無線局域網中的負載均衡技術

2019-11-04 21:02:39

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供稿：網友

作者：王彬

在有線分布式系統中，負載均衡是指將網絡的外部服務請求均勻分配到多臺后端的服務器上，從而提高網絡服務質量的方法。

由于任務到達的隨機性，以及各處理節點處理能力上的差異，當分布式系統運行一段時間后，某些節點分配的任務還很多(稱之為超載)，而另一些節點卻是空閑的(稱之為輕載)。一方面，使超載節點上的任務盡可能快地完成是當務之急；另一方面，某些節點輕載是一種浪費。如何避免這種忙與空閑并存情況的發生，從而有效地提高系統的資源利用率，減少任務的平均響應時間。這是負載均衡需要解決的問題。

有線分布式系統中的負載均衡方法操作的對象是任務。收集負載信息，進行相關算法決策，對分配給各節點的任務進行重新調度如進程遷移或任務遷移，是負載均衡的基本途徑。負載均衡問題是對任務的優化組合問題。

負載均衡技術應用到無線系統下具有新的特點。無線局域網中的負載均衡面臨比有線網絡更多的困難。隨著無線局域網中擴展服務集中的終端的移動和無線信道的時變，各個接入點(AP)上的負載出現差異。負載均衡的作用就是平衡各個AP的差異，以達到最大化的網絡資源利用。負載均衡是無線資源治理的重點，IEEE的802.11工作組的TGv任務組，專門負責解決無線局域網的負載均衡問題。

1 有線分布式系統中的負載均衡

1.1有線分布式系統負載均衡的技術難點

負載均衡需要解決的核心問題有兩個：一是何時進行任務遷移，另一個是怎樣進行任務遷移。要實現負載均衡，難點在以下幾個方面：

對系統的負載情況進行準確的評價。

負載均衡要求進行某些額外附加處理，如系統內各節點負載信息的收集、存儲、決策、任務遷移等。這些額外處理帶來額外的網絡和主機開銷，是對系統性能的損害。

要避免負載抖動，即被遷移的任務在各節點之間被不斷遷移而得不到執行。

解決系統各節點的硬件或軟件的配置差異問題。

當前有線網絡的負載均衡集中在Web服務器、郵件服務器、電子商務中的業務服務器等環境下的應用問題。

1.2有線分布式系統中負載均衡算法的分類

負載均衡有許多種分類方法，但是從整體上可以按照與系統的負載狀態是否相關，分為狀態無關均衡和狀態相關均衡兩大類。前者又叫靜態均衡，后者又叫動態均衡。靜態負載均衡是機械式的，按固定的模式或規則來分配客戶請求，而不管服務器的運行情況。動態負載均衡則帶有智能化的特征，能夠根據各臺服務器運行時負載情況來恰當地分配請求。

狀態無關均衡，就是根據以往的經驗或系統本身信息的收集，把外來的任務分配給各個節點，或對某些節點上的任務進行重新分配。由于這樣的均衡決策是與系統當前狀態無關的，帶有一定的盲目性，因而，決策的準確性很低，通用性差，有時甚至會造成與預期完全相反的結果，加劇不均衡的程度，造成系統性能的惡化。

狀態相關均衡，其決策取決于系統當前的狀態，也就是說，系統可以根據當前的負載分布情況，對各個節點上的任務進行動態的調整，使已經分配給超載節點上的任務，通過通信設備，遷移到輕載的節點上去，從而提高系統的資源利用率，減小任務的平均響應時間。動態均衡法通常包含以下3個方面：

(1)各個節點間負載信息的收集，方法通常有3種：周期性收集策略、命令驅動策略、狀態變化驅動策略。

(2)根據所收集的負載信息進行決策：節點根據收集的負載信息，確定需要進行負載遷移的節點對。發生負載遷移的節點，根據實際需要，可以有一對或多對。

(3)實現任務在各節點之間的遷移：在負載均衡系統中的任務遷移可分搶先任務遷移和非搶先任務遷移兩種。

2 無線局域網中的負載均衡

無線局域網中的負載均衡與有線分布式系統中的負載均衡不同，表現在負載均衡控制的對象和控制方式上。由于無線終端的移動性和無線信道的時變性，無線局域網中的負載均衡面臨的情況更加復雜。

2.1無線局域網的特點

無線局域網(WLAN)是指應用無線通信技術將計算機設備互聯起來，構成的可以互相通信和實現資源共享的網絡體系。《ANSI/IEEEStd802.11，1999Edition》[1]是IEEE 802.11無線局域網標準工作組制訂的物理層和媒體訪問控制協議標準，便于無線局域網運營商及無線設備制造商建立互操作網絡設備。物理層定義了數據傳輸的信號特征和調制方式，媒體訪問控制層可視為由一系列可完成諸如信息交換、功率控制、關聯治理、同步治理和過程治理的服務組成。

在無線局域網中有兩種角色：AP和終端(STA)。AP作為固定基礎設備，通過有線分布式系統互連。STA作為移動終端，接受AP提供的接入服務。

WLAN共有兩種工作組織形式，獨立基本服務集(IBSS)和基本服務集(BSS)[2]。IBSS表示的就是Adhoc方式的終端獨立組織成一個網絡單元，在這種方式下沒有固定的基礎設施，所有的終端直接與其他終端互連，網絡組織非常獨立。BSS表示的就是基礎模式，至少一個AP作為網絡的治理設備，治理所有的STA，向STA提供接入和傳輸服務。為了擴展無線局域網的覆蓋范圍，增加終端的移動性，多個BSS可以聯合組成擴展服務集(ESS)。擴展服務集通過擴展服務集識別號(ESSID)來區分，AP通過基本服務集識別號(BSSID)來區分。多個AP工作在不同的無線信道，通過有線分布式系統互連。終端可以在ESS所覆蓋的范圍內自由移動，并隨著移動從ESS內的一個AP切換到另一個AP。

無線局域網的網絡結構如圖1所示。

無線局域網中的負載均衡技術（圖一）

終端通過掃描信道，獲取所處WLAN環境中擴展服務集和基本服務集信息，并選擇加入一個合適的基本服務集。WLAN中負載均衡就是由多個AP為多個移動終端提供接入服務的系統，每一個AP通過利用網絡信息進行站點治理，目的是充分利用網絡現有資源，減少網絡阻塞。

圖1中，位于中心點的AP，經過一段時間的運行，連接的終端的個數要多于四面AP的終端個數，承擔的業務也已經飽和，此時連接到中心點AP的終端的業務的服務質量(QoS)已經不能保證。而外圍的AP業務還不飽和，網絡中出現負載差異。負載均衡就是要解決這種差異，將中心點AP的某些業務轉移到外圍的AP上，以提高網絡的服務容量和中心點AP的業務質量。

STA在進入網絡的時候必須選擇一個AP作為連接對象，這就是終端接入過程，接入過程要經過掃描、認證、連接等步驟。一般而言，在ESS中，終端在掃描過程中會掃描到多個AP的信息，終端選擇AP的條件是掃描到的AP的信號強度。由于無線局域網中STA的移動特性和無線信道的時變特性，STA在某些情況下會發生從一個BSS切換到另一個BSS的情況。這種情況就是無線局域網中的切換。終端切換帶來的問題是切換時延，甚至上層業務的中斷。切換還會帶來的問題是“乒乓效應”。即STA不停地在兩個或多個AP之間切換，STA就像乒乓球一樣。這樣會造成負載抖動，對網絡資源造成極大的損耗。

2.2無線局域網負載均衡的技術難點

當前的IEEE802.11標準并沒有對負載均衡方面做出描述和規定，網絡負載的分布完全靠終端的業務自由和隨意地切換決定。沒有負載均衡的系統的缺點表現在以下幾個方面：

(1)無線網絡的效率和性能會降低

擴展服務集作為一個整體向終端提供服務。通常無線網絡中的熱點出現后，某AP的負載可能超過限制，大量的業務和用戶競爭該AP的資源，造成該AP上的業務的QoS發生惡化，并可能長期處于這種狀態。假如其鄰接AP的負載水平卻相對較低，沒有負載均衡調整的話，整個網絡將處于一種非穩定狀態，無線網絡的效率和性能都會因此而受到影響。

(2)增加網絡擁塞的風險

沒有負載均衡控制的網絡，終端的切換是自由和盲目的，隨著熱點的出現，大量的終端會涌向熱點AP，離開原有的AP。而終端向目標AP切換的結果是不能保證的，當熱點AP的業務飽和之后，新的終端就不能接入，或者雖然接入，但是造成AP的擁塞，所有的業務中斷。

(3)降低網絡的容忍度

同樣，當某一AP的負載飽和后，新的終端的接入會造成嚴重的后果，但此時，網絡中其他非飽和AP還可以承接終端的接入，向更多的終端和業務提供服務。假如采取負載均衡調整，負載飽和AP的任務就可以被分擔，整個擴展服務集中的AP的負載保持相對穩定和平衡，可以容忍網絡的波動和變化。

(4)資源利用率差

沒有負載均衡的網絡，不能統籌調度和安排網絡負載的分布，往往隨著某一個或幾個AP的飽和出現飽和，而其他非飽和的AP的資源無法得以利用。

總之，沒有負載均衡的網絡，業務的發生處于自由而不受控的狀態，網絡的穩定性很差，隨著熱點的出現，很輕易出現終端擁塞，導致局部區域的網絡癱瘓，或者終端業務的QoS指標降低。

在無線局域網中，負載均衡調整的對象與有線分布式系統中不同。在有線系統中，負載均衡調整對象是一個一個的排隊任務，而在無線局域網中，任務的承擔者是移動的STA，雖然一個STA上有多個任務，但是作為單獨個體的STA卻無法根據任務進行更加細致的劃分。所以，在無線局域網中，負載均衡的控制對象就是STA，實質上就是一個STA上所有的任務的總和，即便是進行任務遷移，也需要把整個STA上的所有任務都進行遷移。所以無線局域網中的負載均衡調整的最小單位就是STA，而遷移的方式也只有切換和接入控制兩個方面。

基于載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)機制的無線局域網是一個突發系統，除了有線分布式系統下的負載均衡的技術難點外，無線信道的時變特性和干擾，終端移動性等會引入更多新的技術難度：

(1)負載信息的收集困難

在擴展服務集中，多個AP工作在不同的信道上，雖然可以通過AP之間的分配系統(DS)進行傳輸，但屬于設備間的私有協議。IEEE802.11k致力于解決無線網絡測量問題，對于負載信息而言，最優的測量者還是AP。但是負載信息的交互卻沒有好的方法。另外一個關于負載信息的困難是對負載信息的量化困難。對于分組交換的無線網絡而言，除了業務量之外，業務的QoS要求也是很重要的一個方面。終端數量將影響網絡治理的開銷，也是負載信息中的重要部分，還有一些其他因素如發射功率、信道選擇等，都需要在評價AP的負載水平時加以考慮。

(2)決策過程的困難

由于終端是可以移動的，而終端上的任務是隨機突發的，所以在一個時刻收集到的負載信息，對未來的均衡調整策略的真實有效性是需要評估的。在決策的過程中要充分考慮到這些因素。另外，負載均衡的調整目標的選擇是很困難的。在無線網絡決策確定了負載均衡的目標之后，參與者要通過切換將負載轉移。終端進行一次切換的時間是100ms以上，即便是快速切換也需要60ms左右的時延。而且一次調整的對象也不僅僅是一個，所以，在這段時間之內，網絡狀況有可能已經發生變化。負載均衡的決策算法還涉及到降低參與者以減少治理開銷，避免造成網絡中大的波動等問題。

(3)任務遷移的困難

任務遷移是通過終端的切換實現的，而終端切換首先是引入時延，對終端的相關業務造成影響。其次會引入網絡治理的開銷，增加的開銷本身就會對AP造成治理負擔，對整個網絡的性能也是一種影響。另外，在無線局域網中的負載均衡必須考慮STA切換失敗的風險，因為雖然AP可以做出任務遷移或切換的決策，但是終端不一定能夠連接到負載輕的BSS上，造成的結果就是終端離開后，不得不重新尋找新的接入點，上層業務同時中斷。負載均衡的收斂與否也和終端切換的結果相關。

負載均衡已經被作為IEEE802.11v中的主要工組內容，納入了標準的制訂工作?？焖偾袚Q是IEEE802.11r標準的工作內容。快速切換和負載均衡內容是緊密聯系的。

2.3無線局域網中的負載均衡的分類

可以從兩個方面對無線局域網的負載均衡技術進行分類。按照負載均衡的發起者分，負載均衡可以分為STA主控的負載均衡和AP主控的負載均衡。按照負載均衡的解決方式可分為接入式負載均衡和切換式負載均衡。無線局域網的負載均衡的分類如圖2所示。

無線局域網中的負載均衡技術（圖二）

2.3.1STA主控負載均衡

STA主控的負載均衡實際上是一種自發的負載均衡策略，是無線局域網中STA的特性之一。切換完成的STA實際上也實現了網絡負載的傳遞。

僅僅靠信號質量作為STA切換的條件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改進切換的時機，以更準確地實現終端切換帶來的負載變化。如UT斯達康通信有限公司在2004年4月27日申請的專利《無線接入點負載均衡方法》(專利號：CN200410017978)中，對終端切換的條件加以擴充，在終端接入無線接入點之前，比較ESS內AP的當前接入用戶數或接入數據流量，無線終端接入到接入用戶數或接入流量最少的無線接入點，從而實現局域網無線接入點的負載均衡。終端接入或切換除了AP的信號強度，還要考慮AP的當前用戶數和流量，增加了切換目標AP選擇的準確性。這樣的方法的缺點是切換或接入的過程中，終端必須查詢AP的狀態，從而增加了切換的工作步驟，使切換的時間延長，違反快速切換原則。有研究改進了此方法，由AP定期廣播其流量和用戶數量，這樣做雖然可以在終端背景掃描時就一并得到信號質量和負載水平，但是會增加網絡開銷。

STA主控的優點是：STA最清楚自己的業務需求和所處的環境，STA掃描得到的環境中可用的BSS情況對STA而言最準確。而且，切換或接入的主體是STA，業務也是在STA上開展，切換造成的損失由STA承擔。缺點是：STA僅僅知道終端側的情況和STA自身的情況，對網絡環境而言，STA并不能準確把握，沒有發言權。STA切換隨意性大，會對整個ESS造成混亂，使網絡全局的負載均衡效果不佳。

2.3.2AP主控負載均衡

AP主控負載均衡的出發點是，AP處于網絡側，AP之間通過有線的連接，可以在不影響STA業務的情況下，相互傳遞與負載均衡相關的信息。根據這些信息，ESS就可以判定出AP中負載最重的AP和負載最輕的AP。擁有這些信息的ESS就可以做出一些決策，比如，讓負載重的AP下的終端切換到負載輕的AP下，或者對新加入網絡的終端進行限制，不答應負載重的AP接入而只答應負載輕的AP接入等，實現ESS內的負載均衡。

目前的研究重點集中在AP主控的負載均衡方法上。如聯想(北京)有限公司在2003年9月24日申請的專利《一種無線接入點的負載均衡方法》(專利號：CN200303134660)中采用以下方法實現負載均衡：通過無線接入點之間的相互通信，每個無線接入點可以根據當前網絡的負載分配情況決定是否答應新終端接入，假如負載高，則拒絕終端的接入，從而實現負載均衡。IBM在2002年6月26日申請的專利《accessPointInitiatedForced Roaming Based Upon Bandwidth》(專利號：US20040001467)中提到一種控制終端移動和漫游的負載均衡方法：無線接入點監控其管轄的所有終端的帶寬使用情況，假如發現負載異常，就選擇一個終端，強迫其漫游到其他的無線接入點上，由此實現負載均衡。

中興通訊股份有限公司也在這方面有深入的研究，并有大量的成果。如王占利在2004年3月10日申請的《一種無線局域網接入點設備間負載均衡的實現方法》(專利號：CN200410008410)中采用以下方法實現負載均衡：多個接入點之間通過交互消息的方式選舉出主控接入點，主控接入點答應移動無線終端接入，其余接入點設為備選接入點，備選接入點拒絕移動無線終端接入。這個方法可以克服負載均衡的實現依靠于接入點AP外部服務控制器的控制或只能針對特定STA用戶群應用的缺陷，解決了接入點AP間充分利用有效資源實現動態負載均衡的問題。

AP主控的優點是網絡側的整體情況可以通過AP之間的分布式系統，準確、及時地進行統計，在整體協調和調度方面對網絡側有利，也比較輕易實現整體策略的實施。另外就是整個網絡的負載均衡調整速度會很快。缺點是網絡側并不知道STA所處的位置和網絡環境、STA所能夠掃描到的AP的情況，所以有切換決策錯誤的風險。

2.3.3接入式負載均衡

接入式負載均衡就是控制STA的接入實現負載均衡。當AP的負載情況超過閾值后，該AP就會拒絕新的終端的接入，加入網絡的終端只好尋找負載較輕的AP進行連接。從而在一定的程度上實現負載的均衡。

由于接入式負載均衡只控制新終端的接入過程或切換后的重連接過程，屬于被動的負載均衡，負載均衡的調整收斂速度會比較慢。極端情況下，沒有新的終端進入網絡，或者所有的STA都維持當前連接，網絡會一直處于非平衡狀態。

2.3.4切換式負載均衡

切換式負載均衡就是控制STA的切換以實現負載均衡。當ESS中某AP的負載過重的時候，ESS或終端控制該AP下的STA切換到其他AP上，以分散負擔。當ESS中某AP的負載過輕的時候，ESS或終端就控制其他AP下的STA切換到該AP上，以實現整個ESS的全局平衡。

切換式負載均衡的特點是反應迅速，一旦出現負載差異，可以通過切換行為迅速調整。缺點是切換會對終端造成損失，有切換失敗和上層業務中斷的風險。同時，切換式負載均衡必須依靠于快速切換才能實現。假如快速切換方法效果差，則負載均衡造成的損失會增大。

將AP主控方法和切換式負載均衡方法相結合是當前研究的熱點，不僅可以準確地收集信息做出決策，而且可以迅速反應，主動地調整擴展服務集中的負載分布。

雖然負載均衡的本意是為了優化網絡的運行，平均分配整個網絡中的負載，達到盡可能高的網絡資源的利用率，提高網絡的性能。但是，作為一種網絡治理行為，負載均衡為網絡引入了負載信息交互的網絡開銷和負載均衡調整的網絡治理開銷，并且與之相關的，終端切換也會增加網絡的開銷。隨著ESS中AP數量的增加或STA數量的增加，維護負載均衡所需的網絡開銷也會增大，對網絡性能造成干擾和損失。

負載均衡也有負載調整失敗的風險。切換有失敗的可能，會造成孤立節點的存在。切換失敗的終端不得不重新尋找AP進行接入，上層業務必然會中斷。另外，切換是對穩定的網絡環境的干擾，過于頻繁的切換會造成網絡性能的抖動，并且可能出現“乒乓效應”，使網絡長時間處于動蕩狀態，不能穩定。

3TD-SCDMA系統中的負載均衡技術

時分同步碼分多址(TD-SCDMA)是一個時分同步系統，在通用移動通信系統陸地無線接入網(UTRAN)的無線資源控制(RRC)中，很重要的一部分內容就是負載均衡。在時分系統中，時間和碼道資源是非常有限的，而且在時分系統中，大量的業務是電路交換業務，對QoS的要求都很高，所以，負載均衡在時分系統中非常重要。

時分系統中的負載均衡有多重粒度。除了可以控制用戶終端(UE)的切換之外，甚至可以在每個時隙的基礎上控制負載的分配。與無線局域網不同的是，時分中的某些負載均衡方法是以犧牲UE的業務為代價的，比如暫時中斷分組數據業務，甚至強迫用戶掉話，中斷電路交換業務，強制UE釋放系統資源。

一般而言，在時分系統中，可行的負載控制措施有：

強制使某些用戶掉話。

在同一節點B(NodeB)的不同時隙間進行負載均衡。

下行快速負載功率控制：拒絕UE來的下行快速功率增加命令。

上行快速負載功率控制：減少上行快速功率控制使用的上行目標。

減少分組數據流量的吞吐量。

假如支持多載波，則切換到另外一個TD-SCDMA載波上。

切換到GSM或其他移動通信系統。

減少實施移動臺的比特傳輸率，例如自適應碼率(AMR)語音等。

降低基站發射功率，減小本基站覆蓋，迫使本基站內的一些UE切換到其他小區。

其中，前4個措施可以在同一個基站內部執行，特點是快速，甚至可以在一個時隙內生效。為了保證那些不能忍受重發導致時延業務的QoS，可以提高對延時并不敏感的鏈路連接的誤幀率要求，這樣做盡管會增加分組數據業務的延時，但是卻能維護諸如語音和可視電話等傳統電路交換業務的質量。