基于CAPWAP的WLAN切換式負載均衡算法

陳偉

（宿州職業(yè)技術學院網絡中心，安徽宿州 234101）

基于CAPWAP的WLAN切換式負載均衡算法

陳偉

（宿州職業(yè)技術學院網絡中心，安徽宿州 234101）

提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負載均衡算法，該算法中各WTP能夠相互交換負載狀態(tài)信息，當出現(xiàn)負載差異時，把超載WTP服務范圍內的終端切換到輕載WTP上，以減少各個WTP之間的負載差異，從而實現(xiàn)WLAN負載均衡.經仿真實驗，該算法能夠平衡各個WTP之間的負載，提高網絡的系統(tǒng)吞吐量.

CAPWAP；負載均衡；無線局域網；切換

近年來，隨著無線技術的迅猛發(fā)展，無線局域網WLAN也得到了極大的推廣和發(fā)展，很多小區(qū)、學校及商場等都有WLAN的覆蓋.WLAN組網規(guī)模的不斷擴大，使得傳統(tǒng)的自治式網絡架構已不能滿足當前組網需求，一種新型的網絡架構模式——集中式WLAN體系架構應運而生.集中式WLAN體系使用CAPWAP協(xié)議，通過引入訪問控制器AC（Access Controller），能夠對無線接入點WTP（Wireless Termination Point）統(tǒng)一管理，集中控制，解決了自治式架構組網時存在的問題，已成為WLAN的主要發(fā)展趨勢.本文的負載均衡算法就是采用這種基于CAPWAP協(xié)議的集中式WLAN體系架構.

在802.11標準協(xié)議下，由于沒有實施和部署負載均衡機制，無線終端STA（Station）在關聯(lián)到相應的WTP時是基于此WTP的信號強度做出判斷，使STA在接入時會集中選擇信號強度高的WTP進行關聯(lián)，這樣勢必造成此WTP上負荷過高，各WTP間負載不平衡，造成網絡擁塞和資源浪費.

解決上述問題的關鍵是實現(xiàn)WLAN內各節(jié)點的負載均衡.本文以切換式負載均衡為例，結合CAPWAP協(xié)議，提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負載均衡優(yōu)化算法.在CAPWAP結構下，采用該算法能夠使各個WTP互相獲取負載信息，當出現(xiàn)負載差異時，把過載WTP關聯(lián)的STA終端切換到正常WTP上，以減少各WTP之間的負載差異，從而實現(xiàn)WLAN負載均衡.

1 CAPWAP簡介

CAPWAP[1]是一種實現(xiàn)WTP與AC交互的無線接入點控制協(xié)議，主要應用于大規(guī)模的集中式WLAN體系結構.CAPWAP協(xié)議的出現(xiàn)解決了不同WTP與AC之間不能互聯(lián)的問題，實現(xiàn)了WTP與AC的通信交互.

CAPWAP協(xié)議把WLAN分為WTP和AC兩部分，WTP和AC通過IP網絡進行連接通信，如圖1所示.此時的WTP稱為輕型AP或瘦AP，只具有報文加密、幀交換等少量無線處理功能，大部分無線功能被剝離到AC上，交由AC統(tǒng)一處理，可以看作是AC的遠程射頻端口.WTP在收到STA終端數(shù)據(jù)后通過CAPWAP協(xié)議封裝后發(fā)送給AC，由AC進行解封裝.AC能夠通過CAPWAP對WTP進行集中控制和管理，因此，在CAP?WAP結構中，AC具有了對整個WLAN的完整視圖，并可以通過CAPWAP的Wireless Specific Information選項和CAPWAP定義的控制消息元素從WTP獲取所需的無線資源信息，其中包括WTP的負載信息等.

2 切換式負載均衡

WLAN負載均衡按解決方式可分為：接入式負載均衡和切換式負載均衡[2].本文主要介紹基于切換式的負載均衡方式.切換式負載均衡就是控制STA終端的切換過程[3]以實現(xiàn)WLAN負載均衡.當WLAN中某個WTP負載過高時，則把該WTP下關聯(lián)的STA切換到其它WTP上以減少其負載，反之，當某WTP負載較低時，就控制其它WTP下的STA到該WTP上，從而實現(xiàn)全網的負載均衡.

切換式負載均衡的反應迅速及時，當出現(xiàn)負載差異時，立刻啟動STA切換進行實時調整，平衡各WTP負載差異，緩解負荷過高的WTP的壓力，防止出現(xiàn)大量STA競爭該WTP資源導致網絡堵塞.切換式負載均衡不足之處在于切換可能會給終端站點帶來相應的損失，如切換失敗，切換失敗后STA會重新掃描尋找WTP并進行接入，這勢必會造成上層業(yè)務的中斷.文獻[4]提出了將WTP主控方法和切換式負載均衡方法相結合的方式，這種方式把兩種負載均衡的優(yōu)點集于一身，既反應迅速，又能保證收集信息的精準性，更好的協(xié)調負載的分布.

3 切換式負載均衡算法設計與實現(xiàn)

圖1 CAPWAP的集中式WLAN架構

負載均衡算法的目標是減輕超載的WTP的負載，分流其所關聯(lián)的STA到正常WTP下，從而平衡各WTP負載差異，提高帶寬利用率和網絡整體性能[5].因此，如何給超載的WTP選擇供分流的目標WTP和選取準備進行切換的STA是實現(xiàn)負載均衡的關鍵.

3.1 算法步驟

3.1.1 負載信息收集過程

在CAPWAP結構中，AC能夠獲取其下關聯(lián)的所有WTP的基本負載信息，據(jù)此可判斷當前WTP的負載狀態(tài).當某個WTP處于正常狀態(tài)時說明可以接受來自其他WTP的分流，如果WTP處于超載狀態(tài)則啟動負載均衡機制，對其進行STA的分流，以減輕其負載.

如果當前ESS（擴展服務組，由多個基本服務組BSS組成）中，沒有處于正常狀態(tài)下的WTP，就說明當前其他所有WTP都不具備接受分流的能力，自身負載也過高，以至于不能再接納新的STA接入，此時，過載WTP并不發(fā)送超載廣播消息.如果ESS中存在可以接受分流的正常WTP，過載WTP才發(fā)送超載廣播消息給其下關聯(lián)的STA.STA站點在接到WTP的通知消息后，會進行針對所有可視WTP的負載信息收集，負載信息主要包括信號強度RSSI及信道忙碌率等.STA在向廣播WTP返回信息前要對收集的WTP的信號強度RS?SI進行判斷，僅當RSSI超過了預設的最低閾值RSSITH時才返回收集的WTP信息給廣播WTP，并把當前WTP列入候選WTP隊列中，此時也說明一旦把STA切換到此WTP上，信號強度是能夠得到保障的，對于RSSI低于閾值RSSITH的，則可排除在WTP候選隊列之外，且不向廣播WTP返回任何信息.

廣播WTP利用STA返回的信息，計算每個WTP的負載情況，在這里用如下公式來計算WTP的負載

其中，RBi表示WTPi的信道忙碌率，R是預設的忙碌率閾值，可以根據(jù)實際情況不斷修正從而選擇更為合適的數(shù)值.Ni表示當前WTPi其下所關聯(lián)的STA終端的個數(shù)，RSSIi表示STA探測收集的WTP的RSSI，當RSSIi＞RSSITH時才進行負載計算.

3.1.2 權值排序

在負載信息收集階段，廣播WTP利用STA返回的信息對滿足條件的可視WTPi進行負載計算，根據(jù)計算的結果進行狀態(tài)判斷和權值排序.對于過載的WTPi，信道忙碌率RBi＞R，故其權值大于0，把它置于權值隊列的最后面，對于正常的WTPi權值小于0，按順序排在權值隊列前端，作為目標WTP供負載分流.由此可見，0把過載和輕載的WTP在權值隊列中劃分為兩段，權值小于0的是可進行切換的正常WTP，大于0的是不可切換的過載WTP，后者需要做負載均衡.

3.1.3 控制切換過程

在過載WTP向目標WTP進行STA站點切換過程中，目標WTP在接受STA分流時要對自身負載進行判斷，加入STA后自身不超載，則允許接入，否則拒絕接入.簡單的說就是在保證目標WTP不超載的情況下，把置于權值隊列后面的過載WTP的STA終端站點切換到隊列前面正常WTP中.

3.1.4 切換后更新

切換完成后，過載WTP要把分流出去的STA站點的信息刪除，以更新其當前關聯(lián)狀態(tài)，防止多余的計算.

3.2 算法描述

由上述算法步驟可知，在切換式負載均衡算法中需要WTP接入點和STA站點的共同參與，因此可把算法簡單描述如下：

3.2.1 無線站點STA端

無線站點STA在接到過載WTP的超載廣播消息后，會向所有可視的接入點WTP發(fā)送探測請求幀，當收到可視WTP的響應幀后，STA會根據(jù)從響應幀提取的負載信息進行判斷，負載信息主要包括RSSI、信道忙碌率及站點個數(shù).如果當前某個WTP的RSSI超過閾值，則把其信息發(fā)送給廣播WTP，否則不發(fā)送.STA端的算法流程如圖2所示.

3.2.2 無線接入點WTP端

首先判斷WTP的工作狀態(tài)，如果輕載則可以進行切換，否則當WTP處于超載狀態(tài)時啟動負載均衡.進行負載均衡時，先通過WTP之間的負載交流判斷是否存在正常的WTP，如果有正常WTP存在，當前超載WTP便會向其關聯(lián)的所有STA發(fā)送超載廣播通知.

WTP收到非關聯(lián)STA站點的探測請求幀后，會返回包括RSSI、信道忙碌率及站點個數(shù)的探測響應幀給STA.若收到的是關聯(lián)STA站點的探測響應幀，則提取相應的負載信息.

超載WTP根據(jù)STA返回的信息，計算各WTP負載并根據(jù)權值大小排序，區(qū)分過載和正常WTP，向正常WTP發(fā)送切換請求，WTPi在接到超載WTP的切換請求時要進行自身負載判斷，加入新的STA站點，自身不會超載時則允許接納STA，否則拒絕接收STA.

當目標WTP通過自身負載判斷允許STA站點切換，則過載WTP開始向目標WTP進行STA分流，本次切換成功.

圖2 STA端算法流程

過載WTP切換成功后，開始刪除分流出去的STA站點信息，以避免無效的計算出現(xiàn).

若WTP拒絕接收，則繼續(xù)尋找可切換的目標WTP，如無WTP肯接納STA，說明所有WTP負載均接近飽和，此時不進行切換.

若超載WTP在進行切換后仍然處于超載狀態(tài)則繼續(xù)向關聯(lián)STA發(fā)送超載廣播，重復以上步驟.

WTP端的算法流程如圖3所示.

4 仿真實驗

圖3 WTP端算法流程

圖4 無負載均衡下各WTP吞吐量對比

圖5 本文負載均衡算法下各WTP吞吐量對比

為了對基于CAPWAP的切換式負載均衡算法有效性進行驗證，本文采用了目前主流的仿真工具OPNET Modeler 14.5進行仿真實驗.仿真實驗中通過3個WTP接入點覆蓋區(qū)域來模擬整個無線局域網絡.每個WTP的帶寬設為2Mbps，覆蓋區(qū)域為2×2KM2，分別工作在不同的信道上.設置仿真時間為1800秒，STA站點的帶寬也為2Mbps，WTP1關聯(lián)14個STA站點，WTP2關聯(lián)7個STA站點，WTP3關聯(lián)9個STA站點.通過調整STA站點的數(shù)據(jù)包生成時間間隔，使STA業(yè)務負載量各不相同，其中WTP1和WTP2關聯(lián)的站點負載相對WTP3較高.在沒有進行負載均衡情況下進行仿真實驗，仿真后各WTP吞吐量對比如圖4所示.

由圖4可知，WTP1和WTP2吞吐量相對較高，WTP3相對較低，這是因為WTP1和WTP2關聯(lián)的站點負載大于WTP3.WTP3雖然關聯(lián)站點數(shù)不少，卻因為站點業(yè)務量小使得負載較輕，故吞吐量較低.盡管WTP1關聯(lián)的站點數(shù)遠高于WTP2，但其吞吐量差別卻很小，這說明WTP1上存在嚴重沖突，信道忙碌率較高，負載較重，影響了通信的質量，需要進行負載均衡以減輕其負載.

采用基于CAPWAP的負載均衡算法進行仿真實驗，仿真結果如圖5所示.

在基于CAPWAP的負載均衡算法中，把信道忙碌率作為影響WTP負載的重要因素進行考慮.在權值排序階段根據(jù)各個WTP信道忙碌率進行權值排序.由于WTP1信道忙碌率最高已超過閾值，處于過載狀態(tài)，故排在隊列之后優(yōu)先進行負載均衡.WTP3雖然關聯(lián)了9個STA站點，由于站點業(yè)務負載較少，信道忙碌率較低，故位于權值隊列之前優(yōu)先進行STA切換.根據(jù)負載均衡算法，WTP1選擇WTP3作為目標WTP進行負載分流，把一部分站點分配給WTP3，從而降低了WTP1的沖突，提高了WTP3的吞吐量.在切換站點過程中根據(jù)信道忙碌率變化不斷調整各WTP負載，直至達到圖5所示的基本平衡狀態(tài).

圖6所示為負載均衡前后總吞吐量對比曲線圖，由圖可知，本文負載均衡算法的應用大大提升了WLAN的整體吞吐量，也提高了網絡整體性能，減少了資源的浪費，故該算法可行有效.

5 總結

由于在802.11無線局域網中沒有負載均衡的實現(xiàn)機制，導致WLAN中無線接入點負載差異較大，網絡性能受到嚴重影響，網絡資源也得不到充分利用，為解決這一問題，本文提出了一種基于CAPWAP的WLAN切換式負載均衡優(yōu)化算法.經仿真實驗表明，采用該算法能夠有效平衡各接入點間負載差異，從而實現(xiàn)WLAN負載均衡，提高網絡整體性能和資源的利用率.

圖6 負載均衡前后總吞吐量對比

[1]Calhoun P，Montemurro M，Stanley D.RFC5415.Control and Provisioning of Wireless Access Points（CAPWAP）Protocol Specification[S].March，2009.

[2]向望.基于CAPWAP的無線資源管理技術研究與優(yōu)化[D].上海：復旦大學計算機科學技術學院，2009.

[3]丁曉樂，李風華，李賀武，等.基于功率控制和位置信息的無線局域網動態(tài)負載均衡機制[J].廈門大學學報：自然科學版，2007，46（增刊2）：150-155.

[4]王彬.無線局域網中的負載均衡技術[J].中興通訊技術，2006，12（3）：46-50

[5]楊茜惠，劉宴兵.無線局域網中一種切換式負載均衡算法[J].中興通信技術，2008，41（4）：154-161.

[6]王曉健，戎蒙恬，劉超.無線局域網的一種功率控制算法[J].計算機仿真，2008，25（12）：142-161.

[7]陳侃，李華，潘春建，等.集中式WLAN網絡無線資源管理研究[J].計算機工程，2007，33（8）：124-129.

[8]李浩琳，沈世錦，張正風.AP技術發(fā)展與組網應用的研究[J].電信科學，2008，24（5）：26-32.

[9]李滿，謝卓奇，郭杰，等.基于OPNET Modeler的擴展WLAN仿真及實測研究[J].通信技術，2008，41（06）：26-29.

Handoff Algorithm of Load Balance Based on CAPWAP in WLAN

CHEN Wei
(Network Center,Suzhou Vocational and Technical College,Suzhou 234101,China)

This paper puts forward a CAPWAP-based handoff algorithm of load balance in WLAN,in which each WTP can exchange load state message with the other.When the load of WTPS shows bigger differences, the overloaded WTP forces the handoff of some stations to be associated with under-loaded WTP in order to re?duce the load difference,and to realize load balancing of WLAN.The simulation results indicate that each WTP’s load can be balanced and that the system throughput can be improved dramatically.

CAPWAP;load balance;wireless local network;handoff

TP301.6

A

1008-2794（2013）04-0114-05

2013-03-05

安徽省教育廳優(yōu)秀青年人才基金項目“基于自適應算法的校園網絡鏈路負載均衡研究與應用”（2012SQRL263）

陳偉，講師，碩士，研究方向：計算機網絡管理，E-mail：chenwei9737@163.com.