Новый WLAN: быстрее кабеля

Еще никогда скорость Wi-Fi не имела такого значения. Такие тенденции, как видео в разрешении 4K, требуют все больших объемов данных, которыми мы обмениваемся с устройства на устройство или через высокоскоростной оптоволоконный Интернет. Все большей популярностью пользуются планшеты, смартфоны и компактные ноутбуки с быстрым и небольшим твердотельным накопителем, но потоковое вещание, на которое они рассчитаны, перегружает беспроводные сети стандарта 802.11n и ac, и без этого максимально возможно использующие доступные полосы 2,4 и 5 ГГц.

Пиковые значения вплоть до 5300 Мбит/с обеспечиваются маршрутизаторами только теоретически — если задействовать одновременно несколько сетей маршрутизатора. Большую пропускную способность обещает полоса 60 ГГц, которую использует стандарт 802.11ad для эффективной передачи данных на клиентское устройство на гораздо более высокой скорости. Правда, технология работает только на коротких расстояниях. Мы протестировали первый маршрутизатор с поддержкой этого стандарта и при всей многообещающей скорости обнаружили некоторые нюансы.

Секрет скорости 802.11ad

Говоря простыми словами, достичь высоких скоростей новой технологии позволяет широкая полоса пропускания частоты 60 ГГц. Если канал стандарта 802.11ac (5 ГГц) занимает от 80 до 160 МГц, то здесь ширина канала составляет 2160 МГц. Количество подканалов, по которым происходит обмен данными, по сравнению с 802.11ac намного больше. Кроме того, на высокой частоте за одну секунду может передаваться больше пакетов данных, что в теории позволяет достичь пиковых значений в 7 Гбит/с.

Также уменьшается задержка (латентность) перед ответом. Все это предопределяет судьбу технологии для использования в передаче интерактивного видеоконтента с высокой разрешающей способностью, например, для беспроводной передачи игр и фильмов на мониторы или на очки виртуальной реальности.

Полоса 60 ГГц до сих пор не была задействована технологиями беспроводной связи по причине затухания сигнала, возникающего из-за резонанса волн такой длины с молекулами кислорода. Это ограничивает дальность действия 802.11ad десятью метрами в пределах прямой видимости, что, с другой стороны, исключает влияние помех из соседних комнат или квартир.

Спецификация 802.11ad представляет собой дополнение к более ранним стандартам Wi-Fi, поэтому на случай разрыва соединения предусмотрено плавное переключение на 5 или 2,4 ГГц: при увеличении расстояния между маршрутизатором и клиентским устройством соединение не разрывается — пользователь почувствует только уменьшение скорости. Для работы на коротких волнах используются очень маленькие антенны, которые можно устанавливать в большом количестве даже на компактные устройства.

Чем больше количество антенн, тем лучше срабатывает технология формирования адаптивной диаграммы направленности (beamforming), позволяющая сфокусировать передаваемый сигнал в сторону абонентского устройства, благодаря чему повышается его качество и эффективность.

О завершении разработки спецификации версии 1.0 стандарта 802.11ad, получившей название WiGig, было объявлено в 2009 году. Однако, за исключением отдельных моделей ноутбуков с беспроводными док-станциями, эта технология так и осталась в тени. Но совсем недавно появился первый маршрутизатор, который поддерживает «настоящий» 802.11ad — TP-Link Talon AD7200. Правда, клиентских устройств с такой же поддержкой пока нет.

Пропускная способность для 802.11ad на маршрутизаторе указана в пределах 4600 Мбит/с. Одновременно он может работать на 5 ГГц (802.11ac) — до 1733 Мбит/с — и на 2,4 ГГц (802.11n) — 800 Мбит/с. Заявленная общая пропускная способность в итоге составляет 7200 Мбит/с. Восемь внешних антенн придают маршрутизатору весьма интересный и необычный вид, но в целом устройство оборудовано 32 антеннами для работы на частоте 60 ГГц.

Эффективное обслуживание сразу нескольких клиентских устройств, подключенных к беспроводной сети, осуществляется благодаря технологии Multi-user MIMO. Как и другие маршрутизаторы категории high-end, TP-Link работает на двухъядерном процессоре 1,4 ГГц, который увеличивает скорость веб-интерфейса и передачи данных. Для определения фактической скорости технологии мы использовали беспроводной мост между двумя маршрутизаторами AD7200.

Испытательная трасса для 802.11ad

Новый стандарт, работающий на высоких частотах, для нас тоже является неисследованной областью — это выразилось, помимо всего прочего, в том, как кропотливо нам пришлось возиться с установкой соединения между двумя маршрутизаторами. Из наших устройств, выданных для тестирования, в качестве клиентского устройства для подключения по беспроводной сети 60 ГГц, разворачиваемой хостом, можно было использовать только маршрутизатор с более ранней версией прошивки 1.0.0.

Устройство с более свежей прошивкой версии 1.0.10 (обновлений для обоих маршрутизаторов не предлагалось) выступать в качестве клиентского не могло, поэтому и стало хостом. На маршрутизаторе-хосте должен быть активирован режим беспроводной сети 60 ГГц, а мы должны знать его SSID (идентификатор беспроводной сети) и MAC-адрес — они отображаются в разделе «Advanced | Status | Wireless | 60 GHz» («Дополнительные настройки | Статус | Беспроводная сеть | 60 ГГц»).

Для маршрутизатора-клиента с более ранней версией прошивки 1.0.0 в помощнике начальной настройки для доступа в Интернет мы выбрали динамический IP-адрес («Dynamic IP»). Для тестирования в разделе «Advanced | Network | LAN» («Дополнительные настройки | Сеть | LAN») мы указали другой IP-адрес (192.168.0.2) в той же подсети, что и хост (192.168.0.1).

Собственно настройка моста в сети 60 ГГц к точке доступа спрятана в недрах расширенных настроек: «Advanced | System Tools | System Parameters | 60 GHz WDS | Enable WDS Bridging» («Расширенные настройки | Средства управления системой | Параметры системы | WDS 60 ГГц | Активировать мост WDS»). SSID, MAC-адрес и ключ WPA пришлось вводить вручную, поскольку не работала функция сканирования доступных сетей 60 ГГц — «Survey». Затем в меню «Advanced | Network | DHCP Server» («Дополнительные настройки | Сеть | DHCP-сервер») отключили DHCP-сервер.

Итак, мы создали беспроводной мост: компьютеры, которые подключаются к маршрутизатору-клиенту, получают непосредственно от маршрутизатора-хоста IP-адрес, а обмен данными происходит по сети 60 ГГц между маршрутизаторами. Измерения проводились на компьютере, подключенном к маршрутизатору-хосту, передающем сигнал на ноутбук, подключенный к маршрутизатору-клиенту.

Кабель мешает беспроводной сети

Выяснилось, что в тестовой схеме соединение между компьютерами и маршрутизаторами не может развить скорость максимально, поскольку TP-Link поддерживают «всего лишь» популярную и до сих пор достаточно быструю технологию Gigabit Ethernet. По сетевому шнуру оба маршрутизатора могут передавать до одного гигабита в секунду, и этим пределом ограничивались все наши измерения беспроводной сети. При этом было понятно, что скорость 802.11ad была выше скорости передачи по сетевому шнуру: если мы ставили маршрутизаторы совсем рядом, результаты измерений составляли около того же гигабита в секунду, а если отставляли один из них на несколько метров, результат не менялся.

Скорость падала только при отдалении на большие расстояния или при появлении препятствий. В повседневном использовании в будущем это условие не должно мешать работе первых клиентских устройств, совместимых с 802.11ad: компьютеры и сетевые хранилища, предназначенные для домашнего использования, оснащены портами Gigabit Ethernet, и даже самый быстрый доступ в Интернет по оптоволокну достигает «всего лишь» 1000 Мбит/с. По крайней мере, мы убедились, что 802.11ad не тормозит передачу данных.

Инфраструктура для 802.11ad

Чтобы достичь полной скорости 802.11ad, нужно было полностью заменить обычное сетевое оборудование. Новый стандарт освободится от пут только в том случае, если каждый компонент в значительной степени выйдет за пределы гигабитной сети. Существует два технических решения этой задачи, и оба предусмотрены на новом маршрутизаторе с поддержкой 802.11ad Netgear Nighthawk X10 R9000.

Первое — это разъем типа SFP+ с пропускной способностью до 10 Гбит/с для передачи данных на другие SFP+-совместимые устройства, например, на мощное сетевое хранилище (например, Qnap Turbo Station TS-531X-2G) или ПК с сетевой картой SFP+ (например, Synology E10G15-F1).

Второе — технология агрегирования каналов (link aggregation), позволяющая объединить два физических гигабитных сетевых порта в один логический канал с общей пропускной способностью 2 Гбита/с, что позволяет повысить скорость подключения многих моделей сетевых хранилищ или ПК с двумя портами LAN. Соединение должно быть настроено со стороны маршрутизатора и клиентского устройства.

Выигрыш в скорости не такой большой, как при использовании SFP+ (два против десяти гигабитов в секунду), тем не менее с этой технологией совместимо большее количество устройств, к тому же вместо дорогого кабеля SFP+ здесь используется обычный сетевой шнур.

Неожиданные результаты

Для проведения теоретических и практически ориентированных измерений мы выбрали три метода. Во-первых, мы запустили синтетический тест iPerf, который измеряет фактическую полосу пропускания сети в мегабитах в секунду. Во-вторых, мы отправили шесть файлов общим объемом 7,7 Гбайт по протоколу FTP тремя одновременными передачами. Скорость протокола для удобства мы приводим в мегабайтах в секунду. И, наконец, мы измерили скорость отправки на веб-сервер и возвращения с него пакетов данных в миллисекундах — пинг, который важен, например, для онлайн-игр, видеочатов или телефонии. Все измерения мы проводили на трех разных расстояниях.

Поначалу результаты по FTP были гораздо ниже значений iPerf — потолок составлял примерно 60 Мбайт/с. Невысокая скорость записи твердотельного накопителя на одном из тестовых компьютеров задерживала одновременные передачи. Предел гигабитного соединения по витой паре был достигнут только тогда, когда мы перешли на более мощный накопитель. Отсюда вывод: для обмена данными на высоких скоростях нужна не только высокоскоростная сеть, но и высокопроизводительный накопитель.

Высокая производительность сети

Во время начальной настройки тестовой схемы расстояние между маршрутизаторами TP-Link составляло всего несколько сантиметров. Благодаря этому значения и составили около гигабита в секунду. Но из-за этого они же слишком часто резко выпадали, в результате чего производительность в среднем оказалась примерно на пять процентов ниже результатов измерений на двухметровом расстоянии, приведенных в таблице. Когда мы немного увеличили расстояние, соединение стало более стабильным.

Тот факт, что маршрутизатор с поддержкой 802.11ad на расстоянии в два метра и в пределах прямой видимости достигает ровно скорости соединения Gigabit Ethernet, нас мало удивил. Но мы никак не рассчитывали, что скорость и пинг практически не изменятся на расстоянии до восьми метров. Воодушевленные сей находкой, мы нашли новое место расположения на расстоянии в двенадцать метров и в пределах прямой видимости — но, увы, на 60 ГГц царило полное молчание.

На расстоянии в десять метров обнаружилось, что соединение весьма эффективно, но скорость обмена данными сильно колебалась. Колебания вызывали, прежде всего, передвижения по помещению, например, если коллеги переходили через линию сигнала между маршрутизаторами, скорость сразу же могла ненадолго упасть до нуля. На препятствия в виде картона или листов бумаги они не реагировали. Приведенные средние значения мы получили без такого рода помех.

Результаты iPerf на расстоянии десяти метров оказались почти наполовину меньше результатов на восьми метрах. Намного сильнее пострадала передача по протоколу FTP по нестабильному десятиметровому соединению, занявшая почти 23 минуты, — скорость составила всего пять процентов от скорости на восьми метрах. Мы объясняем провал FTP-соединения на расстоянии от восьми до десяти метров резко возросшей частотой появления ошибок, отчего много пакетов данных отправлялись по нескольку раз до тех пор, пока не отправятся без ошибок. Но мы вовсе не ожидали, что факт ослабления сигнала молекулами кислорода так избирательно ограничит дальность действия 802.11ad.

Пинги на расстоянии до восьми метров были не хуже, чем по кабельному соединению с главным маршрутизатором. Это подкрепляет надежды на то, что высокочастотный стандарт отлично подойдет для онлайн-игр и интерактивных сетевых приложений.
Такие же измерения мы повторили для соединения на частоте 5 ГГц (802.11ac) между маршрутизаторами TP-Link. Данные измерений полосы пропускания iPerf были ожидаемы: для сети 5 ГГц результаты оказались чуть ниже, чем для 60 ГГц, но 802.11ac позволяет без дополнительных потерь увеличить расстояние до 12 метров (возможно и больше — на большее нам не хватило места).

Необычными оказались результаты FTP-соединения по 802.11ac — при том же способе измерения, как и для 802.11ad (три одновременные передачи) скорость составила всего лишь 32,2 Мбайт/с. Проверочная проба в виде одной активной передачи (все файлы один за другим) показала, что первые пару сотен мегабайтов каждого файла передавались на скорости примерно 30 Мбайт/с, а потом скорость увеличивалась до 90 Мбайт/с. Таким образом, скорость моста на частоте 5 ГГц в среднем составила всего 34,1 Мбайт/с. 802.11ad, по всей видимости, лучше справляется с параллельной передачей данных, чем 802.11ac. Кроме того, новый стандарт при хорошем соединении быстрее увеличивает скорость обмена данными.

Будущее 802.11ad

Очень жаль, что TP-Link Talon AD7200 из-за ограничений гигабитного кабеля не позволяет промерить полную скорость 802.11ad. Тем не менее сценарии полезного использования маршрутизатора существуют. Например, при работе на ноутбуке, планшете или гибриде с файлами сетевого хранилища (возможно, гигабитного) достигается максимальная скорость — как минимум на коротких расстояниях. И тем более захватывающей может быть работа на Netgear R9000, технологии которого решают проблему предела скорости витой пары и позволяют развернуть инфраструктуру нового рода для обмена данными на высоких скоростях. Первые ноутбуки с поддержкой 802.11ad Acer анонсировала на 2017 год — ими станут TravelMate.

Уже намечается и сфера преимущественного использования нового стандарта. Крохотные антенны, высокая пропускная способность и низкая латентность позволят ему передавать данные на эргономичные беспроводные очки виртуальной реальности. Соединения 802.11ad могут заменить кабель HDMI, например, чтобы облегчить проведение презентаций в офисах. А пока эта захватывающая технология является первым стандартом беспроводной связи, по скорости опережающим старый добрый Gigabit Ethernet.