Roaming Wi-Fi sin interrupciones: teoría en la práctica

Nos ocupamos de las tecnologías de itinerancia (transferencia, dirección de banda, IEEE 802.11k, r, v) y llevamos a cabo un par de experimentos visuales que demuestran su trabajo en la práctica.

Introduccion

Las redes inalámbricas del grupo de estándares IEEE 802.11 se están desarrollando extremadamente rápido hoy, aparecen nuevas tecnologías, nuevos enfoques e implementaciones. Sin embargo, con el creciente número de estándares, cada vez es más difícil entenderlos. Hoy trataremos de describir algunas de las tecnologías más comunes relacionadas con el roaming (el procedimiento para reconectarse a una red inalámbrica), y también para ver cómo funciona el roaming continuo en la práctica.

Entrega o "migración de clientes"

Al conectarse a una red inalámbrica, el dispositivo cliente (ya sea un teléfono inteligente con Wi-Fi, una tableta, computadora portátil o PC equipada con una tarjeta inalámbrica) admitirá la conexión inalámbrica si los parámetros de la señal permanecen en un nivel aceptable. Sin embargo, cuando se mueve el dispositivo cliente, la señal del punto de acceso con el que se estableció originalmente la comunicación puede debilitarse, lo que tarde o temprano conducirá a la incapacidad total de transmitir datos. Al perder el contacto con el punto de acceso, el equipo del cliente seleccionará un nuevo punto de acceso (por supuesto, si está al alcance) y se conectará a él. Este proceso se llama traspaso. Formalmente, la transferencia es un procedimiento de migración entre puntos de acceso iniciados y ejecutados por el propio cliente (entrega - "transferir, dar, ceder"). En este caso, los SSID de los puntos antiguos y nuevos ni siquiera tienen que coincidir. Además, el cliente puede terminar en una subred IP completamente diferente.

Tanto en la red antigua como en la nueva, el cliente tendrá acceso a Internet, sin embargo, todas las conexiones establecidas se restablecerán. ¿Pero es esto un problema? Por lo general, el cambio es sencillo, ya que todos los navegadores modernos, mensajeros instantáneos y clientes de correo electrónico manejan la pérdida de conexión sin ningún problema. Un ejemplo de tal cambio es la transición de una sala de cine a una cafetería dentro de un gran centro comercial: acabas de intercambiar impresiones de tu sensacional éxito de taquilla con tus amigos, y ahora estás listo para compartir con ellos una foto de la obra maestra culinaria: el nuevo postre del chef.
Por desgracia, la realidad no es tan fluida. Las llamadas de voz y video transmitidas a través de redes inalámbricas Wi-Fi están ganando cada vez más popularidad, independientemente de si usa Skype, Viber, Telegram , WhatsApp o cualquier otra aplicación, la capacidad de moverse y continuar la conversación sin interrupción no tiene precio. Y aquí surge el problema de minimizar el tiempo de conmutación. Aplicaciones de voz en el proceso de envío de datos cada 10-30 ms, según el códec utilizado. La pérdida de uno o un par de dichos paquetes de voz no causará irritación a los suscriptores, sin embargo, si el tráfico se interrumpe por más tiempo, no pasará desapercibido. En general, se cree que la interrupción de la voz durante hasta 50 ms pasa desapercibida para la mayoría de los interlocutores, mientras que la ausencia de una transmisión de voz durante 150 ms claramente causa molestias.

Para minimizar el tiempo dedicado a volver a conectar al suscriptor a los servicios de medios, es necesario realizar cambios tanto en la infraestructura básica cableada (para garantizar que el cliente no cambie las direcciones IP externas e internas) como en el procedimiento de transferencia que se describe a continuación.

Traspaso entre puntos de acceso:

1. Defina una lista de posibles candidatos (puntos de acceso) para el cambio.
   
2. Establezca el estado CAC (Control de admisión de llamadas: controle la disponibilidad de llamadas, es decir, el grado de congestión del dispositivo) del nuevo punto de acceso.
   
3. Determine el momento para cambiar.
   
4. Cambie a un nuevo punto de acceso:
   

En las redes inalámbricas IEEE 802.11, todas las decisiones de conmutación las toma el lado del cliente.


Fuente: frankandernest.com

Dirección de la banda

La tecnología de dirección de banda permite que una infraestructura de red inalámbrica transfiera a un cliente de un rango de frecuencia a otro, generalmente estamos hablando de obligar al cliente a cambiar de la banda de 2,4 GHz a la banda de 5 GHz. Aunque la dirección de banda no está directamente relacionada con la itinerancia, aún decidimos mencionarla aquí, ya que está asociada con el cambio del dispositivo del cliente y es compatible con todos nuestros puntos de acceso de doble banda.

En ese caso, ¿puede ser necesario cambiar el cliente a un rango de frecuencia diferente? Por ejemplo, tal necesidad puede estar asociada con la transferencia del cliente desde la banda de 2,4 GHz sobrecargada a la velocidad más libre y más alta de 5 GHz. Pero hay otras razones.

Vale la pena señalar que, por el momento, no existe un estándar que regule estrictamente el funcionamiento de la tecnología descrita, por lo que cada fabricante la implementa a su manera. Sin embargo, la idea general sigue siendo aproximadamente la misma: los puntos de acceso no anuncian al cliente que realiza la exploración activa, el SSID en la banda de 2,4 GHz, si durante algún tiempo se ha observado actividad de este cliente a una frecuencia de 5 GHz. Es decir, los puntos de acceso, de hecho, pueden simplemente silenciar la disponibilidad de soporte para la banda de 2.4 GHz, si fuera posible establecer la presencia de soporte al cliente para la frecuencia de 5 GHz.

Existen varios modos operativos de dirección de banda:

1. Fuerza de conexión. En este modo, el cliente, en principio, no está informado sobre la disponibilidad de soporte de banda de 2.4 GHz, por supuesto, si el cliente tiene soporte para la frecuencia de 5 GHz.
   
2. Conexión preferida El cliente se ve obligado a conectarse en la banda de 5 GHz solo si el RSSI (Indicador de intensidad de la señal recibida) está por encima de un cierto valor umbral; de lo contrario, el cliente puede conectarse a la banda de 2,4 GHz.
   
3. Equilibrio de carga. Algunos clientes que admiten ambos rangos de frecuencia se conectan a la red de 2.4 GHz, y algunos se conectan a la red de 5 GHz. Este modo no permitirá sobrecargar la banda de 5 GHz si todos los clientes inalámbricos admiten ambas bandas de frecuencia.
   

Por supuesto, los clientes que admiten solo un rango de frecuencia pueden conectarse a él sin ningún problema.

En el diagrama a continuación, tratamos de representar gráficamente la esencia de la tecnología de dirección de banda.

Tecnología y estándares

Ahora de vuelta al proceso de cambio entre puntos de acceso. En una situación estándar, el cliente mantendrá la asociación existente con el punto de acceso el mayor tiempo posible. Exactamente mientras el nivel de señal le permita hacer esto. Tan pronto como se presente la situación de que el cliente ya no puede soportar la antigua asociación, comenzará el procedimiento de cambio descrito anteriormente. Sin embargo, el traspaso no ocurre instantáneamente; por lo general, lleva más de 100 ms completarlo, y esto ya es una cantidad notable. Existen varios estándares de gestión de recursos de radio para el grupo de trabajo IEEE 802.11 destinados a mejorar el tiempo de reconexión a una red inalámbrica: k, r y v. En nuestra línea Auranet, el soporte 802.11k se implementa en el punto de acceso CAP1200, y en la línea Omada en los puntos de acceso EAP225 y EAP225-Outdoor, se implementan los protocolos 802.11k y 802.11v.

802.11k

Este estándar permite que una red inalámbrica le diga a los dispositivos del cliente una lista de puntos de acceso vecinos y los números de canal en los que operan. La lista generada de puntos vecinos le permite acelerar la búsqueda de candidatos para el cambio. Si la señal del punto de acceso actual se debilita (por ejemplo, el cliente se elimina), el dispositivo buscará puntos de acceso vecinos de esta lista.

802.11r

La versión r del estándar define la función FT - Transición rápida (Transición rápida de conjuntos de servicios básicos), que permite acelerar la autenticación del cliente. FT se puede usar al cambiar un cliente inalámbrico de un punto de acceso a otro dentro de la misma red. Ambos métodos de autenticación pueden ser compatibles: PSK (clave previamente compartida) e IEEE 802.1X. La aceleración se lleva a cabo guardando las claves de cifrado en todos los puntos de acceso, es decir, el cliente no necesita pasar por el procedimiento completo de autenticación cuando se encuentra en itinerancia con la ayuda de un servidor remoto.

802.11v

Este estándar (Wireless Network Management) permite a los clientes inalámbricos intercambiar datos de servicio para mejorar el rendimiento general de la red inalámbrica. Una de las opciones más utilizadas es BTM (BSS Transition Management).
Por lo general, un cliente inalámbrico mide su conexión a un punto de acceso para tomar una decisión de itinerancia. Esto significa que el cliente no tiene información sobre lo que está sucediendo con el punto de acceso en sí mismo: la cantidad de clientes conectados, arranque del dispositivo, reinicios programados, etc. Al usar el BTM, el punto de acceso puede enviar una solicitud al cliente para cambiar a otro punto con mejores condiciones de trabajo , incluso con una señal ligeramente peor. Por lo tanto, el estándar 802.11v no está dirigido directamente a acelerar el proceso de conmutación del dispositivo inalámbrico del cliente, sin embargo, en combinación con 802.11k y 802.11r, proporciona programas más rápidos y aumenta la conveniencia de trabajar con redes inalámbricas Wi-Fi.

IEEE 802.11k en detalle

El estándar amplía las capacidades de RRM (Radio Resource Management) y permite que los clientes inalámbricos con soporte 11k soliciten de la red una lista de puntos de acceso vecinos que son potencialmente candidatos para la conmutación. El punto de acceso informa a los clientes sobre el soporte de 802.11k usando una bandera especial en Beacon. La solicitud se envía como un marco de gestión denominado marco de acción. El punto de acceso también responde con un marco de acción que contiene una lista de puntos vecinos y sus números de canal inalámbrico. La lista en sí no se almacena en el controlador, pero se genera automáticamente a pedido. También vale la pena señalar que esta lista depende de la ubicación del cliente y no contiene todos los puntos de acceso posibles de la red inalámbrica, sino solo los vecinos. Es decir, dos clientes inalámbricos, ubicados geográficamente en diferentes lugares, recibirán diferentes listas de dispositivos vecinos.

Con esta lista, el dispositivo cliente no necesita escanear (activo o pasivo) todos los canales inalámbricos en las bandas de 2.4 y 5 GHz, lo que reduce el uso de canales inalámbricos, es decir, libera ancho de banda adicional. Por lo tanto, 802.11k le permite reducir el tiempo dedicado por el cliente a la conmutación, así como mejorar el proceso de elegir un punto de acceso para conectarse. Además, la ausencia de escaneos adicionales le permite extender la vida útil de la batería del cliente inalámbrico. Vale la pena señalar que los puntos de acceso que operan en dos rangos pueden informar al cliente de información sobre puntos de un rango de frecuencia vecino.

Decidimos demostrar el funcionamiento de IEEE 802.11k en nuestro equipo inalámbrico, para lo cual utilizamos el controlador AC50 y los puntos de acceso CAP1200. Como fuente de tráfico, utilizamos uno de los mensajeros instantáneos populares con soporte de llamadas de voz, que se ejecuta en el teléfono inteligente Apple iPhone 8+, obviamente compatible con 802.11k. El perfil del tráfico de voz se presenta a continuación.



Como se puede ver en el diagrama, el códec utilizado genera un paquete de voz cada 10 ms. Explosiones y caídas notables en el gráfico se explican por una ligera variación en el retraso (fluctuación), siempre presente en las redes inalámbricas basadas en Wi-Fi. Configuramos la duplicación de tráfico en el conmutador , al que están conectados ambos puntos de acceso que participan en el experimento. Los cuadros de un punto de acceso cayeron en una tarjeta de red del sistema de recolección de tráfico, cuadros del segundo al segundo. En los volcados recibidos, solo se seleccionó el tráfico de voz. El retraso de la conmutación puede considerarse el intervalo de tiempo transcurrido desde el momento de la pérdida de tráfico a través de una interfaz de red y hasta que aparece en la segunda interfaz. Por supuesto, la precisión de la medición no puede exceder los 10 ms, lo que se debe a la estructura del tráfico en sí.

Entonces, sin la inclusión del soporte para el estándar 802.11k, el cambio del cliente inalámbrico se realizó en promedio en 120 ms, mientras que la activación de 802.11k permitió que este retraso se redujera a 100 ms. Por supuesto, entendemos que, aunque logramos reducir el retraso de conmutación en un 20%, sigue siendo alto. Será posible una mayor reducción del retraso con el uso conjunto de los estándares 11k, 11r y 11v, como ya se implementó en la serie de equipos inalámbricos domésticos de DECO .

Sin embargo, 802.11k tiene una carta de triunfo más en su manga: elegir el momento para cambiar. Esta característica no es tan obvia, por lo que nos gustaría mencionarla por separado, demostrando su trabajo en condiciones reales. Típicamente, el cliente inalámbrico espera hasta el último, manteniendo la asociación existente con el punto de acceso. Y solo cuando las características del canal inalámbrico se vuelven muy pobres, se inicia el proceso de cambio a un nuevo punto de acceso. Usando 802.11k, puede ayudar al cliente a cambiar, es decir, ofrecer producirlo antes, sin esperar una degradación de señal significativa (por supuesto, estamos hablando de un cliente móvil). Es el momento del cambio al que se dedica nuestro próximo experimento.

Experimento de calidad

Pasamos de un laboratorio estéril a un sitio de cliente real. En la sala se instalaron dos puntos de acceso con una potencia de radiación de 10 dBm (10 mW), un controlador inalámbrico y la infraestructura cableada de soporte necesaria. El diseño de las instalaciones y las ubicaciones de instalación de los puntos de acceso se presentan a continuación.



El cliente inalámbrico deambulaba por la habitación, haciendo una videollamada. Primero, apagamos el estándar 802.11k en el controlador y establecimos los lugares donde tuvo lugar el cambio. Como se puede ver en la imagen a continuación, esto sucedió a una distancia considerable del punto de acceso "antiguo", cerca del "nuevo"; En estos lugares, la señal se volvió muy débil y la velocidad apenas era suficiente para transmitir contenido de video. Hubo retrasos notables en la voz y el video al cambiar.



Luego activamos el soporte 802.11k y repetimos el experimento. Ahora el cambio ha ocurrido antes, en lugares donde la señal del punto de acceso "antiguo" todavía era lo suficientemente fuerte. No hubo retrasos en la voz y el video. El punto de conmutación ahora se ha movido a mitad de camino entre los puntos de acceso.



En este experimento, no nos propusimos el objetivo de descubrir ninguna característica numérica del cambio, sino solo demostrar cualitativamente la esencia de las diferencias observadas.

Conclusión

Todos los estándares y tecnologías descritos están diseñados para mejorar la experiencia del cliente de usar redes inalámbricas, hacer que su trabajo sea más cómodo, reducir la influencia de factores molestos y aumentar el rendimiento general de la infraestructura inalámbrica. Esperamos haber podido demostrar claramente los beneficios que recibirán los usuarios después de implementar estas opciones en redes inalámbricas.

¿Es posible vivir en una oficina sin roaming en 2018? En nuestra opinión, esto es bastante posible. Pero, habiendo intentado una vez moverse entre habitaciones y pisos sin perder una conexión, sin tener que restablecer una llamada de voz o video, sin verse obligado a repetir repetidamente lo que se dijo o preguntar de nuevo, no será realista rechazarlo.

PD y así es como se puede lograr la fluidez no en la oficina, sino en el hogar, lo cual se discutirá con más detalle en otro artículo.