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Tecnologia de Redes, Mobilidade e Inovação

Como o problema do Hidden Station afeta os provedores wireless

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Este é um problema que afeta muitos (talvez todos) provedores de acesso via wireless: no horário de pico, a banda total em cada torre cai, apesar da demanda aumentar.

Antes de explicar a real causa do problema, vamos detalhar um pouco mais a forma como ele se manifesta. Medindo quantos Mbps passam em cada antena, o provedor verifica que de madrugada o consumo é pequeno (por exemplo 4Mpbps em média), esse consumo vai aumentando de acordo com que os usuários começam a usar, 6Mbps, 10Mbps, 15Mbps, 20Mbps até que, sem nenhuma razão aparente, começa a despencar: 15Mbps, 12Mbps, 6Mbps. E nesse momento os clientes começam a reclamar da instabilidade de conexão, da dificuldade em navegar na Internet ou baixar emails.

Não dá para culpar o tráfego de cada assinante. Quando temos mais assinantes usando ao mesmo tempo, a banda para cada um realmente vai cair, porque estamos dividindo o mesmo bolo em mais gente. Mas não é só isso: o tráfego total da antena cai! E bem na hora que os clientes mais precisam!

É algo quase misterioso, onde muitas vezes, sem outra explicação, culpamos alguma interferência (mesmo em torres onde não existe muito ruído) ou algum problema na rede (antena com problema? O rádio não estão aguentando o tráfego?).

Na verdade a causa do problema provavelmente é outra.

O Hidden Station

Esse é um problema comum em redes sem fio, porém pouco conhecido. Para entende-lo, precisamos entender como uma rede sem fio funciona a partir do básico.

Uma rede sem fio, como tudo mundo sabe, é algo compartilhado, não só entre os provedores na mesma cidade, mas também entre os usuários do mesmo provedor. O que ninguém lembra é que existe um mecanismo que tenta coordenar esses acessos.

O Wi-Fi foi criado para ser um protocolo simples de ser implementado, para uma densidade pequena de usuários. Na época, ninguém pensou que ele se tornaria algo tão comum como hoje.

Não uso rádios Wi-Fi!

Neste ponto você pode falar: "mas meu provedor não usa rádios Wi-Fi, eu uso a tecnologia mega-blaster-gold-silver-plus-double do fabricante ABC que não é Wi-Fi". Lamento te informar, mas sim, você usa Wi-Fi. Na verdade, parte do Wi-Fi.

Entenda o seguinte: fazer um equipamento de rádio exige o uso de diversas tecnologias e patentes. Se um fabricante tivesse que criar uma solução do zero, com seus próprios componentes e tecnologias, cada rádio iria custar algo ao redor dos USD5.000,00. Se você paga esse valor para cada rádio que instala nos seus clientes, então talvez você realmente não use Wi-Fi.

Em aplicações críticas, realmente existem rádios (normalmente nas frequências licenciadas) que usam tecnologias diferente, e que talvez não use a tecnologia de transmissão do Wi-Fi (mas são muitas vezes mais caros que os rádios usados pelos provedores normalmente).

Para os rádios que são viáveis de serem usados por um provedor, a única opção é usar rádios que aproveitam pelo menos a tecnologia de transmissão do Wi-Fi, e é ai que ocorre o problema do Hidden Station. Ou seja, mesmo que seu rádio não seja compatível com um notebook Wi-Fi, ele sofre, na camada física, dos mesmos problemas.

Voltando ao Hidden Station

Tirando então essa questão da frente (você usa Wi-Fi, mesmo sem saber, pelo menos na parte física de conexão wireless do seu equipamento), vamos voltar a falar da Estação Escondida.

Um dos problemas de qualquer comunicação wireless onde temos vários usuários é como controlar quem transmite a cada instante. No caso do Wi-Fi, o IEEE (que padroniza os protocolos) definiu que não seria feito nenhum tipo de coordenação. O procedimento para transmitir é muito simples, quando uma estação (seja ela a antena da torre ou o cliente) deseja transmitir, ela tem que:
  • escutar a frequência. Se tiver alguém transmitindo, espera um pouco e volta a escutar, até que a frequência esteja livre.
  • se a frequência estiver livre, pode transmitir, mas continua escutando, para verificar se, por coincidência nenhuma outra estação também começou a transmitir ao mesmo tempo (colisão). Se houve colisão, para imediatamente de transmitir e volta para a etapa anterior.


Repare que neste caso a estação precisa "escutar" as demais. Porém o que acontece se uma estação não consegue escutar a outra? Simples, ela vai executar o procedimento acima: escutar a frequência, mas neste caso, mesmo que algum vizinho estiver transmitindo, ela não vai escutar, assim vai achar que pode transmitir e enviar o pacote. No entanto isso vai bagunçar todo o sinal na antena central, que não vai entender nenhum dos dois sinais.

E é exatamente isso que acontece quando colocamos antenas direcionais nos clientes: eles tem todo o ouvido virado para a torre central, e um não escuta o outro. É importante usar direcionais nos clientes, para conseguir alcance e eliminar interferências, mas você acaba criando um grande problema de Hidden Station.

Quando a quantidade de tráfego é pequena, essas coincidência (dois clientes transmitirem ao mesmo tempo) ocorre pouco, por isso a banda é boa. Porém de acordo com que a demanda aumenta, os rádios ficam "brigando", um falando em cima do outro, porém ninguém consegue transmitir direito.

O que fazer nesses casos?

A má notícia é que não tem muito o que fazer. O Wi-Fi (que é a base de qualquer rádio de custo acessível) não foi projetado para esse tipo de aplicação. Mesmo os rádios mais caros que tem outras vantagens, normalmente usam o protocolo do Wi-Fi e também sofrem desse problema.

A única solução (que não é muito viável) é reduzir a quantidade de clientes, porém isso inviabiliza o negócio de muitos provedores.

Porém, pelo menos, se você souber do problema, não vai ficar procurando culpar a interferência ou a qualidade do rádio. Talvez esses problemas também estejam presentes (no horário de pico, talvez a interferência de outros provedores também seja sim um problema), mas pelo menos você agora sabe que mesmo no melhor caso, ainda assim os clientes vão sofrer nos horários de pico se forem colocados muitos na mesma antena.
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Comentários

  1. Avatar de jlima2001
    Excelente materia sobre o assunto, mas foi equivocada a colocação "A má noticia é que não tem muito o que fazer".

    Há sim muito o que fazer, migrar seus APs e clientes para uma solução TDMA, como Airmax (UBNT), NV2 (Mikrotik), iPool (Intelbras), etc...

    Estas tecnologias acabam com o problema de Hidden Station, pois os clientes não precisam mais ouvir o meio para então transmitir.

    Existe ainda no próprio WiFi nativo a solução RTS/CTS, que ajuda a também evitar colisão de pacotes devido as Hidden Stations.
  2. Avatar de mlrodrig
    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Excelente materia sobre o assunto, mas foi equivocada a colocação "A má noticia é que não tem muito o que fazer".

    Há sim muito o que fazer, migrar seus APs e clientes para uma solução TDMA, como Airmax (UBNT), NV2 (Mikrotik), iPool (Intelbras), etc...

    Estas tecnologias acabam com o problema de Hidden Station, pois os clientes não precisam mais ouvir o meio para então transmitir.
    Infelizmente você vai reparar que os catálogos dos equipamentos que possuem TDMA raramente falam de interferências de outros WiFi. Isso por uma razão muito simples: você usa TDMA em um ambiente onde existam outras antenas (da sua própria rede ou de um concorrente) em WiFi deixa o TDMA em grande desvantagem.

    Em um ambiente onde você está com uma torre/antena sozinho, o TDMA realmente é uma ótima solução. Infelizmente na grande maioria dos casos, usar TDMA é deixar mais banda para a antena dos concorrentes.

    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Existe ainda no próprio WiFi nativo a solução RTS/CTS, que ajuda a também evitar colisão de pacotes devido as Hidden Stations.
    RTS/CTS infelizmente não funciona porque causa outros problemas (muitas vezes piores).

    Veja, não estou dizendo que não existe solução para o problema de hidden station, pois muitos protocolos possuem solução para esse problema em outras frequências. O que estou dizendo é que o problema está no ambiente baseado em Wi-Fi, com a concorrência pelos canais das frequências não licenciadas.
  3. Avatar de jlima2001
    Citação Postado originalmente por mlrodrig
    Infelizmente você vai reparar que os catálogos dos equipamentos que possuem TDMA raramente falam de interferências de outros WiFi. Isso por uma razão muito simples: você usa TDMA em um ambiente onde existam outras antenas (da sua própria rede ou de um concorrente) em WiFi deixa o TDMA em grande desvantagem.

    Em um ambiente onde você está com uma torre/antena sozinho, o TDMA realmente é uma ótima solução. Infelizmente na grande maioria dos casos, usar TDMA é deixar mais banda para a antena dos concorrentes.
    Opa, aí a coisa é beeeem diferente. Interferencia é outro assunto. Isso não é culpa do WiFi, e sim inerente a tecnologia de radio. Qualquer tecnologia via rádio é passível de interferência, seja TV, Satélite, frequencia licenciada, PX, etc... Isso não tem nada haver com a resolução do problema apresentado aqui: "hidden station".

    Para resolver "hidden station" tem solução sim: TDMA. Isso é fato!

    Para resolver "interferencia" é outro caso, que nem foi titulo da sua matéria. Portanto, não dá pra misturar um assunto com outro.

    Citação Postado originalmente por mlrodrig
    RTS/CTS infelizmente não funciona porque causa outros problemas (muitas vezes piores).
    Queria saber quais os "outros problemas (muitas vezes piores)"?
    Que diminui o throughput do AP eu sei, mas pra quem está com problema de "hidden station" é uma solução beeem melhor do que continuar do jeito que está. Não é uma Brastemp (TDMA), mas é melhor do que continuar com "hidden station".

    Citação Postado originalmente por mlrodrig
    Veja, não estou dizendo que não existe solução para o problema de hidden station...
    Sim, você disse na sua matéria que "não há muito o que ser feito", mas na verdade há sim! TDMA ou RTS/CTS são coisas a serem feitas para eliminar ou ajudar na colisão de pacotes.
  4. Avatar de mlrodrig
    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Opa, aí a coisa é beeeem diferente. Interferencia é outro assunto. ... Isso não tem nada haver com a resolução do problema apresentado aqui: "hidden station".

    Para resolver "hidden station" tem solução sim: TDMA. Isso é fato!
    O TDMA resolve o problema de "hidden station", mas se piora a performance do sistema sobre interferência - na minha opinião - não adianta. Não são coisas diferentes, é um efeito colateral: menos problema de "hidden station" porém sofre mais com interferência dos vizinhos.

    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Queria saber quais os "outros problemas (muitas vezes piores)"?
    Quando citei "os problemas muitas vezes piores", claramente eu falava do RTS/CTS. Você pode consultar por exemplo a Wikipedia, para saber mais (https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11_RTS/CTS)

    "The RTS/CTS frames can cause a new problem called the exposed terminal problem in which a wireless node that is nearby, but is associated with another access point overhears the exchange and then is signaled to backoff and cease transmitting for the time specified in the RTS."

    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Que diminui o throughput do AP eu sei, mas pra quem está com problema de "hidden station" é uma solução beeem melhor do que continuar do jeito que está. Não é uma Brastemp (TDMA), mas é melhor do que continuar com "hidden station".

    Sim, você disse na sua matéria que "não há muito o que ser feito", mas na verdade há sim! TDMA ou RTS/CTS são coisas a serem feitas para eliminar ou ajudar na colisão de pacotes.
    Até que alguém me prove que os benefícios do TDMA por eliminar o problema do "hidden station" é maior que os problemas causados por ser um protocolo mais sensível a interferências vizinhas, vou continuar achando que infelizmente não há muito o que fazer.
  5. Avatar de jlima2001
    Até que alguém me prove que os benefícios do TDMA por eliminar o problema do "hidden station" é maior que os problemas causados por ser um protocolo mais sensível a interferências vizinhas, vou continuar achando que infelizmente não há muito o que fazer.
    Desculpe, eu nao sei da onde você tirou que usando TDMA os problemas com interferencia são mais acentuados do que sem ele. Trabalho a 8 anos com TDMA e nunca ouvi uma coisa dessa.

    Sobre as melhorias usando o TDMA, pergunte a qualquer um dono de provedor aqui mesmo no fórum e todos, digo TODOS, irão te dizer e provar que não há razão alguma para nao usar este protocolo numa rede Wi-Fi que tenha muitos clientes.

    "The RTS/CTS frames can cause a new problem called the exposed terminal problem in which a wireless node that is nearby, but is associated with another access point overhears the exchange and then is signaled to backoff and cease transmitting for the time specified in the RTS."
    Aí mostra mais um pouco de falta de experiência sua quanto provedores WiFi. O problema acima se refere a redes confinadas a poucos metros quadrados, para onde o Wifi foi originalmente designado. No caso de redes WiFi de provedores, esse problema acima não existe, pois os clientes estão a muitos metros de distância do AP.
  6. Avatar de mlrodrig
    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Desculpe, eu nao sei da onde você tirou que usando TDMA os problemas com interferencia são mais acentuados do que sem ele. Trabalho a 8 anos com TDMA e nunca ouvi uma coisa dessa.
    Achei melhor escrever um artigo com vídeo, para explicar porque o TDMA tem uma desvantagem nessa questão:http://under-linux.org/entry.php?b=4762

    Citação Postado originalmente por jlima2001
    Aí mostra mais um pouco de falta de experiência sua quanto provedores WiFi. O problema acima se refere a redes confinadas a poucos metros quadrados, para onde o Wifi foi originalmente designado. No caso de redes WiFi de provedores, esse problema acima não existe, pois os clientes estão a muitos metros de distância do AP.
    Se o RTS/CTS resolvesse satisfatatoriamente o problema do hidden station, não teriam criado o TDMA , teriam?

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