（电磁场与微波技术专业论文）无线局域网中基于ac的接入式负载均衡研究.pdf

二 ， 一iyiiiiifllllliil7f115lllfl8iiiioiiii r17llll掣 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 拯捏焘 日期：泣血! 墨：1 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： e t 期：丝：垒：! 兰 日期： 迎龟：立：f d 随着无线技术的快速发展，无线局域网正在走向大众化，并逐步 融入人们的日常工作和生活之中。随着无线局域网络拥有更高的吞吐 量和更大的覆盖范围，用户将会越来越多，网络热点问题不可避免的 发生，如何实现w l a n 内各小区的负载均衡，保持网络稳定和较高的 服务质量是无线局域网的关键问题。相比有线网络，无线网络中负载 均衡技术的实现更为复杂。本论文针对无线局域网中基于a c 的接入 式负载均衡进行研究。 本文首先分析了现有几种主要的负载均衡机制，在此基础上对无 线局域网扩展服务集网络中基于a c 的接入式负载均衡机制进行了深 入研究，分析了其实现中存在的三个关键问题：负载估计、负载信息 更新策略以及调度算法。 在负载估计方面，对一种基于统计思想的站点估计算法提出了改 进，并通过仿真验证了改进算法的性能，仿真结果表明，改进后的算 法在估算结果的准确性和实时性方面都具有明显的优势；在负载信息 更新策略方面，提出了一种周期性驱动与状态变化驱动相结合的负载 信息更新策略，分析指出采用这种策略可以保证对a p 负载状态的及 时更新和实现故障保护；在调度算法方面，针对各个a p 的负载状况 和终端检测到的信标帧信号强度，采用加权算法求出各个a p 的接入 指数，根据接入指数确定接入a p 。最后，为实现无线局域网中基于 a c 的接入式负载均衡进行了软件架构设计。 关键字：无线局域网，负载均衡，竞争站点，负载信息收集，调 度算法 u 气 ， a c c e ss t y p el o a db a l a n c i n gr e s e a r c h b a s e do na ci n 、礼a n a bs 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 fw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r ki sm o v i n gt o w a r d st h em a s s ，a n dg r a d u a l l yi n t e g r a t e di n t o p e o p l e sw o r ka n dd a i l yl i f e a sw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kh a sah i g h e r t h r o u g h p u ta n dg r e a t e rc o v e r a g e ，u s e r so fw l a n w i l lb em o r ea n dm o r e n e t w o r kh o ts p o t sw i l li n e v i t a b l yo c c u r h o wt oa c h i e v et h el o a d b a l a n c i n gf o rw l a n t ok e e pt h en e t w o r ks t a b l ea n dh a sah i g hq u a l i t yo f s e r v i c ei sak e yi s s u e c o m p a r e dw i t hw i r e dn e t w o r k s ，w i r e l e s sn e t w o r k l o a db a l a n c i n gt e c h n o l o g yi sm o r ec o m p l e x t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h e a c c e s s t y p el o a db a l a n c i n gb a s e do na ci nw l a n f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e s s e v e r a l m a j o rl o a d b a l a n c i n g m e c h a n i s m s t h e ni tm a k e sd e e ps t u d yo fl o a db a l a n c i n gm e c h a n i s m b a s e do na cf o re x p a n ds e r v i c es e to fw l a na n da n a l y z e st h et h r e ek e y i s s u e sf o ri t s i m p l e m e n t a t i o n ，w h i c ha r et h el o a de s t i m a t i o n ，t h el o a d i n f o r m a t i o nu p d a t i n gs t r a t e g ya n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m 广、 i nt h et e r mo fl o a de s t i m a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e si m p r o v e m e n t s b a s e do nas t a t i s t i c a le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a so b v i o u sa d v a n t a g e si nt h et e r m so f i i i l o a db a l a n c i n gb a s e do na c k e yw o r d s ：w l a n ，l o a db a l a n c i n g ，l o a db a l a n c e c o l l e c t i n g ， s c h e d u l i n ga l g o r i t h m i v a 目录 目勇乏i 第一章绪论1 1 1研究背景和意义1 1 2国内外研究现状2 1 2 1 负载均衡2 1 2 2 站点数目估计4 1 3 论文主要贡献5 1 4 论文结构5 第二章无线局域网及负载均衡技术7 2 1无线局域网7 2 1 1 网络类型7 2 1 2d c f 的介质访问控制方式lo 2 2无线局域网中的负载均衡技术1 3 2 2 1 基本的负载均衡策略1 3 2 2 2 接入式负载均衡1 6 2 3本章小结1 7 第三章基于a c 的接入式负载均衡策略设计18 3 1基于a c 的负载均衡1 8 3 1 1 网络背景描述1 8 3 1 2 确定接入a p 2 0 3 2 负载均衡调度2 2 3 2 1 静态和动态调度策略一2 2 3 2 2 调度算法设计2 2 3 3负载信息更新2 5 3 3 1 基本更新机制2 6 3 3 2 更新策略设计2 6 3 4 仿真分析2 9 3 4 1 仿真环境介绍2 9 3 4 2 仿真参数设置3 0 3 4 3 结果分析3 0 3 5 本章小结31 第四章竞争站点数目估计3 2 4 1 s d c f 站点估计算法3 2 4 1 1 算法描述3 2 4 1 2 算法分析。3 3 4 2改进型s d c f 算法3 4 4 2 1a t 的确定3 4 4 2 2 最大重传次数的确定3 4 4 2 3 改进型s d c f 算法具体描述。3 5 4 3 仿真分析3 6 4 3 1 仿真参数设置3 6 4 3 2 结果分析3 7 4 4 本章小结3 8 第五章负载均衡实现架构设计3 9 5 1 流程分析3 9 5 2 架构分层4 0 5 3 模块单元4 1 5 3 1 模块设计4 1 5 3 2 负载估计模块。4 3 5 3 3 负载信息更新模块4 5 5 3 4 调度执行模块4 7 5 3 5 内部接口定义5 1 5 4 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 论文总结5 3 6 2下一步工作展望5 3 参考文献5 5 致谢5 8 i i 奠 t 、 j e 塞唑直太堂殛论塞 玉线旦缝圆生鱼载塑街盟宜 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信和i n t e m e t 是信息产业发展最快的两个领域， 它们直接影响了亿万人的生活，大大改变了人类的生活方式。移动通信使人们可 以任何时间、任何地点和任何人进行通信，i n t e r n e t 使人们可以获得丰富多彩的 信息。那么，如何把移动通信和i n t e m e t 结合起来，达到可以任何人、任何地方 都能联网呢? 无线网络的出现解决了这个问题。 无线局域网( w l 蝌) 就是利用无线通信技术在局部范围内建立的网络，是 计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网使用无线多址信道的有效 方法来支持媒体之间的通信，从而为计算机数据通信终端的移动化、个人化等应 用，提供了一种方便快捷的手段。随着笔记本电脑、掌上电脑等移动设备的广泛 应用和无线通信技术的快速发展，无线局域网在社会生活中的作用将越来越重 要。 基本服务集( b s s ) 是w l a n 网络的基本组件，有一组相互通信的工作站所 构成。而b s s 有两种工作组织形式：独立型基本服务集( i b s s ) 和基础结构型 基本服务集( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 。为了扩展无线局域网的覆盖范围，增加终端的 移动性，多个b s s 可以联合组成扩展服务集( e s s ) 【l j 。终端可以在e s s 所覆盖 的范围内自由移动，并随着移动从e s s 内的一个b s s 切换到另一个b s s 。如果 在一个e s s 内有些b s s 接入的终端数非常多，甚至超出其负载能力，而有些b s s 接入的终端数却非常少，这便出现了w l a n 某些小区的负载量很大而某些小区 的负载量很低的不合理情况。而w l a n 负载均衡技术能够基于现有的网络结构， 解决负载不均的问题，提高网络带宽的利用率，避免单点失效，从而提高网络可 用性。负载均衡技术的研究对提高无线局域网网络容量和服务质量具有重要的意 义。 那么什么是负载均衡呢? 在有线分布式系统中，负载均衡是指将网络的外部 服务请求均匀分布到多台后端的服务器上，从而提高网络服务质量的方法。由于 外部网络任务到达的随机性，以及各处理节点处理能力上的差异，当分布式系统 运行一段时间后，某些节点分配的任务还很多( 称之为超载) ，而另一些节点却 是空闲的( 称之为轻载) 。一方面，使超载节点上的任务尽可能快地完成是当务 之急；另一方面，某些节点轻载是一种浪费。如何避免这种忙与空闲并存的情况 发生，从而有效地提高系统的资源利用率，减少任务的平均响应时间，这是负载 均衡需要解决的问题。 无线局域网中的负载均衡面临比有线网络更多的困难。随着无线局域网扩展 服务集中终端的移动和无线信道的时变，各个接入点( a p , a c c e s sp o i n t ) 上负载 的时变性更大。要实现无线局域网中的负载均衡应该遵循以下原则【2 】： 1 准确评估每个a p 的负载情况，并尽快地进行负载信息的交互；负载信 息的交互应该不影响业务质量。 2 高效的均衡方法，准确地选择执行负载均衡调整操作的执行者，并结合 切换和接入两种手段；如何加快负载均衡调整的收敛速度也是均衡算法 应该关注的重点。 3 结合快速切换的切换管理和控制，要避免多个终端在同一个a p 处的切 换竞争和拥塞。 4 降低负载均衡的副作用，应该降低网络丌销，具备避免频繁切换、切换 失败控制等级制。 本论文在分析了现有负载均衡机制的基础上，对无线局域网中基于a c ( a c c e s sc o n t r o l l e r ) 的负载均衡机制进行了研究，分别针对无线局域网中实现 基于a c 的接入式负载均衡存在的三个关键问题：负载估计、负载信息更新策略 产 图1 1 无线局域网网络结构 图1 1 中，位于中心点的a p 经过一段时间的运行，连接的终端的个数要多 于四周a p 的终端个数，承担的业务可能已经饱和，此时连接到中心点a p 的终 端的业务的服务质量( q o s ) 已经不能保证。而外围的a p 业务还不饱和，网络 中出现负载差异。负载均衡就是要解决这种差异，将中心点a p 的某些业务转移 n ； i - 围的a p 上，以提高网络的服务容量和中心点a p 的业务质量。没有负载均 衡的系统的缺点表现在以下几个方面： 1 无线网络的效率和性能会降低 扩展服务集作为一个整体向终端提供服务。通常无线网络中的热点出现后， 某a p 的负载可能超过限制，大量的业务和用户竞争该a p 的资源，造成该a p 上的业务的q o s 发生恶化，并可能长期处于这种状态。如果其邻接a p 的负载水 平却相对较低，没有负载均衡调整的话，整个网络将处于一种非稳定状态，无线 网络的效率和性能都会因此而受到影响。 2 增加网络拥塞的风险 没有负载均衡控制的网络，终端的切换是自由和盲目的，随着热点的出现， 大量的终端会涌向热点a p ，离开原有的a p 。而终端向目标a p 切换的结果是不 能保证的，当热点a p 的业务饱和之后，新的终端就不能接入，或者虽然接入， 但是造成a p 的拥塞，所有的业务中断。 3 降低网络的容忍度 同样，当某一a p 的负载饱和后，新的终端的接入会造成严重的后果，但此 时，网络中其他非饱和a p 还可以承接终端的接入，向更多的终端和业务提供服 务。如果采取负载均衡调整，负载饱和a p 的任务就可以被分担，使得整个扩展 服务集中的a p 的负载保持相对稳定和平衡，可以增加对网络波动和变化的容忍 吉 d o 4 资源利用率差 没有负载均衡的网络，不能统筹调度和安排网络负载的分布，使得某一个或 几个a p 出现饱和，而其他非饱和a p 的资源却无法得以利用，严重影响网络性 能。为了解决这一问题，引入了负载均衡机制。p a p a n i k o si 3 1 及f u k u d a y 4 】 研究了s t a 主控接入式均衡策略，将信标帧信号强度及a p 负载作为判定接入 a p 的标准。s t a 主控负载均衡根据s t a 自身的需求选择接入a p ，由于无法获 得整个网络环境的信息，无法做到从统筹调节整体资源入手，使得网络全局的资 源调节效果不佳。杨仁忠【5 j 及h y u n w o ol e e 6 1 对a p 主控式负载均衡进行了研究， 在这种方式中，a p 根据自身存储的扩展服务区域负载信息判定是否允许s t a 的 接入。如果某个a p 出现超载，则拒绝新的s t a 加入，依此防止a p 出现超载， 也使得轻载的a p 得到有效利用。a p 主控接入式均衡具有如下三点缺陷： 1 由于每个a p 必须了解扩展服务区域内所有基本服务集的负载信息，每个 a p 需要定时向网络广播自身负载信息，占用网络带宽资源，增加网络开 销； 2 由于每个a p 都保存有整个扩展服务区域内信息，如果非法用户侵入任何 一个a p ，就可以窃取整个网络内的信息，存在安全漏洞； 3 如果a p l 与a p 2 不属于同一个扩展服务区域，a p l 就无法获得a p 2 的负载 信息。 针对s t a 主控和a p 主控式均衡的缺陷，赵力强【7 】提出了基于a c 的负载均 衡。本文针对基于a c 的接入时负载均衡，就如何准确评估每个a p 的负载情况 并进行负载信息的更新及负载调度策略进行深入研究。 1 2 2 站点数目估计 前文已经提到，准确评估每个a p 的负载情况并尽快地进行负载信息的交互， 是实现无线局域网中的负载均衡应该遵循的重要原则之一。我们研究无线局域网 的负载均衡问题，如何进行站点负载估计和负载信息的交互是必须解决的问题。 竞争站点数目估计是本文的重要研究内容。 赵力强【8 】曾经提出a d c f 站点估计算法，该方法由终端根据帧的发送概率和 碰撞概率推导得出。首先终端在经过一段时间收发数据之后，获得自己在该时间 内发送概率和碰撞概率的算术平均值，然后根据数据帧的碰撞概率公式逆向推导 出终端的估计值。a d c f 算法依赖于各站点对自身发送成败情况的检测，如果站 点没有发送数据，就无法获得帧碰撞概率，也就无法估算小区内的站点数。此外， 4 帧发送概率和碰撞概率的算术平均值与其统计平均值会存在偏差，由于上述原 因，小区内站点数的估算值与真实值可能会存在较大的偏差。 a d c f 算法的估算参数帧碰撞概率必须进行一定时间的测量之后才能 获得，而实际中正在登陆的终端不可能满足这一条件，针对这一缺陷，赵力强一j 提出另一种站点数预测的算法v d c f 算法。v d c f 的核心思想是：站点发送 虚拟帧，根据虚拟帧的碰撞概率预测小区负载，从而实现可以在不发送任何帧的 条件下预侧小区站点数，终端不发送真实帧，便不会影响其他站点的正常发送。 在a d c f 和v d c f 算中，对竞争站点数目都是根据发送帧条件碰撞概率p 进行估计，需要使用a r m a 滤波或k a l m a n 滤波【i o j 等较复杂技术，不易实现。 而在实际使用中，预测结果的准确度固然重要，而算法的快速简便和实用性同样 重要。因此本文便针对更为实用的基于统计思想的竞争站点估计算法进行研究。 吕娜【l l j 基于a dh o e 网络提出了一种基于统计思想的竞争站点估计算法： s d c f 算法。该算法在a dh o c 网络中的各节点上运行，由各节点基于成功接收 到的m a c 层数据帧中的源地址预测当前的竞争站点数目。通过研究发现该算法 存在一些缺陷，后面章节中将会对其进行详细分析。本论文将对s d c f 算法提出 改进。 1 3 论文主要贡献 论文在分析了现有负载均衡机制的基础上，对无线局域网中基于a c 的接入 式负载均衡机制进行了深入研究，指出无线局域网中实现基于a c 的接入式负载 均衡存在三个关键问题：负载估计、负载信息更新策略以及调度算法，并分别针 对这三个问题进行了深入研究和分析。 本文的主要贡献如下： 1 深入研究无线局域网中基于a c 的接入式负载均衡机制，分析了其实现 中存在的三个关键问题：负载估计、负载信息更新策略以及调度算法。 2 在负载信息更新策略以及调度算法方面，提出了一种周期性驱动与状态 变化驱动相结合的负载信息更新策略和一种基于加权评测的调度算法。 3 在负载估计方面，对一种基于统计思想的站点估计算法提出了改进，并 通过仿真验证了改进算法的性能，仿真结果表明，改进后的算法在估算 结果的准确性和实时性方面都具有明显的优势。 4 为实现基于a c 的接入式负载均衡进行了软件架构设计。 1 4 论文结构 后续论文安排如下： 第二章，介绍了无线局域网的网络类型和介质访问控制机制，介绍了无线局 域网中的负载均衡技术，重点介绍了接入式负载均衡机制，为后文中的研究做好 理论基础。 第三章，深入研究无线局域网中基于a c 的接入式负载均衡机制，主要有两 方面内容：第一，详细分析基于a c 的接入式负载均衡实现流程；第二，设计负 载信息更新策略及均衡调度算法，并进行仿真分析。 第四章，介绍s d c f 站点估计算法并分析该算法的缺陷，针对缺陷，提出改 进型s d c f 算法( i s d c f ) ，具体阐述i s d c f 算法的工作流程，并进行仿真分析。 第五章，针对基于a c 的接入式负载均衡的实现进行软件架构设计，设计系 统中主要功能模块。 第六章，对全文进行总结，并对未来的研究工作做进一步展望。 6 第二章无线局域网及负载均衡技术 2 1 无线局域网 无线局域网( w l a n ) 是指应用无线通信技术将终端设备互联起来，构成的 可以互相通信和实现资源共享的网络体系。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的 计算机局域网都可以称为无线局域网。无线局域网就像它的名字一样具有传 统局域网技术( 如以太网和令牌环) 的特性和优点，却没有电线或电缆的限制。 无线局域网是用红外线或者射频取代双绞线或光纤作为传输媒介。在红外线 和射频两者中，无线电信号因为覆盖范围广且带宽高，因而应用更加广泛。目前 无线局域网大多使用2 4 g h z 频段，这是r f 频谱中唯一在全球保留的非管制应 用部分。无线局域网络的自由度和机动性可以应用于楼宇内，也可以用于建筑物 之间【12 1 。 与有线局域网相比，w l a n 具有移动性和灵活性高、建网迅速、管理方便、 网络造价低、扩展能力强等优点，也具有带来电波信号的干扰、安全性差、具有 健康危害性等缺点【l 引。w l a n 的优点使得其迅速应用于需要在移动中联网和在 网间漫游的场合，并为不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供网络支持。 目前，w l a n 已经成为用户建立网络的一种主要的选择方案。w l a n 特别在以 下这些行业会有广阔的应用前景：石油工业、医护管理、工厂车间、库存控制、 展览和会议、金融服务、旅游服务和移动办公系纠1 4 】。 2 1 1 网络类型 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，简称b s s ) 是8 0 2 1 1 网络的基本组件，有一 组相互通信的工作站所构成。工作站之间的通信在某个模糊地带进行着，称为基 本服务区域( b a s i cs e r v i c ea r e a ) 【l5 1 ，此区域受限于所使用的无线媒介的传播特 性。只要位于基本服务区域，工作站就可以跟同一个b s s 的其他成员通信。b s s 分为两种，如图2 1 所示。 7 i n d e p e n d e n tb s s 图2 - 1 独立性与基础结构型基本服务集 1 基本服务区域 1 ) 独立型网络 图2 1 中左边为独立基本服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，简称i b s s ) 。在i b s s 中，工作站相互之间可以直接通信，但两者间的距离必须在可以直接通信的范围 内。最低限度的8 0 2 1 1 网络是由两个工作站所组成的i b s s 。通常，i b s s 是由少 数几个工作站为了特定目的而组成的暂时性网络。一种常见的情况是在会议室中 支持个别会议之用。会议一开始，与会人员相互组建一个i b s s 以便传递数据； 当会议结束，i b s s 随即瓦解。正因为持续时间不长、规模甚小且目的特殊，i b s s 有时被称为特设b s s ( a dh o cb s s ) 或特设网络( a dh o cn e t w o r k ) 1 6 】。 2 1 基础结构型网络 图2 1 右侧为基础结构型基本服务集( 为了避免混淆，不可将i n f r a s t r u c t u r e b s s 简称为i b s s ) 。判断是否为基础结构型网络，只要查看是否有接入点( a p ) 参与其中即可。接入点负责基础结构型网络所有的通信，包括同一服务区域中所 有移动节点之间的通信。位于基础结构型基本服务集中的移动式工作站如有必要 跟其他移动式工作站通信，必须经过两个步骤。首先，由初始对话的工作站将帧 传送给接入点。其次，由接入点将此帧转送至目的地。既然所有通信都必须通过 接入点，基础结构型网络所对应的基本服务区域就相当于接入点的传送范围。虽 然这种做法比直接传送耗费较多的资源，不过它有两个主要优点： 基础结构型基本服务集被界定在接入点的传输范围内。所有移动式工作 站都必须位于接入点的传输范围之内，不过移动式工作站之间的距离则 无限制。允许移动式工作站彼此直接通信虽然可以省下一些带宽，不过 代价是相对提高了物理层的复杂度，因为每个工作站都必须维持与服务 一 r 区域中的其他工作站的邻接关系。 接入点在基础结构型网络罩的作用是协助工作站节省电力。接入点可以 记住有哪些工作站处于省电状态并且为之暂存帧。以电池供电的工作站 可以关闭无线收发器，只有在传输或接收来自接入点的暂存帧时才会加 以开启。 在基础结构型网络里，工作站必须先与接入点建立关联，才能取得网络服务。 所谓关联，是指移动式工作站加入某个8 0 2 1 l 网络的过程。逻辑上，这相当于 在e t h e m e t 插上网线。整个过程并不对称，因为开启连接过程的必然是移动式工 作站，接入点只是基于关联请求的内容，判定是否准许该工作站访问网络。对移 动式工作站而言，关联必须独一无二：每个移动式工作站同一时间内只能与一个 接入点连接。8 0 2 1 l 标准并未限制接入点可服务的移动式工作站的数量。当然， 实现上还是必须加以限制。不过，实际上无线网络的吞吐量相对较低，很少需要 限制。 2 扩展服务区域 b s s 的服务范围可以涵盖整个小型办公室或家庭，不过无法服务较广的区 域。8 0 2 1 1 允许我们将几个b s s 串联为扩展服务集( e n t e n d e ds e r v i c es e t ，简称 e s s ) ，借此扩展无线网络的覆盖区域。所谓e s s ，就是利用骨干网络将几个b s s 串连在一起。所有位于同一个e s s 的接入点将会使用相同的服务组标识符 ( s e r v i c es e ti d e n t i f i e r ，简称s s i d ) ，通常就是用户所谓的网络“名称”。 8 0 2 1 l 并未规定非得使用何种骨干技术，只要求骨干必须提供一组特定的服 务功能。图2 2 所示的e s s 是四个b s s 的联合( 只要所有接入点均隶属同一个 e s s ) 。实际部署时，b s s 之间的重叠程度可能较图2 2 中更高。在实际生活中， 总是希望扩展服务区域是连续的，不可能要求用户从b s s l 走到b s s 2 时还要绕 道b s s 3 。 隶属同一个e s s 的工作站可以相互通信，即使这些工作站位于不同的基本服 务区域或是在这些基本服务区域中移动。为了让e s s 里的工作站能够相互通信， 无线媒介必须能够在第二层( 链路层) 进行连接。由于接入点扮演着桥接器的角 色，因此e s s 罩的工作站若要相互通信，骨干网络必须能够在第二层进行连接。 第一代接入点必须通过集线器( h u b ) 或者虚拟局域网( v i r t u a ll a n ) 才能与第 二层直接连接，不过，较新型的产品当中通常已经内置了某种隧道技术，可以模 拟出第二层的连接环境。 扩展服务区域是8 0 2 1 l 网络所支持的最高级抽象概念。e s s 所属的接入点会 相互合作，让外界能够使用单一m a c 地址与e s s 里的工作站通信，不论其置身 何处。在图2 2 中，路由器可使用单一m a c 地址传递帧给移动式工作站，由该 9 图2 - 2 扩展服务集类型网络【l 】 2 1 2d c f 的介质访问控制方式 i e e e8 0 2 1 1 中d c f 采用了c s m a c a 机制( 载波监听多路访问冲突避 免) 【1 7 】【1 8 】【1 9 】，而没有采用以太网里的c s m a c d 机制( 载波监听多路访问冲突检 测) ，这样做有两个原因：其一，c s m a c d 机制要求系统是全双工工作，可以同 时收发数据，这对于无线局域网来说，成本太高；其二，在无线环境里，无法保 证所有站点之间都能够互相侦听到，而且侦听到信道空闲并不意味着其他站点没 有发送数据。 处于无线局域网当中的一个移动站，如果想要发数据，必须先检测信道，即 “先听后说 ：当源站在发送它的第一个m a c 帧之前，若检测到信道空闲，则 在等待一段时间d i f s 之后就可以发送，如果信道忙则必须等候下次检测信道， 如图2 - 6 所示。具体来说，d c f 又含有两种控制方式：b a s i c 访问控制方式和 r t s c t s 控制方式。 l o 广 ：d i f s 一 p i f s ： 一 s i f s li ：媒体窄闲： 发第。帧 源站 有也送 j 时高 s i f s i ：1 ： ： i a c k h ， i 目的站点 一d i f s 一c w 时间 f n a v ( 媒体繁忙，： 一s i f s ： i 嘲| 。发f 赖j ： | ：。 ；： ! 一，_ 广一 时问 r j a 、 开始有帧发送 图2 6d c f 信道接入控制机制 1 基本访问方式 基于c s m a c a 的i e e e 8 0 2 1 1 分布式控制功f i 邑( d i s r i b u t e ac o o r d i n a t i o n f u n c t i o nd c f ) 的媒体接入控制的基本原理如下所述： 1 ) 当某源站点要发送它的第一个m a c 帧前，检测到信道空闲，并且此空 闲状态时间超过一个d i f s 时长之后，就可以立即发送。目的站正确接 收到此帧后经过一个时间间隔s i f s 后，向源站点回复一个确认帧a c k 以表明该帧被正确接受。 2 ) 当源站点在发送数据前检测到信道忙，则不管是在开始监听时还是在 d i f s 时间内，源站点将继续保持监听状态直到信道空闲，然后等待信道 空闲一个d i f s 时间间隔后进入竞争窗口c w ( c o n t e n t i o n w i n d o w ) ，在此 c w 范围内随机选择退避时间( b a c k o f ft i m e ) 作为退避计数器 b c ( b a c k - - o f fc o u n t e r ) 的值。 3 ) 第一次退避时站点在最小的竞争窗口中选择某个时隙作为退避计数器 b c 的初始值，一旦探测到信道空闲，b c 就开始递减，当b c 递减到零 时，站点就开始发送数据。若在退避计数减小到零之前，又有其它站点 接入信道，信道又变为忙状态，则b c 将暂停递减，我们将站点的这个 状态称作“冻结状态”。 4 ) 若发生冲突，或是没有收到a c k 而需要重传数据时，c w 将扩大一倍， 站点又各自在自己的c w 范围内随机选择一个值作为退避计数器值，每 次冲突都将使c w 值扩大一倍直到c w 达到最大窗口值后就不再增加， 如此循环，直到发送成功，或超过最大重传次数后放弃发送，这就是所 谓的二进制指数退避机制。 5 ) 站点成功发送后，c w 将重新恢复成其最小值以等待下次退避选择。 采用二进制指数退避和引入竞争窗口的好处是利用随机退避数的不同，改变 站点接入信道的时间，避免太多的冲突产生。值得注意的是，站点只有在发送第 一个数据帧时，才不使用退避算法，除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。 2 r t s c t s 机制 在无线局域网m a c 层还存在一个问题是“隐藏节点 问题。 a 的传输 范围 b 的传输 范围 图2 - 7 隐藏站点与r t s c t s 帧 如图2 7 所示，站a 在向b 发送数据帧之前，先向b 发送一个请求发送帧 r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 。在r t s 帧中说明将要发送的数据长度。b 收到r t s 帧后 就向a 响应一个允许发送帧c t s ( c l e a rt os e n d ) 。在c t s 帧中也附上a 欲发送 的数据帧的长度( 从r t s 帧中将此数据复制到c t s 帧中) 。也就是说，在r t s 和 c t s 帧中，都包含了传输下一个数据帧所需占用信道时间等信息，因此，源站点 附近的其它站点及目的站点附近的“隐藏节点”被分配了n a v 定时器，在n a v 规定的时间内不发送数据，以达到避免数据冲突的目的。r t s c t s 的这种握手 过程又被称为“虚拟载波检俱a j ( v i r t u a lc a r r i e rs e n s e ) ”机制，如图2 - 8 所示。 d i f s 一彤r s i “七 6 谥雹i ：v ：il f 有帧发送 s i 碎 s i f s s w s 一c t s ：h p 慝霹 t a t i o n ：一 d i f s - e l f i 。n a v ( r t s ) ：? i i 。彩够獭。 匕i 。：畔v ( f 眵二= 。! i ；： d e f e r a c c e s sb a c k o f f a r e rd e f e r 1 2 1 。 r 图2 - 8r t s c t s 厘答机制 a 收到c t s 帧后就可发送其数据了。下面讨论在a 和b 两个站附近的一些 站做出什么反应：站c 处于a 的传输范围内，但不在b 的传输范围内，因此c 能够收到a 发送的r t s ，但经过- d , 段时间后，c 不会收到b 发送的c t s 帧； 这样，在a 向b 发送数据时，c 也可以发送自己的数据而不会干扰b ( c 收不到 b 的信号表明b 也收不到c 的信号) ；再观察站d ，d 收不到a 发送的r t s 帧， 但能收到b 发送的c t s 帧。因此，d 在b 接收数据的时间内不发送数据，因而 不会干扰b 接收a 发来的数据。至于站e ，它能收到r t s 和c t s ，因此e 在a 发送数据帧的整个过程中不能发送数据。 使用r t s 和c t s 帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短， 它们的长度分别为2 0 和1 4 字节，而数据帧最长可达2 3 4 6 字节，相比之下的开 销并不算大，因为重传大数据包会耗费较大，这相对的减小了重传大数据包的负 荷。相反，若不是用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发，则浪费的 时问就更大。并且，协议还设有三种情况供用户选择：一种是使用r t s 和c t s 帧；另一种是当数据的长度超过某一数值( r t s t h r e s h o l d ) 时才使用r t s 和c t s 帧；还有一种是不使用r t s 和c t s 帧。一般用户可以自己设置一个数据包的 r t s t t s 门限( r t s t h r e s h o l d ) ，当数据包长超过r t s t h r e s h o l d 的值时，便会采 用r t s c t s 应答机制来传输数据。 当无线环境复杂，存在有较多隐藏站点时，采用r t s c t s 机制有助于增加 吞吐量。同时，有两个重传计数器用来协助发生错误需要重传数据包时的操作： s h o r tr e t r yc o u n t 与l o n g r e t r yc o u n t ，前者是小于r t s t h r e s h o l d 的那些数据包 的最大重传次数( 默认为4 ) ，后者是大予r t s t h r e s h o l d 的最大重传次数( 默认为 7 ) ，计数器从o 开始每当重传一次便计数增加1 ，当超过最大重传次数时便丢弃 该数据包。从以上分析可以看到，站点较多，数据包较长时，用r t s c t s 机制 有很好的效果。 2 2 无线局域网中的负载均衡技术 2 2 1 基本的负载均衡策略 针对目前存在的无线局域网中的负载均衡技术，可以从两个方面对它们进行 分类。按照负载均衡的发起者分，可以分为s t a 主控的负载均衡和a p 主控的负 载均衡。按照负载均衡的解决方式，可分为接入式负载均衡和切换式负载均衡。 无线局域网的负载均衡的分类如图2 - 9 所示f 2 1 。 1 3 信号质量是s t a 判断接入或切换的重要依据，但如果只把信号质量作为判 断s t a 切换的依据具有很大的片面性。目前有大量的研究集中在如何改进切换 的时机，以更准确地实现终端切换带来的负载变化。如专利【2 0 】中，对终端发起 切换的条件进行了扩充，在终端接入a p 之前，比较e s s 内各个a p 的当前接入 用户数或接入数据流量，从而使得无线终端接入到接入用户数或接入流量最少的 无线接入点，实现局域网无线接入点的负载均衡。终端接入或切换除了a p 的信 号强度，还要考虑a p 的当前用户数和流量，增加了切换目标a p 选择的准确性。 这样的方法的缺点是切换或接入的过程中，终端必须查询a p 的状态，从而增加 了切换的工作步骤，使切换的时间延长，违背快速切换原则。有研究改进了此方 法，由a p 定期广播其流量和用户数量，这样做虽然可以在终端背景扫描时就一 并得到信号质量和负载水平，但是带来的问题是会增加网络开销。 s t a 主控负载均衡机制的优点是：s t a 最清楚自己的业务需求和所处的环 境，s t a 扫描得到的环境中可用的b s s 情况对s t a 而言最准确。而且，切换或 接入的主体是s t a ，业务也是在s t a 上开展，切换造成的损失由s t a 承担。缺 点是： 1 ) s t a 仅仅知道终端侧的情况和s t a 自身的情况，并不能准确掌握网络环 j 立 境o 2 ) s t a 切换随意性大，会对整个e s s 造成混乱，使网络全局的负载均衡效 果不佳。 2 a p 主控负载均衡 a p 主控负载均衡的出发点是，a p 处于网络侧，a p 之间通过有线的连接， 1 4 一 厂 可以在不影响s t a 业务的情况下，相互传递与负载均衡相关的信息。根据这些 信息，e s s 就可以判断出a p 中负载最重和最轻的a p 。拥有这些信息的e s s 就 可以做出一些决策，比如，让负载重的a p 下的终端切换到负载轻的a p 下，或 者对新加入网络的终端进行限制，不允许负载重的a p 接入而只允许负载轻的 a p 接入等，实现e s s 内的负载均衡。 近年来对a p 主控负载均衡的研究重点集中在负载均衡方法上。如专利【2 l 】中， 采用以下方法实现负载均衡：通过无线接入点之间的相互通信，每个无线接入点 可以根据当前网络的负载分配情况决定是否允许终端接入，如