Je čas na 802.11n – test AirLive WN-5000

2. 10. 2007

802.11n a MIMO pro bezdrátovou budoucnost

Není tajemstvím, že bezdrátové Wi-Fi sítě specifikované normami IEEE 802.11a/b/g jsou ve srovnání s pevnými sítě velmi pomalé. Na jedné straně tyto nedostatky kompenzují například volností pohybu nebo snadnou výstavbou sítě, ovšem pokud přestává stačit kapacita a/nebo propustnost takové sítě, nedokáží uživatelé tyto výhody patřičně ocenit.

Problémem je realizace samotného provozu v bezdrátové síti. Na první pohled udávané rychlosti jednotlivých standardů vypadají velmi lákavě – především v případě IEEE 802.11g vypadá udávaných 54 Mb/s více než dostatečně, navíc mnoho výrobců nabízí technologii umožňující za velmi specifických podmínek dosáhnout až na dvojnásobek této rychlosti.

Ovšem každý z uživatelů takové sítě z vlastní zkušenosti ví, že alespoň přiblížit se této rychlosti je v reálném provozu prakticky nemožné. Je to způsobeno tím, že takto udávané přenosové rychlosti platí pro samotnou fyzickou vrstvu síťového přenosu, reálná uživatelská rychlost je pak v ideálním případě nejvýše poloviční.

Typ přenosu	Kapacita fyzické vrstvy	Skutečná uživatelská rychlost	Frekvence
802.11b	11 Mb/s	do 6 Mb/s	2,4–2,485 GHz
802.11g	54 Mb/s	do 22 Mb/s *	2,4–2,485 GHz
802.11a	54 Mb/s	do 25 Mb/s	5,1–5,3 GHz 5,76 - 5,83 GHz

* neplatí pro rozšíření MIMO

Jak je to možné a odkud se bere taková ztráta? Vezmeme si základní specifikaci, IEEE 802.11b. Ta nabízí maximální přenosovou rychlost 11 Mb/s, tu však nabízí pouze na krátké vzdálenosti a pouze na fyzické vrstvě, rychlost užitečná je pak až poloviční, protože přibližně třicet až čtyřicet procent teoretické kapacity spotřebuje režie protokolu MAC (ta je ve srovnání s kabelovými rozvody výrazně vyšší). Další ztrátu způsobuje pracovní režim Wi-Fi sítí – málo kdo ví, že bezdrátové sítě pracují v režimu polovičního duplexu (buďto data vysílají, nebo přijímají).

V praxi to znamená, že v ideálním prostředí (tedy bez zarušení a dalších ztrát) získáte reálnou rychlost nanejvýš šest megabitů za sekundu. Je zde ovšem další zpomalení – svou vlastní režii má také síťový protokol TCP/IP, i přenosový protokol. Proto je skutečná, změřitelná rychlost v takové síti ještě nižší a za výborný výsledek můžeme považovat, pokud změříme propustnost takové sítě okolo čtyř megabitů za sekundu.

Trochu jiné je to v případě 802.11g, jejíž výkonnost velmi závisí na tom, zda podporuje také 802.11b klienty. Ti totiž nerozumí komunikaci s OFDM (vzájemně oddělené přenosové pásmo, které umožňuje dosahovat vyšších přenosových rychlostí na fyzické vrstvě), proto specifikace 802.11g obsahuje ochranný mechanismus pro soužití obou specifikací. Ten se spouští vždy při asociaci 802.11b klienta do 802.11g sítě a zajistí, že v případě komunikace se starším klientem dostanou všichni 802.11g klienti příkaz nevysílat po dobu této komunikace. Tím je zamezeno vzájemné kolizi komunikací obou klientů, ovšem za cenu velmi vysoké režie. V praxi to znamená, že pokud do rychlé sítě 802.11g asociujete starších klienta 802.11b, sníží se propustnost na fyzické vrstvě více než trojnásobně – a váš rychlý přístupový bod rázem se svými klienty namísto 54 Mb/s komunikuje pouze šnečími 8 Mb/s.

Jde to také rychleji

Rychlejší Wi-Fi síť, která by se alespoň vyrovnala současné 100 Mb/s ethernetové sítě, se však již připravuje. Přibližně v polovině roku 2004 předložili členové Wi-Fi Alliance základní návrhy na řešení splňující požadavky pro připravovanou normu 802.11n. Počet technických návrhů dosáhnul čísla 61, což rozhodně další jednání neusnadňovalo.

Při cestě ke konečnému standardu, který má být přijat v roce 2008, vzniklo několik závazných mezi specifikací. První z nejvýznamnějších byla specifikace Draft 1.0, která však musela být později přepracována (bylo proti ní podáno přibližně 12 000 připomínek). Byla tak nahrazena stabilnějším návrhem Draft 2.0, který byl přijat v březnu letošního roku. Praktické je, že většina výrobců je schopna – pokud mají pochopitelně zájem – povýšit své Draft 1.0 produkty na Draft 2.0 pouhou aktualizací software.

Základem normy 802.11n je podpora technologie chytrých antén, které známe již z některých současných zařízení pod zkratkou MIMO. Tato téměř čtyřicet let stará technologie pracuje na bázi vysílání několika signálů, přenášejících odlišná data, různými cesty v rámci jednoho rádiového kanálu prostřednictvím více antén u vysílače a přijímače.

Propustnost takové sítě se pak úměrně s počtem antén zvyšuje. Teoreticky je možné zvyšovat propustnost do nekonečna, prakticky se však používá přibližně čtveřice antén pro vnitřní prostředí a maximálně šestnáct antén pro venkovní provoz. Antény lze využít jak symetricky, tak asymetricky. To řeší automaticky algoritmy uplatněné v čipové sadě vysílače. Protože MIMO náleží nejnižší fyzické vrstvě, lze jej použít bez ohledu na protokol vyšší vrstvy.

Platí tedy, že v současné nejvyšší specifikací 802.11n Draft 2.0 je možné dosáhnout maximálně tří set megabitů za sekundu na fyzické vrstvě. Toto číslo však zní natolik zajímavě, že jsem podrobili nejnovější rodinu bezdrátových zařízení AirLive WN-5000 podporující právě tuto technologii podrobnějšímu zkoumání.

AirLive WN-5000R

Bezdrátový směrovač AiLive WN-5000R je ukryt v nízké plastové krabici provedené ve firemních barvách, tedy v klasické modré metalíze. Tělo přístroje je celoplastové bez kovových prvků, sekce stavových indikátorů je umístěna v černém prolisu v přední třetině horní strany. Prostřednictvím zelených diod je uživatel informován o přítomnosti napájení, aktivitě bezdrátové části, a aktivitě internetového i lokálních síťových rozhraní.

Celkový pohled na směrovač AirLive WN-5000R

Obsah prodejního balení směrovače

Všechny konektory jsou způsobně uspořádány na zadní stěně přístroje, najdeme zde kromě portu RJ45 pro připojení internetového připojení (WAN) také čtveřici konektorů stejného typu coby výstup vestavěného čtyřportového přepínače lokální sítě. Dále zde najdete zdířku pro připojení napájecích napětí, tlačítko pro reset a konfigurační tlačítko WPS.

Konektory jsou soustředěny na zadní stěně

Detail síťových portů, v pozadí základní deska směrovače

Trojice externích antén není odnímatelná, což však u přístrojů této třídy nelze vnímat jako nevýhodu. Bezdrátové prvky postavené na technologii MIMO totiž obsahují funkční algoritmy, které jsou upraveny na míru vždy aktuálně osazeným anténním komplexům. Pokud by uživatelé dodávané antény zaměnili například za antény z větším výkonem nebo jinak prostorově umístěné (nahrazení za antény připojené koaxiálním kabelem), výrazně by degradovali výkon celého zařízení a v některých případech (například při osazení směrovými anténami) by výměna antén mohl vést i k nefunkčnosti.

Světelné indikátory jsou dostatečně značeny

Jak již bylo zmíněno, WN-5000R podporuje Draft 2.0 technologie 802.11n, což mu dává do vínku schopnost komunikace rychlostí až 300 Mb/s. Antény používají konfigurace 2T3R, tedy v jeden okamžik dvě vysílají a tři přijímají. Samozřejmostí je také plná zpětná kompatibilita s MIMO zařízeními na standardu 802.11g, reprezentovaná například řadou AirLive WMM-3000. Pro uživatelskou konfiguraci je k dispozici webové administrační rozhraní, které je dostatečně přehledné, nabízí přístup ke všem důležitým parametrům a není lokalizováno do češtiny.

Celkový pohled na základní desku směrovače

Čipset RaLink RT2860RT určuje bezdrátové vlastnosti směrovače

Tlačítko WPS na zadní stěně reprezentuje technologii nazvanou Wi-Fi Protected Setu p která umožňuje snadné sestavení bezdrátové sítě. Vše funguje následovně: po povolení této funkce v administračním rozhraní směrovače stačí při připojení nového klienta pouze stisknou tlačítka WPS na směrovači i na klientu, nebo klepnout v jeho ovládací aplikaci na tlačítko Start PBC. Klient si automaticky stáhne potřebné informace o zabezpečení vaší sítě a bez problémů se k ní připojí. V průběhu testů tato funkce fungovala na výbornou.

Čipset Realtek RTL8305SC obsluhuje pětici síťových portů

Možnosti zabezpečení jsou dnes již standardní a zahrnují jak WEP, tak i WPA (TKIP), WPA2 a WPA Radius. Možnosti řízení toku pak realizuje uživatelsky konfigurovatelná QoS a pokročilé možnosti nastavení nastavení směrování.

Bezdrátovým srdcem směrovače je čip RaLink RT2860RT, který z velké části určuje všechny výše uvedené parametry bezdrátové části. Tento čip podporuje jak použitou 2T3R anténní konfiguraci, tak i 2T2R použití, umí využít šířky pásma 20 MHz i 40 MHz. jeho koprocesor RaLink RT 2820 navíc prozrazuje, že je směrovač schopen pracovat pouze v pásmu 2,4 GHz. K zahození by možná nebylo namísto něj použít čip RaLink RT2850, který by kromě pásma 2,4 GHz nabídnul také v mnohém vhodnější pásmo 5 GHz.

Osazený koprocesor umožňuje pouze komunikaci v pásmu 2,4 GHz

O přepínání čtveřice portů bezdrátové sítě se stará čip Realtek RTL8305SC, který je v zařízeních této třídy velmi často nasazován. Přestože tento čip nabízí spoustu zajímavých možností (například konfigurací až 16ti VLAN), firmware směrovače využití těchto možností nenabízí. VLAN funkce je použita pro oddělení portu WAN od portů LAN, protože tento čip obsluhuje všech pět síťových portů.

Tlačítko WPS pro rychlou konfiguraci klientů

AirLive WN-5000PCI

Pokud uvažujete o pořízení bezdrátové sítě schopné přenášet data vysokou rychlostí, nevystačíte si pouze s patřičně vybaveným bezdrátovým přístupovým bodem. Důležitá je také příslušná bezdrátová klientská karta. Součástí testované rodiny AirLive WN-5000 je kromě USB adaptéru také PCI rozšiřující karta AirLive WN-5000PCI. Ta je osazena stejnou dvojicí bezdrátových čipsetů jako deska směrovače, jeho teoretické vlastnosti jsou tedy naprosto shodné.

Sázka výrobce na čipy společnosti RaLink je pro uživatele příjemná, protože tento producent bezdrátových zařízení nabízí aktuální ovladače nejen pro hlavní operační systémy z rodiny Windows, ale také pro Linux nebo Mac OS X.

Kartonová krabice bezdrátové karty

Samotná karta je plné výšky, což je daní za použití trojice odpojitelných antén. Použití těchto antén v PCI kartě je rozporuplné: pokud necháte antény zapojeny přímo do karty, výrazně tak stoupá směrovost tohoto řešení. Použití hned tří antén umístěných na takhle malém prostoru, navíc kde jejich parametry výrazně ovlivňuje uzeměná skříň celého počítače, není zkrátka ideální. Pokud navíc přihlédneme k tomu, že většina počítačových skříní stojí na zemi orientovaných svou zadní stěnou s kartami ke zdi, nelze o vhodnosti použití této konfigurace být ani řeč.

Celkový pohled na kartu AirLive WN-5000PCI

Při praktických testech se vše výše zmíněné plně projevilo. Na posledním testovacím stanovišti sice karta v počítači umístěném podle obvyklého schématu byla schopna připojení k bezdrátovému směrovači, jakákoli komunikace však byla nemožná.

Karta po osazení trojicí dodávaných antén

Samotná instalace této karty je triviální, spočívá pouze v instalaci ovladačů (součástí prodejního balení jsou pouze ovladače pro Windows, ovladače pro ostatní platformy si musíte stáhnout ze stránek RaLinku), ovládací aplikace a instalace samotné karty do volné PCI pozici na základní desce.

Karta využívá stejného čipsetu, jako směrovač AirLive WN-5000R

Testy a rychlosti

Protože je test bezdrátové rodiny AirLive WN-5000 prvním podrobným testem na Extrahardware.cz, nemůžeme v grafech nabídnout přímé srovnání s konkurenčními bezdrátovými přístupovými body nebo směrovači. Díky za pochopení, s přibývajícími testy přibudou také tato přímá srovnání.

Naše metodika testování bezdrátových zařízení spočívá ze třech oblastí testů: zátěžových syntetických testů, reálných přenosových testů a z testů poklesu přenosové rychlosti se stoupající vzdálenosti a počtem překážek.

Uživatelské rozhraní směrovače AirLive WN-5000R

První z nich jsou syntetické zátěžové testy prováděné aplikací WildPackets NetDoppler, ze kterých získáváme informace o propustnosti a odezvě sítě a směrovače. Při testu odezvy zatěžujeme síť sekvencí 100 ICMP dotazů za minutu po dobu půl hodiny (cílem testů v prvním průběhu je přímo bezdrátový směrovač, v druhém průběhu pak připojený souborový server). Stejnou aplikací je prováděno také zátěžové měření propustnosti sítě dvakrát v třicetiminutových intervalech, přičemž je ponecháno výchozí nastavení aplikace pro měření propustnosti.

Testování propustnosti v aplikaci WildPackets NetDoppler

Ve všech testech byl v roli přístupového bodu bezdrátový směrovač AirLive WN-5000R, v roli klientů pak karta WN-5000PCI, referenční karta AirLive WMM-3000PCM (802.11g s podoporou MIMO) a pro srovnání také starší karta Compaq W200 (802.11b s integrovanou anténou). Všechny testy probíhaly v mírně zarušeném prostředí pokrytém dvojicí bezdrátových sítí (každá pochopitelně s potřebným kanálovým odstupem).

Již v tomto první testu se ukázala nepříjemná skutečnost, kterou potvrdila i většina dalších testů: při komunikaci na rychlosti 300 Mb/s (a tedy s využitím 802.11n Draft 2.0) podával směrovač velmi nevyrovnané výsledky, které v konečném důsledku způsobily, že karta komunikující osvědčeným standardem 802.11g (s MIMO) podala o poznání lepší výsledky. V průběhu tohoto testu se směrovač dvakrát svévolně restartoval.

Mladá technologie? Přestože průměrné výsledky hovoří proti technologii 802.11n, nenechte se zmýlit. Po většinu času testu dosahoval směrovače při testu s 802.11n kartou řádově vyšších přenosových rychlostí, než s 802.11g kartou. Problémem, který mu však po zprůměrování zlomil vaz, je však nestabilita směrovače, který vždy přibližně po třiceti vteřinách plné zátěže na cca deset až patnáct vteřin přestal komunikovat úplně.

Propustnost sítě na souborový server byla o poznání lepší, než test propustnosti na samotný směrovač. To je zřejmě způsobeno tím, že aktuální firmware směrovače je schopný lépe přepínat provoz mezi kabelovou a bezdrátovou sítí, než sám odpovídat na požadavky. I zde se však časté přerušení provozu podepsalo na průměrně horších výsledcích.

Odezva sítě dopadla v případě použití 802.11n doslova žalostně: 10,346 milisekund průměrně je oproti 0,96 ms (802.11g) opravdu znatelný rozdíl. Opět to dokazuje, že 802.11n síť není vhodná pro příliš velkou zátěž – pochopitelně při „obyčeném“ měření odezvy příkazem ping z příkazového řádku operačního systému je odezva u všech karet stejná, problém se projevuje pouze v zátěži.

Obecně vždy platí, že test odezvy na server v síti dosahuje přibližně dvojnásobných hodnot ve srovnání s odezvou samotného směrovače. Nejinak je tomu i v tomto případě, ke jsme naměřili průměrnou odezvu 20,42 milisekund.

Pro test přenosu souborů byl použit souborový server a protokol ftp. Testovací sestavou byl počítač Mac mini (se systémem Mac OS X 10.4.10), který byl jako jediné zařízení připojen ke gigabitovému přepínači (komunikace mezi počítačem a směrovačem tedy probíhala na této rychlosti), ke kterému byl připojen i směrovač. Na počítači byly v ramdisku uloženy dvě sady souborů (jediný soubor velký 250 MB a adresář s dokumenty (67 dokumentů s celkovou velikostí 3,1 MB)) a obsah tohoto disku byl sdílen prostřednictvím vestavěného FTP serveru operačního systému. Při testu z druhého počítače byl FTP server schopen dodávat data rychlostí přesahující 300 Mb/s. Pro měření průměrné přenosové rychlosti byla použita aplikace NetPerSec.

S odesíláním dat na server měl směrovač opět problémy. Opakoval se stejný efekt, jako v případě zátěžového testu: vždy po třiceti sekundách přenášení plnou rychlostí došlo k desetisekundovému přerušení. Pokud by k těmto výpadkům nedocházelo, byla by přenosová rychlost dvojnásobná vůči aktuálně naměřené.

Při odesílání malých souborů se směrovač choval způsobně, přeci jenom mnoho malých souborů mu neumožnila dosáhnout „plné“ rychlosti a tudíž nedocházelo k jeho zahlcení s následným krátkým výpadkem.

Při stahování dat v jediném proudu vykazoval směrovač vyrovnanějších výsledků, výsledná rychlost již ukazuje na velmi slušnou reálnou přenosovou rychlost. I zde však byla referenční 802.11g karta o chloupek rychlejší.

Jedině v tomto testu byla 802.11n konfigurace rychlejší než referenční karta. V tomto testu je také nejlépe vidět, že pro přenos malých souborů nemají novější technologie velký přínos, protože režie takového přenosu je zkrátka příliš vysoká.

Při testu vzdálenosti se projevila zajímavá vlastnost: karta i s klesajícím sílou signálu odmítala přepnout na nižší přenosovou rychlost, což mělo za příčinu nemožnost provedení testů na třetím testovacím stanovišti. Zde karta bylo schopna asociace se sítí, přenos však nebyl možný.

Zhodnocení a závěr

Přestože by se mohlo zdát, že po provedení testů AirLive WN-5000R propadl, není tomu tak. Směrovač prokázal, že při použití s ověřenými prvky komunikující standardem 802.11g s MIMO umí podávat skvělé výsledky a drobná zaváhání při komunikaci v 802.11n patří spíše na vrub nevyzrálosti této technologie.

Naše rada v tomto případě je následující: Pokud si pořídíte směrovač AirLive WN-5000R, získáte skvěle fungující zařízení v současných sítích. S nákupem 802.11n klientské karty však prozatím vyčkejte a buďto používejte svá současná 802.11g řešení, nebo si zakupte ověřenou kartu s podporou technologie MIMO. A díky osazení kvalitních bezdrátových čipsetů máte jistotu do budoucna, že s uvolnění finální specifikace 802.11n pouhou aktualizací firmwaru směrovače jej budete moci používat také na vyšších rychlostech. Vězte, že konkurence nabízejí Draft 2.0 na tom není o mnoho lépe.