Por que o Wi-Fi não funcionará conforme o planejado e por que saber qual telefone o funcionário usa

Oi

Vamos falar sobre o que realmente afeta a velocidade de transferência de dados nas redes sem fio modernas, dissipar alguns mitos e responder se é hora de mudar o seu roteador antigo para um alienígena com MU-MIMO a bordo.

Para um aquecimento é uma tarefa pequena. Imagine uma rede Wi-Fi sem fio que consiste em um ponto de acesso (AP) e dois dispositivos clientes idênticos (STA1 e STA2).

Lemos as inscrições nas caixas:
AP: 1733.3 Mbps
STA1, STA2: 866,7 Mbps

Atenção, uma pergunta. Ambos os clientes começam simultaneamente a baixar um arquivo grande do servidor. Que largura de banda cada dispositivo pode esperar?

Faremos uma reserva imediatamente - por simplicidade e clareza, chamaremos a taxa de transferência (velocidade do canal) simplesmente de velocidade . Sim, a velocidade dos protocolos da camada de transporte pode ser duas vezes menor que a nossa velocidade , mas você já sabe tudo isso. Agora sobre outra coisa.

Nossa tarefa é recuperar a principal limitação das redes sem fio.
Uma mídia compartilhada implica que apenas um dispositivo deve transmitir por unidade de tempo.

Esse fato nos leva a uma resposta contra-intuitiva: apesar do ponto de acesso ser capaz de suportar 1733,3 Mbit / s, cada um dos dispositivos funcionará, em média, a uma velocidade de 433,3 Mbit / s.



Para onde foram os 866,7 Mbps restantes? Vamos acertar.

É conveniente usar a métrica Airtime Utilization para descrever como as redes sem fio funcionam. Mostra quanto tempo o éter está ocupado transmitindo dados.

Agora atenção! Para desenvolver os 1733,3 Mbit / s reivindicados, o dispositivo deve ocupar sozinho o ar 100% do tempo. Nesse caso, o segundo dispositivo (recebendo) também deve suportar essa velocidade.

Enfatizamos mais uma vez - a conexão entre dispositivos que suportam velocidades diferentes é realizada na velocidade do menos rápido do par.

Tudo fica mais triste se o máximo do dispositivo, por exemplo, for 72,2 Mbit / s. Você precisará emprestar os mesmos 100% de éter, mas o resultado não é de todo impressionante.

By the way, 72,2 Mbit / s - a velocidade não é aleatória. A maioria dos smartphones modernos pode não contar com mais, mas mais com isso mais tarde.

Agora de volta para STA1 e STA2. De acordo com as condições, eles começaram a carregar o arquivo no servidor ao mesmo tempo. Lembramos que apenas um dispositivo pode transmitir por unidade de tempo.
Coordena o CSMA / CA - acesso múltiplo por transportadora com detecção de colisão por Wi-Fi. Em suma, sua tarefa é conceder o direito de voto a todos os dispositivos de maneira consistente, embora, se possível, não permita a transmissão simultânea de dois ou mais dispositivos (colisões).

Você pode ler a Wikipedia se quiser mais detalhes.
E é melhor . Ou - aqui , se você é muito sério.

E onde está a utilização do tempo de antena? E, apesar do resultado do trabalho do CSMA / CA nesse caso, cada um dos dois dispositivos clientes prontos para transferência receberá cerca da metade do tempo de antena, ou 50% do tempo de antena, para suas necessidades.

Tempo de antena de 100% - 866,7 Mbps;
Tempo de antena de 50% - 433,3 Mbps para cada um dos dispositivos.

Essa imagem não muda, mesmo se o ponto de acesso suportar todos os 6933,3 Mbit / s. A comunicação entre o AP e o STA é sempre limitada pela velocidade dos dispositivos menos rápidos.

Por curiosidade, você pode brincar com as condições do problema:
Mude a velocidade para STA2 - 72,2 Mbps;
Adicione STA3, a velocidade é 72,2 Mbps.
O que resta dos 1733,3 Mbps reivindicados?

Esclarecimento importante número 1

Para ser justo, acrescentamos que esses cálculos estão corretos quando a funcionalidade Airtime Fairness foi ativada no BS, sem isso tudo seria muito pior - dispositivos clientes lentos levariam à distribuição mais ineficiente do Airtime. É bom que a tecnologia tenha sido implementada por quase todos os fornecedores que se respeitam.

Mas há uma ressalva: Airtime Fairness só funciona no Downlink (do AP ao STA). O uplink ainda tem anarquia.

Esclarecimento importante No. 2

Em uma rede real, devido ao congestionamento de ar, colisões e recursos do protocolo, o nível máximo alcançável de utilização do tempo de antena está na faixa de 70% a 80%.
A velocidade calculada por nós mudará de acordo.

Por que tanto tempo um prelúdio? Saiba quais dispositivos clientes são usados ​​na sua rede. Seu impacto no desempenho em um ambiente de dados compartilhados é subestimado criticamente. A seguir, entenderemos quanto.

Parte 1 - Os clientes culpam tudo

Ou dispositivos clientes, se quiser. De que são culpados e o que, de fato, os distingue dos pontos de acesso?



Tudo é simples. Na maioria das vezes, os clientes são compactos, autônomos e móveis. Todos os problemas decorrem disso.

Caixa de metal elegante com uma espessura de 7 mm? Para a colocação de 4 caminhos de rádio MIMO, você não pode imaginar melhor.

A transferência de dados multithread e os canais amplos consomem muito energia? Nada, deixe-os carregar o dispositivo várias vezes ao dia.

Os clientes estão em constante movimento? Bobagem - desaparafuse a potência nos pontos ao máximo.

Em tais circunstâncias, os desenvolvedores são forçados a se comprometer.

Lembra do poderoso ponto de acesso (1733 Mbps) da introdução ao artigo? Vamos ainda mais longe. O padrão 802.11ac nos permite acelerar para impressionantes 6933 Mbps.

As condições para isso são as seguintes:

1. 5 GHz;
2. 8 fluxos espaciais (MIMO 8x8: 8);
3. 160 MHz - largura do canal;
4. 256QAM - modulação.

Os pontos de acesso compatíveis no mercado estão representados mesmo no segmento de consumo. O que há com os clientes?

Para maior clareza, vamos realizar um experimento mental: conecte ao nosso ponto abstrato um smartphone muito específico - iPhone 8. Vamos ver do que ele é capaz.

2,4 GHz vs 5 GHz

Observações de longo prazo confirmam que há cada vez mais dispositivos funcionando nos "cinco". E isso é maravilhoso.

A única vantagem de 2,4 GHz - menos atenuação - hoje se tornou quase uma desvantagem.

Ao projetar redes densas, uma das tarefas é combater a interferência. Lutamos, entre outras coisas, isolando as áreas de cobertura do AP. As paredes são usadas, a potência do transmissor é subestimada e o "alcance" das duas é claramente supérfluo.

De uma forma ou de outra - o futuro do Wi-Fi está nos "cinco", se você não considerar casos muito estreitos.
As estatísticas, no entanto, não fornecem dados inequívocos e confiáveis ​​sobre a distribuição de dispositivos - há muitas variáveis ​​(país, região, localização, evento e outras).

Talvez hoje possamos dizer com cautela que na Rússia alcançamos uma proporção de 50/50 para suporte em dispositivos clientes da banda de 5 GHz.

Como será a sua rede é outra questão.
Nosso iPhone imaginário 8, aliás, suporta os "cinco", muito bem.

Mimo

A capacidade de transmitir simultaneamente vários fluxos de dados em um único canal de frequência apareceu no 802.11n. No entanto, as coisas ainda estão lá:

• Os clientes MIMO 8x8: 8 ainda não suportam. De todo;
• Ausência quase completa de dispositivos clientes com MIMO 4x4: 4 - veja o comentário abaixo;
• Principais laptops compatíveis com MIMO 3x3: 3;
• Smartphones e tablets de última geração compatíveis com MIMO 2x2: 2;
• A grande maioria dos dispositivos é SISO 1x1: 1.

E tudo porque a tecnologia MIMO é muito exigente:




Os dispositivos clientes com MIMO 4x4: 4 começaram a aparecer no mercado recentemente. Estes são principalmente adaptadores Wi-Fi dedicados, mas a Samsung recentemente nos surpreendeu, afirmando na descrição do seu novo Galaxy Note 9 - MIMO 4x4. É muito inadequado, porque queríamos escrever que ainda não existem dispositivos móveis com características semelhantes no mercado.

A este respeito, uma competição.


Como se costuma dizer - exceções confirmam a regra.

Dispositivos com MIMO 4x4: 4 - quase nenhum. MIMO 3x3: 3 é o lote do raro Macbook Pro. MIMO 2x2: 2 - em smartphones e tablets de última geração. A maioria estatística são dispositivos que não suportam MIMO.

Não seremos como a maioria. Nosso iPhone 8 é um smartphone topo de linha que suporta a transferência de até dois fluxos espaciais.

Como sabemos que isso é uma pergunta importante. Vamos contar na última parte do artigo.

Como lembramos, a comunicação entre dispositivos que suportam velocidades diferentes é realizada na velocidade do menos rápido do par.

Em suma - e 1733,3 Mbps permaneceu. Triste Mas divertido - são quase dois gigabits!

Largura do canal

O 802.11ac nos permite usar canais com uma largura de 160 MHz.
Por favor, não faça isso.

Além disso, os canais de 80 MHz também não são categoricamente recomendados para uso.


O fato é que, expandindo a banda, de fato, abrimos os portões para interferências de todas as faixas - estragamos o ar para nós e nossos vizinhos.

Não analisaremos detalhadamente por que isso acontece - este é um artigo separado, mas você pode se familiarizar independentemente com as recomendações e os guias de melhores práticas dos principais fornecedores - apenas 20 MHz, com raras exceções.

Só é permitido 40 MHz nos "cinco", se a densidade dos clientes e a situação no ar permitir.

Mas somos otimistas - assumiremos que nossa rede é exatamente isso.
Assim, a partir de 1733,3 Mbit / s, restam 400 Mbit / s - para um canal com uma largura de 40 MHz.


Ok, não é mais tão impressionante, mas ainda não é ruim, certo?

PS: Se você mora em uma floresta e entende muito bem o que está fazendo - bem, ligue 160 MHz. Não é o fato de que haverá algum sentido. Por exemplo, o notório iPhone 8 não suporta essa largura de canal, embora tenha sido lançado apenas um ano atrás.

Leia até o fim para descobrir do que seu dispositivo é capaz.

Modulação

Um fato curioso: os dispositivos clientes são as principais fontes de interferência na rede.
Para que serve? E o fato de que mesmo uma rede perfeitamente planejada e configurada não garante a operação com modulações máximas, porque o 256QAM possui requisitos muito altos para a qualidade do sinal - RSSI e SNR.

Falaremos mais sobre RSSI, e o SNR sofre diretamente com clientes com antenas omnidirecionais - móveis e imprevisíveis. Bem, e não apenas deles, é claro.



Como resultado, espere que na maioria das vezes os clientes usem modulações menos exigentes. Por exemplo, 64QAM.

Em nosso experimento, isso reduz cruelmente a velocidade para 300 Mbps.


Quanto ao RSSI, este é o nosso parâmetro favorito. Não há descrições e requisitos para isso no padrão 802.11; portanto, cada fornecedor vê essa métrica à sua maneira. Assim, diferentes dispositivos clientes exibirão RSSI diferentes no mesmo local.

A propósito, que nível você está planejando? -67 dBm? E para qual dispositivo?

Subtotal # 1

Mesmo com um cenário muito otimista, o cliente receberá apenas 300 Mb / s de largura de banda - em vez de 6933 Mb / s. E isso é se o cliente é apenas um! Você conhece muitas dessas redes?

Lembre-se dos quebra-cabeças. Quanto mais clientes, pior. Eles não queriam se incomodar com antecedência, mas a dependência é não linear. Com o crescente número de dispositivos na rede, a porcentagem de sobrecarga aumenta.


Conclusão: o desempenho depende muito dos clientes conectados. Muito provavelmente, suas habilidades serão muito limitadas.

O cenário otimista é de 300 Mb / s (5 GHz, 40 MHz, 2SS, 64QAM).
Cenário realista - 72 Mbps (2,4 ou 5 GHz, 20 MHz, 1SS, 64QAM).

Parte 2 - O que mais há de errado com os dispositivos clientes

Sim, tudo está apenas começando.

Três grandes problemas podem ser distinguidos:

• Variedade;
• Imprevisibilidade;
• Vulnerabilidade.

Vamos analisá-los com mais detalhes.

Variedade

Lembra do nosso iPhone 8? Bom telefone, a propósito. Você sabia que a Apple deixou de receber a certificação Wi-Fi Alliance desde o iPhone 6?
Você pode verificar por conta própria - as informações estão abertas. . Ao mesmo tempo, escreva nos comentários sobre outras descobertas surpreendentes.

Que tipo de organização é a Wi-Fi Alliance?
Os caras estão tentando manter a ordem no zoológico. O ícone Wi-Fi Certified significa que o dispositivo foi verificado quanto à conformidade com os principais pontos do padrão 802.11. A verificação é realizada em laboratórios credenciados, todos mais ou menos a sério.

Por que essa necessidade surgiu?
Para garantir a compatibilidade com milhões de vários dispositivos trabalhando em chipsets diferentes e desenvolvidos por pessoas com diferentes graus de qualificação e diretrizes morais.

Isso ajudou?
Na verdade não. Como mostra a prática, cada fornecedor tem sua própria visão única e se desvia do padrão (bem-intencionado, é claro).

Um exemplo divertido é o KRACK do ano passado. Nem todos os dispositivos estavam vulneráveis, pois muitos fabricantes interpretaram o procedimento de troca de chaves à sua maneira. Em particular, como se comportar se não houver resposta à terceira mensagem na sequência do Handshake de 4 vias. Leia mais se estiver interessado.

Qual é o resultado?
O zoológico.

A maneira mais fácil, por razões óbvias, é com a Apple. Embora eles não certifiquem seus novos produtos, a frota de dispositivos ainda é limitada. Portanto, você pode testar o comportamento em vários cenários.

Em seguida vem o Android. Aqui muito depende do fabricante, mas em geral - ainda mais incógnitas. Adicione o chinês aqui.

É aí que as idéias de classificação terminam. Sistemas operacionais, drivers, dispositivos legados, multicookers, fechaduras de portas, câmeras de CFTV - BYOD e IoT em toda a sua glória.

O problema é agravado pelo fato de que muitas decisões críticas são tomadas por dispositivos clientes por conta própria e você não pode influenciá-las diretamente.
Conecte-se ao "cinco" ou ao "empate"?
Em roaming ou em um AP antigo?
Em que modulação trabalhar?

Mais sobre isso no próximo capítulo.

Imprevisibilidade

O Wi-Fi foi projetado para que os dispositivos clientes tentem lidar com as dificuldades por conta própria. Essas soluções nem sempre são ótimas.



Se parecer ao dispositivo que é melhor sentar no sexto canal com um nível de -85 dBm do que reconectar-se a um ponto adjacente com um nível de -50 dBm trabalhando em um "cinco" gratuito - será assim.

Não há mecanismos eficazes para controlar diretamente o comportamento dos dispositivos clientes. Essa é a diferença, por exemplo, das comunicações celulares.

Você se opõe - mas e os 802.11k (aprimoramentos de medição de recursos de rádio) e 802.11v (gerenciamento de rede sem fio), adotados em 2008 e 2011, respectivamente?

Teoricamente, esses padrões visam solucionar o problema. Praticamente - nada funciona.

Sim, o ponto pode enviar uma solicitação de balanceamento de carga - peça educadamente ao cliente que faça roaming. Ninguém é necessário para atender a essa solicitação. Além disso, ainda existem poucos clientes que suportam 802.11k e v.

A principal aplicação dos padrões descritos acima é auxiliar no mecanismo de roaming rápido 802.11r (transição rápida do BSS). O cliente recebe uma lista dos pontos de acesso mais próximos aos quais ele deve se reconectar - e o dispositivo extravagante já decide o que é melhor para ele.

Muitas cópias são quebradas sobre roaming, bons artigos podem ser encontrados aqui em Habré.
Um Dois.
Ainda existe um estudo monumental (mas incompleto) da bela Andrew von Nagy -
três

Não nos repetiremos, apenas enfatizaremos mais uma vez: alternar entre APs está na consciência do cliente. A partir disso e da maioria dos problemas.

Os fornecedores estão tentando combater a independência dos clientes. As ferramentas padrão não ajudam, portanto, truques são usados. É como nos livros de negócios: não tente convencer - faça com que o próprio cliente tenha a escolha certa.

Assim, por exemplo, o Band Steering funciona (um mecanismo para transferir clientes dos "dois" para os "cinco" mais livres):

1. O dispositivo está tentando se conectar à rede. Provavelmente, serão precisamente 2,4 GHz: o driver do dispositivo acha que isso será melhor - olha, que sinal forte!
2. O ponto de acesso verifica se o dispositivo suporta 5 GHz. MAC-, «» ;
3. DualBand- ( ) 2,4 ;
4. , ;
5. Voila!

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

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№2

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Samsung Galaxy S9 :


Samsung.

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2.

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— Mike Albano.



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• MU-MIMO;
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3.

, — AP, . , — Wi-Fi «» 802.11-. , .
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— , , iPhone 8 MU-MIMO. .

, PCAP-, , clients.mikealbano.com

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

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№3

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Conclusão

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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.