（通信与信息系统专业论文）集中式无线局域网中负载阻塞问题的研究与解决.pdf

中文摘要 w l a n 技术近年来得到了越来越广泛的使用。随着热点的不断增多和规模 的继续扩大，传统的自治式w l a n 网络结构无论在设备成本、运营，还是在控 制管理等方面，都无法满足不断增长的业务要求。最近涌现出来的集中式w l a n 阿络结构，尽管还存在很多待解决的问题，但是由于其能够很好地将w l a n 网 络和v o 口进行融合，已经被业界认为是实现。a n 网络大规模部署的高效、合 理的解决方案。新的网络结构的使用需要发展与之相适应的无线资源管理技术， 充分发挥集中式网络在整体信息掌握、网络管理和控制方面的优势，从而更加合 理高效的利用有限的无线资源。 “热点( 即用户稠密区) 负载阻塞问题的日益严重对，a n 无线资源管理 技术提出了新的挑战。目前现有无线设备大多采用接收信号强度( i 峪s i ) 作为切 换的依据，但这种方法会造成系统资源使用的不平衡和性能下降。现有的一些负 载均衡算法需要对m a c 层协议进行修改，因此物理层也要进行相应的修改，这 意味着所有无线设备都要进行修改；有的算法加入了q o s ，但这需要无线站点和 a p 进行合作，这对于现有网络实现起来非常困难。本文针对集中式a n 的网 络构型，不仅结合了传统的基于r s s i 的连接方法和a p 负载大小情况，而且从 参与负载分配的整个系统的性能和效率角度考虑，提出了一种基于接收信号强 度、a p 负载大小情况和系统平衡因子的负载均衡算法，兼顾了通信质量和系统 资源均衡使用的考虑。本文算法不需修改协议内容，也不需无线站点和a p 进行 合作，实现简单。 本文使用m a t l a b 仿真环境对网络进行建模并实现所提负载均衡算法。仿真 结果表明：网络确实大大提高了负载的均衡性，从整个网络系统的角度优化了网 络资源利用；与此同时，各个a p 向无线站点提供服务的能力和网络的整体吞吐 率都有一定的提高，不仅进一步保证了服务的质量，还充分使用了系统的无线资 源。 关键词：集中式无线局域网热点负载均衡接收信号强度a p 负载平衡 因子 a b s t r a c t w i 】哈l e s su nt e c h n o l o g yh 嬲b e e n 、) l ，i d e l y 璐e di nr e c 朗ty e a 璐a sh o t - s p o t s c 蝴t l yi n c r e 继e 跹dw u 蚪su t i 比a t i o nb e c 咄s1 2 唱跏i t i 伽l a l 咖m o u s w l a nc a nn o tm e e ti n c r e 酗i n 9 1 ys e r v i c e 托卸面砑m e n _ t si n 酗：p c c to fc o s t ，0 p e r a t i o n a n dm a m 嗜e m e n t h m 酗e v e f c e n t m l i z e dw l a n 谢h i c hi sa 埘兽wn e 伽o r kc o n f i 母h a t i o n a n dh a sb e e np 叩u l a rr e c e n t 王yi sc o n s i d 讶e da s 跹e 丘e c t i v ea n dr e 继o n a b l es o l u t i o ni n l 鹕e - s c a l ed e p l 嘲e n tf 研i ti sw e nc o m p 撕b l ew i t l l 、b 口e v e nt l l o u g hi th 器n o tb e e n m a t u r ey c t t h en e wn e 卸耐kc 砌舒舰t i o nn e e d印p r o p r i a t er a d i or e s o l l r c e m a n a g e m e n t ( r 刚旧t c c h n o l o g yt 0b ep l i o p o s e d t h ep r o p e rr 剐mm e t h o ds h o u l d m a k el l s eo ft l l ep r 甜o m i n a n c eo fc e 心a h z e dw i ，a ni na s p e c to fh o h s t i ci n ：f o 撇t i o n c o u e c t i n g ，c e 删i z e dn k 啦【a g e m e n ta n dc o n t r 0 1t o0 b t 2 血b e t t e rp e r 】b 衄a n c e h o t - s p o tc o n g e s 伍0 ng e t sw o r s e 嬲璐e 格i n c r e 嬲e s m o s t0 f 伽| 玎e n t 谢r e l e s s s t a t i o n ss e l e c ta p se x c l _ i l s i v c l yb a s e do nt h ef e c e i v c ds i 印a lq l l a l i 劬b u t 也i sm e m o d 丽nr c 姒ti nu h b a l a n c el l s a g eo fw 沁l e s sr e s o u r c e s 强dp d 泣m 粕c ed e 髀d a t i o n 。 s e v e f a l 卸l p r o a c h e sh a v eb e e ns u g g e s t e dt 0s o l v et h i sp b l e m s o m eo ft h e ma r e b a s e d0 nt h em o d i f i c a t i o n0 r 即h a n c e m to f 也em a c l a y e rw h i c hi l n p l i e s 也a ta l l d 印1 0 y e ds 嘶o n ss h o u l db e 吐嘲1 9 e d s o m eo m e r sa r eb 嬲e do n 缸l d i n gq o s 鲫p p o r t t 0t h e 鼬啦d a r d t h e s es o l u 血o n sf c q 诚也a t 渤t i o n sa n da p s c o o p e r a ：t e ，w h i c hm a k e s i t sd 印l o y m c n td i f 五c i l l ti ne ) 【i s t i n gw l a n s 1 1 1 i sp a p e rr q p r e s e n t sa1 0 a db a l 趾c i n g a l g 谢t l l mw h i c ha p p l i e st oc e n 的比e d 。a na n db a s e s0 nr e c e i v c ds i 铲a 1s 仃e n g m 砌c a t i o r s i ) ，l o a d so fa p s 鼬d b a l a n c ei n d e xi nt 1 1 ep o 缸o fl o a db a l 姐c 啦锄d i n c r e 勰i n gt h r o u g h p u t so fw h o l en e t w o f kt h i sa l g 嘶t 1 1 mi ss i m p l et 0i m p l e m e ma n d d 0i m tn e e dm o d i f i c a t i o no fp r o t o c o la i l dc o o p e 瑚t i o no fs 扭t i o 妇s 趾da p s m a n a ：bi 8s c l e c t e d 嬲s _ i 玎如| h t i o nc n u m s t a n c et 0n 1 0 d e ln e t w o f kc o n 五团l r a t i o n a n dr c a i i z et 1 1 ea l g o r i t l l m t h es 证佩a t i o nr e s i l l t ss h o wt h a tl l s a g e so f w i r e l e s sr e s o i l i e i nw h o l en e 觚o r ka c h i e v en e a r l yb a l a n c e ，知心锄o r e ，a p s c a p a c i 哆粕dn e t w o r k t l l r o u 酉l p u ti n c r e 舔e s0 b 访o u s l y t h ei m p r o v e 玎n ti n d i c a t e st h en c l wa l g o r i n l mi s e 仔e c t j v e k e yw o r d s ：c 锄n - a l 泌dw l a n ，h o t s p o t ，l 0 a db a l 蛆c i n g ，r s s i ，l 0 a d so fa p s ， b a l a n c eh l d e x 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，也不包含为获得鑫鲞盘堂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。 学位论文作者签名：豫晨签字日期：刀0 1年5 月弓1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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：你晷 签字日期：) 口四年弓月1 日 导师虢勘充器 签字日期：2 卯7 年r 月多日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信和1 1 1 嘧n e t 是信息产业发展最快的两个领域， 直接影响了亿万人的生活，极大的改变了人类的生活方式。移动通信打破了不同 的地域或客观条件的制约，能够“实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h 印e v e r ) 的任何地方( w h e r e 、，e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的 通信 的目标。随着信息技术的飞速发展，人们对网络通信的需求也随之不断提 高，希望将移动通信和i n t e m e t 结合起来，使人们可以任何时间、任何地点都能联 网。“移动计算”【1 l 作为现代计算机通信领域的一个新课题，利用了计算机技术 和无线通信技术为用户提供了一个易懂的计算环境和新的计算模式。 从网络的角度看，支持移动计算的技术方案有数据链路层方案和网络层方 案。基于m e e8 0 2 1 1 的无线局域网技术为支持移动计算提供了一种链路层的解 决方案。顾名思义，无线局域网( w 的l e s sl 0 c a l 觚an 酮阳呔，w i ，a n ) 就是在 局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。i e e e8 0 2 1 l 是当前应用最 为广泛的无线局域网媒体接入控制和物理层标准，它是针对局域网的无线接入技 术制定的，覆盖距离通常只有1 0 3 0 0 米，它解决的是“最后1 0 0 米”的通信接 入。已经形成并正在市场推广应用的有8 0 2 1 l 、8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 、还 有8 0 2 1 1 e 、8 0 2 1 1 f 正在讨论制定中。w i f i 联盟是由采用i e e e8 0 2 1 l 标准的设 备和器件供应商联合成立的一个非赢利性组织，w i - f i 已成为8 0 2 1 l 标准产品互 通性的事实上的权威性组织，成为8 0 2 1 1 标准的代名词。 无线局域网以其移动性、灵活性、可伸缩性、建网方便等优点受到用户的欢 迎，近年来在市场上掀起了一股强劲的热潮。据预测，到2 0 0 7 年美国将安装5 3 万个w l a n 热点，欧洲安装7 0 万个，而在亚洲也将有1 0 0 多万个热点。随着这 些m ，a n 热点的增多，规模的扩大，传统的无线局域网无论从网络结构还是运 营管理等方面都无法满足不断增长的业务要求。因此，为了更好的适应不断扩张 的业务种类，满足不断增长的业务需求并提高网络能提供的服务质量，w l a n 结构需要进行改进，使其具有管理高效、价格低廉、功能可裁剪和部署方便等特 点。同时，也需为改进后的w l a n 结构提供与之相适应的无线资源管理功能， 使其能够更加合理、高效的利用有限的无线资源。 第一章绪论 1 2 论文的选题意义 传统的自治式w l a n 结构由于其自身的弊病，已经不适合m a n 网络的大规 模部署，最近涌现出来的集中式姗a n 网络结构，尽管还存在很多待解决的问题， 但是由于其能够很好地将w i 。a n 网络和v 0 口进行融合，已经被业界认为是实现 ，a n 网络大规模部署的高效、合理的解决方案。由于集中式，a n 结构上的改 变，在使用该网络结构时需要改进现有的无线资源管理技术，使之更加适应网络 的需要并且充分发挥集中式网络在整体信息掌握、网络管理和控制方面的优势， 从而更加合理高效的利用有限的无线资源。 w l a n 无线资源管理技术中存在许多挑战，其中一个关键就是负载均衡问 题。这对于当前出现的“热点 地区不断增加、用户拥塞严重从而降低网络服务 质量的问题尤其有意义。当前的i e e e8 0 2 1 1 标准不支持负载均衡，出于实际需要 一些厂商尝试在产品中加入这一功能，但没有统一的规则。目前现有无线设备大 多采用接收信号强度( 1 塔s i ) 作为切换的依据，但这种方法会导致很多无线站点 只与特定的a p 建立连接，与其他a p 连接的站点却很少，因而可能会造成系统资 源使用的不平衡和性能下降。因此，负载均衡算法还需要继续研究、尝试，来不 断完善。 负载均衡算法主要依靠站点迁移来完成，即无线站点与当前a p 的链路连接 断开，与新a p 重新建立连接的过程。一般来说这个过程可分为两个阶段：为待 移交站点确定一个新的无线接入点；解除原有关联并重新认证、重新关联。通过 文献 2 】的研究得知，站点迁移( 即a p 切换) 过程中的第一个阶段所具有的延迟 占整个延迟的8 0 以上。在延迟阶段可能会造成各种各样的错误，例如数据的丢 失、重发、失序以及延迟进一步增加等，从而使网络的服务质量下降。因此负载 均衡算法应向着简单、高效、延迟小的方向发展。 本文力求为集中式w l a n 提出一个适合且简单高效的负载均衡算法，这对 于无线局域网的改进有重要的实际意义。 1 3 论文的内容安排 本文内容主要分为五章： 第一章为绪论部分，介绍论文的选题背景和选题意义，并对文章框架有个大 体介绍。 第二章为无线局域网相关知识的介绍。概括介绍无线局域网的多种标准、关 键技术和一些特殊特性，使后续讨论问题更加便于理解。 第一章绪论 第三章为集中式无线局域网解决方案的介绍。介绍了随着业务类型和用户数 。目的变化网络结构的演进，并分析了各种方案的优劣。重点介绍了当前热点研究 的集中式a n 网络结构，分析了基于分割式媒体存取控制( m a c ) 架构的集 中式w l a n 的实现方式和集中式、册，a n 网络结构带来的特殊优势。 第四章为集中式w l a n 中负载阻塞问题的研究与解决部分。结合集中式 w i a n 在整体信息收集把握、网络管理和控制上的优势提出了一种兼顾通信质 量和网络资源使用均衡性的负载均衡算法。本章详细讨论了该算法使用的两个场 景，并根据不同情况说明不同操作。最后以一个存在三重重叠区的网络为例更加 直观地说明了本文算法。 第五章为仿真试验与结果分析部分。使用m a t l a b 作为仿真环境，对具有普 遍性的存在双重重叠区的网络进行了建模并在其中实现了本文的算法。通过对只 使用8 0 2 1 1 负载控制算法和加入本文算法的仿真结果进行对比，得知本文算法 具有良好的效果。本文所提算法不仅能提高网络负载均衡程度还能进一步提高整 个网络的吞吐率。 第二章无线局域网相关知识 第二章无线局域网相关知识 2 1 无线网络技术概述 无线网络是无线设备之间以及无线设备与有线网络之间的一种网络结构。由 于覆盖范围、传输速率和用途的不同，无线网络分为四类：无线广域网、无线城 域网、无线局域网和无线个域网。 夺无线广域网( w h l e s sw i d e 加e an e 觚。如w w a n ) 主要是通过移动通信卫 星进行的数据通信网络，其覆盖范围最大。典型的例子是g s m 移动通信系 统和卫星通信系统。 无线城域网( w h l e s sm e 仃0 p 0 1 i t 姐a r e an 帆。血w m a n ) 主要是通过移动 电话或车载装置进行的移动数据通信，可以覆盖城市中大部分的地区。如本 地多点分配业务( l 0 c a lm u l t i i ，o i n td i s 仃i b u t i o ns e r v i c e s ，u 江d s ) 、多信道多点 分配系统( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o 姐d i s t f i b “o ns y s t e m ，舳s ) 和压e e 8 0 2 1 6 无线城域网系统。 无线局域网( w 证e l e s sl 0 c a l 心e an e 铆。咄w l a n ) 是一种能在几十米到几公 里范围内支持较高数据速率( 如2 m b s 以上) 的无线网络，可以采用微蜂窝 ( m i c r o c e u ) 、微微蜂窝( p i c o c c l l ) 结构，也可以采用非蜂窝( 如a i d h o c ) 结构。两个典型的标准是i e e e8 0 2 1 l 系列标准和h i p e r i ，a n 系列标准。 无线个域网( w 如l e s sp e r s o n a l 胁a n e 呲w 鼢n ) 是一种个人区域无线网， 可以算作无线局域网的特例。其覆盖范围一般在1 0 m 左右，通常采用微微蜂 窝( p i c o c e l l ) 或毫微微蜂窝( f e m t o c e n ) 。目前主要技术有蓝牙( b l u e t o o t l l ， b t ) 、红外数据( 的a ) 、家庭射频( h 0 m er f ) 、和超宽带( u 1 妇一w i d e b a n d ， i 肼b ) 以及z i 曲e e 等。 2 2 无线局域网 2 2 1 无线局域网的发展背景 局域网的一个重要发展方向是支持具有移动能力的无线局域网( w l a n ) 。 无线局域网除了保持现有局域网高速率的特点之外，采用无线电或红外线作为传 输媒体，无需布线就可以灵活的组成可移动的局域网。2 0 世纪9 0 年代以来，随 第二章无线局域网相关知识 着便携式计算机的普及应用，人们需要在其办公室以外的地方、在移动中能够随 时通过移动设备保持接入其办公室的局域网，或能够访问其他公共网络。这样， 支持移动能力的计算机网络或移动计算网络就越来越重要了。无线局域网就是利 用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络和无线网络相结 合的产物。 2 2 2 无线局域网的优缺点 2 2 2 1 无线局域网的优点 无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统 有线网络的延伸、补充或替代。相比较而言，无线局域网具有以下优点【3 】： l 。可移动性。无线网络设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不 需要指定明确的访问地点，因此用户可以在网络中漫游。 2 低成本。在老式建筑中安装有线网是一项艰巨而且高费用的工作，而使用无 线网络可以避免敷设线缆的高成本费用、租用线路的月租费用以及当设备需 要移动而增加的相关费用。 3 高可靠性。有线网络不可靠性的一个不可克服的闯题是线缆的故障。在有线 网络中，线缆的故障常常是网络瘫痪的主要原因。使用无线网络技术由于没 有线缆，就彻底避免了由于线缆故障造成的网络瘫痪问题。 4 抗干扰性强。无线局域网采用直接序列扩展频谱( d s s s ) 传输和补偿编码 键控( c c k ) 调制编码技术进行无线通信，具有抗射频干扰强的特点。同时 采用的智能放大器和智能天线产品，具有理想的接收灵敏性，能够提供强大 和可靠的天线传输。 5 扩展能力强。通过无线局域网解决方案，可以使用户只需在已有无线网络的 基础上增加a p ( 无线接入点) 及相应的软件设置即可对现有网络进行有效 扩展。无线网络的易扩展性是有线网络所不能比拟的。 6 建网容易，管理方便。利用无线局域网的安全及访问控制服务器可以使用户 组建配置和维护网络变得较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的 管理工作。 7 受自然环境、地形及灾害影响小。如遇山地、港口和开阔地等特殊的地理位 置和环境将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，将有施工周期长和后 期维护困难等问题。但是如采用无线网络产品，用户就可轻松的在距离为几 十千米、传输速度为1 1 m b i 珧的条件下与服务器或其他计算机进行通信，而 无须为地理位置和环境担心。面对突发事件，插有无线网卡的电脑和接入点 第二章无线局域网相关知识 及后援的网络服务器能够实现快速组网，根本不需要敷设线路就可以恢复正 常的运作。 8 安装方便。无线局域网的设备通过其独特的以太网供电技术，使得用户可以 在任何角落安装设备而无需考虑供电问题。 2 2 2 2 无线局域网的局限性 无线局域网并非完美无缺，也有许多面临的问题需要解决，这些局限性实际 上也是无线局域网必须克服的技术难剧3 1 。 1 信号干扰。无线局域网是使用射频信号进行发送和接收的，因此存在着潜在 的信号间干扰问题。其他设备发出的信号会干扰到无线局域中传输的信号， 无线局域网也可能是其他设备的干扰源。 2 安全性。由于无线网络传送的数据是利用无线电波在空中辐射传播，无线电 波的穿透性使发射的数据可能到达预期之外的接收设备，传统的物理安全措 施像防火墙和安全门禁在这个新的领域中都不再有效。因此数据安全也就成 为了这一领域的最重要问题之一。由于w i 。a n 的移动性和方便性以及传输 特性，使。a n 在传统网络威胁的基础上增加了新的威胁。 3 互操作性。任何一项新的技术在被引进的同时，都会有人提出从不同供应商 处所购得的产品能否互相兼容等类似的问题。这就是所谓的互操作性。然而， 对于无线局域网来讲，互操作性看上去并不是一个大问题。 4 对健康的危害性。通过对蜂窝电话用户的健康数据进行跟踪分析，这些设备 对人体会造成很大的伤害，比如蜂窝电话辐射产生的电磁辐射会致癌等。虽 然，无线局域网对健康的威胁要远远小于蜂窝电话类设备，但是仍可能对人 类的健康造成威胁。 2 2 3w i ，a n 、3 g 与b l u e t o o t h 三者之间的关系 总的来说，w l a n 、3 g 与b l u e t o o t l l 这三种技术本质上是互补的，尽管他们 在边缘上是竞争的【4 】。 w l a n 目前广泛应用的技术是i 狙8 0 2 1 1 ，其中i e e e8 0 2 1 1 b 是1 9 9 9 年9 月批准的，也称为w i f i ，可以支持l l m b i t s 的共享接入技术。 蓝牙技术是以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备的通信环 境内建立一个特别连接的开放性全球规范，工作在2 4 眦频段，目前可支持 1 m b i t s 的数据速率，支持数据与语音业务，目前可无障碍的接入距离在1 0 m 左 右( 发射功率为4 d b m 时) 。 3 g 最早在1 9 8 5 年国际电信联盟提出，是一种能够提供多种类型、高质量多 第二章无线局域网相关知识 媒体业务的全球漫游移动通信网络，能实现静止2 m b i 洮传输速率、中低速 3 8 4 k b i 魄、高速1 4 4 k b i t ，s 速率的通信网。 w l a n 提供了高带宽，但却是在有限的覆盖区域内。而3 g 网络支持广域网 络的移动性，但是数据吞吐速度明显低于w i ，a n 。由于3 g 与w i ，a n 在覆盖范 围和带宽上具有不同的优势和局限性，因此这两种技术支持不同的应用并满足不 同的需要。w l a n 主要用于支持数据信号，而3 g 网络可同时支持语音和数据信 号。 表2 1 表示了三种技术之间的关系。 表2 1w l a n 、3 g 和b l u e t o o t h 三种技术的关系 w l a n3 gb l 蝴t h 频带无需许可 需要许可无需许可 适用范围5 0 一1 5 0 m国家级5 l o m 带宽 1 1 5 4 m b i 怕最高达2 m b i t s1 2 m b 甜s 业务能力主要为数据语音数据语音数据 系统费用较低极高较低 频率技术f h 跳频d s s s 直序扩频码分f h 跳频 2 2 4 无线局域网的标准 在无线局域网标准中，最著名的是i e e e8 0 2 1 1 ，此外制定w l a n 标准的组 织还有e t s i ( 欧洲电信标准化组织) 和h o m e r f 工作组。e t s i 提出的标准有 h i p e r i ，a n 和h i p e r i ，a n 2 ，h o m e r f 工作组的两个标准是h o m e r f 和h o m e r f 2 。 i e e e 在其8 0 2 工作组和8 0 2 3 工作组中并行发展了一系列的宽带无线接入 技术，主要包括无线局域网8 0 2 1 1 ( w l a n ) 、无线个人域网8 0 2 1 5 、无线城域 网8 0 2 1 6 和无线广域网8 0 2 2 0 。其中m e e8 0 2 1 l 和i e e e8 0 2 1 6 作为两种重 要的宽带无线接入技术，受到了更多的运营商和用户的青睐。也e e8 0 2 1 1 标准 由于它对以太网标准8 0 2 3 影响很大，而得到最广泛的支持，尤其在数据业务上。 8 0 2 1 1 标准是针对局域网的无线接入技术制定的，覆盖距离通常只有1 0 3 0 0 米，使用无牌照的2 4 g m 和5 g 毗频段，速率可以达到1 1 m b p s 、2 2 m b p s 以至5 4 m b p s 。8 0 2 1 l 标准规定了无线局域网的特定特征，即对8 0 2 1 1 标准上层的完全 透明性例。也就是说物理层( p h y ) 和媒体访问层( m a c ) 已经能够完成所有无 线局域网的功能，使其不用在其他层进行相应的修改。然而，为了实现这些功能， 需要将网络中一些高层的功能在无线局域网的m a c 层来实现。因为所有的无线 第二章无线局域网相关知识 局域网功能都被隔离在p l 层和m a c 层，对于任何网络操作系统或者局域网应 用来讲，都不需要在无线局域网上进行任何修改。 在8 0 2 1 l 标准中，8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 9 规定了最核心的物理层方案。 m e e8 0 2 1 1 b 标准制定于1 9 9 9 年9 月，其扩展了原先的8 0 2 1 1 规范，通过使用 新的调制技术，数据速率增至5 5 m b s 和1 l m b s 。8 0 2 1 1 b 工作在2 4 g h z 的频 段上，采用了补码键控( c c k ) 调制技术和直接序列扩频( d s s s ) 技术，支持 1 m b s 1 1 m b s 的传输速率。 8 0 2 1 1 a 工作在最近分配的不需许可的国家信息基础设施5 g h z 频段上，使 用o f d m 调制技术支持6 m b s 、9 m b s 、1 2 m b s 、1 8 m b s 、2 4 m b s 、3 6 m b s 、4 8 m b s 和5 帅s 的传输速率。 8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l b 两个标准都存在着各自的优缺点，8 0 2 1 1 b 优势在于价格 低廉，但速率较低( 最高1 1 m b s ) ：而8 0 2 1 1 a 优势在于传输速率快( 最高5 4 胁s ) 且受干扰少，但价格相对较高。另外，8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 工作在不同的频段上， 不能工作在同一接入点( a p ) 的网络里，因此8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 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，m e e 8 0 2 1 l 工作组开始 定义新的物理层标准8 0 2 1 1 9 。8 0 2 1 1 9 草案与以前的8 0 2 1 1 协议标准相比有以 下两个特点：其在2 4 g l z 频段使用正交频分复用( 0 f d m ) 调制技术，使数据 传输速率提高到2 0 m b s 以上；m e e8 0 2 1 1 9 标准能够与8 0 2 1 1 b 的w i 系统互 相连通，共存在同一个a p 的网络里，保障了后面兼容性。这样原有的w l a n 系统可以平滑地向高速无线局域网过渡，延长了i 髓8 0 2 1 1 b 产品的使用寿命， 降低了用户的投资。2 0 0 3 年2 月8 0 2 1 l 工作组批准了8 0 2 1 l g 标准草案。新的 标准成为了人们对无线局域网关注的焦点。 8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 具有各自特点，在不同的环境下，表现性能各异。 近年来，8 0 2 1 1 不断推出新的标准，同时也促进其发展。无线局域网出现新的发 展趋势一双频双模的工作方式( 即也e e8 0 2 1 l a + 8 0 2 1 1 b ，也e e8 0 2 1 l a + 8 0 2 1 1 b + 8 0 2 1 l g ) 。 2 2 5 无线局域网的组成和拓扑结构【5 】 无线局域网的物理组成由站点( s t a l ：t i o n ，s t a ) 、无线介质( w b l e s sm e d i u 弛 w m ) 、基站( b 嬲es 切r t i o n ，b s ) 或接入点( a c c e s sp 0 缸，a p ) 和分布式系统 ( d i s 缸m u t i o ns y s t e m d s ) 等几部分组成。 基本服务集( b s s ) 是w l a n 的基本构造模块。它有两种基本拓扑结构， 分别是分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑。单个b s s 称为单区网，多个b s s 通过d s 互联构成多区网。 第二章无线局域网相关知识 1分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的b s s ( 1 b s s ) ，它至少有两个站。它是一种典 型的、以自发方式构成的单区网。在可咀直接通信的范围内，m s s 中任意站之 间可直接通信而无需a p 转接，如图2 1 。由于没有a p ，站之间的关系是对等的、 分布式的或无中心的。由于m s s 网络不需要预先计划，随时需要随时构建因 此该工作模式被称作特别网络或自组织网络( a dh o cn e t w o r k ) 。采用这种拓扑 结构的网络，各站点竞争公用信道，因此适合比较小规模、小范围的w l a n 系 统。该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。 图2 1w l a n 网络s s 工作模式示意图 2基础结构集中式拓扑 基础结构( 1 廿笛u c n e ) 包括分布式系统媒体( d s m ) 、a p 和端口实体。 同时，它也是扩展业务集( e s s ) 的分布和综合业务功能的逻辑位置。一个基础 结构除d s 外至少要有一个a p 。只包含一个a p 的单区基础结构如图2 - 2 。a p 是b s s 的中心控制站网中的站在该中心站的控制下与其他站通信。无线接入 点用于在无线站点和有线网络之间接收、缓存和转发数据，它通常能够覆盖几十 至几百用户，覆盖半径最高可达上百米。 一一一一、 霉霉) 二= 一一， 0 i 一一 二 * m * 月 星 第二章无线局域网相关知识 b s s 由一个无线接入点以及与其关联的无线工作站构成，在任何时候，任何 无线工作站都与该无线接入点关联，也即一个无线接入点所覆盖的微蜂窝区域就 是基本服务区。站点和无线接入点之间通过接入点的b s s i d 进行关联。在8 0 2 1 1 标准中，b s s i d 即是接入点的m a c 地址。 e s s 是指由多个基本服务集通过分布式系统( d s ) 联结形成的一个扩展区 域。所有接入点必须共享同一个e s s i d ，也即扩展服务集e s s 中包含多个b s s ， 分布式系统在8 0 2 1l 标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网，扩展服务 集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。 图2 3 给出了一个e s s 无线局域网拓扑结构示意图。 图2 3e s s 无线局域网拓扑结构示意图 2 2 6 无线局域网的发展方向 美国i d c 公布了全球有关无线l a nl s i 市场的调查结果。调查表明，该市 场在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间将以年平均2 9 的增长率扩大。2 0 0 4 年，无线因特网业 务的用户数达到了7 5 亿，h l t e m e t 用户总数达1 0 亿，无线因特网用户将占1 1 1 t e m e t 用户的大部分，因此探索新一代无线移动通信与i n t e m e t 的有机结合是当前国际 上的研究热点。目前在这一领域有两种发展方向：一是以现有的2 5 代( 如g p r s ) 或3 代( 如w c d m a 、t d s c d m a ) 的蜂窝移动通信系统为基础的向全i p 网过 渡，推动第3 代移动通信进行全i p 化的组织为3 g i p 。二是以w l a n ( 如i e e e 8 0 2 1 1 b ) + k t e m e t 构成全i p 网络，或是以新的空中接口( 如t d l a s ) + 1 1 1 t e m e t 构成全i p 网络。空中接口方面出现了w l a n 和3 g 标准相互融合的趋势。 从产品和技术发展的角度看，无线局域网产品正在向着五个方向发展 6 】：更 第二章无线局域网相关知识 高的数据传输速度、增加对流媒体的支持、模块复合型应用、分布式智能化管理 和加强安全机制。更高数据传输速度方面，国际电气和电子工程师联合会( e e ) 已经成立了开发超过1 0 0 m b p s 的高速无线局域网标准，工作组将这个标准定义为 m e e8 0 2 1 l n 。预计该工作组将会在2 0 0 6 年左右完成其规范的制定。在增加对流 媒体的支持的方面，由于无线局域网信道容量有限、差错率高，并有时变和不对 称传播的特性，而视频应用需要占用很多带宽，对差错和延时敏感且具有严格的 q o s 要求，在设计和实现视频音频应用时必须引入监测和控制策略来保证服务质 量( q o s ) 。模块复合型应用即无线局域网技术在许多产品的组合中以模块化的 形成出现。分布式智能化管理方面，由最初使用的接入控制器( a c ，a c c e s s c o n 讧0 l l e r ) 到现在出现的“无线交换机”，越来越多的智能分布式管理功能集成 到了专有设备上，使分布的轻量级无线基站只是非常简单的受控设备，不需要很 强的处理能力，因而整个无线局域网的成本大大降低。加强安全机制对无线局域 网来说非常重要，事实上对于网络的安全访问已经成为无线局域网技术未来发展 的瓶颈。最初的无线局域网采用s s m 和m a c 地址过滤机制和有限等效加密 ( w e p ) 机制保证网络的安全，事实证明这些安全机制并不能完全满足无线局域 网安全性的要求。 第三章集中式无线局域网解决方案 第三章集中式无线局域网解决方案 无线网络的一个关键设计和部署原则就是监视、控制和指配功能的集中化。 实践证明，集中化是对大量网络设备制定和实施统一政策的最佳方式，无论这些 设备集中于同一物理地点还是分散在不同的地理区域。 随着w i 。a n 技术的发展，其应用场景和业务需求也发生了很大的变化。大 规模w l a n 应用所带来的管理、效率等问题使其网络结构也在进行着演进。传 统的自治式，a n 结构由于其自身的弊病，已经不适合m a n 网络的大规模部 署，最近涌现出来的集中式w l a n 网络结构，尽管还存在很多待解决的问题， 但是由于其能够很好地将w l a n 网络和v o i p 进行融合，已经被业界认为是实现 研，a n 网络大规模部署的高效、合理的解决方案。 集中式w l a n 网络结构是最近的研究热点，被认为是v 0 ，a n 的最佳解决 方案。不仅如此，这种网络结构能够极大地提高w l a n 系统管理无线资源的能 力和安全性，并更有利于未来运营级的应用。 3 1w l a n 网络结构演进啊 觏，a n 作为一种实现宽带无线球接入的典型方式，由于其接入速率高、架 构使用灵便、可支持移动计算、系统费用低廉及可扩展性较好等优点，使之在“热 点地区布设应用日益广泛，成为近些年来全球信息通信领域的一个亮点。然 而，随着w l a n 技术的发展和w i a n 网络的大规模部署，其网络结构也呈一种 演进的趋势。 3 1 1 自治式w i ，a n 结构。 早期的w ia n 结构是一种自治式体系结构，见图3 ，l 。在这种体系结构中， 所有的8 0 2 1l 功能，即8 0 2 1 1 物理层( p h yl a y e r ) 和媒体接入控制( m a c ) 功能，都实现在接入点( a p ) 中。另外，一些复杂的功能，如8 0 2 1 1 i 定义的安 全性功能、8 0 2 1 l e 定义的q o s 功能，甚至r a d i l l s 客户端功能，都实现在a p 中。 在自治式w l a n 体系结构中，主要采用的是一种“胖接入点方式。所谓 “胖接入点”，也即是在同一个接入设备中拥有大多数网络智能，其功能是控制 用于漫游、加密、管理、用户认证等业务的大多数协议。 第三章集中式无线局域网解决方案 图3 1 自治式w l a n 结构 这种w l a n 体系结构由于将网络智能放在了接入点设备中，从而减少了中 央交换机的工作负荷。但是，这种体系结构也存在如下主要缺陷： 1 对接入点的管理必须单个进行，即控制策略一次只能管理一个接入点， 从而加大了管理费用，并需要配备更多的管理资源； 2 由于在整个系统内查看不到网络可能受到的攻击与干扰，因而不可能检 测和缓解整个w l a n 上拒绝服务的发生； 3 由于系统无法预测与分析整个网络的活动，因而不易实施实时负载均衡 管理，用户也不可能根据支持话音之类的实时应用需求来执行快速切换； 4 如果某个接入点遭遇盗窃或破坏，安全将得不到保证。 上述问题决定了自治式体系结构不适于大规模的部署，因而基于轻量接入点 协议( i ，w a p p ) 的集中式w l a n 结构成为目前的研究热点。 3 1 2 集中式w l a n 结构 集中式w l a n 结构是随着w l a n 市场近年来的迅速增长，由一些w l a n 设备厂商提出的w l a n 结构。在这种结构中存在一个集中式的设备接入控 制器( a c ) 或者w l a n 交换机( s w i t c h ) 。集中式w l a n 结构如图3 2 所示。 下面是集中式w l a n 结构中涉及的两个概念： “瘦接入点”：它与“胖接入点”相反，它尽量减少接入点内的智能，而把 网络智能集中到交换机中。 轻量接入点协议( i ，w a p p ) ：它是向“瘦接入点”技术迁移的通信网络协议。 基于轻量接入点协议的网络是通过以太网或i p 连接到接入路由器的多个接入点 三。 第三章集中式无线局域网解决方案 构成的网络。 集中式w l a n 采用层次型的结构，利用一个或多个集中式设备来对接入点 进行管理。集中式设备对接入点进行管理、控制和配置，它既可以是二层交换设 备，也可以是三层路由设备。在不同的实现方案中，集中式设备和接入点之间的 连接也不尽相同，它既可以和接入点进行直接的连接，也可以通过网桥或二层交 换机和接入点进行连接，甚至可以通过多跳路由设备和接入点进行连接。无线资 源管理软件运行在接入控制器( a c ) 上，主要采集、分析处理a p 的有用信息， 做出判决并将结果发回a p 。 1 睦噩歪虿型必中文没钰 |? 一一。一 j 、 ， 7 l 2 几3 改备 一广一-一一、7 i | | 。 - 一_ 0 - 一 图3 2 集中式w l a n 结构 集中式w l a n 结构具有如下优点： 1 减少了接入点内所需的业务量过滤与策略处理，使业务量过滤和执行策 略实现集中化控制，业务量的任何变化都将通知接入点，从而减少接入 点内处理的业务量，使w l a n 系统装置内有限的资源能够集中用于无线 接入； 一7 2 对整个w l a n 系统采用一种集中式管理模式，处理业务量管理，从而实 施业务量控制、认证、加密和执行策略( 保证q o s 与安全) ； 3 通过网络基础设施或i p 路由网络对多用户的接入点互通提供通用封装 与传送机制，使企业用户的i w a p p 控制台能够与多个执行i ，w a p p 的 接入点沟通联络。同时，随着管理集中化，采用i ，w