無線局域網中的負載均衡問題

2019-11-05 02:13:13

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供稿：網友

　　在網絡應用過程中，我們經常能聽到負載均衡這個詞，那么什么是負載均衡呢？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。

　　我們都知道，由于外部網絡任務到達的隨機性，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。

　　簡單的來說，負載均衡問題是對任務的優化組合問題。有線分布式系統中的負載均衡方法操作的對象是任務。其的基本途徑就是收集負載信息，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。

　　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。

　　其實，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。

　　下面，我們主要來探討下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。

　　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。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。

　　負載不均衡形式一：無線AP連接的終端的個數不均衡

　　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。

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　　圖:無線網絡拓補圖

　　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。

　　

　　　　負載不均衡形式二：終端不停地切換造成負載抖動　　

　　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)。　　

　　終端（例如帶有無線網絡下的筆記本電腦）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，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。由于無線局域網中終端的移動特性和無線信道的時變特性，終端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”。即終端不停地在兩個或多個AP之間切換，終端就像乒乓球一樣。這樣會造成負載抖動，對網絡資源造成極大的損耗。

　　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所示。

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　　圖:無線局域網的負載均衡分類

　　終端（STA）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。

　　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。

　　AP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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　

　　　　TD-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。

　　結束語

　　由于無線局域網的使用環境，負載均衡面臨著比有線分布式系統中更加復雜的問題。好的負載均衡方法可以有效地提高網絡的效率，提高資源的利用率，降低系統擁塞的可能性，提高系統反抗負擔變化的能力，提高系統的容忍度。無線局域網的負載均衡應該遵循以下原則：

　　準確地評估每個AP的負載狀況，并盡快地進行負載信息的交互；負載信息的交互應該不影響業務質量。

　　高效的均衡算法，準確地選擇執行負載均衡調整操作的執行者，并結合切換和接入兩種手段；如何加快負載均衡調整的收斂速度也是均衡算法應該關注的重點。

　　結合快速切換的切換治理和控制，要避免多個終端在同一個AP處的切換競爭和擁塞。

　　降負載均衡的副作用，應該降低網絡開銷，具備避免頻繁切換、切換失敗控制等機制。

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