（通信与信息系统专业论文）一体化网络wifi终端自动切换机制的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着互联网技术的发展，用户对移动接入的需求越来越大，而基于i e e e 8 0 2 11 标准的w i f i 技术，由于广泛植入笔记本电脑、手机、游戏机、个人掌机等 个人电子设备，迅速成为移动接入的主流。然而传统互联网设计之初是为固定、 有线用户提供互联互通服务，对移动性的支持能力很差。一体化网络理论提出一 种新的基于标识分离映射机制的互联网架构，有着良好的移动性支持。因此在一 体化网络中引入w i f i 终端的接入与切换问题的研究就变得非常有意义。 本文主要研究一体化网络w i f i 终端自动切换机制的设计及其实现。首先，本 文分析介绍了一体化网络终端接入认证过程，以及在无线环境中w i f i 终端接入一 体化网络的步骤；其次，在对一体化网络w i f i 终端一般切换流程进行分析的基础 上，提出自动切换机制的设计目标，并且设计无线链路切换方案预扫描切换 算法和“网通层 切换方案以实现快速切换，设计自动切换有限状态机机制以实 现自动控制；第三，本文对给出的设计方案在l i n u x 平台进行编程实现。 此实现方案主要有以下特点：1 ) 采用l i n u x 线程库，实现自动切换有限状态 机机制，包括事件触发，定时器控制，网络套接口控制等；2 ) 采用l i n u x 开源i e e e 8 0 2 1 1 无线操作库，经过修改以实现无线链路设计的功能；3 ) 采用双向链表的数 据结构存储无线a p 的信息，并根据r s s i 值进行排序，供无线链路切换使用；4 ) 采用l i n u x 开源路由操作库，经过修改以实现“网通层”路由功能；5 ) 采用u n i x u d p 套接口编程，实现“网通层”切换与认证的报文交互；5 ) 采用l i n u xg t k 图形库，实现用户界面，为用户提供操作接口以及显示接口，以满足使用和测试 需求。 通过在一体化网络原型系统的w i f i 终端上安装本文所实现的程序，实际测试 了自动切换有限状态机机制与预扫描切换算法。测试表明，在自动切换有限状态 机机制的控制下，既支持自动接入与预扫描自动切换，手动接入与切换，又支持 在自动切换过程中手动干预切换，并且在一定程度上抑制“乒乓效应”；在一体化 网络原型系统中测试，自动切换和手动切换均能满足一般实时性业务的需求。 关键词：一体化网络；w i f i 终端；自动切换；手动切换；a h f s m 机制；预扫描 切换算法；乒乓效应 北京交通大学硕十学位论文 分类号：t p 3 9 3 4 ；t n 9 15 0 4 a b s t r a ( 可 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , p e o p l e sd e m a n df o r m o b i l ea c c e s si sg r o w i n g t h ew i - f it e c h n o l o g y , b a s e do nt h ei e e e8 0 2 11s t a n d a r d s ，i s r a p i d l yb e c o m i n gam a i ns t r e a mf o rm o b i l ea c c e s s a sar e s u l to fe x t e n s i v ei m p l a n t l a p t o p s ，m o b i l ep h o n e s ，g a m ec o n s o l e s ，a n do t h e rp e r s o n a lp o r t a b l el e c t r o n i ce q u i p m e n t h o w e v e r , t r a d i t i o n a li n t e m e ti sd e s i g n e df o rp r o v i d i n gt h ef i x e d ，c a b l ei n t e r c o n n e c t i o n s e r v i c e st ou s e r s ，a n di t sn o tf i tt om o b i l i t y t h eu n i v e r s a ln e t w o r kt h e o r y , p r o p o s e sa n e wi n t e m e ta r c h i t e c t u r eb a s e do ni d e n t i f i e r ss e p a r a t i n ga n dm a p p i n gs c h e m e ，w h i c h i sa b l et ob e t t e rs u p p o r tm o b i l i t y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h ea c c e s sa n dh a n d o f fo f w i f it e r m i n a li nu n i v e r s a ln e t w o r kb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，w em a i n l yf o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fw i f it e r m i n a l a u t o m a t i c a l l yh a n d o f fm e c h a n i s m i nt h eu n i v e r s a ln e t w o r k f i r s t l y , w eb r i e f l y i n t r o d u c et h ea c c e s sa n da u t h e n t i c a t i o np r o c e s s ，a sw e l la st h ea c c e s ss t e p si n v o l v e di n t h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ；s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew i - f it e r m i n a l s g e n e r a lh a n d o f fp r o c e s s ，w ep r o p o s et h ed e s i g no b j e c t i v e so ft h ea u t o m a t i ch a n d o f f m e c h a n i s m ，a n da l s od e s i g nt h ei m p r o v e dh a n d o f fp r o c e s si nt h el i n kl a y e r ( p r e s c a n h a n d o f fa l g o r i t h m ) a n dt h e ”n e t w o r kl a y e r ”f o rf a s th a n d o f f , a n dam e c h a n i s mo f a u t o m a t i ch a n d o f ff a n i t es t a t em a c h i n e ( a h f s m ) t oa c h i e v ea u t o m a t i c a l l yh a n d o f f c o n t r o l ；t h i r d l y , w ei m p l e m e n tt h e s ei nl i n u x o s t h et r a i t so ft h ei m p l e m e n t a t i o na r es h o w na sf o l l o w s ：1 ) w i t ht h el i n u xt h r e a d l i b r a r y , w ei m p l e m e n ta h f s mm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h ee v e n t t r i g g e r e dc o n t r o l ，t i m e r c o n t r o l ，n e t w o r kr e a d w r i t ec o n t r o lu n i t s ，e t c ；2 ) w i t ht h el i n u xw i r e l e s sl i b r a r i e sf o r i e e e8 0 2 11 ，w em o d i f yi tt oi m p l e m e n tl i n kl a y e rf u n c t i o n s ；3 ) w eu s e sd a t as t r u c t u r e o ft w o w a yl i n k e dl i s tt os t o r et h ew i r e l e s sa p si n f o r m a t i o n ，a n ds o r tt h e s eb a s e do n r s s iv a l u ef o rl i n kl a y e rh a n d o f f ；们w i t hl i n u xr o u t i n go p e r a t i o nl i b r a r y , w em o d i f yi t t oi m p l e m e n tr o u t e i n go p e r a t i o ni n ”n e t w o r kl a y e r ”；5 ) w eu s et h eu n i xu d ps o c k e tt o i m p l e m e n tm e s s a g ei n t e r a c t i o no fh a n d o f f a n da u t h e n t i c a t i o np r o c e s si n ”n e t w o r kl a y e r ”； 5 ) w i t ht h el i n u xg t kg r a p h i c sl i b r a r y , w ei m p l e m e n tt h eu s e ri n t e r f a c e ，f o ru s e r s o p e r a t i n ga n dv i e w i n g ，a sw e l la st om e e t t h ed e m a n df o rt h eu s ea n dd e b u g i n g w i t hi n s t a l l i n gt h ew i f it e r m i n a lp r o g r a mi nt h ep r o t o t y p es y s t e mo fu n i v e r s a l n e t w o r k ，w et e s ta h f s m m e c h a n i s ma n dp r e s c a nh a n d o f fa l g o r i t h m t e s t ss h o wt h a t w i t hc o n t r o lo ft h ea u t o m a t i c a l l yh a n d o f fm e c h a n i s m ，t h ew i - f it e r m i n a lc a r tn o to n l y v 北京交通大学硕士学位论文 s u p p o r ta u t o m a t i c a l l ya c c e s sa n dp r e s c a na u t o m a t i c a l l yh a n d o i f , b u ta l s om a n u a l l y a c c e s sa n dh a n d o f fm o d ea n dm a n u a lo p e r a t i o ni na u t o m a t i ch a n d o f fp r o c e d u r e ，a n di t a l s oc a na v o i d “p i n g p a n g ”e f f e c t t e s t sa l s os h o wt h a tm a n u a lh a n d o f fm o d ea n d a u t o m a t i ch a n d o f fm o d ea r eb o t hm e e tt h eg e n e r a ln e e d so fr e a l t i m eb u s i n e s s k e y w o r d s ：u n i v e r a ln e t w o r k ：a u t o m a t i ch a n d o f f ；m a n u a lh a n d o f f ；a h f s m ； p r e s c a n h a n d o f f ；p i n g p a n ge f f e c t c l a s s n o ：t p 3 9 3 4 ：t n 9 1 5 0 4 北京交通大学硕+ 学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位：獭祷撕期： c 7 ，c 。j 8 2 一年e 窍l6b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 锄汤焉 签字魄叮年刚日 ， 导师签名： 7 钟嘉 签字日期： d c 7 年月必只 致谢 本论文的工作是在我的导师周华春副教授的悉心指导下完成的，论文的每一 步工作都倾注着导师的心血。周华春副教授严谨的治学态度和科学的工作方法给 了我极大的帮助和影响，周老师在生活中给我无微不至的关怀，还教会了我许多 做人的道理，使我树立了正确的科学观和人生观，踏实奋斗自己的未来。籍此论 文完成之际，谨向培育我的导师表示诚挚的谢意! 衷心感谢下一代互联网研究中心主任张宏科教授，您高瞻远瞩的为实验室的 未来指明了研究方向，引领实验室的研究工作始终走在国际前沿，给我机会，让 我很幸运的成为了其中的一员。感谢张思东教授给我们树立了做事和做人的榜样， 感谢秦雅娟老师给了我很多无私的帮助和诚挚的关怀，感谢董平老师在生活上对 我的关心和在工作上对我的悉心帮助，感谢苏伟老师对我的科研工作的把关和督 促，感谢罗洪斌老师在很多问题上对我的亲切指点。在此一并向你们表示深深的 谢意，没有你们的帮助和鼓励，也就没有我的进步! 感谢和我一起生活和工作过的杨水根博士，王洪超博士，郭华明博士，熊轲 博士，邱峰博士，姚楠博士，李晓倩博士，以及王上，王义，孙照辉，刘晓波， 谭蔚翔，陆新元，胡俊，许辉，洪元志，李伟等硕士在生活上给予我的帮助以及 学业上的切磋和指点，在此表示诚挚的谢意! 最后特别感谢家人，他们的鼓励和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 我的每一步成长都离不开你们的关怀，你们也是我奋斗的动力! 祝我们的下一代互联网研究中心有着更加灿烂的明天! 引言 1 引言 本文在分析新一代互联网移动管理机制，以及一体化网络中w i f i 终端切换特 点的基础上，设计并实现一种适合一体化网络的w i f i 终端自动切换机制，从而实 现w i f i 终端在移动时手动切换和自动切换，达到快速切换和自动控制切换的效 果。并且搭建了测试环境，对该机制进行了全面的测试。 1 1选题研究背景和意义 随着互联网技术的发展，用户对移动接入的需求越来越大，并且对移动性， 带宽等要求越来越迫切。在无线宽带接入领域，目前存在两大主流技术，个是 以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 为代表的第三代移动通信技术，一个是以 8 0 2 1 l 协议簇为代表的无线数据通信技术。 以8 0 2 1 1 协议簇为基础的无线数据通信技术，又称无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ， w i f i ) 技术，以其通信速率高、建网成本低、网络拓扑简单、接入快捷便利等优 点，被解决方案提供商和运营商采纳作为互联互通的媒介技术，越来越多的融入 了人们的生活。截止到2 0 0 8 年6 月，我国无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 热点数达到1 万余个，遍布在1 1 0 多个城市之中，3 0 多个“无线城市” 已经处于规划和建设之中。很多机关、学校和企事业单位内部也开始大规模部署 无线网络，以此提高工作效率。同时，支持w i f i 技术的终端类型多种多样，包括 手机，笔记本( l a p t o p ) ，个人掌上电脑( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) ，游戏机等， 而国内电信设备制造商已经具备生产w i f i 终端设备。 然而传统互联网设计之初是为固定、有线用户提供互联互通服务，对移动性 的支持能力很差。随着移动需求的增加，i e t f 提出的移动i p v 4 ( m i p v 4 ，m o b i l e i p v 4 ) t 1 1 和移动i p v 6 ( m i p v 6 ，m o b i l ei p v 6 ) 2 】作为传统互联网的移动性支持扩展方 案，部分解决了移动终端在移动过程中的通信连续性问题。但是m i p v 4 和m i p v 6 是基于传统互联网的体系结构设计的，存在着架构上的“硬伤 ，所以移动终端在 移动切换过程中会产生较大的时延( 一般在秒级) ，不能为对时延要求比较严格的语 音、视频、网络游戏等业务提供满意的支持。目前，国内外都已经开始研究新一 北京交通大学硕士学位论文 代互联网的体系结构，并且将移动管理机制作为体系结构研究的重点内容之一。 其中，美国国家科学基金委员会( n s f ) 的g e n i t 3 1 、f i n d e 4 】等重大基础研究性研究 项目都试图将移动性支持作为新一代互联网的缺省工作模式。 我们在文献【5 6 】中提出了新一代互联网的体系结构一体化网络。一体化网 络理论的主要研究目标是在一体化网络平台上提供多元化的网络和终端接入，保 证信息交互的安全性和移动性，并有提供普适服务的能力。一体化网络理论提出 一种二层网络体系架构，将网络划分为“网通层 和“服务层 。其中“网通层 负责为一体化网络提供多元化的网络接入，“服务层”则负责各种业务的会话、控 制和管理。本文的研究领域属于一体化网络理论中的“网通层”。在“网通层 ， 一体化网络理论提出了接入标识、交换路由标识及其解析映射理论标识分离 映射机铝i ( i s m s ，i d e n t i f i e r ss e p a r a t i n ga n dm a p p i n gs c h e m e ) ，建立了广义交换路由 的理论与机制，以解决多种网络一体化问题。基于这种机制的网络支持用户的快 速、大范围移动，加强了网络的管理和控制，而且能够有效的保护用户的位置信 息。 鉴于w i f i 终端的广泛使用，研究w i f i 终端在一体化网络中的接入和切换问 题就变得非常有意义。一体化网络理论提出，现有各种异构网络终端设备以统一 的标识方式接入“网通层”，并且要求进行认证，以保证终端和网络的双向安全。 换言之，只有合法的并且经过注册的用户才能接入网络；只有确定的网络才能提 供网络接入服务。 因此，不同于其它网络终端，一体化网络w i - f i 终端接入流程有其独特性，分 为无线链路接入，接入交换路由器接入，认证三个步骤；同样的，一体化网络w i f i 终端切换流程分为无线链路切换，接入交换路由器切换，重新认证三个步骤。 对于w i f i 终端的切换问题，国内外研究的焦点一般集中在i e e e8 0 2 1 i 协议 自身的修改补充，基于i e e e8 0 2 1 1 协议的改善链路切换时延算法研究，以及基于 移动i p 等传统互联网网络层移动协议，提出的适用于某个特定约束条件下的网络 层切换时延改善协议。由于互联网t c p i p 协议簇强调分层，这些研究工作大多相 对独立，并未进行相互融合。从而大多终端切换系统各层均独立进行，各层之间 没有过多的联系，直至切换完成，测试的结果也多是关注于某一层切换时延。 另外，由于一体化网络理论的革命性，移动终端使用全球唯的标识，去除 2 引言 了移动i p 中的家乡地址和外地地址等概念，基于传统互联网所研究的移动i p 中移 动终端网络层切换也不适用于一体化网络w i f i 终端。 基于上述原因，本文提出一种一体化网络w i f i 终端自动切换机制，设计切换 过程有限状态机来控制w i f i 终端的整个切换流程，并且利用预扫描算法降低链路 切换时延。 1 2国内外的研究现状和水平 本节从i e e e8 0 2 11 标准的现状，链路切换优化方案，网络层切换方案三个角 度进行阐述。 目前比较广泛研究和应用的i e e e8 0 2 1 1 标准如下： 8 0 2 1 1 a b g t 7 , 8 , 9 】：i e e e8 0 2 1 1 无线局域网最广泛应用的三个标准。8 0 2 1 l a 标 准使用5 g h z 频段，共划分为3 2 个信道，其中8 个信道没有重叠。8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l g 标准都是用2 4 g h z 频段，使用1 4 个可用信道中的1 1 个，其中3 个信道没有重叠。 8 0 2 1 l b 支持速率最大为1 1 m b i t s ，8 0 2 1 1 9 和8 0 2 1 1 a 支持速率最大为5 4 m b i t s 。 8 0 2 1 1 9 向后兼容8 0 2 1 l b ，而8 0 2 1 1 a 由于使用频段不同，与另外两个不兼容。 8 0 2 1 i n t l o 】：i e e e8 0 2 1 1 无线局域网基本传输标准方面的最新草案。虽然该 鼍 标准尚处在草案阶段，但应用该标准的产品却早已广泛生产。利用m i m oo f d m 技术，8 0 2 1 l n 的传输速率提升至3 0 0 m b p s 甚至高达6 0 0 m b p s ；采用智能天线技术， 信号更加稳定，抗干扰能力增强，覆盖范围更大。采用了软件无线电技术，通过 可编程硬件平台，使得不同系统的基站和终端能够互联互通。 8 0 2 1 l r t l l 】：i e e e8 0 2 1 1 无线局域网减小m a c 层切换时延的草案。优化切换 过程中的重新认证流程。 8 0 2 2 1 t 1 2 】：i e e e8 0 2 2 1 标准允许8 0 2 1 1 设备和非8 0 2 1 1 设备之问的垂直切换。 目前，基于i e e e8 0 2 1 1 的链路切换控制方案有以下几个研究方向： 硬切换方案：i e e e8 0 2 1 l 无线设备利用单一频段进行通信，因此一个w i f i 终端只能与一个接入点建立无线链路。这样，w i f i 终端的链路切换类型为硬切换， 切换流程中的每一个步骤所产生的时间花销相加为整个流程中的时间花销。通过 优化i e e e8 0 2 1 1 标准，简化重新认证流程( 例如8 0 2 1 l r ) 等方法来降低切换时延。 双链路方案：由于硬切换方案的“硬伤 ，可以考虑增加一块无线网卡设备， 北京交通大学硕+ 学位论文 令移动终端( m o b i l en o d e ，m n ) 在通信或者切换期间使用双链路。根据具体研究 或实现的不同，双链路方案也多种多样。其中一个比较合理并且充分利用无线网 卡设备的方案是，当m n 正常通信时，使用双链路负载均衡流量；当m n 切换时， 使用其中一条链路进行切换流程，由另条链路承担当前网络的全部通信：当m n 切换完成后，m n 切断之前的通信链路，并将之前的无线网卡接入到新的网络中， 至此恢复正常的双链路负载均衡流量。与此方案相关的论文包括s e a m l e s sl a y e r - 2 h a n d o f fu s i n gt w or a d i o si ni e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sn e t w o r k s 13 1 ac h a r a c t e r i z a t i o n w i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c ec a r da c t i v e 1 4 】，移动i p 中一种基于双链路的切换协议【1 5 】， v x w o r k s 下双网卡冗余备份及智能切换技术【1 6 1 。但是该方案在硬件上需要两块无 线网卡，成本较高，离广泛使用距离比较大。 选频扫描方案：硬切换方案的一种优化。w i f i 终端般进行全频扫描，即遍 历1 1 个频道搜索周边a p 。该方案是指，仅扫描没有覆盖频段的1 ，6 ，11 三个频 段，缩短扫描阶段的时间花销。与此方案相关的论文包括s e l e c i v ec h a n n e ls c a n n i n g f o rf a s th a n d o f fi nw i r e l e s sl a nu s i n gn e i g h b o rg r a p h t 7 1 , r e d u c i n gm a c l a y e rh a n d o f f l a t e n c yi ni e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n s 1 8 1 。 扫描分离方案：硬切换方案的一种优化。将扫描过程与切换过程分离，维护 一个a p 拓扑结构图，当触发切换条件时，直接选取a p 拓扑图中的最优a p ，进 行重关联和重新认证。根据具体研究或实现方案的不同，维护a p 拓扑结构图的方 案也不同。与此方案相关的论文包括r e d u c i n gm a cl a y e rh a n d o f fl a t e n c yi ni e e e 8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n s 1 8 1 ，基于动态c a c h e 的无线局域网快速切换算法【1 9 1 。 传统互联网中，非直连不同网段的终端之间，是通过网络转发数据包来实现 通信。与终端相连的具有更新路由表和转发数据包功能的实体，称为“网关 。同 一网关接口相连的终端或者交换机等实体具有相同的网段，并且将默认路由指向 网关。当移动终端离开原网关，移动到一个新网关时，如果不做任何配置，由于 终端的i p 子网段与新网关的子网段不同，且默认路由仍指向原网关，终端将不能 与外界进行通信。所以，终端必须采取某些措旌将数据包转发给新网关，称为网 络层切换。目前，解决此问题的方法有以下两种： 特定主机路由技术：当移动终端离开自己所属的i p 子网段后，可以将目的i p 子网段的网关设置为特定主机路由，然后将默认网关指向该主机路由，即可发送 4 引言 数据包。但是在传统互联网路由转发机制下，其他终端若要向该移动终端发送数 据包，整个网络的路由器必须添加到该移动终端的主机路由，这个工作量是非常 大的，所以是不可取的。 移动i p ：当移动终端离开自己所属的口子网段之后，它就必须将自己目前所 在的i p 子网为其提供的隧道服务的转交地址( c a r e o f - a d d r e s s ) 进行注册登记。 这个转交地址如果是f a 分配给移动终端的地址，就称为联合转交地址；如果是 f a 的地址，则称为外部代理转交地址。当h a 知道移动终端当前的转交地址后， 即可以隧道的方式将ha 收到的数据包转发给转交地址，在转交地址处，原始数 据包从隧道中被取出并传送到移动终端。当移动终端发出数据包时，如果使用三 角路由( t r i a n g l er o u t i n g ) 方式，f a 就提供路由功能，数据包直接发送给目的终端， 源地址是h a 的i p 地址；如果使用反向隧道( r e v e r s et u r m d ) 方式，则数据包仍 以隧道方式发送给h a ，再由h a 对外转发。 1 3论文的主要工作 本文根据一体化网络的特性及w i f i 终端切换流程的特殊性，在接入网络与切 换网络的自动控制方面，提出一种一体化网络w i f i 终端自动切换机制自动切 换有限状念机机制( a u t o m a t i ch a n d o f f f i n i t es t a t em a c h i n e ，a h f s m ) ，即设计切 换过程有限状态机( f i n i t es t a t em a c h i n e ，f s m ) 及其状态迁移图来控制w i f i 终端 的整个切换流程。这种架构能够迅速应对各种不稳定因素与异常事件；能够令使 用者有效的控制整个切换过程；能够清晰的了解w i f i 终端处于何种状态，触发了 哪些事件。另外，在触发事件中加入手动切换一项，增加了可控性的同时，也为 调试和性能比较带来便利。 在链路切换控制方面，采用预扫描硬切换算法降低链路切换时延。预扫描切 换算法采用的是扫描分离思想，在已有思想分离扫描阈值和切换阈值的基础 上，在a h f s m 中加入扫描限制定时器硬性控制扫描问隔；同时，将两个阈值分 开，令扫描阈值在扫描限制定时器超时之前随扫描次数递减，切换阈值在扫描限 定定时器超时之前随切换次数递减，而两个阂值在扫描限制定时器超时后恢复原 设定值。这样一来，在实现分离扫描的同时，也有效抑制了“乒乓效应 。 同时，本文在l i n u x 操作系统上对上述各种设计方案进行软件实现，并在一体 北京交通大学硕+ 学位论文 化网络原型系统上进行功能测试和性能测试。由于该软件为终端用户服务，所以 采用g t k 2 0 进行界面实现，并且为用户提供手动切换自动切换可选，无线设备 可选，参数可配等操作接口。 1 4 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第一章介绍了论文的研究背景与意义，国内外发展现状及论文的主要工作。 第二章介绍w i f i 终端接入一体化网络无线环境涉及到的步骤与理论。 第三章在分析了一体化网络w i f i 终端自动切换机制的设计目标后，提出了一 套适合一体化网络及无线环境的自动切换机制。 第四章介绍一体化网络w i f i 终端自动切换机制的实现。 第五章对一体化网络w i f i 终端自动切换机制的功能测试和性能测试分析。 第六章对论文进行总结，并对今后的工作提出了一些建议。 6 一体化网络w i f i 终端接入概述 2 一体化网络w i f i 终端接入概述 本章主要介绍一体化网络w i f i 终端的接入过程。首先，简单介绍体化网络 中各个网络实体的功能以及网络拓扑结构，然后引入w i f i 终端的接入过程，再分 3 个小节对接入过程中的每一步做详细介绍。 2 1概述 一体化网络理论提出一种二层网络体系架构，将网络划分为“网通层”和“服 务层 。其中“网通层”负责为一体化网络提供多元化的网络接入，“服务层”则 负责各种业务的会话、控制和管理。它是基于标识分离映射机制而设计的新一代 互联网体系架构。本文属于一体化网络的“网通层 的研究领域。 在传统互联网体系结构中，i p 地址既作为终端的身份标识也作为终端的位置 标识。i p 地址的变化会导致原来建立的传输连接中断，需要重新建立连接。一体 化网络的“网通层 采用了接入标识( a i d ，a c c e s s i n gi d e n t i f i e r ) 与交换路由标识 ( s r i d ，s w i t c h i n g - r o u t i n gi d e n t i f i e r ) 分离映射的移动管理策略，把传统i p 地址的双 重属性进行分离，接入标识代表终端的身份，交换路由标识代表终端的位置。该 机制使得通信终端在移动的情况下仅仅进行交换路由标识的切换，而用于建立传 输连接的接入标识在这一过程中保持不变，连接不会被中断。 根据功能的不同，一体化网络的“网通层”划分以下几个网络实体： 1 广义交换路由器( g e n e r i cs w i t c hr o u t e r , g s r ) ，根据数据报文中的s r i d 的目的标识，进行选路和数据转发。 2 接入交换路由器( a c c e s ss w i t c hr o u t e r , a s r ) ，为各种网络或者终端提供 一体化网络的接入。具体地，负责控制终端的认证过程，为终端分配s r i d ， 供终端反向查询a i d ，以及移动切换管理功能。 3 认证中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r , a c ) ，负责管理合法终端在注册入网时 的信息，包括用户类别、服务等级等。 4 映射服务器( i d e n t i f i e rs e r v e r , i d s ) ，负责管理某一个域中的r i d 与s r i d 的映射关系，提供映射关系的更新和查询服务。 终端通过a s r 接入一体化网络，当终端需要同对端通信时，由a s r 将终端发 送的数据包中的源a i d 替换成为源s r i d ，目的a i d 替换成为目的s r i d ，并转发 至由g s r 组成的广义交换网络中；g s r 根据目的s r i d 将数据包转发到对端所属 的a s r 上；通信对端所属的a s r 通过查询目的s r i d 对应的a i d ，将数据包的目 7 北京交通大学硕+ 学位论文 的s r i d 替换为目的a i d ，然后将数据包转发到正确的通信对端。一个简单的一体 化网络无线环境拓扑如图2 1 所示。 图2 1 体化网络无线环境简易拓扑 f i g 2 - 1s i m p l et o p o l o g yo f w i r e l e s sa c c e s se n v i r o m e n ti nu n i v e r s a ln e t w o r k 一体化网络可以为各种异构网络终端设备提供“网通层”接入服务，而终端 设备以统一的标识方式接入“网通层”。 根据一体化网络理论，终端接入一般分为接入交换路由器接入和认证两个部 分。特殊地，与有线网络的接入过程不同，无线网络的接入通常都包含无线链路 接入这一步骤。所以，一体化网络w i f i 终端的接入过程分为三个步骤：无线链路 接入，接入交换路由器接入和认证，逻辑结构如图2 2 所示。 一无线链路接入无线接入点 i i 终端 - l 接入交换路由器接入映射服务器 + jl+ 接入交换路由器 + 认证认证服务器 图2 - 2 一体化网络w i f i 终端接入过程逻辑结构 f i g 2 - 2l o g i c a lp r o c e s so fm na c c e s s i n gu n i v e r a ln e t w o r k 8 一体化网络w i f i 终端接入概述 本章主要研究w i f i 终端的接入，既包括i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的无线链路 接入，又包括一体化网络中的接入交换路由器接入，还包括一体化网络中的认证 过程。具体地， 无线链路接入，保证了w i f i 终端与连接在接入交换路由器上的无线接入点 ( a p ) 之间的联通，从而w i f i 终端才能通过a p 和接入交换路由器进行数据交互。 接入交换路由器接入，保证了w i f i 终端与接入交换路由器之间的联通，从而 w i f i 终端才能通过接入交换路由器进行认证过程。 认证过程，只有通过了认证中心的注册过程，才能保证w i f i 终端的合法性， 一体化网络才会对w i f i 终端提供通信服务。 由图2 1 和图2 2 可知，w i f i 终端在接入一体化网络的过程中，直接交互的 网络实体为接入交换路由器和a p ，间接涉及到的网络实体为认证中心和映射服务 器。 由于本文的研究重点在w i f i 终端上面，限于篇幅，只对接入逻辑结构中的接 入交换路由器接入和认证过程做一详细介绍( 见本章第3 ，4 节) ，其它如i d s ， g s r 等网络实体问的交互不再赘述。 2 2无线链路接入 本节首先介绍i e e e8 0 2 1 1 协议簇的基础概念，然后分节介绍无线链路接入过 程中的相关概念。 2 2 1i e e e8 0 2 1 l 概述 目前i e e e8 0 2 1 1 协议簇的常用标准包括：8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 1 9 ，统称 为w i - f i 技术。8 0 2 1l a 标准使用5 g h z 频段，共划分为3 2 个信道，其中8 个信道 没有重叠。8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l g 标准都是用2 4 g h z 频段，使用1 4 个可用信道中的 1 1 个，其中3 个信道没有重叠。8 0 2 1 l b 支持速率最大为l l m b w s ，8 0 2 1 1 9 和8 0 2 1 l a 支持速率最大为5 4 m b i f f s 。8 0 2 1 l g 向后兼容8 0 2 1 l b ，而8 0 2 1 l a 由于使用频段不 同，与另外两个不兼容。 正如之前所述，8 0 2 1 1 b 使用2 4 g h z 频段，所划分的1 4 个频道分布在2 4 0 2 g h z 和2 4 8 3 g h z 之间，每个频道带宽为2 2 m h z 。在中国和美国，只使用前1 1 个频道， 其中只有1 ，6 ，ll 频道没有相互覆盖。因此，我们在进行网络规划时，应该将所 有或者大部分a p 工作在l ，6 ，1 1 三个频道。同时，为了避免同频干扰，相邻的 a p 不能使用同一个信道。 9 北京交通人学硕+ 学位论文 下面对i e e e8 0 2 11 的体系结构和管理帧进行简单介绍。 2 2 2体系结构 8 0 2 1 1 体系结构由相互作用的不同组件和服务组成，为协议栈的更高层提供 透明的站点移动支持。首先介绍一下8 0 2 1 1 体系结构中的组件和服务。 站点( s t a t i o n ，s t a ) ，8 0 2 1l 体系结构中最基本的组件，包含以下8 0 2 1 l 协议 的功能体：媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) ，物理层( p h y s i c a ll a y e r ， p h y ) ，无线媒介接口。8 0 2 1 1 功能由网卡的软件和硬件实现。站点可以是一台笔 记本电脑，手持设备，或者一个接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 。所有站点支持认证， 解除认证，加密，数据传输等8 0 2 1 1 站点服务。 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) ，8 0 2 1 1 体系结构中的基本单元，由任意 数量的s t a 组成。 服务集标识( s e r v i c es e ti d e n t i f i e r , s s i d ) ，区分w l a n 的唯一标识。同一个 w l a n 内所有a p 和s t a 必须使用同一个s s i d 。s t a 使用s s i d 同a p 建立和维 持连接关系。 根据组件和服务的不同，8 0 2 1 1 体系结构多种多样。本文中涉及的是8 0 2 1 l 使用最广泛的体系结构之一扩展服务集( e x t e n d e ds e r v e rs e t ，e s s ) ，如图2 3 所 示。在该体系结构中，s t a l 是移动终端m n l ，s t a 2 是无线接入点a p l ，两者构 成一个基本服务集b s s l ；s t a 3 是移动终端m n 2 ，s t a 4 是无线接入点a p 2 ，两 者构成一个基本服务集b s s 2 ；b s s1 与b s s 2 连接起来，两者构成一个扩展服务集 e s s ，拥有同一个e s s i d 。有些简单的情况，是一个e s s 中只有一个b s s ，该b s s i d 也是e s s i d ，唯一标识一个e s s 。 e s s 图2 - 3e s s 体系结构 f i g 。2 - 3a r c h i t e c t u r eo fe x t e n d e ds e r v e rs e t l o 一体化网络w i f i 终端接入概述 2 2 3管理原语和管理帧 i e e e8 0 2 1 1 管理原语用于s t a 应用层和内核层之间，传递s t a 的应用命令。 然后通过管理帧具体实施相应的命令。常用的有两个管理原语： 1 s c a n 原语 该原语用于s t a