實現多無線接入點網絡連接模型的研究

李實 修長虹 梁建坤

沈陽藥科大學計算中心 遼寧 110016

0 前言

在802.11無線局域網環境下，有兩種不同的拓撲結構，分別是infrastructure模式和Ad Hoc模式。

在infrastructure模式下，網絡的基本結構是由無線工作站，有線工作站和AP構成的，無線工作站以無線方式連接到AP，并通過AP與有線工作站或者其他無線工作站進行通信。同一個區域內可能覆蓋著幾個AP信號，IEEE802.11無線局域網的每個站點在某一個特定時刻只能與一個AP關聯。

在 AD HOC模式下，規定了無線工作站點對點通信協議。這種模式下，為兩個無線工作站之間交換數據提供了支持，在AD HOC模式下僅僅限于無線工作站之間進行通信。

1 無線站點和AP建立連接的典型方式

1.1 掃描方式

無線站點首先需要通過主動/被動掃描，在通過認證和關聯兩個過程后才能和AP建立連接。

（1）主動掃描

無線站點尋找網絡時，站點會定期地在網卡支持的信道列表中進行掃描。根據是否攜帶指定 SSID，主動掃描可以兩種：

無線站點發送Probe Request(SSID為NULL)：無線站點會定期地在網卡支持的信道列表中，發送廣播探測請求幀(Probe Request 幀)掃描無線網絡。當AP收到探測請求幀后，會回應探測響應幀(Probe Response 幀)通告可以提供的無線網絡信息。無線站點會選擇信號最強的AP進行關聯。無線站點通過主動掃描，可以主動獲取可使用的無線服務，之后無線站點可以根據需要選擇適當的無線網絡接入。單一Probe Request導致多個Probe Response被傳送的情況，廣播式的Probe Request會收到范圍內的所有AP的響應。

無線站點發送Probe Request(Probe Request指定的SSID幀)這種情況下，因為客戶端攜帶指定的 SSID，只能單播發送探查請求幀(Probe Request幀)，相應的AP接受到后，回復請求。這種方法適用于無線客戶端通過主動掃描接入指定的無線網絡。

(2) 被動掃描

被動掃描是指無線站點通過監聽AP定期發送的Beacon幀來發現網絡。無線站點在其所支持信道列表的每個信道上監聽信標。被動掃描要求 AP周期性發送 Beacon幀。一般Voip語音終端通常使用被動掃描方式。

1.2 認證過程

為防止非法用戶接入，首先需要在用戶和AP之間建立認證，認證機制包括開放系統認證和共享密鑰認證兩種。只有通過認證后才能進入關聯階段。

1.3 關聯過程

如果無線站點想通過AP接入無線網絡，必須同特定的AP關聯。當站點通過指定SSID選擇無線網絡，并通過AP認證后，就可以向AP發送關聯請求幀。AP將站點信息添加到數據庫，向無線站點回復關聯響應。無線站點每次只可以關聯到一個AP上，并且關聯總是由無線站點發起。這是典型無線站點和AP建立連接過程，是目前執行標準。可以看到典型模式無線站點導致了一個這樣的結果，很多無線工作站連接少數AP，與此同時，相鄰的AP是空閑的，這種AP超載現象會導致網絡性能下降，因此，在無線工作站和 AP建立關聯的時候，需要考慮每個 AP的負載狀態和這個 AP已經連接的AP數量。

2 改進型動態負載均衡方式

改進型動態負載均衡方式在無線工作站與AP建立連接的時候，不僅要考慮 RSSI的強度，而且還要考慮這個 AP已經連接的工作站數量及 RSSI的平均值，從而保證一個無線工作站被更加合理分配到一個所有可用的AP集合中，保持整個區域無線網絡的性能更高。包括AP動態頻率選擇階段，無線工作站加入協商階段及連接觀察階段。

下面，詳細討論這三個階段，為了保證算法的執行，必須要修改無線工作站和AP之間的通信協議。

2.1 AP動態頻率選擇階段

動態頻率選擇技術是一種應用于無線局域網系統的分布式自適應頻率分配技術，簡稱為 DFS(Dynamic Frequency Selection)。每一個AP都監視臨近的AP以及無線局域網環境中的其他無線資源，并且根據無線信道已經被其他AP占用和對無線網絡環境的干擾降到最低這兩個原則，AP自動選擇最適當的傳輸信道。等距離頻段(如1、6、11)之間在相鄰的AP之間干擾最小。在這個階段，AP自動選擇了合理的頻段，整個由多個AP構成的無線網絡環境下AP相互干擾降到了最低。

2.2 無線工作站加入協商階段

無線工作站發出一個探測請求幀(Probe Request幀)到網卡支持的信道列表中，當AP收到探測請求幀后，會回應探測響應幀(Probe Response 幀)通告可以提供的無線網絡信息，這與無線站點主動掃描相似，區別在于AP回應探測幀包括附加信息。

算法1

該方法的思路：

(1) 選擇的區域盡可能平均的原則，是整體平均，不是局部平均。

(2) 采用絕對優化區域選擇法，不需要逐個嘗試選擇，比窮舉法的選擇更有其便捷性。

(3) 運算次數隨AP總數的增多，會使運算次數相對窮舉法次數快速遞減，一般是原來次數的1/2弱，AP總數越大，弱性越強。

當已經完成掃描程序后，依據前面提到的三個參數，無線工作站決定關聯哪個AP。

利用上面的判斷法，可以用較少的運算，達到盡可能優化的目的。但是這種算法具有一定的缺點：

(1) 所得到的最優連接不一定是全局最優。

(2) AP總數較少時不適合該種方法(一般如果忽略連通成功間隔時間)。

算法2

為克服上述缺點，我們改進其算法，當已經完成掃描程序后，依據前面提到的三個參數，WS決定最好的 AP和其相連。站點選擇權函數為最大的 AP，這個權函數考慮到所有和WS已相連AP的平均RSSI，計算方法如下：

選擇Wi最大的值為接入點。該方法可以精確找到合理的接入點。

2.3 連接觀察階段

在連接觀察階段，每個AP都會在定期發送的Beacon幀和探測響應幀中更新平均RSSI值，Mi和與之關聯的站點數量Ni。無線工作站周期性的探測AP并更新與AP對應的RSSI值，Si，Mi和 Ni。

無線工作站通過上面提及的算法來計算權值，一旦計算結果低于預先定義的閾值，就會尋找一個新的 AP。這個開始的閾值依賴于WS和AP的物理特性。

為了實現這個算法，必須要修改必要的通信協議，在現有通信協議中添加附加信息。

(1) AP的Beacon幀和應答幀要附加與之關聯的無線工作站數量。

(2) AP的Beacon幀和應答幀要附加與之關聯的無線工作站的RSSI平均值。

(3) AP的應答幀中要附加探測請求者的RSSI值。

此外，AP必須能夠開啟主動或者被動掃描程序，再者，AP和無線工作站必須都要支持這種算法。

3 結論

當前的這個負載均衡算法在沒有隱藏終端的情況下表現出來的性能良好。無線工作站和AP做到很好的均衡分配。然后，對于這個算法來說考慮隱藏終端也是絕對必要的。因此，精確的估計隱藏終端的數量需要進一步研究的。

[1] IEEE Standard for Wireless Lan Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY) Specifications,Nov.1997.

[2] Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks： The Definitive Guide[M].南京：東南大學出版社.2007.

[3] Veres A,Campbell A T,Barr M,Sun L H. Supporting service differentiation in wireless packet networking using distributed control.IEEE Journal on Selected Areas in Communicatios.2001.

[4] IETF RFC 2402 Authentication Header.1999.

[5] IETF RFC 2406 Encrypted Security Payload.1999.

[6] 劉乃安.無線局域網(WLAN)－原理、技術與應用.西安電子科技大學出版社.2004.