Что такое бесшовный роуминг для беспроводных устройств
Бесшовный WiFi Роуминг на Роутерах Keenetic — Как Настроить Mesh Сеть Дома Своими Руками в Квартире
В этой статье поговорим о том, как настроить бесшовный WiFi роуминг между 2 роутерами Keenetic дома в квартире на основе технологии mesh сетей. Ранее для увеличения расстояния действия вай-фай можно было установить на оборудование Кинетик дополнительный компонент для усиления сигнала интернета, то можно подключить роутер через роутер и использовать его в качестве повторителя. Однако в новой версии прошивки мы получаем не просто большую площадь покрытия, но и полноценную mesh сеть с бесшовным роумингом WiFi и контроллером нагрузки по всей квартире. Причем организовать ее сможет абсолютно любой своими руками из двух обычных роутером Keenetic.
Что это такое — бесшовный wifi роуминг (roaming)?
Бесшовный WiFi роуминг (от англ. «roaming») — это такая беспроводная сеть, состоящая сразу из нескольких роутеров, которые покрывают большую площадь в доме. При перемещении по нему подключенное устройство само переподключается к той точке доступа, от которой в данный момент исходит наилучший сигнал без потери связи.
Решить проблему с покрытием большого помещения беспроводным сигналом может заключаться в простой установке нескольких маршрутизаторов в разных комнатах и настройкой на них одинаковый сетей с идентичными паролями. Однако при при переключении между ними смартфон или ноутбук будет постоянно терять связь с интернетом. Это критично, если вы например качаете какие-то файлы или играете в онлайн игры.
Также при подобном типе подключения нет никакого распределения нагрузки между роутерами. Одновременно к одному и тому же могут быть присоединены сразу 10 гаджетов, потребляющих ресурсы и мешающих друг другу.
Как сделать бесшовную mesh сеть WiFi своими руками дома в квартире?
Конечно же способов создать своими руками дома бесшовную wifi сеть сегодня уже много. В том числе и при помощи того же оборудования для mesh систем от TP-Link Deco, D-Link, Zyxel Multy, Cisco, Ubiquity или Tenda Nova, которых мы уже писали на блоге. В мобильном приложении для их настроек он часто обозначен как «Быстрый роуминг» или Fast Roaming. Среди тех, которые пока не удалось охватить своим взором, хочется также отметить следующие комплекты:
Ubiquiti UniFi AC Mesh
Фирма Ubiquiti давно славится своими качественными профессиональными точками доступа. Комплект UniFi AC Mesh является одной из последних разработок для организации wifi сети с бесшовным роумингом для больших офисных или складских площадей.
Mikrotik Capsman
Еще один профессиональный производитель wifi оборудования представляет бюджетный вариант организации бесшовной сети с помощью контроллера Mikrotik Capsman. Однако он также рассчитан скорее для офисного использования из-за сложности его настройки.
Cisco Roaming
Бесшовная система Cisco Roaming самая крутая из всех перечисленных, но и самая дорогая. А из-за этого также вряд ли ее можно причислить к тем наборам wifi роутеров, которые оптимальны для дома или квартиры.
Mesh сеть WiFi с бесшовным роумингом через роутеры Keenetic Roaming
Сегодня хотел бы разобрать возможность использования двух роутеров Keenetic, в частности модели Speedster, которую я показывал недавно в обзоре.
Речь пойдет именно о новой линейке, а не о старых маршрутизаторах Zyxel Keenetic. Сегодня эти производители разделились на разные бренды, и взаимодействовать между собой в рамках mesh системы они не могут.
Особенность новых моделей роутеров Кинетик в том, что не нужно сразу покупать дорогую систему, состоящую из нескольких точек доступа. Можно пользоваться сначала одним маршрутизатором, а потом докупить второй и объединить их между собой в одну бесшовную сеть по WiFi при помощи встроенной в них mesh технологии. А это очень актуально для создания бесшовного роуминга в условиях большого дома или квартиры. Часто бывает, что изначально нет средств на полноценную систему, но в перспективе вы хотите расширить площадь покрытия wifi без потери в производительности.
Для создания wifi сети с бесшовным роумингом у вас должно иметься два роутера Кинетик с самой последней версией операционной системы Keenetic OS и с установленным на один из них компонентом репитера. В моей системе роль главной точки доступа будет играть Keenetic Viva. В качестве повторителя используем Speedster.
Как соединить два роутера Zyxel Keenetic в одну mesh сеть?
Итак, у нас уже есть подключенный к интернету роутер Keenetic Viva. Для работы его в качестве контроллера mesh сети необходимо сначала зайти в настройки по адресу my.keenetic.net и установить модуль операционной системы Keenetic OS, который позволит объединить несколько маршрутизаторов в одну mesh сетку. Для этого идем в меню «Управление — Общие настройки» и жмем на странице на кнопку «Изменить набор компонентов»
И ставим здесь галочку на «Контроллер Wi-Fi системы»
Бесшовный роуминг Wi-Fi
Начальник позвал в переговорку, сказал захватить с собой ноутбук. Вроде бы ничего — и там, и на рабочем месте у нас офисная беспроводная сеть. Приходим — а загрузка поставленного на скачивание большого файла оборвалась, SSH-сессии закрылись, заботливо набранная веб-форма при отправке почему-то сбросилась. Знакомо?
Сегодня мы поговорим о бесшовном роуминге устройств в беспроводных сетях Wi-Fi. 
Роумингом называется процесс переподключения устройства к беспроводной сети при перемещении его в пространстве. Принимаемая мощность радиосигнала ослабевает с расстоянием до передатчика, в результате чего падает эффективная скорость передачи информации, растут канальные ошибки вплоть до обрыва беспроводного соединения. При наличии в радио-сети с одним именем (SSID) более чем одной точки доступа перемещение мобильного абонента из зоны уверенной работы в пределах первой точки доступа в зону, где сигнал от второй точки доступа качественнее (выше мощность, больше отношение сигнал/шум) может произойти такое переподключение.
Решение об осуществлении переподключения всегда принимает клиентское устройство (драйвер Wi-Fi адаптера). Точка доступа может только «подсказать» устройству о желательности данного действия. Иногда можно указать в настройках драйвера параметр «агрессивности» принятия решения. Однако при первоначальном подключении абонента централизованно управляемая система может «заставить» абонента подключиться к предпочтительной (с точки зрения загрузки) точке, и на желаемом канале/диапазоне.
Бесшовным называют такой механизм роуминга, при котором потери передаваемых данных, возникающие в момент переключения с точки на точку, минимальны либо равны нулю, а стек TCP/IP клиентской операционной системы даже не замечает факт переключения. Такой механизм важен при эксплуатации чувствительных к задержкам и потерям приложений, таких как передача голоса по радио-сети (Voice over Wireless), потокового видео, больших объемов данных и вообще всех случаев, где протокол TCP не в состоянии «переварить» временное пропадание канала передачи данных.
Мы поставим эксперименты и подсмотрим за процессом бесшовного роуминга, реализованного средствами централизованно управляемой беспроводной сети, построенной на оборудовании Juniper Wireless, о котором шла речь во вводной статье. Это система корпоративного класса, специально спроектированная для решения задач обеспечения бесшовного роуминга. Затем мы «сломаем» бесшовность и продемонстрируем, к чему это приводит и какого поведения можно ожидать от устройств «бытового класса».
Расположим ноутбук так, чтобы принимаемый им сигнал от обеих точек доступа (на 6 и 11 каналах диапазона b/g, 2.4 ГГц) был примерно одинаковым, подключимся к сети, запустим пинг, посмотрим на распределение энергии в эфире:
Для проверки работоспособности роуминга необходимо, чтобы ноутбук стал получать от точки доступа, с которой он в настоящий ассоциирован, сигнал существенно худший, чем от другой точки с тем же SSID и настройками шифрования. Можно переносить ноутбук, но мне было так не удобно, поэтому я носил одну из точек доступа (на длинном Ethernet кабеле) поближе либо за бетонный угол, а сигнал второй ослаблял, накрывая её тремя вложенными стальными кастрюлями, как матрешку. Каждая кастрюля давала ослабление в 3-4 dB. В результате в какой-то момент времени клиент «соскакивал» на другую точку доступа:
При этом анализ пакетов в эфире показывает такую картину (для того, чтобы OmniPeek мог видеть весь трафик, мне пришлось повторить все эксперименты с точками, жестко завязанными на 11й канал, иначе при сканировании по <6,11>я бы потерял самое интересное).
Ноутбук пытается найти более предпочтительную точку доступа (probe request, фрейм 79086), и получает ответы от обоих, с уровнем сигнала 23% (текущая) и 63% (кандидат).
Последний полезный кадр 79103 передан до сервера через ap2, после чего кадрами 79122-79136 произведено быстрое переключение на ap1, включая авторизацию, реассоциацию, обмен EAPOL.
В запросе на реассоциацию в кадре 79126 содержится ключ PMKID (Pairwise Master Key), который определяет, грубо говоря, идентификатор данной беспроводной сессии. Если точки доступа работают коллективно (под управлением одного контроллера, либо контроллеры общаются между собой), «новая» точка доступа проверяет полученный идентификатор по своим таблицам и, если таковой найден, пропускает этап авторизации и тут же разрешает обмен данными.
В нашем случае первый полезный кадр 79138 через новую точку доступа, ap1, пошел через 90 миллисекунд после последнего через старую. RADIUS-сервер получил только промежуточное сообщение аккаунтинга от точки, которую оставили в покое:
Всё это работало так быстро только потому, что обе точки доступа (вернее, обслуживающие их контроллеры) имеют общую базу подключенных активных клиентских устройств. Для этого контроллеры объединены в «группу мобильности». Выбирается имя, задается начальный «кандидат на роль главного»:
WLA-1:
WLA-2:
Пример функционирующей группы мобильности:
При роуминге абонентов между точками доступа контроллеры обмениваются контекстом абонента, включая историю его перемещений:
WLC-1# sh sessions network verbose
Name: test
Session ID: 42
Global ID: SESS-41-d44e4b-442936-c9f222
Login type: dot1x
SSID: DOT1X
IP: 172.16.130.128
MAC: 00:21:5d:c8:06:8a
AP/Radio: 5/1 (Port 5)
State: ACTIVE
Session tag: 1
Host name: Cartman
Vlan name: default (AAA)
Device type: windows7 (AAA)
Device group: windows (AAA)
Up time: 00:09:59
Roaming history:
Switch AP/Radio Association time Duration
— — — — *172.16.130.30 5/1 06/28/13 22:12:22 00:06:34
172.16.130.31 2/1 06/28/13 21:57:28 00:14:54
172.16.130.30 5/1 06/28/13 22:08:56
Session Start: Fri Jun 28 22:08:57 2013 MSK
Last Auth Time: Fri Jun 28 22:08:57 2013 MSK
Last Activity: Fri Jun 28 22:18:56 2013 MSK ( Полный цикл авторизации на RADIUS-сервере
В результате эффективный перерыв в передаче данных составил 332 миллисекунды. Причем в нашем эксперименте RADIUS-сервер пользовался локальной базой данных, т.е. не обращался к медленному SQL серверу, не спрашивал разрешения в Active Directory и не занимался пересылкой, верификацией и сравнением Х.509 сертификатов.
В данной статье мы не рассмотрели различные имеющиеся стандартные либо вендор-зависимые механизмы «помощи» клиентского роуминга, такие как WPA2 Fast BSS Transition (FT) 802.11r, Neighbor Reports и т.п. Желающие могут изучить эту серию статей.
Бесшовный Wi-Fi-роуминг: теория на практике
Разбираемся с технологиями роуминга (Handover, Band steering, IEEE 802.11k, r, v) и проводим пару наглядных экспериментов, демонстрирующих их работу на практике.
Введение
Беспроводные сети группы стандартов IEEE 802.11 сегодня развиваются чрезвычайно быстро, появляются новые технологии, новые подходы и реализации. Однако с ростом количества стандартов в них все сложнее становится разобраться. Сегодня мы попытаемся описать несколько наиболее часто встречающихся технологий, которые относят к роумингу (процедуре повторного подключения к беспроводной сети), а также посмотреть, как работает бесшовный роуминг на практике.
Handover или «миграция клиента»
Подключившись к беспроводной сети, клиентское устройство (будь то смартфон с Wi-Fi, планшет, ноутбук или ПК, оснащенный беспроводной картой) будет поддерживать беспроводное подключение в случае, если параметры сигнала остаются на приемлемом уровне. Однако при перемещении клиентского устройства сигнал от точки доступа, с которой изначально была установлена связь, может ослабевать, что рано или поздно приведет к полной невозможности осуществлять передачу данных. Потеряв связь с точкой доступа, клиентское оборудование произведет выбор новой точки доступа (конечно же, если она находится в пределах доступности) и осуществит подключение к ней. Такой процесс и называется handover. Формально handover — процедура миграции между точками доступа, инициируемая и выполняемая самим клиентом (hand over — «передавать, отдавать, уступать»). В данном случае SSID старой и новой точек даже не обязаны совпадать. Более того, клиент может попадать в совершенно иную IP-подсеть.
Как в старой, так и в новой сети у клиента будет присутствовать доступ в интернет, однако все установленные подключения будут сброшены. Но проблема ли это? Обычно переключение не вызывает затруднений, так как все современные браузеры, мессенджеры и почтовые клиенты без проблем обрабатывают потерю соединения. Примером такого переключения может служить переход из кинозала в кафе внутри одного крупного торгового центра: только что вы обменялись с друзьями впечатлениями от нашумевшего блокбастера, а теперь готовы поделиться с ними фотографией кулинарного шедевра — нового десерта от шеф-повара.
Увы, в реальности все не так гладко. Все большую популярность набирают голосовые и видеовызовы, передаваемые по беспроводным сетям Wi-Fi, — независимо от того, используете ли вы Skype, Viber, Telegram, WhatsApp или какое-либо иное приложение, возможность перемещаться и при этом продолжать разговор без перерыва бесценна. И здесь возникает проблема минимизации времени переключения. Голосовые приложения в процессе работы отправляют данные каждые 10–30 мс в зависимости от используемого кодека. Потеря одного или пары таких пакетов с голосом не вызовет раздражения у абонентов, однако, если трафик прервется на более продолжительное время, это не останется незамеченным. Обычно считается, что прерывание голоса на время до 50 мс остается незамеченным большинством собеседников, тогда как отсутствие голосового потока в течение 150 мс однозначно вызывает дискомфорт.
Для минимизации времени, затрачиваемого на повторное подключение абонента к медиасервисам, необходимо вносить изменения как в опорную проводную инфраструктуру (позаботиться, чтобы у клиента не менялись внешний и внутренний IP-адреса), так и в процедуру handover, описанную ниже.
Handover между точками доступа:
Источник: frankandernest.com
Band steering
Технология band steering позволяет беспроводной сетевой инфраструктуре пересаживать клиента с одного частотного диапазона на другой, обычно речь идет о принудительном переключении клиента с диапазона 2,4 ГГц в диапазон 5 ГГц. Хотя band steering и не относится непосредственно к роумингу, мы все равно решили упомянуть его здесь, так как он связан с переключением клиентского устройства и поддерживается всеми нашими двухдиапазонными точками доступа.
В каком случае может возникнуть необходимость переключить клиента в другой частотный диапазон? Например, такая необходимость может быть связана с переводом клиента из перегруженного диапазона 2,4 ГГц в более свободный и высокоскоростной 5 ГГц. Но бывают и другие причины.
Стоит отметить, что на данный момент не существует стандарта, жестко регламентирующего работу описываемой технологии, поэтому каждый производитель реализовывает ее по-своему. Однако общая идея остается примерно схожей: точки доступа не анонсируют клиенту, выполняющему активный скан, SSID в диапазоне 2,4 ГГц, если в течение некоторого времени была замечена активность данного клиента на частоте 5 ГГц. То есть точки доступа, по сути, могут просто умолчать о наличии поддержки диапазона 2,4 ГГц, в случае если удалось установить наличие поддержки клиентом частоты 5 ГГц.
Выделяют несколько режимов работы band steering:
На схеме ниже мы попытались графически изобразить суть технологии band steering.
Технологии и стандарты
Вернемся теперь к самому процессу переключения между точками доступа. В стандартной ситуации клиент будет максимально долго (насколько это возможно) поддерживать существующую ассоциацию с точкой доступа. Ровно до тех пор, пока уровень сигнала позволяет это делать. Как только возникнет ситуация, что клиент более не может поддерживать старую ассоциацию, запустится процедура переключения, описанная ранее. Однако handover не происходит мгновенно, для его завершения обычно требуется более 100 мс, а это уже заметная величина. Существует несколько стандартов управления радиоресурсами рабочей группы IEEE 802.11, направленных на улучшение времени повторного подключения к беспроводной сети: k, r и v. В нашей линейке Auranet поддержка 802.11k реализована на точке доступа CAP1200, а в линейке Omada на точках доступа EAP225 и EAP225-Outdoor реализованы протоколы 802.11k и 802.11v.
802.11k
Данный стандарт позволяет беспроводной сети сообщать клиентским устройствам список соседних точек доступа и номеров каналов, на которых они работают. Сформированный список соседних точек позволяет ускорить поиск кандидатов для переключения. Если сигнал текущей точки доступа ослабевает (например, клиент удаляется), устройство будет искать соседние точки доступа из этого списка.
802.11r
Версия r стандарта определяет функцию FT — Fast Transition (Fast Basic Service Set Transition — быстрая передача набора базовых служб), позволяющую ускорить процедуру аутентификации клиента. FT может использоваться при переключении беспроводного клиента с одной точки доступа на другую в рамках одной сети. Могут поддерживаться оба метода аутентификации: PSK (Preshared Key — общий ключ) и IEEE 802.1Х. Ускорение осуществляется за счет сохранения ключей шифрования на всех точках доступа, то есть клиенту не требуется при роуминге проходить полную процедуру аутентификации с привлечением удаленного сервера.
802.11v
Данный стандарт (Wireless Network Management) позволяет беспроводным клиентам обмениваться служебными данными для улучшения общей производительности беспроводной сети. Одной из наиболее используемых опций является BTM (BSS Transition Management).
Обычно беспроводной клиент измеряет параметры своего подключения к точке доступа для принятия решения о роуминге. Это означает, что клиент не имеет информации о том, что происходит с самой точкой доступа: количество подключенных клиентов, загрузка устройства, запланированные перезагрузки и т. д. С помощью BTM точка доступа может направить запрос клиенту на переключение к другой точке с лучшими условиями работы, пусть даже с несколько худшим сигналом. Таким образом, стандарт 802.11v не направлен непосредственно на ускорение процесса переключения клиентского беспроводного устройства, однако в сочетании с 802.11k и 802.11r обеспечивает более быструю работу программ и повышает удобство работы с беспроводными сетями Wi-Fi.
IEEE 802.11k в деталях
Стандарт расширяет возможности RRM (Radio Resource Management) и позволяет беспроводным клиентам с поддержкой 11k запрашивать у сети список соседних точек доступа, потенциально являющихся кандидатами для переключения. Точка доступа информирует клиентов о поддержке 802.11k с помощью специального флага в Beacon. Запрос отправляется в виде управляющего (management) фрейма, который называют action frame. Точка доступа отвечает также с помощью action frame, содержащего список соседних точек и номера их беспроводных каналов. Сам список не хранится на контроллере, а генерируется автоматически по запросу. Также стоит отметить, что данный список зависит от местоположения клиента и содержит не все возможные точки доступа беспроводной сети, а лишь соседние. То есть два беспроводных клиента, территориально находящиеся в разных местах, получат различные списки соседних устройств.
Обладая таким списком, клиентскому устройству нет необходимости выполнять скан (активный или пассивный) всех беспроводных каналов в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, что позволяет сократить использование беспроводных каналов, то есть высвободить дополнительную полосу пропускания. Таким образом, 802.11k позволяет сократить время, затрачиваемое клиентом на переключение, а также улучшить сам процесс выбора точки доступа для подключения. Кроме этого, отсутствие необходимости в дополнительных сканированиях позволяет продлить срок жизни аккумулятора беспроводного клиента. Стоит отметить, что точки доступа, работающие в двух диапазонах, могут сообщать клиенту информацию о точках из соседнего частотного диапазона.
Мы решили наглядно продемонстрировать работу IEEE 802.11k в нашем беспроводном оборудовании, для чего использовали контроллер AC50 и точки доступа CAP1200. В качестве источника трафика использовался один из популярных мессенджеров с поддержкой голосовых звонков, работающий на смартфоне Apple iPhone 8+, заведомо поддерживающий 802.11k. Профиль голосового трафика представлен ниже.
Как видно из диаграммы, использованный кодек генерирует один голосовой пакет каждые 10 мс. Заметные всплески и провалы на графике объясняются небольшой вариацией задержки (jitter), всегда присутствующей в беспроводных сетях на базе Wi-Fi. Мы настроили зеркалирование трафика на коммутаторе, к которому подключены обе точки доступа, участвующие в эксперименте. Кадры от одной точки доступа попадали в одну сетевую карту системы сбора трафика, фреймы от второй — во вторую. В полученных дампах отбирался только голосовой трафик. Задержкой переключения можно считать интервал времени, прошедший с момента пропадания трафика через один сетевой интерфейс, и до его появления на втором интерфейсе. Конечно же, точность измерения не может превышать 10 мс, что обусловлено структурой самого трафика.
Итак, без включения поддержки стандарта 802.11k переключение беспроводного клиента происходило в среднем в течение 120 мс, тогда как активация 802.11k позволяла сократить эту задержку до 100 мс. Конечно же, мы понимаем, что, хотя задержку переключения удалось сократить на 20 %, она все равно остается высокой. Дальнейшее уменьшение задержки станет возможным при совместном использовании стандартов 11k, 11r и 11v, как это уже реализовано в домашней серии беспроводного оборудования DECO.
Однако у 802.11k есть еще один козырь в рукаве: выбор момента для переключения. Данная возможность не столь очевидна, поэтому мы бы хотели упомянуть о ней отдельно, продемонстрировав ее работу в реальных условиях. Обычно беспроводной клиент ждет до последнего, сохраняя существующую ассоциацию с точкой доступа. И только когда характеристики беспроводного канала становятся совсем плохими, запускается процедура переключения на новую точку доступа. С помощью 802.11k можно помочь клиенту с переключением, то есть предложить произвести его раньше, не дожидаясь значительной деградации сигнала (конечно же, речь идет о мобильном клиенте). Именно моменту переключения посвящен наш следующий эксперимент.
Качественный эксперимент
Переместимся из стерильной лаборатории на реальный объект заказчика. В помещении были установлены две точки доступа с мощностью излучения 10 дБм (10 мВт), беспроводной контроллер и необходимая поддерживающая проводная инфраструктура. Схема помещений и места установки точек доступа представлены ниже.
Беспроводной клиент перемещался по помещению, совершая видеозвонок. Сначала мы отключили поддержку стандарта 802.11k в контроллере и установили места, в которых происходило переключение. Как видно из представленной ниже картинки, это случалось на значительном удалении от «старой» точки доступа, вблизи «новой»; в этих местах сигнал становился очень слабым, а скорости едва хватало для передачи видеоконтента. Наблюдались заметные лаги в голосе и видео при переключении.
Затем мы включили поддержку 802.11k и повторили эксперимент. Теперь переключение происходило раньше, в местах, где сигнал от «старой» точки доступа все еще оставался достаточно сильным. Лагов в голосе и видео зафиксировано не было. Место переключения теперь переместилось примерно на середину между точками доступа.
В этом эксперименте мы не ставили перед собой цели выяснить какие бы то ни было численные характеристики переключения, а лишь качественно продемонстрировать суть наблюдаемых различий.
Заключение
Все описанные стандарты и технологии призваны улучшить опыт использования клиентом беспроводных сетей, сделать его работу более комфортной, уменьшить влияние раздражающих факторов, повысить общую производительность беспроводной инфраструктуры. Надеемся, что мы смогли наглядно продемонстрировать преимущества, которые получат пользователи после внедрения данных опций в беспроводных сетях.
Можно ли в 2018 году прожить в офисе без роуминга? На наш взгляд, такое вполне возможно. Но, попробовав раз перемещаться между кабинетами и этажами без потери соединения, без необходимости повторно устанавливать голосовой или видеовызов, не будучи вынужденным многократно повторять сказанное или переспрашивать, — от этого будет уже нереально отказаться.