80211网络性能解析

802.11网络性能解析在WLAN网络广泛应用的同时，802.11技术也没有停止发展的脚步，2009年802.11n协议正式标准化，再一次实现了物理速率的提升，最高物理速率可以达到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU（报文聚合）功能充分提高空间媒介的信道利用率，同时带来了WLAN网络的信道承载性能的成倍提升。未来随着新的802.11n芯片和技术的发展，450Mbps物理速率的设备也将被普遍应用，WLAN网络又将迎来新一轮的腾飞。一、物理速率的提升从宏观角度，802.11协议可以分为两个主要部分：链路层业务和物理层传输。链路层业务主要制定了WLAN链路协商的规则，以及针对WLAN接入服务而设计的系列功能，例如报文重传和确认、重复报文检测、密钥协商、加密保护、漫游等等。而物理层传输则实现WLAN设备之间的能够完成信号的发送和接收，并致力于不断提高数据传输的物理速率。下面给出802.11协议族所逐步实现的物理速率：-1999年，802.11的基础协议完成了WLAN的基本架构定义，并定义了两种调制模式和速率，为WLAN提供了1Mbps和2Mbps的物理接入速率；-1999年，802.11b协议直接致力于物理速率的提升，在802.11的基础上提出了“HighRate”的概念，通过调试模式CCK，将WLAN的最大物理接入速率从2Mbps直接提升到11Mbps；-1999年，802.11a的问世一方面跳出了原来2.4GHz频段的限制为WLAN应用争取了更多的空间媒介资源（5GHz的三段频点，可以提供多达13个不重叠的工作信道），另外一方面则通过OFDM调制模式又一次将物理速率提升到了54Mbps。如果单单从数据的传输速率角度，该物理速率已经是一个骄人的成绩，在当时一定程度上可以和以太网网络进行比较和抗衡；-2003年，OFDM调制模式引入到2.4GHz推出了802.11g协议，该协议在802.11b的基础上扩充支持了OFDM调制模式，使得WLAN在2.4GHz上也能够实现54Mbps的物理传输速率。802.11g并没有为WLAN协议的物理速率的提升，而只是对于已有技术的扩展应用；-2009年，长达10年的沉默后802.11n协议的推出重新对WLAN物理速率进行了一次洗牌，从调制模式开始、引入了MIMO技术、实现了2个信道的捆绑使用，甚至对信号间隔调整，将WLAN的物理传输速率推到了300Mbps，特别在3条流的基础上可以达到450Mbps的物理速率。

通过图1可以看出，802.11n时代实现了WLAN的高速无线接入，从物理速率上已经超出了其他无线网络，为WLAN无线网络的广泛应用带来了无限的前景和希望，为WLAN的长远发展奠定了坚实的基础。图1802.11的速率增长示意到底哪些技术促成了此次802.11物理传输速率质的飞跃？首先，通过调制方式的变化，将基本的物理速率从802.11a和802.11g的最高54Mbps提高到了65Mbps，该速率也是单条流20Mhz频宽默认情况下的最大物理速率。图2为802.11n-2009协议的一个物理速率，其中“800nsGI”对应的一列的物理速率就是802.11n协议调制模式定义的基本速率：Table-20-29—MCS metersFormaradaloiy20MHi,N婪=1.Nes*■1ladltf5JtEhaiarate(3iIbA)soa时gi叫wGl(wrXOTEjQBPSX121覆4522(氏$721QKK123i1045?15.014JQPSK342324无19.5J1716QWJ.2J51i20S26.0i攸AM3/44宅i溯150J9jO妇35心心23652i地57.8«4-QA：J3405：i3IZ5S.5的U"AMW§4nz240削aNOTE—SupporTflf-lWasOir.opciotuica a皿图2802.11的速率增长示意其次，802.11n提出了MIMO技术，通过多条流同时发送数据，实现了相同时间内发送成倍的数据，最终将802.11n的物理传输速率成倍的提升。例如，在20Mhz频宽采用800nsGI条件下，两条流发送可以将物理速率从65Mbps提升到130Mbps，三条流可以将物理速率从65Mbps提升到195Mbps；再次，传统802.11a/g使用的频宽为20MHz，而802.11n协议可以支持将相邻两个频宽绑定为40MHz来一起使用。就是40MHz绑定技术有效地提高所用频谱的宽度，将原来的52个有效子载波扩展到了108个，将802.11的物理速率提升了2.077倍左右。例如，在一条流800nsGI条件下，信道捆绑可以将物理速率从65Mbps提升到135Mbps；最后，通过深层里的挖掘，可以将物理发送信号之间的GI从800ns调整到400ns，802.11n又为物理速率找到了大约1.11倍的提升。图3给出了802.11n常见的物理速率（指定条件下系统提供的最高物理速率），并给出几个基本物理速率详细描述和解释：分类1条流1条潦、Sj：ort012条流2条流、ShortGI3条流朦流、ShortGI20Mhz65.072.2130.0144.4195.0216.740Mhz135.0150.0270.0300.0405.0450.0图3802.11n常见物理速率及相关参数65Mbps：为20Mhz模式下单条流的最大物理发送速率（没有启动shortGI），一些早期的无线网卡可能都是一条流的11gn网卡，此类网卡数据发送时使用一条流，所以能够达到的最大物理速率为65Mbps；130Mbps：目前主流的11gn的物理速率，由于11gn不重叠信道只有3个，所以通常采用20Mhz模式而且不应用shortGI特性，此时基本的无线客户端使用两条流进行数据发送，可以达到最大物理速率为130Mbps；300Mbps：11an不重叠信道相对11gn比较多，所以在11an模式下可以选择采用40Mhz模式并可以启动shortGI功能，这样比较主流的11n客户端使用两条流发送数据，实现了300Mbps的最大物理速率。二、WLAN接入业务应用感受802.11n技术将WLAN网络带到了一个高速时代，一个11N的网络的理论性能整体要高于同等条件下11G的WLAN网络，实际的应用效果肯定会得到一定的改善。通过对常用的网络工具，及对校园网流量的抓包分析发现：在实际的网络流量中大部分的报文并不是我们期待的1500Bytes的报文，而偏偏都是小于

100Bytes的小报文，而100字节报文的性能要比1500bytes字节的报文的性能差得远。通过多次分析发现实际网络中的大小报文可以参考下面的经验（如图4所示）：报文统计大小88Bytes512Bytes1538Bytes说明报文大小＜8888＜报文大小＜10241024＜报文大小比例60%12%28%图4校园网报文大小分布情况在这样的网络应用条件下，一个11a或者11g的WLAN网络中一个信道，即使在干净的环境条件下，也只能够支撑的如下数据传输性能（如图5所示）：802.11b802.11g802.11a物理层最大速率11Mbps54Mbps54Mbps理论最大传输速率（1538Byte报文）7.9Mbps35Mbps35Mbps88Bytes报文性能1.5Mbps4.5Mbps4.5Mbps512Bytes报文性能5Mbps21Mbps21Mbps综合实际应用性能（信道性能）3.71Mbps15.02Mbps15.02Mbps图5802.11实际性能情况11N网络的A-MPDU报文聚合将WLAN的性能带到了一个新的高度（参见上一期《报文聚合对802.11n性能的影响》），整体的应用性能应该会有非常大的改善。但是，所有性能的分析和测试都是在尽可能发送大的数据报文的前提下获取的，只能在一定程度上体现出对业务应用的支持能力。为了更好的理解网络的性能，可以将11N网络中的A-MPDU报文聚合的情况进行分类统计。针对11GN的网络（20MHz应用）完成如下三种网络应用情况下的信道实际应用性能，整体表现而言，11N技术在实际应用中相对于11G可能带来WLAN信道性能2-3倍的提升（如图6所示）纯11N网络混合11N网络(11g:11N=1:1)混合11N网络(11g:11N=2:8)物理层最大速率145M145M/54M145M/54M综合实际应用性能（信道性能）55.2M31.9M44.8M按照80%干扰计算应用性能45.6M25.5M35.8M图6三种网络应用情况下的实际性能三、影响和制约WLAN网络实际应用的因素但是，无论速率和性能如何发展，802.11自身的特点极大的制约和影响着整个网络的实际应用，使得实际的感受并不能达到理论的期望。例如，在一个固定的位置，信道媒介的空间资源就是100%，所有的WLAN设备、任何的WLAN报文都会消耗这个资源，非业务报文消耗的信道越多，整体的网络的性能就会下降，在一定程度上也会影响到网络的稳定运行：-任何的一台AP如果要提供WLAN接入服务，都需要定期发送Beacon报文，默认情况下每一个AP的一个接入服务一秒钟需要发送10个beacon报文；•无线客户端无论是否接入到WLAN网络中，都会定期发送proberequest报文请求周围的无线服务；•通常情况下，AP收到proberequest请求报文都需要回应对应的proberesponse报文，而且如果一个AP有多个无线接入服务则需要发送多个proberesponse报文；•而所有的这些管理报文，都需要使用强制速率发送，而且通常需要使用最低物理速率发送；•如果一个环境中AP数量比较多，无线客户端数量非常多，这些非业务的管理报文就可能会消耗5%-20%的信道资源。再如，WLAN网络为无线客户端提供了随时随地的便捷，同时也必须承接不同信号强度的客户端的接入。WLAN协议认为，低速率发送报文时携带的信息要比高速率少，所以发送成功的概率就会高。所以当无线客户端的信号强度比较低时，数据报文的发送通常会使用较低的物理速率发送，这样会使得整个WLAN网络的性能下降。以下是一个校园网络中的无线客户端的情况分析，该网络中有30%的用户的信号强度低于25,而AP有一半的报文发送的物理速率达不到最大物理速率的60%，按照粗略评估由于这个因素带来的性能的降低超过40%。ClientSigulAiifl就Ch楠L呻螂I眼疏3Propaitiati(^)RSSIs1Q010247710152187152554116HSSIedO25如1325如皓娜I40100100530血1APTbC血itRansmitRntiCh55浙Lo^PeicoitSitEtlCSPmpoitiim负)l.IhclflssfKitimisbasedontlwAPtrraiifatfttccKtMiotoinn呻p血drate.2.FarcKan5)le,llgint618航就M琲(18㈣，ToMa成血<=20020?142120丈TciMikR血<=40204024?740*TciMikE血s6(4060243760<ToMisEate<=8(608033210即<TqMikE也80100180054Eid图7校园网无线客户端情况分析在WLAN网络的部署、优化和分析中，可以确定以下的环境和网络等因素都会制约着整个WLAN网络的应用性能和实际感受：-在实际网络环境中，可能存在多个WLAN网络，所有的这些网络实际上共享一个信道资源和性能；-实际应用中，一个信道中众多的WLAN设备会造成冲突避免效果减弱，而有可能演变成干扰和冲突，导致报文的重传和丢弃，造成无谓的信道资源消耗，降低整个WLAN网络的性能；-AP设备和无线终端随意的位置会带来众多的隐藏节点，同样会带来冲突和十扰，造成信道资源消耗，降低网络性能；-众多的无线终端和AP，为了完成WLAN服务的发现，会带来信道中出现大量的管理报文，这些报文通常按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源；-网络中始终充斥着大量的广播报文，所有的广播报文通常按照较低的物理速率发送，需要消耗信道资源；-WLAN的物理速率不是固定的，而是一个速率集合，一个报文可以使用这个速率集合的任何速率发送，根据经验，，一个比较好的网络中，信号强度非常好的客户端若能够有60%之上的报文采用高速率发送已经是非常理想；-默