Wi-Fi網(wǎng)絡工作原理

　　根據(jù)IEEE802.11-2016標準，Wi-Fi網(wǎng)絡主要采用了分布式協(xié)作功能（DCF）架構，通過載波監(jiān)聽/沖突避免（CSMA/CA）機制在Wi-Fi設備之間實現(xiàn)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(jù)CSMA/CA協(xié)議，每一個Wi-Fi設備（無論是AP還是終端）在發(fā)送數(shù)據(jù)前必須對通信媒體進行監(jiān)聽，根據(jù)監(jiān)聽結果判斷該媒體是否處于Busy狀態(tài)。如果是Busy狀態(tài)，則需要繼續(xù)等待；如果是空閑狀態(tài)，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(tài)，則Wi-Fi設備獲取到發(fā)送機會（TXOP），通過通信媒體開始發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)報文（管理幀、數(shù)據(jù)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(wǎng)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?？梢约僭O每個終端都能獲得足夠好的信噪比，以保證終端的關聯(lián)速率保持穩(wěn)定。此時，對Wi-Fi網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)并不會產(chǎn)生沖突；最后，802.11沖突域的范圍是動態(tài)變化的，與正在占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fā)送數(shù)據(jù)的時間）的，所有Wi-Fi設備必須在信道處于空閑狀態(tài)，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(fā)送數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)所需消耗的時間，很大程度決定了Wi-Fi網(wǎng)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(shù)據(jù)所需消耗的時間與傳輸速率成反比。在Wi-Fi環(huán)境下，網(wǎng)絡中傳輸?shù)膸ü芾韼⒖刂茙蛿?shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)參數(shù)進行調整到24Mbps，以減少低速率幀對網(wǎng)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(shù)據(jù)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(fā)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(tài)，所以可以提升空口效率，達到性能優(yōu)化的目的。

　　除了傳輸速率，802.11數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的傳輸性能。Wi-Fi網(wǎng)絡上每一次發(fā)送機會（TXOP）并非是僅僅發(fā)送某個單一報文，而是由一系列連續(xù)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(shù)據(jù)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(yè)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(jié)、14字節(jié)和32字節(jié)，并且每一幀都有一個長度為20us的傳統(tǒng)前導幀（LegacyPreamble），根據(jù)802.11標準，傳統(tǒng)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(shù)據(jù)，同時也包含相應的傳統(tǒng)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(shù)據(jù)則采用實際連接速率，隨著數(shù)據(jù)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(fā)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(jié)報文與90字節(jié)報文相比，其空口效率要高出很多。因此，針對802.11網(wǎng)絡，報文的構成從以下兩個方面對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生重大影響：

　　802.11數(shù)據(jù)幀的負載越大，用于傳輸真實數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀低很多，因此管理幀和控制幀數(shù)量越少、速率越高，網(wǎng)絡的空口效率就越高。

　　多終端接入的性能影響

　　在802.11網(wǎng)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，這個現(xiàn)象的發(fā)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(shù)據(jù)可得，如果以只有一個終端時的系統(tǒng)吞吐量作為參照，則無論終端類型為1x1、2x2或者3x3，當并發(fā)終端數(shù)量在25個時，系統(tǒng)吞吐量僅下降5%～10%；當并發(fā)終端數(shù)量在50個時，系統(tǒng)吞吐量下降大約10%～30%；當并發(fā)終端數(shù)量達到100個時，系統(tǒng)吞吐量下降高達50%～60%。

　　從理論上分析，導致這一現(xiàn)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(fā)終端數(shù)量環(huán)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(huán)境下系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。從圖4中可以看到，隨著并發(fā)終端的增加，射頻重傳比例基本保持穩(wěn)定，并未出現(xiàn)明顯的同步增長，因此并非系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)量并未明顯增加，因此自適應的速率調節(jié)也不是系統(tǒng)吞吐量下降的可能原因。

　　3.系統(tǒng)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(fā)終端數(shù)量變化前后系統(tǒng)的TCP和UDP性能，可以發(fā)現(xiàn)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(fā)終端的增加，MAC層的幀構成發(fā)生了重大變化，這才是導致系統(tǒng)吞吐量下降的主要原因。

　　如圖7所示，隨著并發(fā)終端數(shù)量從1增加到100，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)幀數(shù)量減少了34%，而與此同時，控制幀數(shù)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(jié)的幀數(shù)量從32K增長到107K，大約3倍多的比例。根據(jù)前面的研究，報文負載越小，射頻空口的效率就越低，網(wǎng)絡吞吐量越差；反之亦然。因此，網(wǎng)絡中傳輸?shù)亩虉笪臄?shù)量大幅增加嚴重拉低了系統(tǒng)的吞吐量性能。對控制幀的進一步分析發(fā)現(xiàn)：

　　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(shù)量也在同步快速增加；

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

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

　　隨著終端數(shù)量的增長，由于每個終端都會經(jīng)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(fā)終端數(shù)量的增加，網(wǎng)絡中的MAC幀構成會發(fā)生相當大的變化，主要體現(xiàn)在控制幀數(shù)量的增加和數(shù)據(jù)幀數(shù)量的減少。這兩個變化，導致了更多的發(fā)送機會（TXOP），但是其中真正用于傳輸有用數(shù)據(jù)的卻不多，因此導致了高密度環(huán)境下的Wi-Fi性能快速下降。

　　多終端接入的優(yōu)化

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

　　通過合理的信道和功率規(guī)劃，以及網(wǎng)絡設備的射頻優(yōu)化功能，降低每個信道的并發(fā)終端數(shù)量；

　　盡量減少不必要的網(wǎng)絡發(fā)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?shù)恼{節(jié)下，盡量提高管理幀、控制幀和數(shù)據(jù)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(yōu)化過的高密度無線網(wǎng)絡區(qū)域能大幅度提高用戶使用體驗。

　　本文對無線網(wǎng)在高密度多終端接入環(huán)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(yōu)化方向。在無線網(wǎng)絡覆蓋密度不斷增加的趨勢下，通過這些具體優(yōu)化方向可以對不同多終端接入環(huán)境下的Wi-Fi性能作針對性地優(yōu)化調整，從而能大幅度提高優(yōu)化區(qū)域Wi-Fi性能，給用戶帶來更好的無線體驗。