prečítať v článku môjho bývalého kolegu. ), ale neuveriteľne odolného takmer v akýchkoľvek podmienkach. Naozaj, môžete porušiť takmer všetky základy projektovania Wi-Fi sietí — a aj tak bude v tejto sieti prebiehať výmena údajov! Na zabezpečenie toho, čo sa v anglickom jazyku označuje ako ťažko preložiteľné slovo technokratického zafarbenia, robustness, je zameraný celý mechanizmus, podľa ktorého klienti Wi-Fi siete získavajú možnosť prenášať a/alebo prijímať svoje porcie údajov. Celá vrstva nanesená na zlepšenie modulácií, agregácií rámcov s údajmi (nie úplne tak, ale nech to je!) naďalej funguje už po dvoch základných princípoch 802.11, ktoré zabezpečujú túto bezkonkurenčnú spoľahlivosť:
- „Kým hovorí jeden — ostatní mlčia“;
- „Všetko okrem údajov sa hovorí pomaly a zrozumiteľne“.
Druhý bod spôsobuje sieťovej kapacite oveľa väčšie škody, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Tu je skvelý obrázok, ilustrujúci jeden odoslaný kúsok údajov v sieti Wi-Fi:
Poďme sa pozrieť, čo to znamená pre bežných ľudí, ktorí nevedia, koľko stránok je v štandarde 802.11-2016. Rýchlosť prenosu údajov, ktorú v vlastnostiach bezdrôtovej siete uvádza systém a ktorú na obaloch prístupových bodov vykresľujú marketéri akéhokoľvek výrobcu (no určite ste to už videli — 1,7 Gb/s! 2,4 Gb/s! 9000 Gb/s!), nie je len vrcholná a maximálna pri 100% vyťažení prenosu, ale je aj rýchlosťou, pri ktorej sa bude odosielať iba modrá časť na tomto krásnom grafe. Všetko ostatné sa bude prenášať rýchlosťou, ktorá sa po anglicky nazýva management rate (a po rusky tiež, pretože prekladať takéto výrazy hrozí ďalším neporozumením medzi inžiniermi), a táto rýchlosť je nižšia nielen o niekoľkonásobne, ale o STO násobkov. Napríklad, bez akýchkoľvek dodatočných nastavení sieť na 802.11ac, ktorá môže pracovať s klientmi na kanálovej rýchlosti 1300 Mb/s, prenáša všetky služobné informácie (všetko, čo nie je modré na našom čoraz strašnejšom grafe) na management rate 6 Mb/s. Viac ako dvesto krát pomalšie!
Logická otázka – ktorého, prepáčte, dňa ktorého mesiaca sa taká škodlivá myšlienka mohla vôbec dostať do štandardu, podľa ktorého dnes pracujú miliardy zariadení na celom svete? Logická odpoveď – kompatibilita, kompatibilita, kompatibilita! Sieť na najnovšom prístupovom bode by mala zabezpečiť možnosť práce pre zariadenia staré desať alebo dokonca pätnásť rokov, a práve vo všetkých týchto "ne-modrých" kúskoch sa prenáša informácia, ktorú pomalšie staré zariadenia prijmú, správne pochopia a nebudú sa pokúšať počas superrýchlych dátových prenosov odosielať svoje. Robustnosť si vyžaduje obete!
Teraz som pripravený poskytnúť každému zainteresovanému neoceniteľný nástroj na to, aby sa ohromene strácal v súčasnom Wi-Fi potenciálne prenášaných megabitov – to je už nevyhnutné na štúdium v príslušných inžinierskych kruhoch. WiFi AirTime Calculator autorstvom nórskeho nadšenca 802.11 Gjermunda Raaena. Je dostupný na – výsledok jeho práce vyzerá približne takto:
Riadok 1 – čas potrebný na odoslanie paketu údajov s dĺžkou 1512 bajtov zariadením 802.11n v šírke kanála 20 MHz.
Riadok 2 – čas potrebný na odoslanie rovnakého paketu zariadením so shodnou anténou, ale pracujúcim už podľa štandardu 802.11ac v kanáli s šírkou 80 MHz.
Ako je to možné – "pokazené" o štyrikrát viac priestoru, maximálna modulácia sa skomplikovala z 64QAM na 256QAM, kanálová rýchlosť je vyššia o ŠESŤ krát (433 Mb/s namiesto 72 Mb/s), a vyhralo sa maximálne 25% času obsadenia priestoru?
Kompatibilita a dva princípy 802.11, pamätáte si?
Dobre, ako môžeme opraviť takú nespravodlivosť a plytvanie – opýtame sa, ako si to zrejme kládli všetky pracovné skupiny IEEE, ktoré sa pustili do tvorby štandardu? Prichádza niekoľko logických ciest:
- Urýchliť prenos dát v "zelenom" kúsku grafu. To sa deje pri každom vydaní štandardu, pretože veľké čísla pekne vyzerajú na krabiciach. V praxi, ako sme si práve všimli, dáva konečný nárast – aj keby sme urýchlili rýchlosť kanála na sto tisíc miliónov gigabít za nanosekundu, všetky ostatné časti grafu nikam nezmiznú. Preto odporúčam v všetkých rozprávaniach o všetkých nových štandardoch 802.11 vynechať odseky, kde sa spomínajú megabity za sekundu.
- Zrýchlite všetky ostatné časti diagramu. Naozaj, ak aspoň zdvojnásobíme rýchlosť, ktorou sa prenáša všetko 'nezelené' (alebo 'nesivé', ak sa stále pozeráte na predchádzajúci obrázok), získame niečo menej ako 50% nárast skutočnej priepustnosti — pravda, za cenu straty kompatibility s zariadeniami a ďalšími aspektmi, o ktorých sa dozviete, keď sa budete pripravovať na skúšku na hrdý titul CWNA 🙂 Spoiler: nemusí sa vám to vždy podariť, a silno zvážte, kam to povedie. V skutočnosti to porušuje jeden z dvoch princípov 802.11, takže s tým treba byť veľmi opatrný!
- Slepiť dokopy niekoľko takýchto rámcov so zelenými časťami. Čím dlhšia je zelená časť, tým efektívnejšie funguje zvýšenie kanálovej rýchlosti. Áno, je to celkom funkčná stratégia, ktorá sa objavila už v 802.11n a je jedným z niekoľkých základných kameňov jej revolučnosti. Problém je v tom, že, po prvé, množstvo aplikácií má na takúto agregáciu čistej starosti (napríklad ten krvilačný Voice over Wi-Fi), po druhé, množstvo zariadení na ňu tiež kašle (raz som sa pokúsil zachytiť aspoň niekoľko suchých agregovaných rámcov v skutočnej sieti spoločnosti, v ktorej pracujem, ale medzi >500k 'zachytenými' snímkami boli agregované presne nula. Pravdepodobne je problém v mojej metodológii zbierania dát, ale rád by som ju prediskutoval s každým, kto má záujem, niekde v osobnej diskusii!).
- Porušiť a prvý z dvoch princípov 802.11, začať hovoriť, keď hovorí niekto iný. A tu prichádza na pomoc 802.11ax.
Ako skvelé, konečne som vo svojom rozprávaní o Wi-Fi 6 dospel k samotnému Wi-Fi 6! Ak to stále čítate, buď to musíte robiť z nejakého dôvodu, alebo vás to naozaj zaujíma. Tak, aj keď 802.11ax dedí obrovskú časť predchádzajúcej práce celého rodiny 802.11 (a nielen, mimochodom — niektoré skvelé veci sa objavili vôbec v 802.16, známy ako WiMAX), niečo v ňom predsa len je čerstvé a originálne. Obvykle na týchto slovách vznikne takýto obrázok, dostupný na stránke Wi-Fi Alliance:
Ako som na začiatku spomenul, v rámci jedného prehľadného článku môžeme rozoberať len jeden z týchto kľúčových bodov, a to konkrétne ani jeden z tých, ktoré sú znázornené na obrázku (prekvapenie!). Som si istý, že ste už čítali milión rýchlych opisov každého z týchto ôsmich kľúčových prvkov, ja však budem pokračovať vo svojom zdĺhavom rozprávaní o tom, čo vyplýva z OFDMA – o viacerých prístupe k médiu (MU-access control), ktorý, ako vidíme, sa na infografike vôbec neobjavil. A to je naozaj škoda!
Viacerý prístup je to, bez čoho by delenie kanála na podnosníky vôbec stratilo zmysel. Prečo sa snažiť preskúmať rôzne kúsky spektra, ak neexistuje mechanizmus, ktorý by donútil klientov novej siete Wi-Fi 6 porušiť jedno z doteraz nemenných pravidiel a začať hovoriť súčasne? A samozrejme, taký mechanizmus sa nemohol vyhnúť vzniku – a znížiť vplyv problému "dlhej" na rozdiel od údajov riadiacej informácie. Ako? Veľmi jednoducho: nech „pomalá“ servisná časť je distribuovaná rovnako ako predtým, ale „rýchlu“ časť, v ktorej idú samotné údaje, pošleme súčasne z niekoľkých (alebo na niekoľko) zariadení na pokyn! Vyzerá to približne takto:
Na pohľad to môže vyzerať zložito, no v podstate je to dosť ľahko vysvetliteľné: prístupový bod pomocou špeciálneho rámca, ktorý je zrozumiteľný pre všetky (aj nie Wi-Fi 6!) zariadenia, oznamuje, že je pripravený prenášať údaje súčasne pre STA1 a STA2. Keďže "hlavička" tohto rámca je úplne jasná aj pre veľmi starých klientov, robia správny záver, že éter bude obsadený počas určitého času prenosom informácií iným klientom siete, a začnú odpočítavať čas do konca tohto obdobia (vlastne, ako to robili vždy v Wi-Fi). Zariadenia STA1 a STA2 však rozumejú, že teraz im budú údaje prenášané už novým spôsobom, naraz, každému na svojom kúsku kanála, a odpovedajú prístupovému bodu tiež naraz, pričom rovnako synchronne potvrdzujú prijatie rámca (každý so svojou porciou údajov!), a médium je znovu uvoľnené. "Zospodu nahor" funguje to približne takto:
Hlavný a nápadný rozdiel — prístupový bod, ktorý v tejto situácii informuje stanice schopné komunikovať súčasne, kedy začať prenos, pomocou špeciálneho rámca, ktorý sa nazýva — Trigger. Toto je v podstate nový „spúšťač“ celého mechanizmu viacnásobného súčasného prístupu k prostrediu, ktorý považujem za jednu z najdôležitejších inovácií „pod kapotou“ nového štandardu. Práve v ňom klienti dostávajú „rozvrh“, ako si rozdelia jeden frekvenčný kanál; práve v ňom klienti súčasne informujú prístupový bod, že dostali svoje dávky údajov a dokázali ich spracovať. V ňom prístupový bod informuje všetkých, ktorí môžu „hovoriť“ súčasne, o začiatku prenosu údajov — v ňom prístupový bod tiež spúšťa odoslanie požadovaných údajov. Nový mechanizmus Trigger frame v podstate umožňuje znížiť nezmyselné využívanie obsadenosti spektra — a to tak efektívne, ako veľa klientov môže tento mechanizmus používať a správne ho prijímať!
A teraz formulujeme hlavné tézy, ktoré vyplývajú z tohoto dlhého rozprávania a majú ambície na TL;DR:
- Prístupové body nového štandardu 802.11ax, aj keď sú založené len na jednej z mnohých noviniek, začnú zvyšovať celkovú priepustnosť celej siete už so mal prístup pomocou prihlasovacích údajov a hesla. kompatibilným klientským zariadením! Hneď ako sa objavia aspoň dvaja klienti, ktorí dokážu hovoriť súčasne, tak pri rovnakých podmienkach (nemám žiadny dôvod predpokladať, že ovládače pre klientské rádiové moduly budú lepšie ako predtým, a teda, že agregácia „užitočných“ častí rámcov, ako aj mnohé iné klientsky závislé funkcie budú naďalej „v priemere po zoo“ fungovať nie celkom ideálne) už zvýšia priemernú priepustnosť. Takže ak uvažujete o novej sieti Wi-Fi — má zmysel hneď zvážiť najnovšie a najlepšie prístupové body, pretože aj keď teraz pre ne je ešte málo klientov — situácia tak dlho nevydrží.
- Všetky triky a finty, ktoré má dnes naša pohotová bezdrôtová inžinierka, ešte dlhé roky ostanú aktuálne — prístupový mechanizmus sa síce prekvapivo posunul, porušujúc viac ako 20 rokov platné základné princípy, ale stále kladie dôraz na kompatibilitu. Naďalej je potrebné vylúčiť "pomalé" management rates (a stále je potrebné chápať, prečo a kedy), naďalej je potrebné správne plánovať fyzickú vrstvu, pretože žiaden mechanizmus na úrovni kanála nezafunguje, ak budú problémy na fyzickej úrovni. Práve sa objavila možnosť robiť ešte lepšie.
- Takmer všetky rozhodnutia vo Wi-Fi 6 prijíma prístupový bod. Ako vidíme, spravuje prístup klientov k prostrediu tým, že spája zariadenia do "období" súčasnej prevádzky. Ak sa na chvíľu odkloníme — fungovanie TWT má tiež plne na pleciach prístupový bod. Teraz musí AP nielen "vysielať sieť" a uchovávať prevádzku v frontoch, ale aj sledovať všetkých klientov, plánujúc, ako ich najefektívnejšie spojiť na základe ich priepustností a požiadaviek na prevádzku, ich batérií a mnoho ďalších faktorov — nazývam tento proces "orchestráciou". Algoritmy, podľa ktorých prístupový bod urobí všetky tieto rozhodnutia, nie sú regulované, a teda skutočná kvalita a štrukturálny prístup výrobcov sa ukáže presne pri vývoji algoritmov orchestrácie. Čím presnejšie prístupové body predpovedajú potreby klientov, tým lepšie a rovnomernejšie ich dokážu organizovať do skupín viacnásobného prístupu — a teda, tým efektívnejšie budú využívať zdroje éteru a vyššia bude konečná priepustnosť takého prístupového bodu. Algoritmus — posledná hranica!
- Prechod z Wi-Fi 5 na Wi-Fi 6 je svojou podstatou a významom revolučný rovnako ako prechod z 802.11g na 802.11n. Vtedy sme získali viacero tokov a agregáciu „užitočného zaťaženia“ — teraz získavame súčasný prístup k prostrediu a konečne fungujúce MU-MIMO a Beamforming (po prvé, ako vieme, to sú takmer to isté; po druhé, diskusia o tom, „prečo MU-MIMO v 802.11ac vymysleli, ale nedokázali ho spustiť“ — to je téma pre samostatný veľký článok 🙂 ). Obe, 802.11n a Wi-Fi 6, fungujú v oboch pásmach (2,4 GHz a 5 GHz), na rozdiel od „medzi-času“ predchodcov — naozaj, „šesť je nová štyri“!
Niečo o pôvode tohto článku
Článok bol napísaný pre súťaž, ktorú usporiadala spoločnosť Huawei (pôvodne bol zverejnený ). V mnohom som sa pri jeho písaní opieral o svoju vlastnú prezentáciu na konferencii „Bezdrôtový svet“, ktorá sa konala v roku 2019 v Petrohrade (záznam vystúpenia si môžete pozrieť , len majte na pamäti — zvuk je tam, povedzme, nie je najlepší, napriek petrohradskej povahy videa!).
Zdroj: habr.com
