WLAN的性能極限問題源于協(xié)議效率

在一次不常見到的使用三家廠商設(shè)備的大規(guī)模WLAN壓力測試中，測試人員發(fā)現(xiàn)，隨著WLAN規(guī)模和流量的增加，許多WLAN都可能遇到性能極限，問題不在于廠商的設(shè)備，而在于802.11協(xié)議的設(shè)計(jì)。

問題源于協(xié)議效率

設(shè)計(jì)和操作這次測試的是一家名叫Novarum的咨詢公司。該測試證實(shí)了在高密度網(wǎng)絡(luò)下存在的兩個(gè)麻煩問題：首先，接入點(diǎn)之間相同信道的無線干擾會(huì)大大降低WLAN的總吞吐量;其次，常規(guī)的控制器+瘦接入點(diǎn)架構(gòu)不能隨著某一區(qū)域中的接入點(diǎn)數(shù)量的增加很好地?cái)U(kuò)展。

根據(jù)Novarum的報(bào)告，這些問題的出現(xiàn)與802.11媒體訪問控制（MAC）層的設(shè)計(jì)、處理確認(rèn)和重傳的方法，以及在持續(xù)的高流量負(fù)載下的問題處理有關(guān)。在目前很多WLAN產(chǎn)品以及利用這些產(chǎn)品建立的WLAN中，由于網(wǎng)絡(luò)中的無線客戶端數(shù)量比較少，并且它們的傳輸流主要由少量的和突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸流構(gòu)成，因此這種協(xié)議上的低效率并不會(huì)存在問題。

基于802.11n的高吞吐量WLAN（尤其當(dāng)運(yùn)行在5GHz信道時(shí)）將會(huì)部分減輕這些問題的影響，但也不能完全消除。11n只是可以提供更大的“數(shù)據(jù)管道”，從而在高密度WLAN中達(dá)到網(wǎng)絡(luò)超載需要更多的流量而已。但由于11n更高的吞吐量，企業(yè)將尋求利用它做更多的事情（如傳送語音和視頻等），同樣容易造成網(wǎng)絡(luò)的超載。

Novarum公司共同創(chuàng)建人PhilBelanger說：“如果不著手解決共信道干擾和對接入點(diǎn)協(xié)作的需要，將給支持無線語音和視頻的協(xié)議造成更大的壓力?！?/p>

測試環(huán)境力求真實(shí)

2007年秋季，Novarum公司這次不同尋常（出于實(shí)際部署的接入點(diǎn)和客戶端數(shù)量）的測試在美國Sunnyvale市一個(gè)空閑的二層樓辦公室（約為20000平方英尺）里進(jìn)行，而通常的WLAN測試只是在一個(gè)類似實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中部署一臺接入點(diǎn)和十來臺客戶端而已。

在這次測試中，Novarum動(dòng)用了72臺帶有無線網(wǎng)卡的筆記本電腦和54部無線VoIP手機(jī)，通過15臺接入點(diǎn)（隨后使用10臺接入點(diǎn)）連接在典型的辦公WLAN上。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則分別使用來自ArubaNetworks、思科和MeruNetworks的無線控制器和接入點(diǎn)（Aruba800控制器+AP 70;思科4402控制器+AP 1242;Meru MC3000控制器+AP 208）構(gòu)建。

測試一共進(jìn)行了7次，在多數(shù)情況下都是先使用15臺接入點(diǎn)，然后使用10臺接入點(diǎn)。接入點(diǎn)配備802.11a/b/g設(shè)備，但Novarum只進(jìn)行2.4GHz頻段上的11g測試。一次測試是純數(shù)據(jù)的，使用了72臺筆記本電腦;其余測試則是語音傳輸，分別進(jìn)行24、48和72個(gè)模擬VoIP通話。還有兩次測試為語音和數(shù)據(jù)混合測試，一次為測試WLAN可以支持多少VoIP手機(jī)的同時(shí)呼叫。Belanger表示，壓力測試本意不是廠商設(shè)備的產(chǎn)品測評，雖然它們有著類似的出發(fā)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)測試結(jié)果不夠理想

關(guān)于測試結(jié)果，Belanger介紹說：“測試結(jié)果似乎出現(xiàn)門檻，超過這個(gè)門檻后，WLAN系統(tǒng)表現(xiàn)不佳。負(fù)載越大，出現(xiàn)的錯(cuò)誤就越多，從而導(dǎo)致更多的重傳，這反過來又加大了負(fù)載……”

不同品牌的WLAN設(shè)備根據(jù)它們使用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類型，以不同方式處理這種螺旋效應(yīng)。Aruba和思科采用Belanger稱之為“微蜂窩”的架構(gòu)——連接在中央控制器上的精簡型接入點(diǎn)。鄰近的接入點(diǎn)運(yùn)行在獨(dú)立的信道上，并且存在一些覆蓋重疊，以便為移動(dòng)客戶端提供無縫的覆蓋和漫游。這種模型為當(dāng)今大多數(shù)WLAN廠商所采用。

相比之下，Meru可以將相鄰接入點(diǎn)設(shè)置為運(yùn)行在一個(gè)信道上，并對其“空中”行為進(jìn)行更多的控制。據(jù)Belanger說，Meru控制器可以看到每臺接入點(diǎn)上的每個(gè)相關(guān)聯(lián)客戶端的傳送隊(duì)列，可以分配接入點(diǎn)用于每臺客戶端的時(shí)間。Meru設(shè)備沒有自己嘗試擠進(jìn)傳輸“大門”，而是耐心等著輪到自己，因此吞吐量比較穩(wěn)定。

另一家廠商Extricom采取相類似的方式，將4個(gè)無線電裝置放在一臺設(shè)備中，但在其控制器中運(yùn)行整個(gè)802.11的MAC層。這種接入點(diǎn)只有無線電裝置和天線，甚至缺少CPU。Extricom聲稱，這是為了消除相同信道干擾，并在每個(gè)包的基礎(chǔ)上更好地管理客戶端的無線連接性。

在使用72臺筆記本電腦和15臺接入點(diǎn)的純數(shù)據(jù)測試中，思科和Aruba所提供的總吞吐量還不到50Mbps。換句話說，在全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每臺客戶端只得到平均不到1Mpbs的吞吐量，而人們的預(yù)期是每臺接入點(diǎn)20Mbps吞吐量或15臺接入點(diǎn)300Mbps總吞吐量這樣的結(jié)果。

但是，當(dāng)接入點(diǎn)數(shù)量減少到10臺時(shí)，吞吐量卻大大增加。在Aruba的案例中，吞吐量增加近40%，由47Mbps增加到64Mbps。報(bào)告說：“更多的接入點(diǎn)允許更多的同時(shí)傳輸，這就造成更多的干擾，降低了這些系統(tǒng)的性能?！?/p>

在Meru的實(shí)驗(yàn)中，辦公室為5臺接入點(diǎn)所覆蓋（這些接入點(diǎn)都運(yùn)行在2.4GHz頻段其中一個(gè)信道上），另兩組接入點(diǎn)（每組5臺接入點(diǎn)）被添加到同樣的位置，每組接入點(diǎn)各使用余下的兩個(gè)信道中的一個(gè)，所有接入點(diǎn)都以最大功率設(shè)置運(yùn)行。測試結(jié)果顯示，Meru可提供100Mbps的系統(tǒng)吞吐量，是思科和Aruba吞吐量的兩倍以上。有趣的是，當(dāng)Novarum將接入點(diǎn)數(shù)量減少到10臺設(shè)備時(shí)，Meru的總吞吐量降到了60Mbps。

Novarum的報(bào)告總結(jié)說：來自相鄰AP的相同信道干擾似乎對微蜂窩系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響。802.11無線電的干擾范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了有效的通信距離——在持續(xù)的高負(fù)載下，這種干擾變成了一個(gè)影響因素。而在這些高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的某些點(diǎn)上，如果使用Aruba和思科的接入點(diǎn)，有30%到40%的數(shù)據(jù)包要進(jìn)行重新傳輸，而使用Meru接入點(diǎn)的重傳數(shù)量則少得多。

語音呼叫也遇到極限

而在語音測試當(dāng)中，Novarum發(fā)現(xiàn)Meru架構(gòu)能夠在總體上提供更好的語音支持——可處理更多的同時(shí)呼叫（Meru在語音測試中沒有遇到上限）并提供收費(fèi)質(zhì)量的語音。在使用10臺思科接入點(diǎn)時(shí)，思科WLAN能夠處理大約24個(gè)VoIP呼叫。在處理48個(gè)或更多的模擬呼叫時(shí)，思科不能提供收費(fèi)質(zhì)量。當(dāng)測試真正的手機(jī)時(shí)，思科基礎(chǔ)設(shè)施似乎在26或28個(gè)同時(shí)呼叫時(shí)達(dá)到了極限。

在報(bào)告的附錄中，Belanger這樣寫道：“我所看到的問題與802.11MAC層協(xié)議相關(guān)，在使用很多接入點(diǎn)和持續(xù)的高負(fù)載時(shí)，這些系統(tǒng)非常容易出現(xiàn)不穩(wěn)定行為。Aruba和思科系統(tǒng)沒有出現(xiàn)任何故障。它們只是選擇了不解決這個(gè)問題。”

目前，來自IEEE的兩個(gè)802.11工作小組11k和11t正致力于解決這個(gè)問題（至少是部分解決），方法是對接入點(diǎn)無線電設(shè)備（一定程度上對客戶端無線電設(shè)備）進(jìn)行更多控制。目前這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中。