無線對決——802.11n與WLAN

在WLAN網(wǎng)絡廣泛應用的同時，802.11技術也沒有停止發(fā)展的腳步，2009年802.11n協(xié)議正式標準化，再一次實現(xiàn)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，同時帶來了WLAN網(wǎng)絡的信道承載性能的成倍提升。加上未來隨著新的802.11n芯片和技術的發(fā)展，450Mbps物理速率的設備也將被普遍應用，WLAN網(wǎng)絡還會將迎來新一輪的騰飛。

一、 物理速率的提升

從宏觀角度，802.11協(xié)議可以分為兩個主要部分：鏈路層業(yè)務和物理層傳輸。鏈路層業(yè)務主要制定了WLAN鏈路協(xié)商的規(guī)則，以及針對WLAN接入服務而設計的系列功能，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。而物理層傳輸則實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硭俾省?/p>

802.11協(xié)議族所逐步實現(xiàn)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的問世一方面跳出了原來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，可以提供多達13個不重疊的工作信道)，另外一方面則通過OFDM調制模式又一次將物理速率提升到了54Mbps。如果單單從數(shù)據(jù)的傳輸速率角度，該物理速率已經是一個驕人的成績，在當時一定程度上可以和以太網(wǎng)網(wǎng)絡進行比較和抗衡;

·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上也能夠實現(xiàn)54Mbps的物理傳輸速率。802.11g并沒有為WLAN協(xié)議的物理速率的提升，而只是對于已有技術的擴展應用;

·2009年，長達10年的沉默后802.11n協(xié)議的推出重新對WLAN物理速率進行了一次洗牌，從調制模式開始、引入了MIMO技術、實現(xiàn)了2個信道的捆綁使用，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。

通過圖1可以看出，802.11n時代實現(xiàn)了WLAN的高速無線接入，從物理速率上已經超出了其他無線網(wǎng)絡，為WLAN無線網(wǎng)絡的廣泛應用帶來了無限的前景和希望，為WLAN的長遠發(fā)展奠定了堅實的基礎。

圖1 802.11的速率增長示意

到底哪些技術促成了此次802.11物理傳輸速率質的飛躍?

首先，通過調制方式的變化，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，通過多條流同時發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了相同時間內發(fā)送成倍的數(shù)據(jù)，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(tǒng)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頻寬綁定為40MHz來一起使用。就是40MHz綁定技術有效地提高所用頻譜的寬度，將原來的52個有效子載波擴展到了108個，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常見的物理速率(指定條件下系統(tǒng)提供的最高物理速率)，并給出幾個基本物理速率詳細描述和解釋：

表1. 802.11n常見的物理速率

·65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發(fā)送速率(沒有啟動short GI)，一些早期的無線網(wǎng)卡可能都是一條流的11gn網(wǎng)卡，此類網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送時使用一條流，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，所以通常采用20Mhz模式而且不應用short GI特性，此時基本的無線客戶端使用兩條流進行數(shù)據(jù)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short GI功能，這樣比較主流的11n客戶端使用兩條流發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了300Mbps的最大物理速率。

二、 WLAN性能的同步提升

802.11n技術帶來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帶來WLAN網(wǎng)絡性能和吞吐的成倍提升嗎?

802.11協(xié)議定義每發(fā)送一個報文都必然進行信道競爭，都需要根據(jù)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(xù)發(fā)送1538bytes大小的單播報文，在不考慮重傳和錯包情況下，來對比一下54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率能為WLAN帶來的理論性能：

表2. 持續(xù)發(fā)送1538字節(jié)報文的理論性能對比

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

802.11的任何一個報文在物理發(fā)送時會被作為一個MDPU發(fā)送，每一次發(fā)送都必然需要信道競爭和避讓，從而消耗信道資源。而報文聚合A-MPDU通過將多個MPDU聚合為一個物理層報文，只需要進行一次信道競爭或避讓，就可完成N個MPDU的同時發(fā)送，從而減少了發(fā)送N-1個MPDU報文所帶來的信道資源消耗。通過報文聚合特性，充分提高了信道資源的利用率，極大地實現(xiàn)了802.11網(wǎng)絡性能的提升。

下圖為A-MPDU的結構圖，其中MPDU Delimiter是為了A-MPDU而專門定義，另外A-MPDU技術只會聚合同一個客戶端的MPDU：

圖2 報文聚合結構

在A-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)絡中，任何一個單播報文都需要得到目的設備的ACK確認，每一個ACK都是一個802.11報文，都需要消耗信道資源。而Block ACK可以配合A-MDPU特性，對于整個A-MDPU中所有的802.11報文只需要一個Block ACK報文，充分減少了信道資源的消耗。

通過下面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)絡帶來了極大的性能提升(分析中，假設每一個802.11報文都為1534bytes)：

圖3 20MHZ聚合報文數(shù)和性能關系

圖4 20MHZ聚合報文數(shù)和信道利用率關系

圖5 40MHZ聚合報文數(shù)和性能關系

圖6 40MHZ聚合報文數(shù)和信道利用率關系

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

三、 WLAN接入業(yè)務應用感受

802.11n技術將WLAN網(wǎng)絡帶到了一個高速時代，一個11N的網(wǎng)絡的理論性能整體要高于同等條件下11G的WLAN網(wǎng)絡，實際的應用效果肯定會得到一定的改善。

通過對常用的網(wǎng)絡工具，及對校園網(wǎng)流量的抓包分析發(fā)現(xiàn)：在實際的網(wǎng)絡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(jié)報文的性能要比1500bytes字節(jié)的報文的性能差得遠。通過多次分析發(fā)現(xiàn)實際網(wǎng)絡中的大小報文可以參考下面的經驗(如表3所示)：

表3. 報文大小分類統(tǒng)計

報文大小分類統(tǒng)計在這樣的網(wǎng)絡應用條件下，一個11a或者11g的WLAN網(wǎng)絡中一個信道，即使在干凈的環(huán)境條件下，也只能夠支撐的如下數(shù)據(jù)傳輸性能(如表4所示)：

表4. 非11N網(wǎng)絡應用性能分析

非11n網(wǎng)絡應用性能分析看到這里也許會考慮11n網(wǎng)絡的A-MPDU報文聚合將WLAN的性能帶到了一個新的高度，整體的應用性能應該會有非常大的改善。但是，所有性能的分析和測試都是在盡可能發(fā)送大的數(shù)據(jù)報文的前提下獲取的，只能在一定程度上體現(xiàn)出對業(yè)務應用的支持能力。具體11n網(wǎng)絡實際應用情況又會怎樣?下面以H3C公司自身應用為例(如表5所示)，統(tǒng)計WLAN網(wǎng)絡所有11n客戶端報文聚合情況(目前按照聚合報文的個數(shù)直接映射到參考的報文大小)：

表5. H3C公司W(wǎng)LAN網(wǎng)絡所有11n客戶端報文聚合情況的統(tǒng)計

從11n客戶端的數(shù)據(jù)傳輸來看，一般的報文聚合個數(shù)集中在3-4個左右，也就是說在此網(wǎng)絡中一個40Mhz捆綁信道的最好的性能可能只能達到60Mbps左右。這個分析還是考慮整個網(wǎng)絡都是11n客戶端的情況，如果網(wǎng)絡中同時存在11a或者11g的客戶端則總的性能肯定要遠小于這個性能。

也可以想象實際11n網(wǎng)絡，其聚合能力也應該和上面的統(tǒng)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，實際的信道性能會遠遠低于60Mbps。

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

表6. 11n網(wǎng)絡應用性能分析

四、 影響和制約WLAN網(wǎng)絡實際應用的因素

但是，無論速率和性能如何發(fā)展，802.11自身的特點極大的制約和影響著整個網(wǎng)絡的實際應用，使得實際的感受并不能達到理論的期望。

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

·任何的一臺AP如果要提供WLAN接入服務，都需要定期發(fā)送Beacon報文，默認情況下每一個AP的一個接入服務一秒鐘需要發(fā)送10個beacon報文;

·無線客戶端無論是否接入到WLAN網(wǎng)絡中，都會定期發(fā)送probe request報文請求周圍的無線服務;

·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AP有多個無線接入服務則需要發(fā)送多個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;

·如果一個環(huán)境中AP數(shù)量比較多，無線客戶端數(shù)量非常多，這些非業(yè)務的管理報文就可能會消耗5%-20%的信道資源。

再如， WLAN網(wǎng)絡為無線客戶端提供了隨時隨地的便捷，同時也必須承接不同信號強度的客戶端的接入。WLAN協(xié)議認為，低速率發(fā)送報文時攜帶的信息要比高速率少，所以發(fā)送成功的概率就會高。所以當無線客戶端的信號強度比較低時，數(shù)據(jù)報文的發(fā)送通常會使用較低的物理速率發(fā)送，這樣會使得整個WLAN網(wǎng)絡的性能下降。

以下是一個校園網(wǎng)絡中的無線客戶端的情況分析(如表7和表8所示)，該網(wǎng)絡中有30%的用戶的信號強度低于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因素帶來的性能的降低超過40%。

表7. 無線客戶端信號強度情況分析

表8. 報文發(fā)送速率分析

在WLAN網(wǎng)絡的部署、優(yōu)化和分析中，可以確定以下的環(huán)境和網(wǎng)絡等因素都會制約著整個WLAN網(wǎng)絡的應用性能和實際感受：

·在實際網(wǎng)絡環(huán)境中，可能存在多個WLAN網(wǎng)絡，所有的這些網(wǎng)絡實際上共享一個信道資源和性能;

·實際應用中，一個信道中眾多的WLAN設備會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，造成無謂的信道資源消耗，降低整個WLAN網(wǎng)絡的性能;

·AP設備和無線終端隨意的位置會帶來眾多的隱藏節(jié)點，同樣會帶來沖突和干擾，造成信道資源消耗，降低網(wǎng)絡性能;

·眾多的無線終端和AP，為了完成WLAN服務的發(fā)現(xiàn)，會帶來信道中出現(xiàn)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)絡中始終充斥著大量的廣播報文，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，而是一個速率集合，一個報文可以使用這個速率集合的任何速率發(fā)送，根據(jù)經驗，，一個比較好的網(wǎng)絡中，信號強度非常好的客戶端若能夠有60%之上的報文采用高速率發(fā)送已經是非常理想;

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

五、 結束語

802.11技術的發(fā)展整體提升了WLAN網(wǎng)絡的應用性能，會極大地提升實際業(yè)務應用的感受。但是還需要謹慎的理解到實際WLAN網(wǎng)絡應用的復雜性，各種意想不到的環(huán)境、因素和干擾同時作用和影響，可能使得網(wǎng)絡的實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，在實際的WLAN網(wǎng)絡接入的應用中，需要根據(jù)業(yè)務的需求和流量的變化而長期不斷地進行優(yōu)化。