Wi-Fi высокой плотности не существует
В качестве дисклеймера: я обязан предупредить, что эта статья не слишком уж и техническая, однако про технику и шестерёнки 802.11 мы, несомненно, поговорим. Но в основном — поговорим про плотность.
Я люблю элементарные вопросы, потому что они (прямо как элементарные частицы) на пути в собственные глубины приводят к бесконечности. Когда мы встречаем фразу «Wi-Fi высокой плотности», то так и хочется задать дополнительный вопрос — про какую плотность идёт речь? Плотность чего высока? Ответ, как всегда, не так однозначен, как может показаться.
Вот, например, несколько определений, которые я сравнительно легко нагуглил.
«Под сетями Wi-Fi высокой плотности (далее СВП) понимается беспроводная среда с высокой концентрацией пользователей, где пользователи подключены к беспроводной сети и интенсивно работают с сетевыми сервисами» (источник)
В предыдущей статье мы вывели одно из главных правил Wi-Fi: «Пока говорит один — остальные слушают». Возникает логичный вопрос — раз в каждый момент времени передаёт только одно устройство, есть ли принципиальная разница между, грубо говоря, ста клиентами по 1 Мбит/с или одним клиентом по 100 Мбит/с, если все данные всё равно будут переданы по очереди? О какой плотности идёт речь — о плотности передачи данных в эфире?
Следующее определение:
«Когда на одно клиентское устройство приходится менее 1 кв.м площади, можно считать, что на Вашем объекте высокая плотность подключений к Wi-Fi» (источник)
Как между собой связано расстояние между клиентами и особенности проектирования сети Wi-Fi? Опять же: буду ли я проектировать сеть иначе, если между клиентами будет в 10 раз больше расстояния, но передавать они будут в 100 раз больше данных?
Ещё одно определение:
«High-density Wi-Fi is a design strategy for large deployments to provide pervasive connectivity to clients when a high number of clients are expected to connect to Access Points within a small space. A location can be classified as high density if more than 30 clients are connecting to an AP»
Или по-русски:
«Wi-Fi высокой плотности — это стратегия планирования сети для крупных внедрений для предоставления всеобъемлющего сервиса для клиентских устройств, когда большое количество клиентов должны будут подключаться к точке доступа в малом пространстве. Сеть может быть определена как высокоплотная, если к ТД подключено больше 30 клиентов»
(источник)
А если 31? Если площадь большая, но клиенты сосредоточены вокруг точек очень плотно — это всё ещё высокоплотный Wi-Fi или уже нет?
Да полным-полно всяких формулировок. В 2017 году на конференции БЕСЕДА-2017 Виктор Платов из Cisco определил Wi-Fi высокой плотности как «любой, когда в каждой точке покрытия сети видно три или больше точки доступа» (это очень хорошее определение, мне оно понравилось своей ёмкостью и красотой). Самое смешное — что все они верны. И самое смешное — что всё, что приводит к попыткам такого определения, относится к каждой сети Wi-Fi.
Упростим нашу ситуацию по максимуму: в мире осталась одна точка доступа и одно клиентское устройство. Призовём цветные столбики и внимательно посмотрим, как, например, пользовательские данные с точки попадут на клиента.
Для тех, кто пропустил предыдущую статью, я напомню: жёлтое и оранжевое — это то, что заставляет Wi-Fi работать вообще, синее — это то, что заставляет его работать быстрее, а зелёное — это единственная часть, которая вообще нас интересует, а именно пользовательские данные. Всё остальное в Wi-Fi — тишина и ожидание, тиканье таймеров и прослушивание эфира. Игра эта смешная и к пользовательскому трафику не очень справедливая, но зато надёжная и увлекательная — устройства в неё играют без конца, даже когда пользователь этого не очень-то и хотел бы.
На картинке зелёным показаны симпатичные и, безусловно, очень важные 300 байт пользовательских данных (включая заголовок IP), которые пролетели через сеть Wi-Fi, работающую на максимуме возможностей стандарта 802.11n в канале шириной 20 МГц. Если бы пользователь открыл свойства своего подключения к беспроводной сети, то он бы увидел скромное число »72,2 Мбит/с». Весь процесс этого перелёта занял (в нашем эталонном примере) 407 мкс, из которых чуть больше четверти времени (а именно 115 мкс) в эфире была абсолютная тишина (по мнению устройств Wi-Fi). Если бы её не было, то вся игра началась бы с самого начала, и стало бы ещё хуже.
Возведём ситуацию в абсолют. Представим, что эта картинка повторяется, что называется, «спина к спине»: ни единой микросекунды не расходуется впустую — всегда данные летят, таймеры считаются, никаких тебе переповторов и помех, всё чётко и прекрасно. Нетрудно сделать следующий вывод: больше четверти всего времени в эфире была тишина! Значит, какая бы то ни было мощность на приёмниках, слушавших всё происходящее, была всего лишь в 72% всего времени. А знаете, что самое смешное? Лучше особо и не будет.
Этот процент от времени («какую часть всего времени среда занята передачей хоть какой-то информации») называется утилизацией канала — и, собственно, он и показывает потолок всей пропускной способности каждой точки доступа, каждого канала и сети в целом. На этой картинке много переменных: частичка под названием CW меняется в огромных пределах; в зелёную часть можно впихнуть больше данных за то же самое время; синенькая часть в Wi-Fi 6 стала чуть подлинее —, но в целом потолок определён достаточно явно: если мы хотим, чтобы Wi-Fi работал, 25% времени мы будем слушать тишину.
Неэффективно? Возможно. Зато ультранадёжно!
Утилизация — это следующий после сырых мегабит и больших децибеллов параметр, по которому постепенно погружающийся в пучину Wi-Fi инженер начинает использовать в качестве мерила «нормальности» работы беспроводной сети. После того, как он научился не проверять работоспособность Wi-Fi с помощью Speedtest и понял, что мощный сигнал и пробитые стены не гарантируют хорошей пропускной способности, он поднимается на канальный уровень 802.11 и обнаруживает, что те самые 72,2 Мбит/с, которые рисуются системой в свойствах устройства, недостижимы в принципе — протокол устроен так, что скорость передачи данных никогда не превысит 75% от канальной скорости.
Именно утилизация показывает, насколько занят тот или иной канал (считай, точка доступа) и сколько возможностей для передачи может появиться для нового клиента в этой сети. По большому счёту, других параметров для этого и нет. Децибеллы — причина утилизации (высокой или низкой — как спланируете сеть), мегабиты в спидтесте — следствие использования свободной утилизации (а много её свободно или мало — опять же, как спланируете сеть). Хорошо спланированная (с помощью высоких децибеллов) сеть при высокой утилизации выдаёт высокие значения Мбит/с. Всё просто!
Что же значат определения Wi-Fi высокой плотности в переводе на простой инженерный? «Высокая концентрация пользователей, где пользователи подключены к беспроводной сети и интенсивно работают с сетевыми сервисами» — это всего лишь высокая утилизация каналов, на которых работает наша сеть. «Высокая плотность подключений к Wi-Fi» и «Большое количество клиентов должны будут подключаться к точке доступа в малом пространстве» означает, что на доступное эфирное время точки доступа будет претендовать много клиентских устройств. Утилизация везде и всюду. Но ведь она и в обычной сети, самой что ни на есть домашней, внезапно может уйти в потолок!
Совершенно верно. Поэтому я скажу вот что — не существует Wi-Fi высокой плотности. Существует лишь Wi-Fi, о работе которого в условиях высокой нагрузки, позаботились заранее, и Wi-Fi, о работе которого начали заботиться только в условиях уже проявившихся проблем. Больше делений никаких нет. Потому что утилизация — это всегда утилизация, а больше эффективность работы нашей сети оценить нечем (ну, кроме итоговых сырых мегабит, да).
Не нужно думать, что рекомендациями из High Density Guide вашего любимого производителя нужно начинать пользоваться только тогда, когда количество пользователей на точку превысило определённое значение (30, к примеру) — все эти рекомендации начнут работать сразу, на любой сети, совершенно одинаково повышая их пропускную способность.
Ну и раз уж мы заговорили о рекомендациях — стоит поговорить о них подробнее. Каждый производитель считает нужным сообщить разную определённую информацию о том, что он считает максимально выгодным для действий с утилизацией правильно построенной сети, но всю эту информацию можно условно разделить на несколько лозунгов. Их проще всего понимать, созерцая всё те же цветные столбики. Повторим?
Лозунг первый: Передаём быстрее!
Ускоряем зелёную часть так, как только можем.
Пихаем сюда как можно больше данных (хотя это от нас почти не зависит — клиентские устройства в среднем рвут все данные на кадры с полезной частью в районе 300 байт, поэтому все классные историю про агрегацию payload работают в очень ограниченном количестве случаев. Не надейтесь на них);
Никакого Rate limiting в воздухе, потому что он растянет зелёную часть (клиент может передать свои 300 байт на скорости 72,2 Мбит/с, но сеть ему говорит «Ну уж нет, не больше шести!». В сколько раз дольше он будет занимать эфир?). Шейпите где-нибудь дальше!
Обеспечьте максимальную канальную скорость (вот тут пришли децибеллы во всех их формах). Не знаете, сколько радиопопугаев нужно для той или иной канальной скорости? Посмотрите сюда;
Выберите точки, которые могут передавать данные на скорости самых быстрых клиентов (если бюджет вам этого не запретит). MIMO 3×3:3 — хватит для почти любого клиента Wi-Fi, кроме одной PCI-E карты ASUS, которая 4×4:4, про которую все говорят и никто ни разу в руках не держал;
Уменьшите количество неудачных передач (retry rate — тут мы начинаем погружаться в дебри траблшутинга Wi-Fi, я постараюсь держаться поближе к поверхности) — к примеру, уберите точки подальше от металла и прочих подстилающих поверхностей.
Всё? Не только — ведь мы можем ускорить и оранжевую часть! Смотрите: по умолчанию в 5 ГГц это 6 Мбит/с (в 2,4 — всего 1 Мбит/с, ха-ха-ха!). Если я хорошо спланирую свою сеть и тщательно всё настрою, то смогу разогнать оранжевую часть (это называется Tx management rate) до 24 Мбит/с и при прочих равных сэкономлю на передаче всё того же фрейма в 300 полезных байт целых 76 мкс! Да это 20% доступного времени (и пропускной способности) просто на халяву!
Конечно, эти самые 24 Мбит/с наложат определённые требования на качество сигнала клиентов, подключенных к ТД. Но без хорошей физики в любом случае не будет хорошей логики (и тем более передачи данных)!
На этом с ускорением передачи покончено, по большому счёту. Но у нас в запасе есть
Лозунг второй: Передаём меньше!
Всё, что можно не передавать в эфир — в топку. Меньше сетей (SSID), созданных на сети (собственно, железо): каждый SSID — это десять фреймов Beacon в секунду! Хорошо, если они быстро пролетят через сеть —, а если они передаются на 1 Мбит/с? Да вы бы ещё мегабит десять данных выжали бы с точки за это время!
Если можем просто подключить клиента к сети — подключаем, а не тратим время на то, что клиент будет тыкаться в сеть с паролем, неправильно его вводя (привет, гостевые открытые сети!). Домой это, конечно, особо не применимо — вспомните про этот пункт, когда займётесь офисной сетью;
Если можем не отвечать на тупые вопросы проходящих мимо клиентов о возможностях нашей сети (broadcast Probe Request) — не отвечаем;
Если начали отвечать — не ждём, пока клиент соизволит ответить (он мог сто раз уйти на другой канал, зачем его ждать?);
И так далее, и тому подобное. Для уровней выше — тоже верно: не мониторим абонентов бесконечными пингами всех выданных адресов на DHCP-сервере (встречались и такие случаи), режем лишний broadcast… Короче, если можем что-то не передать в эфир — не передаём!
Ну, и как основное и главное правило —
Лозунг третий: Планируем сеть!
Каждый канал — это доступные 70% времени передачи. Занимаете четыре канала, объединяя их в один на 80 МГц — это становится теми же самыми 70% доступного времени, хотя вы могли бы выжать вчетверо больше!
Добавим цветных столбиков?
Сверху — наша затюненная сеть на 802.11n в 20 МГц, быстро разбирающаяся с пользовательскими данными по 300 байт в пакете. Снизу — сеть на 802.11ac в 80 МГц, с которой больше никаких действий не сделано. В итоге получается, что старый стандарт быстрее передаёт пользовательские данные — и к тому же в том же куске эфира их можно уместить четыре одновременно! Жаль, конечно, что это не даст выгоды, например, одному жирному клиенту, который хочет штурмовать выданные провайдером 300–500 Мбит/с через приснопамятный Speedtest — что ж, возможно, стоит дать ему широкий канал в 80 МГц, но пожалуйста, не забывайте про то, что клиент будет слышать передачу в таком широченном канале в ДВЕНАДЦАТЬ раз хуже, чем в узком двадцатимегагерцовом!
Переиспользуйте каналы с умом, думайте про частотный ресурс, заботьтесь о хорошем уровне сигнала не только в сторону клиентских устройств, но и от них. В общем, научитесь планировать беспроводные сети — это не так уж и сложно, тем более, что всегда есть готовые помочь квалифицированные инженеры, да и вебинаров всяких в интернете полным-полно.
Ну, и последнее определение Wi-Fi высокой плотности, которое хотелось бы обсудить — это высокая плотность установки точек доступа. Спустя несколько лет мы все обнаружили, что в наших квартирах зачастую виден десяток разных сетей от всех соседей. Даже в густых лесах уже попадаются микротики с шириной канала 40 МГц в 2,4 ГГц:
А в обычной квартире всё чаще всего существенно хуже:
И лучше, пожалуй, уже не будет. Как минимум, до 6E —, но это уже, как говорит Каневский, совсем другая история. А пока ваш домашний вайфай имеет такую же плотность, как и офисный, просто пока об этом не знает. Знать нужно вам самим — и лучше заранее!
