[Перевод] 802.одиннадцать чего там ещё? Почему WiFi – отстой, и что с этим делать
Хорошая новость в том, что если правильно его построить, он уже не будет таким отстойным
Когда сети на основе стандарта беспроводной связи 802.11b в конце 90-х вышли на рынок, то на бумаге они выглядели прекрасно. Они обещали »11 Мбит/с» по сравнению со скоростью 10 Мбит/с по проводам Ethernet, и можно было подумать, что беспроводная сеть на самом деле работает быстрее, чем Ethernet. Прошло немало времени, прежде чем я познакомился с беспроводными сетями — смартфоны тогда ещё не выстрелили, ноутбуки были чрезвычайно дорогими, маломощными и тяжёлыми. А я уже ставил в офисы своим клиентам и себе домой Fast Ethernet (100 Мбит/с), так что идея урезания скорости на 90% меня не привлекала.
В начале 2000-х всё начало меняться. Ноутбуки уменьшались, становились легче и дешевле –, а ещё в них стали встраивать WiFi. Малый бизнес начал присматриваться к обещанным стандартом »11 Мбит/с» и размышлять — раз 10 Мбит/с в старом офисе хватало, почему бы не поставить в новом беспроводную сеть? Моё первое знакомство с WiFi состоялось, когда я разбирался с последствиями такого решения, и первое впечатление оказалось плохим. Оказывается, что »11 Мбит/с» — это максимальный физический уровень чистого битрейта, а не скорость, с которой реальные данные смогут передаваться между компьютерами. На практике он был не особенно лучше диалапа — как по скорости, так и по надёжности. На самом деле, если разместить все устройства довольно близко друг к другу и к точке доступа, то можно было ожидать, в лучшем случае, 1 Мбит/с — около 125 Кб/с. А так было ещё хуже — если десять компьютеров пытаются достучаться до сервера, нужно поделить эти 125 Кб/с и получить 12,5 Кб/с для каждого из них.
Роутер D-Link DI-514 802.11b, довольно неплохой роутер для своего времени. Для этого тёмного и страшного времени.
И когда все, в общем-то, уже привыкли к тому, что 802.11b — это отстой, появился 802.11g. Он обещал скорость в 54 Мбит/с, вполовину медленнее, чем Fast Ethernet, но в 5 раз быстрее, чем обычный Ethernet! Да? Нет. Так же, как и в случае с 802.11g, рекламируемая скорость обозначала максимальный физический уровень чистого битрейта, а не то, что вы сможете увидеть на индикаторе копирования. И точно так же, как в случае с 802.11b, в лучшем случае вы получали 1/10 от этой скорости — порядка 5 Мбит/с — и разделяли эти 5 Мбит/с между всеми компьютерами сети, а не получали её для каждого из них.
В 2010 был представлен 802.11n, обещавший 600 Мбит/с. Офигеть! Ладно, то есть, он не такой быстрый, как гигабитный Ethernet, стоимость которого как раз в то время упала до приемлемого уровня, но это ведь в 6 раз быстрее, чем Fast Ethernet, да? Опять-таки — разумно было ожидать 1/10 от этой скорости. Возможно. При хорошей погоде. Для одного устройства.
Когда в конце 2013 года на рынок вышел 802.11ac, коробки в магазинах заявляли всё более и более удивительные скорости, многие из которых были в несколько раз выше, чем максимальная скорость потребительского проводного интернета. Годы шли, и они заявляли 1,3 Гбит/с! 2,7 Гбит/с! 5,3 Гбит/с! Но к тому времени я уже перестал обращать на них внимание. Маркетологи вцепились в биты зубами и не собирались их отпускать. WiFi даже не приближается по скорости к проводному интернету; реклама врёт, ясно-понятно.
Давно перестав восхищаться WiFi, я очень удивился, когда WiFi mesh-сети взорвали рынок в 2016, и в результате я начал в них разбираться.
Распакуем рекламную упаковку
Допустим, коробка с беспроводным роутером предлагает вам:
Роутер AC5300 с прорывной трёхдиапазонной WiFi технологией с уникальными скоростями беспроводной связи до 5 322 Мбит/с. Благодаря потокам данных 4×4 их можно комбинировать при помощи технологий формирования луча и MU-MIMO для увеличения дальности и надёжности!
Реальный текст с коробки, между прочим. И этим занимается не только D-Link — то же самое делают Netgear, Linksys, ASUS и TP-Link. Сейчас мы уже знаем, что это никак не означает, что мы подключим ноутбук и начнём скачивать файлы со скоростью 600 Мб/с. Но что же это значит?
Дело начинает запутываться, если попытаться расшифровать рейтинг скорости AC5300. Эти цифры получаются, если взять скорость PHY каждого передатчика в роутере, умноженное на максимальное количество MIMO-потоков и всё это сложить. DIR-895L/R работает в трёх диапазонах и может передавать и получать на трёх разных WiFi каналах одновременно: два канала на 5 ГГц и один на 2,4 ГГц. Если предположить, что соседские сети вам не мешают, то вы можете подключить три устройства — ноут, смарт и планшет — одновременно к разным передатчикам и по разным каналам. Пока неплохо!
У нас есть два передатчика на 5 ГГц с каналами шириной в 80 МГц и передатчик на 2,4 ГГц с каналом на 40 МГц. Каждый из них поддерживает до 4 потоков MIMO. К сожалению, цифры не сходятся — 433 Мбит/с на канале 5 ГГц шириной 80 ГГц, умноженный на 4 потока, даёт 1 732 Мбит/с, а D-Link заявляет от 2 166 Мбит/с на передатчик в 5 ГГц. Откуда берутся лишние 108,5 Мбит/с? Простого ответа не найти. Но, в зависимости от уровня цинизма, это либо «проприетарное расширение 802.11, которое ваше устройство может поддерживать, а может и не поддерживать, со сжатием, которое может подходить к вашим данным, а может и не подходить», либо «рекламная фигня». Это уже стандартная практика, из-за которой 3×3 роутеры с двумя диапазонами внезапно превращаются из «AC1700» в «AC1900».
Ещё хуже выходит, если изучить часть касательно 2,4 ГГц того самого рейтинга «AC5300». D-Link заявляет скорость 1000 Мбит/с для передатчика 2,4 ГГц. Скорость PHY для ширины в MHz каналов 802.11n 2.4ГГц составляет 150 Мбит/с, и 150 Мбит/с, помноженное на 4 потока MIMO = 600 Мбит/с. Куда делись 400 Мбит/с? Каждый решает сам. Судя по всему, они приписали себе дополнительные 50 Мбит/с на канал, предполагая модуляцию 256-QAM на 2,4 ГГц, хотя это нестандартно и не одобрено IEEE, и такую вещь мало кто будет поддерживать. Это уже 800 Мбит/с. Всё ещё не хватает 200, чтобы дотянуть до 1000 Мбит/с, но это те же самые 20%, которые D-Link приписал себе за «сжатие» данных на частоте 5 ГГц. Вероятно.
Что бывает, если не сдерживать рекламный отдел. Не хватает только наклейки «Type R» [Type R — обозначение «гоночного» (racing) характера автомобиля, впервые появившееся на Honda Civic. В переносном смысле — наклейка на авто, увеличивающая понты владельца — прим.перев.].
Если из всего этого вы делаете вывод, что скоростной рейтинг AC всегда врёт, вы недалеки от истины. Вернёмся к тому, что мы можем на самом деле, реально, возможно, ну типа, ожидать от всего этого.
Начнём с этого »4×4 MIMO». Очень хорошо, что он есть у роутера, но у клиентских устройств — ноутбуков, планшетов, смартфонов — его нет. По состоянию на февраль 2017 подавляющее большинство устройств поддерживают либо 1 канал, либо 2×2. Дополнительные каналы будут лишними, если устройства не смогут их использовать. Вы можете решить, что в этом нет ничего плохого; можно использовать два MIMO-канала для ноутбука, и два — для планшета. Пардонте, но нет — это MU-MIMO, который ваш роутер может поддерживать, может не поддерживать –, но ваши устройства однозначно его не поддерживают. (Мало какие флагманские смартфоны поддерживают его — к примеру, Galaxy S7 –, но единственные карты для ноутбуков с поддержкой MU-MIMO, обнаруженные мною, не продаются и поставляются только производителям). Так что это всё теория; небольшая часть оборудования с поддержкой MU-MIMO, протестированного мною, выглядит неплохо –, но это больше помогает честному распределению пропускной способности между MU-MIMO-клиентами, чем увеличению скорости на одного клиента. Когда я проверял роутер с поддержкой MU-MIMO, подсоединив к нему двух клиентов с поддержкой MU-MIMO, это повысило скорость каждого из них не более чем на 20%. Все ваши устройства, скорее всего, поддерживают SU-MIMO, и оно позволяет общаться с точкой доступа только одному устройству в один момент времени. Так что если у самого быстрого из ваших устройств будет поддержка 2×2, вы и получите в результате скорости для 2×2.
Пока что мы раздербанили этот роутер с «AC5300 до 5,3 Гбит/с» до передатчиков, скорость которых заявляется в 2,166 Гбит/с. Затем мы обсмеяли «увеличение скорости благодаря компрессии», которое никак не поможет передаче JPEG, MP3, HTTP-страниц, сжатых gzip, и, по сути, всего остального — что уже снижает нашу скорость до 1,732 Гбит/с. Теперь мы обнаружили, что можем соединиться только с двумя из этих четырёх MIMO-потоков, что снижает скорость до 866 Мбит/с.
Казалось бы, и всё. Но нет, к сожалению. Вы никогда не увидите устройство, передающее данные со скоростью PHY, кроме как в специально настроенном потоке UDP-трафика в комнате, изолированной от радиоволн и защищённой от радиоэха.
Изолированная от радиоэха комната в отделении исследований антенн в Фракийском университете им. Демокрита в Греции. Покрывающие поверхности пирамидки сделаны из радиопоглощающего материала — вспенённой резины с примесями углерода и железа.
В идеальных условиях реального мира (на дистанции в 3 метра, без стен, без помех и конкурирующих сетей), одно качественное устройство может достичь от ⅓ до 2/3 скорости PHY на канал, умноженной на количество потоков MIMO. Адаптер Qualcomm Atheros AR9462 802.11n 2×2 в моём Acer C720 Chromebook (и в небольшой армии дешёвых ноутов, которые я проверял) достигают порядка 205 Мбит/с, примерно 2/3 скорости PHY на 5 ГГц, 64-QAM, на потоках MIMO шириной 40 МГц. TP-Link Archer T4U и Linksys WUSB-6300 802.11ac адаптеры на USB3, используемые мною — также устройства 2×2 — могут выдавать почти 350 Мбит/с, что составляет 40% от PHY. Macbook Pro с Broadcom BCM94360CS, в паре с правильным роутером, могут выжать до 600 Мбит/с –, но это адаптеры 3×3, что возвращает их обратно в промежуток »⅓ — 2/3».
Теперь вспомним, что большую часть времени мы не будем находиться в 3 метрах от роутера на линии прямой видимости — это примерно половина причин, по которым мы используем беспроводные технологии, ведь они нужны, чтобы мы могли свободно перемещаться по всему дому. Вы будете в 10 метрах, с двумя-тремя стенами между вами и роутером, и тогда вы получите уже порядка 80 Мбит/с… Это предполагая, что у вас очень хорошее клиентское устройство, хорошая точка доступа, и другие люди и устройства не борются за внимание этого роутера.
Оба устройства используют чипсет Realtek RTL8812au 2×2 802.11ac, но получается это у них очень по-разному
Если вам ещё не совсем опротивела эта тема… многие из этих устройств страдают проблемами с направлением. Linksys WUSB-6300 работает с почти одинаковой скоростью в обеих направлениях, но Qualcomm AR9462 и Archer T4U гораздо лучше работают на получение данных [download], чем на отправку [upload], при этом скорость отправки часто может быть аж в 2 раза меньше, чем скорость получения, или ещё хуже… И разные устройства, даже использующие один и тот же чипсет, могут работать очень по-разному (WUSB-6300 и T4U оба используют Realtek RTL8812au).
Проверка WiFi — дело очень запутанное.
История двух проблем: сигнал и помехи
Максимальная длина кабеля у проводного Ethernet составляет 100 м — его можно протянуть через поле для американского футбола, и ещё останется. Быстродействие на 100 м такое же, как на 10. С WiFi результат будет, какой получится; оно будет зависеть от силы радиосигнала, от расстояния, от препятствий, от многолучевого распространения — и всё это прямо влияет на скорость и качество соединения. Довольно легко бывает сконцентрироваться на силе радиосигнала, чтобы решить все проблемы. Нас натренировали искать «больше палок» в индикаторе соединения, будь то WiFi или мобильная связь. Кажется, что решение проблемы обманчиво простое: прибавить мощности передатчику! Больше палок! Если вы живёте в большом доме с большим двориком, тогда для вас всё просто — больше палок, больше скорость, все довольны.
К сожалению, история не заканчивается на силе сигнала: приходится думать о помехах, и вот тут всё реально усложняется.
Если на вашем Ethernet-кабеле есть помехи, вы считаете, что это проблема, и устраняете её. Если у вас есть помехи на радиосигнале WiFi сети, вы считаете, что просто не судьба, и продолжаете жить с этим. Проще говоря, любые помехи на той же частоте, на которой работает WiFi, подавляет сигнал примерно так же, как любой шум мешает разговору людей. В этом смысле можно решить, что более сильный сигнал решит все проблемы — ведь если громко играет музыка и работает кондиционер, вы просто говорите ГРОМЧЕ!
Пока что всё интуитивно понятно: если вас не слышат, говорите громче, проблема решена. Это популярный подход, и я использовал и делал обзоры многих устройств, которые поступают именно так: Netgear Nighthawk, Orbi, Archer C7, Google Wifi — все они выдают достаточно радиосигналов, чтобы разозлить соседа через три дома от вас. Проблема только в том, что WiFi на самом деле работает не так.
Тонем в соседских WiFi
Скажем честно: большинство из вас будет не против тонуть в соседских WiFi, если у вас будет роутер помощнее (я тоже так думаю). Мы возвращаемся к той интуитивной модели разговора: сигнал от соседских WiFi слабый, и если наш будет сильнее, мы заглушим их сигналы, и они пусть либо обтекают, или сами покупают роутер помощнее, верно?
Очень человеческий подход, но не очень эффективный. Представьте себе разговор в набитом битком баре: вам очень интересно узнать, что говорит ваш друг или ваш романтический партнёр, но вы соревнуетесь с разговорами по обе стороны от вас и с музыкой. Естественно, вы говорите громче! К сожалению, все остальные люди тоже начинают говорить громче, что и приводит нас к игре с нулевой суммой, когда все орут и никто ничего не понимает.
Если бы это был бар, работающий по стандарту 802.11, в один момент времени говорить бы мог только один человек
Беспроводные сети так не работают. Стандарты предотвращают ситуацию, в которой устройства должны перекрикивать друг друга. Вместо метода шумного бара с соревнованиями за канал передачи, каждое устройство должно подождать своей очереди, чтобы «говорить» чётко, без помех от других устройств. Технически говоря, сеть WiFi — это область коллизий, и эта принудительная вежливость помогает избежать коллизии пакетов. И это стоит делать, ибо коллизии случаются, после чего оба устройства должны останавливать передачу, ждать случайное время, пробовать снова — что, по идее, должно помочь одному устройству «поговорить» раньше другого, чтобы они снова не заглушили друг друга. Если они выберут одинаковое случайное число, снова произойдёт коллизия, и всё начнётся сначала.
Большинство технарей это понимают, но многие не догадываются, что в области коллизий находятся не только ваши WiFi-устройства, но все WiFi устройства на одном канале. Любая, повторяю, любая передача на одном и том же канале забивает канал, даже если это другая сеть с другим SSID и WPA-ключом. Спецификации 802.11 используют Clear Channel Assessment [оценку степени свободы канала], чтобы определить, занят ли канал, или свободен, и если CCA говорит «занято», устройство ждёт своей очереди. Если ваш ноутбук, телефон, планшет может слышать другую преамбулу 802.11 на -82 dBm, будь то ваша сеть или чужая, оно должно сидеть тихо, заткнуться и ждать своей очереди. Даже если ваше устройство не понимает преамбулу, любого радиосигнала силой в -62 dBm достаточно, чтобы сделать канал «занятым» для сетей 802.11a/b/g/n, а -72 dBm — для сетей 802.11ac. Это не особо сильный сигнал — я часто могу наблюдать десяток или более SSID с силой -82 dBm, находясь у себя в комнате. Дальше — хуже. Даже если роутер соседа стоит с другой стороны дома и даёт сигнал лишь в -90 dBm, вы ещё не избавлены от проблемы — ноутбук их сына может быть в спальне, расположенной близко от вашей, и передавать сигнал в -58 dBm.
Кроме увеличения скорости, сети на 5 ГГц лучше сетей на 2,4 ГГц именно поэтому. Плюс сетей 2,4 ГГц в том, что у них лучше дистанция и проницаемость сигнала, а минус — в том, что у них лучше дистанция и проницаемость сигнала. В многоквартирном доме или в жилом квартале с частными домами размером с почтовый ящик, ваши устройства будут видеть сети 2,4 ГГц и делить с ними эфирное время, на расстояниях в 3–4 раза больше, чем они смогут видеть сети на 5 ГГц.
Когда дальность и проницаемость WiFi-сигнала — это хорошо
Когда дальность и проницаемость WiFi-сигнала — это плохо
Соревнование с самим собой
Если вы увлекаетесь «интернетом вещей», и у вас в доме есть всё, от лампочек Hue и холодильников Samsung до умных дверных замков и термостатов, надеюсь, вы внимательно прочитали предыдущий раздел — именно из-за этого ваш WiFi периодически работает плохо, а устройства отваливаются от сети, несмотря на то, что во всём доме связь на 4 палки. Если ваш «умный телевизор» показывает 4К фильмы с Netflix, ваш ребёнок смотрит YouTube, а супруг режется в DOTA, то для термостата может просто не хватить пропускной способности, и добавление мощности радиосигнала проблему не решит.
И когда мы добавляем всё больше устройств, и наши соседи добавляют устройства, проблема становится всё хуже. Более мощные устройства — это обоюдоострый меч; чем выше мощность TX и чувствительность RX, тем шире область коллизий — и тем больше устройств соревнуются за эфирное время друг с другом. Если упростить, то эта задача решается через сети низкой мощности, не распространяющиеся слишком далеко, с работающим роумингом, когда одна точка доступа передаёт вас другой, пока вы ходите по дому. Это ограничивает количество устройств в каждой области коллизий и освобождает частоты в каждом помещении (поскольку разные помещения не соревнуются друг с другом).
И что теперь — ячеистая топология сетей?
Wi-Fi mesh обычно рекламируют через понятные слова о силе сигнала. Получайте больше палок везде! Реальная польза mesh-сетей — не такая грубая, как простое усиление сигнала. Это-то как раз просто — ставьте мощный передатчик, берите чувствительный приёмник и идите гулять. Для этого и mesh не нужен — какой-нибудь Archer C7 покроет серьёзные расстояния не дороже, чем за $100. Mesh-сети интереснее всего использовать в виде множества точек доступа для разделения сети на небольшие области коллизий, чтобы устройства меньше соревновались друг с другом. Чем ближе ваши устройства к точке доступа, тем меньше задержки, нужно меньше энергии, и, что главное — меньше устройств-конкурентов, если они будут достаточно умными, чтобы использовать минимально необходимую силу сигнала.
Пока эти разработки ещё в начале пути. Хотя инженеры-сетевики, устанавливающие точки доступа WiFi в конференц-центрах и аэропортах, обычно разбираются в таких концепциях, как принудительно низкая мощность сигнала и грамотное использование спектра для ограничения коллизий, большинство устройств для дома и мелкого бизнеса разрабатываются и рекламируются проще — сильный сигнал, большие показатели, больше мощности. Но система медленно эволюционирует.
Схема сети в моём доме на основе Plume, включающая каналы
Plume — очевидный хороший пример такой стратегии нового поколения, упирающий на разделение сети на более мелкие области коллизий, вместо того, чтобы максимизировать мощность в попытках улучшить идеальное быстродействие одного клиента. Но и вся индустрия постепенно подтягивается. Eero пока ещё использует одинаковый канал для всех устройств, но более агрессивно разделяет клиентов по частотам, а не пытается впихнуть всё в диапазон теоретически более «быстрого» сигнала на 5 ГГц. Новый Linksys Velop распределяет частоты 2,4 ГГц — используя разные каналы для разных точек доступа –, но использует одну и ту же пару 5 ГГц на каждого (очень плохо, они бы могли использовать разделяемую транспортную сеть связи [backhaul] на 5 ГГц, и предлагать клиентам разные каналы на 5 ГГц). AmpliFi HD также разделяет канал 2,4 ГГЦ, используя разделяемый канал на 5 ГГц для транспортной сети связи, и предлагающий разные каналы на 2,4 ГГц на каждой точке доступа. А более новые прошивки по-умному распределяют клиентов на эти 2,4 ГГц, не соревнующиеся друг с другом или с сетью 5 ГГц.
Заключение
Сила радиосигнала — это ещё не всё. И простого теста скорости недостаточно. Чем больше устройств нужно обслуживать — ваши, вашей семьи, ваших соседей — тем сложнее всё работает. Интернет вещей позаботится о росте количества таких устройств, ведь всё, от холодильников до стиральных машин и лампочек будет требовать доступа в интернет.
Если вы технарь, и вам интересно увеличение вашей сети WiFi, вы меньше смотрите на AC-рейтинг, и больше на то, сколько устройств вы используете, на скольких частотах вы можете сделать доступ, и насколько эффективно ваши устройства передают сигналы на роутер. Проще всего подключать по проводам максимальное количество устройств — чем меньше устройств соединяются по WiFi, тем меньше их соревнуются друг с другом, тем лучше он работает. То же касается и точек доступа — если транспортная сеть до роутера устроена при помощи проводов (Eero, Plume, Velop и Ubiquiti UAP можно подключать по проводам), они смогут покрыть больше частот, не конфликтуя друг с другом.
