Band steering и smart connect

Качественный эксперимент

Переместимся из стерильной лаборатории на реальный объект заказчика. В помещении были установлены две точки доступа с мощностью излучения 10 дБм (10 мВт), беспроводной контроллер и необходимая поддерживающая проводная инфраструктура. Схема помещений и места установки точек доступа представлены ниже.
Беспроводной клиент перемещался по помещению, совершая видеозвонок. Сначала мы отключили поддержку стандарта 802.11k в контроллере и установили места, в которых происходило переключение. Как видно из представленной ниже картинки, это случалось на значительном удалении от «старой» точки доступа, вблизи «новой»; в этих местах сигнал становился очень слабым, а скорости едва хватало для передачи видеоконтента. Наблюдались заметные лаги в голосе и видео при переключении.
Затем мы включили поддержку 802.11k и повторили эксперимент. Теперь переключение происходило раньше, в местах, где сигнал от «старой» точки доступа все еще оставался достаточно сильным. Лагов в голосе и видео зафиксировано не было. Место переключения теперь переместилось примерно на середину между точками доступа.
В этом эксперименте мы не ставили перед собой цели выяснить какие бы то ни было численные характеристики переключения, а лишь качественно продемонстрировать суть наблюдаемых различий.
 

Band steering

Технология band steering позволяет беспроводной сетевой инфраструктуре пересаживать клиента с одного частотного диапазона на другой, обычно речь идет о принудительном переключении клиента с диапазона 2,4 ГГц в диапазон 5 ГГц. Хотя band steering и не относится непосредственно к роумингу, мы все равно решили упомянуть его здесь, так как он связан с переключением клиентского устройства и поддерживается всеми нашими двухдиапазонными точками доступа.
В каком случае может возникнуть необходимость переключить клиента в другой частотный диапазон? Например, такая необходимость может быть связана с переводом клиента из перегруженного диапазона 2,4 ГГц в более свободный и высокоскоростной 5 ГГц. Но бывают и другие причины.
Стоит отметить, что на данный момент не существует стандарта, жестко регламентирующего работу описываемой технологии, поэтому каждый производитель реализовывает ее по-своему. Однако общая идея остается примерно схожей: точки доступа не анонсируют клиенту, выполняющему активный скан, SSID в диапазоне 2,4 ГГц, если в течение некоторого времени была замечена активность данного клиента на частоте 5 ГГц. То есть точки доступа, по сути, могут просто умолчать о наличии поддержки диапазона 2,4 ГГц, в случае если удалось установить наличие поддержки клиентом частоты 5 ГГц.
Выделяют несколько режимов работы band steering:
 

1. Принудительное подключение. В этом режиме клиенту в принципе не сообщается о наличии поддержки диапазона 2,4 ГГц, конечно же, если клиент обладает поддержкой частоты 5 ГГц.
2. Предпочтительное подключение. Клиент принуждается к подключению в диапазоне 5 ГГц, только если RSSI (Received Signal Strength Indicator) выше определенного порогового значения, в противном случае клиенту позволяется подключиться к диапазону 2,4 ГГц.
3. Балансировка нагрузки. Часть клиентов, поддерживающих оба частотных диапазона, подключаются к сети 2,4 ГГц, а часть — к сети 5 ГГц. Данный режим не позволит перегрузить диапазон 5 ГГц, если все беспроводные клиенты поддерживают оба частотных диапазона.

Конечно же, клиенты с поддержкой только какого-либо одного частотного диапазона смогут подключиться к нему без проблем.
На схеме ниже мы попытались графически изобразить суть технологии band steering.
 

TP-Link Archer AX11000

Одна из последних новинок на рынке роутеров с поддержкой Wi-Fi 6, по большинству параметров и функций повторяющая модель Archer AX6000 из той же линейки. Роутер TP-Link Archer AX11000 отличается возможностью одновременного использования диапазонов 2,4 Гц и 5 ГГц с общей пропускной способностью 10,8 Гбит/с.

Поддержка технологии OFDMA, компенсирующая помехи и шумы, обеспечивает максимальную игровую производительность – поэтому модель относят к геймерской категории. С другой стороны, и цена у нее такая, которая подойдет не каждому рядовому пользователю – от $450 (около 30 000 рублей). За приличную сумму, в несколько раз большую стоимости маршрутизатора с поддержкой Wi-Fi 5, можно получить повышенный уровень безопасности передаваемых данных и хорошее покрытие с помощью 8 антенн.

Для проводного подключения у роутера есть 8 портов LAN (1 Гбит/с) и 1 WAN на 2,5 Гбит/с. За управление передачей данных отвечает процессор с 4 ядрами по 1,8 ГГц, три сопроцессора Wi-Fi и 1 Гбайт оперативной памяти. Используя фирменное приложение TP-Link Tether, можно быстро изменять любые настройки маршрутизатора.

TP-Link Deco X10

Модель Deco X10 была представлена на CES 2019. Она считается флагманом производителя TP-Link и представляет собой не просто роутер, а Mesh-систему. Несколько таких устройств объединяются в общую сеть для увеличения площади покрытия, надежности соединения, скорости доступа и максималного числа одновременно подключенных пользователей. Правда, пропускная способность гаджета заметно уступает другим моделям в рейтинге – но окупается возможностью создания обширной сети.

В диапазоне 2,4 ГГц максимальная скорость роутера не превышает 300 Мбит/с, для 5 ГГц – 1200 Мбит/с. Объединение каналов не позволит получить больше 1,95 Гбит/с – ровно столько поддерживается аппаратной частью.

Asus ROG Rapture GT-AX11000

Модель Rapture GT-AX11000 из линейки ASUS ROG получила оригинальный дизайн, приличную функциональность и поддержку трех частотных диапазонов. Благодаря этому максимальная скорость передачи данных повысилась почти до 11 Гбит/с. Поддерживать работу в таком режиме позволяют 4-хъядерный ЦПУ, 1 Гбайт оперативки и контроллеры Broadcom BCM43684. Еще один чип, Aquantia AQR109, обеспечивает прием информации со скоростью до 2,5 Гбит/с. Такая аппаратная часть позволила реализовать в прошивке VPN-сервер для безопасного подключения к интернету и защиты данных пользователей.

Устройство считается игровым, поэтому несколько его функций предназначено специально для геймеров. В первую очередь, это трехуровневая система ускорения трафика с помощью технологий Game Boost, GameFirst V и Gamers Private Network. Их использование обеспечивает оптимизацию передачи пакетов данных, снижая задержки на 30-60% и вероятность потери информации почти на 90%.

Функциональность повышается с помощью программы Gaming Center, а уровень защищенности информации – благодаря системе AiProtection Pro. Технология AiMesh позволяет объединять несколько устройств в общую сеть.

Что такое Wi-Fi 6?

Технология Wi-Fi 6 получила свое название из-за нового подхода к обозначению – по старой классификации она называется 802.11ax. Причиной для переименования стандарта, который официально будет введен в эксплуатацию производителями драйверов и техники до конца 2019 года, стала путаница в буквах. Не всем пользователям было понятно, что означают названия типа 802.11n или 802.11ac – теперь их будут обозначать как Wi-Fi 4 и 5, соответственно.

Главные плюсы новой технологии:

• Повышение скорости передачи данных. Поддержка двунаправленного потока с несколькими выходами и входами обеспечит пропускную способность в 9-16 Гбит/с. Это почти в 1,5 раза быстрее сетей Wi-Fi 5, передающих не больше 11 Гбит в секунду.  
• Увеличение ширины диапазона каналов, позволяющее избежать проблем с использованием одного канала несколькими точками доступа.  
• Возможность разделения и повторного использования частот. Каналы делятся на подканалы, позволяя одновременно подключаться к сети большему количеству пользователей без заметной потери скорости.  
• Обратная совместимость. Все устройства, поддерживающие технологии Wi-Fi 4 или 5, будут работать с новым стандартом – но на своей скорости.  
• Улучшенная версия протоколов шифрования, благодаря которой передаваемые данные окажутся более защищенными от перехвата.  
• Сокращение энергопотребления IoT устройств. Новый механизм TWT (Target Wake Time), уже встроенный в технологию Wi-Fi 6, обеспечивает «пробуждение» умной техники по таймеру – только в то время, когда необходим сбор информации.  

Новый стандарт обеспечивает доступ к интернету или локальной сети для множества терминалов, повышает скорость передачи данных, позволяя каждому пользователю смотреть видео в формате 4K. Однако оценить возможности технологии получится только при покупке поддерживающей ее техники: в продаже даже начали появляться смартфоны с поддержкой Wi-Fi 6. Роутеров такого типа еще немного, но некоторые из них уже можно найти в российской рознице.

TP-Link Archer AX6000

Восьмипоточный маршрутизатор TP-Link Archer AX6000 обеспечивает скорость передачи данных по беспроводной сети до 6 Гбит/с в диапазонах 2,4 и 5 ГГц с шириной канала 160 МГц. Для проводной передачи информации устройство оснащено 8 портами LAN с пропускной способностью 1 Гбит/с и разъемом WAN Ethernet 2,5 Гбит/с. Для поддержки таких скоростей и стандарта Wi-Fi 6 модель получила 4-ядерный процессор с частотой 1,8 ГГц и три сопроцессора, 1 Гбайт ОЗУ и 256 Мбайт ПЗУ.

Технология Band Steering позволяет направлять подключенных к роутеру пользователей с перегруженной полосы на свободные. Система Airtime Fairness обеспечивает оптимальное использование времени, а HomeCare TM – защиту от вредоносных программ. Также у модели TP-Link Archer AX6000 есть поддержка технологий для оптимизации игровых потоков, включая специальный «ускоритель», повышающий скорость и уменьшающий задержку. Роутер может работать с сервисами Alexa и IFTTT, равномерно распределяет нагрузку с помощью механизма Band Steering.

IEEE 802.11k в деталях

Стандарт расширяет возможности RRM (Radio Resource Management) и позволяет беспроводным клиентам с поддержкой 11k запрашивать у сети список соседних точек доступа, потенциально являющихся кандидатами для переключения. Точка доступа информирует клиентов о поддержке 802.11k с помощью специального флага в Beacon. Запрос отправляется в виде управляющего (management) фрейма, который называют action frame. Точка доступа отвечает также с помощью action frame, содержащего список соседних точек и номера их беспроводных каналов. Сам список не хранится на контроллере, а генерируется автоматически по запросу. Также стоит отметить, что данный список зависит от местоположения клиента и содержит не все возможные точки доступа беспроводной сети, а лишь соседние. То есть два беспроводных клиента, территориально находящиеся в разных местах, получат различные списки соседних устройств.
Обладая таким списком, клиентскому устройству нет необходимости выполнять скан (активный или пассивный) всех беспроводных каналов в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, что позволяет сократить использование беспроводных каналов, то есть высвободить дополнительную полосу пропускания. Таким образом, 802.11k позволяет сократить время, затрачиваемое клиентом на переключение, а также улучшить сам процесс выбора точки доступа для подключения. Кроме этого, отсутствие необходимости в дополнительных сканированиях позволяет продлить срок жизни аккумулятора беспроводного клиента. Стоит отметить, что точки доступа, работающие в двух диапазонах, могут сообщать клиенту информацию о точках из соседнего частотного диапазона.
Мы решили наглядно продемонстрировать работу IEEE 802.11k в нашем беспроводном оборудовании, для чего использовали контроллер AC50 и точки доступа CAP1200. В качестве источника трафика использовался один из популярных мессенджеров с поддержкой голосовых звонков, работающий на смартфоне Apple iPhone 8+, заведомо поддерживающий 802.11k. Профиль голосового трафика представлен ниже.
Как видно из диаграммы, использованный кодек генерирует один голосовой пакет каждые 10 мс. Заметные всплески и провалы на графике объясняются небольшой вариацией задержки (jitter), всегда присутствующей в беспроводных сетях на базе Wi-Fi. Мы настроили зеркалирование трафика на коммутаторе, к которому подключены обе точки доступа, участвующие в эксперименте. Кадры от одной точки доступа попадали в одну сетевую карту системы сбора трафика, фреймы от второй — во вторую. В полученных дампах отбирался только голосовой трафик. Задержкой переключения можно считать интервал времени, прошедший с момента пропадания трафика через один сетевой интерфейс, и до его появления на втором интерфейсе. Конечно же, точность измерения не может превышать 10 мс, что обусловлено структурой самого трафика.
Итак, без включения поддержки стандарта 802.11k переключение беспроводного клиента происходило в среднем в течение 120 мс, тогда как активация 802.11k позволяла сократить эту задержку до 100 мс. Конечно же, мы понимаем, что, хотя задержку переключения удалось сократить на 20 %, она все равно остается высокой. Дальнейшее уменьшение задержки станет возможным при совместном использовании стандартов 11k, 11r и 11v, как это уже реализовано в домашней серии беспроводного оборудования DECO.
Однако у 802.11k есть еще один козырь в рукаве: выбор момента для переключения. Данная возможность не столь очевидна, поэтому мы бы хотели упомянуть о ней отдельно, продемонстрировав ее работу в реальных условиях. Обычно беспроводной клиент ждет до последнего, сохраняя существующую ассоциацию с точкой доступа. И только когда характеристики беспроводного канала становятся совсем плохими, запускается процедура переключения на новую точку доступа. С помощью 802.11k можно помочь клиенту с переключением, то есть предложить произвести его раньше, не дожидаясь значительной деградации сигнала (конечно же, речь идет о мобильном клиенте). Именно моменту переключения посвящен наш следующий эксперимент.
 

Handover или «миграция клиента»

Подключившись к беспроводной сети, клиентское устройство (будь то смартфон с Wi-Fi, планшет, ноутбук или ПК, оснащенный беспроводной картой) будет поддерживать беспроводное подключение в случае, если параметры сигнала остаются на приемлемом уровне. Однако при перемещении клиентского устройства сигнал от точки доступа, с которой изначально была установлена связь, может ослабевать, что рано или поздно приведет к полной невозможности осуществлять передачу данных. Потеряв связь с точкой доступа, клиентское оборудование произведет выбор новой точки доступа (конечно же, если она находится в пределах доступности) и осуществит подключение к ней. Такой процесс и называется handover. Формально handover — процедура миграции между точками доступа, инициируемая и выполняемая самим клиентом (hand over — «передавать, отдавать, уступать»). В данном случае SSID старой и новой точек даже не обязаны совпадать. Более того, клиент может попадать в совершенно иную IP-подсеть.
Как в старой, так и в новой сети у клиента будет присутствовать доступ в интернет, однако все установленные подключения будут сброшены. Но проблема ли это? Обычно переключение не вызывает затруднений, так как все современные браузеры, мессенджеры и почтовые клиенты без проблем обрабатывают потерю соединения. Примером такого переключения может служить переход из кинозала в кафе внутри одного крупного торгового центра: только что вы обменялись с друзьями впечатлениями от нашумевшего блокбастера, а теперь готовы поделиться с ними фотографией кулинарного шедевра — нового десерта от шеф-повара.
Увы, в реальности все не так гладко. Все большую популярность набирают голосовые и видеовызовы, передаваемые по беспроводным сетям Wi-Fi, — независимо от того, используете ли вы Skype, Viber, Telegram, WhatsApp или какое-либо иное приложение, возможность перемещаться и при этом продолжать разговор без перерыва бесценна. И здесь возникает проблема минимизации времени переключения. Голосовые приложения в процессе работы отправляют данные каждые 10–30 мс в зависимости от используемого кодека. Потеря одного или пары таких пакетов с голосом не вызовет раздражения у абонентов, однако, если трафик прервется на более продолжительное время, это не останется незамеченным. Обычно считается, что прерывание голоса на время до 50 мс остается незамеченным большинством собеседников, тогда как отсутствие голосового потока в течение 150 мс однозначно вызывает дискомфорт.
Для минимизации времени, затрачиваемого на повторное подключение абонента к медиасервисам, необходимо вносить изменения как в опорную проводную инфраструктуру (позаботиться, чтобы у клиента не менялись внешний и внутренний IP-адреса), так и в процедуру handover, описанную ниже.
Handover между точками доступа:
 

1. Определить список потенциальных кандидатов (точек доступа) для переключения.
2. Установить CAC-статус (Call Admission Control — контроль доступности вызовов, то есть, по сути, степень загруженности устройства) новой точки доступа.
3. Определить момент для переключения.
4. Переключиться на новую точку доступа:

Заключение

Все описанные стандарты и технологии призваны улучшить опыт использования клиентом беспроводных сетей, сделать его работу более комфортной, уменьшить влияние раздражающих факторов, повысить общую производительность беспроводной инфраструктуры. Надеемся, что мы смогли наглядно продемонстрировать преимущества, которые получат пользователи после внедрения данных опций в беспроводных сетях.
Можно ли в 2018 году прожить в офисе без роуминга? На наш взгляд, такое вполне возможно. Но, попробовав раз перемещаться между кабинетами и этажами без потери соединения, без необходимости повторно устанавливать голосовой или видеовызов, не будучи вынужденным многократно повторять сказанное или переспрашивать, — от этого будет уже нереально отказаться.
P.S. а вот так можно сделать бесшовность не в офисе, а дома, о чем подробнее расскажем в другой статье.