科普文
WiFi 6、WiFi 7的无线漫游技术及方案实现
2024-08-28
WiFi 6 无线漫游技术
WiFi 6实现的无缝漫游主要基于802.11k/v/r协议。
802.11k/v/r是WiFi 6中三个与WLAN相关的协议，又称为“快速漫游三协议”，用于解决传统漫游过程中的丢包严重、漫游触发不及时、选择漫游的目标AP不合适等问题。以下是对这三个协议的详细解析：
分别解决了何时漫游，漫游到何处以及如何快速重连的问题。
802.11k协议
802.11k协议，又称无线局域网频谱资源测量协议(Radio Resource Measurement of Wireless LANs,RRM)，解决了何时漫游的问题。
该协议定义了AP和STA如何协同工作，以确定STA在移动时能够漫游到最佳AP的时机。在漫游开始前，802.11k协议通过AP与STA之间的信息交换，提前告知STA漫游时可选择的AP列表。这是因为AP会定期或根据STA的请求收集周围邻居AP的信息，包括信号强度、吞吐量、可用频道等，并整理成邻居报告。当STA检测到当前连接的AP信号不佳时，会向AP发起请求，请求AP提供可漫游AP的列表和相关信息。AP将邻居报告发送给STA，STA根据报告中的信息评估周围AP的状态，并确定是否需要漫游。同时，STA也可以向AP发送自己的测量报告，包括当前连接的AP的信号质量、丢包率等参数，以便AP评估STA的连接状态。STA根据接收到的邻居报告和自己的测量报告，评估当前连接的AP和其他潜在漫游目标的AP之间的优劣。在802.11k之前，STA通常只会连接到信号最强的AP，而802.11k协议则提供了更多的信息，帮助STA做出更合理的漫游选择。
802.11v协议
802.11v协议，又称无线网络管理协议(Wireless Network Management,WNM)，解决了漫游到何处的问题。
该协议允许STA与AP之间交换网络拓扑信息，包括信号环境、拓扑状态等，以促进无线网络的整体优化。AP响应STA的报告请求后，会评估无线终端的连接质量，引导终端漫游到能提供更优网络体验的AP，从而实现负载均衡，提升整个无线网络的性能和用户漫游体验。简单来说，802.11v的作用是让STA可以请求到漫游目标AP，而AP给STA一个建议漫游的目标AP。
802.11r协议
802.11r协议，又称快速漫游协议（Fast Roaming），解决了如何快速重连的问题。
该协议定义了STA在不同AP间漫游时的交互细则，提供了实现BSS快速切换的标准。它使用了FT（快速基本服务集转换）功能来简化认证，省略了802.1x认证过程和四次握手过程，使STA能够快速且安全地漫游至新AP。在此之前，无线终端每次在加密网络中漫游时都需要重新关联验证无线密码，而通过该协议简化认证流程后，大幅缩短漫游切换时间，减少用户感知到的中断时间，确保在漫游过程中业务数据流的低延时传输，提高用户上网体验。
WiFi 7在无线漫游方面的优势
尽管WiFi 7 的标准尚未完全批准，但已有产品上市。WiFi 7 与WiFi 6 的对比如下：
| WiFi 6 | WiFi 7 | |
|---|---|---|
| IEEE标准 | 802.11ax | 802.11be |
| 最大传输速率 | 9.6Gbps | 23Gbps |
| 频段 | 2.4GHz、5GHz、6GHz(仅WiFi 6E) | 2.4GHz、5GHz、6GHz |
| 安全协议 | WPA3 | WPA3 |
| 信道带宽 | 20MHz、40MHz、80MHz、 160MHz、80+80MHz | 最大可到320MHz |
| 调制方式 | 1024-QAM OFDMA | 4096-QAM OFDMA |
更高的带宽和传输速率：
从表格中可以看出WiFi 7的最大传输速率为23Gbps，支持最大320MHz带宽，相比WiFi 6又有所提高。对于无线漫游来说，高速率的数据传输能够确保在AP切换过程中数据传输的连续性和流畅性，避免因延迟或速率不足导致的卡顿、掉线等问题。
更低的业务时延
Wi-Fi 7支持Multi-RU机制，允许将多个RU分配给单用户。而在WiFi 6 中同一周期单用户只能分配到单个特定RU ，存在部分 RU 资源被闲置的情况。WiFi 7相比WiFi 6 大大提升了频谱资源调度的灵活性并降低了业务时延。与高速率相通，低时延也是无线漫游中保障数据传输完整和稳定的重要因素。
增强的多用户性能：
WiFi 7引入了16x16MIMO和更高阶的4096-QAM调制技术。数据流由原来的8条变为16条，每个符号位传输数据由原来的10bit变为12bit，相比Wi-Fi 6 提升20%。WiFi 7进一步增强了多用户性能和高并发能力，能够更好地处理大量设备同时连接和漫游的情况，减少冲突和延迟。
更可靠的链路机制
WiFi 7 引入Multi-Link多链路机制，定义了多链路聚合相关的技术。即AP和客户端之间同时建立多个链路进行数据通信，多发选收，负载均衡以提高链路的可靠性，从整体上提高用户在无线漫游中的体验。
更精简的无缝漫游方案
基于前文提到的快速漫游三协议以及传统组网方案的局限性，星融元在此提出无线网新架构。
基于分布式网关的无线网
在无线漫游工作原理篇我们提到集中式网关极易成为整网性能瓶颈，那不妨试试将一个子网的网关分布于每一个接入交换机上。这样做可以分担数据流量，充分利用每一个接入交换机的能力，实现负载均衡。进而提升整网转发速率，并避免了单一设备导致整网瘫痪的风险。
除此以外，该方案还能够提高转发效率。因为相比传统集中式网关，分布式网关方案中的业务报文无需到某个集中式网关上“兜圈子”，而是直接在本地接入交换机以最短路径完成漫游后的转发。这种高效的转发路径大大提高了流量转发效率。
用标准VXLAN替代CAPWAP的集中式转发
鉴于上述分布式无线方案依赖于云化后的有线网络，我们又提出了在不改变现网架构基础上单独升级无线网络的另一方案——无CAPWAP的集中式转发。
该方案借助VXLAN实现了极简的无线漫游，即AP和网关交换机之间建立的是VXLAN 隧道。AP上运行 VTEP 对用户原始数据帧进行封装和解封装，并且用不同的VNI实现网络隔离。
除了无需改变现网外，该方案还可以打破CAPWAP协议的厂商锁定。这是因为方案中用VXLAN替代了CAPWAP隧道，而VXLAN是更加标准化的技术。该方案也可应用于园区网络，客户只需引入一对具备一定可编程能力的“网关交换机”以及合适的AP即可。
方案测试
值得注意的是，不管是基于分布式网关的无线网还是用标准VXLAN替代CAPWAP的集中式转发，星融元都是基于开放的软硬件实现，即：SONiC+OpenWiFi+白盒化的接入交换机和AP。
对于该组合，我们进行了无线漫游的实际测试。
测试区域：单层办公空间（约180平米，有墙面硬隔断，日常办公场景存在一定网络干扰） 交换机：星融元CX-M系列（CX206P），其上运行AsterNOS（企业级SONiC发行版）
AP配置：SSID-Asterfusion，射频参数设置为5G，40MHz，加密方式WPA2-PSK
测试终端：同时支持802.11k/v/r、WiFi5、WiFi6的华为 mate60 pro和联想win10专业版 Comfast CF-952AX
测试结果显示，在智能手机的漫游过程中，发生了20次AP切换数据，漫游耗时稳定在10ms上下，平均8.7ms，丢包率为0；在笔记本电脑的漫游过程中，发生了5次漫游，漫游耗时稳定在10ms左右。该测试结果足以说明无线网新架构的可靠性，更详细的测试内容可参考小于10ms！基于SONIC+白盒AP的WiFi无缝漫游实测
