Nahtloses Wi-Fi-Roaming: Theorie in der Praxis

Wir beschäftigen uns mit Roaming-Technologien (Handover, Bandsteuerung, IEEE 802.11k, r, v) und führen einige visuelle Experimente durch, die ihre Arbeit in der Praxis demonstrieren.

Einführung

Die drahtlosen Netzwerke der IEEE 802.11-Standardgruppe entwickeln sich heute extrem schnell, neue Technologien, neue Ansätze und Implementierungen erscheinen. Mit der zunehmenden Anzahl von Standards wird es jedoch immer schwieriger, sie zu verstehen. Heute werden wir versuchen, einige der gängigsten Technologien im Zusammenhang mit Roaming zu beschreiben (das Verfahren zum erneuten Herstellen einer Verbindung zu einem drahtlosen Netzwerk) und auch zu sehen, wie nahtloses Roaming in der Praxis funktioniert.

Übergabe oder "Kundenmigration"

Durch die Verbindung mit einem drahtlosen Netzwerk unterstützt das Client-Gerät (ob es sich um ein Smartphone mit WLAN, ein Tablet, einen Laptop oder einen PC mit einer drahtlosen Karte handelt) eine drahtlose Verbindung, wenn die Signalparameter auf einem akzeptablen Niveau bleiben. Wenn das Client-Gerät bewegt wird, kann das Signal von dem Zugangspunkt, mit dem die Kommunikation ursprünglich hergestellt wurde, jedoch schwächer werden, was früher oder später dazu führt, dass Daten nicht mehr vollständig übertragen werden können. Nachdem der Kontakt zum Zugangspunkt verloren gegangen ist, wählt das Client-Gerät einen neuen Zugangspunkt aus (natürlich, wenn er in Reichweite ist) und stellt eine Verbindung zu ihm her. Dieser Vorgang wird als Übergabe bezeichnet. Formal ist Handover ein Migrationsverfahren zwischen Access Points, die vom Client selbst initiiert und ausgeführt werden (Handover - „Übertragen, Geben, Geben“). In diesem Fall müssen die SSIDs der alten und neuen Punkte nicht einmal übereinstimmen. Darüber hinaus kann der Client in einem völlig anderen IP-Subnetz landen.

Sowohl im alten als auch im neuen Netzwerk hat der Client Zugriff auf das Internet, jedoch werden alle hergestellten Verbindungen zurückgesetzt. Aber ist das ein Problem? Normalerweise ist das Wechseln unkompliziert, da alle modernen Browser, Instant Messenger und E-Mail-Clients den Verbindungsverlust problemlos verarbeiten können. Ein Beispiel für einen solchen Wechsel ist der Übergang von einem Kinosaal zu einem Café in einem großen Einkaufszentrum: Sie haben gerade mit Ihren Freunden Eindrücke von Ihrem sensationellen Blockbuster ausgetauscht und können nun ein Foto des kulinarischen Meisterwerks mit ihnen teilen - das neue Dessert des Küchenchefs.
Leider ist die Realität nicht so glatt. Sprach- und Videoanrufe, die über drahtlose Wi-Fi-Netzwerke übertragen werden, werden immer beliebter - unabhängig davon, ob Sie Skype, Viber, Telegramm , WhatsApp oder eine andere Anwendung verwenden, ist die Möglichkeit, sich zu bewegen und das Gespräch ohne Unterbrechung fortzusetzen, von unschätzbarem Wert. Und hier entsteht das Problem der Minimierung der Schaltzeit. Sprachanwendungen, die je nach verwendetem Codec alle 10 bis 30 ms Daten senden. Der Verlust eines oder mehrerer solcher Sprachpakete wird die Teilnehmer nicht irritieren. Wenn der Datenverkehr jedoch für längere Zeit unterbrochen wird, bleibt er nicht unbemerkt. Es wird allgemein angenommen, dass eine Unterbrechung der Stimme für bis zu 50 ms von den meisten Gesprächspartnern unbemerkt bleibt, während das Fehlen eines Sprachstroms für 150 ms eindeutig zu Unbehagen führt.

Um den Zeitaufwand für die erneute Verbindung des Teilnehmers mit den Mediendiensten zu minimieren, müssen Änderungen sowohl an der kabelgebundenen Basisinfrastruktur (um sicherzustellen, dass der Client die externen und internen IP-Adressen nicht ändert) als auch an dem unten beschriebenen Übergabeverfahren vorgenommen werden.

Übergabe zwischen Zugangspunkten:

1. Definieren Sie eine Liste potenzieller Kandidaten (Access Points) für den Wechsel.
   
2. Legen Sie den CAC-Status (Anrufzulassungssteuerung - Steuern Sie die Verfügbarkeit von Anrufen, dh den Grad der Überlastung des Geräts) des neuen Zugriffspunkts fest.
   
3. Bestimmen Sie den Moment zum Umschalten.
   
4. Wechseln Sie zu einem neuen Zugangspunkt:
   

In drahtlosen IEEE 802.11-Netzwerken werden alle Vermittlungsentscheidungen von der Clientseite getroffen.


Quelle: frankandernest.com

Bandsteuerung

Die Bandsteuerungstechnologie ermöglicht es einer drahtlosen Netzwerkinfrastruktur, einen Client von einem Frequenzbereich in einen anderen zu übertragen. In der Regel wird der Client gezwungen, vom 2,4-GHz-Band auf das 5-GHz-Band umzuschalten. Obwohl die Bandsteuerung nicht direkt mit dem Roaming zusammenhängt, haben wir uns dennoch entschlossen, sie hier zu erwähnen, da sie mit dem Umschalten des Clientgeräts verbunden ist und von allen unseren Dualband-Zugriffspunkten unterstützt wird.

In welchem ​​Fall kann es erforderlich sein, den Client auf einen anderen Frequenzbereich umzuschalten? Beispielsweise kann ein solcher Bedarf mit der Übertragung des Clients vom überlasteten 2,4-GHz-Band zum freieren und schnelleren 5-GHz-Band verbunden sein. Es gibt aber noch andere Gründe.

Es ist anzumerken, dass es derzeit keinen Standard gibt, der den Betrieb der beschriebenen Technologie streng regelt, so dass jeder Hersteller sie auf seine eigene Weise implementiert. Die allgemeine Idee bleibt jedoch ungefähr dieselbe: Access Points kündigen den Client, der den aktiven Scan durchführt, nicht an, die SSID im 2,4-GHz-Band, wenn für einige Zeit eine Aktivität dieses Clients bei einer Frequenz von 5 GHz festgestellt wurde. Das heißt, Access Points können in der Tat einfach über die Verfügbarkeit von Unterstützung für das 2,4-GHz-Band schweigen, wenn es möglich war, das Vorhandensein von Kundenunterstützung für die 5-GHz-Frequenz festzustellen.

Es gibt verschiedene Betriebsarten der Bandsteuerung:

1. Verbindung erzwingen. In diesem Modus wird der Client im Prinzip nicht über die Verfügbarkeit der 2,4-GHz-Bandunterstützung informiert, wenn der Client die 5-GHz-Frequenz unterstützt.
   
2. Bevorzugte Verbindung. Der Client muss nur dann eine Verbindung im 5-GHz-Band herstellen, wenn der RSSI-Wert (Received Signal Strength Indicator) über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Andernfalls kann der Client eine Verbindung zum 2,4-GHz-Band herstellen.
   
3. Lastausgleich. Einige Clients, die beide Frequenzbereiche unterstützen, stellen eine Verbindung zum 2,4-GHz-Netzwerk her, andere stellen eine Verbindung zum 5-GHz-Netzwerk her. In diesem Modus kann das 5-GHz-Band nicht überlastet werden, wenn alle drahtlosen Clients beide Frequenzbänder unterstützen.
   

Natürlich können Clients, die nur einen Frequenzbereich unterstützen, problemlos eine Verbindung herstellen.

In der folgenden Abbildung haben wir versucht, die Essenz der Bandlenkungstechnologie grafisch darzustellen.

Technologie und Standards

Nun zurück zum Umschalten zwischen Access Points. In einer Standardsituation behält der Client die vorhandene Zuordnung zum Zugriffspunkt so lange wie möglich bei. Genau solange der Signalpegel dies zulässt. Sobald die Situation auftritt, dass der Client die alte Zuordnung nicht mehr unterstützen kann, wird der zuvor beschriebene Schaltvorgang gestartet. Die Übergabe erfolgt jedoch nicht sofort, normalerweise dauert der Abschluss mehr als 100 ms, und dies ist bereits ein spürbarer Betrag. Für die IEEE 802.11-Arbeitsgruppe gibt es mehrere Standards für die Verwaltung von Funkressourcen, die darauf abzielen, die Zeit für die erneute Verbindung mit einem drahtlosen Netzwerk zu verkürzen: k, r und v. In unserer Auranet-Linie ist die 802.11k-Unterstützung auf dem CAP1200-Zugangspunkt implementiert, und in der Omada-Linie auf den EAP225- und EAP225-Outdoor-Zugangspunkten sind die Protokolle 802.11k und 802.11v implementiert.

802.11k

Dieser Standard ermöglicht es einem drahtlosen Netzwerk, Clientgeräten eine Liste benachbarter Zugriffspunkte und die Kanalnummern mitzuteilen, auf denen sie arbeiten. Mit der generierten Liste benachbarter Punkte können Sie die Suche nach Kandidaten für den Wechsel beschleunigen. Wenn das Signal des aktuellen Zugangspunkts schwächer wird (z. B. wird der Client gelöscht), sucht das Gerät aus dieser Liste nach benachbarten Zugangspunkten.

802.11r

Version r des Standards definiert die Funktion FT - Fast Transition (Fast Basic Service Set Transition), mit der die Clientauthentifizierung beschleunigt werden kann. FT kann verwendet werden, wenn ein drahtloser Client innerhalb desselben Netzwerks von einem Zugriffspunkt zu einem anderen gewechselt wird. Beide Authentifizierungsmethoden können unterstützt werden: PSK (Preshared Key) und IEEE 802.1X. Die Beschleunigung erfolgt durch Speichern von Verschlüsselungsschlüsseln an allen Zugriffspunkten, dh der Client muss beim Roaming mit Hilfe eines Remote-Servers nicht den vollständigen Authentifizierungsvorgang durchlaufen.

802.11v

Dieser Standard (Wireless Network Management) ermöglicht es drahtlosen Clients, Dienstdaten auszutauschen, um die Gesamtleistung des drahtlosen Netzwerks zu verbessern. Eine der am häufigsten verwendeten Optionen ist BTM (BSS Transition Management).
In der Regel misst ein drahtloser Client seine Verbindung zu einem Zugriffspunkt, um eine Roaming-Entscheidung zu treffen. Dies bedeutet, dass der Client keine Informationen darüber hat, was mit dem Zugriffspunkt selbst geschieht: Anzahl der verbundenen Clients, Laden des Geräts, geplante Neustarts usw. Mit dem BTM kann der Zugriffspunkt eine Anforderung an den Client senden, zu einem anderen Punkt mit besseren Arbeitsbedingungen zu wechseln , auch mit einem etwas schlechteren Signal. Daher zielt der 802.11v-Standard nicht direkt darauf ab, den Prozess des Umschaltens des drahtlosen Client-Geräts zu beschleunigen. In Kombination mit 802.11k und 802.11r bietet er jedoch schnellere Programme und erhöht den Komfort bei der Arbeit mit drahtlosen Wi-Fi-Netzwerken.

IEEE 802.11k im Detail

Der Standard erweitert die Funktionen von RRM (Radio Resource Management) und ermöglicht es drahtlosen Clients mit 11k-Unterstützung, vom Netzwerk eine Liste benachbarter Zugriffspunkte anzufordern, die möglicherweise für einen Switch in Frage kommen. Der Access Point informiert Kunden über den 802.11k-Support mithilfe eines speziellen Flags in Beacon. Die Anforderung wird als Verwaltungsrahmen gesendet, der als Aktionsrahmen bezeichnet wird. Der Zugangspunkt antwortet auch mit einem Aktionsrahmen, der eine Liste benachbarter Punkte und deren Funkkanalnummern enthält. Die Liste selbst wird nicht auf dem Controller gespeichert, sondern auf Anfrage automatisch generiert. Es ist auch erwähnenswert, dass diese Liste vom Standort des Clients abhängt und nicht alle möglichen Zugriffspunkte des drahtlosen Netzwerks enthält, sondern nur benachbarte. Das heißt, zwei drahtlose Clients, die sich geografisch an verschiedenen Orten befinden, erhalten unterschiedliche Listen benachbarter Geräte.

Mit dieser Liste muss das Client-Gerät nicht alle Funkkanäle im 2,4- und 5-GHz-Band scannen (aktiv oder passiv), wodurch die Verwendung von Funkkanälen reduziert wird, dh zusätzliche Bandbreite freigesetzt wird. Auf diese Weise können Sie mit 802.11k die Zeit reduzieren, die der Client für das Umschalten benötigt, und die Auswahl eines Access Points für die Verbindung verbessern. Wenn keine zusätzlichen Scans erforderlich sind, können Sie außerdem die Akkulaufzeit des drahtlosen Clients verlängern. Es ist anzumerken, dass Zugangspunkte, die in zwei Bereichen arbeiten, den Client über Informationen über Punkte aus einem benachbarten Frequenzbereich informieren können.

Wir haben uns entschlossen, den Betrieb von IEEE 802.11k in unseren drahtlosen Geräten zu demonstrieren, für die wir den AC50-Controller und die CAP1200-Zugangspunkte verwendet haben. Als Verkehrsquelle haben wir einen der beliebten Instant Messenger mit Sprachanrufunterstützung verwendet, der auf dem Apple iPhone 8+ Smartphone ausgeführt wird und offensichtlich 802.11k unterstützt. Das Sprachverkehrsprofil wird unten dargestellt.



Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, erzeugt der verwendete Codec alle 10 ms ein Sprachpaket. Auffällige Bursts und Einbrüche in der Grafik werden durch eine geringfügige Variation der Verzögerung (Jitter) erklärt, die in drahtlosen Wi-Fi-Netzwerken immer vorhanden ist. Wir haben die Verkehrsspiegelung auf dem Switch konfiguriert, mit dem beide am Experiment teilnehmenden Access Points verbunden sind. Frames von einem Access Point fielen in eine Netzwerkkarte des Verkehrssammelsystems, Frames von der zweiten in die zweite. In den empfangenen Speicherauszügen wurde nur Sprachverkehr ausgewählt. Die Umschaltverzögerung kann als das Zeitintervall betrachtet werden, das vom Moment des Verkehrsverlusts über eine Netzwerkschnittstelle bis zum Erscheinen auf der zweiten Schnittstelle verstrichen ist. Natürlich kann die Messgenauigkeit 10 ms nicht überschreiten, was auf die Struktur des Verkehrs selbst zurückzuführen ist.

Ohne die Unterstützung des 802.11k-Standards erfolgte das Umschalten des drahtlosen Clients durchschnittlich innerhalb von 120 ms, während durch die Aktivierung von 802.11k diese Verzögerung auf 100 ms reduziert werden konnte. Wir verstehen natürlich, dass wir die Schaltverzögerung zwar um 20% reduzieren konnten, sie aber immer noch hoch bleibt. Eine weitere Reduzierung der Verzögerung wird durch die gemeinsame Verwendung von 11k-, 11r- und 11v-Standards möglich sein, wie sie bereits in der DECO -Serie für drahtlose Heimgeräte implementiert sind.

802.11k hat jedoch noch einen Trumpf im Ärmel: Wählen Sie den Zeitpunkt für den Wechsel. Diese Funktion ist nicht so offensichtlich, daher möchten wir sie separat erwähnen und ihre Arbeit unter realen Bedingungen demonstrieren. In der Regel wartet der drahtlose Client bis zum letzten und behält die vorhandene Zuordnung zum Zugriffspunkt bei. Und erst wenn die Eigenschaften des Funkkanals sehr schlecht werden, wird der Wechsel zu einem neuen Zugangspunkt gestartet. Mit 802.11k können Sie dem Client beim Umschalten helfen, dh anbieten, es früher zu produzieren, ohne auf eine signifikante Signalverschlechterung zu warten (natürlich handelt es sich um einen mobilen Client). Es ist der Moment des Wechsels, dem unser nächstes Experiment gewidmet ist.

Qualitätsexperiment

Wir ziehen von einem sterilen Labor zu einem echten Kundenstandort. Im Raum wurden zwei Zugangspunkte mit einer Strahlungsleistung von 10 dBm (10 mW), eine Funksteuerung und die erforderliche unterstützende kabelgebundene Infrastruktur installiert. Das Layout der Räumlichkeiten und Installationsorte der Zugangspunkte ist unten dargestellt.



Der drahtlose Client durchstreifte den Raum und tätigte einen Videoanruf. Zuerst haben wir den 802.11k-Standard im Controller ausgeschaltet und die Orte festgelegt, an denen der Wechsel stattgefunden hat. Wie aus dem Bild unten ersichtlich, geschah dies in beträchtlicher Entfernung vom „alten“ Zugangspunkt in der Nähe des „neuen“. An diesen Stellen wurde das Signal sehr schwach und die Geschwindigkeit reichte kaum aus, um Videoinhalte zu übertragen. Beim Umschalten gab es merkliche Verzögerungen bei Sprache und Video.



Dann haben wir die 802.11k-Unterstützung aktiviert und das Experiment wiederholt. Jetzt wurde früher umgeschaltet, an Orten, an denen das Signal vom "alten" Zugangspunkt noch stark genug war. Es gab keine Verzögerungen in der Stimme und im Video. Der Schaltpunkt hat sich nun etwa auf halber Strecke zwischen den Zugangspunkten bewegt.



In diesem Experiment haben wir uns nicht zum Ziel gesetzt, numerische Eigenschaften des Schaltens herauszufinden, sondern nur das Wesentliche der beobachteten Unterschiede qualitativ zu demonstrieren.

Fazit

Alle beschriebenen Standards und Technologien wurden entwickelt, um die Erfahrung des Kunden mit drahtlosen Netzwerken zu verbessern, seine Arbeit komfortabler zu gestalten, den Einfluss störender Faktoren zu verringern und die Gesamtleistung der drahtlosen Infrastruktur zu steigern. Wir hoffen, dass wir die Vorteile, die Benutzer nach der Implementierung dieser Optionen in drahtlosen Netzwerken erhalten, klar demonstrieren konnten.

Ist es möglich, 2018 in einem Büro ohne Roaming zu leben? Dies ist unserer Meinung nach durchaus möglich. Wenn Sie jedoch einmal versucht haben, zwischen Räumen und Etagen zu wechseln, ohne die Verbindung zu verlieren, ohne einen Sprach- oder Videoanruf erneut herstellen zu müssen, ohne wiederholt das Gesagte wiederholen oder erneut fragen zu müssen, ist es unrealistisch, dies abzulehnen.

PS und so kann nahtlos nicht im Büro, sondern zu Hause gearbeitet werden, worauf in einem anderen Artikel näher eingegangen wird.