Беспроводная локальная сеть на основе нового стандарта 802.11n обещает значительно более высокую пропускную способность, чем предшествующие варианты 802.11a/b/g, — до 600 Мбит/с. Такая возможность достигается благодаря применению нескольких технических компонентов. Наиболее известный из них — технология множественного ввода/вывода (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Эта концепция не ограничивается сетями WLAN или 11n. В технике связи MIMO обозначает использование нескольких передающих и приемных антенн для беспроводной коммуникации. Кроме того, она опирается на алгоритмы кодирования, в которых для передачи информации применяется не только временное, но и пространственное измерение.
На стороне отправителя MIMO использует механизм пространственного частотного мультиплексирования (Space Division Multiplexing, SDM) для передачи нескольких потоков данных на одной и той же частоте, но по разным каналам. В результате такого подхода через воздушный интерфейс удается передавать большие объемы данных с более высокой излучаемой мощностью. На стороне получателя MIMO позволяет комбинировать несколько сигналов, для того чтобы увеличить мощность сигнала и подавить помехи благодаря замиранию при многолучевом распространении. В то время как у более старых технологий возникают проблемы с обработкой многолучевых отражений и затуханием сигналов, для MIMO эти отражения необходимы. При этом в течение некоторого времени сигнал поступает к получателю неоднократно и разной мощности.
Хотя сигналы используют один и тот же радиоканал, пространственная подпись (Spatial Signature) позволяет проводить различие между двумя сигналами, что повышает емкость канала. В зависимости от количества антенн возникают несколько «пространственных потоков» (Spatial Streams): полную теоретически возможную пропускную способность стандарта 11n в 600 Мбит/с в состоянии обеспечить лишь массив из четырех передающих и четырех приемных модулей (общепринятое обозначение — 4х4). В настоящее время чаще всего встречаются решения с двумя пространственными потоками (2х2) и максимальной скоростью 300 Мбит/с. При этом, как и в случае с предшествующими стандартами WLAN, эфирную (Over the Air, OTA) пропускную способность нельзя напрямую перевести в фактическую. Так, если скорость передачи OTA равна 11 Мбит/с, фактическая пропускная способность составляет лишь 5 Мбит/с, а в случае стандартов 802.11a и g скорость 54 Мбит/с соответствует, как правило, фактической пропускной способности около 25 Мбит/с. При пропускной способности OTA в 300 Мбит/с стандарт 11n позволяет достичь не более 140-150 Мбит/с.
ВЫИГРЫВАЕТ ЛУЧШИЙ ЛУЧ
Еще одна технология, применяемая для улучшения производительности и широты покрытия, — так называемое формирование луча (Beamforming), когда передатчик пытается посредством временной манипуляции излучаемым сигналом вызвать определенное направленное действие. Поскольку 802.11n, как уже было упомянуто, работает не только с самим сигналом, но и с его отражениями, то радиочастотная ситуация (Radio Frequency, RF) порой может меняться в течение нескольких миллисекунд. Для того чтобы формирование луча имело положительный эффект, передатчику необходимо постоянно отслеживать радиочастотную обстановку посредством своих антенн и соответствующим образом подстраивать излучаемый сигнал.
Еще большую мощность позволяет получить предусмотренная в 802.11n возможность объединить соседние каналы по 20 МГц в один канал 40МГц, в результате чего достигается удвоение мощности передачи. Однако в диапазоне частот 2,4 ГГц доступны лишь три неперекрывающихся канала, поэтому, если один из каналов, к примеру, уже занят мощным передающим устройством, работающим в соседнем здании, то в частотном спектре не остается места для более старых технологий (802.11b/g). Объединение каналов 11n гораздо эффективнее в диапазоне 5 ГГц, поскольку там доступно гораздо большее количество каналов.
Другие частные улучшения на MAC-уровне тоже влияют на производительность 802.11n. Например, несколько пакетов данных приложений можно объединять в рамках одного кадра передачи (Transmission Frame) и таким образом сократить накладные расходы (Overhead) для каждого пакета. Выгода очевидна при передаче больших объемов данных и в меньшей степени — в случае приложений с большим количеством невзаимосвязанных транзакций. В результате применения указанных мер системы 802.11n могут передавать гораздо больше данных в рассчете на единицу пропускной способности по сравнению с традиционными сетями WLAN.
ОТСУТСТВУЮЩИЕ КАТЕГОРИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
С появлением 802.11n определение производительности WLAN не стало проще. Так, сильное влияние физических условий и радиообстановки обусловливает чрезмерную зависимость от конкретного местоположения. Общеизвестно, что 802.11n предъявляет отличные от традиционных беспроводных сетей требования к определению и оценке производительности. В зависимости от числа пространственных потоков, применяемого формирования лучей и других факторов, показатели производительности могут существенно различаться. В то же время сертификация WiFi Alliance не содержит никаких сведений относительно мощности передачи конкретного продукта, что значительно осложняет выбор. К примеру, сейчас на рынке в больших количествах появляются системы 802.11n с единственной антенной, которые способны создать один пространственный поток с максимальной скоростью не выше 150 Мбит/с (1х1).
Следует заметить, что данные устройства не получат сертификат 802.11n WiFi, поскольку в настоящее время для этого требуется поддержка двух пространственных потоков. Однако в их адаптерах и точках доступа (Access Point, AP) используется технология 802.11n. Наверняка в будущем появится гораздо больше аналогичных продуктов. До сих пор многие производители не интегрировали технологию 11n в свои специальные приложения, так как требования к энергопотреблению модулей были слишком высоки. При использовании матрицы 1х1 (что означает уменьшение пропускной способности, но и возрастание срока службы батареи) ситуация меняется, правда, приходится мириться с отсутствием сертификации. Сейчас активно обсуждается предложение, в соответствии с которым сертификацию WiFi Alliance следует соотносить с количеством поддерживаемых пространственных потоков. Тогда устройства можно будет разделить по категориям производительности, что станет подспорьем при выборе конечного оборудования для пользователей.
ОТЛОЖЕННАЯ ПАРТИЯ: РЕЖИМ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ
Управление энергопотреблением обязательно для 802.11n, поэтому данная возможность интегрирована везде: механизм «энергосберегающего множественного опроса» (Power Save Multi-Poll, PSMP) переводит устройства 802.11n в режим сна, если они не заняты активной обработкой данных. Благодаря такому подходу существенно продлевается срок жизни мобильных устройств. Помимо периодов передачи больших объемов данных, адаптеры WLAN значительную часть времени пребывают в состоянии готовности к работе, простаивая без заданий. Подходящий режим энергосбережения, когда вещательный модуль переводится в режим сна даже при очень коротких интервалах покоя, составляющих несколько миллисекунд, естественно, экономит много мощности. PSMP следит за тем, чтобы в нужный момент мобильные коммуникационные устройства были снова активны.
Однако PSMP дарит пользователям не только радость. В зависимости от особенностей реализации, точка доступа и клиент не всегда пребывают на «одной длине волны» применительно к времени засыпания и возврата к работе, что может существенно сказаться на пропускной способности. Так, во время теста различного оборудования 802.11n, проведенного LANline, желаемая скорость передачи устанавливалась лишь тогда, когда настройки режима экономии энергии либо задавались равными наибольшим значениям, либо были полностью выключены. К примеру, в случае с клиентскими устройствами компании Intel помогал перевод регулятора в максимальное положение. Далее, ноутбук в режиме работы от аккумулятора обеспечивал меньшую пропускную способность, чем устройство с питанием от сети, что технически закономерно.
В рамках выполненных тестов мы нашли все возможные величины, от которых зависит пропускная способность имеющихся точек доступа и клиентов 11n. Так, один из адаптеров «разогнался» до своей полной мощности лишь после того, как ему разрешили использовать для шифрования WPA2, а не WPA. Кроме того, интересны возможности точек доступа или контроллеров WLAN в контексте централизованно администрируемых систем. Контроллеры WLAN часто настроены таким образом, что в случае обнаружения близко расположенных беспроводных сетей стандартов a/b/g они сокращают ширину канала до 20 МГц, если это допускается параметрами автоматического режима. Жест, конечно, благородный, однако совершенно излишний, если соседние беспроводные сети принадлежат разным предприятиям. По крайней мере, в случае канала в 20 МГц пропускная способность сокращается в два раза.
Еще одна новая особенность 802.11n заключается в том, что размещение точки доступа и клиента в большом помещении в зоне прямой видимости может отрицательно сказаться на пропускной способности. Действительно, при тестировании наилучшая пропускная способность была достигнута в лабораторных помещениях с большим количеством отражающих поверхностей, таких как корпуса ПК и стойки.
У контроллеров WLAN с поддержкой функции ячеистых сетей (Mesh), как у Ruckus, отключение этой функции позволяет повысить пропускную способность на несколько процентов. Аналогично обстоят дела и с пакетным драйвером QoS сетевого стека Windows: тем, кто не пользуется услугами качества сервиса (Quality of Service, Qos), следует удалить галочку перед этой опцией. В результате многочасовых экспериментов с настройками драйверов и точек доступа мы пришли к обнадеживающему заключению: после некоторых усилий получить достаточно высокую пропускную способность все-таки возможно.
ОТСУТСТВИЕ СРЕДНЕЙ ЦЕНОВОЙ КАТЕГОРИИ
Получить представление о том, какой пропускной способности можно достичь в той или иной беспроводной сети, удастся только при помощи измерений. Причем администраторам придется выбирать, сколько денег они готовы потратить — очень много или очень мало, поскольку измерительные решения средней ценовой категории практически отсутствуют. В частности, программное обеспечение для анализа сети Observer компании Network Instruments или OmniPeek производства WildРackets относится к первой, дорогостоящей, группе продуктов. Обе программы поддерживают 802.11n с соответствующими картами WLAN: производители рекомендуют адаптеры с набором микросхем от Atheros, а собственные драйверы поставляют для них в комплекте. Мы тестировали их с картой PC Card DWA-645 от D-Link и никаких проблем в работе системы не обнаружили.
Естественно, оба анализатора предназначены для глубокого анализа потоков данных, с чем безукоризненно справляются. Однако для простого определения мощности сети WLAN такая функциональность избыточна.
Текущая, тринадцатая, версия Observer поддерживает дополнительно статистику точек доступа и обладает функцией «сканирования окружающей среды» (Site Survey), с помощью которой администратор может получить подробную информацию о точках доступа и загруженности каналов. Точно так же можно определять уровень производительности, что предлагает и OmniPeek 6. Для этого выбирается одна точка доступа, для которой задается соответствующий фильтр. Полученные пакеты пользователь сохраняет в отдельной буферной памяти и использует предопределенный график пропускной способности для отображения кривой нагрузки для каждого канала (см. Рисунок 2). Важно помнить, что без специальных вспомогательных средств эти анализаторы исследуют всего один канал. По крайней мере, для OmniPeek предусмотрен дополнительный программный модуль, обеспечивающий использование сразу нескольких адаптеров USB WLAN, что позволяет охватить несколько каналов.
Гораздо меньшей функциональностью обладает бесплатный инструмент Wireshark в сочетании со специальным измерительным оборудованием. Те, кому важна хорошая производительность измерений, могут воспользоваться Airpcap NX компании Cace Technologies (см. Рисунок 1). Этот модуль USB снабжен двумя внешними антеннами и бесшовно интегрируется в Wireshark. Как и в случае Observer и OmniРeek, основная ставка делается на сбор пакетов. Пропускную способность таким образом вычислить можно, но придется приложить очень много усилий.
Гораздо проще эта задача решается с помощью инструмента Ixchariot компании Ixia, предназначенного для сопоставительного анализа и определения производительности и поддерживающего, помимо предварительно настроенных профилей нагрузки, распределенное тестирование с несколькими конечными точками. Однако он еще дороже, чем Observer и OmniРeek, поэтому не вписывается в ИТ-бюджет небольших предприятий. К тому же преимущества этого решения проявляются при стационарном использовании, а администраторам, как правило, удобнее пользоваться портативными инструментами. Ixchariot — решение, подходящее, скорее, для разработчиков.
Гораздо дешевле, практически даром, обойдутся пользователю решения с открытыми исходными кодами (Open Source) или инструменты, поставляемые в комплекте с аппаратным обеспечением. Так, компания Ruckus включила в свои контроллеры WLAN решение Speedflex (см. Рисунок 3), состоящее из двух конечных точек и контрольного процесса: одна конечная точка работает на контроллере WLAN, вторая — на ПК, а контрольный процесс выполняется в браузере. Передающий процесс отправляет пакеты UDP лишь малыми партиями, поскольку необходимо измерять характеристики нисходящего канала по направлению к клиенту, а не размер буфера на пути между конечными точками. Это достаточно практично, так как получение информации о скорости передачи для всех компьютеров, подключенных через точки доступа Ruckus, оказывается малозатратным. Но при этом информация предоставляется в ограниченном объеме: в виде шкалы и итогового значения. Отчеты или сведения о протекании процесса не предусмотрены.
Для детальной настройки предлагается бесплатный инструмент Iperf, который в процессе тестирования показал свою незаменимость: он выполняется в виде процесса (как на сервере, так и на клиенте) и позволяет осуществлять разнообразные настройки тестовой передачи; в частности, указывать значения для окон TCP и размеров буфера, а также запускать параллельные процессы. Iperf базируется на командной строке — он имеется в версиях для Windows и Linux, однако с помощью дополнительных Java-инструментов это универсальное решение получает практичный пользовательский интерфейс, который успешно справляется с графической оценкой полученных результатов. Кстати, в процессе тестирования нам удалось с помощью Iperf/Jperf верифицировать результаты Speedflex от Ruckus.
Частично инструменты можно использовать и с программным обеспечением драйверов клиентов WLAN. Хороший пример такого применения — Ralink (см. Рисунок 4). Этот набор микросхем установлен в адаптерах компании Logilink. Его утилита не только управляет профилями соединения, но также отображает текущую скорость соединения и производительность. Предоставленной информации вполне достаточно для быстрого тестирования.
РЕШАЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ СИЛЫ СИГНАЛА
Так или иначе, но профессионалы выбирают другой путь для верификации производительности WLAN. К примеру, консалтинговое агентство 2ndwave осуществляет планирование инсталляций WLAN уже на протяжении многих лет. Его опыт работы с 802.11n можно вкратце изложить следующим образом: оптимальная реализация 802.11n возможна только в диапазоне 5 ГГц. Объединение каналов практически неосуществимо в диапазоне 2,4 ГГц, если пользователь не хочет заблокировать весь диапазон для других технологий WLAN. А без объединения каналов производительность окажется значительно меньше желаемых 100-140 Мбит/с. При оценке площадки высококвалифицированные специалисты не берут в расчет предложения конкретного поставщика решений WLAN и зачастую не знают, какие продукты будут использоваться в дальнейшем. Консультантам удается достичь столь высокого уровня абстракции, поскольку они измеряют на местах не пропускную способность, а мощность принимаемого сигнала, которая должна быть достаточно большой во всех зонах.
2ndwave определяет силу принимаемого сигнала, а также соотношение сигнала и помех (Signal to Noise Ratio, SNR) и на основе этого — с помощью программного обеспечения компании Ekahau — рассчитывает результирующую мощность. Эксперты либо осуществляют замеры на местах посредством типовой точки доступа, либо вычисляют ожидаемую мощность сигнала, применяя моделирование на компьютере, а полученные результаты верифицируют путем выборочной проверки. Желательная сила принимаемого сигнала устанавливается с определенным запасом сверху, чтобы оставался резерв для практического использования. Для учета влияния других WLAN и прочих источников сигналов определяется возникающий уровень шумов. В измерительный комплект входит также тест со спектральным анализатором, который проверяет наличие аналоговых источников помех, полностью занимающих канал. Все эти измерения и проверки 2ndwave проводит независимо от планируемой технологии WLAN, то есть и для 11a/b/g, и для нового стандарта 11n.
Заключение
Хотя мощность 802.11n в гораздо большей степени, чем у предшествующих технологий, зависит от факторов окружающей среды, администраторы могут и должны влиять на производительность. Несущественные, на первый взгляд, детали в настройках точек доступа или клиентов зачастую имеют большое значение. Для начального определения пропускной способности беспроводной сети достаточно даже бесплатного инструмента вроде Iperf, с помощью которого удается надежно измерить пропускную способность. Однако, если деятельность предприятия в значительной степени зависит от доступности и производительности сети WLAN, рано или поздно придется решиться на приобретение коммерческого аналитического инструмента.
Эльмар Терек — независимый журналист, пишущий на тему телекоммуникаций.
© ITP Verlag
Бесплатные инструменты для определения производительности WLAN
Xirrus WiFi Inspector: эта программа позволяет администратору находить WLAN и неавторизованные точки доступа (Rogue Access Points), отображает уровень сигнала, а также определяет местоположение точек доступа (http://www.xirrus.com/library/wifitools.php). Metageek Inssider: продукт разработан компанией Metageek, специализирующейся на спектральном анализе. Он обнаруживает WLAN и точки доступа, определяет силу принимаемого ими сигнала. Измеренные показатели могут отображаться графически в виде процесса (http://www.metageek.net/products/inssider). Netstumbler: классический инструмент для поиска точек доступа. Он отличается небольшим размером (в версии Ministumbler доступен для КПК) – находит точки доступа, определяет их настройки безопасности и позволяет присваивать метки GPS (http://www.netstumbler.com/).
Ekahau Heatmapper: это «похудевшая» версия профессионального инструмента для планирования беспроводных сетей Ekahau Site Survey, однако ее функциональных возможностей достаточно для того, чтобы давать ценные рекомендации по поводу размещения точек доступа в домашней беспроводной сети или на небольших предприятиях (http://www.ekahau.com/products/heatmapper/overview.html).