（通信与信息系统专业论文）无线局域网瘦ap系统的研究与实现.pdf

摘要 随着中国移动互联网的快速发展，特别是智能手机和平板电脑等热门终端在 市场上的迅速普及，导致数据业务呈爆发式的增长，使得3 g 网络面临着巨大的 带宽压力，网络延迟、下载中断等现象时有发生。无线局域网凭借高带宽容量、 稳定的接入质量和低廉的价格等优势，成为3 g 数据业务的核心支持。另一方面， 当前运营级的大规模w l a n 组网通常采用集中式组网架构。这种架构有利于接 入控制器对其管辖的所有w i f i 热点进行统一的集中配置和管理，但是随着网络 规模的日益扩大，无线频谱资源的稀缺，导致热点设备间的射频干扰越来越严 重，以及由于c a p w a p 协议对瘦a p 网管参数的定义不全面造成了瘦a p 可维 护性能不高的现状。在这样的形势下，本文研究并设计一款基于集中控制架构 的适合中国移动进行大规模w l a n 组网的瘦a p ，并重点从提高设备的数据转 发效率、增强抗干扰能力和可维护性能等方面入手完善和改进瘦a p 。 在系统的总体架构上，从网络功能出发，依据l i n u x 网络体系结构，研究了 瘦a p 底层各个网络子系统的划分和职责分工，提出了瘦a p 系统的抽象模型， 为后续的设计工作提供理论依据。在对c a p w a p 协议的理解上，研究了c a p w a p 协议模糊规定的数据隧道转发模式，明确规定了每种数据隧道转发模式下的帧 格式转换过程，对协议更进一步的理解有助于改进c a p w a p 相关的功能。在驱 动层，结合对瘦a p 底层网络子系统以及数据隧道转发模式的研究，依据 c a p w a p 协议关于数据隧道的规定，重点研究了应用层数据隧道转发和驱动层 直接隧道转发的数据发送过程。紧接着设计并实现了驱动层直接隧道转发功能 以及用于读写隧道配置的p r o c 虚拟文件系统。驱动层直接隧道转发功能的研究 和实现是本文最大的特色所在，有利于提高瘦a p 的数据转发效率。在应用层， 简要设计各主要功能模块后，重点研究并设计了信道切换和功率控制两项无线 资源管理技术，实现瘦a p 抗干扰的业务功能。根据集中控制组网架构的内在要 求以及中国移动相关的产品规范，扩展定义了性能统计、告警和终端通告三类 网管参数，设计了网管参数的统一上报流程以及各自的采集模块。对网管参数 完整的扩展定义以及统一上报设计有助于完善瘦a p 的可维护性能。对系统的测 试表明，瘦a p 不仅实现了基本的业务功能，还准确实现了各项改进功能，适合 中国移动进行大规模w l a n 组网的需求。 关键词：瘦a p ，数据隧道改进， 信道切换，功率控制，网管参数上报 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sm o b i l ei n t e m e t ，e s p e c i a l l yt h er a p i d l y g r o w i n gp o p u l a r i t yo fs m a r tp h o n e sa n dt a b l e tc o m p u t e r so nt h em a r k e t ，t h ed a t a s e r v i c eh a sb e e ng r o w i n ge x p l o s i v e l y i tm a k e st h e3 gn e t w o r kt oe n d u r ee n o r m o u s b a n d w i d t h p r e s s u r e ，s o t h a tn e t w o r k l a t e n c y o r i n t e r r u p t e dd o w n l o a da l w a y s h a p p d e n s w i t hh i g h e rb a n d w i d t hc a p a c i t y , m o r es t a b l ea c c e s s i n gq u a l i t ya n dc h e a p e r c o s t ，w l a nb e c o m e st h ec o r es u p p o r to f3 gd a t as e r v i c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h e l a t e s tt e l e c o mo p e r a t o r s l a r g e - s c a l ew l a nn e t w o r ko f t e nu t i l i z e sc e n t r a l i z e dw i a n a r c h i t e c t u r e ，w h i c h i si sc o n d u c i v et oe x e c u t ec e n t r a l i z e dc o n f i g u r a t i o na n d m a n a g e m e n to fa l lw i f ih o t s p o tb yaa c c e s sc o n t r o l l e r , b u tw i t ht h ei n c r e a s i n g e x p a n s i o no ft h en e t w o r ks c a l e ，a n dt h es c a r c i t yo fr a d i os p e c t r u mr e s o u r c e s ，m o r e a n dm o r es e r i o u sr a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea m o n gt h eh o t s p o td e v i c e sb e c o m e s i n e v i t a b l e a d d i t i o n a l l y , t h ei n c o m p l e t e d e f i n i t i o no fn e t w o r k m a n a g e m e n t p a r a m e t e r si nc a p w a pp r o t o c o ll e a d st op o o rm a i n t a i n a b l ep e r f o r m a n c eo ff i ta p d e v i c e i ns u c has i t u a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n saf i ta p , w h i c hi sb a s e do n t h ec e n t r a l i z e dw l a na r c h i t e c t u r ea n ds u i t a b l ef o rc h i n am o b i l et oe s t a b l i s hl a r g e s c a l ew i r e l e s sn e t w o r k s ，a n df u r t h e r , i tf o c u s e so nh o wt or e f i n ea n di m p r o v et h ef i t a pf r o mi m p r o v i n gd a t af o r w a r d i n ge f f i c i e n c y , e n h a n c i n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dm a i n t a i n a b l ep e r f o r m a n c e i nt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，c o n s i d e r i n gn e t w o r kf u n c t i o n s ，a n d a c c o r d i n gt ot h el i n u xn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed i v i s i o no f u n d e r l y i n gn e t w o r ks u b s y s t e m sa n dt h e i rd i v i s i o no fr e s p o n s i b i l i t i e s ，p u t sf o r w a r df i t a p sa b s t r a c tm o d e l ，a l lo ft h e s eo f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e f o l l o w i n g f u n c t i o n a ld e s i g n s i nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec a p w a pp r o t o c o l ，t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e sa l lk i n d so ff r a m et u n n e lm o d e s ，w h i c ha r ed e f i n e dv a g u e l yb yc a p w a p p r o t o c o l ，d e f i n i t e l yd e f i n e ss p e c i f i cf r a m ef o r m a tc o n v e r s i o np r o c e s so fe a c hk i n do f f r a m et u n n e lm o d e i ti sm o r ec o n d u c i v et oi m p r o v ec a p w a pr e l a t e df u n c t i o n s u n d e rt h ef u r t h e ru n d e r s t a n d i n go ft h ep r o t o c 0 1 i nt h ed r i v e rl a y e r c o m b i n i n gw i t ht h e r e s e a r c ho ff i ta p su n d e r l y i n gn e t w o r ks u b s y s t e m sa n da l lk i n d so ff r a m et u n n e l m o d e s ，a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no fd a t at u n n e li nc a p w a pp r o t o c o l ，t h i sp a p e r i i m a i n l ys t u d i e st h ed a t at u n n e lf o r w a r d i n gp r o c e s si nt h ea p p d l i c a t i o nl a y e ra n di nt h e u n d e r l y i n g d r i v e r l a y e rb yc o m p a r i s o n t h e n ，t h ed i r e c t l yu n d e r l y i n g t u n n e l f o r w a r d i n gf u n c t i o na n dap r o cv f s i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，b yt h ew a y , t h e p r o cv f si s u t i l i z e dt or e a da n dw r i t ec o r r e l a t i v et u n n e lc o n f i g u r a t i o n h o wt o a c h i e v et h ed i r e c t l yu n d e r l y i n gt u n n e lf o r w a r d i n gf u n c t i o ni st h em o s ti m p o r t a n t f e a t u r e so ft h i sa r t i c l e ，w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ef i ta p s d a t af o r w a r d i n g i nt h ea p p d l i c a t i o nl a y e r , a f t e rb r i e f l yd e s i g n i n ge a c hm a i nf u n c t i o n a l m o d u l e ，w em a i n l ys t u d ya n dd e s i g nt w or a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t s ，w h i c ha r e c h a n n e ls w i t c h i n ga n dt xp o w e rc o n t r o l ，i no r d e rt om e e t sf i ta p sa n t i - i n t e r f e r e n c e r e q u i r e m e n t s a c c o r d i n g t ot h ei n h e r e n t r e q u i r e m e n t o fc e n t r a l i z e dw l a n a r c h i t e c t u r ea n dc h i n am o b i l e sr e l a t e dp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n s ，t h i sp a p e re x p a n d st h e p r o t o c o ld e f i n i t i o no fp e r f o r m a n c es t a t i s t i c s ，a l a r mi n f o r m a t i o n ，a n dt e r m i n a ln o t i c e ， t h e nd e s i g n sau n i t i z e df l o wp r o c e s sf o ra l ln e t w o r km a n a g e m e n tp a r a m e t e r s r e p o r t i n ga n dt h e i ro w ng a t h e r i n gm o d u l e s t h e r ei sn od o u b tt h a tt h ec o m p l e t e e x p a n s i o no fn e t w o r km a n a g e m e n tp a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g n i n go ft h eu n i t i z e d r e p o r t i n gf l o wp r o c e s sc a ns t r e n g t h e nf i ta p sm a i n t e n a n c ep e r f o r m a n c e t h et e s to f t h es y s t e ms h o w st h a tn o to n l yt h eb a s i cb u s i n e s sf u n c t i o n s ，b u ta l s oe a c hi m p r o v e d p o i n ti sa c c o m p l i s h e de x a c t l y , a n dm e e t st h ed e m a n df o rc h i n am o b i l et od e p l o y l a r g e s c a l ew l a n n e t w o r k k e y w o r d s ：f i ta p ；d a t ac h a n n e li m p r o v e m e n t ；f r e q u e n c ys w i t c h ；t x p o w e rc o n t r o l ； m i b r e p o r t i n g h l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 w l a n 使用无线电波作为数据传输的媒介，不使用任何导线或电缆，提供 传统有线局域网( 呻的功能，能够满足用户随时、随地接入宽带网络的需求。 1 1 课题的研究背景 1 ) w l a n 是3 g 的重要带宽补充 目前全球运营商正在加速3 g 网络的建设和业务发展，特别是以i p h o n e 及 i p a d 为代表的智能终端的日益兴盛，加速壮大了3 g 用户的规模。用户规模的 日益壮大为运营商带来丰厚收益的同时，由此引发的移动数据的快速增长也使 运营商面临着巨大的带宽挑战。w l a n 技术由于具有极大的带宽优势成为运营 商缓解带宽压力的重要手段。 w l a n 与3 g 互为补充。首先，w l a n 提供了大量带宽，但覆盖范围却极其 有限1 1 1 。比如最新的i e e e8 0 2 1 l n 标准通过使用m i m o 技术标准速率可达 3 0 0 m b i t s ，使用双倍带宽时的理想速率为6 0 0 m b i t s 1 2 1 ，使无线局域网真正进入 百兆时代，然而其传输范围在室内约为7 0 米，室外也仅有约2 5 0 米，并且w l a n 仅支持低速移动。与之相反的是，3 g 网络适合覆盖广域及城域网络，支持高速 移动，但是带宽容量明显低于w l a n ，即使是最新的h s p a + 技术( 俗称3 7 5 g ) 的理论下行速率也只有4 2 m b i t s 1 3 1 。显然，w l a n 的接入带宽性能近1 0 倍于3 g 网络。 其次，相对于3 g 而言，w l a n 建网成本低廉，容易以较少的投资实现局部 热点区域和室内的覆盖。正是由于3 g 与w l a n 在覆盖范围、移动性、带宽容 量以及建网成本上优劣互补，使得他们非但没有相互竞争，反而相互补充，共 同发展。w l a n 是3 g 的重要带宽补充，w l a n 适用于用户密集，对速率要求 高，低速移动的局部热点区域f 4 j 。 2 ) 集中式组网架构的兴起 近年来以瘦接入点为基础结构的集中式组网架构越来越成为各大运营商进 行大规模组网的热门应用方案。在集中式组网架构中，通过引入接入控制器 ( a c ) ，简化胖a p 的功能，将一部分胖a p 的功能，特别是对时延不敏感的高 武汉理工大学硕士学位论文 级功能，比如管理、控制、认证、安全等转移到a c 上实现，功能简化后的无线 接入点称为瘦a p ，相当于a c 的一个远程受控天线，在覆盖范围内提供r f 信 号，实现终端接入和w l a n 覆盖【5 1 。集中式组网架构如图1 - 1 所示f 6 】。 s t aa p 图1 - 1 基于集中式组网架构的无线局域网 集中式组网架构正是通过接入控制器( a c ) 实现了对管辖范围内的所有无 线接入点( 瘦a p ) 进行统一管理和配置来达到进行大规模组网的目的。在集中 式组网架构中，由于a c 集中管理和配置所有瘦a p ，很容易实现全局r f 规划、 负载均衡、基于站点的带宽控制，以及实施强大的接入控制和安全策略。 3 ) 基于瘦a p 的集中控制和管理 在f i t a p 的集中式组网架构下，由无线控制器作为网管的代理服务器，负 责完成对整个热点区域内的无线接入点a p 的管理和配置【7 1 。为了简化网管对大 量a p 的管理和配置工作，a p 本身并不需要支持s n m p 网管协议，网管对a p 的管理控制是通过配置无线控制器间接完成的，同时无线控制器会将a p 的统计 和告警信息上报给网管，便于网管及时监测和进一步完成网络性能分析及优化 工作。网管对无线接入点a p 的管理过程如图1 2 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 a p l l ：通过s n m p 协议下发a p 的配 置和最新版本； 2 ：通过c a p w a p 协议下发a p 的 配置和版本更新； 3 ：通过c a p w a p 协议上报a p 的 性能统计和告警信息等； 4 ：通过s n m p 协议上传a p 的性 能统计和告警信息。 a p 2a p n 图1 - 2 网管对无线接入点a p 的管理过程 瘦a p 在启动后会自动通过d h c p 方式获取m 地址，并自动搜寻可关联的 无线控制器，在和无线控制器建立c a p w a p 控制隧道之后会自动从无线控制器 下载配置信息和更新软件版本。 f i t a p 组网最大的优点在于瘦a p 可以实现零配置，a p 上电后会自动从无 线控制器下载软件版本和配置信息，同时无线控制器也可以自动调整瘦a p 的工 作信道以及发射功率( 可选，也可由瘦a p 自主完成) 。在网络管理方面，网管 可以只通过管理无线控制器设备就可以达到控制a p 的效果，极大的减少了无线 网络后期维护和管理的工作量。 1 2 国内外的研究现状 1 ) 已有的研究成果 ( 1 ) c a p w a p 相关协议的已有研究成果 文献【8 】规定了自治式、集中式以及分布式无线m e s h 网络等三种w l a n 组 网架构，重点规定了集中式w l a n 组网架构中涉及的三种m a c 实现方式的区 别与联系。文献【9 】定义了对无线接入点进行控制和配置的通用c a p w a p 协议， 即主要定义了c a p w a p 核心状态机的状态迁移图，c a p w a p 控制报文和数据报 文的详细帧格式，以及所有信息元类型的协议内容，该规范是c a p w a p 协议的 核心协议之一。文献【1 0 】定义了通用c a p w a p 协议用于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 的绑定协议，使通用c a p w a p 协议r f c 5 4 1 5 适用于8 0 2 1 1 无线局域网，该规 3 武汉理工大学硕士学位论文 范重点规定了i e e e8 0 2 1 1 网络特有的c a p w a p 管理和配置信息元的协议内容， 与r f c 5 4 1 5 一起组成了完整的c a p w a p 协议。另外，c a p w a p 协议还允许无 线终端接入点使用d h c p 发现它将要连接的接入控制器，文献 1 1 1 详细介绍了 c a p w a p 协议使用的d h c p 选项，包括i p v 4 选项以及i p v 6 选项的详细格式。 文献 1 2 1 定义了用于网络管理协议的通用管理信息库，着重介绍了为了给 c a p w a p 协议建模的管理对象，该规范除了包括c a p w a p 协议相关的管理对象， 如隧道的状态外，还定义了虚拟无线口，与r f c 5 4 1 5 协议相似，这个虚拟无线 口在物理上可以是8 0 2 1 1 接1 2 1 、也可以是l t e 接口等。文献【1 3 】针对的是 r f c 5 4 1 6 ，重点规定了将管理信息库应用于8 0 2 1 1 网络的特有m i b 信息库，与 r f c 5 8 3 3 一起组成了集中控制网络中的管理信息库。 所有的这些c a p w a p 相关协议一起规定了集中控制组网中a c 集中管理和 控制瘦a p 的隧道协议。此外，除了i e t f 规定的通用c a p w a p 协议外，中国移 动还从国内的实际情况出发扩展定义了通用的c a p w a p 协议。文献 1 4 1 规定了 瘦a p 与无线终端以及a c 之间的接口规范，文献【1 5 】规定了适合中国移动的扩 展c a p w a p 协议。 ( 2 ) 数据集中转发的实现方法 文献【9 】规定了无线帧集中转发和有线帧集中转发的帧格式转换图，即展示数 据隧道集中转发业务数据时的c a p w a p 封装与解封装过程，规定了具体的封装 数据帧格式。此外文献【9 ，1 0 】一起详细规定了三种数据转发形式的具体操作过程。 对于集中转发高带宽的无线业务数据，c a p w a p 协议规定需要在应用层的 c a p w a p 协议中进行封装和解封装操作，如果要求实现较高的安全性，还需要 在应用层结合d t l s 协议实现业务数据的d t l s 加密和密文传输。此外并没有 任何文献提出如何提高瘦a p 对高带宽的业务数据进行转发的处理效率，通常都 采用了c a p w a p 协议规定的在应用层建立和维持数据隧道，在应用层实现 q 廿w a p 封装，之后再通过数据隧道集中转发的处理方式。 ( 3 ) 无线资源管理的实现方法 文献【1 6 】介绍了同频干扰的定义，提出了w l a n 组网应采用互不干扰的信道 进行规划的方案，并且对不同应用场景下的同频干扰进行组网测试，分析了同 频干扰对系统的影响程度并提出建议。文献【1 7 】还研究了2 4 g h z 下w l a n 于 l t e 共存的带外干扰，对w l a n 设备的带外辐射功率的限值进行了仿真和研究。 文献 1 8 1 从8 0 2 1 l n 的关键技术入手，分析了8 0 2 1 1 n 组网规划中的网络覆盖、 信道捆绑、频率规划等关键问题，进行了干扰信道下的吞吐率测试。文献 1 9 】 4 武汉理工大学硕十学位论文 分析了w l a n 优化的一般步骤和方法，并从信道规划、功率控制以及调整信标 帧的发送间隔等方面入手研究具体的优化手段。文献2 0 1 也在进行w l a n 网络 规划时提及了系统容量规划、同频干扰、信道规划以及功率控制等无线资源管 理技术实施的必要性及其方法。文献 2 1 2 3 j 还分别从子信道划分、功率控制的 实施原理、避免临频干扰以及空间间隔复用子信道等方面研究了瘦a p 的无线资 源管理技术。 文献f 9 ，1 0 1 规定的c a p w a p 协议通过定义“i e e e8 0 2 1 1r a t es e t 和“i e e e 8 0 2 1 1t xp o w e r 信息元规定了瘦a p 采用哪种信道切换模式和发射功率调整模 式。通常只实现集中式的无线资源管理技术，即通过各个瘦a p 定期向a c 上报 各自的邻居a p 射频信息，a c 根据这些信息以及对整体网络拓扑结构的掌握， 确定每一个瘦a p 应该采用的信道号以及发射功率，类似于文献【2 4 】中采用的方 法。不过由于集中式控制算法容易引起全网瘦a p 频繁进行信道切换和发射功率 调整的弊端，通常瘦a p 采用分布式的无线资源管理方法。 文献【2 5 】针对目前w l a n 组网中普遍存在的同频干扰问题提出了一种分布 式的动态干扰检测和避免的新方法，即通过监听邻居a p 定期发送的信标帧，得 到邻居a p 数量；通过统计信标帧的延迟次数是否超过阈值判断是否产生了干 扰。通过底层退避机制，定期判断信道是否空闲，统计信道空闲率。信道越空 闲，邻居a p 数量越少，信道质量越高。文献 2 6 1 提出了一种分布式动态功率控 制算法，模拟结果表明，该算法可以在很短的时间内改善整体网络的吞吐率， 具有自适应特性和重大的应用价值。 ( 4 ) 网管参数的采集与上报 文献【2 7 】在已实现的瘦a p 技术上，从采集瘦a p 系统的性能统计数据，与 a c 的时间同步以及异常恢复等方面扩展设计并实现功能更强的瘦a p 设备，其 中对系统性能统计的采集和上报是首次被提及的。文献【2 8 】重点从实现瘦a p 的 黑白名单的接入控制和性能统计数据采集上报两方面增强传统瘦a p 的功能。对 于如何实现瘦a p 网管参数的采集与上报通常只实现了性能统计数据的采集和 上报，对于瘦a p 系统告警信息的采集和上报以及无线终端通告消息的采集和上 报没有更多的文献提及。这部分将是重点需要扩展实现的地方。 2 ) 面临的主要问题 在研究了瘦a p 系统的发展现状之后，由于集中式组网方案是当前一种较新 的组网方案，并且相关的8 0 2 1 1 系列标准还在不断的更新中，突出表现在瘦a p 和a c 的交互协议a p w a p 上。由于由r f c 5 4 1 5 、r f c 5 4 1 6 规定的c a p w a p 5 武汉理工大学硕士学位论文 协议并不是一个完整的协议实现，仅仅是一个最小的协议实现，许多影响a c 管 理性能，配置瘦a p ，以及其他一些诸如性能统计，告警等网管参数的上报等关 键的系统维护功能都没有定义完整。当前基于集中控制架构的瘦a p 面临着以下 几个突出的问题： ( 1 ) 根据c a p w a p 协议，当采用数据隧道模式集中转发业务数据时，需要将 无线数据帧封装成c a p w a p 帧，数据隧道采用和控制通道一致的方法在 c a p w a p 协议中实现【9 , 1 0 ，但是c a p w a p 协议属于应用层协议。如果采用 c a p w a p 协议规定的方法，无线数据帧首先需要通过内核的t c 咖栈传送到应 用层，由应用层软件对数据帧进行c a p w a p 封装后，再通过t c p i p 栈经数据 隧道发送给a c 。这种方法效率低下，严重制约瘦a p 的转发效率。 对于如何改进数据隧道的实现，提高瘦a p 的转发效率，目前即使国外也没 有文献涉及，通常采用c a p w a p 协议规定的应用层数据隧道转发的实现方式。 ( 2 ) 由于c a p w a p 协议只是一个规定集中控制架构中瘦a p 和a c 交互的通 用隧道协议，许多重要的业务应用功能没有涉及，针对这种情况，中国移动、 中国电信、中国联通针对w l a n 产品，分别制定了各自的企业技术规范。大体 来说运营商对瘦a p 的业务功能要求主要有：自动频点设置、功率控制、动态速 率调整、负载均衡、接入控制、用户数限制、流量控制、多s s i d 、v l a n 支持 等【2 9 ，3 0 l 。这类由运营商规定的业务功能都必须由瘦a p 厂家设计和实现。 ( 3 ) c a p w a p 协议也没有完整定义瘦a p 性能统计、告警等网管参数的上报 功能，这些功能需要厂家根据运营商规定的网管参数进行扩展定义和上报实现 3 1 , 3 2 】。另外由于该协议主要定义的是a c 与瘦a p 之间的通信框架，对于如何具 体实现集中控制架构a c 所需的基本信息并未规定，如瘦a p 通知a c 站点上下 线，对于这类终端通告消息的上报同样需要厂家进行自定义和扩展实现。 3 1 拟采用的解决方法 ( 1 ) 对于如何提高瘦a p 集中转发高带宽的无线业务数据的处理效率，首先 研究瘦a p 底层网络子系统的构成和详细的数据收发流程，再针对具体的收发流 程研究提高处理效率的方法。 ( 2 ) 对于实现具体的由中国移动规定的业务应用功能，主要通过在应用层建 立不同的应用模块，不同的功能需求采用多线程的形式分别实现。 ( 3 ) 对于扩展定义并设计实现所有类型的网管参数的采集和上报，将通过参 考中国移动规定的关于网管参数的各个规范文件以及已有的研究性能统计的重 要文献开展扩展定义和设计工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题的研究目的和主要内容 1 ) 课题的研究目的 本文的研究目的不仅仅局限于开发一款中国移动定制的瘦a p 产品，进一步 研究如何将通常在应用层实现的c a p w a p 数据隧道技术搬移至驱动层中实现， 以期提高瘦a p 设备的数据转发效率。接着针对当前集中控制架构中由于组网规 模的不断扩大和无线频谱资源的稀缺导致的热点设备间日益严重的射频干扰问 题，设计实现瘦a p 自动信道切换和动态功率调整两项无线资源管理技术，以提 升网络性能。本文还将扩展定义并实现瘦a p 系统的性能统计、告警以及终端上 下线通告等网管参数的上报功能，进一步完善瘦a p 系统的可维护性能，为 w l a n 网管进行全网的网络管理和优化提供更多的数据资源。 2 ) 论文的主要内容 论文的具体章节安排如下： 第1 章是绪论部分，主要介绍了课题的研究背景，国内外瘦a p 的研究现状 以及本文的主要研究工作。 第2 章详细研究瘦a p 系统的分层架构，底层网络子系统的划分、相互之间 的逻辑关系及其实现方式，并根据业务应用功能提出了应用层分模块多进程的 实现方案。最后提出了v a p 的抽象模型以及整个瘦a p 系统的抽象模型，为瘦 a p 的设计和实现奠定理论基础。 第3 章在详细研究c a p w a p 数据隧道转发模式，总结本地转发和集中转发 实现过程的基础上，重点研究并实现了驱动层直接隧道转发功能，即在驱动层 直接封装并转发无线用户的数据流量，以期提高瘦a p 的业务数据转发能力。 第4 章设计并实现了各个应用层的软件模块，重点实现了瘦a p 自动信道切 换和动态功率调整业务功能，以及对各类网管参数进行扩展定义并设计了统一 上报流程和各自的采集模块。 第5 章对整个系统进行测试，主要测试了各项业务功能，验证驱动层直接隧 道转发设计的正确性，并对测试结果进行分析。 第6 章总结本文所做的主要工作，针对本设计的不足对相关技术进行了展 望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体架构研究 本章主要研究瘦a p 系统的分层架构，底层网络子系统的划分及其逻辑关系， 并探讨了各网络子系统的实现方式，根据应用层的业务功能需求提出了分模块 多进程的实现方案。最后依据w l a n 基础结构网络的组成形式提出了v a p 的抽 象模型，进一步结合系统的分层架构研究了整个系统的抽象模型，为将要进行 的功能设计和实现提供理论依据。 2 1 瘦a p 的分层架构 瘦a p 作为典型的基于l i n u x 的嵌入式设备，总体上采用分层架构设计，共 分三层：应用层、内核层、驱动层f 3 3 】。如下图2 - 1 所示。 用户空间 内核空间 图2 - 1 系统分层架构 从系统的网络功能出发，各个系统分层的职责如下表2 - 1 所示。 表2 - 1 系统各层职责列表 编号层名称 职责 负责瘦a p 系统应用功能的实现。包括与a c 的c a p w a p 交互、业务 1 应用层 应用功能、网管参数的上报等功能。 2 内核层内核层主要包括t c p i p 网络栈以及网桥等。 驱动层主要实现w l a n 驱动( 即无线网卡驱动，实现8 0 2 1 l m a c 处 3 驱动层理、8 0 2 1 1 帧处理以及v a p 等) 和以太网驱动( 实现与l a n 的数据 交换) 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 底层网络子系统的划分与实现方式研究 2 2 1 底层网络子系统的划分 瘦a p 系统的底层部分包括内核层和驱动层，含有多个相对独立的网络子系 统，各子系统的划分及其之间的逻辑关系如图2 2 所剥卅。 应用层 内核层 协议无 关接口 宙-q匿ethernet 图2 2 底层网络子系统的划分 底层各个网络子系统的职责分工如下表2 2 所示。 表2 2 底层各网络子系统职责列表 编号子系统名称所属层名称职责 ls o c k e t内核层 套接口作为内核与应用的接口。 2 t c p i p 栈内核层实现t c p i p 协议。 3 b r i d g e 内核层 实现网络设备数据链路层的桥接。 实现8 0 2 1 1 帧处理，实现帧格式转换，与内核接 4 n e t 8 0 2 1 1驱动层 口等。 5 e t h e r n e t 驱动驱动层实现以太网卡驱动，与内核接口等。 6a t hd e v 驱动层提供无线网卡设备操作接口，实现v a p 等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 底层网络子系统的实现方式 内核层实现t c p i p 网络栈以及透明网桥【3 5 】。系统内核采用l i n u x ，版本为 2 6 3 1 ，s o c k e t 套接口、t c p i p 网络栈以及透明网桥的实现通常都包含在内核中， 整个内核不需要额外开发，可以直接使用。 驱动层由硬件厂商提供，实际上采用了原有胖a p 的驱动代码，已经实现了 功能较为全面的w l a n 驱动和以太网驱动，在此基础上需要增加各项瘦a p 配 置参数及网管参数的支持代码，以及根据已有的以太网驱动在驱动层实现直接 隧道转发功能。 2 3 应用层多进程的实现机制研究 应用层主要负责实现瘦a p 系统的业务应用功能。主要包括： 1 ) 与a c 进行c a p w a p 交互 瘦a p 与a c 进行c a p w a p 交互主要需要实现控制通道的建立和维护，包括 发现和加入a c 、控制通道心跳交互、瘦a p 配置更新和软件更新、性能统计告 警等网管参数的交互等功能。 2 ) 实现各项业务功能 瘦a p 需要实现的由运营商规定的业务应用功能主要有：自动频点、功率控 制、负载均衡、上行链路完整性检测、接入控制、v l a n 支持、n t p 时间同步、 用户隔离以及用户数限制等。 3 ) 本地w e b 操作维护 本地的w e b 操作维护接口主要用于产品的开发和调试，如查看和更新瘦a p 的各项配置参数，进行实际的集中式组网时作用不大。 4 ) 系统看门狗 在应用层，看门狗定期检查各个应用进程的运行状态，一旦发现进程意外终 止，就重新运行这个进程。另外看门狗还接收并执行由某些应用进程发送的控 制命令，这些控制命令主要用于处理系统运行过程中遇到的各种异常情况。看 门狗执行这些控制命令，通常就是重启相应进程或整个系统，实现系统异常自 恢复的功能。 5 ) 无线终端认证关联等事件监视 瘦a p 还需要实现对无线终端认证以及关联等无线事件的监视功能，实现无 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 线事件的监视是设计和实现终端告警以及终端上下线通告上报的前提。 总之，应用层根据不同的业务功能分模块以多进程的形式实现，如图2 3 所 不。 图2 3 应用层多进程实现机制 应用层各个进程模块的功能分工及其实现方法如表2 3 所示。 表2 - 3 应用层各进程功能列表 应用进程 编号实现功能备注 名称 以现有胖a p 的w e b 实现为基础，增加瘦a p 相关 1w e b d 本地操作维护 的参数信息。 与a c 的 以o p e n c a p w a p 3 6 】开源代码为主体框架，少量修 2 c a p w a p c a p 、配廿控制 改，实现标准的c a p w a p 协议流程，发现a c ， 建立控制通道，解析来自a c 的配置更新命令， 报文的交互 上报网管参数等。 实现具体的 实现配置初始化以及自动配置更新功能，性能统 3 a p p d 计采样，告警状态监测，自动频点、功率控制、 业务应用功能 流量控制、v l a n 划分等运营商规定的业务功能。 及时接收站点关联、认证、解关联、重关联、解 监视终端 认证等无线事件消息，将事件传递给c a p w a p 协议 4i w e v e n t d 进程进行无线事件上报或告警处理。通过少量修 无线事件 改开源无线工具包w i r e l e s s _ t o o l s 2 9 t a r g z 中的 i w e v e n t c 及相关文件实现。 看门狗进程，实完成对各应用进程运行状态的监视，并及时处理 5w a t c h d 现系统监视功能系统运行时的异常。 除功能实现之外，应用层还设计了一个s q l i t e 数据库，用于保存系统配置 武汉理工大学硕士学位论文 参数和网管参数，另外还封装了一些接口操作工具，用于操作无线接口、有线 接口和透明网桥等，如表2 4 所示。 表2 4 数据库与接口的操作工具集合 编号工具名称实现功能备注 保存瘦a p 系统 采用s q l i t e 数据库，d b 只是一些事先生成的 1 d b的各项配置参 s q l i t e 数据库文件。 数，网管参数等 用于配置无线接口参数的一套命令工具集合，如 w n l e s s 2 无线工具集 i w c o n f i g ( 无线接口管理) 、i w p r i v ( 无线接口配置 t o o l s 设置工具) ，w l a n c o n f i g ( y a p 管理工具) 等。 其他工具 操作有线接口和 3无线接口的其他 其他操作接口的命令工具有：i f c o n f i g ( 通用接口 集合配置工具) ，b r c f l ( 网桥操作工具) 等。 工具集合 2 4 瘦a p 系统的抽象模型研究 2 4 1v a p 的抽象模型 本文实现的瘦a p 支持多个虚拟b s s ，即多s s i d 功能，每一个虚拟的b s s 的基础结构称为一个虚拟a p ( v i r t u a la p ，即v a p ) 。通常，同一a p 下的各个 v a p 共享大部分的b s s 配置和无线接口配置，但可以有少量配置不一样，比如 采用不同的站点认证方式和不同的密钥，采用不同的带宽配置或者接入控制等， 方便不同权限的无线用户接入网络。v a p 概念的抽象是实现v l a n 划分的前提， 有利于对不同权限的用户进行分类和管理。 瘦a p 通过软件抽象建立多个v a p ，各个v a p 之间相互独立，可以设置不 同的s s i d 和b s s i d ，实现单台a p 支持多s s i d 的功能。一个v a p 及其关联的 站点就组成了一个b s s ，v a p 抽象模型如图2 4 所示。 图2 4 v a p 的抽象模型 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 瘦a p 系统的抽