802.11n与WLAN无线比较 - 全文

 

　　在WLAN网络广泛应用的同时，802.11技术也没有停止发展的脚步，2009年802.11n协议正式标准化，再一次实现了物理速率的提升，最高物理速率可以达到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU(报文聚合)功能充分提高空间媒介的信道利用率，同时带来了WLAN网络的信道承载性能的成倍提升。加上未来随着新的802.11n芯片和技术的发展，450Mbps物理速率的设备也将被普遍应用，WLAN网络还会将迎来新一轮的腾飞。

　　一、 物理速率的提升

　　从宏观角度，802.11协议可以分为两个主要部分：链路层业务和物理层传输。链路层业务主要制定了WLAN链路协商的规则，以及针对WLAN接入服务而设计的系列功能，例如报文重传和确认、重复报文检测、密钥协商、加密保护、漫游等等。而物理层传输则实现WLAN设备之间的能够完成信号的发送和接收，并致力于不断提高数据传输的物理速率。

　　802.11协议族所逐步实现的物理速率：

　　·1999年，802.11的基础协议完成了WLAN的基本架构定义，并定义了两种调制模式和速率，为WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率;

　　·1999年，802.11b协议直接致力于物理速率的提升，在802.11的基础上提出了"High Rate"的概念，通过调试模式CCK，将WLAN的最大物理接入速率从2Mbps直接提升到11Mbps;

　　·1999年，802.11a的问世一方面跳出了原来2.4GHz频段的限制为WLAN应用争取了更多的空间媒介资源(5GHz的三段频点，可以提供多达13个不重叠的工作信道)，另外一方面则通过OFDM调制模式又一次将物理速率提升到了54Mbps。如果单单从数据的传输速率角度，该物理速率已经是一个骄人的成绩，在当时一定程度上可以和以太网网络进行比较和抗衡;

　　·2003年，OFDM调制模式引入到2.4GHz推出了802.11g协议，该协议在802.11b的基础上扩充支持了OFDM调制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能够实现54Mbps的物理传输速率。802.11g并没有为WLAN协议的物理速率的提升，而只是对于已有技术的扩展应用;

　　·2009年，长达10年的沉默后802.11n协议的推出重新对WLAN物理速率进行了一次洗牌，从调制模式开始、引入了MIMO技术、实现了2个信道的捆绑使用，甚至对信号间隔调整，将WLAN的物理传输速率推到了300Mbps，特别在3条流的基础上可以达到450Mbps的物理速率。

　　通过图1可以看出，802.11n时代实现了WLAN的高速无线接入，从物理速率上已经超出了其他无线网络，为WLAN无线网络的广泛应用带来了无限的前景和希望，为WLAN的长远发展奠定了坚实的基础。

　　

 

　　图1 802.11的速率增长示意

　　到底哪些技术促成了此次802.11物理传输速率质的飞跃?

　　首先，通过调制方式的变化，将基本的物理速率从802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，该速率也是单条流20Mhz频宽默认情况下的最大物理速率。

　　其次，802.11n提出了MIMO技术，通过多条流同时发送数据，实现了相同时间内发送成倍的数据，最终将802.11n的物理传输速率成倍的提升。例如，在20Mhz频宽采用800ns GI条件下，两条流发送可以将物理速率从65Mbps提升到130Mbps，三条流可以将物理速率从65Mbps提升到195Mbps(如表1所示);

　　再次，传统802.11a/g使用的频宽为20MHz，而802.11n协议可以支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来一起使用。就是40MHz绑定技术有效地提高所用频谱的宽度，将原来的52个有效子载波扩展到了108个，将802.11的物理速率提升了2.077倍左右。例如，在一条流800ns GI条件下，信道捆绑可以将物理速率从65Mbps提升到135Mbps(如表1所示);

　　最后，通过深层里的挖掘，可以将物理发送信号之间的GI从800ns调整到400ns，802.11n又为物理速率找到了大约1.11倍的提升。

　　表1给出了802.11n常见的物理速率(指定条件下系统提供的最高物理速率)，并给出几个基本物理速率详细描述和解释：

　　

 

　　表1. 802.11n常见的物理速率

　　·65Mbps：为20Mhz模式下单条流的最大物理发送速率(没有启动short GI)，一些早期的无线网卡可能都是一条流的11gn网卡，此类网卡数据发送时使用一条流，所以能够达到的最大物理速率为65Mbps;

　　·130Mbps：目前主流的11gn的物理速率，由于11gn不重叠信道只有3个，所以通常采用20Mhz模式而且不应用short GI特性，此时基本的无线客户端使用两条流进行数据发送，可以达到最大物理速率为130Mbps;

　　·300Mbps：11an不重叠信道相对11gn比较多，所以在11an模式下可以选择采用40Mhz模式并可以启动short GI功能，这样比较主流的11n客户端使用两条流发送数据，实现了300Mbps的最大物理速率。

　　二、 WLAN性能的同步提升

　　802.11n技术带来了物理速率的成倍提高，但是单单依靠物理速率的提高能够同时带来WLAN网络性能和吞吐的成倍提升吗?

　　802.11协议定义每发送一个报文都必然进行信道竞争，都需要根据模式添加物理层报文头，对于单播报文还需要等待物理层的ACK确认，等等这些和实际发送的报文一样都需要消耗信道资源。

　　在表2中假设持续发送1538bytes大小的单播报文，在不考虑重传和错包情况下，来对比一下54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率能为WLAN带来的理论性能：

　　

 

　　表2. 持续发送1538字节报文的理论性能对比

　　通过表2可以看到，虽然物理速率实现近6倍的提升，但性能并没有同比上升。因此如果802.11n仅仅满足于物理速率，估计最终只能成为实验室的摆设。为了摆脱这个困境，802.11n协议必须实现WLAN网络性能的同步提升，为WLAN应用制造出足够的诱惑力，这个历史重任交给了报文聚合A-MPDU功能。

　　802.11的任何一个报文在物理发送时会被作为一个MDPU发送，每一次发送都必然需要信道竞争和避让，从而消耗信道资源。而报文聚合A-MPDU通过将多个MPDU聚合为一个物理层报文，只需要进行一次信道竞争或避让，就可完成N个MPDU的同时发送，从而减少了发送N-1个MPDU报文所带来的信道资源消耗。通过报文聚合特性，充分提高了信道资源的利用率，极大地实现了802.11网络性能的提升。

　　下图为A-MPDU的结构图，其中MPDU Delimiter是为了A-MPDU而专门定义，另外A-MPDU技术只会聚合同一个客户端的MPDU：

　　

 

　　图2 报文聚合结构

　　在A-MPDU报文聚合特性，得到了Block ACK功能的强大支持。通常的802.11网络中，任何一个单播报文都需要得到目的设备的ACK确认，每一个ACK都是一个802.11报文，都需要消耗信道资源。而Block ACK可以配合A-MDPU特性，对于整个A-MDPU中所有的802.11报文只需要一个Block ACK报文，充分减少了信道资源的消耗。

　　通过下面WLAN性能的理论分析(如图3、4、5、6)，可以看出802.11的A-MPDU报文聚合为WLAN网络带来了极大的性能提升(分析中，假设每一个802.11报文都为1534bytes)：

　　

 

　　图3 20MHZ聚合报文数和性能关系

　　

 

　　图4 20MHZ聚合报文数和信道利用率关系

　　

 

　　图5 40MHZ聚合报文数和性能关系

　　

 

　　图6 40MHZ聚合报文数和信道利用率关系

　　至此可以了解，虽然802.11n的物理速率实现了接近6倍的提升，却没有为WLAN性能带来大的提升，但是却通过A-MPDU报文聚合将WLAN性能提升了6倍多，最终实现了WLAN网络物理传输速率和性能的同步提升，将WLAN应用带到了一个高速接入的时代。

　　三、 WLAN接入业务应用感受

　　802.11n技术将WLAN网络带到了一个高速时代，一个11N的网络的理论性能整体要高于同等条件下11G的WLAN网络，实际的应用效果肯定会得到一定的改善。

　　通过对常用的网络工具，及对校园网流量的抓包分析发现：在实际的网络流量中大部分的报文并不是我们期待的1500Bytes的报文，而偏偏都是小于100Bytes的小报文，而100字节报文的性能要比1500bytes字节的报文的性能差得远。通过多次分析发现实际网络中的大小报文可以参考下面的经验(如表3所示)：

　　

 

　　表3. 报文大小分类统计

　　报文大小分类统计在这样的网络应用条件下，一个11a或者11g的WLAN网络中一个信道，即使在干净的环境条件下，也只能够支撑的如下数据传输性能(如表4所示)：

　　

 

　　表4. 非11N网络应用性能分析

　　非11n网络应用性能分析看到这里也许会考虑11n网络的A-MPDU报文聚合将WLAN的性能带到了一个新的高度，整体的应用性能应该会有非常大的改善。但是，所有性能的分析和测试都是在尽可能发送大的数据报文的前提下获取的，只能在一定程度上体现出对业务应用的支持能力。具体11n网络实际应用情况又会怎样?下面以H3C公司自身应用为例(如表5所示)，统计WLAN网络所有11n客户端报文聚合情况(目前按照聚合报文的个数直接映射到参考的报文大小)：

　　

 

　　表5. H3C公司WLAN网络所有11n客户端报文聚合情况的统计

　　从11n客户端的数据传输来看，一般的报文聚合个数集中在3-4个左右，也就是说在此网络中一个40Mhz捆绑信道的最好的性能可能只能达到60Mbps左右。这个分析还是考虑整个网络都是11n客户端的情况，如果网络中同时存在11a或者11g的客户端则总的性能肯定要远小于这个性能。

　　也可以想象实际11n网络，其聚合能力也应该和上面的统计相当基本相当，而且对于11a和11g的兼容、干扰和冲突的存在，以及其他非有效报文的信道消耗，实际的信道性能会远远低于60Mbps。

　　为了更好的理解网络的性能，可以将11n网络中的A-MPDU报文聚合的情况进行分类统计。针对11gn的网络(20MHz应用)完成如下三种网络应用情况下的信道实际应用性能，整体表现而言，11n技术在实际应用中相对于11g可能带来WLAN信道性能2-3倍的提升(如表6所示)

　　

 

　　表6. 11n网络应用性能分析

　　四、 影响和制约WLAN网络实际应用的因素

　　但是，无论速率和性能如何发展，802.11自身的特点极大的制约和影响着整个网络的实际应用，使得实际的感受并不能达到理论的期望。

　　例如，在一个固定的位置，信道媒介的空间资源就是100%，所有的WLAN设备、任何的WLAN报文都会消耗这个资源，非业务报文消耗的信道越多，整体的网络的性能就会下降，在一定程度上也会影响到网络的稳定运行：

　　·任何的一台AP如果要提供WLAN接入服务，都需要定期发送Beacon报文，默认情况下每一个AP的一个接入服务一秒钟需要发送10个beacon报文;

　　·无线客户端无论是否接入到WLAN网络中，都会定期发送probe request报文请求周围的无线服务;

　　·通常情况下，AP收到probe request请求报文都需要回应对应的probe response报文，而且如果一个AP有多个无线接入服务则需要发送多个probe response报文;

　　·而所有的这些管理报文，都需要使用强制速率发送，而且通常需要使用最低物理速率发送;

　　·如果一个环境中AP数量比较多，无线客户端数量非常多，这些非业务的管理报文就可能会消耗5%-20%的信道资源。

　　再如， WLAN网络为无线客户端提供了随时随地的便捷，同时也必须承接不同信号强度的客户端的接入。WLAN协议认为，低速率发送报文时携带的信息要比高速率少，所以发送成功的概率就会高。所以当无线客户端的信号强度比较低时，数据报文的发送通常会使用较低的物理速率发送，这样会使得整个WLAN网络的性能下降。

　　以下是一个校园网络中的无线客户端的情况分析(如表7和表8所示)，该网络中有30%的用户的信号强度低于25，而AP有一半的报文发送的物理速率达不到最大物理速率的60%，按照粗略评估由于这个因素带来的性能的降低超过40%。

　　

 

　　表7. 无线客户端信号强度情况分析

　　

 

　　表8. 报文发送速率分析

　　在WLAN网络的部署、优化和分析中，可以确定以下的环境和网络等因素都会制约着整个WLAN网络的应用性能和实际感受：

　　·在实际网络环境中，可能存在多个WLAN网络，所有的这些网络实际上共享一个信道资源和性能;

　　·实际应用中，一个信道中众多的WLAN设备会造成冲突避免效果减弱，而有可能演变成干扰和冲突，导致报文的重传和丢弃，造成无谓的信道资源消耗，降低整个WLAN网络的性能;

　　·AP设备和无线终端随意的位置会带来众多的隐藏节点，同样会带来冲突和干扰，造成信道资源消耗，降低网络性能;

　　·众多的无线终端和AP，为了完成WLAN服务的发现，会带来信道中出现大量的管理报文，这些报文通常按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源;

　　·网络中始终充斥着大量的广播报文，所有的广播报文通常按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源;

　　·WLAN的物理速率不是固定的，而是一个速率集合，一个报文可以使用这个速率集合的任何速率发送，根据经验，，一个比较好的网络中，信号强度非常好的客户端若能够有60%之上的报文采用高速率发送已经是非常理想;

　　·默认大部分的AP设备不会控制WLAN网络信号覆盖边缘地带的客户端接入，这些客户端的信号强度非常低，会造成大部分甚至超过70%的报文都会按照较低的物理速率进行发送。

　　五、 结束语

　　802.11技术的发展整体提升了WLAN网络的应用性能，会极大地提升实际业务应用的感受。但是还需要谨慎的理解到实际WLAN网络应用的复杂性，各种意想不到的环境、因素和干扰同时作用和影响，可能使得网络的实际应用效果和理论性能存在较大的偏差，而且这些原因往往扑朔迷离、难于分析和量化。所以，在实际的WLAN网络接入的应用中，需要根据业务的需求和流量的变化而长期不断地进行优化。