Warum Wi-Fi nicht wie geplant funktioniert und warum Sie wissen, welches Telefon der Mitarbeiter verwendet

Hallo!

Lassen Sie uns darüber sprechen, was die Datenübertragungsgeschwindigkeit in modernen drahtlosen Netzwerken wirklich beeinflusst, einige Mythen zerstreuen und beantworten, ob es an der Zeit ist, Ihren alten Router mit MU-MIMO an Bord in einen funkelnden gehörnten Alien zu verwandeln.

Zum Aufwärmen ist eine kleine Aufgabe. Stellen Sie sich ein drahtloses Wi-Fi-Netzwerk vor, das aus einem Access Point (AP) und zwei identischen Client-Geräten (STA1 und STA2) besteht.

Wir lesen die Inschriften auf den Kisten:
AP: 1733,3 Mbit / s
STA1, STA2: 866,7 Mbit / s

Achtung, eine Frage. Beide Clients laden gleichzeitig eine große Datei vom Server herunter. Welche Bandbreite kann jedes Gerät erwarten?

Wir werden sofort eine Reservierung vornehmen. Der Einfachheit und Klarheit halber nennen wir den Durchsatz (Kanalgeschwindigkeit) einfach Geschwindigkeit . Ja, die Geschwindigkeit der Transportschichtprotokolle ist möglicherweise doppelt so hoch wie unsere Geschwindigkeit , aber das alles wissen Sie bereits. Nun zu etwas anderem.

Unsere Aufgabe ist es, an die Hauptbeschränkung von drahtlosen Netzwerken zu erinnern.
Ein gemeinsam genutztes Medium bedeutet, dass nur ein Gerät pro Zeiteinheit senden sollte.

Diese Tatsache führt uns zu einer eingängigen Antwort: Trotz der Tatsache, dass der Access Point 1733,3 Mbit / s unterstützt, arbeitet jedes der Geräte im Durchschnitt mit einer Geschwindigkeit von 433,3 Mbit / s.



Wohin gingen die restlichen 866,7 Mbit / s? Lass es uns richtig machen.

Es ist praktisch, die Airtime Utilization-Metrik zu verwenden, um die Funktionsweise drahtloser Netzwerke zu beschreiben. Es zeigt, wie oft der Äther damit beschäftigt ist, Daten zu übertragen.

Jetzt Aufmerksamkeit! Um die beanspruchten 1733,3 Mbit / s zu entwickeln, muss das Gerät die Luft 100% der Zeit im Alleingang besetzen. In diesem Fall muss auch das zweite Gerät (Empfangen) diese Geschwindigkeit unterstützen.

Wir betonen noch einmal: Die Verbindung zwischen Geräten, die unterschiedliche Geschwindigkeiten unterstützen, erfolgt mit der Geschwindigkeit der am wenigsten schnellen des Paares.

Alles wird trauriger, wenn das Maximum des Geräts beispielsweise 72,2 Mbit / s beträgt. Sie müssen die gleichen 100% des Äthers ausleihen, aber das Ergebnis ist überhaupt nicht beeindruckend.

Übrigens 72,2 Mbit / s - die Geschwindigkeit ist nicht zufällig. Die meisten modernen Smartphones rechnen möglicherweise nicht mit mehr, aber dazu später mehr.

Nun zurück zu STA1 und STA2. Entsprechend den Bedingungen wurde gleichzeitig mit dem Hochladen der Datei auf den Server begonnen. Wir erinnern uns, dass nur ein Gerät pro Zeiteinheit senden kann.
Koordiniert CSMA / CA - Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung über WLAN. Kurz gesagt, seine Aufgabe ist es, allen Geräten konsequent das Stimmrecht einzuräumen und nach Möglichkeit keine gleichzeitige Übertragung von zwei oder mehr Geräten (Kollisionen) zuzulassen.

Sie können Wikipedia lesen, wenn Sie weitere Details wünschen.
Und es ist besser . Oder - hier , wenn Sie es sehr ernst meinen.

Und wo ist Airtime Utilization? Und trotz der Tatsache, dass aufgrund der CSMA / CA-Arbeit in diesem Fall jedes der beiden zur Übertragung bereitgestellten Client-Geräte etwa die Hälfte der Sendezeit oder 50% der Sendezeit für ihre Anforderungen erhält.

100% Sendezeit - 866,7 Mbit / s;
50% Sendezeit - 433,3 Mbit / s für jedes Gerät.

Dieses Bild ändert sich nicht, auch wenn der Access Point alle 6933,3 Mbit / s unterstützt. Die Kommunikation zwischen dem AP und der STA wird immer durch die Geschwindigkeit der am wenigsten schnellen Geräte begrenzt.

Aus Neugier können Sie ein wenig mit den Bedingungen des Problems spielen:
Ändern Sie die Geschwindigkeit für STA2 - 72,2 Mbit / s;
Fügen Sie STA3 hinzu, die Geschwindigkeit beträgt 72,2 Mbit / s.
Was bleibt von den behaupteten 1733,3 Mbit / s?

Wichtige Klarstellung Nummer 1

Fairerweise fügen wir hinzu, dass diese Berechnungen korrekt sind, wenn die Airtime Fairness- Funktionalität auf der BS aktiviert wurde, ohne sie wäre alles viel schlimmer - langsame Client-Geräte würden zu der ineffizientesten Verteilung von Airtime führen. Es ist gut, dass die Technologie von fast allen Anbietern implementiert wurde, die sich selbst respektieren.

Aber es gibt eine Einschränkung: Airtime Fairness funktioniert nur in Downlink (von AP zu STA). Uplink hat immer noch Anarchie.

Wichtige Klarstellung Nr. 2

In einem realen Netzwerk liegt aufgrund von Luftstaus, Kollisionen und Merkmalen des Protokolls der maximal erreichbare Grad der Sendezeitauslastung im Bereich von 70% bis 80%.
Die von uns berechnete Geschwindigkeit ändert sich entsprechend.

Warum so lange ein Auftakt? Wissen Sie, welche Clientgeräte in Ihrem Netzwerk verwendet werden. Ihre Auswirkungen auf die Leistung in einer Umgebung mit gemeinsam genutzten Daten werden kritisch unterschätzt. Als nächstes werden wir verstehen, wie viel.

Teil 1 - Kunden geben allen die Schuld

Oder Client-Geräte, wenn Sie möchten. Wofür sind sie schuldig und was unterscheidet sie tatsächlich von Zugangspunkten?



Alles ist einfach. Meistens sind Kunden kompakt, autonom und mobil. Daraus ergeben sich alle Probleme.

Stilvolles Metallgehäuse mit einer Dicke von 7 mm? Für die Platzierung von 4 MIMO-Funkpfaden können Sie sich nichts Besseres vorstellen.

Sind Multithread-Datenübertragung und breite Kanäle zu energieaufwendig? Nichts, lassen Sie sie das Gerät mehrmals am Tag aufladen.

Bewegen sich Kunden ständig? Unsinn - schrauben Sie die Leistung an den Punkten maximal ab.

Unter solchen Umständen sind Entwickler gezwungen, Kompromisse einzugehen.

Erinnern Sie sich an den leistungsstarken Zugangspunkt (1733 Mbit / s) aus der Einführung zum Artikel? Gehen wir noch weiter. Mit dem 802.11ac-Standard können wir auf beeindruckende 6933 Mbit / s beschleunigen.

Die Bedingungen hierfür sind wie folgt:

1. 5 GHz;
2. 8 räumliche Ströme (MIMO 8x8: 8);
3. 160 MHz - Kanalbreite;
4. 256QAM - Modulation.

Konforme Zugangspunkte auf dem Markt sind auch im Verbrauchersegment vertreten. Was ist mit Kunden los?

Lassen Sie uns aus Gründen der Klarheit ein Gedankenexperiment durchführen: Verbinden Sie mit unserem abstrakten Punkt ein ganz bestimmtes Smartphone - das iPhone 8. Lassen Sie uns sehen, wozu es in der Lage ist.

2,4 GHz vs 5 GHz

Langzeitbeobachtungen bestätigen, dass in den "fünf" immer mehr Geräte arbeiten. Und das ist wunderbar.

Der einzige Vorteil von 2,4 GHz - weniger Dämpfung - ist heute fast ein Nachteil.

Beim Entwurf dichter Netzwerke besteht eine der Aufgaben darin, Interferenzen zu bekämpfen. Wir kämpfen unter anderem, indem wir die AP-Versorgungsbereiche voneinander isolieren. Wände werden verwendet, die Sendeleistung wird unterschätzt und die „Reichweite“ der beiden ist eindeutig überflüssig.

So oder so - die Zukunft von Wi-Fi liegt in den "fünf", wenn Sie nicht sehr enge Fälle berücksichtigen.
Statistiken liefern jedoch keine eindeutig zuverlässigen Daten zur Verteilung von Geräten - es gibt zu viele Variablen (Land, Region, Ort, Ereignis und andere).

Vielleicht können wir heute vorsichtig sagen, dass wir in Russland ein 50/50-Verhältnis für die Unterstützung von Client-Geräten des 5-GHz-Bandes erreicht haben.

Wie es in Ihrem Netzwerk sein wird, ist eine andere Frage.
Unser imaginäres iPhone 8 unterstützt übrigens die "Fünf", gut und gut.

Mimo

Die Möglichkeit, mehrere Datenströme gleichzeitig in einem einzigen Frequenzkanal zu übertragen, wurde in 802.11n vorgestellt. Es sind jedoch noch Dinge da:

• MIMO 8x8: 8-Clients unterstützen noch nicht. Überhaupt nicht;
• Fast vollständige Abwesenheit von Clientgeräten mit MIMO 4x4: 4 - siehe Kommentar unten;
• Top-Laptops, die MIMO 3x3: 3 unterstützen;
• Top-End-Smartphones und -Tablets, die MIMO 2x2: 2 unterstützen;
• Die überwiegende Mehrheit der Geräte sind SISO 1x1: 1.

Und das alles, weil die MIMO-Technologie sehr anspruchsvoll ist:




Client-Geräte mit MIMO 4x4: 4 sind seit kurzem auf dem Markt. Dies sind hauptsächlich dedizierte Wi-Fi-Adapter, aber Samsung hat uns kürzlich verblüfft, indem es in der Beschreibung für sein neues Galaxy Note 9 - MIMO 4x4 angegeben hat. Es ist sehr unangemessen, weil wir schreiben wollten, dass es noch keine mobilen Geräte mit ähnlichen Eigenschaften auf dem Markt gibt.

In dieser Hinsicht ein Wettbewerb.


Wie sie sagen - Ausnahmen bestätigen die Regel.

Geräte mit MIMO 4x4: 4 - fast keine. MIMO 3x3: 3 ist das Los des seltenen Macbook Pro. MIMO 2x2: 2 - in Top-Smartphones und Tablets. Die statistische Mehrheit sind Geräte, die MIMO nicht unterstützen.

Wir werden nicht wie die meisten sein. Unser iPhone 8 ist ein Top-End-Smartphone, das die Übertragung von bis zu zwei räumlichen Streams unterstützt.

Woher wissen wir, dass dies eine wichtige Frage ist? Wir werden im letzten Teil des Artikels erzählen.

Wie wir uns erinnern, erfolgt die Kommunikation zwischen Geräten, die unterschiedliche Geschwindigkeiten unterstützen, mit der Geschwindigkeit der am wenigsten schnellen des Paares.

Kurz gesagt - und 1733,3 Mbit / s blieben. Traurig Aber Spaß - es sind fast zwei Gigabit!

Kanalbreite

Mit 802.11ac können Kanäle mit einer Breite von 160 MHz verwendet werden.
Bitte tu das nicht.

Darüber hinaus werden 80-MHz-Kanäle kategorisch nicht zur Verwendung empfohlen.


Die Sache ist, dass wir durch die Erweiterung der Band tatsächlich die Tore für Störungen aller Streifen öffnen - wir verderben die Luft für uns und unsere Nachbarn.

Wir werden nicht im Detail analysieren, warum dies geschieht - dies ist ein separater Artikel, aber Sie können sich unabhängig mit den Empfehlungen und Best-Practice-Leitfäden führender Anbieter vertraut machen - mit seltenen Ausnahmen nur 20 MHz.

40 MHz sind nur in den "fünf" zulässig, wenn die Kundendichte und die Situation in der Luft dies zulassen.

Aber wir sind Optimisten - wir gehen davon aus, dass unser Netzwerk genau das ist.
Ab 1733,3 Mbit / s verbleiben also 400 Mbit / s - für einen Kanal mit einer Breite von 40 MHz.


Ok, es ist nicht mehr so ​​beeindruckend, aber immer noch nicht schlecht, oder?

PS: Wenn Sie in einem Wald leben und sehr gut verstehen, was Sie tun, schalten Sie 160 MHz ein. Nicht die Tatsache, dass es irgendeinen Sinn geben wird. Zum Beispiel unterstützt das berüchtigte iPhone 8 eine solche Kanalbreite nicht, obwohl es erst vor einem Jahr veröffentlicht wurde.

Lesen Sie bis zum Ende, um herauszufinden, wozu Ihr Gerät in der Lage ist.

Modulation

Eine merkwürdige Tatsache: Client-Geräte sind die Hauptstörquellen im Netzwerk.
Wofür ist es? Und die Tatsache, dass selbst ein perfekt geplantes und konfiguriertes Netzwerk den Betrieb bei maximalen Modulationen nicht garantiert, da 256QAM sehr hohe Anforderungen an die Signalqualität stellt - RSSI und SNR.

Wir werden mehr über RSSI sprechen, und SNR leidet direkt unter Kunden mit Rundstrahlantennen - so mobil und unvorhersehbar. Nun, und natürlich nicht nur von ihnen.



Erwarten Sie daher, dass Clients die meiste Zeit weniger anspruchsvolle Modulation verwenden. Zum Beispiel 64QAM.

In unserem Experiment reduziert dies die Geschwindigkeit rücksichtslos auf 300 Mbit / s.


RSSI ist unser Lieblingsparameter. Der 802.11-Standard enthält keine Beschreibungen und Anforderungen dafür, sodass jeder Anbieter diese Metrik auf seine eigene Weise sieht. Dementsprechend zeigen verschiedene Clientgeräte unterschiedliche RSSI an derselben Stelle an.

Welches Level planen Sie übrigens? -67 dBm? Und für welches Gerät?

Zwischensumme Nr. 1

Selbst in einem sehr optimistischen Szenario erhält der Client nur 300 Mbit / s Bandbreite - anstelle von 6933 Mbit / s. Und das ist, wenn der Kunde nur einer ist! Kennen Sie viele solcher Netzwerke?

Erinnere dich an die Rätsel. Je mehr Kunden, desto schlechter. Sie wollten sich nicht im Voraus aufregen, aber die Abhängigkeit ist nicht linear. Mit zunehmender Anzahl von Geräten im Netzwerk steigt der Prozentsatz des Overheads.


Fazit: Die Leistung hängt stark von verbundenen Clients ab. Höchstwahrscheinlich werden ihre Fähigkeiten sehr begrenzt sein.

Das optimistische Szenario ist 300 Mbit / s (5 GHz, 40 MHz, 2SS, 64 QAM).
Realistisches Szenario - 72 Mbit / s (2,4 oder 5 GHz, 20 MHz, 1SS, 64 QAM).

Teil 2 - Was ist sonst noch falsch mit Client-Geräten?

Ja, alles fängt gerade erst an.

Drei Hauptprobleme können unterschieden werden:

• Vielfalt;
• Unvorhersehbarkeit;
• Sicherheitslücke.

Lassen Sie uns sie genauer analysieren.

Vielfalt

Erinnerst du dich an unser iPhone 8? Gutes Telefon übrigens. Wussten Sie, dass Apple seit dem iPhone 6 keine Wi-Fi Alliance-Zertifizierung mehr erhält?
Sie können es selbst überprüfen - die Informationen sind offen. . Gleichzeitig schreiben Sie in den Kommentaren über andere erstaunliche Entdeckungen.

Was für eine Organisation ist die Wi-Fi Alliance?
Die Jungs versuchen, Ordnung im Zoo zu halten. Das Wi-Fi Certified-Symbol bedeutet, dass das Gerät auf Übereinstimmung mit den Hauptpunkten des 802.11-Standards überprüft wurde. Die Überprüfung wird in akkreditierten Labors mehr oder weniger ernsthaft durchgeführt.

Warum ist dieses Bedürfnis entstanden?
Um die Kompatibilität mit Millionen verschiedener Geräte zu gewährleisten, die an verschiedenen Chipsätzen arbeiten und von Menschen mit unterschiedlichen Qualifikationsgraden und moralischen Richtlinien entwickelt wurden.

Hat es geholfen?
Nicht sehr. Wie die Praxis zeigt, hat jeder Anbieter seine eigene Vision und lässt sich vom Standard abweichen (natürlich gut gemeint).

Ein lustiges Beispiel ist KRACK aus dem letzten Jahr. Nicht alle Geräte waren anfällig, da viele Hersteller das Schlüsselaustauschverfahren auf ihre eigene Weise interpretierten. Insbesondere, wie man sich verhält, wenn auf die dritte Nachricht in der 4-Wege-Handshake-Sequenz keine Antwort erfolgt. Lesen Sie mehr, wenn Sie interessiert sind.

Was ist das Ergebnis?
Der Zoo.

Der einfachste Weg ist aus offensichtlichen Gründen Apple. Obwohl sie ihre neuen Produkte nicht zertifizieren, ist die Geräteflotte immer noch begrenzt. Daher können Sie das Verhalten in verschiedenen Szenarien testen.

Als nächstes kommt Android. Hier hängt viel vom Hersteller ab, aber im Allgemeinen - noch mehr Unbekannte. Fügen Sie hier die Chinesen hinzu.

Hier enden die Klassifizierungsideen. Betriebssysteme, Treiber, Legacy-Geräte, Multikocher, Türschlösser, CCTV-Kameras - BYOD und IoT in ihrer ganzen Pracht.

Das Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass viele kritische Entscheidungen von Client-Geräten selbst getroffen werden und Sie sie nicht direkt beeinflussen können.
Mit den "fünf" oder mit den "zwei" verbinden?
Roaming oder Aufenthalt auf einem alten AP?
An welcher Modulation soll gearbeitet werden?

Mehr dazu im nächsten Kapitel.

Unvorhersehbarkeit

Wi-Fi ist so konzipiert, dass Client-Geräte versuchen, Schwierigkeiten selbst zu bewältigen. Diese Lösungen sind nicht immer optimal.



Wenn es für das Gerät besser erscheint, auf dem sechsten Kanal mit einem Pegel von -85 dBm zu sitzen, als die Verbindung zu einem benachbarten Punkt mit einem Pegel von -50 dBm wiederherzustellen, der in einer freien "Fünf" arbeitet, ist dies der Fall.

Es gibt keine wirksamen Mechanismen, um das Verhalten von Clientgeräten direkt zu steuern. Dies ist beispielsweise der Unterschied zur zellularen Kommunikation.

Sie haben Einwände - aber was ist mit den 2008 und 2011 verabschiedeten 802.11k (Verbesserungen der Funkressourcenmessung) und 802.11v (Wireless Network Management)?

Diese Standards zielen theoretisch darauf ab, das Problem zu lösen. Praktisch - nichts funktioniert.

Ja, der Punkt kann eine Lastausgleichsanforderung senden - bitten Sie den Kunden höflich, sich zu bewegen. Niemand ist erforderlich, um diese Anfrage zu erfüllen. Darüber hinaus gibt es immer noch wenige Clients, die 802.11k und v unterstützen.

Die Hauptanwendung der oben beschriebenen Standards besteht darin, den schnellen Roaming-Mechanismus 802.11r (schneller BSS-Übergang) zu unterstützen. Der Kunde erhält eine Liste der nächstgelegenen APs, zu denen er sich wieder verbinden soll - und bereits weiter entscheidet das extravagante Gerät, was für ihn am besten ist.

Über Roaming sind viele Exemplare kaputt, gute Artikel finden Sie hier auf Habré.
Eins Zwei.
Es gibt noch eine monumentale (aber unvollständige) Studie über den schönen Andrew von Nagy -
drei.

Wir werden uns nicht wiederholen, sondern nur noch einmal betonen: Der Wechsel zwischen APs liegt im Gewissen des Kunden. Daraus und den meisten Problemen.

Anbieter versuchen, die Unabhängigkeit der Kunden zu bekämpfen. Standardwerkzeuge helfen nicht, daher werden Tricks verwendet. Es ist wie in Geschäftsbüchern: Versuchen Sie nicht zu überzeugen - lassen Sie den Kunden selbst die richtige Wahl treffen.

So funktioniert beispielsweise die Bandsteuerung (ein Mechanismus zum Übertragen von Kunden von den „zwei“ auf die freieren „fünf“):

1. Das Gerät versucht, eine Verbindung zum Netzwerk herzustellen. Höchstwahrscheinlich werden es genau 2,4 GHz sein: Der Gerätetreiber glaubt, dass dies besser sein wird - schauen Sie, was für ein starkes Signal!
2. Der AP prüft, ob das Gerät 5 GHz unterstützt. MAC-, «» ;
3. DualBand- ( ) 2,4 ;
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5. Voila!

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• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) , , , . , , .
  

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№2

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3 — -

1.

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iPhone 8:


Apple.

802.11ac Wi-Fi with MIMO… - . ? ? 802.11r, k, v? MU-MIMO?

Samsung Galaxy S9 :


Samsung.

1024QAM ( 802.11ax), - .

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2.

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— Mike Albano.



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• MU-MIMO;
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, . — How To Contribute . , Association Request, AP.

3.

, — AP, . , — Wi-Fi «» 802.11-. , .
, .

:



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— , , iPhone 8 MU-MIMO. .

, PCAP-, , clients.mikealbano.com

4.

. — SMS.

FCC — Federal Communications Commission ( ). FCC ID — , FCC .

(FCC ID) , . , .

: Grantee Code Product Code. , :



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SAR Report — , . !

№3

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Fazit

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Viel Glück

: , CompTek.
25.10.2018 «» . .

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CWNP — , ;

Revolution Wi-Fi — Andrew von Nagy — , Revolution Capacity Planner;

Divergent Dynamics — Devin Akin, ;

WLAN Professionals — Keith Parsons — Wi-Fi. , ;

badfi.com — Wi-Fi.