【网络老爬虫第9期-无线新技术专题】关于WLAN若干历史问题的探讨
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关于WLAN若干历史问题的探讨
文/李晨光
——网络老爬虫（无线新技术专题）
WLAN，生于1997年，而今正当二十不悔。如果从知名度来衡量，WLAN可以说是当今最成功的无线网络技术，没有之一。今天，你在家里刷朋友圈、视频聊天，亦或是在咖啡厅上网、在办公室工作，WLAN已然是最贴身的服务员。我们对WLAN如此“刚需”，而WLAN又是如此有上进心——从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也在规划当中。WLAN不仅在当下如日中天，看似未来的道路也仍将鲜花着锦。本刊主题是新技术，着眼于WLAN的未来，但古人云以史为鉴方知兴替。我不敢妄言WLAN未来的命运，但可以陪读者一起重新审视WLAN那些曾经被认为理所当然的过往，或许我们能一窥WLAN技术的未来。
从速率说起
无线信号天生波动的特点，让WLAN网络的动态和不稳定特征延伸到了底层协议速率的定义上。比如802.11g协议的物理层速率就包括了从6、9、12到最高54Mbps的速率等级，而866Mbps也只是802.11ac众多速率可选项中的一个。这些不同的速率在WLAN协议中是以“速率集”的概念存在的。每个数据帧的真实承载速率由终端和AP在事先协商好的速率集中即时选取确定。虽然有线以太网中也有速率协商的概念，比如IEEE802.3定义的多种速率10/100/1000Mbps。但有线以太网协商出的为某一固定的速率，且一旦选定，速率即固定不再变化，除非端口up/down重置。而WLAN网络中物理层速率的变化却可能发生在通信过程中前后两个报文上，每一个802.11帧前导码都需要携带本数据帧的调制方式和速率等级，以方便接收方识别和解调数据。WLAN定义众多速率的目的就是为了让移动中的终端能适应随时变化的无线网络环境。比如在信号强、干扰小的环境中，就可以采用高等级的速率来传递数据帧，比如802.11ac的433Mbps。而对于距离远信号弱的场景，就需要采用更低调制等级、更多冗余编码的方式来抵抗恶劣环境带来的错帧风险，比如速率降低到1/10——43.3Mbps来传输。
无线环境是动态的，速率选择的目的就是适应时刻变化的环境。但奇怪的是，WLAN网络中有一些报文却从不关心环境情况如何，始终采用最低等级的物理速率传递。那就是802.11的管理帧，如Beacon、Probe帧等。很难想象，在一个300Mbps的普通802.11n网络中，仍然有大量的报文在使用1Mbps速率传输，用这种极低的效率浪费着宝贵的传输机会。而这么做的目的只是为了兼容老旧802.11b终端，因为这些终端无法识别超过11Mbps的物理速率。可是，20年后的今天，我们真的还有802.11b终端在工作吗？我们真的还有兼容这些终端工作的需要吗？幸运的是我们的WLAN优化已经发现这一点，在绝大部分的场景下（不存在802.11b网卡），我们可以通过控制AP侧Beacon帧以指定的高速率传输来提升空口工作效率。可是仅有Beacon参数调整还不够，因为还有十倍于AP数量的WLAN终端网卡仍在以默认最低1Mbps速率在发送Probe管理帧，消耗WLAN的宝贵资源。期待未来某一天，WLAN能把这些历史的包袱甩开1，轻装上阵，再出发，更出彩。
DCF还是PCF
无线网络是一个点对多点的共享网络，多址技术用于协调多个节点间的有序通信。想了解WLAN的过去，不可不谈多址技术。
DCF，Distributed Coordination Function，也称分布式协调功能。是一种基于随机竞争的机制，各个节点通过“抢占”来决定先后传输顺序的机制。它以CSMA/CA为基本的接入方式，提供尽力而为的服务。但与其说是协调，倒不如说DCF其实啥也没干。在一个DCF网络中，基站AP就像公交车司机，网络中待传输的数据帧就是乘客，车上座位就那么多，谁抢到谁坐，全凭运气。当然，为了尽可能避免冲突，WLAN也需要提前为各节点的“争抢动作”制定好规则：1、当节点感知到通信介质繁忙时（也即是已有其它节点在发送数据），需等待介质空闲。就像公交车座位上已经有人时，必须耐心等待一样。2、当节点发现介质空闲后，需要先执行随机退避，时长为Backoff Time，当退避时间结束后如果介质仍然空闲则可以立即发送数据。
Backoff Time=Random()×SlotTime
Random()取自[0,CW)之间的随机值。CW：Contention Window，竞争窗口，初值等于CWmin，当发生重传时，CW会指数增大，直到CWmax。
共享和随机竞争，可能我们都会给WLAN贴上这样的标签。而由此引发的延迟抖动、速率不均，以及高密场景的拥塞甚至完全无法接入，似乎被视作理所当然。好像波动就是WLAN的特征，延迟抖动也是WLAN无解的难题。真的只能这样吗？且再看802.11定义的另外一种多址方式，PCF。
PCF，Point Coordination Function，点协调功能。它通过基站充当点协调器，集中控制介质的访问，提供延迟受限的网络服务。点协调器通过基站AP轮询所关联的终端，而且终端必须得到轮询后才能传送数据。这有点类似有线令牌环网的工作方式。有线令牌环因为全双工以太网和交换机的出现已经爬进了历史坟墓，甚至都找不到一块墓碑。也许PCF的命运本来也该如此（目前看现状好像就是如此），但谁又能说得准它是否再会从坟墓里爬出来呢？要回答这个问题，我们也许应该审视一下DCF一统WLAN江湖的原因。
原因之一是因为DCF对基站和终端时间同步要求比PCF低，对于移动的场景和不同的拓扑应用适应性更好，而且在节点数比较少时表现的效率更高。DCF的口号是“只要运气好，你就拼命发包吧，管别人干啥”。这种方式在接入终端较少时被证明还比较有效，因为竞争冲突本来也不多，采用DCF方式效率更高，而PCF就显得过于谨慎和小心了。对TCP/IP这种突发性强、离散的应用来说，终端每发送一个数据帧都需要等待来自基站的轮询，这显得冗繁而缺乏效率。当然，还有一层现实的因素是PCF要求所有的设备都遵循AP的轮询调度，但WiFi却并不是为专有的授权频道而设计的。比如2.4GHz频道上还存在大量的非WiFi设备，例如蓝牙、微波炉，即使只有一个终端不遵循PCF（协议中PCF是可选实现的），都可能导致PCF工作效率极大的降低。这些都是PCF在竞争中大大落后的原因。但随着用户对WiFi体验需求的升级，DCF的缺陷也暴露的越来越明显。随着千兆甚至万兆WiFi的诞生，峰值速率已不再是考虑的唯一要点。而空口公平、QoS，特别是高密场景对大用户量接入的支持倒是显得越来越重要，而DCF却并没有与时俱进的适应这方面的需求：DCF的竞争窗口“CW”尺寸默认只有7，也就是当终端数量不超过10个时，这种随机竞争决出优胜者的机制比较行得通。但是当单基站接入用户数超过50甚至100，竞争冲突的几率就会大大增加。想想机场、火车站的WiFi是不是人一多就延迟丢包，甚至2.4G完全连不上？一如春节期间没有限流的高速公路。
问题症结就在DCF随机竞争机制带来的失序。不敢说回归PCF就是解决之道，但可以肯定的是DCF已经不太适应现在和未来WLAN对高密接入的需求。802.11ac已经可以达到超1Gbps物理速率，WLAN也正在酝酿10G、100G的标准。可是一味的提高速率并不总是能让我们的体验变得更好，如果WLAN的底层竞争机制不改变，那么对高密接入和实时业务的支持就将一直作为WLAN的短板而存在。难道在后11ac时代我们还是只能接受一个AP最多接入几十个终端？那只是未来SOHO和小型局域网办公的场景。祈祷WLAN的未来技术进步能走向真正的运营级网络。
频谱和信道
2.4GHz的WLAN只有1、6、11三个独立不重叠信道，这貌似已众所周知。但众人皆知的一定就是合理的吗。也许过去是这样，但未来呢？或者2.4GHz的WLAN就没有未来？君不见最新的802.11ac标准已经舍弃了对2.4GHz频率的支持了吗？可是，如果我们仔细挖掘一下其中的历史成因，也许应该重新评估这样的信道组合。
先来分析802.11b的调制方式和单信道频谱带宽。802.11b采用的是DSSS的直接序列扩频方式调制载波，单信道的频谱带宽为22MHz，不是20MHz。在全球大多数地区，2.4GHz非授权频带从2.401GHz~2.483GHz一共82MHz频谱范围，共划分了13个信道（14号信道只有日本允许使用，且仅限用于802.11b的DSSS和CCK调制），相邻信道的中心频率间隔为5MHz。
因此为了适应802.11b的载波频宽，只能选择最多三个非重叠信道来组网，一般为1、6、11。信道间隔为25MHz，满足802.11b 22MHz的频宽要求。
但到了802.11a/g时代，调制技术已经进步到OFDM（OFDM也是目前广域网无线LTE/4G以及未来5G的主要调制技术）。WLAN中，OFDM将一个20MHz的信道频宽切割成多个频宽更小的子载波（64个），不同的协议对子载波数量的选取各不相同，从而占用的总信道带宽存在微小的差异，但都远远小于20MHz。比如802.11a/g仅使用64个子载波中的52个，总信道带宽为16.6MHz。而802.11n使用了64个子载波中的56个，总信道带宽为17.8MHz。
如果我们部署一张802.11g/n的蜂窝网络，相邻信道的频率间隔只要大于20MHz即可完全满足频率隔离的要求。那么从中国2.4G的可用信道来看，最合理的信道组合应该是1、5、9、13，而不是1、6、11。来对比一下5GHz的信道规定，149、153、157、161、165。相邻信道的间隔也只有20MHz。那为什么2.4GHz我们通常使用1、6、11组合，而预留25MHz的信道间隔呢？
除了约定俗成的使用习惯，部分原因也还在于对802.11b的兼容。802.11b使用DSSS/CCK的调制方式而占用22MHz的频宽。但如果我们不再考虑兼容802.11b的终端呢？比如我们直接在基站AP上禁掉采用DSSS/CCK方式的速率集，这样是否就可以多出一个非重叠信道了呢？答案是肯定的2，而且我们已经在高密WLAN优化中尝试这样的组合。四个可用信道相对于原来的三个，对WLAN容量的提升可不仅仅只是33%。在一张成规模部署的蜂窝WLAN网络中，多一个可用信道所带来的容量提升将是指数级的增长。是谁规定我们在2.4GHz上永远只有三个可用信道呢？！
再谈漫游
无线网络最具标志性的特征就是移动性，漫游是无线网络必须面对的话题。与其说WLAN是支持漫游，倒不如说它其实啥也没干，无为而治。在WLAN网络中，漫游的过程只是终端断开当前的连接，和另外一个AP重新建立连接的过程。终端在漫游决策上完全自主，网络侧只是“提醒”终端，“当前AP的连接质量可能不是最好的，你可以试试连接其它AP”。而至于是哪一个更好，是不是真的更好，AP不知道，AP只在终端决定发起漫游切换后配合关联接入。而终端在触发漫游前并没有新连接一定能建立的把握，更别谈是否最佳时机。幸运的是，在一个部署合理的WLAN网络中，新的连接在大多数时候总是能够建立。只不过时机就很难说恰当了，也许不是太早，就是太迟，带来的问题就是漫游丢包。单就802.11协议本身，并没有对终端能无缝漫游做一点点额外的保证和努力，一切都交给终端自己。所以在WLAN网络的部署和实践中，漫游一直都是比较棘手的话题。我们能管理和控制几千个基站AP，可是我们没法保证十倍于基站数量的，来自五湖四海的各品牌各型号终端都能做出最适合自己当时所处环境的漫游决策。
也许未来的WLAN协议能够重新考虑漫游的问题，比如通过基站提供给终端更丰富的信息指导，或者要求终端在漫游之前先做一些预备动作，比如和AP搞一次新连接操演。当然，这只是对未来的设想。而当下我们又能多做些什么呢？幸好，我们还是有些工作可以尝试的。怎么做的呢？既然终端漫游是一次充满未知的危险之旅，那我们干脆打造一张不需要漫游的网络。比如，对于低带宽和低容量需求的场景，我们可以扩大AP的覆盖范围，通过馈线、功分器等无源器件在室内场景下扩展单AP的覆盖范围，达到不需要漫游的效果——“肆意奔跑吧，兄弟，我的光辉普照大地”。可是对于单AP容量无法满足需求或者业务带宽大的场景又该怎么办呢？显然仅仅通过扩展覆盖范围的方式不再有效。另外一种实现方式是绕开802.11协议，由网络侧在软件上“屏蔽”终端漫游。即通过多AP的协同，打造一个虚拟蜂窝，让WLAN整个网络的行为表现得像一个统一的大虚拟AP（统一BSS）。漫游不再是由终端决策和发起，而是由AP决策并彼此协同接力完成。漫游后的AP模拟之前AP的一切软件特征，终端除了感知到信号强度的波动，不再需要做出漫游的动作，甚至它都不知道漫游已经发生——“哦，原来我已经到了另外一个桃花岛”。网络世界最高级的旅行服务，也不过如此吧。
关于网优
搭建一张小型家用WLAN网络貌似也不需要特别专业的技能，部署一台AP、设置下SSID和PSK密码就可以满足基本上网需求了。802.11协议文档中也并没有关于操作维护的专门章节，我们也并不需要经常去调整网络的功率和信道配置以让体验变得明显更好。可见，WLAN技术从设计上就是让网络变得简单和易用的。WLAN现在如此成功，离不开“简洁”的力量。
但如果情况转换到需要部署一张拥有几十上百颗AP，能同时容纳几千人上网的WLAN网络，那就不再是给设备上个电加设置SSID和密码就能搞定的事。我们需要恰如其当的规划AP的部署位置以确保覆盖完备，为AP设置恰当的信道和功率组合以尽量减少信道干扰和冲突，甚至还要加上限速和针对业务策略的参数组合。更要命的是，这些还不是一劳永逸的事。因为环境并不是一成不变的，为平日几百个并发终端所设计的限速参数可能并不适用于特殊时候几千个用户同时在线的场景。另外，某个人突然带来的随身WiFi或者隔壁楼栋新部署的WLAN网络所泄露的信号会导致我们之前的信道规划组合推倒重来。虽然WLAN协议也为AP的信道和功率设置提供了一套自动化的部署选项，如802.11h频谱管理协议能让AP根据自己周围的电磁环境实时调整信道和功率设置。但如果AP的周围是另一群AP，另一群AP的周围是更多的可以自己调整信道和功率的AP，那么基于分散决策的自动信道配置机制会让网络处于永远的震荡当中。实践证明这种自动信道调整机制对干扰的抑制乏善可陈。就目前而言，持续不断的优化仍是让WLAN网络维持在最佳体验状态所不可或缺的支撑。
网络优化会随着基站AP和终端数量的扩大而价值凸显。如果我们部署一张拥有100颗AP的WLAN网络而不加优化，比如配置自动信道甚至随意部署信道，那么仅仅为应付少数几个终端上网是完全没有任何问题的。但是当终端数量上升到几百甚至上千，有优化的网络体验和没有优化的网络体验无疑会是天壤之别。就像一个没有红绿灯的十字路口，如果出现在市郊，平时偶尔几辆车通过是不会有什么问题的。可是如果是在主城区，也没有交警指挥交通，这个路口一定瘫痪。随着商业WiFi和校园网WiFi的普及，WLAN对高密接入的需求会变得越来越普遍，预期网络优化仍将在未来的WLAN演进中扮演不可替代的角色。
注释：
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- 2017-12-05发布
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