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          高密度接入環境下的Wi-Fi性能優化

          時間:2018-10-13 23:18來源:Office教程學習網 www.12042044.com編輯:麥田守望者

           在校園網中最常見的高密度接入環境下的Wi-Fi性能問題,一直都是困擾各個高校的問題之一。最常見的問題是部署的AP不少,也有AP用戶分布不均、訪問質量無法保證等實際問題。

            Wi-Fi網絡工作原理

            根據IEEE802.11-2016標準,Wi-Fi網絡主要采用了分布式協作功能(DCF)架構,通過載波監聽/沖突避免(CSMA/CA)機制在Wi-Fi設備之間實現自動的媒體共享和訪問控制(MAC)。CSMA/CA專門設計用來在多個Wi-Fi設備訪問同一個通信媒體時,降低Wi-Fi設備之間的沖突可能。根據CSMA/CA協議,每一個Wi-Fi設備(無論是AP還是終端)在發送數據前必須對通信媒體進行監聽,根據監聽結果判斷該媒體是否處于Busy狀態。如果是Busy狀態,則需要繼續等待;如果是空閑狀態,則需要在一定的幀間隔時間(IFS)后,再等待一個隨機的退避時間(Backoff Time),當退避時間結束時如果媒體仍然處于空閑狀態,則Wi-Fi設備獲取到發送機會(TXOP),通過通信媒體開始發送數據。根據不同類型數據報文(管理幀、數據幀、確認幀......)的傳輸要求,802.11定義了幾種不同的幀間隔時間,包括SIFS、PIFS、DIFS和AIFS等。

            無線信道和空口時間

            對于802.11網絡而言,當我們考慮一個物理范圍有限、傳輸條件良好的封閉空間時,Wi-Fi的信號覆蓋足夠,我們通常可以假設每個終端都能獲得足夠好的信噪比,以保證終端的關聯速率保持穩定。此時,對Wi-Fi網絡性能影響最大的因素就只有無線信道和空口時間。作為Wi-Fi設備通信的共享媒體,無線信道可以被認為是一個802.11沖突域。所謂802.11沖突域,首先是一個獨立的系統容量單元,在這個沖突域中的所有Wi-Fi設備共享這個沖突域的系統容量;其次,802.11沖突域與時間和地點相關,兩個相鄰的Wi-Fi設備如果在不同的時間發送數據并不會產生沖突;最后,802.11沖突域的范圍是動態變化的,與正在占用信道發送數據的設備有關。因此,特定空間范圍內使用相同無線信道的無線AP和Wi-Fi終端共享一個沖突域;而相同空間內使用不同無線信道的無線AP和Wi-Fi終端則分別共享不同的沖突域。無線信道的增加意味著沖突域的疊加,沖突域的疊加意味著系統性能容量的疊加。

            在每一個沖突域中,Wi-Fi設備對媒體的共享是基于空口時間(即Wi-Fi設備占用無線信道發送數據的時間)的,所有Wi-Fi設備必須在信道處于空閑狀態,且等待相應的幀間隔時間和退避時間后才能占用信道并發送數據。因此,Wi-Fi設備占用無線信道時的空口效率,即傳輸一定的數據所需消耗的時間,很大程度決定了Wi-Fi網絡的整體性能。無線信道的空口效率與兩個因素有關:傳輸速率和報文結構。從理論上講,傳輸數據所需消耗的時間與傳輸速率成反比。在Wi-Fi環境下,網絡中傳輸的幀包括管理幀、控制幀和數據幀,Wi-Fi傳輸速率不僅與幀的類型有關,甚至在每一幀的前導部分和負載部分也有差異。

            如圖1所示,802.11數據幀實際負載的傳輸速率就是Wi-Fi設備的空口連接速率,這個速率通常與Wi-Fi設備的信噪比有關,隨距離增加而降低;802.11管理幀和控制幀則缺省采用最低速率(6Mbps),已確保能夠被沖突域中所有的終端有效接收,這一速率可以通過系統參數進行調整到24Mbps,以減少低速率幀對網絡性能的影響。

            圖2抽象地顯示出構成相同的802.11管理幀、控制幀和數據幀在采用不同的速率時對空口效率的影響。很明顯,第二張圖中由于管理幀和控制幀采用24Mbps速率進行發送,因此每一幀可以消耗更少的空口時間,使無線信道更多地處于空閑狀態,所以可以提升空口效率,達到性能優化的目的。

            除了傳輸速率,802.11數據幀的報文架構,特別是每個報文平均負載的大小,也會嚴重影響Wi-Fi網絡的傳輸性能。Wi-Fi網絡上每一次發送機會(TXOP)并非是僅僅發送某個單一報文,而是由一系列連續的交互報文構成。對于802.11ac標準,這些交互報文包括:RTS報文、CTS報文、數據報文(A-MPDU)、塊確認報文(BA)。其中的情況是:AIFS和CW分別是與不同業務QOS相關的幀間隔和沖突退避時間,存在一定的變化范圍;SIFS是最短幀間隔,其長度固定為16us;RTS、CTS和BA是長度固定的管理幀/控制幀,其幀長度分別為20字節、14字節和32字節,并且每一幀都有一個長度為20us的傳統前導幀(LegacyPreamble),根據802.11標準,傳統前導幀的傳輸速率是最低速率(6Mbps),并且不可修改,而這些幀的具體內容則可以采用相對稍高的速率進行傳輸;A-MPDU中包含了真正的用戶數據,同時也包含相應的傳統前導幀和VHT前導幀,其中前導幀的傳輸速率是固定的6Mbps,用戶數據則采用實際連接速率,隨著數據報文真實負載的長度不同,傳輸這部分報文所需的空口時間,以及這部分空口時間在整個發送機會(TXOP)中的占比也存在差異。

            從圖3可以看出,無論A-MPDU大小如何,每個TXOP中除A-MPDU外的空口開銷都是固定的,傳輸3000字節報文與90字節報文相比,其空口效率要高出很多。因此,針對802.11網絡,報文的構成從以下兩個方面對網絡性能產生重大影響:

            802.11數據幀的負載越大,用于傳輸真實數據負載的空口時間就越長,相對于整個TXOP中的傳輸開銷,其空口效率就越高;

            802.11管理幀和控制幀都是固定長度的短幀,并且傳輸速率相對數據幀低很多,因此管理幀和控制幀數量越少、速率越高,網絡的空口效率就越高。

            多終端接入的性能影響

            在802.11網絡中,人們普遍的感受是:當一個AP下連接了較多的終端時,這個AP的整體性能以及用戶體驗會快速下降。當然,這里有一個隱含條件:這個AP和連在上面的Wi-Fi終端處于一個獨立的沖突域。因此,關于這個現象更加精確的描述應該是:當一個沖突域中存在較多的終端時,這個沖突域的整體容量和用戶體驗會快速下降。進一步的實驗發現,這個現象的發生具有一定的普遍性,并且與終端構成不具有相關性。由實驗數據可得,如果以只有一個終端時的系統吞吐量作為參照,則無論終端類型為1x1、2x2或者3x3,當并發終端數量在25個時,系統吞吐量僅下降5%~10%;當并發終端數量在50個時,系統吞吐量下降大約10%~30%;當并發終端數量達到100個時,系統吞吐量下降高達50%~60%。

            從理論上分析,導致這一現象的可能原因有以下四個:

            1.射頻沖突和重傳;2.連接速率的自適應下調;3.TCP滑動窗口機制導致;4.MAC層幀構成的變化。

            然而,通過在不同并發終端數量環境下進行的抓包分析,我們可以推斷出:

            1.射頻沖突和重傳不是多終端環境下系統吞吐量下降的主要原因。從圖4中可以看到,隨著并發終端的增加,射頻重傳比例基本保持穩定,并未出現明顯的同步增長,因此并非系統吞吐量下降的主要原因。

            2.連接速率的自適應下調也不是系統吞吐量下降的主要原因。從圖5中可以觀察到,由于retry導致Wi-Fi終端自適應降低射頻速率的數量并未明顯增加,因此自適應的速率調節也不是系統吞吐量下降的可能原因。

            3.系統吞吐量下滑與TCP或者UDP沒有關系。

            如圖6所示,通過對比并發終端數量變化前后系統的TCP和UDP性能,可以發現UDP同樣存在近似的性能下滑,因此可以排除TCP窗口機制導致性能下降的潛在可能。

            4.隨著并發終端的增加,MAC層的幀構成發生了重大變化,這才是導致系統吞吐量下降的主要原因。

            如圖7所示,隨著并發終端數量從1增加到100,網絡中的數據幀數量減少了34%,而與此同時,控制幀數量則增加了3倍,用于喚醒Wi-Fi終端的Power Save NDP幀則更是增加了5倍。

            如圖8中802.11幀尺寸的維度進行分析,可以看到小于64字節的幀數量從32K增長到107K,大約3倍多的比例。根據前面的研究,報文負載越小,射頻空口的效率就越低,網絡吞吐量越差;反之亦然。因此,網絡中傳輸的短報文數量大幅增加嚴重拉低了系統的吞吐量性能。對控制幀的進一步分析發現:

            RTS和NDP幀快速增長,由于RTS和NDP都需要DIFS/AIFS和Backoff timer作為沖突避免機制,因此意味著DIFS/AIFS和Backoff timer的數量也在同步快速增加;

            TXOP數量快速增長。作為TXOP結構中的主要構成,RTS、CTS和BA數量的增長可以反映出TXOP數量的增長,TXOP數量的增長意味著AIFS、DIFS、SIFS和Backoff Timer數量的增長;

            每個TXOP中數據幀的占比下降明顯。TXOP在快速增加,然而數據幀的數量卻在顯著下滑,意味著大量的發送機會(TXOP)并未用來發送有用數據;

            隨著終端數量的增長,由于每個終端都會經常進入PowerSave模式,因此用于喚醒終端的NDP和ACK報文大量增加。

            分析結論:隨著并發終端數量的增加,網絡中的MAC幀構成會發生相當大的變化,主要體現在控制幀數量的增加和數據幀數量的減少。這兩個變化,導致了更多的發送機會(TXOP),但是其中真正用于傳輸有用數據的卻不多,因此導致了高密度環境下的Wi-Fi性能快速下降。

            多終端接入的優化

            根據前面的分析,高密度多終端接入的性能優化可以有針對性地從以下幾個角度進行優化:

            通過合理的信道和功率規劃,以及網絡設備的射頻優化功能,降低每個信道的并發終端數量;

            盡量減少不必要的網絡發送,減少TXOP就可以減少與之相關的幀間隔時間和沖突退避時間,降低802.11性能開銷;

            在確保可靠傳輸的調節下,盡量提高管理幀、控制幀和數據幀的傳輸速率,降低管理幀/控制幀對空口資源的開銷。

            通過這幾方面優化過的高密度無線網絡區域能大幅度提高用戶使用體驗。

            本文對無線網在高密度多終端接入環境下,對影響Wi-Fi性能的主要因素進行了分析與討論,從而總結出具體的優化方向。在無線網絡覆蓋密度不斷增加的趨勢下,通過這些具體優化方向可以對不同多終端接入環境下的Wi-Fi性能作針對性地優化調整,從而能大幅度提高優化區域Wi-Fi性能,給用戶帶來更好的無線體驗。(責編:楊燕婷)

            (作者單位為上海交通大學網絡信息中心)

          本文刊載于《中國教育網絡》2018年4月刊

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          標簽(Tag):無線網絡性能優化
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