Привіт.
Якщо вірити теорії простоти Ейнштейна, головний показник розуміння предмета - це здатність максимально просто його пояснити, то і в цьому пості я постараюся максимально просто і докладно пояснити дію лише однієї деталі нового стандарту, яку чомусь навіть Wi-Fi Alliance вважає недостойною згадки в Інфографіці про нові можливості Wi-Fi 6, хоча вона, як ми скоро переконаємося разом, дуже важлива і примітна. Тут не все досить глибоко і точно не всеосяжно (бо такого слона складно є навіть по частинах), але я сподіваюся, що ми всі почерпнемо з моїх словесних екзерсисів щось нове і цікаве для себе.
Той самий 802.11ax, який ми чекаємо з дня на день вже мінімум другий рік, несе в собі масу нового і дивовижного. Перед кожним, хто хоче про нього щось розповісти, завжди стоїть вибір: або влаштувати оглядові стрибки по головах, згадуючи відро абревіатур і скорочень, намагаючись не загрузнути в складних механізмах під капотом кожного з них, або загорнути годинну доповідь про щось одне , найбільш приємне автору Я ризикну піти ще далі: більша частина моєї замітки буде присвячена навіть не новому!
Отже, ось уже двадцять з лишком років частина бездротових мереж передачі даних будується по вороху стандартів сімейства 802.11, і, як будь-який доповідач, що поважає себе, я мав би трохи відновити таймлайн всього подійного ланцюжка, який подарував світу мільярди сумісних один з одним пристроїв — але , Як поважаючий читача автор, я ризикну цього все ж таки не робити. Втім, дещо варто було б одне одному нагадати.
Всі ітерації Wi-Fi ставили в основу надійність, але не максимізацію пропускних здібностей. Це випливає з механізму доступу до середовища (CSMA/CA), не найоптимальнішого з точки зору вичавлювання останніх кілобіт за секунду з середовища передачі (докладніше про недосконалість світу в цілому та вайфаю зокрема за бажання можна почитати у статті мого колишнього колеги ), але неймовірно живучого в практично будь-яких умовах. Насправді можна порушити практично всі основи проектування мереж Wi-Fi — і в такій мережі все одно проходитиме обмін даними! На забезпечення того, що в англійській мові називається словом з важко перекладеним флер технократії, robustness, націлений весь механізм, по якому клієнти мережі Wi-Fi отримують можливість передати і/або прийняти свої порції даних. Весь шар намазаних поверхів підвищень модуляцій, агрегації фреймів з даними (не зовсім так, але нехай буде!) продовжує працювати вже після двох основних принципів 802.11, які забезпечують цю неперевершену надійність:
- "Поки говорить один - інші мовчать";
- "Все, крім даних, говориться повільно і виразно".
Другий пункт завдає пропускної спроможності мережі набагато більших збитків, ніж може здатися на перший погляд. Ось класна картинка, що ілюструє один відправлений шматочок даних у мережі Wi-Fi:
Давайте розберемося, що вона означає для звичайних людей, які не знають скільки сторінок у стандарті 802.11-2016. Та швидкість передачі даних, яку у властивостях бездротової мережі пише система і яку на коробках точок доступу малюють маркетологи будь-якого виробника (ну ви ж, напевно, бачили — 1,7 Гб/с! 2,4 Гб/с! 9000 Гб/с!), не тільки є піковою та максимальною при 100% зайнятого передачею часу, але ще й є швидкістю, на якій вирушатиме лише синенька частина на цьому красивому графіку. Все інше пересилатиметься на швидкості, яка англійською називається management rate (і російською теж, тому що перекладати такі вислови загрожує подальшим нерозумінням між інженерами), і яка нижче не просто в рази, а в СОТНІ разів. Наприклад, без будь-яких додаткових налаштувань мережа на 802.11ac, яка може працювати з клієнтами на канальній швидкості 1300 Мб/с, передає всю службову інформацію (все, що не синє на нашому все більш і більш страшному графіку) на management rate 6 Мб/с . У двісті з лишком разів повільніше!
Логічне питання — якого, вибачте, числа якого місяця така шкідницька ідея могла взагалі потрапити до стандарту, яким працюють мільярди пристроїв по всьому світу? Логічна відповідь – сумісність, сумісність, сумісність! Мережа на новітній точці доступу повинна забезпечити можливість роботи для десяти- і навіть п'ятнадцятирічних пристроїв, і саме у всіх цих "не-синіх" шматочках і летить інформація, яку повільні літні девайси почують, правильно зрозуміють і не намагатимуться під час надшвидкісних шматочків даних передавати свої. Robustness вимагає жертв!
Тепер я готовий дати кожному цікавому незамінний інструмент для того, щоб жахнутися потенційним переданим мегабітам, які безцільно губляться в сучасному Wi-Fi — це вже обов'язковий до вивчення в причетних інженерних колах. The WiFi AirTime Calculator за авторством норвезького ентузіаста від 802.11 Gjermund Raaen. Він доступний за — результат його роботи виглядає приблизно так:
Рядок 1 - час, витрачений на передачу пакета даних довжиною 1512 байт пристроєм 802.11n шириною каналу 20 МГц.
Рядок 2 - час, витрачений на передачу такого ж пакета пристроєм з такою ж антеною формулою, але вже працює за стандартом 802.11ac в каналі шириною 80 МГц.
Як же так - "зіпсовано" в чотири рази більше ефіру, максимальна модуляція ускладнилася від 64QAM до 256QAM, канальна швидкість більша в ШІСТЬ разів (433 Мб/с замість 72 Мб/с), а чи виграно від сили 25% часу зайнятості ефіру?
Сумісність та два принципи 802.11, пам'ятаєте?
Добре, як можна виправити таку несправедливість і марнотратство — запитаємо ми себе, як, мабуть, питала себе кожна робоча група IEEE, яка приступала до створення стандарту? На думку спадає кілька логічних шляхів:
- Прискорювати передачу даних у “зеленому” шматочку графіка. Робиться це при виході кожного стандарту, тому що великі числа красиво виглядають на коробках. На практиці, як ми щойно помітили, дає кінцевий приріст — навіть якщо ми прискоримо канальну швидкість до ста тисяч мільйонів гігабіт у наносекунду, решта графіка нікуди не подінеться. Саме тому я рекомендую у всіх оповіданнях про нові стандарти 802.11 пропускати абзаци, де згадуються мегабіти в секунду.
- Прискорювати решту графіка. Справді, якщо ми хоча б подвоїмо швидкість, на якій передається все "не-зелене" (ну, або "не-синє", якщо ви все ще дивитеся на попередню картинку), то ми отримаємо трохи менше 50% приросту реальної пропускної здатності. правда, шляхом втрати сумісності з пристроями та ще рядом нюансів, про які ви дізнаєтесь, коли підете готуватися до іспиту на горде звання CWNA 🙂 Спойлер: робити це вийде не завжди, сильно подумавши і розуміючи, до чого це призведе. Фактично це порушення одного з двох принципів 802.11, так що з ним потрібно бути дуже обережним!
- Зліпити докупи кілька таких ось фреймів зеленими частинами разом. Чим довша зелена частина, тим ефективніше працює збільшення канальної швидкості. Так, це цілком робоча стратегія, що з'явилася ще в 802.11n і є одним із кількох наріжних каменів його революційності. Проблема тільки в тому, що, по-перше, ряд додатків начхати хотів на таку агрегацію (наприклад, той самий кровожерливий Voice over Wi-Fi), по-друге, ряд пристроїв також начхати на неї хотів (якось я вирішив відловити хоча б кілька таких агрегованих кадрів на реальній мережі компанії, в якій я працюю, але за >500к “запікаплених” кадрів агрегованих з них було рівно нуль.Скоріш за все, проблема в моїй методології збору даних, але я готовий обговорити її з будь-яким бажаючим де- або в особистій бесіді!).
- Порушити і перший із двох принципів 802.11, почавши говорити, коли каже хтось ще. І ось тут, власне, і приходить на допомогу 802.11ax.
Як чудово, нарешті я в своєму оповіданні про Wi-Fi 6 дістався власне Wi-Fi 6! Якщо ви досі читаєте це, то ви або повинні це робити з якоїсь причини, або вам дійсно цікаво. Так от, хоч 802.11ax і успадковує величезну частину попередніх напрацювань всього сімейства 802.11 (і не тільки, до речі - деякі класні штуки з'явилися взагалі в 802.16, він же WiMAX), дещо в ньому все ж таки свіжо і оригінально. Зазвичай на цих словах ліпиться така картинка, доступна на сайті Wi-Fi Alliance:
Як я з самого початку обмовився, досить добре ми в межах однієї зручної для читання статті зможемо розглянути лише один з цих ключових пунктів, а точніше, жоден з наведених на картинці (ось так несподіванка!). Я впевнений, що ви вже читали мільйон швидких описів кожного з цих восьми ключових елементів, я ж продовжу свою стомлюючу довгу розповідь про те, що випливає з OFDMA — про множинний доступ до середовища (MU-access control), який, як ми бачимо, на інфографіку не потрапив. А зовсім дарма!
Множинний доступ — це те, без чого поділ каналу на взагалі взагалі позбавлений сенсу. Навіщо намагатися розглядати різні шматочки спектру, якщо не буде механізму, здатного змусити клієнтів нової мережі Wi-Fi 6 порушити одне з непорушних правил і почати говорити одночасно? І, звичайно, такий механізм просто мав з'явитися і знизити вплив проблеми “довгою” порівняно з даними службової інформації. Як? Так дуже просто: нехай "повільна", службова частина розсилається так само, як і раніше, а от "швидку" частину, в якій ходять безпосередньо дані, ми кинемо одночасно з декількох (або на кілька) пристроїв по команді! Виглядає це приблизно так:
Виглядає складно, але за своєю суттю досить легко пояснюється: точка доступу за допомогою спеціального кадру, зрозумілого всім (навіть не Wi-Fi 6!) Пристроям, повідомляє, що вона готова передати дані одночасно STA1 і STA2. Оскільки “заголовок” цього кадру цілком зрозумілий навіть зовсім старим клієнтам, вони роблять правильний висновок, що ефір буде зайнятий протягом певного часу передачею інформації іншим клієнтам мережі, і починають відраховувати час до закінчення цього періоду (власне, як і завжди в Wi -Fi). А ось пристрої STA1 і STA2 розуміють, що зараз їм будуть передані дані вже по-новому, одночасно кожному на своєму шматочку каналу, і відповідають точці доступу теж одночасно, а потім так само синхронно підтверджують прийом кадру (кожен зі своєю порцією даних!) , та середа знову звільняється. "Знизу вгору" це працює приблизно таким же чином:
Головна і різниця, що кидається в очі, — точка доступу і в цій ситуації повідомляє станціям, які вміють говорити одночасно, коли почати передачу, за допомогою спеціального кадру, який так і називається — Trigger. Це, по суті, новий спусковий гачок всього механізму множинного одночасного доступу до середовища, який і є, на мій скромний погляд, однією з найважливіших інновацій під капотом нового стандарту. Саме в ньому клієнти одержують “розклад”, як їм поділити між собою один частотний канал; саме в ньому клієнти одночасно повідомляють точку доступу, що отримали свої порції даних і змогли їх розібрати. У ньому точка доступу повідомляє всіх, хто може "говорити" одночасно, про початок передачі даних - в ньому ж точка доступу і запускає відправлення їй необхідних даних. Новий механізм Trigger frame, по суті, і дозволяє зменшити нераціональне використання зайнятості ефіру, причому настільки ефективно, наскільки багато клієнтів можуть ним користуватися та коректно сприймати!
А тепер сформулюємо основні тези, які випливають з цієї довгої розповіді і претендують на TL;DR:
- Точки доступу нового стандарту 802.11ax, навіть спираючись всього на одну з безлічі нововведень, почнуть підвищувати сумарну пропускну спроможність всієї мережі. другий сумісного клієнтського пристрою! Як тільки з'явиться хоча б два клієнти, які зможуть говорити одночасно, то за інших рівних (я не маю жодної причини припускати, що драйвери для клієнтських радіомодулів будуть писати краще, ніж раніше, а значить, що й агрегація “корисних” частин кадрів, і багато інших клієнтозалежних функцій, як і раніше, “в середньому по зоопарку” працюватимуть не дуже) вони ВЖЕ підвищать середню пропускну здатність. Тож якщо ви задумалися про нову мережу Wi-Fi — є сенс одразу розглянути найновіші та найкращі точки доступу, бо навіть якщо клієнтів зараз для них ще мало — ситуація така довго не залишиться.
- Всі трюки і хитрощі, які сьогодні є в арсеналі хорошого бездротового інженера, ще довго залишаться актуальними — механізм доступу до середовища хоч і оновився, порушивши наріжні принципи, що протрималися понад 20 років, але все ще тримає на чолі кута сумісність. Як і раніше, потрібно відсікати “повільні” management rates (і, як і раніше, потрібно розуміти, навіщо і коли), як і раніше, потрібно правильно планувати фізичний рівень, тому що ніякий механізм на канальному рівні не спрацює, якщо будуть проблеми на фізичному. Просто з'явилася можливість робити ще краще.
- Майже всі рішення Wi-Fi 6 приймає точку доступу. Як бачимо, вона управляє доступом клієнтів до середовища, об'єднуючи разом пристрої у “періоди” одночасної роботи. Відходячи трохи далі убік – робота TWT теж повністю на плечах точки доступу. Тепер ТД повинна не тільки "віщати мережу" і зберігати трафік у чергах, але ще й вести облік всіх клієнтів, плануючи, як їх вигідніше об'єднати один з одним на підставі їх пропускних здібностей і потреб у трафіку, їх батарей і багато чого ще - я називаю цей процес "оркестрацією". Алгоритми, за якими точка доступу прийматиме всі ці рішення, не регламентовані, а отже, що справжня якість та структурний підхід виробників виявиться саме у розробці алгоритмів оркестрації. Чим точніше точки прогнозуватимуть потреби клієнтів, тим краще і рівномірніше вони зможуть об'єднувати їх у групи множинного доступу — отже, тим раціональнішими будуть використовуватися ресурси ефіру і тим вищою буде підсумкова пропускна спроможність такої точки доступу. Алгоритм – останній фронтир!
- Перехід від Wi-Fi 5 до Wi-Fi 6 за своєю сутністю та важливістю так само революційний, як перехід від 802.11g до 802.11n. Тоді ми отримали багатопотоковість і агрегацію "корисного навантаження" - тепер ми отримуємо одночасний доступ до середовища і працюють MU-MIMO і Beamforming (по-перше, як ми знаємо, це майже одне й те саме; по-друге, дискусія " чому MU-MIMO в 802.11ac вигадали, але не змогли змусити працювати” - це тема окремої великої статті 🙂). І 802.11n, і Wi-Fi 6 працюють в обох діапазонах (2,4 ГГц та 5 ГГц), на відміну від "проміжних" попередників - воістину, "шість - це нове чотири"!
Трохи про джерела цієї статті
Написано статтю для конкурсу, який проводила компанія Huawei (спочатку була опублікована ). Багато в чому я спирався під час її написання на власну доповідь на конференції «Безпроводів», яка проходила у 2019 році в Санкт-Петербурзі (запис виступу можна переглянути , тільки майте на увазі звук там, прямо скажемо, не фонтан, незважаючи на пітерське походження відео!).
Джерело: habr.com