Wifi 2x2 или 1x1
Обновлено: 06.07.2024
В статье рассмотрены вопросы, касающиеся построения бесшовной Wi-Fi сети (беспроводной сети с бесшовным роумингом) в загородном доме. Бесшовная беспроводная сеть подразумевает создание единого информационного пространства, в состав которого входят от двух до нескольких десятков источников сигнала (точек доступа (ТД)) и в котором клиентские устройства (абоненты беспроводной сети: ноутбуки, смартфоны, планшеты и т.д.) могут перемещаться без потери связи. Переключение от одной ТД к другой происходит автоматически, при этом в качестве предпочтительной ТД выбирается та, сигнал которой лучше.
1. Стандарты WI-FI
1.1 Действующие стандарты Wi-Fi:
- IEEE 802.11a;
- IEEE 802.11b;
- IEEE 802.11g;
- IEEE 802.11n (Wi-Fi 4 – принятое упрощенное название);
- IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5);
- IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6, сертификация Wi-Fi Alliance вышла 16.09.2019).
Современные беспроводные сети строятся с использованием стандартов Wi-Fi 4 и Wi-Fi 5. При этом при использовании Wi-Fi 4 обеспечивается обратная совместимость с 802.11b и 802.11g, что позволяет использовать старые устройства для доступа в сеть. 802.11a имеет совместимость с Wi-Fi 5 и может пригодиться для подключения очень старого ноутбука к беспроводной сети.
Последнее время производители оборудования для построения беспроводных сетей отказываются от поддержки 802.11a. IEEE 802.11ac поддерживается не всеми клиентскими устройствами, включая современные смартфоны.
В таблице приведены основные характеристики стандартов Wi-Fi:
1.2. Фактическая полезная нагрузка
Существенная разница между скоростью подключения и фактической полезной нагрузкой обусловлена большим объемом служебной информации,полудуплексной природой Wi-Fi, потерями пакетов при передаче и как следствие затратами на повторную отправку, а также зависит от количества подключенных абонентов. Производители оборудования идут на хитрость и везде указывают скорость подключения.
Кроме того скорость Wi-Fi сети снижается пропорционально снижению уровня сигнала по мере удаления от точки доступа. Так даже на расстоянии более 50 метров скорость может снизиться до нескольких Мбит/с, а при наличии препятствий в виде толстых стен или железобетонных перекрытий уровень сигнала, а вместе с ним и скорость, могут снизиться до минимальных значений (1-2 Мбит/с) уже на расстоянии 10-15 метров. При еще большем снижении уровня сигнала, как правило, происходит разрыв связи.
2. MIMO/MU-MIMO
Как видно из таблицы выше существенный скачок скорости произошел с выходом стандарта Wi-Fi 4. Этого удалось добиться за счет применения технологии MIMO, которая обеспечивает поддержку приема и передачи с использованием нескольких антенн. (В MIMO как раз фишка в том, что передается несколько независимых уникальных потоков, которые формируются на отдельных радиотрактах. А несколько антенн – это всего лишь технология разнесенного приема-передачи, где при передаче один и тот же поток излучается с нескольких антенн, что повышает SNR на приемнике). Точка доступа с поддержкой Wi-Fi 4 может иметь по четыре передающих и принимающих антенны (MIMO 4x4). Чаще встречаются схемы MIMO 3x2 и MIMO 2x2. Клиентские устройства обычно используются MIMO 2x2 или MIMO 2x1.
Таким образом, ТД с MIMO 4x4 может обеспечить скорость до 600 Мбит/с.
Очередное повышение пропускной способности произошло с выходом стандарта Wi-Fi 5. В нем используется технология MU-MIMO, в которой может использоваться до 8 приемников и передатчиков (на точке доступа) и позволяет передавать данные нескольким пользователям в один момент времени, а также увеличена ширина канала (до 160 МГц).
Принцип работы MIMO и MU-MIMO показан на рисунке:
Технология MU-MIMO не завоевала рынок Wi-Fi и вот почему:
- Мало MU-MIMO клиентов. То есть почти нет клиентов, поддерживающих явное формирование диаграммы направленности, которое является обязательным требованием для MU-MIMO;
- MU-MIMO работает эффективно только при существенном разнесении клиентов в пространстве. В современных высокоплотных сетях обеспечить данное условие невозможно;
- Для MU-MIMO необходимо формировать диаграмму направленности при передаче. Это осуществляется с помощью предварительного обмена специальными кадрами. Если необходимо передать небольшой объем данных, то формирование луча может занять больше времени, нежели непосредственная передача данных.
Клиентские устройства Wi-Fi 5 могут поддерживать MIMO 4x4, но чаще всего встречаются схемы MIMO 3x2 и MIMO 2x2 и даже MIMO 2x1.
Стоит учитывать, что ноутбуки, поддерживающие MIMO 4x4, относятся к топовому сегменту, а смартфонов поддерживающих данную конфигурацию на момент написания статьи найти и вовсе не удалось.
Таким образом, максимальная фактическая полезная нагрузка канала связи может достигать 4500 Мбит/с для точки доступа и до 2250 Мбит/с для абонента (для конфигурации 4x4).
При этом, большинство устройств будут передавать данные с более низкой скоростью, примерно пропорциональной количеству антенн и ширине канала.
С учетом вышесказанного в большинстве случаев переплачивать за вот таких «крабов» смысла нет:
3. Диапазоны частот Wi-Fi
Важным отличием Wi-Fi диапазонов является радиус действия. В идеальных условиях радиус действия диапазона 5 ГГц меньше, чем у 2,4 ГГц. Серьезной помехой для более высокочастотного диапазона будет даже листва деревьев, дождь или туман, в то время как низкие частоты менее чувствительны к таким преградам. Поэтому в обычных условиях (дом/квартира) радиус действия примерно в 2 раза больше в пользу диапазона 2,4 ГГц. При этом стандарт 802.11ac, работающий в диапазоне 5 Ггц, поддерживает большую скорость передачи.
Зачастую современное оборудование для построения БЛВС (беспроводная локальная вычислительная сеть) поддерживает оба диапазона. При этом оно стоит в 1,5-2 раза дороже, чем аналогичное с поддержкой только 2,4 ГГц.
Некоторые материалы очень сильно поглощают и/или отражают сигнал, поэтому может сложиться такая ситуация с образованием «мертвых зон»:
4. Выбор диапазона для беспроводной сети
В квартирах диапазон 2,4 ГГц может быть зашумлен соседскими ТД. В загородном доме данная проблема отсутствует (но могут быть исключения в виде соседей, которые выкрутили мощность передатчика точки доступа на максимум), поэтому для организации беспроводной сети предпочтительнее использовать диапазон 2,4 ГГц. Это обеспечит большую зону покрытия и позволит обойтись меньшим количеством ТД. При этом за счет использования ТД с технологией MIMO можно обеспечить полезную скорость сети до 200 Мбит/с на точке доступа и 50-100 Мбит/с для клиентских устройств, чего будет достаточно в 95-99% случаев. Кроме этого стоит помнить, что диапазон 5 ГГц может не поддерживаться некоторыми клиентскими устройствами.
Эффективное расстояние сигнала для диапазона 2,4 ГГц при отсутствии препятствий и сильных помех составляет примерно 100 метров. При определении необходимого количества ТД учитывать данные о затухании сигнала из таблицы:
Например, при прохождении через 2 деревянные стены эффективный прием будет возможен на расстоянии около 9 метров (первое прохождение: 100*30%=30 метров, второе прохождение: 30*30%=9 метров).
По мере снижения уровня сигнала будет снижаться и скорость передачи.
Эффективное расстояние не является главным фактором при проектировании Wi-Fi сети. Существует проблема "скрытой станции" которая проявляется в том, что одно или несколько клиентских устройств могут слышать точку доступа, но не слышать другие клиентские устройства. Из-за особенности полудуплексного доступа к радиосреде (CSMA/CA) это приводит к увеличению количества повторно передаваемых пакетов, как следствие снижение пропускной способности сети. Если клиент слышит точку доступа через стену, то это не значит, то он слышит других клиентов, а это, как мы выяснили, снизит пропускную способность сети.
У всего Enterprise оборудования, которое я видел, есть функционал роуминга из 5 ГГц в 2.4 ГГц. То есть, когда клиент начинает слышать точку доступа хуже -70 dBm в 5 ГГц, он “роумится” на точку, которую слышно лучше и при этом она имеет тот же SSID, даже если она в 2.4 ГГц. Таким образом, нет необходимости держать два SSID под 2.4 и 5 ГГц, это раз. И два – роуминг из 5 ГГц в 2.4 ГГц это вообще не фокус, а обыденность.
!ПРИМЕЧАНИЕ: Если вы планируете использовать Wi-Fi сеть для создания системы видеонаблюдения, следует учесть, что большинство современных моделей беспроводных видеокамер поддерживают только 802.11n. При этом даже при использовании MIMO 4x4 на одну точку доступа можно подключить не более 4 видеокамер. И даже в таком случае возможны подвисания и потеря связи. На самом деле очень много зависит от самих камер видеонаблюдения, какой поток информации они транслируют, сколько мегапикселей матрицы и пр. В этих вопросах лучше проконсультироваться со специалистами.
Для видеонаблюдения лучше всего организовать проводное соединение. Беспроводные камеры можно применить, когда возможность протянуть кабель отсутствует (например, чтобы не портить ремонт).
5. Определение зоны покрытия сети
Перед покупкой оборудования для организации беспроводной сети с бесшовным роумингом нужно определить необходимую зону покрытия. Это может быть дом (часть дома) и двор (его часть) и т.д.
Для более точного определения зоны покрытия нужно понять, где и для чего будет использоваться беспроводная сеть: управление системой «Умный дом», взаимодействие внутри домашней локальный сети, выход в Интернет и т.д.
6. Диаграмма направленности
Важной характеристикой ТД является диаграмма направленности антенны:
- всенаправленная;
- секторная;
- направленная.
7.1 Всенаправленная ТД
Сигнал всенаправленной ТД распространяется равномерно во все стороны:
7.2 Секторная ТД
Диаграмма направленности секторной ТД выглядит следующим образом (сигнал распространяется в определенных направлениях):
7.3 Направленная ТД
ТД с узконаправленной антенной используются для передачи сигнала на расстояния от нескольких сотен метров до нескольких километров в прямой видимости, когда организация альтернативных каналов связи невозможна. При этом в дождь или туман связь будет пропадать. Диаграмма направленности ТД с направленной антенной выглядит так:
Точки доступа делятся на внутренние (для эксплуатации внутри помещений) и внешние (для эксплуатации вне помещений). Внешние точки доступа имеют более широкий температурный диапазон, а также лучше защищены от воздействия окружающей среды.
Зная типы ТД, особенности распространения и ослабления сигнала можно без проблем рассчитать необходимое количество точек доступа с учетом планировки дома и необходимой зоны действия сигнала. При этом рекомендуется располагать точки доступа на каждом этаже, а также установить ТД недалеко от межэтажного проема, т.к. перекрытие очень сильно снижает уровень сигнала.
7. WI-FI контроллер
При бесшовном роуминге во всей области действия Wi-Fi создается сеть с единым названием (идентификатором) и организуется централизованное управление точками доступа. Это обеспечивается посредством контроллера беспроводной сети (Wi-Fi контроллера). Обобщенная схема организации такого подключения выглядит так:
В качестве контролера может выступать специальное устройство или программа. У некоторых производителей в качестве контроллера может выступать одна из точек доступа, которой назначается данная роль.
Wi-Fi контроллер может устанавливаться на персональный компьютер, откуда и осуществляется управление оборудованием. При использовании в качестве контроллера специального устройства или одной из точек доступа управление осуществляется посредством веб-интерфейса (как правило) или специального ПО (консоли).
Кроме очевидных функций по созданию сети контроллер обеспечивает мониторинг радиосреды в зоне покрытия, что позволяет обнаруживать помехи и осуществлять необходимые корректировки в автоматическом режиме (смену каналов точек доступа, подстройку мощности сигнала и т.д.).
Точки доступа соединяются между собой через коммутатор стандартным сетевым кабелем (витая пара), как показано на схеме выше. При этом питание точек доступа осуществляется от самого коммутатора с использованием технологии PoE (коммутатор также должен поддерживать PoE). Применимые модели коммутаторов лучше уточнить у производителя выбранного Wi-Fi оборудования. Стоит учитывать, что длина сетевого кабеля для работы PoE ограничена и зависит от выбранного оборудования. Как правило, она указывается в характеристиках ТД и составляет порядка 60-100 метров.
Если по каким то причинам не получается запитать ТД доступа напрямую от коммутатора с поддержкой PoE или между коммутатором и ТД слишком большое расстояние, может использоваться промежуточный коммутатора или PoE-инжектор (идет в комплекте с некоторыми ТД). Схема использования PoE-инжектора:
[1.1] Казалось бы – чего уж там? Выкрутил точку на полную мощность, получил максимально возможное покрытие – и радуйся. А теперь давайте подумаем: не только сигнал точки доступа должен достичь клиента, но и сигнал клиента должен достичь точки. Мощность передатчика ТД обычно до 100 мВт (20 dBm). А теперь загляните в datasheet к своему ноутбуку/телефону/планшету и найдите там мощность его Wi-Fi передатчика. Нашли? Вам очень повезло! Часто её вообще не указывают (можно поискать по FCC ID). Тем не менее, можно уверенно заявлять, что мощность типичных мобильных клиентов находится в диапазоне 30-50 мВт. Таким образом, если ТД вещает на 100мВт, а клиент – только на 50мВт, в зоне покрытия найдутся места, где клиент будет слышать точку хорошо, а ТД клиента — плохо (или вообще слышать не будет) – асимметрия. Это справедливо даже с учетом того, что у точки обычно лучше чувствительность приема — смотрите под спойлером. Опять же, речь идет не о дальности, а о симметрии.Сигнал есть – а связи нет. Или downlink быстрый, а uplink медленный. Это актуально, если вы используете Wi-Fi для онлайн-игр или скайпа, для обычного интернет-доступа это не так и важно (только, если вы не на краю покрытия). И будем жаловаться на убогого провайдера, глючную точку, кривые драйвера, но не на неграмотное планирование сети.
- PathLoss одинаков в обеих направлениях
- TxGain и RxGain антенн в случае обычных антенн одинаков (верно и для AP и для STA). Здесь не рассматриваются случаи с MIMO, MRC, TxBF и прочими ухищрениями. Так что можно принять: TxGain(AP) === RxGain(AP) = Gain(AP), аналогично для STA.
- Rx/Tx Gain антенны клиента мало когда известен. Клиентские устройства, обычно, комплектуются несменными антеннами, что позволяет указывать мощность передатчика и чувствительность приемника сразу с учетом антенны. Отметим это в наших выкладках ниже.
Таким образом, асимметрия канала не зависит от типа антенны на точке и на клиенте (опять же, зависит, если вы используете MIMO, MRC и проч, но тут рассчитать что-либо будет довольно сложно), а зависит от разности мощностей и чувствительностей приемников. При D<0 точка будет слышать клиента лучше, чем клиент точку. В зависимости от расстояния это будет означать либо, что поток данных от клиента к точке будет медленнее, чем от точки к клиенту, либо клиент до точки достучаться не сможет вовсе.
Для взятых нами мощностей точки (100mW=20dBm) и клиента (30-50mW
-
: Tx*(STA) = 17dBm, RxSens*(STA) = -76dBm@54Mbps : Tx(AP) = 20dBm, RxSens(AP) = -65dBm@54Mbps.
- D = (17 — 20) — (-76 +65) = 3 — 11 = -7dB.
Вывод: может оказаться, что для получения более стабильной связи мощность точки придется снизить. Что, согласитесь, не совсем очевидно :)
[1.2] Также далеко не самым известным фактом, добавляющим к асимметрии, является то, что у большинства клиентских устройств мощность передатчика снижена на «крайних» каналах (1 и 11/13 для 2.4 ГГц). Вот пример для iPhone из документации FCC (мощность на порту антенны).
Как видите, на крайних каналах мощность передатчика в
2.3 раза ниже, чем на средних. Причина в том, что Wi-Fi – связь широкополосная, удержать сигнал чётко в пределах рамки канала не удастся. Вот и приходится снижать мощность в «пограничных» случаях, чтобы не задевать соседние с ISM диапазоны. Вывод: если ваш планшет плохо работает в туалете – попробуйте переехать на канал 6.
2. Раз уж речь зашла о каналах…
Всем известны «непересекающиеся» каналы 1/6/11. Так вот, они пересекаются! Потому, что Wi-Fi, как было упомянуто раньше, технология широкополосная и полностью сдержать сигнал в рамках канала невозможно. Приведенные ниже иллюстрации демонстрируют эффект для 802.11n OFDM (HT). На первой иллюстрации изображена спектральная маска 802.11n OFDM (HT) для 20МГц канала в 2.4ГГц (взята прямо из стандарта). По вертикали — мощность, по горизонтали — частота (смещение от центральной частоты канала). На второй иллюстрации я наложил спектральные маски каналов 1,6,11 с учетом соседства. Из этих иллюстраций мы сделаем два важных вывода.
[2.1] Все считают, что ширина канала — 22МГц (так и есть). Но, как показывает иллюстрация, сигнал на этом не заканчивается, и даже непересекающиеся каналы таки перекрываются: 1/6 и 6/11 — на
-36dBr, 1/13 — на -45dBr.
Попытка поставить две точки доступа, настроенные на соседние «неперекрывающиеся» каналы, близко друг от друга приведет к тому, что каждая из них будет создавать соседке помеху в 20dBm – 20dB – 50dB [которые добавим на потери распространения сигнала на малое расстояние и небольшую стенку] =-50dBm! Такой уровень шума способен целиком забить любой полезный Wi-Fi сигнал из соседней комнаты, или блокировать ваши коммуникации целиком!
The receiver shall hold the CCA signal busy for any signal 20 dB or more above the minimum modulation and coding rate sensitivity (–82 + 20 = –62 dBm) in the 20 MHz channel.
Соответственно станция (точка или клиент) считает эфир занятым, если слышит сигнал -62dBm и выше, независимо то того, велась ли передача на том же канале, на соседнем, или это вообще микроволновка работает. В случае клиента все еще не так плохо, но если у вас помеха в >=-62dBm в районе точки — будет страдать вся ячейка. По той же причине все серьезные вендоры просто не выпускают dual-radio ТД, в которых оба модуля могут работать в 2.4 одновременно: легче запретить, чем каждый раз объяснять, что не «ВендорХ — гавно», а «учите матчасть».
Вывод: если вы поставите точку рядом со стеной, а ваш сосед – с другой стороны стены, его точка на соседнем «неперекрывающемся» канале все равно может доставлять вам серьезные проблемы. Попробуйте посчитать значения помехи для каналов 1/11 и 1/13 и сделать выводы самостоятельно.
Аналогично, некоторые стараются «уплотнить» покрытие, устанавливая две точки настроенные на разные каналы друг на друга стопкой — думаю, уже не надо объяснять, что будет (исключением тут будет грамотное экранирование и грамотное разнесение антенн — все возможно, если знать как).
[2.2] Второй интересный аспект – это попытки чуть более продвинутых пользователей «убежать» между стандартными каналами 1/6/11. Опять же, логика проста: «Я между каналами словлю меньше помех». По факту, помех, обычно, ловится не меньше, а больше. Раньше вы страдали по полной только от одного соседа (на том же канале, что и вы). Но это были помехи не первого уровня OSI (интерференция), а второго – коллизии — т.к. ваша точка делила с соседом коллизионный домен и цивилизованно соседствовала на MAC-уровне. Теперь вы ловите интерференцию (Layer1) от двух соседей с обеих сторон.
В итоге, delay и jitter, может, и попытались немного уменьшиться (т.к. коллизий теперь как бы нет), но зато уменьшилось и соотношение сигнал/шум. А с ним уменьшились и скорости (т.к. каждая скорость требует некоторого минимального SNR — об этом в [3.1]) и процент годных фреймов (т.к. уменьшился запас по SNR, увеличилась чувствительность к случайным всплескам интерференции). Как следствие, обычно, возростает retransmit rate, delay, jitter, уменьшается пропускная способность.
Кроме того, при значительном перекрытии каналов таки возможно корректно принять фрейм с соседнего канала (если соотношение сигнал/шум позволяет) и таки получить коллизию. А при помехе выше -62dBm вышеупомянутый механизм CCA просто не даст воспользоваться каналом. Это только усугубляет ситуацию и негативно влияет на пропускную способность.
Вывод: не старайтесь использовать нестандартные каналы, не просчитав последствий, и отговаривайте от этого соседей. В общем, то же, что и с мощностью: отговаривайте соседей врубать точки на полную мощность на нестандартных каналах – будет меньше интерференции и коллизий у всех. Как просчитать последствия станет понятно из [3].
[2.3] По примерно тем же причинам не стоит ставить точку доступа у окна, если только вы не планируете пользоваться/раздавать Wi-Fi во дворе. Толку от того, что ваша точка будет светить вдаль, вам лично никакого – зато будете собирать коллизии и шум от всех соседей в прямой видимости. И сами к захламленности эфира добавите. Особенно в многоквартирных домах, построенных зигзагами, где окна соседей смотрят друг на друга с расстояния в 20-30м. Соседям с точками на подоконниках принесите свинцовой краски на окна… :)
[2.4][UPD] Также, для 802.11n актуален вопрос 40MHz каналов. Моя рекоммендация — включать 40MHz в режим «авто» в 5GHz, и не включать («20MHz only») в 2.4GHz (исключение — полное отсутствие соседей). Причина в том, что в присутствии 20MHz-соседей вы с большой долей вероятности получите помеху на одной из половин 40MHz-канала + включится режим совместимости 40/20MHz. Конечно, можно жестко зафиксировать 40MHz (если все ваши клиенты его поддерживают), но помеха все равно останется. Как по мне, лучше стабильные 75Mbps на поток, чем нестабильные 150. Опять же, возможны исключения — применима логика из [3.4]. Подробности можно почитать в этой ветке комментариев (вначале прочтите [3.4]).
3. Раз уж речь зашла о скоростях…
[3.1] Уже несколько раз мы упоминали скорости (rate/MCS — не throughput) в связке с SNR. Ниже приведена таблица необходимых SNR для рейтов/MCS, составленная мной по материалам стандарта. Собственно, именно поэтому для более высоких скоростей чувствительность приемника меньше, как мы заметили в [1.1].
В сетях 802.11n/MIMO благодаря MRC и другим многоантенным ухищрениям нужный SNR можно получить и при более низком входном сигнале. Обычно, это отражено в значениях чувствительности в datasheet'ах.
Отсюда, кстати, можно сделать еще один вывод: эффективный размер (и форма) зоны покрытия зависит от выбранной скорости (rate/MCS). Это важно учитывать в своих ожиданиях и при планировании сети.
[3.2] Этот пункт может оказаться неосуществимым для владельцев точек доступа с совсем простыми прошивками, которые не позволяют выставлять Basic и Supported Rates. Как уже было сказано выше, скорость (rate) зависит от соотношения сигнал/шум. Если, скажем, 54Mbps требует SNR в 25dB, а 2Mbps требует 6dB, то понятно, что фреймы, отправленные на скорости 2Mbps «пролетят» дальше, т.е. их можно декодировать с большего расстояния, чем более скоростные фреймы. Тут мы и приходим к Basic Rates: все служебные фреймы, а также броадкасты (если точка не поддерживает BCast/MCast acceleration и его разновидности), отправляются на самой нижней Basic Rate. А это значит, что вашу сеть будет видно за многие кварталы. Вот пример (спасибо Motorola AirDefense).
Опять же, это добавляет к рассмотренной в [2.2] картине коллизий: как для ситуации с соседями на том же канале, так и для ситуации с соседями на близких перекрывающихся каналах. Кроме того, фреймы ACK (которые отправляются в ответ на любой unicast пакет) тоже ходят на минимальной Basic Rate (если точка не поддерживает их акселерацию)
Вывод: отключайте низкие скорости – и у вас, и у соседей сеть станет работать быстрее. У вас – за счет того, что весь служебный трафик резко начнет ходить быстрее, у соседей – за счет того, что вы теперь для них не создаете коллизий (правда, вы все еще создаете для них интерференцию — сигнал никуда не делся — но обычно достаточно низкую). Если убедите соседей сделать то же самое – у вас сеть будет работать еще быстрее.
[3.3] Понятно, что при отключении низких скоростей подключиться к точке можно будет только в зоне более сильного сигнала (требования к SNR стали выше), что ведет к уменьшению эффективного покрытия. Равно как и в случае с понижением мощности. Но тут уж вам решать, что вам нужно: максимальное покрытие или быстрая и стабильная связь. Используя табличку и datasheet'ы производителя точки и клиентов почти всегда можно достичь приемлемого баланса.
[3.4] Еще одним интересным вопросом являются режимы совместимости (т.н. “Protection Modes”). В настоящее время есть режим совместимости b-g (ERP Protection) и a/g-n (HT Protection). В любом случае скорость падает. На то, насколько она падает, влияет куча факторов (тут еще на две статьи материала хватит), я обычно просто говорю, что скорость падает примерно на треть. При этом, если у вас точка 802.11n и клиент 802.11n, но у соседа за стеной точка g, и его трафик долетает до вас – ваша точка точно так же свалится в режим совместимости, ибо того требует стандарт. Особенно приятно, если ваш сосед – самоделкин и ваяет что-то на основе передатчика 802.11b. :) Что делать? Так же, как и с уходом на нестандартные каналы – оценить, что для вас существеннее: коллизии (L2) или интерференция (L1). Если уровень сигнала от соседа относительно низок, переключайте точки в режим чистого 802.11n (Greenfield): возможно, понизится максимальная пропускная способность (снизится SNR), но трафик будет ходить равномернее из-за избавления от избыточных коллизий, пачек защитных фреймов и переключения модуляций. В противном случае – лучше терпеть и поговорить с соседом на предмет мощности/перемещения ТД. Ну, или отражатель поставить… Да, и не ставьте точку на окно! :)
[3.5] Другой вариант – переезжать в 5 ГГц, там воздух чище: каналов больше, шума меньше, сигнал ослабляется быстрее, да и банально точки стоят дороже, а значит – их меньше. Многие покупают dual radio точку, настраивают 802.11n Greenfield в 5 ГГц и 802.11g/n в 2.4 ГГц для гостей и всяких гаджетов, которым скорость все равно не нужна. Да и безопаснее так: у большинства script kiddies нет денег на дорогие игрушки с поддержкой 5 ГГц.
Для 5 ГГц следует помнить, что надежно работают только 4 канала: 36/40/44/48 (для Европы, для США есть еще 5). На остальных включен режим сосуществования с радарами (DFS). В итоге, связь может периодически пропадать.
4. Раз уж речь зашла о безопасности…
Упомянем некоторые интересные аспекты и здесь.
[4.1] Какой должна быть длина PSK? Вот выдержка из текста стандарта 802.11-2012, секция M4.1:
Keys derived from the pass phrase provide relatively low levels of security, especially with keys generated form short passwords, since they are subject to dictionary attack. Use of the key hash is recommended only where it is impractical to make use of a stronger form of user authentication. A key generated from a passphrase of less than about 20 characters is unlikely to deter attacks.
Вывод: ну, у кого пароль к домашней точке состоит из 20+ символов? :)
[4.2] Почему моя точка 802.11n не «разгоняется» выше скоростей a/g? И какое отношение это имеет к безопасности?
Стандарт 802.11n поддерживает только два режима шифрования: CCMP и None. Сертификация Wi-Fi 802.11n Compatible требует, чтобы при включении TKIP на радио точка переставала поддерживать все новые скоростные режимы 802.11n, оставляя лишь скорости 802.11a/b/g. В некоторых случаях можно видеть ассоциации на более высоких рейтах, но пропускная способность все равно будет низкой. Вывод: забываем про TKIP – он все равно будет запрещен с 2014 года (планы Wi-Fi Alliance).
[4.3] Стоит ли прятать (E)SSID? (это уже более известная тема)
Тем не менее прятать стоит – вреда от этого тоже никакого. Но тут есть два важных исключения: устройства с кривыми драйверами (Apple IOS, например, имеет ряд забавных косяков, связанных с сохраненными профилями скрытых сетей) которые не могут уверенно подключаться к скрытым ESSID. Также, компьютеры под управлением Windows XP с WZC – эти постоянно ищут приключений сконфигуренные на клиенте сети со скрытыми SSID, чем не только выдают их имена, но еще и напрашиваются на атаки evil twin.
5. Всякая всячина.
[5.1] Немного о MIMO. Почему-то по сей день я сталкиваюсь с формулировками типа 2x2 MIMO или 3x3 MIMO. К сожалению, для 802.11n эта формулировка малополезна, т.к. важно знать еще количество пространственных потоков (Spatial Streams). Точка 2x2 MIMO может поддерживать только один SS, и не поднимется выше 150Mbps. Точка с 3x3 MIMO может поддерживать 2SS, ограничиваясь лишь 300Mbps. Полная формула MIMO выглядит так: TX x RX: SS. Понятно, что количество SS не может быть больше min (TX, RX). Таким образом, приведенные выше точки будут записаны как 2x2:1 и 3x3:2. Многие беспроводные клиенты реализуют 1x2:1 MIMO (смартфоны, планшеты, дешевые ноутбуки) или 2x3:2 MIMO. Так что бесполезно ожидать скорости 450Mbps от точки доступа 3x3:3 при работе с клиентом 1x2:1. Тем не менее, покупать точку типа 2x3:2 все равно стоит, т.к. большее количество принимающих антенн добавляет точке чувствительности (MRC Gain). Чем больше разница между количеством принимающих антенн точки и количеством передающих антенн клиента — тем больше выигрыш (если на пальцах). Однако, в игру вступает multipath.
[5.2] Как известно, multipath для сетей 802.11a/b/g – зло. Точка доступа, поставленная антенной в угол, может работать не самым лучшим образом, а выдвинутая из этого угла на 20-30см может показать значительно лучший результат. Аналогично для клиентов, помещений со сложной планировкой, кучей металлических предметов и т.д.
Для сетей MIMO с MRC и в особенности для работы нескольких SS (и следовательно, для получения высоких скоростей) multipath – необходимое условие. Ибо, если его не будет – создать несколько пространственных потоков не получится. Предсказывать что-либо без специальных инструментов планирования здесь сложно, да и с ними непросто. Вот пример рассчетов из Motorola LANPlanner, но однозначный ответ тут может дать только радиоразведка и тестирование.
Создать благоприятную multipath-обстановку для работы трех SS сложнее, чем для работы двух SS. Поэтому новомодные точки 3x3:3 работают с максимальной производительностью обычно лишь в небольшом радиусе, да и то не всегда. Вот красноречивый пример от HP (если копнуть глубже в материалы анонса их первой точки 3x3:3 — MSM460)
В наши дни сложно найти человека, не пользующегося преимуществами Wi-Fi. Почти у каждого дома имеется собственный Wi-Fi роутер, а в телефоне сохранена как минимум пара-тройка других сетей из мест регулярного посещения. Стандарты Wi-Fi развиваются с регулярной скоростью, а производители роутеров год от года выпускают новые девайсы и заманивают обывателей обещаниями невиданной ранее скорости и зоны покрытия. Но далеко не каждый сможет разобраться в странных кодировках “802.11a/b/g/n/ac/ax” при выборе в магазине, так что приходится уповать на толковых консультантов и всё те же рекламные статьи и «честные обзоры» от самих производителей, подчистую написанные маркетологами без какой-либо привязки к реальному миру. Как быть при выборе? Да и стоит ли вообще гнаться за прогрессом, или же вы ничего не получите от апгрейда? А может и вовсе можно «подшаманить» имеющееся оборудование и добиться лучшего качества связи? Давайте попытаемся разобраться.
Но для начала отвечу на потенциальный вопрос: «А кто ты вообще такой и почему я должен тебя слушать?» Тут всё просто – я занимаюсь дизайном и траблшутингом корпоративных Wi-Fi сетей с 2014 года и имею парочку сертификатов компании Cisco, согласно которым я, якобы, являюсь профессионалом в этой сфере (нет, не являюсь, они всё врут). На написание статьи сподвигло желание доступным языком объяснить другим принципы работы Wi-Fi и его основные моменты, дабы повысить общую грамотность по теме и уберечь от создания проблем для себя и, особенно, окружающих. К чему и приступим.
О домашних Wi-Fi роутерах
То, что мы привыкли называть Wi-Fi роутером, на самом деле является составным устройством – роутером (или маршрутизатором) с функцией точки доступа Wi-Fi. Зачем это знать? Да просто, чтобы отделять тёплое от мягкого и понимать, что сам роутер отвечает за подключение к провайдеру, выдачу вашим домашним устройствам IP-адресов и, собственно, вашу связь с интернетом. А функция очки Wi-Fi ограничивается тем, чтобы связать ваш смартфон с самим роутером. То есть, банальная замена тому же кабелю, идущему от роутера к ПК.
А теперь вопрос: какова скорость работы вашего провайдера? Та самая, за которую вы платите абонентскую плату? 10 мбит/с? 50? 100? Вряд ли больше. А теперь ещё более интересный вопрос: если ваша точка Wi-Fi будет выдавать обещанные маркетологами (но недостижимые) 6 Гбит/c, то повысит ли это скорость соединения с интернетом? Ответ: нет, ни капли, ведь вы так же продолжаете платить за свои 10 мбит/c. На деле точка Wi-Fi всего лишь влияет на скорость между вашим смартфоном, роутером и другими устройствами в домашней сети. Для справки, при подключении проводом вы получаете гарантированные 100 мбит/c или 1Гбит/c в зависимости от типа кабеля и портов на маршрутизаторе и вашем ПК. А следовательно, дальнейшее наращивание скорости за пределами интернет-соединения будет иметь смысл лишь для общения с локальным хранилищем, если таковое имеется.
О принципах передачи данных по воздуху
До разговора о стандартах Wi-Fi и скоростях давайте разберёмся с тем, как вообще устроена передача данных по воздуху.
Чтобы понять разницу между кабелем и Wi-Fi, достаточно представить себе совещание в маленькой комнате, плотно набитой парами людей, где каждый должен доложить своему начальнику о проделанной за день работе. При попытке общения все станут друг друга перебивать, и на фоне общего шума будет крайне сложно вести беседу. Следовательно, наилучшим вариантом будет говорить по очереди, а все остальные будут слушать, хотя им абсолютно наплевать – ведь информация предназначена не для них, она и вовсе пройдёт белым шумом. Среди этой толпы обязательно попадётся кто-то крайне говорливый, и его объём болтовни с лёгкостью превысит отчёт 5 других человек. Такого индивидуума будут время от времени прерывать, чтобы он отдышался и сформулировал следующую тираду, а за это время кто-то другой успеет выдать: «Я весь день писал статью» и спокойно пойти по своим делам. Остальным же придётся грустно смотреть ему вслед и ждать своей очереди. Поздравляю, вы только что поняли, как работает Wi-Fi.
Если же разбить все эти пары людей по разным комнатам, то каждый сможет отчитаться своему начальнику лично, никто больше его не услышит, да и ждать других не придётся. Так работает связь по кабелю. Чувствуете разницу?
Из этого можно сделать один максимально простой вывод: скорость, качество и защищённость проводной связи фундаментально всегда будет лучше беспроводной вне зависимости от того, сколько новых стандартов ещё успеют придумать. Выходит, главное и единственное преимущество Wi-Fi – мобильность и отсутствие проводов. А ещё есть второй, чуть менее очевидный вывод, о котором маркетологи предпочитают умалчивать: скорость Wi-Fi сети делится между всеми участниками, работающими на одном канале (то есть слышащими друг друга). Так что обещанные 6 Гбит/c внезапно превращаются в тыкву, если только у вас не единственная на всю деревню точка Wi-Fi с одним лишь подключенным (и очень крутым) клиентом. И даже в этом случае с реальной скоростью всё гораздо сложнее, но об этом лучше написать отдельно.
О радиодиапазонах и помехах
На этой слегка грустной ноте чуть углубимся в техническую часть и рассмотрим, как работает Wi-Fi с точки зрения радиосигнала. Для начала надо понимать, что Wi-Fi существует на одном из двух нелицензируемых радиодиапазонов. Наиболее часто для простоты их именуют 2.4 ГГц и 5 ГГц. Важный момент: что значит «нелицензируемые»? А то, что вам не требуется получать лицензию на вещание в этих частотах, если мощность передатчика ниже допустимой нормы (читай: можно ставить Wi-Fi точку дома), но вы обязаны мириться с потенциальными помехами от устройств основного назначения, a.k.a. ISM (Industrial, Scientific, Medical, куда входят метеорологические радары). На практике это также означает, что никто не запретит вам разработать собственную технологию беспроводной передачи данных и использовать её в диапазоне 2.4 ГГц. О каких устройствах речь? Всеми любимый Bluetooth и весь спектр имеющихся дома устройств: микроволновки (да-да), радиотелефоны, видео-няни, камеры, беспроводные клавиатуры, мыши, геймпады, наушники – всё это работает на 2.4 ГГц. Следовательно, создаёт помехи друг для друга и для Wi-Fi особенно. На 5 ГГц ситуация значительно лучше, но об этом чуть позже.
О частотах и каналах
Пора перейти непосредственно к самому сигналу. Так уж исторически сложилось, что первые массовые Wi-Fi устройства работали на 2.4 ГГц (хотя, на удивление, версия с 5 ГГц была разработана раньше). Как вы уже поняли, для Wi-Fi это не самая хорошая среда из-за вынужденного соседства с кучей других беспроводных девайсов, но в те времена никто не представлял масштабов потенциальной проблемы.
Из выбранного диапазона частот Wi-Fi точка выбирает один из доступных каналов и работает там вместе со всеми подключенными к ней клиентами. Всего в диапазоне 2.4 ГГц выделено 13 каналов Wi-Fi (плюс ещё 1 исключительно для Японии), но на деле должны использоваться лишь 3 из них: 1, 6, и 11. Почему? Каждый канал занимает 22 МГц, и лишь эти трое являются непересекающимися – то есть клиенты одного не услышат клиентов двух других и, соответственно, не будут друг другу мешать. Иными словами, лишь 3 Wi-Fi точки могут находиться по соседству и никак не замедлять работу других. Добавляете четвёртую – и вот уже она вынуждена делить канал (а вместе с ним и скорость передачи) с одной из других. А теперь вопрос: как часто вы видите лишь 4 Wi-Fi точки в радиусе подключения? То-то же.
А теперь представим интересную ситуацию: ваш сосед – доморощенный гуру Wi-Fi, который знает, как добиться отличного качества сигнала и избежать помех от точек на том же канале! Недолго думая, он ручками меняет канал, скажем, на 3. Казалось бы – отличное решение, ведь тот канал полностью свободен! На деле же это означает, что его Wi-Fi точка и все клиенты на ней теперь создают помехи и на первом канале, и на шестом. Поздравляю, Шарик, ты балбес!
Как же обстоят дела на 5 ГГц? Если кратко, то изрядно веселее – нет соседства с Bluetooth и иже с ним, число каналов больше, все они уже по умолчанию друг от друга удалены, так что нет возможности выбрать «не тот». Хотя и тут есть свои нюансы с реальным числом доступных каналов, о которых, впрочем, знать ни к чему. Если кратко, в России в диапазоне 5 ГГц доступно до 23-х каналов шириной 20 МГц, но с некоторых из них вас может автоматически выкинуть при обнаружении радарного сигнала. И, кстати, это ограничение самой технологии, а не юридические заморочки конкретной страны.
О стандартах Wi-Fi
Наконец выбрались за рамки абстрактного и подобрались к чему-то существенному. Итак, все стандарты Wi-Fi объединены в общую группу 802.11 и отличаются буквами в различной комбинации. Понимание тех самых букв поможет как при выборе домашнего роутера, так и при его настройке. Приступим:
О скептицизме
Рекламируя вам очередной новейший Wi-Fi роутер, маркетологи (умышленно или нет) предпочитают умалчивать об одной крайне важной детали – стандарт должен поддерживаться не только точкой Wi-Fi, но и самими клиентами, ведь общение происходит в обе стороны. Как думаете, сколько сейчас на рынке устройств, поддерживающих Wi-Fi 6? Осмелюсь предположить, что значительно меньше 1%. Быстрым поиском я нашёл около 15 моделей смартфонов, и все они были не самой бюджетной ценовой категории. А значит, не так уж мал шанс, что ваш новенький дорогущий роутер будет очень красиво пылиться на шкафу и работать в режиме совместимости с предыдущими стандартами. Кто-то очень оптимистично утверждает, что не надо быть частью проблемы, стоит вложиться в инфраструктуру прямо сейчас, а уж устройства за 2-3 года обновятся. По личному опыту скажу, что активные устройства полностью не обновляется даже за 7 лет, и всё равно найдётся куча девайсов без поддержки новых стандартов. А уж если говорить о производителях, то многие бюджетные смартфоны до сих пор не поддерживают даже 802.11a (которому, кстати, 20 лет) и вынуждены работать на 2.4 ГГц. Про IoT («интернет вещей») я вообще боюсь даже гадать – вряд ли они вообще в обозримом будущем полностью перелезут хотя бы на 5 ГГц, если только производство компонентов не станет дешевле, чем на 2.4 ГГц. Какой уж там Wi-Fi 6?
В заключение
На самом деле хотелось рассказать гораздо больше: о мощности сигнала, о его дальности и поглощении стенами, о ретрансляторах (избегайте их любой ценой), о правильном направлении антенн (просто запомните, строго вертикально и никак иначе), о «вреде от излучения Wi-Fi». Но так как сайт непрофильный, то проще смириться с потраченным временем на 4 страницы текста, нежели на 8, если вдруг админы не захотят пропускать. Если будет отклик от сообщества, то может и наскребу на вторую статью.
Если же у вас имеются какие-либо вопросы, то с радостью постараюсь на них ответить.
Подписывайтесь на наш Telegram канал, там мы публикуем то, что не попадает в новостную ленту, и следите за нами в сети:
Читайте также: