（计算机系统结构专业论文）无线局域网中结点切换技术的研究.pdf

ii 摘摘 要要 近几年来，无线局域网技术得到了快速发展，但在其上的 ip（internet protocol） 语音应用效果还不是很理想，特别是无线局域网中的结点在访问点间切换时对语音的 服务质量影响很大。在 ieee 802.11 无线局域网中，当用户结点从一个扩展业务组或 子网移动到另外一个扩展业务组或子网时，不仅需要进行链路层的切换，还要进行网 络层的切换。链路层的切换一般采用的是访问点内部协议来实现，而网络层的切换广 泛采用的是移动 ip 技术来实现。但是，利用这些方法进行结点切换时的丢包率、切 换延时等都较大，严重影响语音等实时业务的服务质量。 链路层的访问点内部协议规定在结点与新访问点关联结束后，旧访问点再将缓存 的发往该结点的数据转发到新访问点，这无疑增加了时延。针对这种情况，采用了一 种新的链路层切换方法，使得结点关联过程与发往结点的数据转发过程同时进行，在 增加一定的网络开销的基础上，大大的减少了包的切换时延和丢失数。 网络层的切换广泛采用的是移动 ip 技术来实现的。移动 ip 切换独立于链路层的 切换，包括移动检测过程和注册过程。移动检测的时间往往较长，并且移动结点是在 注册完成后才收到数据包，使得数据包的传输时延较大，并会产生数据包的丢失。 针对这些问题，采用了一种新的网络层快速切换方法，扩充了重关联请求帧中的 信息元素。当新的访问点检测到移动结点的关联请求时，访问点管理实体触发网 络层的切换，使链路层切换和网络层的切换同时进行，以保证 ip 移动检测的零时 延，减少了数据包的丢失，从而满足语音等实时业务的要求。 关键词：无线局域网, 切换, 访问点内部协议, 移动网际协议, 同步转发切换, 扩展的访问点内部协议 iii abstract in recent years, wireless local area network (wlan) technology has developed rapidly, but the performance of voice over wlan is not satisfactory, especially the long latency brought by node handoff between access points (ap) in wlan has a great impact on quality of service(qos) of voice service. when a user moves from one extended service set(ess) or subnet to the other in ieee 802.11 wlan, handoff happens not only at link-layer, but also at network-layer. the link-layer handoff often achieves by inter- access point protocol (iapp), while mobile internet protocol(ip) technology is used widely to achieve the network-layer handoff. but, these technologies bring more handoff latency and more packets lost that influence the qos of real-time communications such as voice service seriously. iapp of link layer defines that the old ap dont transfer the data sent to the mobile node to the new ap until the mobile node associates with the new ap. this process increase the transmit latency undoubtedly. as to this problem, a link-layer handoff method named synchronized transmission handoff technology was proposed to provide a mechanism that the process of node association and the process of the data transmission execute simultaneity. using this method can reduce the handoff latency and the packets lost sharply at the cost of little more network expending. the network-layer handoff adopt mobile ip technology widely. mobile ip handoff technology is independent of link-layer handoff method, including mobile detection phase and registration phase. the detection latency is commonly long correspondingly in the handoff procedure. whats more, the mobile node didnt receive the packets until the registration phase finished. these factors bring long handoff latency and high packets lost. for the sake of solve mobile ip handoff problem, a fast network-layer handoff scheme is proposed, this scheme extend the information element of the request frame in re-association phase. while the new ap detect a re-association request of mobile node, the network-layer is triggered by the access point management entity. then the link-layer handoff and the network-layer handoff carry out simultaneity to ensure zero-delay movement detection phase and low packets lost to satisfy the requirement of real-time application such as voice service. keywords: wireless lan handoff inter-access point protocol mobile ip synchronized transmit handoff extended inter-access point protocol 52 附录附录 2 本文所用缩写词汇英汉对照本文所用缩写词汇英汉对照 英文缩写英文缩写 英文全名英文全名 中文译名中文译名 acelp algebraic code excited linear prediction 代数码激励线性预测编码 ap access point 访问点 apme access point management entity 访问点管理实体 arp address resolution protocol 地址解析协议 bsa basic service area 基本业务区 bss basic service set 基本业务组 bssid basic service set identifier 基本业务组标识号 cbr constant bit rate 恒定比特率 cck complementary code keying 补码键控 cn coorespondent node 通信结点 cs-acelp conjugate structure-acelp 共扼结构代数码激励线性预测 编码 dbpsk differential binary phase shift keying 二进制相移键控 dqpsk differential quadrature phase shift keying 差分四进制相移键控 ds distribution system 分布式系统 dss distribution system service 分布式系统服务 dsss direct sequence spread spectrum 直接序列扩频 ecs eager cell switching 积极切换 edcf enhanced distributed coordination function 增强的分布式协调功能 esa extended service area 扩展业务区 ess extended service set 扩展业务组 essid extended service set identifier 扩展业务组标识号 ex-iapp extended iapp 扩展的访问点内部协议 fa foreign agent 外地代理 fap foreign access point 外地访问点 fn foreign network 外地网络 53 ftf fn to fn 外地网络到外地网络 ftp file transfer protocol 文件传输协议 ha home agent 家乡代理 hap home access point 家乡访问点 hcf coordination function 混合协调功能 hn home network 家乡网络 htf hn to fn 家乡网络到外地网络 ibss independent basic service set 独立的基本业务组 iapp inter access point protocol 访问点内部协议 icmp internet control message protocol 因特网控制报文协议 ieee institute for electrical and electronics engineers电气与电子工程师协会 ip internet protocol 网际协议 ir infrared 红外线 esp encapsulating security payload 封装安全净负荷 fhss frequency hopping spread spectrum 跳频扩频 lcs lazy cell switching 消极切换 mac media access control 介质访问控制 mimo multiple in/multiple out 多入多出 mlme mac layer management entity mac 层管理实体 mn mobile node 移动结点 mos mean opinion score 平均评定得分 mp-mlq multiple pulses maximum likelihood quantize 多脉冲最大似然量化 msdu mac service data unit 媒体访问服务数据单元 ns2 network simulation version 2 网络仿真版本 2 ofdm orthogonal frequency division multiplexing 正交频分复用 otcl oriented toolkit command language 面向对象开发工具命令语言 pap previous access point 先前的访问点 pcm pulse code modulation 脉码调制 pfa previous foreign agent 先前的外地代理 plme physical layer management entity 物理层管理实体 i 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经表明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在稳 重以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪绪 论论 无线局域网（wlan）是以无线信道为传输媒介构成的计算机网络，覆盖到有线 网络难以到达的位置，是有线网络的补充和延伸。与有线网络技术相比，无线局域网 具有灵活、建网迅速、个人化等特点，更好的满足人们任何时间和地点进行通信的要 求。同时，由于 ip 协议体系在网络架构中的统治地位，voip（voice over ip）技术应 运而生，呈蓬勃发展的态势。以 ieee 802.11 为代表的无线局域网标准日臻完善和支 持此标准的设备厂商队伍逐渐壮大，在其上提供可靠的 voip 应用将变得越来越迫切。 因此，我们应该了解当前 ieee802.11 wlan 以及其上的 voip 应用存在的主要问题， 并找到解决的方法。 1.1 ieee 802.11 无线局域网及现状无线局域网及现状 1.1.1 802.11 的协议结构的协议结构 ieee 802.11 系列标准的协议体系结构如图 1-1 所示1。逻辑链路层（llc）层与 其他 ieee 802 局域网一样并共用，而媒体访问控制（mac）子层为多种物理层标准 所共用。ieee 802.11 mac 子层支持的物理层有以下几种： llc mac 802.11 fhss 802.11 dsss 802.11 ir 802.11a 802.11b 802.11g phy管理 mac管理 站 管 理 数 据 链 路 层 物 理 层 图 1-1 ieee802.11 协议结构 (1) ieee 802.11 跳频扩频（fhss）物理层，在 2.4ghz 频段上提供 12mb/s 的 传输速率。 (2) ieee 802.11 直接序列扩频 （dsss） 物理层， 在 2.4ghz 频段上提供 12mb/s 的传输速率。 2 (3) ieee 802.11b 物理层，在 2.4ghz 频段上提供 111mb/s 的传输速率。 (4) ieee 802.11a 物理层，在 5ghz 频段上提供 654mb/s 的传输速率。 (5) ieee 802.11g 物理层，在 2.4ghz 频段上提供高达 54mb/s 的传输速率。 (6) ieee 802.11 红外线（ir）物理层，提供 12mb/s 的传输速率。 (7) ieee 802.11n 物理层将提供 108340mb/s 的传输速率。 物理层的管理子层为物理层进行信道选择和协调。 mac 层也分为 mac 子层和 mac 管理子层。mac 子层负责访问机制的实现和 分组的拆分与重组。mac 管理子层负责 ess 散步管理、电源管理，以及联结过程中 的联结、解除联结和重新联结等过程的管理。 此外，还定义了一个站管理子层，其主要任务是协调物理层和 mac 层之间的交 互作用。 1.1.2 802.11 的组成结构的组成结构 802.11 网络的主要组成部分有站（sta） 、无线介质（wm） 、接入点（ap）和分 布式系统（ds）等。结构图如图 1-2 所示2。 (1) 站（sta） 建立网络的目地就是为了进行站间数据传输。站也称主机或者终端，它是具有无 线网络接口的计算设备。 能在无线局域网内移动的站点被称为移动结点 （mobile node， mn） 。典型的终端是便携式计算机或掌上电脑等。 (2) 无线介质（wm） 无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质，一般的 无线介质有无线电波和红外线等。无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准 无线介质 分 布 式 系 统 sta ap 图 1-2 802.11 组成部分 3 定义。 (3) 接入点（ap） 接入点是无线局域网的重要组成部分。 它作为 802.11 网络和分布式系统的桥接点 完成数据帧类型的转换功能，比如分布式系统是 802.3 以太网，则接入点进行 802.11 帧格式和 802.3 帧格式的相互转换。另外，ap 还完成对其他非 ap 的站的控制和管理 等功能。 (4) 分布式系统（ds） 为了覆盖更大区域，多个基本业务区（bsa）通过分布式系统连接起来，形成一 个扩展业务区（esa） ，而通过 ds 互相连接起来的属于同一个 esa 的所有主机组成 一个扩展业务组（ess） 。这个分布式系统作为主干网络在接入点 ap 之间进行帧的中 继，因此，分布式系统还可以称为主干网络。 1.1.3 802.11 的网络结构的网络结构 (1) 无中心网络 无中心网络(无 ap 网络)也称对等网络或 ad-hoc 网络，它覆盖的服务区称为独立 的基本业务组（ibss） 。对等网络用于一台无线工作站和另一台或多台其它无线工作 站的直接通讯，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。这是最简单的无线局域 网结构，如图 1-3（a）所示。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计 算机要有相同的工作组名、essid 和密码。 对等网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围 之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型网络在管理和 预先调协方面没有任何要求。对等网络中的一个结点必需能同时“看”到网络中的其 它结点，否则就认为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如 4 至 8 个用户，并且他们离得足够近。 (2) 有中心网络 有中心网络也称结构化网络。它由无线 ap、无线工作站以及 ds 构成，且他们离 得足够近。覆盖的区域分 bsa 和 esa。无线访问点也称无线 ap 或无线集线器，用 于在无线工作站和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线 ap 通常能够覆盖几十 4 至几百用户，覆盖半径可达上百米，如图 1-3(b)所示。 bss 由一个无线访问点以及与其关联（associate）的无线工作站构成，在任何时 候，任何无线工作站都与该无线访问点关联。换句话说，一个无线访问点所覆盖的微 蜂窝区域就是基本服务区。 无线工作站与无线访问点关联采用 ap 的 bssid， 在 802.11 中，bssid 是 ap 的 mac 地址。 扩展服务区 ess 是指由多个 ap 以及连接它们的分布式系统组成的结构化网络， 所有 ap 必需共享同一个 essid，也可以说扩展服务区 ess 中包含多个 bss。分布式 系统在 ieee802.11 标准中并没有定义，目前大都是指以太网。扩展服务区只包含物 理层和数据链路层，网络结构不包含网络层及其以上各层。因此，对于高层协议比如 ip 来说，一个 ess 就是一个 ip 子网，结构如图 1-4 所示。 sta sta sta sta sta ap (a)无中心网络 (b)基本服务组 sta 图 1-3 网络结构 bss3 bss2 bss1 t2 t1 1 sta ap1 ap2 ap3 sta sta ds 图 1-4 一个扩展服务组(ess) 5 1.1.4 802.11 的服务的服务 与 wlan 体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型，即 sta 服务 （ss）和分布式系统服务（dss） 。ieee802.11 标准中定义了九种服务，三种用来移 动数据，其余六种都是管理操作。 (1) sta 服务（ss） 由 sta 提供的服务被称为 sta 服务，它存在于每个 sta 和 ap 中。ss 包括： 认证（authentication） 物理上的安全是有线网络安全的主要组成部分。由于受物理条件的限制，并不是 所有的工作站都能随意接入网络的。然而，在开放环境下，无线网络就不拥有与有线 网络类似的安全。因此，必须依靠附加的认证过程。认证是十分必要的，因为只有被 认证的用户才有权使用该网络。 解除认证（deauthentication） 撤消认证是用来终止已认证的关系。 保密（privacy） 由于无线电波的发散性，物理上访问无线网络是相对简单的，只要使用了合适的 天线和适当的调制方法。为了防止被窃听，必须在mac层上使用一些加密施，802. 11 的规范中使用的是有线对等保密（wep）。 (2) 分布式系统服务（dss） 由 ds 提供的服务被称为分布式系统服务。在 wlan 中，dss 通常由 ap 提供。 dss 包括： 联结（association） 移动站只有在和ap注册或关联后才有可能传送帧。 分发系统能使用注册信息来决 定移动站对应的是哪个ap。 没有关联的移动站表示不在网络上， 就如同在以太网络中 被拔掉网线一样。 重新联结（reassociation） 当移动站在同一个esa的不同bsa移动的时候，它必须评估信号的强弱，并有可 能把关联切换到其它的ap。 当重关联结束后， 分发系统更新位置记录以反映移动站的 6 访问路径已改变。 解除联结（disassociation） 为了终止一个已存在的关联，移动站需要撤消关联的服务。当移动站发起了撤消 关联的服务，任何存在分布式系统中与移动性有关的数据都会被去掉。撤消操作是一 种有礼貌的操作，当然mac层允许移动站在没有撤消关联的情况下离开网络。 分布（distribution） 这个服务是在基础网络中的移动站每次传送数据时所使用的。一旦帧被ap接收， ap就使用分布式服务来把帧传送到它的目的地。任何使用ap的通信都使用了分发服 务，包括与同一个ap关联的两个不同的移动站之间的通信。 集成（integration） 完整性是一种由分布式系统所提供的服务。它允许连接到非ieee802.11网络。集 成功能是分布式系统所特有的，因此它并不限于802.11无线局域网。 媒体访问服务数据单元的传输(msdu delivery) 用来把数据传送到实际的端点。 (3) 服务之间的关系 通行中的站点均有认证状态和联结状态两个状态变量，这两个变量为每个远端站 点建立了三种本地状态，图 1-5 显示了 sta 连接过程状态转换图。 状态1 （未认证、未联结） 状态2 （已认证、未联结） 状态3 （已认证、已联结） 认证成功解除认证 联结成功或 重联结成功 解除联结通告 解除认证 图 1-5 sta 连接过程状态转换图 7 1.1.5 802.11 结点的移动性结点的移动性 在 ieee 802.11wlan 定义了三种移动模式： (1) 不移动或无转移（no_transition）方式。 在这种方式下，mn（移动结点）是静态的或在一个 bsa 范围内移动，可以不考 虑移动性管理问题。 (2) bss 转移（bss_transition）方式，也称越区切换方式。 在这种方式中，mn 从一个 bss 转移到另一个 bss，但这两个 bss 都在同一个 ess 内。对于这种移动方式，只需考虑越区切换管理问题。 (3) ess 转移（ess_transition）方式，也称漫游方式。 在这种方式中，mn 从一个 bss 转移到另一个 bss，但这两个 bss 不在同一个 ess 范围内。对于这种移动方式，不仅要考虑越区切换管理问题，而且要考虑 ip 层 的移动性管理问题。 1.1.6 802.11 系列标准发展现状系列标准发展现状 1990年，ieee执委会成立了旨在负责制定无线局域网标准的ieee 802.11工作组。 1997年，ieee工作组经过七年的工作，推出了802.11标准，主要针对wlan的物 理层（phy）和媒体访问控制子层（mac）进行了规定。802.11 wlan工作在开放的 2.4ghz频带，采用跳频扩频（fhss）和直接序列扩频（dsss）两种扩频方式，使用 二进制差分移相键控（dbpsk）和四相相对移相键控（dqpsk）两种调制方式，可 提供1mbps和2mbps的速率。由于它在速率、传输距离、安全性、电磁兼容能力及服 务质量方面均不尽人意，从而产生了其系列标准。 1999年9月正式通过的ieee802.11b3标准可以支持最高11 mbps的数据速率， 工作 在2.4ghz的ism频段上，采用的调制技术是补码键控（cck）。工作在5ghz频段上， 使用正交频分复用 （ofdm） 调制技术的ieee802.11a4标准可支持54mbps的传输速率。 ieee802.11a与ieee802.11b两个标准都存在着各自的优缺点， ieee802.11b的优势在于 价格低廉，但数据速率较低（最高11mbps）；而ieee802.11a优势在于传输速率快(最 8 高54mbps )且受干扰少。另外，ieee802.11a与ieee802.11b工作在不同的频段上，不 能工作在同一ap的网络里，因此ieee802.11a与ieee802.11b互不兼容。 为了解决上述问题，进一步推动无线局域网的发展，ieee802.11工作组定义了新 的物理层标准ieee802.11g5，并于2003年7月ieee802.11工作组批准了ieee802.11g标 准。该标准与以前的ieee802.11协议标准相比有以下两个特点：它在2.4g频段使用 ofdm调制技术，使数据传输速率提高到20mbps以上；ieee802.11g标准能够与 ieee802.11b系统互相连通，共存在同一ap的网络里，保障了兼容性。这样原有的 wlan系统可以向高速无线局域网过渡。 另外，正在制订的ieee802.11n标准采用多输入多输出(mimo)与正交频分复用 (ofdm)相结合的技术，使传输速率有很大的提高，最高可达320mbps。同时保障了与 以往的ieee802.11a，ieee802.11b，ieee802.llg标准兼容，它将全面改进ieee802. 11 标准。 2004年6月，ieee批准的802.11i6标准为使用比较流行的802.11a、802.11b和 802.11g标准的网络进一步提供加密技术。802.11i标准结合802.1x中的用户端口身份验 证和设备验证， 对wlan的mac层进行修改与整合， 定义了严格的加密格式和鉴权机 制，改善wlan的安全性。 ieee802.11e7标准改善了wlan的没有qos保障的 “尽力而为” 服务。 它在802.11 mac协议基础上增加了qos支持， 它通过设定几个不同优先级队列区分不同的业务应 用，在普通数据业务和音视频业务共存的情况下，能够保证音视频业务的优先传输， 为实时业务提供一定的qos保障。 为了实现移动结点在同一网段上多ap之间的切换功能，ieee工作组还制订了 ieee802.11f8标准，即iapp协议，规定了在发生切换时 ap之间进行通信和交换切换 相关信息的协议。 当前，ieee802.11标准迅速发展，但在无线局域网上提供与在有线网络上一样的 高质量的语音、视频以及多媒体信息传送方面还存在一定的问题，ieee工作组正着手 9 进行这方面的标准制订工作9。 1.2 本课题研究意义本课题研究意义 近几年来，无线局域网（wlan）技术得到了快速发展和广泛应用。相对于有线 局域网，wlan具有组网灵活、无需布线的特点；相对于3g移动网络，wlan具有频 段开放和宽带高速的优势10。以ieee 802.11无线网络为例，针对最初的802.11协议在 速率、传输距离、安全性、电磁兼容能力及服务质量方面的不足，ieee制订了一系列 的扩展协议满足了用户的需求，同时推动了wlan的发展。另外，无线局域网作为蜂 窝技术的补充，它通过微蜂窝、微微蜂窝和极小蜂窝的结构填补特殊区域，完成人们 对移动通讯多层次的要求，并能极大提高有限频谱的利用率11-12。 另一方面， voip （voice over ip） ， 即基于ip网络的语音传输技术已经很成熟13-14。 它采用计算机通信的分组化、数字化传输技术，先对语音数据进行压缩编码处理，然 后把数据按照相关协议打包，数据包通过ip网络传送到目的地后，由接收方进行数据 重组，再经解码解压后恢复成原来的语音信号，这样就实现了网络两端双方的通话。 更广义地讲，voip技术还可以进行包括话音、传真、数据甚至图像的传输15。基于有 线网络的voip应用正成为企业通信的主流16。 因此，wlan技术的逐渐普及以及voip的迅速发展，使人们对将两者结合起来的 vowlan技术投入了越来越多的关注。 另外， wlan和3g是无线通信领域中两种各具 优势的技术，未来两者的融合不可避免17。这种融合，能实现全球范围内多种移动网 络和无线网络间的无缝漫游，构筑一个移动网络和无线接入网的融合体，实现与 wlan的无缝连接，来支持话音、数据和图像等业务。所以，不管从当前的发展形势 还是未来发展的需要来看，vowlan技术是很重要的技术，我们有理由对提高在 wlan中的语音业务服务作出研究，以支持未来的网络大融合。 1.3 存在的问题及解决方案存在的问题及解决方案 在无线局域网上传输语音业务主要存在的问题是：语音质量问题、带宽占用问题 和漫游切换问题等 18。 10 语音质量存在的最主要的问题是过长的时延和较高的丢包率。现在随着一些新技 术的出现，例如ieee已经批准的802.11g标准和正在制订的802.11n标准都能提供很高 的传输速率来解决每个方向上总的延时；对ap的优化以及ieee推出的802.11e协议保 证了网络负载平衡和语音数据的发送优先级别，这在很大程度上减小了时延的差异性 和丢包率问题。 wlan中voip呼叫占用的带宽要比解码器的数据速率大的多。 现在可以用来优化 wlan的带宽占用的技术一般有如下四种：1) 报头压缩；2) 静音抑制；3)帧打包； 4)呼叫接入控制。并通过把ap放在距网络边缘较近的地方，可以减少voip包的抖动, 进而减少抖动引发传输时延的积累，进一步改善通话质量。 wlan漫游切换问题是现在研究的一个热点问题。当前在有线网络下的语音实时 应用在无线网络下还不是很理想，特别是应用结点跨区切换，较高的切换延时和丢包 率使这个问题更加突出。由本文1.1.5节指出的ieee 802.11 wlan三种切换的类型可 知，wlan的漫游切换问题涉及mac层、网络层两个层面。在链路层，传统的结点切 换方法8以及在此基础上改进的一些方法18要么丢包率大，要么切换延时长，这对语 音业务的qos造成一定影响；在网络层，大多数结点切换方法是建立在移动ip技术基 础之上的，这些方法独立于链路层，采用的是软切换的方式，无疑增加了切换时的开 销，在较大规模网络中还不能满足语音业务的要求。本文就针对ieee 802.11无线局域 网中的结点切换问题，在传统的链路层切换方法上作出改进，并在此基础之上，提出 一种快速的支持实时应用的网络层快速切换方法。 1.4 本文主要内容及安排本文主要内容及安排 本文先对 ieee 802.11 无线局域网进行介绍， 并分析在 wlan 上传输语音业务的 存在的问题及解决方法，进而引导出 802.11wlan 在结点切换问题上存在的不足。文 章接下来以结点切换为主线展开： 首先，在第 2 章分析了传统的 802.11 链路层结点切换方法，指出了在传输语音业 务时存在的问题；接着又分析了在无线局域网中广泛使用的移动 ip 网络层切换方法 以及一些改进方法，并将它们进行分析和比较，指出存在的问题； 11 其次，第 3 章在第 2 章分析的结果之上提出一种链路层同步转发切换方法，该方 法是对 iapp 切换方法的改进，仿真结果显示优于其它方法； 再次，第 4 章提出一种基于链路层同步转发切换方法的支持实时应用的快速 ip 切换方法，以减小因结点切换给 wlan 上语音业务带来的服务质量的影响。 最后，在第 5 章对本文的内容做了总结，并指出了以后工作内容的研究方向。 12 2 无线局域网中结点切换技术无线局域网中结点切换技术 2.1 引言引言 voip 应用要得到一定的平均评定得分19（mos）值才能给用户提供好的服务， 而 mos 分值高低主要是通过单向传输延时、丢包率和传输抖动等参数来反应的。在 ieee802.11 wlan 中，当移动结点在同一个 ess 中的访问点间移动时，结点需要进 行链路层切换；当移动结点在不同的 ess 中的访问点间移动时，结点不仅需要进行链 路层切换，还要进行网络层的切换。当前，实现链路层结点切换的方法主要是 ieee802.11f 协议标准，它是一种基于 iapp 协议的平滑切换方法；实现网络层结点切 换的方法主要是利用移动 ip 技术来实现的。然而，在利用现有的这些技术进行切换 时， 要么丢包率大， 要么切换延迟长， 语音的 mos 分值还不能达到 voip 应用的要求。 本章将详细的介绍 ieee 802.11 wlan 使用的切换方法，并给出性能分析，指出存在 的问题，为后面的课题研究提供必要的背景知识。 2.2 ip 语音业务服务质量要求语音业务服务质量要求 无线分组网络是以尽力而为的方式提供服务，而 voip 应用是一种对时间延迟比 较敏感的实时业务，因此，voip 应用要达到一定的 mos 值，必须提供一定的带宽资 源，满足其 qos 需求。话音质量 mos 的取值为 05，值越高，说明话音质量越好， 电话语音质量的标准定为 4 分。不同 codec 语音编码标准要求 mos 分值如表 2-1 所 示。mos 分值的高低主要是通过以下 qos 参数来反映的1929： (1) 单向传输延迟； (2) 丢包率； (3) 传输抖动。 对于交互式通话来说，单向延迟时间应该小于 150ms20,抖动时间也应该低于此 值。另外，voip 语音包的传输不同于一般的 tcp 连接的数据传输，它利用 udp 协议 13 进行传送，实时话音数据包的重传没有意义，因此允许一定的数据包丢失，只要丢包 率控制在一定范围内，codec 解码器能够进行修复，mos 值就可以得到保障21-22。 表 2-1 语音编码对照表 codec 比特率 帧长 mos g.711(pcm) 64kbps 1ms 4.1 g.723.1(mp-mlq) 6.3kbps 30ms 3.9 g.723.1(acelp) 5.3kbps 30ms 3.65 g.729(cs-acelp) 8kbps 10ms 3.7 2.3 切换技术的分类切换技术的分类 从目前己有的技术看，主要有以下几类切换方法23-25： (1) 硬切换(hard handoff) 移动结点从当前小区向另一个小区移动时，如果从当前基站收到的信号比较弱， 而从新基站收到的信号比较强，则mn立即断开与原基站的连接，再与新的基站建立 连接。这种方式不对原有的连接状态或上下文进行转发，因而切换过程相对较快，但 是，切换时发往原通信路由的数据包就有可能丢失，它是以牺牲丢包率来获得较小切 换延迟的。当mn不具备用两个信道与新旧基站同时通信的能力时，大多采用此类切 换方式，如tdma无线网络。 (2) 平滑切换(smooth handoff) 平滑切换也称为转发切换，为了降低硬切换的丢包率大小，当mn切换到新的基 站小区时，新基站立即通告给原基站，原基站收到通告信息后，根据通告信息中新基 站的mac地址，把发往mn的数据包转发到新基站，由新基站向mn发送。然后新基 站发送路由更新信息，如arp请求，以后数据就按新路由数据传送。这种方式在一定 程度上减少了丢包数量，但是由于原基站对数据包的缓存和转发，反而增加了切换延 迟时间。 (3) 准软切换(semi-soft handoff) 这种切换是mn在跨越两个小区时有能力与两个基站同时进行通信， 即mn切换到 14 新的小区时并不与原有的基站断开连接，而是同时与新旧基站进行数据的传送，直到 mn完全进入到新的小区后，才断开与旧基站的连接。它的特点是丢包率相对较低和 较小的切换延迟。 (4) 基于组播的切换(multicast-based handoff) mn在移动过程中，通过接收新基站或ap发送的信标获知邻居ap的存在，并设法 通告给新ap，如mn通过当前所连接ap通告给新ap让其加入组播组，新ap在加入组 播组后代表mn接收数据，但它并不向mn发送数据，只是把数据暂时缓存，直到mn 切换完成以后，新基站或ap才开始向mn发送数据。基于组播的切换方式具有丢包率 低的特点，相对于平滑切换，不需要数据包的转发，切换延迟也较小。但是，这种方 式需要维护一个组播树，在移动环境下，组播树的频繁变化，维护开销较大，限制了 它的使用26。 2.4 ieee 802.11 链路层切换方法链路层切换方法 2.4.1 ieee 802.11 硬切换方法硬切换方法 作为一种链路层的切换，最初的ieee 802.11标准主要使用硬切换方法，即当要发 生越区切换时，直接断开与旧ap连接，再与新ap建立连接，具体切换步骤为： (1) mn在当前小区发现从ap收到的信号强度低于门限值，启动信道扫描过程， 主动扫描或被动扫描； (2) 选择收到的信号强度最大的ap并发起加入操作； (3) mn向新ap发起链路认证请求(authenticate request)； (4) 新ap向mn发送认证响应帧(authenticate response)； (5) 如果认证通过，则mn向新ap发起重新连接请求(reassociaterequest)； (6) 新ap向mn发送连接响应(reassociate response)； (7) 如果连接成功，则进行数据的收发。 这种切换方法过程简单，相对时延小，但是，由于存在通信中断，故丢包率很大， 不能满足语音切换的要求。 15 2.4.2 ieee 802.11 平滑切换方法平滑切换方法 为了解决用户移动而带来的丢包率大的问题，ieee工作组制定了802.11f协议， 提供了一种平滑切换方法。ieee802.11f详细阐述了接入点内部协议（iapp） ，iapp协 议旨在向用户提供ap间的移动功能， 以满足用户对移动性日益增长的需求。 下面就对 该协议进行详细的介绍。 (1) iapp体系结构 在无线局域网中，iapp协议在ap设备中实现，它还需要与桥接等其它功能协同 完成整个越区切换操作。包含iapp的ap体系结构如图2-2所示27。 802.3 phy 802.3 mca 802.11 phy 802.11 mca mlme plme apme ip 802.2 ds services iapp sap radius client esp udp/tcp iapp 图2-2 包含iapp的ap体系结构 ap管理实体（apme）是ap的一个程序，它实现了ap制造商特有的功能和算法， 并集成了mac层管理实体（mlme）和物理层管理实体 （plme）。apme通过服务 接入点（sap）获得iapp提供的服务，apme能使iapp执行某些功能或者和别的ap 通信。radius client用于和radius server通行，它有两个作用，一个是可以通过ap的 基本业务组标识（bssid）查找ap的ip地址；另一个是获得安全信息以保护一些iapp 包的内容。iapp在ap间的通信使用了tcp协议，而radius请求和响应使用了udp 协 议。iapp使用数据链路层的帧更新与数据链路层设备有关的转发表。 (2) iapp在ap间使用的管理报文 iapp实体通过tcp/ip会话的方式在ap间通信，进行上下文信息的传递，用到的 16 管 理 报 文 主 要 有 add.notify 报 文 、 add.response 报 文 、 move.notify 报 文 和 move.response报文等。下面分别介绍它们： add.notify报文 当mn向一个ap发起连接请求后，新ap会向组播域发送此通知报文，此报文中 的目的地址是一个iapp组播地址，源地址是新ap的ip地址，还包含有mn的 mac地址及其发出关联请求时被分配的序列号等。 add.response报文 当其它ap中接收到这个加入通知包时，如果该ap存在和mn的连接，就删除该 联结，保证网络中一个mn只和一个ap有联结关系，作为对add.notify报文的 响应报文。 move.notify报文 当mn向一个ap发起重连接请求时，就导致一个move.notify通知报文发送给 旧ap，包含有sta的mac地址及其发出联结请求时被分配的序列号等。 move.