陳偉

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，安徽宿州 234101）

基于CAPWAP的WLAN切換式負(fù)載均衡算法

陳偉

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，安徽宿州 234101）

提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負(fù)載均衡算法，該算法中各WTP能夠相互交換負(fù)載狀態(tài)信息，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載差異時，把超載WTP服務(wù)范圍內(nèi)的終端切換到輕載WTP上，以減少各個WTP之間的負(fù)載差異，從而實(shí)現(xiàn)WLAN負(fù)載均衡.經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，該算法能夠平衡各個WTP之間的負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量.

CAPWAP；負(fù)載均衡；無線局域網(wǎng)；切換

近年來，隨著無線技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線局域網(wǎng)WLAN也得到了極大的推廣和發(fā)展，很多小區(qū)、學(xué)校及商場等都有WLAN的覆蓋.WLAN組網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，使得傳統(tǒng)的自治式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已不能滿足當(dāng)前組網(wǎng)需求，一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式——集中式WLAN體系架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生.集中式WLAN體系使用CAPWAP協(xié)議，通過引入訪問控制器AC（Access Controller），能夠?qū)o線接入點(diǎn)WTP（Wireless Termination Point）統(tǒng)一管理，集中控制，解決了自治式架構(gòu)組網(wǎng)時存在的問題，已成為WLAN的主要發(fā)展趨勢.本文的負(fù)載均衡算法就是采用這種基于CAPWAP協(xié)議的集中式WLAN體系架構(gòu).

在802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下，由于沒有實(shí)施和部署負(fù)載均衡機(jī)制，無線終端STA（Station）在關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的WTP時是基于此WTP的信號強(qiáng)度做出判斷，使STA在接入時會集中選擇信號強(qiáng)度高的WTP進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣勢必造成此WTP上負(fù)荷過高，各WTP間負(fù)載不平衡，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和資源浪費(fèi).

解決上述問題的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)WLAN內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡.本文以切換式負(fù)載均衡為例，結(jié)合CAPWAP協(xié)議，提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負(fù)載均衡優(yōu)化算法.在CAPWAP結(jié)構(gòu)下，采用該算法能夠使各個WTP互相獲取負(fù)載信息，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載差異時，把過載WTP關(guān)聯(lián)的STA終端切換到正常WTP上，以減少各WTP之間的負(fù)載差異，從而實(shí)現(xiàn)WLAN負(fù)載均衡.

1 CAPWAP簡介

CAPWAP[1]是一種實(shí)現(xiàn)WTP與AC交互的無線接入點(diǎn)控制協(xié)議，主要應(yīng)用于大規(guī)模的集中式WLAN體系結(jié)構(gòu).CAPWAP協(xié)議的出現(xiàn)解決了不同WTP與AC之間不能互聯(lián)的問題，實(shí)現(xiàn)了WTP與AC的通信交互.

CAPWAP協(xié)議把WLAN分為WTP和AC兩部分，WTP和AC通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接通信，如圖1所示.此時的WTP稱為輕型AP或瘦AP，只具有報(bào)文加密、幀交換等少量無線處理功能，大部分無線功能被剝離到AC上，交由AC統(tǒng)一處理，可以看作是AC的遠(yuǎn)程射頻端口.WTP在收到STA終端數(shù)據(jù)后通過CAPWAP協(xié)議封裝后發(fā)送給AC，由AC進(jìn)行解封裝.AC能夠通過CAPWAP對WTP進(jìn)行集中控制和管理，因此，在CAP?WAP結(jié)構(gòu)中，AC具有了對整個WLAN的完整視圖，并可以通過CAPWAP的Wireless Specific Information選項(xiàng)和CAPWAP定義的控制消息元素從WTP獲取所需的無線資源信息，其中包括WTP的負(fù)載信息等.

2 切換式負(fù)載均衡

WLAN負(fù)載均衡按解決方式可分為：接入式負(fù)載均衡和切換式負(fù)載均衡[2].本文主要介紹基于切換式的負(fù)載均衡方式.切換式負(fù)載均衡就是控制STA終端的切換過程[3]以實(shí)現(xiàn)WLAN負(fù)載均衡.當(dāng)WLAN中某個WTP負(fù)載過高時，則把該WTP下關(guān)聯(lián)的STA切換到其它WTP上以減少其負(fù)載，反之，當(dāng)某WTP負(fù)載較低時，就控制其它WTP下的STA到該WTP上，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的負(fù)載均衡.

切換式負(fù)載均衡的反應(yīng)迅速及時，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載差異時，立刻啟動STA切換進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，平衡各WTP負(fù)載差異，緩解負(fù)荷過高的WTP的壓力，防止出現(xiàn)大量STA競爭該WTP資源導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞.切換式負(fù)載均衡不足之處在于切換可能會給終端站點(diǎn)帶來相應(yīng)的損失，如切換失敗，切換失敗后STA會重新掃描尋找WTP并進(jìn)行接入，這勢必會造成上層業(yè)務(wù)的中斷.文獻(xiàn)[4]提出了將WTP主控方法和切換式負(fù)載均衡方法相結(jié)合的方式，這種方式把兩種負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既反應(yīng)迅速，又能保證收集信息的精準(zhǔn)性，更好的協(xié)調(diào)負(fù)載的分布.

3 切換式負(fù)載均衡算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1 CAPWAP的集中式WLAN架構(gòu)

負(fù)載均衡算法的目標(biāo)是減輕超載的WTP的負(fù)載，分流其所關(guān)聯(lián)的STA到正常WTP下，從而平衡各WTP負(fù)載差異，提高帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)整體性能[5].因此，如何給超載的WTP選擇供分流的目標(biāo)WTP和選取準(zhǔn)備進(jìn)行切換的STA是實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的關(guān)鍵.

3.1 算法步驟

3.1.1 負(fù)載信息收集過程

在CAPWAP結(jié)構(gòu)中，AC能夠獲取其下關(guān)聯(lián)的所有WTP的基本負(fù)載信息，據(jù)此可判斷當(dāng)前WTP的負(fù)載狀態(tài).當(dāng)某個WTP處于正常狀態(tài)時說明可以接受來自其他WTP的分流，如果WTP處于超載狀態(tài)則啟動負(fù)載均衡機(jī)制，對其進(jìn)行STA的分流，以減輕其負(fù)載.

如果當(dāng)前ESS（擴(kuò)展服務(wù)組，由多個基本服務(wù)組BSS組成）中，沒有處于正常狀態(tài)下的WTP，就說明當(dāng)前其他所有WTP都不具備接受分流的能力，自身負(fù)載也過高，以至于不能再接納新的STA接入，此時，過載WTP并不發(fā)送超載廣播消息.如果ESS中存在可以接受分流的正常WTP，過載WTP才發(fā)送超載廣播消息給其下關(guān)聯(lián)的STA.STA站點(diǎn)在接到WTP的通知消息后，會進(jìn)行針對所有可視WTP的負(fù)載信息收集，負(fù)載信息主要包括信號強(qiáng)度RSSI及信道忙碌率等.STA在向廣播WTP返回信息前要對收集的WTP的信號強(qiáng)度RS?SI進(jìn)行判斷，僅當(dāng)RSSI超過了預(yù)設(shè)的最低閾值RSSITH時才返回收集的WTP信息給廣播WTP，并把當(dāng)前WTP列入候選WTP隊(duì)列中，此時也說明一旦把STA切換到此WTP上，信號強(qiáng)度是能夠得到保障的，對于RSSI低于閾值RSSITH的，則可排除在WTP候選隊(duì)列之外，且不向廣播WTP返回任何信息.

廣播WTP利用STA返回的信息，計(jì)算每個WTP的負(fù)載情況，在這里用如下公式來計(jì)算WTP的負(fù)載

其中，RBi表示W(wǎng)TPi的信道忙碌率，R是預(yù)設(shè)的忙碌率閾值，可以根據(jù)實(shí)際情況不斷修正從而選擇更為合適的數(shù)值.Ni表示當(dāng)前WTPi其下所關(guān)聯(lián)的STA終端的個數(shù)，RSSIi表示STA探測收集的WTP的RSSI，當(dāng)RSSIi＞RSSITH時才進(jìn)行負(fù)載計(jì)算.

3.1.2 權(quán)值排序

在負(fù)載信息收集階段，廣播WTP利用STA返回的信息對滿足條件的可視WTPi進(jìn)行負(fù)載計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)判斷和權(quán)值排序.對于過載的WTPi，信道忙碌率RBi＞R，故其權(quán)值大于0，把它置于權(quán)值隊(duì)列的最后面，對于正常的WTPi權(quán)值小于0，按順序排在權(quán)值隊(duì)列前端，作為目標(biāo)WTP供負(fù)載分流.由此可見，0把過載和輕載的WTP在權(quán)值隊(duì)列中劃分為兩段，權(quán)值小于0的是可進(jìn)行切換的正常WTP，大于0的是不可切換的過載WTP，后者需要做負(fù)載均衡.

3.1.3 控制切換過程

在過載WTP向目標(biāo)WTP進(jìn)行STA站點(diǎn)切換過程中，目標(biāo)WTP在接受STA分流時要對自身負(fù)載進(jìn)行判斷，加入STA后自身不超載，則允許接入，否則拒絕接入.簡單的說就是在保證目標(biāo)WTP不超載的情況下，把置于權(quán)值隊(duì)列后面的過載WTP的STA終端站點(diǎn)切換到隊(duì)列前面正常WTP中.

3.1.4 切換后更新

切換完成后，過載WTP要把分流出去的STA站點(diǎn)的信息刪除，以更新其當(dāng)前關(guān)聯(lián)狀態(tài)，防止多余的計(jì)算.

3.2 算法描述

由上述算法步驟可知，在切換式負(fù)載均衡算法中需要WTP接入點(diǎn)和STA站點(diǎn)的共同參與，因此可把算法簡單描述如下：

3.2.1 無線站點(diǎn)STA端

無線站點(diǎn)STA在接到過載WTP的超載廣播消息后，會向所有可視的接入點(diǎn)WTP發(fā)送探測請求幀，當(dāng)收到可視WTP的響應(yīng)幀后，STA會根據(jù)從響應(yīng)幀提取的負(fù)載信息進(jìn)行判斷，負(fù)載信息主要包括RSSI、信道忙碌率及站點(diǎn)個數(shù).如果當(dāng)前某個WTP的RSSI超過閾值，則把其信息發(fā)送給廣播WTP，否則不發(fā)送.STA端的算法流程如圖2所示.

3.2.2 無線接入點(diǎn)WTP端

首先判斷WTP的工作狀態(tài)，如果輕載則可以進(jìn)行切換，否則當(dāng)WTP處于超載狀態(tài)時啟動負(fù)載均衡.進(jìn)行負(fù)載均衡時，先通過WTP之間的負(fù)載交流判斷是否存在正常的WTP，如果有正常WTP存在，當(dāng)前超載WTP便會向其關(guān)聯(lián)的所有STA發(fā)送超載廣播通知.

WTP收到非關(guān)聯(lián)STA站點(diǎn)的探測請求幀后，會返回包括RSSI、信道忙碌率及站點(diǎn)個數(shù)的探測響應(yīng)幀給STA.若收到的是關(guān)聯(lián)STA站點(diǎn)的探測響應(yīng)幀，則提取相應(yīng)的負(fù)載信息.

超載WTP根據(jù)STA返回的信息，計(jì)算各WTP負(fù)載并根據(jù)權(quán)值大小排序，區(qū)分過載和正常WTP，向正常WTP發(fā)送切換請求，WTPi在接到超載WTP的切換請求時要進(jìn)行自身負(fù)載判斷，加入新的STA站點(diǎn)，自身不會超載時則允許接納STA，否則拒絕接收STA.

當(dāng)目標(biāo)WTP通過自身負(fù)載判斷允許STA站點(diǎn)切換，則過載WTP開始向目標(biāo)WTP進(jìn)行STA分流，本次切換成功.

圖2 STA端算法流程

過載WTP切換成功后，開始刪除分流出去的STA站點(diǎn)信息，以避免無效的計(jì)算出現(xiàn).

若WTP拒絕接收，則繼續(xù)尋找可切換的目標(biāo)WTP，如無WTP肯接納STA，說明所有WTP負(fù)載均接近飽和，此時不進(jìn)行切換.

若超載WTP在進(jìn)行切換后仍然處于超載狀態(tài)則繼續(xù)向關(guān)聯(lián)STA發(fā)送超載廣播，重復(fù)以上步驟.

WTP端的算法流程如圖3所示.

4 仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 WTP端算法流程

圖4 無負(fù)載均衡下各WTP吞吐量對比

圖5 本文負(fù)載均衡算法下各WTP吞吐量對比

為了對基于CAPWAP的切換式負(fù)載均衡算法有效性進(jìn)行驗(yàn)證，本文采用了目前主流的仿真工具OPNET Modeler 14.5進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).仿真實(shí)驗(yàn)中通過3個WTP接入點(diǎn)覆蓋區(qū)域來模擬整個無線局域網(wǎng)絡(luò).每個WTP的帶寬設(shè)為2Mbps，覆蓋區(qū)域?yàn)?×2KM2，分別工作在不同的信道上.設(shè)置仿真時間為1800秒，STA站點(diǎn)的帶寬也為2Mbps，WTP1關(guān)聯(lián)14個STA站點(diǎn)，WTP2關(guān)聯(lián)7個STA站點(diǎn)，WTP3關(guān)聯(lián)9個STA站點(diǎn).通過調(diào)整STA站點(diǎn)的數(shù)據(jù)包生成時間間隔，使STA業(yè)務(wù)負(fù)載量各不相同，其中WTP1和WTP2關(guān)聯(lián)的站點(diǎn)負(fù)載相對WTP3較高.在沒有進(jìn)行負(fù)載均衡情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真后各WTP吞吐量對比如圖4所示.

由圖4可知，WTP1和WTP2吞吐量相對較高，WTP3相對較低，這是因?yàn)閃TP1和WTP2關(guān)聯(lián)的站點(diǎn)負(fù)載大于WTP3.WTP3雖然關(guān)聯(lián)站點(diǎn)數(shù)不少，卻因?yàn)檎军c(diǎn)業(yè)務(wù)量小使得負(fù)載較輕，故吞吐量較低.盡管WTP1關(guān)聯(lián)的站點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)高于WTP2，但其吞吐量差別卻很小，這說明WTP1上存在嚴(yán)重沖突，信道忙碌率較高，負(fù)載較重，影響了通信的質(zhì)量，需要進(jìn)行負(fù)載均衡以減輕其負(fù)載.

采用基于CAPWAP的負(fù)載均衡算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖5所示.

在基于CAPWAP的負(fù)載均衡算法中，把信道忙碌率作為影響WTP負(fù)載的重要因素進(jìn)行考慮.在權(quán)值排序階段根據(jù)各個WTP信道忙碌率進(jìn)行權(quán)值排序.由于WTP1信道忙碌率最高已超過閾值，處于過載狀態(tài)，故排在隊(duì)列之后優(yōu)先進(jìn)行負(fù)載均衡.WTP3雖然關(guān)聯(lián)了9個STA站點(diǎn)，由于站點(diǎn)業(yè)務(wù)負(fù)載較少，信道忙碌率較低，故位于權(quán)值隊(duì)列之前優(yōu)先進(jìn)行STA切換.根據(jù)負(fù)載均衡算法，WTP1選擇WTP3作為目標(biāo)WTP進(jìn)行負(fù)載分流，把一部分站點(diǎn)分配給WTP3，從而降低了WTP1的沖突，提高了WTP3的吞吐量.在切換站點(diǎn)過程中根據(jù)信道忙碌率變化不斷調(diào)整各WTP負(fù)載，直至達(dá)到圖5所示的基本平衡狀態(tài).

圖6所示為負(fù)載均衡前后總吞吐量對比曲線圖，由圖可知，本文負(fù)載均衡算法的應(yīng)用大大提升了WLAN的整體吞吐量，也提高了網(wǎng)絡(luò)整體性能，減少了資源的浪費(fèi)，故該算法可行有效.

5 總結(jié)

由于在802.11無線局域網(wǎng)中沒有負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，導(dǎo)致WLAN中無線接入點(diǎn)負(fù)載差異較大，網(wǎng)絡(luò)性能受到嚴(yán)重影響，網(wǎng)絡(luò)資源也得不到充分利用，為解決這一問題，本文提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負(fù)載均衡優(yōu)化算法.經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該算法能夠有效平衡各接入點(diǎn)間負(fù)載差異，從而實(shí)現(xiàn)WLAN負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能和資源的利用率.

圖6 負(fù)載均衡前后總吞吐量對比

[1]Calhoun P，Montemurro M，Stanley D.RFC5415.Control and Provisioning of Wireless Access Points（CAPWAP）Protocol Specification[S].March，2009.

[2]向望.基于CAPWAP的無線資源管理技術(shù)研究與優(yōu)化[D].上海：復(fù)旦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2009.

[3]丁曉樂，李風(fēng)華，李賀武，等.基于功率控制和位置信息的無線局域網(wǎng)動態(tài)負(fù)載均衡機(jī)制[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，46（增刊2）：150-155.

[4]王彬.無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡技術(shù)[J].中興通訊技術(shù)，2006，12（3）：46-50

[5]楊茜惠，劉宴兵.無線局域網(wǎng)中一種切換式負(fù)載均衡算法[J].中興通信技術(shù)，2008，41（4）：154-161.

[6]王曉健，戎蒙恬，劉超.無線局域網(wǎng)的一種功率控制算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25（12）：142-161.

[7]陳侃，李華，潘春建，等.集中式WLAN網(wǎng)絡(luò)無線資源管理研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（8）：124-129.

[8]李浩琳，沈世錦，張正風(fēng).AP技術(shù)發(fā)展與組網(wǎng)應(yīng)用的研究[J].電信科學(xué)，2008，24（5）：26-32.

[9]李滿，謝卓奇，郭杰，等.基于OPNET Modeler的擴(kuò)展WLAN仿真及實(shí)測研究[J].通信技術(shù)，2008，41（06）：26-29.

Handoff Algorithm of Load Balance Based on CAPWAP in WLAN

CHEN Wei
(Network Center,Suzhou Vocational and Technical College,Suzhou 234101,China)

This paper puts forward a CAPWAP-based handoff algorithm of load balance in WLAN,in which each WTP can exchange load state message with the other.When the load of WTPS shows bigger differences, the overloaded WTP forces the handoff of some stations to be associated with under-loaded WTP in order to re?duce the load difference,and to realize load balancing of WLAN.The simulation results indicate that each WTP’s load can be balanced and that the system throughput can be improved dramatically.

CAPWAP;load balance;wireless local network;handoff

TP301.6

A

1008-2794（2013）04-0114-05

2013-03-05

安徽省教育廳優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“基于自適應(yīng)算法的校園網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載均衡研究與應(yīng)用”（2012SQRL263）

陳偉，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理，E-mail：chenwei9737@163.com.