Itinérance Wi-Fi transparente: la théorie en pratique

Nous traitons des technologies d'itinérance (Handover, Band Steering, IEEE 802.11k, r, v) et menons quelques expériences visuelles démontrant leur travail dans la pratique.

Présentation

Les réseaux sans fil du groupe de normes IEEE 802.11 se développent extrêmement rapidement aujourd'hui, de nouvelles technologies, de nouvelles approches et implémentations apparaissent. Cependant, avec le nombre croissant de normes, il devient de plus en plus difficile de les comprendre. Aujourd'hui, nous allons essayer de décrire certaines des technologies les plus courantes liées à l'itinérance (la procédure de reconnexion à un réseau sans fil), et également de voir comment l'itinérance transparente fonctionne dans la pratique.

Transfert ou «migration client»

En se connectant à un réseau sans fil, l'appareil client (qu'il s'agisse d'un smartphone avec Wi-Fi, d'une tablette, d'un ordinateur portable ou d'un PC équipé d'une carte sans fil) prendra en charge la connexion sans fil si les paramètres du signal restent à un niveau acceptable. Cependant, lorsque le périphérique client est déplacé, le signal du point d'accès avec lequel la communication a été initialement établie peut s'affaiblir, ce qui conduira tôt ou tard à l'incapacité totale de transmettre des données. Ayant perdu le contact avec le point d'accès, l'équipement client sélectionnera un nouveau point d'accès (bien sûr, s'il est à portée de main) et s'y connectera. Ce processus est appelé transfert. Officiellement, le transfert est une procédure de migration entre les points d'accès initiée et exécutée par le client lui-même (transfert - «transférer, céder, céder»). Dans ce cas, les SSID des anciens et des nouveaux points ne doivent même pas correspondre. De plus, le client peut se retrouver dans un sous-réseau IP complètement différent.

Tant dans l'ancien que dans le nouveau réseau, le client aura accès à Internet, mais toutes les connexions établies seront réinitialisées. Mais est-ce un problème? La commutation est généralement simple, car tous les navigateurs modernes, les messageries instantanées et les clients de messagerie gèrent la perte de connexion sans aucun problème. Un exemple d'un tel changement est la transition d'une salle de cinéma à un café dans un grand centre commercial: vous venez d'échanger des impressions de votre superproduction sensationnelle avec vos amis, et maintenant vous êtes prêt à partager avec eux une photo du chef-d'œuvre culinaire - le nouveau dessert du chef.
Hélas, la réalité n'est pas si lisse. Les appels vocaux et vidéo transmis sur les réseaux Wi-Fi sans fil gagnent de plus en plus en popularité - que vous utilisiez Skype, Viber, Telegram , WhatsApp ou toute autre application, la possibilité de se déplacer et de continuer la conversation sans interruption est inestimable. Et ici se pose le problème de minimiser le temps de commutation. Applications vocales en cours d'envoi de données toutes les 10-30 ms, selon le codec utilisé. La perte d'un ou d'une paire de ces paquets vocaux ne provoquera pas d'irritation pour les abonnés, cependant, si le trafic est interrompu pendant une plus longue période, il ne passera pas inaperçu. On pense généralement que l'interruption de la voix pendant jusqu'à 50 ms reste inaperçue par la plupart des interlocuteurs, tandis que l'absence de flux vocal pendant 150 ms provoque clairement une gêne.

Pour minimiser le temps passé à reconnecter l'abonné aux services multimédias, il est nécessaire d'apporter des modifications à la fois à l'infrastructure filaire de base (pour garantir que le client ne modifie pas les adresses IP externes et internes) et à la procédure de transfert décrite ci-dessous.

Transfert entre points d'accès:

1. Définissez une liste de candidats potentiels (points d'accès) pour le changement.
   
2. Définissez l'état CAC (Call Admission Control - contrôlez la disponibilité des appels, c'est-à-dire en fait le degré de charge sur l'appareil) du nouveau point d'accès.
   
3. Déterminez le moment de basculer.
   
4. Basculez vers un nouveau point d'accès:
   

Dans les réseaux sans fil IEEE 802.11, toutes les décisions de commutation sont prises par le côté client.


Source: frankandernest.com

Direction de bande

La technologie de pilotage de bande permet à une infrastructure de réseau sans fil de transférer un client d'une gamme de fréquences à une autre, nous parlons généralement de forcer le client à passer de la bande 2,4 GHz à la bande 5 GHz. Bien que le pilotage de bande ne soit pas directement lié à l'itinérance, nous avons tout de même décidé de le mentionner ici, car il est associé à la commutation de l'appareil client et est pris en charge par tous nos points d'accès double bande.

Dans quel cas, il peut être nécessaire de basculer le client sur une autre plage de fréquences? Par exemple, un tel besoin peut être associé au transfert du client de la bande surchargée de 2,4 GHz vers la bande 5 GHz plus libre et plus rapide. Mais il y a d'autres raisons.

Il convient de noter qu'à l'heure actuelle, il n'existe aucune norme qui réglemente strictement le fonctionnement de la technologie décrite, de sorte que chaque fabricant la met en œuvre à sa manière. Cependant, l'idée générale reste à peu près la même: les points d'accès n'annoncent pas le client effectuant le scan actif, le SSID dans la bande 2,4 GHz, si pendant un certain temps l'activité de ce client a été remarquée à une fréquence de 5 GHz. Autrement dit, les points d'accès, en fait, peuvent simplement être silencieux sur la disponibilité du support pour la bande 2,4 GHz, s'il était possible d'établir la présence d'un support client pour la fréquence de 5 GHz.

Il existe plusieurs modes de fonctionnement de la bande de pilotage:

1. Forcer la connexion. Dans ce mode, le client, en principe, n'est pas informé de la disponibilité de la prise en charge de la bande 2,4 GHz, bien sûr, si le client prend en charge la fréquence 5 GHz.
   
2. Connexion préférée. Le client est obligé de se connecter dans la bande 5 GHz uniquement si le RSSI (Received Signal Strength Indicator) est supérieur à une certaine valeur seuil, sinon le client est autorisé à se connecter à la bande 2,4 GHz.
   
3. Équilibrage de charge. Certains clients prenant en charge les deux gammes de fréquences se connectent au réseau 2,4 GHz et certains se connectent au réseau 5 GHz. Ce mode ne permettra pas de surcharger la bande de 5 GHz si tous les clients sans fil prennent en charge les deux bandes de fréquences.
   

Bien sûr, les clients ne prenant en charge qu'une seule gamme de fréquences peuvent s'y connecter sans aucun problème.

Dans le diagramme ci-dessous, nous avons essayé de représenter graphiquement l'essence de la technologie de guidage par bande.

Technologie et normes

Revenons maintenant au processus de basculement entre les points d'accès. Dans une situation standard, le client maintiendra l'association existante avec le point d'accès aussi longtemps que possible. Exactement tant que le niveau du signal vous le permet. Dès que la situation se présente et que le client ne peut plus prendre en charge l'ancienne association, la procédure de commutation décrite précédemment démarre. Cependant, le transfert ne se produit pas instantanément; il faut généralement plus de 100 ms pour terminer, et c'est déjà une quantité notable. Il existe plusieurs normes de gestion des ressources radio pour le groupe de travail IEEE 802.11 visant à améliorer le temps de reconnexion à un réseau sans fil: k, r et v. Dans notre ligne Auranet, la prise en charge 802.11k est implémentée sur le point d'accès CAP1200, et dans la ligne Omada sur les points d'accès EAP225 et EAP225-Outdoor, les protocoles 802.11k et 802.11v sont implémentés.

802.11k

Cette norme permet à un réseau sans fil d'indiquer aux appareils clients une liste des points d'accès voisins et les numéros de canal sur lesquels ils opèrent. La liste générée des points voisins vous permet d'accélérer la recherche de candidats pour le changement. Si le signal du point d'accès actuel s'affaiblit (par exemple, le client est supprimé), l'appareil recherche les points d'accès voisins dans cette liste.

802.11r

La version r de la norme définit la fonction FT - Fast Transition (Fast Basic Service Set Transition), qui permet d'accélérer l'authentification client. FT peut être utilisé lors de la commutation d'un client sans fil d'un point d'accès à un autre au sein du même réseau. Les deux méthodes d'authentification peuvent être prises en charge: PSK (clé pré-partagée) et IEEE 802.1X. L'accélération est réalisée en enregistrant les clés de chiffrement à tous les points d'accès, c'est-à-dire que le client n'a pas besoin de passer par la procédure d'authentification complète lors de l'itinérance à l'aide d'un serveur distant.

802.11v

Cette norme (Wireless Network Management) permet aux clients sans fil d'échanger des données de service pour améliorer les performances globales du réseau sans fil. L'une des options les plus utilisées est BTM (BSS Transition Management).
En règle générale, un client sans fil mesure sa connexion à un point d'accès pour prendre une décision d'itinérance. Cela signifie que le client n'a pas d'informations sur ce qui se passe avec le point d'accès lui-même: le nombre de clients connectés, le démarrage de l'appareil, les redémarrages planifiés, etc. Grâce au BTM, le point d'accès peut envoyer une demande au client pour basculer vers un autre point avec de meilleures conditions de travail , même avec un signal légèrement pire. Ainsi, la norme 802.11v ne vise pas directement à accélérer le processus de commutation du périphérique sans fil client, cependant, en combinaison avec 802.11k et 802.11r, elle fournit des programmes plus rapides et augmente la commodité de travailler avec les réseaux Wi-Fi sans fil.

IEEE 802.11k en détail

La norme étend les capacités de RRM (Radio Resource Management) et permet aux clients sans fil avec prise en charge 11k de demander au réseau une liste de points d'accès voisins potentiellement candidats à la commutation. Le point d'accès informe les clients sur la prise en charge 802.11k à l'aide d'un indicateur spécial dans Beacon. La demande est envoyée sous la forme d'une trame de gestion appelée trame d'action. Le point d'accès répond également par une trame d'action contenant une liste de points voisins et leurs numéros de canaux sans fil. La liste elle-même n'est pas stockée sur le contrôleur, mais est générée automatiquement sur demande. Il est également intéressant de noter que cette liste dépend de l'emplacement du client et ne contient pas tous les points d'accès possibles du réseau sans fil, mais seulement ceux voisins. Autrement dit, deux clients sans fil, situés géographiquement à différents endroits, recevront différentes listes d'appareils voisins.

Avec cette liste, le périphérique client n'a pas besoin de balayer (actif ou passif) tous les canaux sans fil dans les bandes 2,4 et 5 GHz, ce qui réduit l'utilisation des canaux sans fil, c'est-à-dire libérer de la bande passante supplémentaire. Ainsi, 802.11k vous permet de réduire le temps passé par le client à la commutation, ainsi que d'améliorer le processus de choix d'un point d'accès à connecter. De plus, l'absence de besoin d'analyses supplémentaires vous permet de prolonger la durée de vie de la batterie du client sans fil. Il convient de noter que les points d'accès fonctionnant dans deux gammes peuvent informer le client des informations sur les points d'une gamme de fréquences voisine.

Nous avons décidé de démontrer le fonctionnement de l'IEEE 802.11k dans notre équipement sans fil, pour lequel nous avons utilisé le contrôleur AC50 et les points d'accès CAP1200. En tant que source de trafic, nous avons utilisé l'un des messagers instantanés populaires avec prise en charge des appels vocaux, fonctionnant sur le smartphone Apple iPhone 8+, prenant évidemment en charge la norme 802.11k. Le profil du trafic vocal est présenté ci-dessous.



Comme le montre le diagramme, le codec utilisé génère un paquet vocal toutes les 10 ms. Les rafales et creux notables sur le graphique s'expliquent par une légère variation du retard (gigue), toujours présent dans les réseaux sans fil Wi-Fi. Nous avons configuré la mise en miroir du trafic sur le commutateur , auquel les deux points d'accès participant à l'expérience sont connectés. Les trames d'un point d'accès sont tombées dans une carte réseau du système de collecte de trafic, les trames du deuxième dans le second. Dans les vidages reçus, seul le trafic vocal a été sélectionné. Le retard de commutation peut être considéré comme l'intervalle de temps écoulé entre le moment de la perte de trafic via une interface réseau et jusqu'à ce qu'il apparaisse sur la seconde interface. Bien entendu, la précision de mesure ne peut pas dépasser 10 ms, ce qui est dû à la structure du trafic lui-même.

Ainsi, sans la prise en charge de la norme 802.11k, la commutation du client sans fil a eu lieu en moyenne en 120 ms, tandis que l'activation de 802.11k a permis de réduire ce délai à 100 ms. Bien sûr, nous comprenons que bien que nous ayons réussi à réduire le retard de commutation de 20%, il reste élevé. Une réduction supplémentaire des retards sera possible grâce à l'utilisation conjointe des normes 11k, 11r et 11v, déjà mises en œuvre dans la série d'équipements sans fil pour la maison DECO .

Cependant, 802.11k a une carte maîtresse de plus dans sa manche: choisir le moment de basculer. Cette fonctionnalité n'est pas si évidente, nous aimerions donc la mentionner séparément, démontrant son travail en conditions réelles. En règle générale, le client sans fil attend jusqu'au dernier, conservant l'association existante avec le point d'accès. Et ce n'est que lorsque les caractéristiques du canal sans fil deviennent très médiocres que le processus de basculement vers un nouveau point d'accès est lancé. En utilisant 802.11k, vous pouvez aider le client à commuter, c'est-à-dire proposer de le produire plus tôt, sans attendre une dégradation significative du signal (bien sûr, nous parlons d'un client mobile). C'est au moment du basculement que notre prochaine expérience est consacrée.

Expérience qualité

Nous passons d'un laboratoire stérile à un véritable site client. Deux points d'accès d'une puissance de rayonnement de 10 dBm (10 mW), un contrôleur sans fil et l'infrastructure câblée de soutien nécessaire ont été installés dans la salle. La disposition des locaux et les emplacements d'installation des points d'accès sont présentés ci-dessous.



Le client sans fil parcourait la pièce pour passer un appel vidéo. Tout d'abord, nous avons désactivé la norme 802.11k dans le contrôleur et défini les emplacements où le commutateur a eu lieu. Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous, cela s'est produit à une distance considérable de «l'ancien» point d'accès, près du «nouveau»; à ces endroits, le signal est devenu très faible et la vitesse était à peine suffisante pour transmettre du contenu vidéo. Il y avait des décalages notables dans la voix et la vidéo lors du changement.



Ensuite, nous avons activé le support 802.11k et répété l'expérience. Maintenant, la commutation s'est produite plus tôt, dans des endroits où le signal de l '"ancien" point d'accès était encore assez fort. Il n'y avait aucun décalage dans la voix et la vidéo. Le point de commutation s'est maintenant déplacé à mi-chemin entre les points d'accès.



Dans cette expérience, nous ne nous sommes pas fixé pour objectif de découvrir des caractéristiques numériques de la commutation, mais seulement de démontrer qualitativement l'essence des différences observées.

Conclusion

Toutes les normes et technologies décrites sont conçues pour améliorer l'expérience du client dans l'utilisation des réseaux sans fil, rendre son travail plus confortable, réduire l'influence des facteurs gênants et augmenter les performances globales de l'infrastructure sans fil. Nous espérons que nous avons pu démontrer clairement les avantages que les utilisateurs recevront après avoir implémenté ces options dans les réseaux sans fil.

Est-il possible de vivre dans un bureau sans itinérance en 2018? À notre avis, cela est tout à fait possible. Mais, après avoir essayé une fois de se déplacer entre les pièces et les étages sans perdre la connexion, sans avoir à rétablir un appel vocal ou vidéo, sans être obligé de répéter à plusieurs reprises ce qui a été dit ou de demander à nouveau, il sera irréaliste de le refuser.

PS et c'est ainsi que la transparence peut se faire non pas au bureau, mais à la maison, ce qui sera discuté plus en détail dans un autre article.