WLAN压力测试放大802.11性能问题

在一次不常见到的使用三家厂商设备的大规模WLAN压力测试中，测试人员发现，随着WLAN规模和流量的增加，许多WLAN都可能遇到性能极限，问题不在于厂商的设备，而在于802.11协议的设计。
问题源于协议效率
设计和操作这次测试的是一家名叫Novarum的咨询公司。该测试证实了在高密度网络下存在的两个麻烦问题：首先，接入点之间相同信道的无线干扰会大大降低WLAN的总吞吐量;其次，常规的控制器+瘦接入点架构不能随着某一区域中的接入点数量的增加很好地扩展。
根据Novarum的报告，这些问题的出现与802.11媒体访问控制(MAC)层的设计、处理确认和重传的方法，以及在持续的高流量负载下的问题处理有关。在目前很多WLAN产品以及利用这些产品建立的WLAN中，由于网络中的无线客户端数量比较少，并且它们的传输流主要由少量的和突发的数据传输流构成，因此这种协议上的低效率并不会存在问题。
基于802.11n的高吞吐量WLAN(尤其当运行在5GHz信道时)将会部分减轻这些问题的影响，但也不能完全消除。11n只是可以提供更大的“数据管道”，从而在高密度WLAN中达到网络超载需要更多的流量而已。但由于11n更高的吞吐量，企业将寻求利用它做更多的事情(如传送语音和视频等)，同样容易造成网络的超载。
Novarum公司共同创建人PhilBelanger说：“如果不着手解决共信道干扰和对接入点协作的需要，将给支持无线语音和视频的协议造成更大的压力。”
测试环境力求真实
2007年秋季，Novarum公司这次不同寻常(出于实际部署的接入点和客户端数量)的测试在美国Sunnyvale市一个空闲的二层楼办公室(约为20000平方英尺)里进行，而通常的WLAN测试只是在一个类似实验室的环境中部署一台接入点和十来台客户端而已。
在这次测试中，Novarum动用了72台带有无线网卡的笔记本电脑和54部无线VoIP手机，通过15台接入点(随后使用10台接入点)连接在典型的办公WLAN上。网络设备则分别使用来自ArubaNetworks、思科和MeruNetworks的无线控制器和接入点(Aruba800控制器+AP 70;思科4402控制器+AP 1242;Meru MC3000控制器+AP 208)构建。
测试一共进行了7次，在多数情况下都是先使用15台接入点，然后使用10台接入点。接入点配备802.11a/b/g设备，但Novarum只进行2.4GHz频段上的11g测试。一次测试是纯数据的，使用了72台笔记本电脑;其余测试则是语音传输，分别进行24、48和72个模拟VoIP通话。还有两次测试为语音和数据混合测试，一次为测试WLAN可以支持多少VoIP手机的同时呼叫。Belanger表示，压力测试本意不是厂商设备的产品测评，虽然它们有着类似的出发点。
数据测试结果不够理想
关于测试结果，Belanger介绍说：“测试结果似乎出现门槛，超过这个门槛后，WLAN系统表现不佳。负载越大，出现的错误就越多，从而导致更多的重传，这反过来又加大了负载……”
不同品牌的WLAN设备根据它们使用的网络架构类型，以不同方式处理这种螺旋效应。Aruba和思科采用Belanger称之为“微蜂窝”的架构——连接在中央控制器上的精简型接入点。邻近的接入点运行在独立的信道上，并且存在一些覆盖重叠，以便为移动客户端提供无缝的覆盖和漫游。这种模型为当今大多数WLAN厂商所采用。
相比之下，Meru可以将相邻接入点设置为运行在一个信道上，并对其“空中”行为进行更多的控制。据Belanger说，Meru控制器可以看到每台接入点上的每个相关联客户端的传送队列，可以分配接入点用于每台客户端的时间。Meru设备没有自己尝试挤进传输“大门”，而是耐心等着轮到自己，因此吞吐量比较稳定。
另一家厂商Extricom采取相类似的方式，将4个无线电装置放在一台设备中，但在其控制器中运行整个802.11的MAC层。这种接入点只有无线电装置和天线，甚至缺少CPU。Extricom声称，这是为了消除相同信道干扰，并在每个包的基础上更好地管理客户端的无线连接性。
在使用72台笔记本电脑和15台接入点的纯数据测试中，思科和Aruba所提供的总吞吐量还不到50Mbps。换句话说，在全网络范围内，每台客户端只得到平均不到1Mpbs的吞吐量，而人们的预期是每台接入点20Mbps吞吐量或15台接入点300Mbps总吞吐量这样的结果。
但是，当接入点数量减少到10台时，吞吐量却大大增加。在Aruba的案例中，吞吐量增加近40%，由47Mbps增加到64Mbps。报告说：“更多的接入点允许更多的同时传输，这就造成更多的干扰，降低了这些系统的性能。”
在Meru的实验中，办公室为5台接入点所覆盖(这些接入点都运行在2.4GHz频段其中一个信道上)，另两组接入点(每组5台接入点)被添加到同样的位置，每组接入点各使用余下的两个信道中的一个，所有接入点都以最大功率设置运行。测试结果显示，Meru可提供100Mbps的系统吞吐量，是思科和Aruba吞吐量的两倍以上。有趣的是，当Novarum将接入点数量减少到10台设备时，Meru的总吞吐量降到了60Mbps。
Novarum的报告总结说：来自相邻AP的相同信道干扰似乎对微蜂窝系统产生明显的影响。802.11无线电的干扰范围远远超过了有效的通信距离——在持续的高负载下，这种干扰变成了一个影响因素。而在这些高负载网络中的某些点上，如果使用Aruba和思科的接入点，有30%到40%的数据包要进行重新传输，而使用Meru接入点的重传数量则少得多。
语音呼叫也遇到极限
而在语音测试当中，Novarum发现Meru架构能够在总体上提供更好的语音支持——可处理更多的同时呼叫(Meru在语音测试中没有遇到上限)并提供收费质量的语音。在使用10台思科接入点时，思科WLAN能够处理大约24个VoIP呼叫。在处理48个或更多的模拟呼叫时，思科不能提供收费质量。当测试真正的手机时，思科基础设施似乎在26或28个同时呼叫时达到了极限。
在报告的附录中，Belanger这样写道：“我所看到的问题与802.11MAC层协议相关，在使用很多接入点和持续的高负载时，这些系统非常容易出现不稳定行为。Aruba和思科系统没有出现任何故障。它们只是选择了不解决这个问题。”
目前，来自IEEE的两个802.11工作小组11k和11t正致力于解决这个问题(至少是部分解决)，方法是对接入点无线电设备(一定程度上对客户端无线电设备)进行更多控制。目前这项工作仍在进行中。

测试目的及客观性
最后，对Novarum压力测试的信任程度取决于两个问题：你是否认同测试者的假设，以及Meru对测试和测试者独立性的影响。
对此Belanger表示：“我们的测试中唯一不寻常的事情是数据测试中的恒定负载——这种负载相当于72个人在同一个网络上同时从iTunes商店下载电影。”Belanger承认这不是大多数企业网络的典型行为，但“我们期望这些系统能够优雅地处理这种负载。”
Belanger表示，本次测试的主要目的不在于对3种产品进行评级，而在于802.11协议在高负载下的行为，以及不同架构如何对付这种行为。