【網絡老爬蟲第9期-無線新技術專題】關於WLAN若幹曆史問題的探討
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關於WLAN若幹曆史問題的探討
文/李晨光
——網絡老爬蟲（無線新技術專題）
WLAN，生於1997年，而今正當二十不悔。如果從知名度來衡量，WLAN可以說是當今最成功的無線網絡技術，沒有之一。今天，你在家裏刷朋友圈、視頻聊天，亦或是在咖啡廳上網、在辦公室工作，WLAN已然是最貼身的服務員。我們對WLAN如此“剛需”，而WLAN又是如此有上進心——從802.11的1Mbps一路走到今天的802.11ac超1Gbps，甚至下代802.11ax/ay的超10Gbps、100Gbps也在規劃當中。WLAN不僅在當下如日中天，看似未來的道路也仍將鮮花著錦。本刊主題是新技術，著眼於WLAN的未來，但古人雲以史為鑒方知興替。我不敢妄言WLAN未來的命運，但可以陪讀者一起重新審視WLAN那些曾經被認為理所當然的過往，或許我們能一窺WLAN技術的未來。
從速率說起
無線信號天生波動的特點，讓WLAN網絡的動態和不穩定特征延伸到了底層協議速率的定義上。比如802.11g協議的物理層速率就包括了從6、9、12到最高54Mbps的速率等級，而866Mbps也隻是802.11ac眾多速率可選項中的一個。這些不同的速率在WLAN協議中是以“速率集”的概念存在的。每個數據幀的真實承載速率由終端和AP在事先協商好的速率集中即時選取確定。雖然有線以太網中也有速率協商的概念，比如IEEE802.3定義的多種速率10/100/1000Mbps。但有線以太網協商出的為某一固定的速率，且一旦選定，速率即固定不再變化，除非端口up/down重置。而WLAN網絡中物理層速率的變化卻可能發生在通信過程中前後兩個報文上，每一個802.11幀前導碼都需要攜帶本數據幀的調製方式和速率等級，以方便接收方識別和解調數據。WLAN定義眾多速率的目的就是為了讓移動中的終端能適應隨時變化的無線網絡環境。比如在信號強、幹擾小的環境中，就可以采用高等級的速率來傳遞數據幀，比如802.11ac的433Mbps。而對於距離遠信號弱的場景，就需要采用更低調製等級、更多冗餘編碼的方式來抵抗惡劣環境帶來的錯幀風險，比如速率降低到1/10——43.3Mbps來傳輸。
無線環境是動態的，速率選擇的目的就是適應時刻變化的環境。但奇怪的是，WLAN網絡中有一些報文卻從不關心環境情況如何，始終采用最低等級的物理速率傳遞。那就是802.11的管理幀，如Beacon、Probe幀等。很難想象，在一個300Mbps的普通802.11n網絡中，仍然有大量的報文在使用1Mbps速率傳輸，用這種極低的效率浪費著寶貴的傳輸機會。而這麼做的目的隻是為了兼容老舊802.11b終端，因為這些終端無法識別超過11Mbps的物理速率。可是，20年後的今天，我們真的還有802.11b終端在工作嗎？我們真的還有兼容這些終端工作的需要嗎？幸運的是我們的WLAN優化已經發現這一點，在絕大部分的場景下（不存在802.11b網卡），我們可以通過控製AP側Beacon幀以指定的高速率傳輸來提升空口工作效率。可是僅有Beacon參數調整還不夠，因為還有十倍於AP數量的WLAN終端網卡仍在以默認最低1Mbps速率在發送Probe管理幀，消耗WLAN的寶貴資源。期待未來某一天，WLAN能把這些曆史的包袱甩開1，輕裝上陣，再出發，更出彩。
DCF還是PCF
無線網絡是一個點對多點的共享網絡，多址技術用於協調多個節點間的有序通信。想了解WLAN的過去，不可不談多址技術。
DCF，Distributed Coordination Function，也稱分布式協調功能。是一種基於隨機競爭的機製，各個節點通過“搶占”來決定先後傳輸順序的機製。它以CSMA/CA為基本的接入方式，提供盡力而為的服務。但與其說是協調，倒不如說DCF其實啥也沒幹。在一個DCF網絡中，基站AP就像公交車司機，網絡中待傳輸的數據幀就是乘客，車上座位就那麼多，誰搶到誰坐，全憑運氣。當然，為了盡可能避免衝突，WLAN也需要提前為各節點的“爭搶動作”製定好規則：1、當節點感知到通信介質繁忙時（也即是已有其它節點在發送數據），需等待介質空閑。就像公交車座位上已經有人時，必須耐心等待一樣。2、當節點發現介質空閑後，需要先執行隨機退避，時長為Backoff Time，當退避時間結束後如果介質仍然空閑則可以立即發送數據。
Backoff Time=Random()×SlotTime
Random()取自[0,CW)之間的隨機值。CW：Contention Window，競爭窗口，初值等於CWmin，當發生重傳時，CW會指數增大，直到CWmax。
共享和隨機競爭，可能我們都會給WLAN貼上這樣的標簽。而由此引發的延遲抖動、速率不均，以及高密場景的擁塞甚至完全無法接入，似乎被視作理所當然。好像波動就是WLAN的特征，延遲抖動也是WLAN無解的難題。真的隻能這樣嗎？且再看802.11定義的另外一種多址方式，PCF。
PCF，Point Coordination Function，點協調功能。它通過基站充當點協調器，集中控製介質的訪問，提供延遲受限的網絡服務。點協調器通過基站AP輪詢所關聯的終端，而且終端必須得到輪詢後才能傳送數據。這有點類似有線令牌環網的工作方式。有線令牌環因為全雙工以太網和交換機的出現已經爬進了曆史墳墓，甚至都找不到一塊墓碑。也許PCF的命運本來也該如此（目前看現狀好像就是如此），但誰又能說得準它是否再會從墳墓裏爬出來呢？要回答這個問題，我們也許應該審視一下DCF一統WLAN江湖的原因。
原因之一是因為DCF對基站和終端時間同步要求比PCF低，對於移動的場景和不同的拓撲應用適應性更好，而且在節點數比較少時表現的效率更高。DCF的口號是“隻要運氣好，你就拚命發包吧，管別人幹啥”。這種方式在接入終端較少時被證明還比較有效，因為競爭衝突本來也不多，采用DCF方式效率更高，而PCF就顯得過於謹慎和小心了。對TCP/IP這種突發性強、離散的應用來說，終端每發送一個數據幀都需要等待來自基站的輪詢，這顯得冗繁而缺乏效率。當然，還有一層現實的因素是PCF要求所有的設備都遵循AP的輪詢調度，但WiFi卻並不是為專有的授權頻道而設計的。比如2.4GHz頻道上還存在大量的非WiFi設備，例如藍牙、微波爐，即使隻有一個終端不遵循PCF（協議中PCF是可選實現的），都可能導致PCF工作效率極大的降低。這些都是PCF在競爭中大大落後的原因。但隨著用戶對WiFi體驗需求的升級，DCF的缺陷也暴露的越來越明顯。隨著千兆甚至萬兆WiFi的誕生，峰值速率已不再是考慮的唯一要點。而空口公平、QoS，特別是高密場景對大用戶量接入的支持倒是顯得越來越重要，而DCF卻並沒有與時俱進的適應這方麵的需求：DCF的競爭窗口“CW”尺寸默認隻有7，也就是當終端數量不超過10個時，這種隨機競爭決出優勝者的機製比較行得通。但是當單基站接入用戶數超過50甚至100，競爭衝突的幾率就會大大增加。想想機場、火車站的WiFi是不是人一多就延遲丟包，甚至2.4G完全連不上？一如春節期間沒有限流的高速公路。
問題症結就在DCF隨機競爭機製帶來的失序。不敢說回歸PCF就是解決之道，但可以肯定的是DCF已經不太適應現在和未來WLAN對高密接入的需求。802.11ac已經可以達到超1Gbps物理速率，WLAN也正在醞釀10G、100G的標準。可是一味的提高速率並不總是能讓我們的體驗變得更好，如果WLAN的底層競爭機製不改變，那麼對高密接入和實時業務的支持就將一直作為WLAN的短板而存在。難道在後11ac時代我們還是隻能接受一個AP最多接入幾十個終端？那隻是未來SOHO和小型局域網辦公的場景。祈禱WLAN的未來技術進步能走向真正的運營級網絡。
頻譜和信道
2.4GHz的WLAN隻有1、6、11三個獨立不重疊信道，這貌似已眾所周知。但眾人皆知的一定就是合理的嗎。也許過去是這樣，但未來呢？或者2.4GHz的WLAN就沒有未來？君不見最新的802.11ac標準已經舍棄了對2.4GHz頻率的支持了嗎？可是，如果我們仔細挖掘一下其中的曆史成因，也許應該重新評估這樣的信道組合。
先來分析802.11b的調製方式和單信道頻譜帶寬。802.11b采用的是DSSS的直接序列擴頻方式調製載波，單信道的頻譜帶寬為22MHz，不是20MHz。在全球大多數地區，2.4GHz非授權頻帶從2.401GHz~2.483GHz一共82MHz頻譜範圍，共劃分了13個信道（14號信道隻有日本允許使用，且僅限用於802.11b的DSSS和CCK調製），相鄰信道的中心頻率間隔為5MHz。
因此為了適應802.11b的載波頻寬，隻能選擇最多三個非重疊信道來組網，一般為1、6、11。信道間隔為25MHz，滿足802.11b 22MHz的頻寬要求。
但到了802.11a/g時代，調製技術已經進步到OFDM（OFDM也是目前廣域網無線LTE/4G以及未來5G的主要調製技術）。WLAN中，OFDM將一個20MHz的信道頻寬切割成多個頻寬更小的子載波（64個），不同的協議對子載波數量的選取各不相同，從而占用的總信道帶寬存在微小的差異，但都遠遠小於20MHz。比如802.11a/g僅使用64個子載波中的52個，總信道帶寬為16.6MHz。而802.11n使用了64個子載波中的56個，總信道帶寬為17.8MHz。
如果我們部署一張802.11g/n的蜂窩網絡，相鄰信道的頻率間隔隻要大於20MHz即可完全滿足頻率隔離的要求。那麼從中國2.4G的可用信道來看，最合理的信道組合應該是1、5、9、13，而不是1、6、11。來對比一下5GHz的信道規定，149、153、157、161、165。相鄰信道的間隔也隻有20MHz。那為什麼2.4GHz我們通常使用1、6、11組合，而預留25MHz的信道間隔呢？
除了約定俗成的使用習慣，部分原因也還在於對802.11b的兼容。802.11b使用DSSS/CCK的調製方式而占用22MHz的頻寬。但如果我們不再考慮兼容802.11b的終端呢？比如我們直接在基站AP上禁掉采用DSSS/CCK方式的速率集，這樣是否就可以多出一個非重疊信道了呢？答案是肯定的2，而且我們已經在高密WLAN優化中嚐試這樣的組合。四個可用信道相對於原來的三個，對WLAN容量的提升可不僅僅隻是33%。在一張成規模部署的蜂窩WLAN網絡中，多一個可用信道所帶來的容量提升將是指數級的增長。是誰規定我們在2.4GHz上永遠隻有三個可用信道呢？！
再談漫遊
無線網絡最具標誌性的特征就是移動性，漫遊是無線網絡必須麵對的話題。與其說WLAN是支持漫遊，倒不如說它其實啥也沒幹，無為而治。在WLAN網絡中，漫遊的過程隻是終端斷開當前的連接，和另外一個AP重新建立連接的過程。終端在漫遊決策上完全自主，網絡側隻是“提醒”終端，“當前AP的連接質量可能不是最好的，你可以試試連接其它AP”。而至於是哪一個更好，是不是真的更好，AP不知道，AP隻在終端決定發起漫遊切換後配合關聯接入。而終端在觸發漫遊前並沒有新連接一定能建立的把握，更別談是否最佳時機。幸運的是，在一個部署合理的WLAN網絡中，新的連接在大多數時候總是能夠建立。隻不過時機就很難說恰當了，也許不是太早，就是太遲，帶來的問題就是漫遊丟包。單就802.11協議本身，並沒有對終端能無縫漫遊做一點點額外的保證和努力，一切都交給終端自己。所以在WLAN網絡的部署和實踐中，漫遊一直都是比較棘手的話題。我們能管理和控製幾千個基站AP，可是我們沒法保證十倍於基站數量的，來自五湖四海的各品牌各型號終端都能做出最適合自己當時所處環境的漫遊決策。
也許未來的WLAN協議能夠重新考慮漫遊的問題，比如通過基站提供給終端更豐富的信息指導，或者要求終端在漫遊之前先做一些預備動作，比如和AP搞一次新連接操演。當然，這隻是對未來的設想。而當下我們又能多做些什麼呢？幸好，我們還是有些工作可以嚐試的。怎麼做的呢？既然終端漫遊是一次充滿未知的危險之旅，那我們幹脆打造一張不需要漫遊的網絡。比如，對於低帶寬和低容量需求的場景，我們可以擴大AP的覆蓋範圍，通過饋線、功分器等無源器件在室內場景下擴展單AP的覆蓋範圍，達到不需要漫遊的效果——“肆意奔跑吧，兄弟，我的光輝普照大地”。可是對於單AP容量無法滿足需求或者業務帶寬大的場景又該怎麼辦呢？顯然僅僅通過擴展覆蓋範圍的方式不再有效。另外一種實現方式是繞開802.11協議，由網絡側在軟件上“屏蔽”終端漫遊。即通過多AP的協同，打造一個虛擬蜂窩，讓WLAN整個網絡的行為表現得像一個統一的大虛擬AP（統一BSS）。漫遊不再是由終端決策和發起，而是由AP決策並彼此協同接力完成。漫遊後的AP模擬之前AP的一切軟件特征，終端除了感知到信號強度的波動，不再需要做出漫遊的動作，甚至它都不知道漫遊已經發生——“哦，原來我已經到了另外一個桃花島”。網絡世界最高級的旅行服務，也不過如此吧。
關於網優
搭建一張小型家用WLAN網絡貌似也不需要特別專業的技能，部署一台AP、設置下SSID和PSK密碼就可以滿足基本上網需求了。802.11協議文檔中也並沒有關於操作維護的專門章節，我們也並不需要經常去調整網絡的功率和信道配置以讓體驗變得明顯更好。可見，WLAN技術從設計上就是讓網絡變得簡單和易用的。WLAN現在如此成功，離不開“簡潔”的力量。
但如果情況轉換到需要部署一張擁有幾十上百顆AP，能同時容納幾千人上網的WLAN網絡，那就不再是給設備上個電加設置SSID和密碼就能搞定的事。我們需要恰如其當的規劃AP的部署位置以確保覆蓋完備，為AP設置恰當的信道和功率組合以盡量減少信道幹擾和衝突，甚至還要加上限速和針對業務策略的參數組合。更要命的是，這些還不是一勞永逸的事。因為環境並不是一成不變的，為平日幾百個並發終端所設計的限速參數可能並不適用於特殊時候幾千個用戶同時在線的場景。另外，某個人突然帶來的隨身WiFi或者隔壁樓棟新部署的WLAN網絡所泄露的信號會導致我們之前的信道規劃組合推倒重來。雖然WLAN協議也為AP的信道和功率設置提供了一套自動化的部署選項，如802.11h頻譜管理協議能讓AP根據自己周圍的電磁環境實時調整信道和功率設置。但如果AP的周圍是另一群AP，另一群AP的周圍是更多的可以自己調整信道和功率的AP，那麼基於分散決策的自動信道配置機製會讓網絡處於永遠的震蕩當中。實踐證明這種自動信道調整機製對幹擾的抑製乏善可陳。就目前而言，持續不斷的優化仍是讓WLAN網絡維持在最佳體驗狀態所不可或缺的支撐。
網絡優化會隨著基站AP和終端數量的擴大而價值凸顯。如果我們部署一張擁有100顆AP的WLAN網絡而不加優化，比如配置自動信道甚至隨意部署信道，那麼僅僅為應付少數幾個終端上網是完全沒有任何問題的。但是當終端數量上升到幾百甚至上千，有優化的網絡體驗和沒有優化的網絡體驗無疑會是天壤之別。就像一個沒有紅綠燈的十字路口，如果出現在市郊，平時偶爾幾輛車通過是不會有什麼問題的。可是如果是在主城區，也沒有交警指揮交通，這個路口一定癱瘓。隨著商業WiFi和校園網WiFi的普及，WLAN對高密接入的需求會變得越來越普遍，預期網絡優化仍將在未來的WLAN演進中扮演不可替代的角色。
注釋：
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- 2017-12-05發布
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