應用于WLAN的可管理快速切換技術在AP的實現

2019-11-05 02:17:00

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近年來，移動性需求越來越被人們所關注。移動性是指移動或者漫游的能力。無線局域網(WLAN)設備可提供無束縛的自由移動性。WLAN利用無線通信技術在一定的局部范圍內建立網絡，是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。

它以無線多址信道作為傳輸媒介，提供傳統有線局域網的功能，能夠使用戶真正實現隨時、隨地、隨意的寬帶網絡接入。

    WLAN技術利用電磁波在空中發送和接收數據，使網上的計算機具有可移動性，能快速、方便地解決有線方式不易實現的網絡信道連通問題。IEEE無線局域網標準工作組的任務是研究數據速率1 Mb/s和2 Mb/s、工作在2.4 GHz開放頻段的無線設備和網絡的全球標準，IEEE于1997年6月公布了802.11協議，它是第一代無線局域網標準之一。802.11協議物理層定義了數據傳輸的信號特征和調制方式；媒體訪問控制層涉及空中接口通信協議等技術規范，包括切換部分的內容。在隨后為了能有更高的數據通信帶寬、更多的功能和能促使無線局域網得到更快速的發展，IEEE工作組陸續推出了IEEE 802.11a/b/g協議。WLAN的移動性能的提高無疑是WLAN得到迅速推廣的要害。

    本文在分析目前采用的WLAN切換技術，即站點(STA)主動切換技術，的基礎上，為了保證了切換的效率和安全性，提出了可治理快速切換(MFHO)技術。該技術可以通過兩種方法實現，即切換指示方法和切換申請方法。兩種切換方法都支持基于接入點(AP)/接入控制器(AC)的切換。

    1.可治理快速切換方法在AP的實現

    1.1目前采用的WLAN切換技術

    目前無線局域網系統大多遵循IEEE 802.11協議[1]，并采用其定義的站點主動切換技術，即在一個擴展服務集(ESS)內，STA根據空口信號質量，選擇其中信號最強的AP為切換目標接入點，如圖1所示。

    而在接入點間漫游協議(IAPP)中，STA在同一ESS內不同AP間的切換過程為[2]：

    (1)STA尋找到新的目標AP，切斷與當前AP的連接，并給目標AP發送重連接請求。

    (2)目標AP與STA建立新的連接，給當前AP發送切換通知，并更新二層路由。

    (3)當前AP接收到切換通知，通過分布式系統(DS)的安全通道轉移STA相關信息至目標AP，并清除本地的STA相關信息。

    (4)目標AP接收到STA相關信息并存儲，STA切換至目標AP。

    上述切換通過連接或重連接(預認證)過程完成，切換延時較長，對時延要求嚴格的業務在切換時會出現明顯中斷。在采用重連接過程進行切換時，由于沒有對切換目標AP進行必要的安全認證的過程，因此端站的切換過程缺乏安全性保證。隨意的STA主動切換還會給負載均衡等優化過程帶來不必要的困難。在上述切換中，AP缺乏對切換過程進行有效控制和治理的機制，因此切換效率、服務質量(QoS)要求、安全性和優化措施等都難以保證。

    1.2MFHO技術

    考慮到目前采用的STA主動切換技術存在的缺陷，本文提出了可治理快速切換(MFHO)技術，它將切換的控制權置于AP或AC端，且在用戶信息移植過程中可將用戶的多種信息，包括用戶標志信息、安全信息、申請業務信息通過有線網絡的安全通道轉交給目標AP，有力地保證了切換的效率和安全性，并可以支持不同QoS業務的切換要求，便于將來多種業務的擴展。在MFHO技術中，STA在同一ESS下不同AP間的切換過程如下：

    (1)STA上報無線空中接口環境信息(或者切換申請)。

   (2)AP/AC根據無線空中接口環境信息和DS信息，判定切換是否發生。

    (3)移植STA信息并更新二層路由。

    (4)STA切換至目標AP。

    MFHO技術可以通過兩種空中接口方法實現，即切換指示方法和切換申請方法，兩者的不同之處在于前者STA是通過無線空中接口環境信息(圖2中用(1)標志該方法流程)將STA的相關信息，如基本服務區域標識(BSSID)、媒體訪問控制(MAC)地址、認證狀態、加密模式、密鑰等通知給AP。后者是通過切換申請(圖2中用(2)標志該方法流程)將STA的相關信息通知給AP。切換判決可以在AP上進行，也可以在更上層的AC上進行，并將判決結果通知AP。AP得到切換判決結果后向STA回復一個切換申請響應或者指示一個切換通知，STA根據該信息切換到目標AP。

    MFHO切換技術與STA主動切換技術相比較，STA主動切換技術時延包括同步、重連接過程和二層路由更新過程，時延較大；MFHO切換技術時延則由同步、STA信息移植和二層路由更新三者中的最大時延決定，并且MFHO利用預授權和授權依靠技術，在切換前進行AP和AC間的互認證，并將某個AP對STA的授權擴展至其他可信任AP，從而減少在切換過程中的認證延時。STA主動切換技術不考慮目標AP的負載情況，輕易造成STA在多個AP間的頻繁切換，致使切換效率降低，而MFHO切換技術由AP根據ESS內負載分布情況，結合各AP的負載策略進行切換判決，大大提高了切換成功率，同時也提供了避免頻繁切換的機制。STA主動切換技術不提供對切換的安全保證機制。盡管在IAPP中，提出了基于遠程撥號用戶認證(RADIUS)的安全切換過程，但是效率低下的切換過程仍存在著被拒絕服務攻擊(DoS)的潛在威脅。MFHO切換技術可以利用有線網中的安全策略保證AP、AC間的相互認證和授權，并在AP控制下保證STA的切換安全。

    1.3MFHO技術在AP的實現

    在保證STA端對MFHO技術的支持下，MFHO技術在AP的實現流程(如圖2所示)如下：

    (1)STA與當前AP建立連接。

    (2)當前AP存儲所連接的STA的相關信息，以及當前AP自身的負載信息和整個無線網絡的負載信息。

    (3)STA發送空中狀態變更通知或切換申請請求。

    (4)當前AP根據STA上報的無線空中接口環境信息(或者切換申請)和DS信息，判定切換是否發生。AP根據STA發來的空口環境更新通知或者切換申請，檢查目標AP是否合法，并根據AP自身的負載信息以及當前網絡負載信息來判決STA是否需要進行切換，以及切換到哪個目標AP(假如有多個目標AP)。若當前AP不同意切換則轉(5)；若當前AP要求進行切換則轉(6)。

    (5)當前AP不做任何處理或者給STA發送拒絕的切換申請響應，切換結束。

    (6)當前AP將STA信息通過DS上的安全通道拷貝到目標AP。

    (7)目標AP更新STA狀態為切換狀態。若STA信息成功移交則轉(10)。若信息移交失敗，則轉(8)。

    (8)目標AP給當前AP發送失敗的移植響應。

    (9)當前AP中止當前切換，轉(5)。

    (10)目標AP給當前AP發送成功的移植響應。

    (11)當前AP收到確認給STA發送切換指示或者答應的切換申請響應，通知STA切換至目標AP。
    (12)當前AP更新本地二層轉交表，變更STA在DS上的路由，并刪除本地的STA信息。

    (13)當前AP在DS內發布二層設備前轉表更新廣播。

    (14)目標AP更新本地二層轉交表，更新STA在本地的狀態為已切換狀態。

    (15)STA發送重連接請求接入目標AP。

    1.4實驗及性能分析

    在室溫條件下，實驗所需設備如下：支持MFHO的ZTE W500A AP 2塊、支持MFHO的ZTE W500C無線網卡1塊、普通ZTE W500C無線網卡1塊、臺式PC 2臺(后臺配置AP兼空中接口抓包)、測試筆記本2臺(均可安裝無線網卡，一臺移動測試，一臺實現空中接口監視)。

    兩個實現MFHO技術的AP設置為相同的擴展服務區域標識(ESSID)，即在同一ESS下，通過通信終端對AP運行進行監測，同時通過測試軟件Airopeek對空中通信進行監測。而STA側的筆記本則在兩個AP間實現切換，并對切換相關的事件時間進行記錄。

    1.4.1切換成功率

    實驗數據記錄表明，基于AP的切換指示方法和基于AP的切換請求方法的MFHO技術的切換成功率分別為100%和95%(測試總次數為50次)。這里切換成功率是指STA使用重連接請求從當前AP切換到目標AP的成功次數占總次數的百分比。而基于IAPP的切換技術的切換成功率為90%(測試總次數為50次)。因此可以得知，MFHO技術切換成功率略高于基于IAPP的切換技術，這是因為MFHO技術在STA切換過程中不僅依靠STA側提供的網絡信息，同時還依靠于AP側提供的網絡信息，充分利用了AP的判決作用，使得STA在發起重連接進行切換的時候具有針對性和有效性，保證了切換成功率。

    1.4.2性能分析

    在對性能進行測試的時候，分別從STA側以及空中進行數據記錄，這樣可以保證測試記錄的數據是全面和可靠的。性能分析結果通過將MFHO技術的測試記錄與原有基于IAPP的切換技術的測試記錄進行比較得到。

    STA側記錄的數據分為以下3種情況：

    (1)基于切換指示的MFHO切換過程，記錄了4個事件的時間戳，分別是STA發出最后一個空中接口通知的時間、STA收到切換指示的時間、STA發送重連接請求的時間、STA接收到重連接響應的時間

    (2)基于切換請求的MFHO切換過程，記錄了4個事件的時間戳，分別是STA發出最后一個切換請求的時間、STA收到切換響應的時間、STA發送重連接請求的時間、STA接收到重連接響應的時間。

    (3)基于IAPP的切換過程，記錄了3個事件的時間戳，分別是STA在背景掃描后發現信號更強的目標AP并切斷當前連接決定進行切換的時間、STA發送重連接請求的時間、STA接收到重連接響應的時間。

    對記錄的數據進行統計，得到的統計結果如表1所示。

    由此可以得到以下結論：

    (1)基于切換指示的MFHO技術比基于切換請求的MFHO技術切換前處理所用的時間要少，其中包括移植用戶信息的時間。

    (2)由于信息移植在切換前已經完成，因此從理論上分析無論哪種方式的MFHO技術其對重連接請求的處理都是一樣的，因此這部分的時間相差不大。
在基于IAPP的切換過程中，目標AP需要在切換后從當前AP獲取用戶信息，因此切換處理延時應較長。實驗結果也證實了這一點。

    (3)MFHO切換技術在基于切換指示和基于切換請求的方式下造成的平均切換延時分別為53.16 ms、56.40 ms，遠遠優于基于IAPP切換技術132.36 ms的切換延時。MFHO在切換性能方面同樣優于基于IAPP的切換技術。這是由于MFHO在切換前就進行了包括用戶信息移植在內的大部分處理，降低了切換過程對業務的影響。這對于多媒體業務，如語音和實時圖像業務等非常有利。

    2.結論與展望

    通過實驗可得到以下結論，MFHO技術在AP可實現，并且該技術斷開當前連接到建立新的連接的時間比基于IAPP的切換技術所用時間少，保證業務連續性好，可靠性高。MFHO技術在發起新的連接前，已經將用戶信息移植到目標AP上，重連接過程不需要重新認證(在測試中，STA未采用任何認證方法)，因此，MFHO技術比基于IAPP的切換技術要快捷一些。若是在復雜認證環境下，基于IAPP的切換技術在重連接過程中重新認證花費的時間將更長，而MFHO技術則不需要進行重新認證，使得MFHO技術在切換過程中體現出來的優勢將更明顯[3-5]。

    MFHO技術在AP的實現還可以進行以下改進：對MFHO技術的AP側處理應進一步簡化，盡量減少處理時間；AP進行切換時的判決策略需要進一步優化，并考慮基于AC的MFHO技術在AP實現的情況。

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