一種分布式架構(gòu)的無線組網(wǎng)方法研究

摘? 要：為了解決中小企業(yè)無線場景中無集中管理控制器的三層組網(wǎng)管理的問題，文章提出一種基于有線鄰居和射頻鄰居信息的分布式組網(wǎng)管理的方法。通過二層廣播技術(shù)、射頻鄰居信息字段處理、鄰居信息傳輸算法處理，實(shí)現(xiàn)了三層網(wǎng)絡(luò)分布式組網(wǎng)管理的方法，并對方法進(jìn)行技術(shù)分析。通過實(shí)驗(yàn)和測試證明，所提方法有效解決了技術(shù)背景中描述的無線局域網(wǎng)中三層組網(wǎng)的困難以及鄰居信息掃描與獲取慢、鄰居信息廣播風(fēng)暴的問題。

關(guān)鍵詞：分布式組網(wǎng);二層廣播;射頻鄰居信息

中圖分類號：TN92? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0090-05

Abstract：This article proposes a method of distributed network management based on the wired neighbor and radio frequency neighbor information，which solves the problem of the three-layer network management without a centralized management controller in the wireless scenario of small and medium-sized enterprises. Through the layer 2 broadcast technology，radio frequency neighbor information field processing and neighbor information transmission algorithm processing，the method of three-layer distributed network management is realized，and technique analysis of the method. Experiments and tests prove that this method effectively solves the problems of the difficulty of the three-layer network in the wireless local area network described in the technical background，the slow scanning and acquisition of neighbor information，and neighbor information broadcast storm.

Keywords：distributed networking;layer 2 broadcast;RF neighbor information

0? 引? 言

銳捷網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)無線通過瘦AP+無線控制器（AC）的方式進(jìn)行無線的部署和管理控制應(yīng)用;而切換到云AP模式，則是通過對接到廣域網(wǎng)下的公有云做統(tǒng)一管理。隨著WLAN的發(fā)展，新市場更多在于中小企業(yè)市場、物聯(lián)網(wǎng)市場、家居場景應(yīng)用，急需有不同于傳統(tǒng)無線的局域網(wǎng)管理方案。目前，對于中小企業(yè)無線場景應(yīng)用中，不同廠商間不同平臺(tái)開發(fā)的產(chǎn)品，并沒有統(tǒng)一、成熟的組網(wǎng)管理方式。中小企業(yè)市場更傾向于應(yīng)用簡單、快捷的設(shè)備組網(wǎng)管理方式，其無線產(chǎn)品傾向于輕量級產(chǎn)品的開拓，AP間也沒有集中管理控制器。因此，對于中小企業(yè)場景的AP設(shè)備，就產(chǎn)生出了虛擬AC來管理整網(wǎng)AP的概念。

1? 問題分析

在中小企業(yè)無線場景應(yīng)用中，銳捷網(wǎng)絡(luò)的解決方案支持二層網(wǎng)絡(luò)下AP間迅速智能組網(wǎng)，達(dá)到局域網(wǎng)中AP間自組網(wǎng)和統(tǒng)一管理應(yīng)用的目的。這里的中小企業(yè)無線管理方案，工程師常常將其應(yīng)用在職校、中小企業(yè)或者工廠、連鎖商鋪、智能家居等非傳統(tǒng)無線的場景中。這些場景的特點(diǎn)是既期望不花費(fèi)高昂的價(jià)格去購買集中管理控制器，但是又期望能夠便捷高效地進(jìn)行局域網(wǎng)統(tǒng)一管理，所需要應(yīng)用的無線設(shè)備數(shù)量少到個(gè)位數(shù)，多到上百或者上千臺(tái)不等。

在實(shí)際的職校宿舍場景以及中小企業(yè)的辦公場景中，部分客戶要求AP間劃分VLAN管理應(yīng)用，例如宿舍公寓、辦公網(wǎng)、訪客區(qū)，這些要求劃分VLAN管理應(yīng)用，所釋放的信號也是劃分網(wǎng)段應(yīng)用。這些場景的應(yīng)用中，部分場景容量會(huì)超出當(dāng)前二層組網(wǎng)管理方案中的容量，另一個(gè)是要求進(jìn)行三層組網(wǎng)統(tǒng)一管理應(yīng)用。當(dāng)前中小企業(yè)場景的二層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)管理方案缺陷在于若AP間配置有VLAN，AP間是進(jìn)行VLAN的三層轉(zhuǎn)發(fā)的情況下，此時(shí)設(shè)備間無法達(dá)到三層網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)。另外，同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)，如果實(shí)際組網(wǎng)設(shè)備容量超過最大值，那么超出的部分會(huì)被分為多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)，無法達(dá)到大規(guī)模下統(tǒng)一自組網(wǎng)管理的目的。

而當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的三層組網(wǎng)的方案中，基于DHCP的option選項(xiàng)指定IP的方式，即指定固定設(shè)備做主設(shè)備的方式，接入點(diǎn)通過DHCP獲取地址的方式識別主設(shè)備的信息從而建立鏈接。

在實(shí)際的中小企業(yè)辦公網(wǎng)場景測試中，三層組網(wǎng)的缺陷在于：指定無線設(shè)備做主設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)管理。指定的設(shè)備出故障后，無法進(jìn)行自組網(wǎng)重新選舉主設(shè)備進(jìn)行管理應(yīng)用，無法自行恢復(fù)組網(wǎng)管理;指定的設(shè)備通過DHCP獲取地址，若IP變更，則組網(wǎng)設(shè)備無法連上指定的主設(shè)備;若局域網(wǎng)中無線設(shè)備是通過靜態(tài)IP地址的方式接入，則也無法識別DHCP的option選項(xiàng)，從而也無法被主設(shè)備管理。以上三種情況都會(huì)引發(fā)三層組網(wǎng)失敗的問題。

上文描述的問題大致可總結(jié)為：二層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)容量存在局限且無法支持三層自組網(wǎng)、三層組網(wǎng)管理會(huì)失敗的場景應(yīng)用問題。因此中小企業(yè)場景中，若要對當(dāng)前的組網(wǎng)方案進(jìn)行優(yōu)化，則可以從解決三層組網(wǎng)統(tǒng)一管理的問題入手。從目前遇到的中小企業(yè)場景應(yīng)用中，例如某職校（含宿舍公寓場景），要求的組網(wǎng)設(shè)備容量多達(dá)幾百臺(tái)，要求的組網(wǎng)VLAN劃分規(guī)模在個(gè)位數(shù)。通常二層自組網(wǎng)可以通過廣播的方法解決，而三層自組網(wǎng)管理，VLAN間將有線局域網(wǎng)劃分成不同的子網(wǎng)絡(luò)，無法進(jìn)行廣播處理;但是射頻信息是可以攜帶組網(wǎng)相關(guān)信息進(jìn)行廣播傳輸?shù)?，例如本文將采用射頻信息進(jìn)行傳播組網(wǎng)標(biāo)識符相關(guān)信息。文章提出一種協(xié)同二層廣播和無線射頻鄰居作用下的無線局域網(wǎng)的分布式組網(wǎng)管理方法，旨在優(yōu)化和解決中小企業(yè)等場景中二層組網(wǎng)容量局限和三層組網(wǎng)統(tǒng)一管理的問題。

2? 基于分布式架構(gòu)的組網(wǎng)方法

基于鄰居信息分布式自組網(wǎng)方案架構(gòu)的主要思想在于：用分布式的方法，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同級子網(wǎng)絡(luò)管理;根據(jù)分布式的思維，可以在接受的范圍內(nèi)，擴(kuò)展被管理AP的容量，并且對不同子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

本文提出分層組網(wǎng)的概念，這里統(tǒng)稱同一VLAN下的網(wǎng)絡(luò)為第一級子網(wǎng)絡(luò)，不同VLAN間的局域網(wǎng)組網(wǎng)管理為第二級網(wǎng)絡(luò)。通過射頻鄰居廣播的方法、鄰居信息的傳輸以及對不同鄰居信息的處理，構(gòu)成無線局域網(wǎng)分布式管理的方案。整體的方案架構(gòu)為：

首先，創(chuàng)建第一級子網(wǎng)絡(luò)。在同一個(gè)VLAN下，通過二層廣播技術(shù)，可以對同一VLAN下的設(shè)備進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和管理，由統(tǒng)一管理的方式對同二層局域網(wǎng)內(nèi)的無線設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)將組網(wǎng)信息傳輸給管理的AP。

其次，通過射頻鄰居攜帶組網(wǎng)信息以及VLAN等信息的方式，射頻鄰居信息通過廣播的方式進(jìn)行射頻鄰居信息的傳輸與交互，對鄰居信息的收集和傳輸進(jìn)行優(yōu)化處理，減少廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。讓不同VLAN下的局域網(wǎng)的設(shè)備收到對方的組網(wǎng)和VLAN相關(guān)信息，對不同VLAN下的設(shè)備進(jìn)行分級管理;從而形成二級網(wǎng)絡(luò)。

再次，通過二級網(wǎng)絡(luò)管理一級子網(wǎng)絡(luò)，一級子網(wǎng)絡(luò)管理下聯(lián)設(shè)備的方式進(jìn)行分布式管理設(shè)備，通過設(shè)備管理模塊進(jìn)行配置信息、管理、升級等方案應(yīng)用。

3? 分布式組網(wǎng)機(jī)制

3.1? 基于鄰居信息構(gòu)建分布式組網(wǎng)機(jī)制

整網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)分布式管理如圖1所示，第一級子網(wǎng)中選舉出本子網(wǎng)絡(luò)下的主AP（虛擬AC）管理其他AP，各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中再選舉出三層網(wǎng)絡(luò)的主AP（虛擬AC）監(jiān)管子網(wǎng)絡(luò)中的主AP，從而形成分布式自組網(wǎng)管理。具體方案機(jī)制為：

（1）第一級子網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)：通過二層廣播的方式，尋找二層網(wǎng)絡(luò)下的鄰居信息，在同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)中，通過選舉規(guī)則自主選舉出子網(wǎng)絡(luò)主AP和成員AP，這里簡稱V_LEADER、V_MEMBER，形成自組網(wǎng)，同時(shí)形成二層網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)的鄰居信息庫。

（2）在二層子網(wǎng)絡(luò)即第一級組網(wǎng)形成后，需要收集整網(wǎng)下的主AP的數(shù)據(jù)庫。首先各自的AP上將各自的主AP的數(shù)據(jù)庫信息處理并放到射頻信息中。每個(gè)AP通過射頻掃描鄰居信息，獲取到所有主AP的數(shù)據(jù)庫，鄰居信息的數(shù)據(jù)庫。AP上處理、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)V_LEADER信息，通過射頻信息攜帶傳輸給鄰居AP。對比本機(jī)上的主AP數(shù)據(jù)庫以及鄰居信息中攜帶的主AP數(shù)據(jù)庫，當(dāng)主AP有更新時(shí)，驗(yàn)證AP與新的主AP的聯(lián)通性，驗(yàn)證是在同一個(gè)局域網(wǎng)下時(shí)，更新主AP數(shù)據(jù)庫信息，同時(shí)繼續(xù)填充到射頻信息中進(jìn)行廣播傳輸給鄰居AP。當(dāng)主AP的數(shù)據(jù)庫信息不再更新時(shí)，每個(gè)AP上都能收到并存儲(chǔ)整個(gè)局域網(wǎng)中的主AP的數(shù)據(jù)庫信息。

（3）第二級網(wǎng)絡(luò)的管理。通過算法選舉三層網(wǎng)絡(luò)的主AP信息。AP上已存儲(chǔ)整個(gè)局域網(wǎng)中不同子網(wǎng)下的主AP信息，通過MAC最大以及型號等因素，選舉出三層網(wǎng)絡(luò)的主AP，這里稱為N_LEADER，其他則為三層網(wǎng)絡(luò)中的N_MEMBER。各個(gè)子網(wǎng)下的V_LEADER定時(shí)檢測自己是否被選舉為N_LEADER，當(dāng)被選為N_LEADER后，AP開始管理其他V_MEMBER。如果這些主AP中自身不是三層網(wǎng)絡(luò)N_LEADER，則等待N_LEADER來管理自己。

（4）三層網(wǎng)絡(luò)中的N_LEADER，以及其他N_MEMBER成員，這里簡稱是N網(wǎng)絡(luò)，而各自的V_LEADER下又管理了二層網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)V_MEMBER。分布式組網(wǎng)中，通過三層網(wǎng)絡(luò)中的N_LEADER分布式管理N_MEMBER成員，通過配置框架和其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用任務(wù)下發(fā)給其他N_MEMBER，同步網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用任務(wù)和信息;再由二層網(wǎng)絡(luò)中各自的V_LEADER同步網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用任務(wù)和信息，達(dá)到三層自組網(wǎng)的目的。在各個(gè)二層子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，都會(huì)獲取分布式網(wǎng)絡(luò)中主AP的數(shù)據(jù)庫信息。

在這個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)中，N_LEADER既是本子網(wǎng)絡(luò)的V_LEADER，也是三層網(wǎng)絡(luò)的N_LEADER，它同時(shí)管理著N_MEMBER和本子網(wǎng)絡(luò)下的V_MEMBER。同時(shí)N_MEMBER管理著各子網(wǎng)下的V_MEMBER。在各自主AP上，通過鏈表統(tǒng)一存儲(chǔ)本子網(wǎng)絡(luò)下的V_MEMBER信息和N_MEMBER信息。

通過上述分布式管理，N_LEADER管理N_MEMBER以及本子網(wǎng)絡(luò)下的V_MEMBER，N_MEMBER管理V_MEMBER，整網(wǎng)中每個(gè)設(shè)備都能被監(jiān)管并接收到消息任務(wù)，結(jié)合各個(gè)模塊的網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，達(dá)到自組網(wǎng)應(yīng)用的目的。

3.2? 射頻鄰居信息傳播機(jī)制

在鄰居信息的傳輸和處理上，為了提高掃描鄰居信息的速率以及避免廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)，這里提出了一種射頻鄰居信息的處理算法：

（1）AP檢測周邊的鄰居信息，并保存在鄰居信息數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)保存鄰居AP對應(yīng)的主AP信息，并記錄在網(wǎng)絡(luò)主AP的數(shù)據(jù)庫中。

（2）首次接收到鄰居信息之后，先將同VLAN下的鄰居信息和不同VLAN下的鄰居信息區(qū)分出來。在同VLAN下的鄰居信息中，選取出攜帶的主AP數(shù)據(jù)庫最多的鄰居信息;不同VLAN的鄰居信息中，也選取出攜帶的主AP信息最多的鄰居信息，并對這些AP進(jìn)行標(biāo)記。按照預(yù)設(shè)周期和預(yù)設(shè)鄰居信息個(gè)數(shù)閾值進(jìn)行無線射頻掃描，采集鄰居信息。在預(yù)設(shè)鄰居信息個(gè)數(shù)閾值范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)是否采集到上一輪掃描標(biāo)記的主AP信息最多的鄰居信息，若采集到，則將包含主AP信息最多的鄰居信息作為候選鄰居信息進(jìn)行鄰居信息的提取，并結(jié)束本輪掃描;若未采集到的，則在預(yù)設(shè)周期到期或者接收到的鄰居信息個(gè)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)鄰居信息個(gè)數(shù)閾值時(shí)，比較接收到的鄰居信息包含的主AP個(gè)數(shù)，將包含主AP個(gè)數(shù)最多的鄰居信息作為候選鄰居信息進(jìn)行鄰居信息的提取;將候選鄰居信息對應(yīng)的AP標(biāo)記為主AP信息最多的鄰居。在射頻掃描更新過程中，只要保證含有最大信息節(jié)點(diǎn)的鄰居信息已接被接收到，則本次掃描即可結(jié)束。這樣，可以減少射頻鄰居掃描時(shí)長和傳輸?shù)拇螖?shù)。

在未優(yōu)化接收方法前，整網(wǎng)下每個(gè)AP的掃描過程中，每次掃描都要去等待最多N個(gè)射頻信息的處理，如果一次掃描不到，還要多次掃描;而增加處理后，需要等待每次射頻掃描的鄰居數(shù)則最少可能是VLAN的子網(wǎng)個(gè)數(shù)，從而減少了廣播風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)和射頻廣播幀的傳輸次數(shù)。

（3）每個(gè)AP收集的鄰居信息都是始終記錄最新的一次收集到的鄰居信息，之后對接收到的鄰居信息進(jìn)行處理，提取鄰居信息中的主AP信息數(shù)據(jù)庫，并更新射頻信息字段信息，同時(shí)每個(gè)AP將更新后的射頻信息進(jìn)行鄰居廣播。直到每個(gè)AP上的主AP數(shù)據(jù)庫不再間隔時(shí)間啟動(dòng)掃描，射頻信息中最后攜帶著最新的整網(wǎng)主AP數(shù)據(jù)庫。

鄰居信息的傳遞如圖2所示：只要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號有交叉，則網(wǎng)絡(luò)的主AP數(shù)據(jù)庫就會(huì)互相傳遞和更新，最后在每個(gè)AP上都能知道整網(wǎng)的主AP的數(shù)據(jù)庫信息。

4? 方案分析與驗(yàn)證

4.1? 技術(shù)方案分析

如圖3給出了整體的三層組網(wǎng)中不同設(shè)備間的交互流程示意圖。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行射頻掃描、數(shù)據(jù)信息傳遞、對主AP數(shù)據(jù)庫處理;同時(shí)，二三層組網(wǎng)管理整體模塊中結(jié)合提供的鄰居信息進(jìn)行三層自組網(wǎng)選舉和組網(wǎng)管理應(yīng)用。最后，通過配置變更和配置管理應(yīng)用，完成整網(wǎng)進(jìn)行分布式管理應(yīng)用。

圖4給出了具體的2個(gè)VLAN間的子網(wǎng)絡(luò)提供三層組網(wǎng)管理信息的模塊交互圖。兩個(gè)子網(wǎng)間，通過定期收集鄰居信息、更新主AP數(shù)據(jù)庫、定時(shí)發(fā)送鄰居信息、解析鄰居信息、鄰居信息處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程。在每個(gè)設(shè)備上對射頻鄰居信息進(jìn)行綜合處理后，得到組網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用信息，最后提供給組網(wǎng)管理應(yīng)用。

上述從設(shè)備間交互機(jī)制、模塊間的信息傳輸和處理進(jìn)行了方案技術(shù)的分析，驗(yàn)證了該分布式組網(wǎng)方法的可行性。

4.2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

中小企業(yè)的場景中，通常沒有也不需要單獨(dú)的AC控制器管理組網(wǎng)設(shè)備，組網(wǎng)場景通常是出口網(wǎng)關(guān)+無線設(shè)備，典型組網(wǎng)場景有兩種：攜帶網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)的無線接入組網(wǎng)和不攜帶網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)的純AP組網(wǎng)管理。這里的網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌組網(wǎng)管理的功能（簡稱虛擬AC）。

4.2.1? 場景一

攜帶網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)的無線接入組網(wǎng)場景。模擬企業(yè)辦公和訪客的部署場景，測試拓?fù)淙鐖D5所示，特點(diǎn)是辦公區(qū)和訪客區(qū)使用不同的VLAN網(wǎng)段進(jìn)行組網(wǎng)應(yīng)用，出口網(wǎng)關(guān)采用支持VLAN轉(zhuǎn)發(fā)且支持組網(wǎng)管理的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)支持自組網(wǎng)管理，選舉規(guī)則上，網(wǎng)關(guān)的優(yōu)先級最高，因此網(wǎng)關(guān)是整網(wǎng)的LEADER。網(wǎng)關(guān)支持VLAN轉(zhuǎn)發(fā)，因此管理著全VLAN下的組網(wǎng)設(shè)備，三層組網(wǎng)的問題得到解決。

4.2.2? 場景二

不攜帶網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)的AP組網(wǎng)場景。網(wǎng)關(guān)只做出口上網(wǎng)管理作用，不支持組網(wǎng)應(yīng)用。如圖6所示，在物聯(lián)網(wǎng)測試間上模擬容量AP進(jìn)行三層組網(wǎng)應(yīng)用。

AP通過網(wǎng)關(guān)獲取地址，AP間處于不同的VLAN時(shí)，AP通過射頻信息和二層廣播處理的方法選舉出三層主設(shè)備進(jìn)行整網(wǎng)管理。通過對不同的容量的組網(wǎng)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，組網(wǎng)完成的時(shí)長如表1所示，表1數(shù)據(jù)已達(dá)到三層組網(wǎng)中快速組網(wǎng)應(yīng)用的目的。

三層自組網(wǎng)規(guī)模評估驗(yàn)證：無線射頻鄰居信息的私有字段的長度是0～2 312個(gè)字節(jié)，每個(gè)射頻信息中，攜帶的1個(gè)主AP的信息約40字節(jié)（包括VLAN標(biāo)識號、子網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號、設(shè)備序列號、MAC、設(shè)備型號等），大約最大能攜帶50個(gè)主AP數(shù)據(jù)庫;因此可以容納50組的子網(wǎng)形成分布式組網(wǎng)。假設(shè)每個(gè)子網(wǎng)容量是100臺(tái)設(shè)備，那么整個(gè)分布式組網(wǎng)最大的容量即可達(dá)到5 000，這對于中小企業(yè)或者商業(yè)Wi-Fi場景、家居場景等規(guī)模組網(wǎng)來說已足夠使用。

5? 結(jié)? 論

本文提供一種基于二層廣播和射頻鄰居信息的分布式組網(wǎng)方法。通過技術(shù)方案分析和模型測試表明：相對傳統(tǒng)的組網(wǎng)管理方式，本技術(shù)方案提供了一種方便、快捷且有效的無線接入點(diǎn)自組織的管理方式，解決了三層組網(wǎng)困難以及鄰居信息掃描與獲取速度慢、鄰居廣播風(fēng)暴的問題。

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作者簡介：盧燕瑜（1986.08—），女，漢族，福建泉州人，中級職稱，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。