oguzhaneren.com

3×3:3 ? :)

Nasıl bir başlık bu? :) 802.11n teknolojisi ile uğraşanlar için anlaşılabilir ve ilginç bir başlık olabilir. Çünkü bu ifade, daha hızlı ve artık kullanıcılara giden “kablo”ları tümüyle ortadan kaldıracak bir kablosuz ağ teknolojisini işaret ediyor.

Öncelikle kısaca 802.11n teknolojisini hatırlayalım. 802.11a veya g kullandığımız 54mbps günlerine baktığımız zaman aklımıza gelen önemli bir kısıtlama, kablosuz ağların yavaşlığıdır. Fakat artık bu durum değişti. Hem de çoktan değişti. Kablosuz ağlar 802.11n sayesinde gerçekten hızlandılar ve günlük hayatta önemli işlerimiz için kullanabileceğimiz “birincil” yerel ağ iletişim ortamı haline geldiler. Artık son kullanıcıların çoğunluğu işlerini kablosuz network üzerinden yapabilecek durumdalar. Bu kişiler artık herhangi bir şekilde “kablo”ya ihtiyaç duymuyor, hatta masalarına gelen bir ethernet kablosu bile yok.

802.11n teknolojisi 11 Eylül 2009′da son haline kavuştu ve standartlaştı. 11 Eylül 2009 öncesi üretilen ve üzerlerinde draft-N ibaresi bulunan “standart öncesi” ürünler de standartlaşmış oldu. Artık, üzerinde 802.11n ibaresi bulunan veya draft 802.11n ibaresi bulunan tüm ürünler birbirleriyle uyumludurlar ve birlikte çalışabilirler.

802.11n teknolojsinde ne tip iyileştirmeler var? Bunların üzerinden kısaca geçelim:

1-MIMO ve Paralel Veri Akışları

MIMO, yani “multiple in multiple out” teknolojisi sayesinde artık radyolarımız aynı anda birden çok datayı iletebiliyor duruma geldiler. Tabii ki hava ortamı full duplex değil. Yapı olarak half duplex olarak çalışabiliyor ve aynı zamanda bir kablosuz ağ koskocaman bir collisin domain. Bu ortam dahilinde, daha fazla veri iletebilmenin tek yolu, collision’lara rağmen aynı anda daha fazla sayıda veri iletmek oluyor. Aynı anda bir yerine birden çok veri akışını havaya aktarabildiğimiz zaman, her ne kadar bunlar da collision’lara açık da olsa daha fazla bantgenişliğine kavuşuyoruz.
Şu an piyasadaki “taşınabilir” olan ve pil süresi konusunda sıkıntısı bulunan mobil cihazlar, 802.11n’in birçok yeteneğinden sadece biri olan “birden çok veri akışını aynı anda iletme” yeteneğini ne yazık ki kullanamıyorlar. Yani bu veri akışlarından sadece bir adedini aynı anda gönderiyorlar. Örneğin iphone ve ipad bu şekilde çalışıyor. Bunların dışında çoğu 11n cihaz ve çoğu 11n access point aynı anda max 2 stream’i destekliyor. Her bir stream’in de max 150mbps olduğunu düşünürsek, işte aynı anda 2 stream iletebilen ve alabilen 11n AP’lerimiz ve client’larımız 300mbps hızına ulaşabiliyorlar.
Bunlara ek olarak, son zamanlarda 3 stream’i iletebilen ve 450mbps hızlara ulaşabilen AP’leri de görmeye başladık. Aruba AP13x serisi cihazlar 3 stream cihazlara bir örnek.

Bu “stream” -uzun ismiyle spatial stream- hikayesi şöyle çalışıyor: Örneğin bir AP bir veri göndermek istediği zaman bu veriyi kendi üzerindeki radyosuna iki ayrı koldan iletiyor. İki ayrı koldan aynı anda havaya yollanan veri akışları doğal olarak farklı antenler üzerinden farklı -ve tabii belirli bir algoritma dahilinde oynayan- fazlarla iletiliyorlar ki birbirleriyle çakışmasınlar. Bu şekilde iki ayrı stream farklı yollardan hedefe ulaşıyor ve iki kat daha fazla veri iletilmiş oluyor. Eğer aynı anda 3 stream aktarılıyorsa toplam aynı anda iletilen veri miktarı tabii ki 3x oluyor. Tabii bu arada farklı akışlar farklı antenlerden iletiliyor demiştik. O halde bir radyonun üstündeki iki adet stream farklı antenlerden gitmek zorundaysa eğer, o radyonun en az 2 adet anteni olmalı ki akışlar farklı antenlerden gidebilsin.

Tabii 2 stream bir radyonun 2 anteni olmak zorundadır anlamına gelmiyor bu. Nasıl ki eski 54mbps 802.11g veya a teknolojilerinde tek bir stream akarken radyoya bağlı 2 anten olabiliyordu, işte aynı şekilde 2 stream bir 11n radyonun da 2 ve üzeri sayıda anteni olabiliyor. Bu hadise basitçe şöyle oluyor, 2 akış aktaracak fakat 3 antene sahip bir radyo, akışlardan birini 3 antenin herhangi bir ikisinden dönüşümlü olarak, diğer akış ise 3 antenden yine rastgele 2 sini dönüşümlü olarak kullanarak yapıyor. Bu teknik, az da olsa farklı açılardan hedefe daha iyi veri akışı sağlayabilecek farklı omni directional antenlerin değiştirilerek kullanılması sayesinde, birbirinden farklı fazlarda encode edilmiş farklı stream’lerin aynı anda farklı yerlerden sekerek (multipath) hedefe doğru yol almasını sağlıyor ve ortaya birbiri ile karışmayan, multipath effect’i olumlu yönde kullanan toplam hızı çok daha fazla artmış bir toplam akış çıkıyor.

Farklı yönlerden farklı açılarda iletilen farklı stream’ler illa ki fazla hız sağlayacak demek değil tabii ki. Radyonun mantığına (logic) göre, eğer ortam şartları çok zorlu ise, 11n gönderim algoritması, spatial stream’leri ve dolayısıyla MIMO tekniğini kullanarak hız arttırmak yerine yine aynı tekniklerle güvenilirlik arttırmak yoluna gidebiliyor. Bu gönderim algoritmasına kalmış bir seçim. İşte 802.11n teknolojisinden bahsedilirken, “802.11abg’nin yumuşak karnı olan multipath effect’i ortadan kaldırmakla kalmıyor, aksine bunu olumluya çevirerek kendi hızını ve güvenirliğini arttırmak için kullanıyor” diye bahsedilen durum bundan ibaret. Gayet güzel ve zekice bir teknik.

2- 40 Mhz’lik Geniş Kanallar

802.11n teknolojisinin bir diğer yeniliklerinden biri de 40Mhz genişliğinde kanallar kullanabilmesi. Normalde, yani geleneksel 802.11abg için konuşursak, bu teknolojiler 20Mhz genişliğinde kanallar kullanıyorlar. Yani hepimizin bildiği 2,4Ghz bandındaki 3 adet çakışmayan kanal (yani şu 1,6,11 kardeşler) aslında her biri 20Mhz genişliğinde olan kanallar. Bu kanallardan 2,4Ghz’de 3 tanesi WiFi için ayrılan spektruma sığabilirken, 5Ghz’de 23 tanesi sığabiliyor (Ülke regülasyonlarına göre değişiklik gösterir) 802.11n teknolojisinde, özellikle 5Ghz’de kullanılmak üzere şöyle bir geliştirme yapılmış: Artık sistemlerimiz 20Mhz’lik iki kanalı birleştirip tek bir kanal olarak kullanma ve doğal olarak iki kat (aslında iki kattan çok az daha fazla) veri taşıma yeteneğine sahipler. Bu özellik de 802.11n’in yeteneklerinden biri.

Tabii ki kanal birleştirme işlemi 2,4Ghz için ne yazık ki pek bir anlam ifade etmiyor. 5Ghz için düşünürsek, 23 adet 20Mhz’lik kanallar, 40Mhz genişliğinde kullanıldığı zaman, elimizde hiç çakışmayan 11 tane 40Mhz’lik kanal kalıyor. Fakat dediğim gibi kanal birleştirme operasyonu 2,4Ghz için bir anlam ifade etmiyor çünkü 2,4Ghz’deki 3 adet 20Mhz’lik kanalı birleştirdiğimizde elimizde sadece 1 adet 40Mhz’lik kanal kalıyor ve bu da ortamda bizden başka bulunan bolca 2,4Ghz ekipmanının neredeyse hepsiyle bir şekilde çakışabileceğimiz anlamına geliyor. O yüzden, kanal birleştirme operasyonu 2,4Ghz için hiç tavsiye edilen bir şey değil.

3- Daha Fazla Sayıda OFDM Subcarrier’i

802.11n’in bir diğer gelişimi ise OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) adındaki encoding sisteminin geliştirilmesidir. OFDM’de kullanılan, aktif kanalın ufak parçalara bölünmesi ile elde edilen alt-taşıyıcılar (subcarrier) her bir 20Mhz’lik kanalda, 802.11ag’de 48 adet iken 802.11n’de 52 adet olmuştur. Bu sayede, her biri birbirinden bağımsız ufak data parçaları (symbol), daha fazla sayıda alt-taşıyıcıya bindirilerek taşınabilir. Bu ufak farklılık, birçok 802.11n iyileştirmesinden sadece bir tanesidir. Bu ufak artışın yapılması (20Mhz kanalda 48 yerine 52 subcarrier, 40Mhz kanalda ise 96 yerine 104 subcarrier kullanılması) 802.11ag’ye göre az da olsa bir hız artışı sağlamıştır. Sadece bu iyileştirme sayesinde elde edilen bantgenişliği artışı, örneğin 54Mbps hızındaki 802.11g ile karşılaştırıldığında, 1 spatial stream’lik 802.11n hızının 58.5Mbps olmasını sağlar. Bu da yaklaşık % 8,3 oranında bir artış demek.

4- Short Guard Interval

Yukarıda, subcarrier’larda taşınan ufak data parçalarına symbol denildiğini ifade etmiştim parantez içinde. İşte bu birbirinden bağımsız ufak data parçaları, yani “symbol”ler, kablosuz haberleşmede OFDM encoding şeması dahilinde veri gönderirken kullanılan birim parçalar aslında.. Alıcı taraf da bu symbol’leri çözerek birleştiriyor ve veriyi okuyabiliyor. Kablosuz network’lerin çalıştıkları ortam, “zor” olarak nitelendirdiğimiz, birçok engeli ve elektromanyetik etkileşim kaynağını barındırıyor olabilir. Tam tersi olarak da, kimi zaman, veri iletişimi için çok kolay olan, rahatlıkla yüksek iletim hızları ve düşük paket kayıplarının yakalanabildiği rahat ortamlar da olabilir. Normal şartlarda, OFDM alt taşıyıcılarında taşınan sembollerin, alıcı tarafından bir önceki veya bir sonraki sembole karışmadan doğru okunabilmesi için, ortam şartlarından bağımsız olmak üzere, semboller arasında standart bir Guard Interval aralığı bırakılır. Bu aralık, normalde 800 nanosaniyedir. Yani bir sembol gönderildikten sonra, diğeri, 800 nanosaniye beklendikten sonra gönderilir. 802.11n teknolojisi, ortamın zorluk derecesine bakar ve ortam normalden zor bir ortam değilse, paket kayıpları ve iletim esnasında hissedilen multipath emareleri az ise, sözünü ettiğimiz Guard Interval değerini 400 nano saniyeye düşürebilir ve bu sayede semboller arası bekleme süresi azalacağı için daha hızlı bir iletim yapabilir. İşte “Short Guard Interval” denilen de, 802.11n’in semboller arası bekleme süresini azaltıp 400nano saniyeye düşürebilme özelliğidir.

5- A-MSDU (Aggregated MAC Services Data Unit)

Normalde, kablolu ethernet ortaminda (yani 802.3 olarak bildiğimiz ortamda) fiziksel katmana doğru akacak veri iletimi şu şekilde olur: Öncelikle Network katmanında IP paketi formatında paketlenen veri, ikinci seviyede Logical Link Control (802.2) tarafından karşılanır ve paketlenir, daha sonra da wired MAC katmanına gönderilir (işte 802.3 burada) Bu katmanda, 802.3 kablolu ethernet kurallarına göre, önce physical signalling sublayer tarafından sinyalleşme için hazırlanan veri, daha sonra ilgili kabloya uygun şekilde sinyaller halinde gönderilir. Bunları 802.3 klasik kablolu ethernet için değil de, 802.11n kablosuz ortam için uygularsak, burada da bazı değişiklikler var. Bir kere, kablosuz ortamda, 802.2 LLC sonrası doğal olarak 802.3 yok, onun yerine 802.11 var. 802.11N’e özel olarak da A-MSDU ve A-MPDU denilen iki teknik var. A-MSDU denilen teknik, LLC’den sonra kendisine sıra gelen ve 2. Katmanda çalışan; aynı access class’a (önceliklendirme) ve aynı hedef adrese gitmeye çalışan, LLC’den kendisine gönderilmiş 2. seviye birden çok paketi, her birine ayrı ayrı MAC başlığı koymaktansa tek bir MAC başlığı altında birleştirme işlemini belirten bir teknik. Böylelikle, gereksiz MAC header’ları ile overhead oluşturulmamış oluyor. Bu da ciddi bir hız kazancı demek.

6- A-MPDU (Aggregated MAC Protocols Data Unit)

A-MSDU için, yukarıda, “aynı hedefe gitmeye çalışan aynı access class’a ait paketleri tek MAC header’i altinda toplayıp tek bir MAC frame’i olarak gönderir” ifadesi kullanılmıştı. 2. Katmanda çalışan A-MSDU’nun ötesinde, A-MPDU denilen teknik ise fiziksel katmanda çalışıyor ve MAC katmanından gelen frame’leri bu sefer tek bir PLCP (Phyisical Layer convergence Protocol) header’i altina birleştiriyor ve tekrar -aynı yukarıdaki mantıkla- header kazancı sağlıyor. Tabii ki bu iş A-MSDU kadar verimlilik sağlamıyor ama yine de önemli bir kazanç sağlıyor. A-MSDU tekniği aynı access class’a (aynı TID değerine) sahip ve aynı hedefe giden verileri tek başlık altında toplarken, A-MPDU tekniği sadece aynı hedefe giden paketleri tek bir PLCP header’i altinda topluyor.

7- Block Acknowledgement

Bir diğer 802.11n iyileştirmesi de block acknowledgement isimli teknik. Normalde, malum, 802.3 wired ethernet ortamında ikinci seviyede ACK mekanizması mevcut değil. Ancak ACK mekanizması, doğası gereği bolca paket kaybı görülen kablosuz ortamlarda uygulanması gereken bir mekanizma. 802.11n teknolojisinde ise, birden çok MAC frame’ini teker teker Acknowledge etmek yerine, bir grup MAC frame’ini tek seferde ACK etmeye dayanan bir mekanizma var ve ismine de Block acknowledgement deniyor. Aggregate edilmiş MAC frame’leri için de tek seferde hepsi için Block Acknowledgement uygulanabiliyor. BA tekniği de, diğer teknikler gibi, sistemin toplam verimliliğini arttıran bir yöntem.

Hepsini toplayalım. İşte 802.11n!

Yukarıda belirtilen teknikler sayesinde elde edilen kazanımları toplarsak ortaya şöyle bir sonuç çıkıyor: 2 Spatial Stream kullanan, OFDM subcarrier sayıları arttırılmış, guard interval aralığı azaltılmış, 40Mhz genişliğinde kanal kullanan ve MAC frame ve ACK birleştirme operasyonunu gerçekleştiren bir 802.11n radyosu, 300Mbps fiziksel hızda veri aktarımı yapabiliyor.
3 Spatial Stream kullanan radyolar da artık piyasada olduğuna göre, tek bir radyonun 450Mbps hızında veri iletişimi gerçekleştirebileceği, çift radyolu bir Access Point’in de toplam 900Mbps fiziksel hıza ulaşabileceği mümkündür
diyebiliriz.

Aşağıdaki tablo, genel olarak 802.11n hızlarını gayet güzel özetliyor. Ne kadar stream’e sahip bir sistemin, hangi kanal genişliğinde, hangi SGI opsiyonunda hangi hıza ulaşabileceği gayet güzel özetlenmiş. “802.11n destekliyorum” diyen cihazların 1 spatial stream destekleyenleri için 65Mbps, 2 SS destekleyenleri için de 135Mbps hızlar zorunlu olduğu için o kısım standartça desteklenmesi gereken zorunlu değerler olarak mavi çerçeve ile işaretlenmiş.

TxR:SS :)

İşte ünlü notasyon :) Kablosuz cihazlardan bahsederken, sadece 802.11n destekli olup olmadıklarına bakmayız. Başka özelliklere de bakarız. Malum, 802.11n teknolojisi kullanırken kaç adet spatial stream kullanacağınız, veri iletiminde kaç adet anten kullanacağız, veri gönderiminde kaç adet anten kullanacağınız da önemlidir. Bu özelliklere göre 802.11n AP’nizin veya cihazının veri transfer hızı ve/veya iletim sağlamlığı (reliability) artabilir veya azalabilir. İşte, 802.11n’in alt yeteneklerini açıklarken, TxR:SS ifadesine uyacak şekilde açıklama yapılır.

Buradaki T, transmit yapacak anten sayısıdır. R ile alım yapacak anten sayısıdır. SS ise cihazın desteklediği Spatial Stream (Veri Akışı) sayısıdır. Örneğin bir AP’nin 3 adet anteni varsa, bu 3 anteni hem alım için hem gönderim için kullanabiliyorsa ve bu AP 2 adet spatial stream destekliyorsa, bu cihazı kısaca 3×3:2 olarak ifade edebiliriz. Mesela bazı AP’ler 3×2:2 olabiliyor. Yani gönderim için 3 antenini kullanabiliyor, alım için 2 anten kullanıyor ve 2 adet spatial stream destekliyor.

Mobil cihazlar ise, bol bol “802.11n desteklidir!” diye reklamları yapılmasına karşın, aslında çok da üstün performanslı bir şekilde 802.11n kullanılabilecek cihazlar değiller. Pil ömürleri yüzünden, örneğin Ipad (1 ve 2) 1×1:1 olarak çalışabilen bir cihaz. Neyse ki Ipad hem 2,4Ghz hem de 5Ghz bandında çalışabiliyor. Iphone 4 ise sadece 2,4Ghz’da çalışabilen 1×1:1 802.11n chip’ine sahip.

Access Point’ler tarafına baktığımızda ise, Aruba harika bir atakla 3×3:3 AP’lerini tanıttı. Evet, en sonda 3 var! :) Yani 3 spatial stream destekleyen ve radyo başına 450Mbps hıza ulaşabilen (toplamda çift radyo ile 900Mbps) bir AP.

Kablosuz ağlarda hareketlenme yeni yeni başlıyor :)

Bir de “Geriye doğru uyumluluk” üzerine birkaç laf

Bunlara ek olarak, şunu da biliyoruz ki, her ne kadar 802.11n güzel ve verimli bir teknoloji de olsa, elimizdeki tüm cihazlar 802.11n değil. Çoğunlukla 802.11g desteğine sahip, hatta sadece 802.11b olarak çalışabilen birçok cihaz birçok organizasyonun günlük operasyonları için hayati önem taşıyor. Bu durumda “geriye doğru uyumluluk” konusu nasıl halledilecek? Aynı 802.11n network’ü dahilinde, hem 802.11n cihazlar hem de 802.11abg cihazlar nasıl çalışacaklar?

802.11n teknolojisi geriye doğru uyumlu. Yani bir ortamda 802.11n client’lar 300mbps çalışırken, aynı anda ortamda bulunan 802.11n olmayan diğer client’lar da aynı sistem ve aynı SSID üzerinden kendi hızları ile çalışabiliyorlar. Tabii bütün client’ların 802.11n olması durumunda genel performans daha iyi oluyor ancak yine de sistemin mixed-mode özelliği ve bu sayede geriye doğru uyumluluğu mevcut. Özellikle belirli markaların 802.11n AP’lerinin, 802.11n client’lar için airtime fairness yaparak her client’a teknolojisine göre hakettiği hızı verebilme avantajları sistemi toplamda mixed-mode durumunda dahi çok daha verimli hale getiriyor.

Velhasıl, 802.11n teknolojisi kablosuz ağların kenarda durduğu yapılarak son verdi, artık kablosuz ağların asıl network bağlantısı olduğu yapılar esas oldu. Bu yapılar, diğer güvenlik özellikleri ile beraber çok ciddi “zekilikte” altyapılara gebe.. Daha koşuşturmacanın çok çok başlarındayız hem de! :)

802.11n’den kısaca bahsettik. Aslında daha üzerinde konuşulacak çok konu, gerçek dünya uygulamalarına atıfta bulunarak bahsedebileceğimiz birçok saha tecrübesi var. Bunları da ayrı yazılarda ele alabiliriz zira bu endüstride daha birçok heyecan verici gelişim ve yenilik yolda…

Herkese iyi çalışmalar.

Oğuzhan Eren