無(wú)線(xiàn)對決——802.11n與WLAN

在WLAN網(wǎng)絡(luò )廣泛應用的同時(shí)，802.11技術(shù)也沒(méi)有停止發(fā)展的腳步，2009年802.11n協(xié)議正式標準化，再一次實(shí)現了物理速率的提升，最高物理速率可以達到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU(報文聚合)功能充分提高空間媒介的信道利用率，同時(shí)帶來(lái)了WLAN網(wǎng)絡(luò )的信道承載性能的成倍提升。加上未來(lái)隨著(zhù)新的802.11n芯片和技術(shù)的發(fā)展，450Mbps物理速率的設備也將被普遍應用，WLAN網(wǎng)絡(luò )還會(huì )將迎來(lái)新一輪的騰飛。

一、 物理速率的提升

從宏觀(guān)角度，802.11協(xié)議可以分為兩個(gè)主要部分：鏈路層業(yè)務(wù)和物理層傳輸。鏈路層業(yè)務(wù)主要制定了WLAN鏈路協(xié)商的規則，以及針對WLAN接入服務(wù)而設計的系列功能，例如報文重傳和確認、重復報文檢測、密鑰協(xié)商、加密保護、漫游等等。而物理層傳輸則實(shí)現WLAN設備之間的能夠完成信號的發(fā)送和接收，并致力于不斷提高數據傳輸的物理速率。

802.11協(xié)議族所逐步實(shí)現的物理速率：

·1999年，802.11的基礎協(xié)議完成了WLAN的基本架構定義，并定義了兩種調制模式和速率，為WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率;

·1999年，802.11b協(xié)議直接致力于物理速率的提升，在802.11的基礎上提出了High Rate的概念，通過(guò)調試模式CCK，將WLAN的最大物理接入速率從2Mbps直接提升到11Mbps;

·1999年，802.11a的問(wèn)世一方面跳出了原來(lái)2.4GHz頻段的限制為WLAN應用爭取了更多的空間媒介資源(5GHz的三段頻點(diǎn)，可以提供多達13個(gè)不重疊的工作信道)，另外一方面則通過(guò)OFDM調制模式又一次將物理速率提升到了54Mbps。如果單單從數據的傳輸速率角度，該物理速率已經(jīng)是一個(gè)驕人的成績(jì)，在當時(shí)一定程度上可以和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行比較和抗衡;

·2003年，OFDM調制模式引入到2.4GHz推出了802.11g協(xié)議，該協(xié)議在802.11b的基礎上擴充支持了OFDM調制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能夠實(shí)現54Mbps的物理傳輸速率。802.11g并沒(méi)有為WLAN協(xié)議的物理速率的提升，而只是對于已有技術(shù)的擴展應用;

·2009年，長(cháng)達10年的沉默后802.11n協(xié)議的推出重新對WLAN物理速率進(jìn)行了一次洗牌，從調制模式開(kāi)始、引入了MIMO技術(shù)、實(shí)現了2個(gè)信道的捆綁使用，甚至對信號間隔調整，將WLAN的物理傳輸速率推到了300Mbps，特別在3條流的基礎上可以達到450Mbps的物理速率。

通過(guò)圖1可以看出，802.11n時(shí)代實(shí)現了WLAN的高速無(wú)線(xiàn)接入，從物理速率上已經(jīng)超出了其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，為WLAN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的廣泛應用帶來(lái)了無(wú)限的前景和希望，為WLAN的長(cháng)遠發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎。

圖1 802.11的速率增長(cháng)示意

到底哪些技術(shù)促成了此次802.11物理傳輸速率質(zhì)的飛躍?

首先，通過(guò)調制方式的變化，將基本的物理速率從802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，該速率也是單條流20Mhz頻寬默認情況下的最大物理速率。

其次，802.11n提出了MIMO技術(shù)，通過(guò)多條流同時(shí)發(fā)送數據，實(shí)現了相同時(shí)間內發(fā)送成倍的數據，最終將802.11n的物理傳輸速率成倍的提升。例如，在20Mhz頻寬采用800ns GI條件下，兩條流發(fā)送可以將物理速率從65Mbps提升到130Mbps，三條流可以將物理速率從65Mbps提升到195Mbps(如表1所示);

再次，傳統802.11a/g使用的頻寬為20MHz，而802.11n協(xié)議可以支持將相鄰兩個(gè)頻寬綁定為40MHz來(lái)一起使用。就是40MHz綁定技術(shù)有效地提高所用頻譜的寬度，將原來(lái)的52個(gè)有效子載波擴展到了108個(gè)，將802.11的物理速率提升了2.077倍左右。例如，在一條流800ns GI條件下，信道捆綁可以將物理速率從65Mbps提升到135Mbps(如表1所示);

最后，通過(guò)深層里的挖掘，可以將物理發(fā)送信號之間的GI從800ns調整到400ns，802.11n又為物理速率找到了大約1.11倍的提升。

表1給出了802.11n常見(jiàn)的物理速率(指定條件下系統提供的最高物理速率)，并給出幾個(gè)基本物理速率詳細描述和解釋?zhuān)?/p>

表1. 802.11n常見(jiàn)的物理速率

·65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發(fā)送速率(沒(méi)有啟動(dòng)short GI)，一些早期的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡可能都是一條流的11gn網(wǎng)卡，此類(lèi)網(wǎng)卡數據發(fā)送時(shí)使用一條流，所以能夠達到的最大物理速率為65Mbps;

·130Mbps：目前主流的11gn的物理速率，由于11gn不重疊信道只有3個(gè)，所以通常采用20Mhz模式而且不應用short GI特性，此時(shí)基本的無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端使用兩條流進(jìn)行數據發(fā)送，可以達到最大物理速率為130Mbps;

·300Mbps：11an不重疊信道相對11gn比較多，所以在11an模式下可以選擇采用40Mhz模式并可以啟動(dòng)short GI功能，這樣比較主流的11n客戶(hù)端使用兩條流發(fā)送數據，實(shí)現了300Mbps的最大物理速率。

二、 WLAN性能的同步提升

802.11n技術(shù)帶來(lái)了物理速率的成倍提高，但是單單依靠物理速率的提高能夠同時(shí)帶來(lái)WLAN網(wǎng)絡(luò )性能和吞吐的成倍提升嗎?

802.11協(xié)議定義每發(fā)送一個(gè)報文都必然進(jìn)行信道競爭，都需要根據模式添加物理層報文頭，對于單播報文還需要等待物理層的ACK確認，等等這些和實(shí)際發(fā)送的報文一樣都需要消耗信道資源。

在表2中假設持續發(fā)送1538bytes大小的單播報文，在不考慮重傳和錯包情況下，來(lái)對比一下54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率能為WLAN帶來(lái)的理論性能：

表2. 持續發(fā)送1538字節報文的理論性能對比

通過(guò)表2可以看到，雖然物理速率實(shí)現近6倍的提升，但性能并沒(méi)有同比上升。因此如果802.11n僅僅滿(mǎn)足于物理速率，估計最終只能成為實(shí)驗室的擺設。為了擺脫這個(gè)困境，802.11n協(xié)議必須實(shí)現WLAN網(wǎng)絡(luò )性能的同步提升，為WLAN應用制造出足夠的誘惑力，這個(gè)歷史重任交給了報文聚合A-MPDU功能。

802.11的任何一個(gè)報文在物理發(fā)送時(shí)會(huì )被作為一個(gè)MDPU發(fā)送，每一次發(fā)送都必然需要信道競爭和避讓?zhuān)瑥亩男诺蕾Y源。而報文聚合A-MPDU通過(guò)將多個(gè)MPDU聚合為一個(gè)物理層報文，只需要進(jìn)行一次信道競爭或避讓?zhuān)涂赏瓿蒒個(gè)MPDU的同時(shí)發(fā)送，從而減少了發(fā)送N-1個(gè)MPDU報文所帶來(lái)的信道資源消耗。通過(guò)報文聚合特性，充分提高了信道資源的利用率，極大地實(shí)現了802.11網(wǎng)絡(luò )性能的提升。

下圖為A-MPDU的結構圖，其中MPDU Delimiter是為了A-MPDU而專(zhuān)門(mén)定義，另外A-MPDU技術(shù)只會(huì )聚合同一個(gè)客戶(hù)端的MPDU：

圖2 報文聚合結構

在A(yíng)-MPDU報文聚合特性，得到了Block ACK功能的強大支持。通常的802.11網(wǎng)絡(luò )中，任何一個(gè)單播報文都需要得到目的設備的ACK確認，每一個(gè)ACK都是一個(gè)802.11報文，都需要消耗信道資源。而B(niǎo)lock ACK可以配合A-MDPU特性，對于整個(gè)A-MDPU中所有的802.11報文只需要一個(gè)Block ACK報文，充分減少了信道資源的消耗。

通過(guò)下面WLAN性能的理論分析(如圖3、4、5、6)，可以看出802.11的A-MPDU報文聚合為WLAN網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了極大的性能提升(分析中，假設每一個(gè)802.11報文都為1534bytes)：

圖3 20MHZ聚合報文數和性能關(guān)系

圖4 20MHZ聚合報文數和信道利用率關(guān)系

圖5 40MHZ聚合報文數和性能關(guān)系

圖6 40MHZ聚合報文數和信道利用率關(guān)系

至此可以了解，雖然802.11n的物理速率實(shí)現了接近6倍的提升，卻沒(méi)有為WLAN性能帶來(lái)大的提升，但是卻通過(guò)A-MPDU報文聚合將WLAN性能提升了6倍多，最終實(shí)現了WLAN網(wǎng)絡(luò )物理傳輸速率和性能的同步提升，將WLAN應用帶到了一個(gè)高速接入的時(shí)代。

三、 WLAN接入業(yè)務(wù)應用感受

802.11n技術(shù)將WLAN網(wǎng)絡(luò )帶到了一個(gè)高速時(shí)代，一個(gè)11N的網(wǎng)絡(luò )的理論性能整體要高于同等條件下11G的WLAN網(wǎng)絡(luò )，實(shí)際的應用效果肯定會(huì )得到一定的改善。

通過(guò)對常用的網(wǎng)絡(luò )工具，及對校園網(wǎng)流量的抓包分析發(fā)現：在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )流量中大部分的報文并不是我們期待的1500Bytes的報文，而偏偏都是小于100Bytes的小報文，而100字節報文的性能要比1500bytes字節的報文的性能差得遠。通過(guò)多次分析發(fā)現實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中的大小報文可以參考下面的經(jīng)驗(如表3所示)：

表3. 報文大小分類(lèi)統計

報文大小分類(lèi)統計在這樣的網(wǎng)絡(luò )應用條件下，一個(gè)11a或者11g的WLAN網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)信道，即使在干凈的環(huán)境條件下，也只能夠支撐的如下數據傳輸性能(如表4所示)：

表4. 非11N網(wǎng)絡(luò )應用性能分析

非11n網(wǎng)絡(luò )應用性能分析看到這里也許會(huì )考慮11n網(wǎng)絡(luò )的A-MPDU報文聚合將WLAN的性能帶到了一個(gè)新的高度，整體的應用性能應該會(huì )有非常大的改善。但是，所有性能的分析和測試都是在盡可能發(fā)送大的數據報文的前提下獲取的，只能在一定程度上體現出對業(yè)務(wù)應用的支持能力。具體11n網(wǎng)絡(luò )實(shí)際應用情況又會(huì )怎樣?下面以H3C公司自身應用為例(如表5所示)，統計WLAN網(wǎng)絡(luò )所有11n客戶(hù)端報文聚合情況(目前按照聚合報文的個(gè)數直接映射到參考的報文大小)：

表5. H3C公司W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò )所有11n客戶(hù)端報文聚合情況的統計

從11n客戶(hù)端的數據傳輸來(lái)看，一般的報文聚合個(gè)數集中在3-4個(gè)左右，也就是說(shuō)在此網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)40Mhz捆綁信道的最好的性能可能只能達到60Mbps左右。這個(gè)分析還是考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò )都是11n客戶(hù)端的情況，如果網(wǎng)絡(luò )中同時(shí)存在11a或者11g的客戶(hù)端則總的性能肯定要遠小于這個(gè)性能。

也可以想象實(shí)際11n網(wǎng)絡(luò )，其聚合能力也應該和上面的統計相當基本相當，而且對于11a和11g的兼容、干擾和沖突的存在，以及其他非有效報文的信道消耗，實(shí)際的信道性能會(huì )遠遠低于60Mbps。

為了更好的理解網(wǎng)絡(luò )的性能，可以將11n網(wǎng)絡(luò )中的A-MPDU報文聚合的情況進(jìn)行分類(lèi)統計。針對11gn的網(wǎng)絡(luò )(20MHz應用)完成如下三種網(wǎng)絡(luò )應用情況下的信道實(shí)際應用性能，整體表現而言，11n技術(shù)在實(shí)際應用中相對于11g可能帶來(lái)WLAN信道性能2-3倍的提升(如表6所示)

表6. 11n網(wǎng)絡(luò )應用性能分析

四、 影響和制約WLAN網(wǎng)絡(luò )實(shí)際應用的因素

但是，無(wú)論速率和性能如何發(fā)展，802.11自身的特點(diǎn)極大的制約和影響著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際應用，使得實(shí)際的感受并不能達到理論的期望。

例如，在一個(gè)固定的位置，信道媒介的空間資源就是100%，所有的WLAN設備、任何的WLAN報文都會(huì )消耗這個(gè)資源，非業(yè)務(wù)報文消耗的信道越多，整體的網(wǎng)絡(luò )的性能就會(huì )下降，在一定程度上也會(huì )影響到網(wǎng)絡(luò )的穩定運行：

·任何的一臺AP如果要提供WLAN接入服務(wù)，都需要定期發(fā)送Beacon報文，默認情況下每一個(gè)AP的一個(gè)接入服務(wù)一秒鐘需要發(fā)送10個(gè)beacon報文;

·無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端無(wú)論是否接入到WLAN網(wǎng)絡(luò )中，都會(huì )定期發(fā)送probe request報文請求周?chē)臒o(wú)線(xiàn)服務(wù);

·通常情況下，AP收到probe request請求報文都需要回應對應的probe response報文，而且如果一個(gè)AP有多個(gè)無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)則需要發(fā)送多個(gè)probe response報文;

·而所有的這些管理報文，都需要使用強制速率發(fā)送，而且通常需要使用最低物理速率發(fā)送;

·如果一個(gè)環(huán)境中AP數量比較多，無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端數量非常多，這些非業(yè)務(wù)的管理報文就可能會(huì )消耗5%-20%的信道資源。

再如， WLAN網(wǎng)絡(luò )為無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端提供了隨時(shí)隨地的便捷，同時(shí)也必須承接不同信號強度的客戶(hù)端的接入。WLAN協(xié)議認為，低速率發(fā)送報文時(shí)攜帶的信息要比高速率少，所以發(fā)送成功的概率就會(huì )高。所以當無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端的信號強度比較低時(shí)，數據報文的發(fā)送通常會(huì )使用較低的物理速率發(fā)送，這樣會(huì )使得整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò )的性能下降。

以下是一個(gè)校園網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端的情況分析(如表7和表8所示)，該網(wǎng)絡(luò )中有30%的用戶(hù)的信號強度低于25，而AP有一半的報文發(fā)送的物理速率達不到最大物理速率的60%，按照粗略評估由于這個(gè)因素帶來(lái)的性能的降低超過(guò)40%。

表7. 無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端信號強度情況分析

表8. 報文發(fā)送速率分析

在WLAN網(wǎng)絡(luò )的部署、優(yōu)化和分析中，可以確定以下的環(huán)境和網(wǎng)絡(luò )等因素都會(huì )制約著(zhù)整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò )的應用性能和實(shí)際感受：

·在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，可能存在多個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò )，所有的這些網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上共享一個(gè)信道資源和性能;

·實(shí)際應用中，一個(gè)信道中眾多的WLAN設備會(huì )造成沖突避免效果減弱，而有可能演變成干擾和沖突，導致報文的重傳和丟棄，造成無(wú)謂的信道資源消耗，降低整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò )的性能;

·AP設備和無(wú)線(xiàn)終端隨意的位置會(huì )帶來(lái)眾多的隱藏節點(diǎn)，同樣會(huì )帶來(lái)沖突和干擾，造成信道資源消耗，降低網(wǎng)絡(luò )性能;

·眾多的無(wú)線(xiàn)終端和AP，為了完成WLAN服務(wù)的發(fā)現，會(huì )帶來(lái)信道中出現大量的管理報文，這些報文通常按照較低的物理速率發(fā)送，需要消耗信道資源;

·網(wǎng)絡(luò )中始終充斥著(zhù)大量的廣播報文，所有的廣播報文通常按照較低的物理速率發(fā)送，需要消耗信道資源;

·WLAN的物理速率不是固定的，而是一個(gè)速率集合，一個(gè)報文可以使用這個(gè)速率集合的任何速率發(fā)送，根據經(jīng)驗，，一個(gè)比較好的網(wǎng)絡(luò )中，信號強度非常好的客戶(hù)端若能夠有60%之上的報文采用高速率發(fā)送已經(jīng)是非常理想;

·默認大部分的AP設備不會(huì )控制WLAN網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋邊緣地帶的客戶(hù)端接入，這些客戶(hù)端的信號強度非常低，會(huì )造成大部分甚至超過(guò)70%的報文都會(huì )按照較低的物理速率進(jìn)行發(fā)送。

五、 結束語(yǔ)

802.11技術(shù)的發(fā)展整體提升了WLAN網(wǎng)絡(luò )的應用性能，會(huì )極大地提升實(shí)際業(yè)務(wù)應用的感受。但是還需要謹慎的理解到實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò )應用的復雜性，各種意想不到的環(huán)境、因素和干擾同時(shí)作用和影響，可能使得網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際應用效果和理論性能存在較大的偏差，而且這些原因往往撲朔迷離、難于分析和量化。所以，在實(shí)際的WLAN網(wǎng)絡(luò )接入的應用中，需要根據業(yè)務(wù)的需求和流量的變化而長(cháng)期不斷地進(jìn)行優(yōu)化。