李　云，周亞峰，曹　儐

( 重慶郵電大學 移動通信技術重點實驗室，重慶 400065)

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基于軟件定義網(wǎng)絡的WLAN架構及負載均衡切換

李云，周亞峰，曹儐

( 重慶郵電大學 移動通信技術重點實驗室，重慶 400065)

軟件定義網(wǎng)絡將控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離，并提供開放的編程接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡的可編程化控制，極大地提高了網(wǎng)絡管理的靈活性。在傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中，終端通常依據(jù)信號強度選擇接入點，這一機制往往會造成網(wǎng)絡資源利用率低及接入點負載不均衡的問題。提出基于軟件定義網(wǎng)絡技術的無線局域網(wǎng)架構及一種負載均衡切換策略，利用控制器的全局視角與集中管控能力實現(xiàn)對接入點的實時監(jiān)測，分析其狀態(tài)信息并計算權值，由控制器根據(jù)負載情況向接入點下發(fā)流表，完成對網(wǎng)絡的管理。硬件和計算機仿真平臺實驗表明，與傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)架構相比，該方案有效提高了網(wǎng)絡的資源利用率，平衡了接入點的負載，降低了數(shù)據(jù)在終端切換過程中的傳輸時延，提高了網(wǎng)絡的性能。

軟件定義網(wǎng)絡；無線局域網(wǎng)；負載均衡

0　引　言

無線局域網(wǎng)以靈活高效、易于擴展等特點被廣泛應用于機場、學校、辦公場所等各類場合。傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)通常有2種組網(wǎng)方式：①Fat AP(access point)架構[1]，各接入點獨立工作，大量配置信息保存在接入點本地，缺乏統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡管理者難以擁有全局視角；②AP+AC(access point + access controller)架構[1]，該架構可以實現(xiàn)集中管理，但AC的控制能力有限，易成為網(wǎng)絡的瓶頸且難以實現(xiàn)細顆粒度的管理策略。隨著社會的高速發(fā)展，無線終端產(chǎn)品種類及數(shù)量不斷增加，網(wǎng)絡服務也越來越多樣化，傳統(tǒng)架構越來越難以滿足人們對無線資源的需求。面對這些問題，軟件定義網(wǎng)絡(software defined networking, SDN)[2]作為一種新的網(wǎng)絡架構受到研究者的關注，它的核心思想是將網(wǎng)絡的控制權分離出來，交給SDN控制器管理，控制器擁有網(wǎng)絡的全局視角，管理者可以集中管理底層的物理設備。

OpenFlow[3]是SDN的關鍵技術之一，基于OpenFlow的軟件定義網(wǎng)絡架構主要由3部分組成，即OpenFlow交換機，控制器和OpenFlow協(xié)議?？刂破魍ㄟ^OpenFlow協(xié)議對底層的交換機進行管理，掌握全局拓撲及鏈路信息，交換機根據(jù)OpenFlow流表對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。同時，控制器具有可編程的特性，允許管理者通過軟件靈活地部署管控策略。

近年來，將SDN與無線局域網(wǎng)融合成為研究的熱點。OpenRoads[4]是一種基于SDN的移動網(wǎng)絡創(chuàng)新平臺，提供靈活的控制、虛擬化以及高度的抽象，研究者進行了一系列創(chuàng)新性實驗，取得了較好的成效。文獻[5]提出一種基于SDN的企業(yè)級無線網(wǎng)絡架構Odin，該架構中，控制器為每個接入點維護一個“LVAP”進程，通過這些進程管理接入點，該架構使用OpenFlow和私有的Odin協(xié)議，而Odin協(xié)議存在較多問題，并未實際應用。國防科技大學的Zhao.D等提出SDWLAN架構[6]和“One Big AP”[7]切換機制，將AP的媒體接入控制(media access control，MAC)層功能轉(zhuǎn)移到控制器實現(xiàn)，接入點只對收到的數(shù)據(jù)包進行封裝和轉(zhuǎn)發(fā)，由部署在控制器上的策略對數(shù)據(jù)進行處理，在該架構中，所有的數(shù)據(jù)包都需要轉(zhuǎn)發(fā)到控制器處理，因而控制器負載巨大，易成為網(wǎng)絡的性能瓶頸。

本文提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡的無線局域網(wǎng)架構，并提出一種負載均衡切換策略，提高了網(wǎng)絡的性能。為驗證方案的效果，搭建了硬件和仿真平臺，對本文提出的方案進行驗證。

1　系統(tǒng)架構

本文提出的基于軟件定義網(wǎng)絡的無線局域網(wǎng)架構如圖1所示，由物理層設備、OpenFlow協(xié)議、控制器和各應用模塊構成。

圖1　系統(tǒng)架構Fig.1　Structure of system

1.1物理層

本文對傳統(tǒng)的接入點進行改造，網(wǎng)絡中的AP使用OpenWrt[8]操作系統(tǒng)，并安裝OpenvSwitch[9]軟件實現(xiàn)對OpenFlow協(xié)議的支持。AP的無線網(wǎng)卡工作在Monitor模式，該模式下接入點可以偵測所有的802.11幀信號。我們在AP上開發(fā)了狀態(tài)采集模塊，對接收的幀進行提取，一方面提取終端信號強度等參數(shù)，這些信息是控制器策略部署的依據(jù)，另一方面提取數(shù)據(jù)幀類型、目的地址、源地址和BSSID等參數(shù)，這些信息將用于執(zhí)行流表的匹配和轉(zhuǎn)發(fā)動作。

1.2擴展OpenFlow協(xié)議

標準OpenFlow[10]協(xié)議在制訂時并未考慮無線網(wǎng)絡的特性，不能用于管理AP設備，因此，本文對OpenFlow1.3協(xié)議進行擴展，主要包括以下3個方面。

1)為使控制器可以對數(shù)據(jù)分組進行匹配和修改，增加新的字段SSID和BSSID。802.11 MAC層數(shù)據(jù)包具有用于標識AP的一個特定字段“BSSID”。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在發(fā)送到無線客戶端之前，需要添加相應的BSSID字段，并轉(zhuǎn)換為802.11的幀格式。相應地，從終端發(fā)送到以太網(wǎng)的分組會首先校驗BSSID

字段，再將其發(fā)送到對應的AP上，并由AP轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀格式。

2)為使控制器操作AP的MAC表，增加新的規(guī)則動作“MAC_filter”。控制器通過該動作可以操作AP的MAC表，當AP需要為終端服務時，將終端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，則從MAC表中刪除。

3)為使控制器獲取AP的狀態(tài)信息，增加AP_Status_Request、AP_Status_Reply消息報文?？刂破魍ㄟ^AP_Status_Request消息主動請求AP參數(shù)，AP通過AP_Status_Reply報文進行響應。

1.3控制器

控制器是本架構的核心，SDN控制器南向接口通過OpenFlow協(xié)議對AP設備進行管理，可以動態(tài)地添加、刪除、修改AP設備的流表項，從而改變AP的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的集中化控制；同時控制器可以獲取AP的狀態(tài)參數(shù)，作為部署管理策略的依據(jù)。本文使用Ryu控制器，基于Python語言開發(fā)了管理組件和策略組件，下面將對各部分功能進行分別介紹。

管理組件是控制器的核心部分，負責物理層設備的管理，是實現(xiàn)策略組件的基礎，管理組件主要包括以下4個部分。

1)AP管理模塊。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的AP設備，建立控制器與AP之間的管理隧道，獲取AP的狀態(tài)信息，對AP設備進行配置和管理。

2)用戶認證模塊。終端在接入網(wǎng)絡前需要驗證是否具有接入權限，在SDN架構中，由于控制器對用戶數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的管理，用戶在首次訪問網(wǎng)絡時，數(shù)據(jù)會首先發(fā)送到控制器，用戶認證模塊將驗證終端是否具有接入網(wǎng)絡的權限。

3)流表安裝模塊。AP根據(jù)流表進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),該模塊根據(jù)網(wǎng)絡管理者部署的策略生成流表并安裝到對應的AP上。

4)策略下發(fā)模塊。負責管理消息的下發(fā)，策略組件的各個模塊并不直接與底層的物理設備通信，而是通過管理組件的策略下發(fā)模塊完成對AP的管理。

策略組件是由網(wǎng)絡管理者根據(jù)不同需求而開發(fā)的各種模塊，本文為實現(xiàn)負載均衡切換開發(fā)了狀態(tài)獲取、權值維護和切換控制3個模塊，各模塊功能如下。

1)狀態(tài)獲取模塊。該模塊通過OpenFlow協(xié)議的“AP_Status_Request”消息獲取AP的狀態(tài)信息，包括終端信號強度、已連接的終端數(shù)目和可用帶寬等，作為計算AP權值的參數(shù)。

2)權值計算模塊。該模塊使用狀態(tài)獲取模塊得到的參數(shù)計算每個AP的權重，該值是隨著網(wǎng)絡環(huán)境不斷變化的，該模塊需要不斷對權值進行更新以反映實時的網(wǎng)絡情況。

3)切換控制模塊。該模塊負責終端切換，同時保持切換過程中數(shù)據(jù)連接不中斷。本文無縫切換的主要思想是，在無線局域網(wǎng)中，終端的數(shù)據(jù)幀可以被網(wǎng)絡中具有相同SSID與BSSID的多個AP偵測到，但每個終端只能由一臺AP服務。將網(wǎng)絡中所有的AP設置相同的SSID和BSSID，由控制器選擇具體的AP為終端服務，切換時該模塊執(zhí)行如下2個關鍵步驟。

步驟1更新原AP的流表，停止接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，將終端MAC地址從該AP的MAC 服務表中刪除，不再向終端發(fā)送ACK應答，結束服務。

步驟2更新備選AP的流表，將終端MAC地址加入MAC服務表，由該AP負責數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送，向終端發(fā)送ACK應答，開始服務。

2　負載均衡切換策略

負載均衡是提高網(wǎng)絡資源利用率的手段之一，也是近年來的研究熱點，該技術被廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、有線局域網(wǎng)、Web服務等場景中，而由于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)架構封閉、非集中化管理、不具有全局視角等缺陷導致各種負載均衡方案難以部署和實施。本文提出的基于SDN的無線局域網(wǎng)架構克服了以上缺點，使負載均衡技術的應用成為現(xiàn)實。

2.1影響接入點性能的參數(shù)

在無線局域網(wǎng)中，影響接入點性能的參數(shù)主要有信號強度S、接入終端數(shù)M和帶寬空閑率V。信號強度是判斷接入點優(yōu)劣的基本參數(shù)，通常情況下，信號強度越大，數(shù)據(jù)傳輸時的抗干擾能力越強；接入終端數(shù)可以衡量AP的負載情況，AP服務的終端越多，需要傳輸?shù)墓芾砑皵?shù)據(jù)幀越多，負載越大；可用帶寬也是衡量AP負載的重要參數(shù)，可用帶寬越多，表明AP越空閑，能為終端提供的帶寬資源也就越多。

本文提出的負載均衡策略主要思想是控制器實時監(jiān)測各AP的狀態(tài)，根據(jù)負載情況為每臺AP賦予一個權值。信號強、終端接入數(shù)量少、帶寬空閑率高的AP負載小，設置較大的權值，由控制器根據(jù)權值為終端選擇接入點。AP的權值隨網(wǎng)絡情況不斷變化，當終端接入的AP不滿足要求時，由控制器主動將其切換到其他AP上，從而保證終端接入的總是權值最大，即性能最優(yōu)的AP，以實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的負載均衡。

2.2AP權值計算與維護

控制器獲取AP的狀態(tài)參數(shù)后將對AP的權值進行計算，計算公式為

(1)

(1)式中：Wi,j表示APi相對于用戶設備UEj的權重；Si,j表示APi接收的UEj信號強度，Si,j通過Beacon幀或Probe Request幀獲得；Mi為APi已接入的終端數(shù)，因M的值可能為0，故將該參數(shù)加1。由于信號強度會隨著各種干擾因素發(fā)生突變，本文通過(2)式計算終端信號強度值，力求更準確地反映一段時間內(nèi)終端與AP之間的鏈路質(zhì)量。

(2)

(2)式中：Sold為上一次接收的終端信號強度；Snew為當前信號強度。Vi表示APi在一段時間內(nèi)的平均帶寬空閑率，它反映APi帶寬的使用情況，計算公式為

(3)

(3)式中：Bimax為APi的最大帶寬；Biused為APi的已用帶寬。

控制器維護一個AP權重表如表1所示。表1中第1行為網(wǎng)絡中所有的AP，第1列為所有的終端，值為終端對應AP的權重，若AP未覆蓋終端，則權重值為0，表1每個周期更新一次。

表1　AP權重表Tab.1　AP weight table

同時，我們發(fā)現(xiàn)如果終端的備選AP與原AP具有相似的權重，終端會在2臺AP間頻繁切換，這不僅增加了控制器的工作量，對均衡網(wǎng)絡負載也沒有幫助，造成系統(tǒng)性能的下降。為避免這一現(xiàn)象，本文增加一個切換因子P*，控制器在切換時首先計算備選AP與原AP的切換因子，僅當該值大于系統(tǒng)切換因子閾值P*時，控制器才執(zhí)行切換。切換因子的計算公式為

(4)

(4)式中：Pi,j表示APi與APj的切換因子；Wi為備選AP的權值；Wj為原AP的權值。系統(tǒng)切換因子P*可以根據(jù)需要進行設置，當希望終端優(yōu)先選取性能最優(yōu)的AP而不關注切換的性能損失時，將P*設置為較小的值，反之則設置較大的值。

2.3切換流程及算法

終端首次請求接入無線局域網(wǎng)時，由AP將終端信息發(fā)送至控制器，在確認終端的接入權限后，控制器將查詢權重表，找到終端對應的權值最大AP，發(fā)送管理消息，由該AP為終端服務。權重表隨著網(wǎng)絡的不斷變化而變化，當為終端服務的AP不是最優(yōu)時，將由控制器重新為終端尋找權值最大的AP，并執(zhí)行切換動作，切換流程如圖2所示。

圖2　切換流程圖Fig.2　Figure of handoff process

切換算法的偽代碼如下。

Input:stations’ RSSIs、quantity of stations connected to APs、bandwidth already used of APs, stations’ old weight W

Output:stations should be handoff or not

1:for each station x in the ESS:

2:if(x’s visible AP list.numbers≠0):

3:Wxmax=W, APk=y

4:for APzin x’s visible list:

5:calculateWz,x

6:if(Wz,x>WxmaxandPz,y>P*):

7:Wxmax=Wz,x

8:k=z

9:end if

10:end for

11：end if

12: end for

13: if(k==y):

14: return stationxnot required handover

15:end if

16:else:

17:return stationxshould switch to APz

3　實驗方案

為驗證方案效果，本文進行了硬件和仿真平臺的實驗，與傳統(tǒng)架構的無線局域網(wǎng)和SDWLAN架構進行對比分析。

3.1硬件平臺

硬件平臺實驗使用的設備和參數(shù)如表2所示，網(wǎng)絡拓撲如圖3所示。AP發(fā)射功率100 mW，實測覆蓋半徑為87 m，實驗部署時，2臺AP的直線距離為40 m。初始時，UE1，UE2，UE3接入AP1，UE4接入AP2，AP通過OpenFlow交換機接入控制器，固定終端連接OpenFlow交換機，組建一個局域網(wǎng)。網(wǎng)絡中所有終端均設置靜態(tài)IP，避免由DHCP服務造成的延時。3次實驗分別使用傳統(tǒng)架構、SDWLAN架構和本文提出的架構。實驗中，UE1由AP1向AP2勻速移動，并以80 Mbit/s的速度向固定終端發(fā)送傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)流，窗口設置為64 kByte，使用iperf[11]網(wǎng)絡性能測試工具測試傳輸速率，固定終端作為iperf服務器，移動終端作為iperf客戶端，設置iperf每秒報告一次，傳輸時延測試使用Ping命令工具，記錄終端在移動過程中的傳輸速率與時延，實驗結果如圖4所示。

圖3　實驗網(wǎng)絡拓撲

設備型號配置操作系統(tǒng)數(shù)量APTP-LinkTL-WR1043NDCPU:AtherorsAR9132RAM128MByteFlash16MOpenWrt2OpenFlow交換機NETGEARWNDR3700V1CPU:AtherorsAR7161RAM64MByteFlash8MOpenWrt1控制器主機Dell工作站酷睿i5,32GByte內(nèi)存,固態(tài)硬盤Ubuntu14.041固定終端LenovoE46A酷睿i3,4GByte內(nèi)存,固態(tài)硬盤Ubuntu14.041移動終端移動設備4

對實驗結果進行分析，傳統(tǒng)WLAN架構下,由終端依據(jù)信號強度進行切換，本次實驗中，時間t=26 s時，對UE1而言，AP2的信號強度大于AP1，而UE1在t=28 s時才執(zhí)行切換動作，原因是這種切換具有一定的延時，且這種切換不是無縫的，終端必須先斷開與原AP的連接，并與新AP重新認證，切換過程中會有數(shù)據(jù)丟失，因此，t在28～30 s時，終端的傳輸速率為0。SDWLAN架構下終端切換是無縫的，但該方案切換時的依據(jù)只有信號強度，故在t=26 s時執(zhí)行切換。而本文方案中，切換使用了負載均衡機制，在t=20 s時進行切換，原因是雖然此時對UE1而言，AP2的信號強度小于AP1，但由于AP2負載較輕，因此，權值較大，故控制器將UE1切換到AP2。分析可知，采用本文方案，網(wǎng)絡在切換過程中的綜合性能優(yōu)于其他2種方案。

圖4　不同架構下終端傳輸速率與時延對比Fig.4　Transmission rate and delay in different architecture

3.2仿真平臺

為進一步驗證方案的性能，本文在Mininet[12]平臺上進行仿真實驗，與同樣基于軟件定義網(wǎng)絡架構的SDWLAN進行對比，仿真平臺中部署50臺AP和500臺終端。由于Mininet平臺并未提供可用于無線環(huán)境仿真的API，本文通過編寫Python腳本為Mininet平臺中的交換機節(jié)點和終端進行以下擴展，模擬它們的行為。

1)為AP增加4個屬性，即信號強度、接入終端數(shù)、可用帶寬及覆蓋范圍。50臺AP部署在半徑為500 m的范圍內(nèi)，每臺AP的覆蓋半徑為50 m，每臺AP的最大傳輸速率為100 Mbit/s。

2)模擬終端在AP的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動，在移動過程中，信號強度隨終端距AP距離的增大而衰減。

3)不同的終端之間相互發(fā)送1～100 MByte隨機大小的數(shù)據(jù)包。

統(tǒng)計不同方案下AP的負載情況和系統(tǒng)實時吞吐量，結果如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，采用SDWLAN方案時，各AP的傳輸速率波動較大，主要分布在30～100 Mbit/s，且不同AP間的傳輸速率相差較大；而采用本文方案時，各AP的傳輸速率分布在50～80 Mbit/s，不同AP的傳輸速率相差較小。圖6是對系統(tǒng)總吞吐量的統(tǒng)計，采用SDWLAN的系統(tǒng)總吞吐量為178 GByte，且傳輸速率波動較大；采用本文方案的系統(tǒng)總吞吐量為215 GByte，且傳輸速率的波動較小，系統(tǒng)總吞吐量提高了17.2%。造成這些差異的原因是本文所提出的架構使用了負載均衡的切換策略，該策略會依據(jù)每個AP的負載情況進行選擇，不會使網(wǎng)絡中的某個AP負載過重，每個AP都具有相似大小的負載，故AP的負載分布比較集中，網(wǎng)絡實時吞吐量曲線也更為平滑。綜合分析可知，本文的方案更加合理。

圖5　AP負載對比Fig.5　AP load comparison

圖6　網(wǎng)絡實時吞吐量對比Fig.6　Real-time network throughput comparison

4　結束語

本文提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡的無線局域網(wǎng)架構，并基于該架構提出一種負載均衡的切換策略。硬件和仿真平臺的實驗表明，該方案有效提高了網(wǎng)絡的整體性能。

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李云(1974-)，男，教授，博士，博士生導師，主要研究方向為無線局域網(wǎng)，無線Ad hoc/Mesh/傳感器網(wǎng)絡。E-mail: liyun@cqupt.edu.cn。

周亞峰(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向為軟件定義網(wǎng)絡。E-mail:zhouyafeng2013@gmail.com。

曹儐(1983-)，男，重慶人，講師，博士，主要研究方向為軟件定義網(wǎng)絡，無線移動通信技術。E-mail：caobin@cqupt.edu.cn。

(編輯：王敏琦)

s：The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299);The National HighTechnology Research and Development Program(“863” Program) of China (2015AA01C303)

Wireless LAN and load balance strategy based on software defined network structure

LI Yun, ZHOU Yafeng, CAO Bin

(Key laboratory of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunication, Chongqing 400065,P.R.China)

Software-defined network separates control plane and data forwarding plane, providing open programming interfaces, which greatly increases the flexibility of network management. In traditional wireless LAN, terminals usually select the access point based on signal strength, and this mechanism often causes low resource utilization and access point load imbalance. In order to solve these problems, this paper proposes a wireless LAN architecture and a load balance handover strategy based on software defined network. The main idea is to use the SDN controller’s global view of network and the capability of centralized management, monitor and analysis of the status of each access point in the network, compute their weight, and manage them based on load. Hardware and computer simulation platform experimental results show that, compared with traditional wireless LAN, the scheme effectively improves the utilization of network resources, balances the load between access point, reduces the data transmission delay during the terminal handover process and improves the performance of network.

software defined network；wireless LAN；load balance

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.002

2015-09-11

2016-03-14通訊作者：李云liyun@cqupt.edu.cn

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT1299)；國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2015AA01C303)

TN926; TP393.1

A

1673-825X(2016)05-0613-07