在WLAN網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，802.11技術(shù)也沒有停止發(fā)展的腳步，2009年802.11n協(xié)議正式標(biāo)準(zhǔn)化，再一次實(shí)現(xiàn)了物理速率的提升，最高物理速率可以達(dá)到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU(報(bào)文聚合)功能充分提高空間媒介的信道利用率，同時(shí)帶來(lái)了WLAN網(wǎng)絡(luò)的信道承載性能的成倍提升。加上未來(lái)隨著新的802.11n芯片和技術(shù)的發(fā)展，450Mbps物理速率的設(shè)備也將被普遍應(yīng)用，WLAN網(wǎng)絡(luò)還會(huì)將迎來(lái)新一輪的騰飛。

一、 物理速率的提升

從宏觀角度，802.11協(xié)議可以分為兩個(gè)主要部分：鏈路層業(yè)務(wù)和物理層傳輸。鏈路層業(yè)務(wù)主要制定了WLAN鏈路協(xié)商的規(guī)則，以及針對(duì)WLAN接入服務(wù)而設(shè)計(jì)的系列功能，例如報(bào)文重傳和確認(rèn)、重復(fù)報(bào)文檢測(cè)、密鑰協(xié)商、加密保護(hù)、漫游等等。而物理層傳輸則實(shí)現(xiàn)WLAN設(shè)備之間的能夠完成信號(hào)的發(fā)送和接收，并致力于不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硭俾省?/p>

802.11協(xié)議族所逐步實(shí)現(xiàn)的物理速率：

·1999年，802.11的基礎(chǔ)協(xié)議完成了WLAN的基本架構(gòu)定義，并定義了兩種調(diào)制模式和速率，為WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率;

·1999年，802.11b協(xié)議直接致力于物理速率的提升，在802.11的基礎(chǔ)上提出了High Rate的概念，通過(guò)調(diào)試模式CCK，將WLAN的最大物理接入速率從2Mbps直接提升到11Mbps;

·1999年，802.11a的問(wèn)世一方面跳出了原來(lái)2.4GHz頻段的限制為WLAN應(yīng)用爭(zhēng)取了更多的空間媒介資源(5GHz的三段頻點(diǎn)，可以提供多達(dá)13個(gè)不重疊的工作信道)，另外一方面則通過(guò)OFDM調(diào)制模式又一次將物理速率提升到了54Mbps。如果單單從數(shù)據(jù)的傳輸速率角度，該物理速率已經(jīng)是一個(gè)驕人的成績(jī)，在當(dāng)時(shí)一定程度上可以和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較和抗衡;

·2003年，OFDM調(diào)制模式引入到2.4GHz推出了802.11g協(xié)議，該協(xié)議在802.11b的基礎(chǔ)上擴(kuò)充支持了OFDM調(diào)制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能夠?qū)崿F(xiàn)54Mbps的物理傳輸速率。802.11g并沒有為WLAN協(xié)議的物理速率的提升，而只是對(duì)于已有技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用;

·2009年，長(zhǎng)達(dá)10年的沉默后802.11n協(xié)議的推出重新對(duì)WLAN物理速率進(jìn)行了一次洗牌，從調(diào)制模式開始、引入了MIMO技術(shù)、實(shí)現(xiàn)了2個(gè)信道的捆綁使用，甚至對(duì)信號(hào)間隔調(diào)整，將WLAN的物理傳輸速率推到了300Mbps，特別在3條流的基礎(chǔ)上可以達(dá)到450Mbps的物理速率。

通過(guò)圖1可以看出，802.11n時(shí)代實(shí)現(xiàn)了WLAN的高速無(wú)線接入，從物理速率上已經(jīng)超出了其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為WLAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了無(wú)限的前景和希望，為WLAN的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 802.11的速率增長(zhǎng)示意

到底哪些技術(shù)促成了此次802.11物理傳輸速率質(zhì)的飛躍?

首先，通過(guò)調(diào)制方式的變化，將基本的物理速率從802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，該速率也是單條流20Mhz頻寬默認(rèn)情況下的最大物理速率。

其次，802.11n提出了MIMO技術(shù)，通過(guò)多條流同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了相同時(shí)間內(nèi)發(fā)送成倍的數(shù)據(jù)，最終將802.11n的物理傳輸速率成倍的提升。例如，在20Mhz頻寬采用800ns GI條件下，兩條流發(fā)送可以將物理速率從65Mbps提升到130Mbps，三條流可以將物理速率從65Mbps提升到195Mbps(如表1所示);

再次，傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬為20MHz，而802.11n協(xié)議可以支持將相鄰兩個(gè)頻寬綁定為40MHz來(lái)一起使用。就是40MHz綁定技術(shù)有效地提高所用頻譜的寬度，將原來(lái)的52個(gè)有效子載波擴(kuò)展到了108個(gè)，將802.11的物理速率提升了2.077倍左右。例如，在一條流800ns GI條件下，信道捆綁可以將物理速率從65Mbps提升到135Mbps(如表1所示);

最后，通過(guò)深層里的挖掘，可以將物理發(fā)送信號(hào)之間的GI從800ns調(diào)整到400ns，802.11n又為物理速率找到了大約1.11倍的提升。

表1給出了802.11n常見的物理速率(指定條件下系統(tǒng)提供的最高物理速率)，并給出幾個(gè)基本物理速率詳細(xì)描述和解釋：

表1. 802.11n常見的物理速率

·65Mbps：為20Mhz模式下單條流的最大物理發(fā)送速率(沒有啟動(dòng)short GI)，一些早期的無(wú)線網(wǎng)卡可能都是一條流的11gn網(wǎng)卡，此類網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)使用一條流，所以能夠達(dá)到的最大物理速率為65Mbps;

·130Mbps：目前主流的11gn的物理速率，由于11gn不重疊信道只有3個(gè)，所以通常采用20Mhz模式而且不應(yīng)用short GI特性，此時(shí)基本的無(wú)線客戶端使用兩條流進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，可以達(dá)到最大物理速率為130Mbps;

·300Mbps：11an不重疊信道相對(duì)11gn比較多，所以在11an模式下可以選擇采用40Mhz模式并可以啟動(dòng)short GI功能，這樣比較主流的11n客戶端使用兩條流發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了300Mbps的最大物理速率。

二、 WLAN性能的同步提升

802.11n技術(shù)帶來(lái)了物理速率的成倍提高，但是單單依靠物理速率的提高能夠同時(shí)帶來(lái)WLAN網(wǎng)絡(luò)性能和吞吐的成倍提升嗎?

802.11協(xié)議定義每發(fā)送一個(gè)報(bào)文都必然進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)，都需要根據(jù)模式添加物理層報(bào)文頭，對(duì)于單播報(bào)文還需要等待物理層的ACK確認(rèn)，等等這些和實(shí)際發(fā)送的報(bào)文一樣都需要消耗信道資源。

在表2中假設(shè)持續(xù)發(fā)送1538bytes大小的單播報(bào)文，在不考慮重傳和錯(cuò)包情況下，來(lái)對(duì)比一下54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率能為WLAN帶來(lái)的理論性能：

表2. 持續(xù)發(fā)送1538字節(jié)報(bào)文的理論性能對(duì)比

通過(guò)表2可以看到，雖然物理速率實(shí)現(xiàn)近6倍的提升，但性能并沒有同比上升。因此如果802.11n僅僅滿足于物理速率，估計(jì)最終只能成為實(shí)驗(yàn)室的擺設(shè)。為了擺脫這個(gè)困境，802.11n協(xié)議必須實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的同步提升，為WLAN應(yīng)用制造出足夠的誘惑力，這個(gè)歷史重任交給了報(bào)文聚合A-MPDU功能。

802.11的任何一個(gè)報(bào)文在物理發(fā)送時(shí)會(huì)被作為一個(gè)MDPU發(fā)送，每一次發(fā)送都必然需要信道競(jìng)爭(zhēng)和避讓，從而消耗信道資源。而報(bào)文聚合A-MPDU通過(guò)將多個(gè)MPDU聚合為一個(gè)物理層報(bào)文，只需要進(jìn)行一次信道競(jìng)爭(zhēng)或避讓，就可完成N個(gè)MPDU的同時(shí)發(fā)送，從而減少了發(fā)送N-1個(gè)MPDU報(bào)文所帶來(lái)的信道資源消耗。通過(guò)報(bào)文聚合特性，充分提高了信道資源的利用率，極大地實(shí)現(xiàn)了802.11網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

下圖為A-MPDU的結(jié)構(gòu)圖，其中MPDU Delimiter是為了A-MPDU而專門定義，另外A-MPDU技術(shù)只會(huì)聚合同一個(gè)客戶端的MPDU：

圖2 報(bào)文聚合結(jié)構(gòu)

在A-MPDU報(bào)文聚合特性，得到了Block ACK功能的強(qiáng)大支持。通常的802.11網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)單播報(bào)文都需要得到目的設(shè)備的ACK確認(rèn)，每一個(gè)ACK都是一個(gè)802.11報(bào)文，都需要消耗信道資源。而Block ACK可以配合A-MDPU特性，對(duì)于整個(gè)A-MDPU中所有的802.11報(bào)文只需要一個(gè)Block ACK報(bào)文，充分減少了信道資源的消耗。

通過(guò)下面WLAN性能的理論分析(如圖3、4、5、6)，可以看出802.11的A-MPDU報(bào)文聚合為WLAN網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了極大的性能提升(分析中，假設(shè)每一個(gè)802.11報(bào)文都為1534bytes)：

圖3 20MHZ聚合報(bào)文數(shù)和性能關(guān)系

圖4 20MHZ聚合報(bào)文數(shù)和信道利用率關(guān)系

圖5 40MHZ聚合報(bào)文數(shù)和性能關(guān)系

圖6 40MHZ聚合報(bào)文數(shù)和信道利用率關(guān)系

至此可以了解，雖然802.11n的物理速率實(shí)現(xiàn)了接近6倍的提升，卻沒有為WLAN性能帶來(lái)大的提升，但是卻通過(guò)A-MPDU報(bào)文聚合將WLAN性能提升了6倍多，最終實(shí)現(xiàn)了WLAN網(wǎng)絡(luò)物理傳輸速率和性能的同步提升，將WLAN應(yīng)用帶到了一個(gè)高速接入的時(shí)代。

三、 WLAN接入業(yè)務(wù)應(yīng)用感受

802.11n技術(shù)將WLAN網(wǎng)絡(luò)帶到了一個(gè)高速時(shí)代，一個(gè)11N的網(wǎng)絡(luò)的理論性能整體要高于同等條件下11G的WLAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際的應(yīng)用效果肯定會(huì)得到一定的改善。

通過(guò)對(duì)常用的網(wǎng)絡(luò)工具，及對(duì)校園網(wǎng)流量的抓包分析發(fā)現(xiàn)：在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)流量中大部分的報(bào)文并不是我們期待的1500Bytes的報(bào)文，而偏偏都是小于100Bytes的小報(bào)文，而100字節(jié)報(bào)文的性能要比1500bytes字節(jié)的報(bào)文的性能差得遠(yuǎn)。通過(guò)多次分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的大小報(bào)文可以參考下面的經(jīng)驗(yàn)(如表3所示)：

表3. 報(bào)文大小分類統(tǒng)計(jì)

報(bào)文大小分類統(tǒng)計(jì)在這樣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用條件下，一個(gè)11a或者11g的WLAN網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)信道，即使在干凈的環(huán)境條件下，也只能夠支撐的如下數(shù)據(jù)傳輸性能(如表4所示)：

表4. 非11N網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析

非11n網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析看到這里也許會(huì)考慮11n網(wǎng)絡(luò)的A-MPDU報(bào)文聚合將WLAN的性能帶到了一個(gè)新的高度，整體的應(yīng)用性能應(yīng)該會(huì)有非常大的改善。但是，所有性能的分析和測(cè)試都是在盡可能發(fā)送大的數(shù)據(jù)報(bào)文的前提下獲取的，只能在一定程度上體現(xiàn)出對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支持能力。具體11n網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用情況又會(huì)怎樣?下面以H3C公司自身應(yīng)用為例(如表5所示)，統(tǒng)計(jì)WLAN網(wǎng)絡(luò)所有11n客戶端報(bào)文聚合情況(目前按照聚合報(bào)文的個(gè)數(shù)直接映射到參考的報(bào)文大小)：

表5. H3C公司W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)所有11n客戶端報(bào)文聚合情況的統(tǒng)計(jì)

從11n客戶端的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)看，一般的報(bào)文聚合個(gè)數(shù)集中在3-4個(gè)左右，也就是說(shuō)在此網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)40Mhz捆綁信道的最好的性能可能只能達(dá)到60Mbps左右。這個(gè)分析還是考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是11n客戶端的情況，如果網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在11a或者11g的客戶端則總的性能肯定要遠(yuǎn)小于這個(gè)性能。

也可以想象實(shí)際11n網(wǎng)絡(luò)，其聚合能力也應(yīng)該和上面的統(tǒng)計(jì)相當(dāng)基本相當(dāng)，而且對(duì)于11a和11g的兼容、干擾和沖突的存在，以及其他非有效報(bào)文的信道消耗，實(shí)際的信道性能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于60Mbps。

為了更好的理解網(wǎng)絡(luò)的性能，可以將11n網(wǎng)絡(luò)中的A-MPDU報(bào)文聚合的情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。針對(duì)11gn的網(wǎng)絡(luò)(20MHz應(yīng)用)完成如下三種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況下的信道實(shí)際應(yīng)用性能，整體表現(xiàn)而言，11n技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中相對(duì)于11g可能帶來(lái)WLAN信道性能2-3倍的提升(如表6所示)

表6. 11n網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能分析

四、 影響和制約WLAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素

但是，無(wú)論速率和性能如何發(fā)展，802.11自身的特點(diǎn)極大的制約和影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，使得實(shí)際的感受并不能達(dá)到理論的期望。

例如，在一個(gè)固定的位置，信道媒介的空間資源就是100%，所有的WLAN設(shè)備、任何的WLAN報(bào)文都會(huì)消耗這個(gè)資源，非業(yè)務(wù)報(bào)文消耗的信道越多，整體的網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)下降，在一定程度上也會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行：

·任何的一臺(tái)AP如果要提供WLAN接入服務(wù)，都需要定期發(fā)送Beacon報(bào)文，默認(rèn)情況下每一個(gè)AP的一個(gè)接入服務(wù)一秒鐘需要發(fā)送10個(gè)beacon報(bào)文;

·無(wú)線客戶端無(wú)論是否接入到WLAN網(wǎng)絡(luò)中，都會(huì)定期發(fā)送probe request報(bào)文請(qǐng)求周圍的無(wú)線服務(wù);

·通常情況下，AP收到probe request請(qǐng)求報(bào)文都需要回應(yīng)對(duì)應(yīng)的probe response報(bào)文，而且如果一個(gè)AP有多個(gè)無(wú)線接入服務(wù)則需要發(fā)送多個(gè)probe response報(bào)文;

·而所有的這些管理報(bào)文，都需要使用強(qiáng)制速率發(fā)送，而且通常需要使用最低物理速率發(fā)送;

·如果一個(gè)環(huán)境中AP數(shù)量比較多，無(wú)線客戶端數(shù)量非常多，這些非業(yè)務(wù)的管理報(bào)文就可能會(huì)消耗5%-20%的信道資源。

再如， WLAN網(wǎng)絡(luò)為無(wú)線客戶端提供了隨時(shí)隨地的便捷，同時(shí)也必須承接不同信號(hào)強(qiáng)度的客戶端的接入。WLAN協(xié)議認(rèn)為，低速率發(fā)送報(bào)文時(shí)攜帶的信息要比高速率少，所以發(fā)送成功的概率就會(huì)高。所以當(dāng)無(wú)線客戶端的信號(hào)強(qiáng)度比較低時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送通常會(huì)使用較低的物理速率發(fā)送，這樣會(huì)使得整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能下降。

以下是一個(gè)校園網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線客戶端的情況分析(如表7和表8所示)，該網(wǎng)絡(luò)中有30%的用戶的信號(hào)強(qiáng)度低于25，而AP有一半的報(bào)文發(fā)送的物理速率達(dá)不到最大物理速率的60%，按照粗略評(píng)估由于這個(gè)因素帶來(lái)的性能的降低超過(guò)40%。

表7. 無(wú)線客戶端信號(hào)強(qiáng)度情況分析

表8. 報(bào)文發(fā)送速率分析

在WLAN網(wǎng)絡(luò)的部署、優(yōu)化和分析中，可以確定以下的環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)等因素都會(huì)制約著整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能和實(shí)際感受：

·在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可能存在多個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)，所有的這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上共享一個(gè)信道資源和性能;

·實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)信道中眾多的WLAN設(shè)備會(huì)造成沖突避免效果減弱，而有可能演變成干擾和沖突，導(dǎo)致報(bào)文的重傳和丟棄，造成無(wú)謂的信道資源消耗，降低整個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)的性能;

·AP設(shè)備和無(wú)線終端隨意的位置會(huì)帶來(lái)眾多的隱藏節(jié)點(diǎn)，同樣會(huì)帶來(lái)沖突和干擾，造成信道資源消耗，降低網(wǎng)絡(luò)性能;

·眾多的無(wú)線終端和AP，為了完成WLAN服務(wù)的發(fā)現(xiàn)，會(huì)帶來(lái)信道中出現(xiàn)大量的管理報(bào)文，這些報(bào)文通常按照較低的物理速率發(fā)送，需要消耗信道資源;

·網(wǎng)絡(luò)中始終充斥著大量的廣播報(bào)文，所有的廣播報(bào)文通常按照較低的物理速率發(fā)送，需要消耗信道資源;

·WLAN的物理速率不是固定的，而是一個(gè)速率集合，一個(gè)報(bào)文可以使用這個(gè)速率集合的任何速率發(fā)送，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，，一個(gè)比較好的網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)強(qiáng)度非常好的客戶端若能夠有60%之上的報(bào)文采用高速率發(fā)送已經(jīng)是非常理想;

·默認(rèn)大部分的AP設(shè)備不會(huì)控制WLAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋邊緣地帶的客戶端接入，這些客戶端的信號(hào)強(qiáng)度非常低，會(huì)造成大部分甚至超過(guò)70%的報(bào)文都會(huì)按照較低的物理速率進(jìn)行發(fā)送。

五、 結(jié)束語(yǔ)

802.11技術(shù)的發(fā)展整體提升了WLAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能，會(huì)極大地提升實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用的感受。但是還需要謹(jǐn)慎的理解到實(shí)際WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的復(fù)雜性，各種意想不到的環(huán)境、因素和干擾同時(shí)作用和影響，可能使得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用效果和理論性能存在較大的偏差，而且這些原因往往撲朔迷離、難于分析和量化。所以，在實(shí)際的WLAN網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用中，需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需求和流量的變化而長(zhǎng)期不斷地進(jìn)行優(yōu)化。