采用多无线模块的_AP_间硬切换的实验研究

Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2010， 46 （29） 进入新世纪以来， 车载Internet应用受到人们越来越多的 关注， 而WiFi是支持该应用的理想技术之一1。文献2采用 19个AP对一段长为8 km的高速公路进行无线宽带覆盖， 文 献3采用8个AP对一段长为6 km的铁路线进行无线宽带覆 盖， 以提供基于WiFi的车载Internet应用。但是， 文献2发现 在正常车速下一路上网络断开24次， 中断时间从1 s到84 s不 等， 中断区域超过总路程的35%， 文献3也发现了类似的问 题。由于WiFi原本是为固定无线宽带接入而设计的， 为改善 WiFi的移动应用性能， IEEE针对车载通信环境专门成立了 802.11p工作小组， 目前已进展到草稿版本9.0， 但主要是对移 动环境下的信道编码等进行改进4。而车载Internet应用中的 重要问题之一是难以保证WiFi的视距接入条件， 当车辆拐弯 或者经过建筑等障碍物时， 由于车载移动终端与AP突然不可 视， 导致正常的数据通信链路与当前AP瞬间失去连接造成严 重的网络中断。因此， 如何实现快速的AP间硬切换成为基于 WiFi的车载Internet应用的关键技术之一。 目前针对AP间快速切换的研究大部分都是关于软切换 的， 即当前通信链路的质量一般是缓慢变化， 当通信质量低于 设置的切换阈值时启动切换进程， 所以有较充分的时间进行 切换的预处理。而AP间硬切换往往是当前通信链路突然丢 失， 它需要迅速地做出切换判决并执行AP间切换以尽快恢复 网络连接。文献5提出一种基于多无线模块的AP间切换方 法， 在一个WiFi设备中集成多个无线模块， 一个作为主无线 模块用于数据传输， 另一个作为从无线模块用于AP扫描并提 采用多无线模块的AP间硬切换的实验研究 鄢丹 1， 蒋新华1， 邹复民2， 王桐森2 YAN Dan1， JIANG Xin-hua1， ZOU Fu-min2， WANG Tong-sen2 1.中南大学 信息科学与工程学院， 长沙 410075 2.福建工程学院 下一代互联网应用技术研究中心， 福州 350108 1.Institute of Information Science and Engineering， Central South University， Changsha 410075， China 2.Research Center for Next-Generation Internet Technology & Applications， Fujian University of Technology， Fuzhou 350108， China E-mail： YAN Dan， JIANG Xin-hua， ZOU Fu-min， et al.Experimental study on multi-radio based inter-AP hard handoff.Computer Engineering and Applications， 2010， 46 （29） ： 124-126. Abstract：How to realize the rapid inter-AP hard handoff has become one of the key technologies for WiFi based onboard Internet applications， because the communicating link is always disrupted suddenly with the current AP by the obstacles and etc in the fast moving scenario.This problem may be resolved by a multi-radio based inter-AP handoff approach which bonds two wireless NICs to the virtual one, and switches the active link to slave when the master link is detected to be dis- connected.To validate the feasibility of the approach， a hard inter-AP handoff testbed is built up and serials of experiments are carried out with the hard inter-AP handoff process triggered by changing the status of the current AP.Experimental re- sults show that the handoff approach can decrease the hard handoff latency to 300400 ms， and the negative influence on the throughput can almost be ignored during the hard handoff process. Key words：inter-AP hard handoff； multi-radio； onboard Internet； rapid handoff 摘要： 在车载Internet等快速移动应用环境下， 由于障碍物遮挡等原因， 当前通信链路可能突然与当前AP失去连接， 如何实现 快速的AP间硬切换成为基于WiFi的车-地互联系统的关键技术之一。为此， 可采用一种基于多无线模块的方法将主从两块无线 网卡捆绑为一块虚拟网卡， 当检测到主链路失去连接后迅速切换到从链路以实现快速的AP间硬切换。为验证该方法的有效性， 建立了AP间硬切换实验床， 通过改变当前AP的工作状态以触发主从无线模块的硬切换进程， 从而系统地研究和分析AP间硬切 换导致的网络延迟和带宽变化。实验结果表明， 该方法的AP间硬切换延迟仅为300400 ms， 网络带宽基本不受影响。 关键词： AP间硬切换； 多无线模块； 车载Internet； 快速切换 DOI： 10.3778/j.issn.1002-8331.2010.29.034文章编号： 1002-8331 （ 2010 ） 29-0124-03文献标识码： 中图分类号： TN915.825； U285.5 基金项目： 福建省汽车电子与电驱动重点实验室项目 （No.2008J1002） ； 福建工程学院博士科研启动基金 （No.GY-Z09063） 。 作者简介： 鄢丹 （1984-） ， 女， 硕士生， 主要研究领域： 车载Internet； 蒋新华 （1956-） ， 男， 教授， 博士生导师， 主要研究领域： 无线宽带网络和下一代互 联网； 邹复民 （1976-） ， 男， 博士， 主要研究领域： 无线宽带网络移动应用。 收稿日期： 2009-11-23修回日期： 2010-03-19 124 2010， 46 （29）鄢丹， 蒋新华， 邹复民， 等： 采用多无线模块的AP间硬切换的实验研究 前接入下一个AP。该方法在扫描的同时不会中断正常的数 据通信， 并且将提前接入下一个AP， 从而可以实现平滑而快 速的AP间切换6。 但对于当前通信链路突然丢失的AP间硬切换， 基于多无 线模块的方法能否快速地实现AP间切换， 以及该切换过程对 网络应用性能有何影响， 这些都还有待实验论证。为此， 构建 基于多无线模块的AP硬切换实验床， 通过系列实验验证并分 析AP间硬切换中多无线模块方法的AP间切换性能。 1实验原理及实验床 为研究基于多无线模块的切换方法对快速AP间执行硬 切换的情况， 本实验组采用 Mobile Gateway （简称 M-Gate- way） 构建实验平台。M-Gateway采用Linux嵌入式操作系统 作为软件平台， IXP425网络处理器作为硬件平台， 并集成了 两块无线网卡。同时本实验组开发了基于多无线模块的AP 间快速切换主控程序Handoffd。 如图1所示， M-Gateway中两块无线网卡wlan0和wlan1 由基于Linux的开源代码IPW2200驱动， 并由Linux自带的开 源代码Bonding捆绑为一块虚拟网卡bond0。对于链路层以 上协议栈而言， wlan0和wlan1有相同的MAC地址和IP地址， 因此无论由哪个无线网卡提供接入并进行数据通信， 均被认 为接入的是同一块无线网卡。而对于下层协议栈而言， 这两 个无线网卡可以工作为主/从模式。在实验中， 不妨假设 wlan0为主无线网卡， wlan1为从无线网卡。当wlan0接入当 前AP （APold） 作为主链路进行正常的数据通信时， wlan1切换 到其他信道进行扫描并接入下一个符合条件的AP （APnew） 构 成从链路。当主链路突然丢失时， 信号质量急剧恶化， 切换判 决进程将触发主从无线网卡执行硬切换， 由wlan1接入APnew 作为主链路进行数据通信， 而wlan0转而进行扫描并接入新的 符合条件的AP， 从而实现快速AP间硬切换。 为此， 基于M-Gateway可组建快速AP间硬切换实验床如 图2所示。 实验床由M-Gateway、 2台NETGEAR普通AP （即实验中 的APold和APnew） 、 1台TP-link普通交换机、 1台HP笔记本和1 台联想PC机等设备构成。其中， 联想PC机、 APold和APnew均通 过交换机与以太网相连， HP 笔记本也是通过以太网口与 M-Gateway 相连， 而 M-Gateway 中两块无线网卡 wlan0 和 wlan1分别通过无线接入APold和APnew。实验开始时， wlan0作 为主无线网卡， HP笔记本与联想PC机之间通过APold进行数 据通信， 当使APold突然掉电时， 通信链路信号质量急剧恶化， 将触发主从无线网卡执行硬切换， 这时wlan1切换为主无线网 卡， HP笔记本与联想PC机之间通过APnew进行数据通信。通 过测试切换过程中HP笔记本与联想PC机之间的通信性能参 数， 即可分析基于多无线模块的切换方法在快速AP间硬切换 环境中的应用性能。 2延迟实验及分析 延迟是衡量网络性能的重要指标之一， 为此首先分析AP 突然掉电时， AP间硬切换导致的网络延迟。实验采用快频率 的ping包， 通过记录发送包和接收包来统计丢包数量， 从而得 到硬切换延迟。实验开始时， 在M-Gateway嵌入式系统中运 行快速切换主控程序Handoffd的同时， 在HP笔记本中运行 命令： Ping 01 -i 0.01 即在HP笔记本与联想PC机之间每隔10 ms进行一次ping请 求和应答数据通信， 当通信主链路和从链路都正常接入AP 时， 人为拔除APold的电源， 使主链路突然找不到当前AP， 从 而触发AP间执行硬切换， 经过多次反复拔插AP电源的实验 得到实验结果如表1所示。 表1表明， AP硬切换的丢包个数在3040之间， 因为测试 包的发送频率为10 ms， 所以基于多无线模块切换方法在实现 AP间硬切换时的切换延迟约为300400 ms。 3带宽实验及分析 带宽是衡量网络性能的另一个重要指标， 为分析AP间硬 切换对网络带宽的影响， 分别在没有执行切换和重复执行20 次AP间硬切换的条件下， 测试HP笔记本与联想PC机之间的 通信带宽。 实验采用电信级网络性能参数测试工具NetIQ测试网络 带宽， NetIQ包括控制台Chariot和测试端Endpoint。在本实验 中， HP笔记本作为 控制端， 联想PC机作为测试端， 测试包的 大小为10 MB， 硬切换过程由人为拔插当前AP电源20次来完 成， 实验结果如图3和图4所示。 实验研究表明， 当没有执行AP间切换时， 通信带宽最高 可达到 23.530 Mb/s， 最低带宽为 0.174 Mb/s， 平均带宽为 18.857 Mb/s； 当重复执行20次AP间硬切换时， 通信带宽最高 wlan1wlan0 M-Gateway APoldAPnew bond0 图1基于多无线模块的AP间切换原理示意图 以太网 Switch wlan0wlan1 APoldAPnew bond0 M-Gateway 联想PC机 01 HP笔记本 0 图2AP间硬切换实验床示意图 实验编号 #1 #2 #3 测试时长/ms 7 099 8 067 11 723 发送包数量 523 591 875 接收包数量 485 553 841 连续丢包数 38 38 34 表1AP硬切换网络延迟实验结果 125 Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2010， 46 （29） 可达到 23.530 Mb/s， 最低带宽为 0.176 Mb/s， 平均带宽为 17.809 Mb/s。 为进一步分析AP间硬切换对网络带宽的影响， 在置信度 为95%的条件下， 分别对没有执行切换和重复执行20次AP 间硬切换的通信带宽进行PDF拟合， 拟合结果分别见图5和 图6。 由拟合结果可知， 两种条件下的通信带宽的极限分布都 具有显著的正态分布特性， 进一步分析两者的拟合参数和估 计参数如表2和表3所示。 表2和表3表明， 在误差允许范围内 （小于0.05） 没有执行 切换和重复执行20次AP间硬切换的通信带宽具有一致的统 计特性， 属于同一正态分布， 即基于多无线模块切换方法在实 现AP间硬切换时网络带宽基本不受影响。 4结论与展望 以实验为基础研究和分析了基于多无线模块的切换方法 能否实现快速的AP间硬切换， 以及切换过程对网络延迟和网 络带宽的影响。研究结果表明， 当人为拔插当前AP电源使主 从无线模块执行硬切换时， 通信带宽基本不受影响， 切换延迟 约为300400 ms， 可以实现快速的AP间硬切换。 参考文献： 1 蒋新华， 邹复民， 林漳希， 等.旅客列车Internet应用与研究现状综 述J.铁道学报， 2007， 29 （5） ： 103-110. 2MadaraszR，MutchK.ArizonaI-19WiFiCorridor：Concept demonstration of probe vehicle trackingR/OL. （2007-03） .http： / /TP/ATRC/Publications/QuickStudies/PDF/TRQS-03.pdf. 3 U S Department of Transportation， Federal Railroad Administra- tion.Study of high-speed wireless data transmissions for rail- road operation， RR07-10R. （2007-04） .http： // downloads/Research/rr0710.pdf. 4 金纯， 柳兴， 万宝红， 等.IEEE802.11P： 车载环境下的无线局域网J. 通信技术， 2009， 42 （1） ： 323-325. 5 Bahl P， Adya A， Padhye J， et al.Reconsidering wireless systems with multiple radiosJ.ACM Computer Communications Review， 2004， 34 （5） ： 39-46. 6 邹复民.基于多无线模块的快速AP间切换实验研究与分析J.科 学技术与工程， 2009， 20 （9） ： 6193-6196. 0： 00： 000： 01： 200： 02： 400： 04： 000： 05： 200： 06： 40 24.000 22.160