Почему Wi-Fi не будет работать, как планировалось...

Привет!

Поговорим о том, что реально влияет на скорость передачи данных в современных беспроводных сетях, развенчаем пару мифов и ответим, пора ли поменять свой старенький роутер на сверкающего рогатого пришельца с MU-MIMO на борту.

Для разминки — небольшая задачка. Представьте себе беспроводную сеть Wi-Fi, состоящую из точки доступа (AP) и двух одинаковых клиентских устройств (STA1 и STA2).

Читаем надписи на коробках:
AP: 1733,3 Мбит/c
STA1, STA2: 866,7 Мбит/c

Внимание, вопрос. Оба клиента одновременно начинают загружать с сервера большой файл. На какую пропускную способность может рассчитывать каждое из устройств?

Сразу оговоримся — для простоты и наглядности мы будем называть пропускную способность (канальную скорость) просто скоростью. Да, скорость работы протоколов транспортного уровня может оказаться в два раза ниже, чем наша скорость, но вы и так всё это знаете. Сейчас о другом.

Наша задачка призвана напомнить о главном ограничении беспроводных сетей.
Общая среда передачи (shared medium) подразумевает, что в единицу времени вещать должно только одно устройство. 

Это обстоятельство приводит нас к контринтуитивному ответу: несмотря на то, что точка доступа способна поддерживать 1733,3 Мбит/c, каждое из устройств будет работать, в среднем, на скорости 433,3 Мбит/c.



Куда делись оставшиеся 866,7 Мбит/c? Давайте разбираться.

Для описания принципов работы беспроводных сетей удобно использовать метрику Airtime Utilization. Она показывает, какую часть времени эфир занят передачей данных.

Теперь — внимание! Для того, чтобы развить заявленные 1733,3 Мбит/c, устройство должно единолично занимать эфир все 100% времени. При этом второе устройство (принимающее) должно также поддерживать данную скорость.

Ещё раз подчеркнём — связь между устройствами, поддерживающими разные скорости, осуществляется на скорости наименее быстрого из пары.

Всё становится грустнее, если максимум устройства, например, 72,2 Мбит/c. Занять придётся те же самые 100% эфира, но результат уже совсем не впечатляющий. 

К слову, 72,2 Мбит/c — скорость не случайная. Большинство современных смартфонов на большее могут не рассчитывать, но об этом позже. 

Теперь вернёмся к STA1 и STA2. По условиям они начали загружать файл на сервер одновременно. Мы помним, что в единицу времени вещать может только одно устройство.
Координирует передачу в сети Wi-Fi механизм CSMA/CA — Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Если вкратце, его задача — последовательно дать право голоса всем устройствам, при этом, по возможности, не допустив одновременной передачи от двух и более устройств (коллизии).

Можете почитать википедию, если хотите подробностей.
А лучше — это. Или — вот, если настроены совсем серьёзно.

Причём тут Airtime Utilization? А при том, что в итоге работы CSMA/CA для данного случая каждое из двух готовых к передаче клиентских устройств получит под свои нужды примерно половину эфирного времени — или 50% Airtime.

100% Airtime — 866,7 Мбит/c;
50% Airtime — 433,3 Мбит/c на каждое из устройств.

Эта картина не поменяется, даже если точка доступа будет поддерживать все 6933,3 Мбит/c. Связь между AP и STA всегда ограничена скоростью наименее быстрого из устройств.

Можете из любопытства слегка поиграться с условиями задачи:
Изменим скорость для STA2 — 72,2 Мбит/c;
Добавим STA3, скорость — 72,2 Мбит/c.
Что осталось от заявленных 1733,3 Мбит/c?

Важное уточнение №1

Справедливости ради добавим, что данные расчёты верны при включении на БС функционала Airtime Fairness, без него всё было бы гораздо хуже — медленные клиентские устройства привели бы к максимально неэффективному распределению Airtime. Хорошо, что технологию внедрили практически все уважающие себя вендоры. 

Но и тут есть нюанс: Airtime Fairness работает только в Downlink (от AP к STA). В Uplink по-прежнему царит анархия.

Важное уточнение №2

В реальной сети из-за загруженности эфира, коллизий и особенностей работы протокола максимально достижимый уровень Airtime Utilization находится в пределах от 70% до 80%.
Соответствующим образом поменяется и рассчитанная нами скорость.

К чему столь долгая прелюдия? Знайте, какие клиентские устройства используются на вашей сети. Их влияние на производительность в условиях общей среды передачи данных критически недооценено. Далее будем разбираться — насколько.

Часть 1 — Во всём виноваты клиенты

Или клиентские устройства, если угодно. Чем же они провинились и что, собственно, отличает их от точек доступа?



Всё просто. Чаще всего клиенты — компактные, автономные и мобильные. Из этого вытекают все проблемы. 

Стильный металлический корпус толщиной 7 мм? Для размещения 4-х радиотрактов MIMO лучше не придумаешь.

Многопоточная передача данных и широкие каналы слишком энергозатратны? Ничего, пусть заряжают устройства несколько раз в день.

Клиенты постоянно перемещаются? Ерунда — выкрутим мощность на точках на максимум.

В подобных условиях разработчики вынуждены идти на компромиссы.

Помните могучую точку доступа (1733 Мбит/c) из вступления к статье? Давайте пойдём ещё дальше. Стандарт 802.11ac позволяет нам разогнаться до внушительных 6933 Мбит/c.

Условия для этого следующие:

1. 5 ГГц;
2. 8 пространственных потоков (MIMO 8x8:8);
3. 160 МГц — ширина канала;
4. 256QAM — модуляция.

Соответствующие требованиям точки доступа на рынке представлены даже в потребительском сегменте. Что с клиентами?

Для наглядности проведём мысленный эксперимент: подключим к нашей абстрактной точке вполне конкретный смартфон — iPhone 8. Посмотрим, на что он способен.

2,4 ГГц vs 5 ГГц

Многолетние наблюдения подтверждают — устройств, работающих в «пятёрке», всё больше. И это прекрасно. 

Единственное достоинство 2,4 ГГц — меньшее затухание — на сегодняшний день превратилось едва ли не в недостаток. 

При проектировании плотных сетей одна из задач — борьба с интерференцией. Боремся, в том числе, за счёт изоляции зон покрытия AP друг от друга. В ход идут стены, занижается мощность на передатчике, и «дальнобойность» двойки здесь явно лишняя.

Так или иначе — будущее Wi-Fi за «пятёркой», если не рассматривать уж совсем узкие кейсы. 
Статистика, тем не менее, не даёт однозначно достоверных данных по распределению устройств — слишком много переменных (страна, регион, локация, мероприятие и другие).

Пожалуй, на сегодняшний день можно осторожно говорить, что в России мы достигли соотношения 50/50 по поддержке в клиентских устройствах диапазона 5 ГГц. 

Как будет в вашей сети — другой вопрос.
Наш воображаемый iPhone 8, кстати, «пятёрку» поддерживает, ну и хорошо.

MIMO

Возможность одновременно передавать несколько потоков данных в едином частотном канале появилась ещё в 802.11n. Однако, воз и ныне там:

• MIMO 8x8:8 клиенты пока не поддерживают. Совсем;
• Практически полное отсутствие клиентских устройств с MIMO 4x4:4 — смотри комментарий ниже;
• Топовые ноутбуки, поддерживающие MIMO 3x3:3;
• Топовые смартфоны и планшеты, поддерживающие MIMO 2x2:2;
• Абсолютное большинство устройств — SISO 1x1:1.

А всё потому, что технология MIMO очень требовательна: 




Клиентские устройства с MIMO 4x4:4 начали появляться на рынке совсем недавно. В основном это выделенные адаптеры Wi-Fi, но недавно нас ошарашил Samsung, заявив в описании к своему новому Galaxy Note 9 — MIMO 4x4. Очень некстати, ведь мы хотели написать, что мобильных устройств с подобными характеристиками на рынке пока нет.

В связи с этим — конкурс. 


Как говорят — исключения подтверждают правило.

Устройств с MIMO 4x4:4 — практически нет. MIMO 3x3:3 — удел редких Macbook Pro. MIMO 2x2:2 — в топовых смартфонах и планшетах. Статистическое большинство — устройства, не поддерживающие MIMO.

Мы не будем как большинство. Наш iPhone 8 — топовый смартфон, поддерживающий передачу аж двух пространственных потоков.

Откуда мы это узнали — важный вопрос. Расскажем в последней части статьи.

Как мы помним, связь между устройствами, поддерживающими разные скорости, осуществляется на скорости наименее быстрого из пары.

Вжух — и осталось 1733,3 Мбит/c. Грустно. Но весело — это ведь почти два гигабита!

Ширина канала

802.11ac позволяет нам использовать каналы шириной в 160 МГц.
Пожалуйста, не делайте этого.

Более того, каналы в 80 МГц также категорически не рекомендованы к использованию.


Всё дело в том, что, расширяя полосу, мы, по сути, распахиваем ворота для интерференции всех мастей — портим эфир и себе, и соседям.

Мы не будем подробно разбирать, почему так происходит — это тянет на отдельную статью, однако можете самостоятельно ознакомиться с рекомендациями и Best practice guides ведущих вендоров — только 20 МГц, за редкими исключениями.

40 МГц допускается только в “пятёрке”, в случае, если плотность клиентов и обстановка в эфире позволяет. 

Но мы ведь оптимисты — будем считать, что наша сеть именно такая. 
Итак, от 1733,3 Мбит/c остаётся 400 Мбит/c — для канал шириной 40 МГц.


Ок, уже не так впечатляет, но всё равно неплохо, да?

P.S.: Если вы живёте в лесу и очень хорошо понимаете, что делаете — хорошо, включите 160 МГц. Не факт, что будет толк. Например, пресловутый iPhone 8 такую ширину канала не поддерживает, хотя выпущен всего год назад. 

Читайте до конца, чтобы узнать, на что способно ваше устройство.

Модуляция

Любопытный факт: клиентские устройства — основные источники интерференции в сети.
К чему это? А к тому, что даже идеально спланированная и настроенная сеть не гарантирует работу на максимальных модуляциях, ведь 256QAM предъявляет очень высокие требования к качеству сигнала — RSSI и SNR.

Про RSSI мы ещё поговорим, а SNR напрямую страдает от клиентов со всенаправленными антеннами — таких мобильных и непредсказуемых. Ну, и не только от них, разумеется.



Как результат — рассчитывайте, что большую часть времени клиенты будут использовать менее требовательную модуляцию. Например, 64QAM.

В нашем эксперименте это безжалостно снижает скорость до 300 Мбит/c.


Что касается RSSI — то это наш любимый параметр. В стандарте 802.11 никаких описаний и требований к нему нет, поэтому каждый вендор видит данную метрику по-своему. Соответственно, разные клиентские устройства будут показывать разный RSSI в одном и том же месте.

Вы, кстати, по какому уровню планируете? -67 дБм? А для какого устройства?

Подытог №1

Даже при весьма оптимистическом сценарии клиент получит всего 300 Мбит/c пропускной способности — вместо 6933 Мбит/c. И это в случае, если клиент всего один! Много таких сетей знаете?

Вспоминаем задачки. Чем больше клиентов — тем хуже. Не хотели расстраивать раньше времени, но зависимость нелинейная. С ростом числа устройств в сети увеличивается процент оверхеда.


Итог: производительность сильно зависит от подключенных клиентов. Скорее всего, их способности будут весьма ограниченными.

Оптимистичный сценарий —300 Мбит/c (5 ГГц, 40 МГц, 2SS, 64QAM).
Реалистичный сценарий — 72 Мбит/c (2,4 или 5 ГГц, 20 МГц, 1SS, 64QAM).

Часть 2 — Что ещё не так с клиентскими устройствами

Да, всё только начинается.

Можно выделить три крупных проблемы:

• Многообразие;
• Непредсказуeмость;
• Уязвимость.

Давайте разберём их подробнее.

Многообразие

Помните наш iPhone 8? Хороший телефон, кстати. А знаете, что Apple перестала получать сертификацию Wi-Fi Alliance начиная с iPhone 6?
Можете проверить сами — информация открытая.. Заодно напишите в комментариях о других удивительных открытиях.

Что, собственно, за организация — Wi-Fi Alliance?
Ребята пытаются следить за порядком в зоопарке. Значок Wi-Fi Certified означает, что устройство было проверено на соответствие основным пунктам стандарта 802.11. Проверка ведётся в аккредитованных лабораториях, всё более-менее серьёзно.

Почему возникла подобная необходимость?
Для того, чтобы обеспечить совместимость миллионам разнообразных устройств, работающим на разных чипсетах и разработанных людьми, отличающимися разной степенью квалификации и моральными ориентирами.

Помогло?
Не очень. Как показывает практика, каждый вендор имеет своё уникальное видение и позволяет себе отступать от стандарта (из лучших побуждений, разумеется).

Один из забавных примеров — прошлогодний KRACK. Не все устройства были подвержены уязвимости, так как многие производители по-своему интерпретировали процедуру обмена ключами. В частности — как вести себя в случае отсутствия ответа на третье сообщение последовательности 4-Way Handshake. Почитайте подробнее, если интересно. 

Что в итоге?
Зоопарк.

Проще всего, по понятным причинам, с Apple. Хотя они и не сертифицируют свои новинки, парк устройств всё-таки ограничен. Поэтому можно протестировать поведение в тех или иных сценариях.

Дальше идёт Android. Тут многое зависит от производителя, но в целом — ещё больше неизвестных. Добавьте сюда китайцев.

На этом идеи по классификации заканчиваются. Операционные системы, драйвера, legacy-устройства, мультиварки, дверные замки, камеры видеонаблюдения — BYOD и IoT во всей красе. 

Проблема усугубляется тем, что многие критические решения клиентские устройства принимают самостоятельно, напрямую повлиять на них нельзя.
Подключиться к «пятёрке» или к «двойке»?
Произвести роуминг или остаться на старой AP?
На какой модуляции работать?

Об этом подробнее в следующей главе.

Непредсказуемость

Wi-Fi устроен так, что клиентские устройства стараются самостоятельно справиться с возникающими трудностями. Не всегда эти решения оптимальны.



Если устройству кажется, что лучше сидеть на шестом канале с уровнем -85 дБм, чем переподключиться к соседней точке с уровнем -50 дБм, работающей в свободной «пятёрке» — значит, так оно и будет.

Эффективных механизмов, позволяющих прямо управлять поведением клиентских устройств, нет. В этом отличие, например, от сотовой связи.

Вы возразите — а как же 802.11k (Radio resource measurement enchancements) и 802.11v (Wireless network management), принятые в 2008 и 2011 году соответственно?

Данные стандарты теоретически направлены на решение проблемы. Практически — ничего не работает.

Да, точка может отправить Load Balancing Request — вежливо попросить клиента произвести роуминг. Удовлетворять данную просьбу никто не обязан. Более того, клиентов, поддерживающих 802.11k и v, до сих пор мало.

Основное применение описанных выше стандартов — помощь в быстром роуминге механизму 802.11r (Fast BSS transition). Клиент получает список ближайших AP, на которые ему стоило бы переподключиться — и уже дальше сумасбродное устройство решает, что для него лучше.

О роуминг сломано немало копий, хорошие статьи можно найти здесь, на Хабре.
Раз. Два.
Есть ещё монументальное (но незавершённое) исследование прекрасного Andrew von Nagy —
три.

Повторяться не будем, просто ещё раз подчеркнём: переключение между AP — на совести клиента. От этого и большинство проблем.

Вендоры пытаются бороться с самостоятельностью клиентов. Стандартные средства не помогают, поэтому в ход идут ухищрения. Это прямо как в книжках по бизнесу: не пытайся переубедить — сделай так, чтобы клиент сам пришёл к нужному выбору.

Так, например, работает Band Steering (механизм перевода клиентов из «двойки» в более свободную «пятёрку»):

1. Устройство пытается подключиться к сети. Скорее всего, это будем именно 2,4 ГГц: драйверу устройства кажется, что так будет лучше — смотри, какой сильный сигнал!
2. AP проверяет, поддерживает ли устройство 5 ГГц. Умная система постоянно ведёт учёт всех MAC-адресов, с которых рассылались запросы или производилось подключение к «пятёрке» ранее;
3. DualBand-клиенты (поддерживающие оба диапазона) просто не получают ответа на свой запрос в диапазоне 2,4 ГГц;
4. Так происходит несколько раз подряд, и в итоге разочарованный драйвер решает искать лучшей доли в другом диапазоне;
5. Вуаля!

К сожалению, некоторые устройства очень упорны. Убеждение не действует, и они продолжают цепляться к выбранному диапазону, пока точка не сдастся и не подтвердит подключение.
Сдаться придётся, ведь иначе можно нарваться на неожиданный эффект — отвергнутый и раздосадованный клиент просто помечает данный SSID как ненадёжный и перестаёт автоматически подключаться к сети (раньше за подобным поведением были замечены устройства Apple, к примеру).

Список можно продолжать бесконечно:

• Неожиданный и очень крепкий сон (особенности реализации PowerSave);
• Работа на модуляциях, явно не соответствующих условиям эфира;
• Самовольная раскраска трафика (QoS);
• Специфическая отработка сценариев на порталах авторизации (были проблемы при подключении к Wi-Fi в общественных местах?).

Зафиксируем: напрямую управлять решениями драйверов клиентских устройств невозможно. Существующие механизмы позволяют лишь косвенно мотивировать клиентов к совершению нужного выбора. Клиент прав не всегда, но его это не волнует.

Уязвимость

Как известно, безопасность системы в целом находится на уровне самого слабого из её элементов. В правильно настроенной беспроводной сети таким элементом неизбежно становится клиентское устройство. В чём проблема?

• Отсутствуют либо ограничены ресурсы для контроля и противодействия подозрительной активности;
• Обновления политик безопасности недоступны, либо появляются с опозданием;
• Производители выполняют требования стандарта избирательно, отсутствует универсальность;
• Legacy-устройства не соответствуют современным требованиям безопасности;
• У администраторов нет контроля за клиентскими устройствами;
• Люди — пользователи устройств — уязвимы для социальной инженерии.

Ниже примеры решений, применяющихся в корпоративных сетях:

• Запрет BYOD. Сотрудникам выдаются устройства с предустановленным ПО, политиками безопасности управляет администратор;
• MDM (Mobile Device Management), NAC (Network Access Control) и прочие решения, позволяющие, с разной степенью эффективности, контролировать устройства клиентов. Можно, например, удалённо запретить использование камеры на смартфоне.

Обычные пользователи проблемами безопасности зачастую пренебрегают вовсе.

Тема безопасности беспроводных сетей обширна. В данной статье мы ограничимся тем, что основной вектор атаки киберпреступников — так называемый low hanging fruit. Чаще всего таким фруктом становится клиентское устройство.



Зачем пытаться напрямую влезть в защищённую сеть, если достаточно получить доступ к смартфону сотрудника, который из гордости не устанавливает обновления на свою ОС?

Подытог №2

Перечисленные проблемы (многообразие, непредсказуемость и уязвимость клиентских устройств) бросают проектировщикам и администраторам беспроводных сетей серьёзный вызов.
Идеальное планирование, полноценное радиообследование и качественный монтаж не гарантируют стабильную работу сети.

Знать, какими устройствами пользуются абоненты, действительно, важно. Остаётся понять, какими характеристиками обладает то или иное устройство.

Неожиданно — это не самая простая задача.

Часть 3 — Производители что-то скрывают

Способ 1. Логичный

Казалось бы, что может быть проще — заходим на сайт производителя и смотрим на детальные спецификации устройств.

Попробуем на примере привычного iPhone 8:


На сайте Apple.

802.11ac Wi-Fi with MIMO… Не очень-то информативно. Сколько пространственных потоков? Какая максимальная ширина канала? Есть ли поддержка 802.11r, k, v? MU-MIMO?

Samsung делится информацией о своём Galaxy S9 несколько охотнее:


На сайте Samsung.

Даже если отбросить загадочную модуляцию 1024QAM (официально она появится только в 802.11ax), мы по-прежнему знаем об устройстве слишком мало.

Степень открытости производителей варьируется в широких пределах — есть и приятные исключения. В основном же во внутреннюю кухню никого не пускают (снова ради нашей пользы, разумеется), ведь многие знания — многие печали.

С этим согласны не все.

Способ 2. Практичный

Недовольные пользователи уже давно ведут собственные базы, куда заносят добытые характеристики устройств.

Яркий пример — сайт уважаемого Mike Albano.



Здесь можно найти следующую информацию:

• Список доступных устройству каналов;
• Поддерживаемые стандарты;
• Количество пространственных потоков;
• Поддержка MU-MIMO;
• Максимальная мощность передатчика.

Доверять или нет данной информации — дело каждого.
Любой неравнодушный может внести свою лепту, поделившись с общественностью результатами своих изысканий. Инструкция — в разделе How To Contribute. Из данной инструкции можно узнать, что вся интересующая нас информация содержится во фрейме Association Request, отправляемом клиентским устройством при подключении к AP.

Способ 3. Для гиков

Всё, что нужно — это перехватить обмен сообщениями между абонентом и AP, сопутствующий первоначальному установлению соединения. Данный трафик не шифруется, однако сложности возникнуть могут — не все Wi-Fi адаптеры позволяют «сниффать» 802.11-фреймы. Операционные системы также могут в разной степени облегчить, либо усложнить задачу.
Тема великолепно гуглится, поэтому ссылок давать не будем.

Счастливчики смогут наблюдать следующую картину:



Тут есть всё, друзья.
Из любопытного — тот самый, уже надоевший, iPhone 8 не поддерживает MU-MIMO. Но не будем портить вам удовольствие. 

Кстати, готовые PCAP-файлы, полученные пользователями, можно скачать на том же самом clients.mikealbano.com

Способ 4. Бонусный

Есть ещё один замечательный способ узнать всю подноготную устройства. Что примечательно — без регистрации и SMS.

Все продаваемые на территории США устройства обязаны получить сертификацию от FCC — Federal Communications Commission (Федеральная Комиссия по Связи). В результате устройству присваивается FCC ID — уникальный номер, через который можно получить огромный объём информации прямо на сайте FCC.

Сам код (FCC ID) часто можно найти на устройстве, либо на коробке от него. В крайнем случае, поможет интернет.

Код состоит из двух частей: Grantee Code и Product Code. Вводите, как на картинке:



Мы получаем доступ к обширному архиву документов с данными, использованными во время сертификации. Доступны даже внутренние фотографии устройства — в некоторых случаях можно даже разглядеть модели чипов.

Обратите особое внимание на файл SAR Report — на основании данного отчёта можно не только определиться с толщиной шапочки из фольги, но и получить подробную информацию о характеристиках устройства. Бинго!

Подытог №3

Производители не спешат раскрывать полную информацию о характеристиках клиентских устройств. Тем не менее, благодаря активности сообщества, открытым источникам и собственной настойчивости, можно получить все необходимые данные.

Заключение

Зачем же знать, каким телефоном пользуется сотрудник? И пора ли менять свой старенький роутер?

Разумеется, всё зависит от задач. Если вы хотите строить надёжные и предсказуемые сети — отмахнуться от клиентского оборудования не получится. Учитывайте его особенности при планировании и обслуживании — будете вознаграждены снижением расходов и ростом удовлетворённости пользователей.

Всё сказанное не отменяет необходимости в использовании качественных точек доступа: многие наработки ведущих вендоров действительно эффективны — читайте наш блог, чтобы быть в курсе.
И ещё раз — учитывайте характеристики клиентов, чтобы тратить деньги на работающие решения.
Надеемся, что эта статья вам поможет.

Удачи!

Автор: Леонид Теканов, инженер беспроводного отдела CompTek.
Презентация по мотивам статьи прошла 25.10.2018 на нашей ежегодной конференции «БЕСЕДА». Не пропустите следующую.