基于CAPWAP 雙頻模式的研究

崔蓓蓓

(徽商職業(yè)學(xué)院電子信息系,合肥 230001)

一、802.11 協(xié)議

IEEE802.11 的主要通訊頻段分成兩段:802.11a/n 所在工作范圍為2.4～2.4835 GHz,通常稱為2.4GHz,802.11b/g/n 所在頻段通常稱為5GHz,其工作頻段帶寬有兩段分別為5.15～5.35GHz 和5.725～5.825GHz,實(shí)際上,5G 頻段擁有更高的接入容量。2.4GHz 頻段為開(kāi)放的工業(yè)頻段,藍(lán)牙、微波爐、ZigBee 等工業(yè)設(shè)備都工作在這一頻段,有3 個(gè)不重疊的通訊信道,在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中造成難以避免的干擾,因2.4GHz 信道間的沖突,吞吐量較低,使5GHz 頻段有了巨大的應(yīng)用空間。

5GHz頻段在頻率、速度、抗干擾性上比2.4GHz 強(qiáng)很多并能夠提供22 個(gè)通信信道。802.11ac[1]協(xié)議承擔(dān)的頻段為5G 頻段,最大可支持3.47Gbps 傳輸速率,更少的干擾,更多的接入,提供了更大的吞吐率和多用戶MIMO,并且可以有效兼容802.11a 和802.11n,使得5GHz 頻段快速應(yīng)用到WLAN 領(lǐng)域,而現(xiàn)有Wi-Fi 設(shè)備主要支持的2.4GHz 頻段,設(shè)計(jì)雙頻接收終端就有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。表1 展示了IEEE802.11 系列各協(xié)議下的傳輸速率。

表1 IEEE802.11 系列傳輸速率

從表1 中可以看出,第一802.11n 目前理論傳輸速率為600Mbps,實(shí)際速率已達(dá)100Mbps,802.11ac 實(shí)際速率高達(dá)800Mbps,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于802.11a/b/g 的實(shí)際吞吐量;第二,當(dāng)使用雙頻系統(tǒng)時(shí),他們的標(biāo)準(zhǔn)速率和最大連接后的吞吐量高于兩個(gè)單模系統(tǒng)的疊加,通過(guò)實(shí)際分析可以看出雙模吞吐量比單模要高。

二、CAPWAP 工作

傳統(tǒng)的自治式WLAN 架構(gòu),WTP(Wireless Termination Point)或AP 局域網(wǎng)中承擔(dān)著重要功能,進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、接收和加解密等方式提供無(wú)線局域網(wǎng)的連接服務(wù)。但這種模式給大規(guī)模的組網(wǎng)帶來(lái)困難,自治式的WLAN 逐步被集中式WLAN所代替,早期互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)組規(guī)定了輕型接入點(diǎn)協(xié)議LWAPP[2]。其核心思想是讓AC 集中管理大量AP,AP 僅僅具有無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功能,而整個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)還需對(duì)信號(hào)的發(fā)射做出管理,這種管理設(shè)備為AC,AC 負(fù)責(zé)接入控制、轉(zhuǎn)發(fā)、統(tǒng)計(jì)、配置監(jiān)控、安全控制等,WTP 和AC 之間通過(guò)CAPWAP 協(xié)議進(jìn)行連接。我們把這種模式叫作瘦AP+AC 的模式。2009 年3 月,IEIF 標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了CAPWAP 解決了AC 對(duì)AP 的集中控制問(wèn)題及通信問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了基于三層網(wǎng)絡(luò)模式下的通信,STA 的無(wú)線數(shù)據(jù)在WTP 端被封裝為CAPWAP 數(shù)據(jù)報(bào)文并通過(guò)CAPWAP 的數(shù)據(jù)隧道提交至AC,AC 負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),所有的CAPWAP 報(bào)文被封裝為UDP 報(bào)文在IP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸。圖1 清晰地說(shuō)明了這兩種模式的數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)。

圖1 加密CAPWAP 數(shù)據(jù)報(bào)文格式

CAPWAP[3]協(xié)議本身并不包括任何無(wú)線技術(shù),協(xié)議目前由兩部組成,一是我們常說(shuō)的CAPWAP 隧道協(xié)議,二是無(wú)線BINDING 協(xié)議,2009 年4 月正式發(fā)布。CAPWAP 和具體的無(wú)線接入技術(shù)無(wú)關(guān),作為通用隧道協(xié)議,AP 和AC 之間通信較為復(fù)雜,首先為AC 發(fā)現(xiàn)AP,再次AC 對(duì)AP 進(jìn)行安全性認(rèn)證,然后AC 下發(fā)配置給AP,AP 獲取鏡像信息和配置信息。目前使用BINDING 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為RFC5416,出臺(tái)的接入方式為802.11 的RFC,因此稱為RFC-5416。但并不支持自治模式,所以本文的無(wú)線局域網(wǎng)模型為有中心型的集中轉(zhuǎn)發(fā)模式[4]。

目前隨著WLAN 技術(shù)的發(fā)展,AP 的接入方式逐漸過(guò)渡至輕量級(jí)接入,也就是我們上述提到的LWAPP,使得無(wú)線局域網(wǎng)的部署更加靈活,實(shí)現(xiàn)IEEE802.11 協(xié)議的WLAN 部署可控性和安全性。所有數(shù)據(jù)由AC 管控,AP 只負(fù)責(zé)無(wú)線BINDING 協(xié)議的功能。

AP 和AC 之間在實(shí)際的組網(wǎng)中,往往結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,我們將它們之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象為四種模型,①為AC 和AP 直連;②AC 和AP 之間跨越二層交換的網(wǎng)絡(luò)模式;③AC 和AP 之間跨越三層交換的模式;④AC 和AP 之間跨越多個(gè)路由甚至是廣域網(wǎng)。而隨著虛擬化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,AC 和AP 之間甚至可以跨越SDN[5]網(wǎng)絡(luò),例如OpenCapwap 和SDWN。AC 和AP 之間所有的數(shù)據(jù)信息和控制信息都被封裝為UDP 報(bào)文格式通過(guò)CAPWAP 隧道在IP 網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

CAPWAP 協(xié)議支持的兩種操作模式Split MAC 和Local MAC 來(lái)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)幀和有線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。①Split MAC,在ISO 參考模型第二層來(lái)自MAC 子層的無(wú)線數(shù)據(jù)幀和控制幀被CAPWAP 協(xié)議封裝后在AC 和AP 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種模式又稱為集中轉(zhuǎn)發(fā)模式。②Local MAC,又稱為本地轉(zhuǎn)發(fā)模式,無(wú)線數(shù)據(jù)中的控制幀在WTP在本地已經(jīng)被WTP 處理后轉(zhuǎn)發(fā)給AC,數(shù)據(jù)幀或者被本地橋接或者作為IEEE802.3 幀被隧道化傳輸。

CAPWAP 協(xié)議有兩個(gè)信道,控制信道和數(shù)據(jù)信道,兩個(gè)信道均為雙向信道,AC 和WTP(AP)的IP 地址為信道兩端地址,其中控制端口轉(zhuǎn)發(fā)CAPWAP 的控制報(bào)文,使用UDP 的5246 端口。數(shù)據(jù)端口轉(zhuǎn)發(fā)CAPWAP 的數(shù)據(jù)報(bào)文,使用UDP 的5247端口。

CAPWAP 建立需要經(jīng)歷以下五個(gè)過(guò)程:①AP 獲取AC 的IP 地址,AP 本身IP 地址有兩種,一種是靜態(tài)地址一種是動(dòng)態(tài)地址,并且AC 通過(guò)廣播的方式讓AP 獲取自己的Loopback 地址,為Discovery 階段;②AC 和AP 建立控制信道的交互,稱為Join 狀態(tài);③AC 通過(guò)鏡像下發(fā)使AP 升級(jí),我們叫作Image Data 狀態(tài);④AC 下發(fā)配置至AP,稱為Configuration 狀態(tài);⑤AP 與AC 控制和數(shù)據(jù)信道均建立成功后進(jìn)入Run 狀態(tài)。從AP 和AC 的信息交互過(guò)程可以看出,AP 是零配置的,它只起到發(fā)射無(wú)線射頻信號(hào)的作用,我們通常叫這種AP 為fit-AP,本文對(duì)AP 的研究從AP 發(fā)射射頻信號(hào)的802.11 協(xié)議和STA 的接入AP 的方式進(jìn)行研究。

三、雙頻Wi-Fi

(一)STA 的接入方式

AP 擁有對(duì)信道的選擇權(quán),當(dāng)AP 開(kāi)始運(yùn)行,將自己的詳細(xì)信息廣播到自己所在的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)AP主動(dòng)掃描自己所需的信道,即AP 設(shè)備本身所遵循的IEEE802.11 協(xié)議所規(guī)定的2.4GHz 或5GHz 頻段所規(guī)定的信道,AP 檢測(cè)周圍其他AP 的信息,AP根據(jù)自身的檢測(cè)信息確定工作信道,以保證與接入AP 的STA 通信時(shí)效果最佳。無(wú)線終端登陸AP 的策略為:

主動(dòng)掃描模式。向每個(gè)可用信道發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求幀,AP 收到探測(cè)請(qǐng)求幀后,回復(fù)響應(yīng)幀。響應(yīng)幀中包含STA 的總數(shù)為X,此時(shí)AP 的RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)值Si,以及AP 所有相關(guān)STA 的平均RSSI 值Mi。STA 掃描后,根據(jù)AP 提供的信息計(jì)算自身的權(quán)重為Wi:

通過(guò)上述的權(quán)值式,STA 計(jì)算出每個(gè)AP 的權(quán)值Wi,STA 對(duì)最大權(quán)重的AP 進(jìn)行選擇和標(biāo)記,并發(fā)送請(qǐng)求幀請(qǐng)求與此AP 進(jìn)行關(guān)聯(lián),在STA 與AP之間關(guān)聯(lián)成功后,當(dāng)有新的STA 接入時(shí),AP 會(huì)更新相關(guān)聯(lián)的移動(dòng)站點(diǎn)個(gè)數(shù),以及RSSI 的平均值等,為STA 選擇AP 提供正確的信息。

STA 和AP 通過(guò)掃描的方式建立連接,STA 通過(guò)主動(dòng)掃描AP 或是被動(dòng)接受AP 發(fā)送的探測(cè)信號(hào),主動(dòng)掃描方式,主動(dòng)檢測(cè)條件下,STA 主動(dòng)獲取BSSID、SSID、BSSType、信標(biāo)幀間隔和物理參數(shù)等信息。被動(dòng)掃描模式下,STA 通過(guò)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀獲取AP 信息。具在STA 加入AP 之前,采用主動(dòng)掃描方式獲取 AP 的相關(guān)信息,即設(shè)置 STA 的Scantype=active,設(shè)置channel=1,BSSID=broadcast MAC address,BSSType=ANY_BSS;啟動(dòng)服務(wù)原語(yǔ)MLME-SCAN.request,從掃描請(qǐng)求MLME-SCAN.confirm 掃描證實(shí)至掃描確認(rèn)之后,提取相應(yīng)的信息;信道傳遞,channel←channel+1,channel＞11。在整個(gè)算法中,Ts 可以通過(guò)STA 和AP 之間成功的探測(cè)請(qǐng)求和探測(cè)響應(yīng)的交互時(shí)間估計(jì),更精準(zhǔn)地估測(cè)出Ts 的值。通過(guò)STA 多次與AP 之間交互求平均值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),假設(shè)試圖與STA 進(jìn)行關(guān)聯(lián)的AP 個(gè)數(shù)為M,RSSITH 為RSSI 的閾值,只有大于RSSITH 的AP,才能與STA 建立關(guān)聯(lián),若APi 與STAj 相互關(guān)聯(lián),則關(guān)聯(lián)變量Xij=1,否則Xij=0,由于STA 站點(diǎn)最多只能與一個(gè)AP 進(jìn)行關(guān)聯(lián),故,并設(shè)為新加入的STA 向APi 所發(fā)送探測(cè)響應(yīng)幀的平均時(shí)間。則根據(jù)上述定義,就可以把算法的目標(biāo)歸結(jié)于:

①STA 運(yùn)行后,采用主動(dòng)掃描方式向IEEE802.11 指定的信道上的AP 發(fā)送檢測(cè)請(qǐng)求幀,獲取AP 的相關(guān)信息。②AP 檢測(cè)到請(qǐng)求幀后,發(fā)送一個(gè)響應(yīng)幀來(lái)應(yīng)答STA。③STA 接收到AP的探測(cè)響應(yīng)幀后,比較當(dāng)前AP 響應(yīng)幀的SSID 信息與STA 中存儲(chǔ)的SSID 信息是否一致。若不一致將不進(jìn)行任何處理。若一致,首先對(duì)當(dāng)先的AP的RSSI 值進(jìn)行判定,若AP 的RSSI 值大于規(guī)定的閥值,此AP 將標(biāo)記為候選AP,否則不進(jìn)行標(biāo)記。

(二)STA 的雙頻接入

根據(jù)無(wú)線電磁波的物理特性可知,波長(zhǎng)的長(zhǎng)度和衰減成反比,波長(zhǎng)越長(zhǎng)繞射能力也越強(qiáng),5G信號(hào)的特點(diǎn)為頻率高、波長(zhǎng)短,而2.4G 信號(hào)的特點(diǎn)為頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng),由此可見(jiàn)5G 信號(hào)穿過(guò)障礙物時(shí)衰減大,傳輸速率高,而2.4G 信號(hào)正好相反,如果Wi-Fi 終端設(shè)備可以同時(shí)支持2.4GHz和5GHz,我們認(rèn)為這種終端為雙頻的Wi-Fi 終端,從科學(xué)上定義雙頻Wi-Fi 是指設(shè)備同時(shí)支持2.4GHz 和5GHz 雙頻無(wú)線信號(hào),可支持包括802.11a/b/g/n/ac 完整無(wú)線網(wǎng)絡(luò),屬于第五代Wi-Fi 傳輸技術(shù)。

我們通常所說(shuō)的2.4GHz 頻段分布在2.4～2.4835GHz 頻段。而這83.5MHz 的帶寬要平分給14 個(gè)不同的信道,因此每個(gè)信道之間的差距只有微小的20MHz,因此在2.4GHz 的頻段中至少會(huì)有兩個(gè)(通常是四個(gè))信道處于重合狀態(tài)。而由于1、6 和11 彼此之間間隔的距離足夠遠(yuǎn),因此他們成為互不重疊的3 條信道。在國(guó)內(nèi),通常5GHz 也指5.8GHz,頻寬范圍是5725～5875MHz,頻寬為150MHz,其上有5 個(gè)互不重疊20MHz 信道,由此可見(jiàn)在雙頻條件下非重疊的信道為8 條。這個(gè)頻譜靈活性意味著802.11n 的雙頻AP 可以在一個(gè)位置支持更多的用戶和應(yīng)用,接入用戶數(shù)必然大于只使用單頻AP 的用戶數(shù)。

雙頻AP 對(duì)STA 的識(shí)別雙頻STA 的接入。目前是判斷STA 是否支持雙頻是第一步。雙頻AP通過(guò)以下條件識(shí)別STA:

(1)在主動(dòng)模式下,AP 可以接收來(lái)自2.4G 頻段和5G 頻段的檢測(cè)請(qǐng)求。在無(wú)源模式下,STA 可以檢測(cè)到2.4G 和5G 頻段的信號(hào),因此對(duì)于AP,STA 被認(rèn)為是雙頻STA;

(2)如果STA 的檢測(cè)請(qǐng)求只能從2.4G 頻段接收到,則AP 是2.4G 的STA;

(3)如果該STA 的檢測(cè)請(qǐng)求只能從5G 頻段接收,則AP 為5GSTA。

單頻的STA 識(shí)別需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程,以確定能否從兩個(gè)不同的頻段收到探測(cè)請(qǐng)求,AP 將收到的STA 的信息保存起來(lái),為策略回應(yīng)提供依據(jù),而B(niǎo)and Select 保存已關(guān)聯(lián)的STA 信息,選擇標(biāo)準(zhǔn)為STA 的RSSI。在實(shí)際的應(yīng)用中可能出現(xiàn)雙頻移動(dòng)Wi-Fi 終端對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^低,在Wi-Fi 設(shè)計(jì)時(shí),可為2.4G 頻段和5G 頻段分別設(shè)計(jì)AP 的傳輸接口。但兩個(gè)接口不同時(shí)工作,根據(jù)RSSI 的強(qiáng)弱,STA 自動(dòng)激活其中一個(gè)接口進(jìn)行工作。

(三)雙頻接入的優(yōu)勢(shì)

我們可以通過(guò)雙的AP 和AC 組建,通過(guò)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在2.4GHz 頻段5GHz 頻段下,多線程(10pairs)的無(wú)線傳輸速率測(cè)試結(jié)果來(lái)比較兩者在上下行信道上的傳輸速率。表2 為2.4GHz 時(shí)多線程下行+上行測(cè)試,表3 為5GHz 時(shí)多線程下的下行+上行測(cè)試。

表2 2.4GHz 多線程吞吐量

表3 5GHz 多線程吞吐量

從平均速度上看2.4GHz 頻段為83.124Mbps和5GHz 頻段為97.696Mbps,在多線程測(cè)試中,5GHz 頻段上的速度表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)明顯。從表2,表3可知 5GHz 頻段的平均傳輸速率略高于2.4GHz,在5GHz 的多線程下行+上行測(cè)試中,平均速度更超出2.4GHz 頻段的14Mbps 左右,處于明顯領(lǐng)先地位。隨著無(wú)線高帶寬需求的不斷增加,5GHz 無(wú)線將被更加廣泛地應(yīng)用,如高清視頻傳輸、大型網(wǎng)絡(luò)游戲或在線視頻聊天等。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,移動(dòng)終端數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng),無(wú)線局域網(wǎng)具有靈活部署、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。但在具體應(yīng)用既要考慮和有線局域網(wǎng)的互聯(lián)互通,又要考慮其無(wú)線信號(hào)的傳輸特性,使用環(huán)境更為復(fù)雜,作為目前4G 和5G 技術(shù)的重要補(bǔ)充,WLAN 技術(shù)在802.11 協(xié)議的指導(dǎo)下,實(shí)際應(yīng)用中采用集中的AC+AP 模式,利用CAPWAP 協(xié)議,逐步從2.4GHz 的單頻模式過(guò)渡至2.4GHz 和5GHz 的雙頻模式。

提高傳輸效率,減少同頻或鄰頻干擾,目前逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用,但在辦公室、家庭等實(shí)際傳輸環(huán)境情況較復(fù)雜,除了各種無(wú)線系統(tǒng)的共存干擾,Wi-Fi 射頻物理層上干擾外,Wi-Fi 還需考慮自身載波監(jiān)聽(tīng)與沖突避讓機(jī)制導(dǎo)致的空中信道接口擁塞、理論速率下降等因素。進(jìn)行合理的Wi-Fi 設(shè)計(jì),仍是雙頻無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的努力方向。