WLAN器件開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中關(guān)鍵特性測(cè)試

WLAN技術(shù)帶來(lái)了新挑戰(zhàn)，如何才能有效地消除干擾？WLAN基站和接入點(diǎn)功率管理的效率如何？這些問(wèn)題必須通過(guò)綜合測(cè)試方案加以解決，本文專門論述了WLAN器件開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中關(guān)鍵特性測(cè)試的意義和優(yōu)勢(shì)。

WLAN技術(shù)為半導(dǎo)體芯片制造商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商(NEM)、業(yè)務(wù)提供商和網(wǎng)絡(luò)管理員帶來(lái)了新挑戰(zhàn)，因?yàn)槟切┬阅芪唇?jīng)測(cè)試或未經(jīng)證明的器件或設(shè)備很容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)故障。因此在交付新的WLAN產(chǎn)品或現(xiàn)場(chǎng)部署WLAN網(wǎng)絡(luò)之前，需要解決一些特定問(wèn)題。例如，在2.4GHz射頻(RF)范圍內(nèi)，如何才能有效地消除干擾？當(dāng)移動(dòng)用戶從一個(gè)接入點(diǎn)(AP)移動(dòng)到另一個(gè)接入點(diǎn)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)哪種類型的漫游切換延遲呢？MAC層和上層安全機(jī)制的不同實(shí)現(xiàn)將對(duì)產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)的性能將產(chǎn)生怎樣的影響？ WLAN基站和接入點(diǎn)功率管理的效率如何？上述所有問(wèn)題及傳統(tǒng)的端對(duì)端性能、延遲和丟包問(wèn)題都能通過(guò)綜合測(cè)試加以解決。

本文重點(diǎn)介紹WLAN性能測(cè)試的重要性及優(yōu)勢(shì)，并專門論述了WLAN器件開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中關(guān)鍵特性測(cè)試的意義和優(yōu)勢(shì)。

實(shí)際應(yīng)用中射頻傳播的標(biāo)準(zhǔn)化建模

WLAN芯片和設(shè)備制造商面臨的最大挑戰(zhàn)是如何利用2.4GHz和5GHz射頻信令實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和高性能的物理層。盡管 802.11b和 802.11a理論上可以分別達(dá)到11Mbps和54Mbps的數(shù)據(jù)率，但實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)率很大程度上取決于物理層接口與射頻信道接口特性(如多徑衰落、路徑損耗、延遲擴(kuò)展和對(duì)數(shù)正態(tài)屏蔽)匹配的程度。開發(fā)人員和業(yè)務(wù)提供商必須通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)實(shí)際的射頻損耗才能獲得真正意義上的產(chǎn)品性能。由于很難像雙絞線和銅線連接那樣再現(xiàn)影響射頻傳輸?shù)沫h(huán)境變量，因此需要解決的問(wèn)題很多也很復(fù)雜。以多徑干擾為例，無(wú)線電波可被固態(tài)物體反射并在原始信號(hào)稍作延遲后出現(xiàn)在無(wú)線接入點(diǎn)(WLAN AP)或W-NIC接收器中，這將引發(fā)碼間干擾并導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。在辦公室環(huán)境下，一般反射信號(hào)延遲為50ns，而生產(chǎn)車間的延遲則達(dá)到300ns。可以采用碼間間距調(diào)節(jié)技術(shù)抵消多徑干擾的影響，但需要以數(shù)據(jù)率為代價(jià)。此外，當(dāng)無(wú)線電波試圖跟蹤反射信號(hào)及原始信號(hào)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)干擾。

多徑衰落仿真器可以復(fù)現(xiàn)這類射頻特性，即通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)實(shí)際的射頻損耗對(duì)待測(cè)系統(tǒng)(SUT)進(jìn)行驗(yàn)證。到射頻信道仿真器和干擾仿真器的連接既可以采用射頻隔離室，也可以利用雙絞線直接連接到射頻損耗仿真器裝置。仿真器連接也需要利用射頻環(huán)行器(circulator)隔離信號(hào)的發(fā)送和接收。SUT的性能首先應(yīng)當(dāng)在沒有損耗的環(huán)境下精確測(cè)量，一旦建立了基準(zhǔn)，就可以通過(guò)引入各種信道模型(如JTC或指數(shù)衰落Rayleigh 模型)對(duì)物理層進(jìn)行漸進(jìn)式損耗測(cè)試。JTC信道模型的優(yōu)勢(shì)在于獲得了聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的認(rèn)可，成為無(wú)線室內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)模型，因此適用于各種WLAN系統(tǒng)的性能比較。

2.4GHz 射頻范圍內(nèi)干擾下的系統(tǒng)性能

射頻干擾是指那些影響正常系統(tǒng)操作的不期望干擾射頻信號(hào)。幅度足夠大且在接收器頻譜范圍內(nèi)的干擾射頻信號(hào)完全可以視為在不斷發(fā)送數(shù)據(jù)包的偽802.11基站。這使得合法的802.11基站必須等到干擾信號(hào)消失后才能正常發(fā)送數(shù)據(jù)。在擁擠的2.4GHz 范圍內(nèi)尤其需要考慮這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲⒉t、無(wú)線電話、藍(lán)牙器件及其他的非802.11器件都在這里與802.11b器件共享頻譜。噪聲和干擾仿真器可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下仿真這些損耗，因此是任何裝備齊全的WLAN測(cè)試實(shí)驗(yàn)室不可或缺的裝置。現(xiàn)在，各公司正在為WLAN市場(chǎng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的WLAN干擾模型，但至今均未發(fā)布產(chǎn)品。

漫游切換延遲和射頻速率適配性能的測(cè)量

在WLAN用戶移動(dòng)中，接入點(diǎn)首先將通過(guò)降低連接速率保證用戶在離開服務(wù)區(qū)后仍能保持連接。之后，如果信號(hào)繼續(xù)在衰落，客戶端可以選擇另一個(gè)具有更強(qiáng)信號(hào)的接入點(diǎn)?？赡苡腥藭?huì)想當(dāng)然地以為漫游切換延遲無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗麄償y帶筆記本電腦出行時(shí)，往往并不要求在線。但我們也必須考慮其他一些情形，那時(shí)較差的速率適配性能及漫游切換性能將影響無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)的效率。在某些特定應(yīng)用中，漫游還可能引發(fā)接入點(diǎn)的可擴(kuò)展性問(wèn)題。不妨設(shè)想一下經(jīng)常發(fā)生在大學(xué)校園或大型公司環(huán)境下的漫游情形吧。在這兩種情況下，發(fā)生漫游時(shí)接入點(diǎn)需要處理大量的尖峰信號(hào)。

在 IEEE 802.11規(guī)范中，客戶端移動(dòng)性可以分為以下三類：

1．無(wú)切換：無(wú)線客戶端可能移動(dòng)也可能不移動(dòng)，但不會(huì)改變連接的接入點(diǎn)。

2．BSS切換：無(wú)線客戶端在屬于相同無(wú)線底層架構(gòu)的多個(gè)接入點(diǎn)之間移動(dòng)。

3．ESS切換：無(wú)線客戶端在屬于不同無(wú)線底層架構(gòu)的多個(gè)接入點(diǎn)之間移動(dòng)。

無(wú)線客戶改變接入點(diǎn)連接時(shí)，任何發(fā)送到該無(wú)線客戶的傳輸流都將改變物理路徑。這鐘切換不會(huì)瞬間完成并有可能觸發(fā)各種各樣的錯(cuò)誤，包括數(shù)據(jù)的丟失、錯(cuò)誤插入、重復(fù)發(fā)送和失序以及持續(xù)增加的延遲。

移動(dòng)到接入點(diǎn)范圍之外的無(wú)線客戶端可以不斷地在傳送數(shù)據(jù)的低速率和不傳送數(shù)據(jù)的高速率之間進(jìn)行速率適配。此外，如果無(wú)線客戶端位于兩個(gè)接入點(diǎn)的范圍內(nèi)，那么將在這兩個(gè)接入點(diǎn)之間反復(fù)切換。根據(jù)重連接對(duì)性能的影響以及連接改變的頻率，這種往復(fù)式切換影響性能的程度也不一樣。

802.11規(guī)范還規(guī)定，ESS切換中可以出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷，但BSS切換中完全可以沒有業(yè)務(wù)中斷。然而，該規(guī)范沒有規(guī)定實(shí)現(xiàn)客戶端重連接或接入點(diǎn)切換功能的方法。

由于規(guī)范并沒有給出標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法，因此每家供應(yīng)商采用的測(cè)試手段也各不相同。

各種安全解決方案的可擴(kuò)展性：WEP、802.11i、802.1x、IPSec、SSL和Firewall

上述每種實(shí)現(xiàn)方法都或多或少存在一些缺陷：X.25速率太低，IP則沒有足夠多的地址，而802.11則受限于安全定義方式 DD有線安全等級(jí)協(xié)議 (WEP)，因?yàn)閃EP沒有明確RC4流加密中的初始化向量(IV)的實(shí)現(xiàn)方法。某些實(shí)現(xiàn)方法在每次重啟時(shí)將IV設(shè)定為0，而每使用一次則自動(dòng)增加1。這樣，有可能導(dǎo)致需要復(fù)用密鑰流。此外，考慮到加密密鑰和IV均不采用MD5或SHA-1這些散列方法進(jìn)行編碼，因此WEP很容易遭受那些針對(duì)消息流加解密的簡(jiǎn)單密碼解析攻擊。IEEE標(biāo)準(zhǔn)制訂組正同802.11i緊密合作以期克服WEP的這個(gè)缺陷，但設(shè)備提供商和業(yè)務(wù)提供商已經(jīng)轉(zhuǎn)向其他的安全解決方案，如 802.1x、IPSec、SSL、集成防火墻及其他專用解決方案。這樣，WLAN就能根據(jù)選擇的安全機(jī)制及實(shí)現(xiàn)方法的效率為各種解決方案選擇性能，從而能充分地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。為了更好地理解與WLAN安全解決方案相關(guān)的性能問(wèn)題，非常有必要在實(shí)際中進(jìn)行IP虛擬專用網(wǎng)(IP-VPN)協(xié)議的控制層測(cè)試及面向連接(HTTP)和無(wú)連接(UDP)傳輸流的數(shù)據(jù)層測(cè)試。

利用IPSec協(xié)議確定IP-VPN隧道創(chuàng)建容量、在每條隧道上生成UDP或HTTP傳輸流并測(cè)量數(shù)據(jù)的性能特性(如丟包率、延遲和響應(yīng)時(shí)間)至關(guān)重要。上述結(jié)果不僅需要有效地顯示以進(jìn)行快速性能基準(zhǔn)比較，還必須成為解決互操作性問(wèn)題的有效手段。

防火墻測(cè)試應(yīng)確定最大的應(yīng)用事務(wù)處理容量并以TCP為傳輸代理測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。防火墻測(cè)試應(yīng)當(dāng)測(cè)量防火墻執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)地址解析(NAT)的性能以及測(cè)試采用的多分組數(shù)據(jù)濾波準(zhǔn)則的影響。防火墻測(cè)試設(shè)備也應(yīng)當(dāng)允許傳輸與其他應(yīng)用傳輸流并行生成的不同速率攻擊流以檢驗(yàn)防火墻抵御拒絕服務(wù)攻擊(DoS)的能力。這樣就能制訂出合法的傳輸流性能基準(zhǔn)，而攻擊流也能在待測(cè)設(shè)備的引導(dǎo)下不斷消耗占用的資源。

檢驗(yàn)防火墻的性能需要能足以對(duì)峰值互聯(lián)網(wǎng)條件進(jìn)行建模并仿真互聯(lián)網(wǎng)混合傳輸流的高流量互聯(lián)網(wǎng)事務(wù)，因?yàn)榛跔顟B(tài)檢查的防火墻(Stateful Firewall)需要產(chǎn)生真正的應(yīng)用傳輸流以正確地轉(zhuǎn)發(fā)傳輸流?？蓴U(kuò)展性是選擇正確的防火墻測(cè)試設(shè)備時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素，因?yàn)闉榱藴y(cè)試防火墻的性能，每秒鐘往往需要有效地測(cè)試數(shù)千個(gè)HTTP事務(wù)及數(shù)百萬(wàn)條并發(fā)的TCP連接。

測(cè)試將推動(dòng)WLAN技術(shù)的應(yīng)用

由于WLAN技術(shù)能夠帶來(lái)真正的成本效益、移動(dòng)性并增加辦公區(qū)域、大學(xué)校園、家庭和熱點(diǎn)地區(qū)的連接效率，因此獲得了廣泛認(rèn)可并迅速得到推廣。對(duì)于802.11a和802.11a/b雙模及802.11g設(shè)備，2005年的增長(zhǎng)率則有望達(dá)到3位數(shù)。雖然得到了廣泛認(rèn)同并迅速推廣，但人們?nèi)詫?duì)WLAN至今尚未實(shí)現(xiàn)的性能以及不甚令人滿意的業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)心存疑慮。早期的客戶尚能容忍WLAN技術(shù)的一些缺陷因?yàn)樗麄兿Ｍ麘?yīng)用最新的技術(shù)，但隨著該技術(shù)成為主流解決方案，客戶對(duì)WLAN性能和QoS上的缺陷將變得越來(lái)越無(wú)法忍受。用戶并不滿足于只能漫游，例如他們希望不僅能自由移動(dòng)，而且發(fā)生接入點(diǎn)連接中斷或重連接入點(diǎn)時(shí)也不會(huì)中斷業(yè)務(wù)。一旦意識(shí)到這一點(diǎn)，芯片和設(shè)備生產(chǎn)商及業(yè)務(wù)提供商就會(huì)加強(qiáng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，利用新的測(cè)試設(shè)備仿真實(shí)際射頻網(wǎng)絡(luò)條件并測(cè)試產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)解決方案的高穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。對(duì)于那些解決方案能滿足主流客戶性能需求的廠商而言，WLAN技術(shù)可以為他們帶來(lái)豐厚的利潤(rùn)。