一種分布式架構的無線組網方法研究

摘? 要：為了解決中小企業無線場景中無集中管理控制器的三層組網管理的問題，文章提出一種基于有線鄰居和射頻鄰居信息的分布式組網管理的方法。通過二層廣播技術、射頻鄰居信息字段處理、鄰居信息傳輸算法處理，實現了三層網絡分布式組網管理的方法，并對方法進行技術分析。通過實驗和測試證明，所提方法有效解決了技術背景中描述的無線局域網中三層組網的困難以及鄰居信息掃描與獲取慢、鄰居信息廣播風暴的問題。

關鍵詞：分布式組網;二層廣播;射頻鄰居信息

中圖分類號：TN92? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0090-05

Abstract：This article proposes a method of distributed network management based on the wired neighbor and radio frequency neighbor information，which solves the problem of the three-layer network management without a centralized management controller in the wireless scenario of small and medium-sized enterprises. Through the layer 2 broadcast technology，radio frequency neighbor information field processing and neighbor information transmission algorithm processing，the method of three-layer distributed network management is realized，and technique analysis of the method. Experiments and tests prove that this method effectively solves the problems of the difficulty of the three-layer network in the wireless local area network described in the technical background，the slow scanning and acquisition of neighbor information，and neighbor information broadcast storm.

Keywords：distributed networking;layer 2 broadcast;RF neighbor information

0? 引? 言

銳捷網絡的行業無線通過瘦AP+無線控制器（AC）的方式進行無線的部署和管理控制應用;而切換到云AP模式，則是通過對接到廣域網下的公有云做統一管理。隨著WLAN的發展，新市場更多在于中小企業市場、物聯網市場、家居場景應用，急需有不同于傳統無線的局域網管理方案。目前，對于中小企業無線場景應用中，不同廠商間不同平臺開發的產品，并沒有統一、成熟的組網管理方式。中小企業市場更傾向于應用簡單、快捷的設備組網管理方式，其無線產品傾向于輕量級產品的開拓，AP間也沒有集中管理控制器。因此，對于中小企業場景的AP設備，就產生出了虛擬AC來管理整網AP的概念。

1? 問題分析

在中小企業無線場景應用中，銳捷網絡的解決方案支持二層網絡下AP間迅速智能組網，達到局域網中AP間自組網和統一管理應用的目的。這里的中小企業無線管理方案，工程師常常將其應用在職校、中小企業或者工廠、連鎖商鋪、智能家居等非傳統無線的場景中。這些場景的特點是既期望不花費高昂的價格去購買集中管理控制器，但是又期望能夠便捷高效地進行局域網統一管理，所需要應用的無線設備數量少到個位數，多到上百或者上千臺不等。

在實際的職校宿舍場景以及中小企業的辦公場景中，部分客戶要求AP間劃分VLAN管理應用，例如宿舍公寓、辦公網、訪客區，這些要求劃分VLAN管理應用，所釋放的信號也是劃分網段應用。這些場景的應用中，部分場景容量會超出當前二層組網管理方案中的容量，另一個是要求進行三層組網統一管理應用。當前中小企業場景的二層網絡的組網管理方案缺陷在于若AP間配置有VLAN，AP間是進行VLAN的三層轉發的情況下，此時設備間無法達到三層網絡自組網。另外，同一個二層網絡，如果實際組網設備容量超過最大值，那么超出的部分會被分為多個子網絡進行自組網，無法達到大規模下統一自組網管理的目的。

而當前實現的三層組網的方案中，基于DHCP的option選項指定IP的方式，即指定固定設備做主設備的方式，接入點通過DHCP獲取地址的方式識別主設備的信息從而建立鏈接。

在實際的中小企業辦公網場景測試中，三層組網的缺陷在于：指定無線設備做主設備進行組網管理。指定的設備出故障后，無法進行自組網重新選舉主設備進行管理應用，無法自行恢復組網管理;指定的設備通過DHCP獲取地址，若IP變更，則組網設備無法連上指定的主設備;若局域網中無線設備是通過靜態IP地址的方式接入，則也無法識別DHCP的option選項，從而也無法被主設備管理。以上三種情況都會引發三層組網失敗的問題。

上文描述的問題大致可總結為：二層網絡組網容量存在局限且無法支持三層自組網、三層組網管理會失敗的場景應用問題。因此中小企業場景中，若要對當前的組網方案進行優化，則可以從解決三層組網統一管理的問題入手。從目前遇到的中小企業場景應用中，例如某職校（含宿舍公寓場景），要求的組網設備容量多達幾百臺，要求的組網VLAN劃分規模在個位數。通常二層自組網可以通過廣播的方法解決，而三層自組網管理，VLAN間將有線局域網劃分成不同的子網絡，無法進行廣播處理;但是射頻信息是可以攜帶組網相關信息進行廣播傳輸的，例如本文將采用射頻信息進行傳播組網標識符相關信息。文章提出一種協同二層廣播和無線射頻鄰居作用下的無線局域網的分布式組網管理方法，旨在優化和解決中小企業等場景中二層組網容量局限和三層組網統一管理的問題。

2? 基于分布式架構的組網方法

基于鄰居信息分布式自組網方案架構的主要思想在于：用分布式的方法，對網絡進行不同級子網絡管理;根據分布式的思維，可以在接受的范圍內，擴展被管理AP的容量，并且對不同子網絡進行統一管理。

本文提出分層組網的概念，這里統稱同一VLAN下的網絡為第一級子網絡，不同VLAN間的局域網組網管理為第二級網絡。通過射頻鄰居廣播的方法、鄰居信息的傳輸以及對不同鄰居信息的處理，構成無線局域網分布式管理的方案。整體的方案架構為：

首先，創建第一級子網絡。在同一個VLAN下，通過二層廣播技術，可以對同一VLAN下的設備進行發現和管理，由統一管理的方式對同二層局域網內的無線設備進行統一管理。同時將組網信息傳輸給管理的AP。

其次，通過射頻鄰居攜帶組網信息以及VLAN等信息的方式，射頻鄰居信息通過廣播的方式進行射頻鄰居信息的傳輸與交互，對鄰居信息的收集和傳輸進行優化處理，減少廣播風暴的產生。讓不同VLAN下的局域網的設備收到對方的組網和VLAN相關信息，對不同VLAN下的設備進行分級管理;從而形成二級網絡。

再次，通過二級網絡管理一級子網絡，一級子網絡管理下聯設備的方式進行分布式管理設備，通過設備管理模塊進行配置信息、管理、升級等方案應用。

3? 分布式組網機制

3.1? 基于鄰居信息構建分布式組網機制

整網三層網絡分布式管理如圖1所示，第一級子網中選舉出本子網絡下的主AP（虛擬AC）管理其他AP，各個子網絡中再選舉出三層網絡的主AP（虛擬AC）監管子網絡中的主AP，從而形成分布式自組網管理。具體方案機制為：

（1）第一級子網絡組網：通過二層廣播的方式，尋找二層網絡下的鄰居信息，在同一個二層網絡中，通過選舉規則自主選舉出子網絡主AP和成員AP，這里簡稱V_LEADER、V_MEMBER，形成自組網，同時形成二層網絡的可達的鄰居信息庫。

（2）在二層子網絡即第一級組網形成后，需要收集整網下的主AP的數據庫。首先各自的AP上將各自的主AP的數據庫信息處理并放到射頻信息中。每個AP通過射頻掃描鄰居信息，獲取到所有主AP的數據庫，鄰居信息的數據庫。AP上處理、存儲網絡中各個V_LEADER信息，通過射頻信息攜帶傳輸給鄰居AP。對比本機上的主AP數據庫以及鄰居信息中攜帶的主AP數據庫，當主AP有更新時，驗證AP與新的主AP的聯通性，驗證是在同一個局域網下時，更新主AP數據庫信息，同時繼續填充到射頻信息中進行廣播傳輸給鄰居AP。當主AP的數據庫信息不再更新時，每個AP上都能收到并存儲整個局域網中的主AP的數據庫信息。

（3）第二級網絡的管理。通過算法選舉三層網絡的主AP信息。AP上已存儲整個局域網中不同子網下的主AP信息，通過MAC最大以及型號等因素，選舉出三層網絡的主AP，這里稱為N_LEADER，其他則為三層網絡中的N_MEMBER。各個子網下的V_LEADER定時檢測自己是否被選舉為N_LEADER，當被選為N_LEADER后，AP開始管理其他V_MEMBER。如果這些主AP中自身不是三層網絡N_LEADER，則等待N_LEADER來管理自己。

（4）三層網絡中的N_LEADER，以及其他N_MEMBER成員，這里簡稱是N網絡，而各自的V_LEADER下又管理了二層網絡中的各個V_MEMBER。分布式組網中，通過三層網絡中的N_LEADER分布式管理N_MEMBER成員，通過配置框架和其他網絡應用任務下發給其他N_MEMBER，同步網絡應用任務和信息;再由二層網絡中各自的V_LEADER同步網絡的應用任務和信息，達到三層自組網的目的。在各個二層子網絡設備上，都會獲取分布式網絡中主AP的數據庫信息。

在這個三層網絡中，N_LEADER既是本子網絡的V_LEADER，也是三層網絡的N_LEADER，它同時管理著N_MEMBER和本子網絡下的V_MEMBER。同時N_MEMBER管理著各子網下的V_MEMBER。在各自主AP上，通過鏈表統一存儲本子網絡下的V_MEMBER信息和N_MEMBER信息。

通過上述分布式管理，N_LEADER管理N_MEMBER以及本子網絡下的V_MEMBER，N_MEMBER管理V_MEMBER，整網中每個設備都能被監管并接收到消息任務，結合各個模塊的網絡管理任務，達到自組網應用的目的。

3.2? 射頻鄰居信息傳播機制

在鄰居信息的傳輸和處理上，為了提高掃描鄰居信息的速率以及避免廣播風暴的風險，這里提出了一種射頻鄰居信息的處理算法：

（1）AP檢測周邊的鄰居信息，并保存在鄰居信息數據庫中，同時保存鄰居AP對應的主AP信息，并記錄在網絡主AP的數據庫中。

（2）首次接收到鄰居信息之后，先將同VLAN下的鄰居信息和不同VLAN下的鄰居信息區分出來。在同VLAN下的鄰居信息中，選取出攜帶的主AP數據庫最多的鄰居信息;不同VLAN的鄰居信息中，也選取出攜帶的主AP信息最多的鄰居信息，并對這些AP進行標記。按照預設周期和預設鄰居信息個數閾值進行無線射頻掃描，采集鄰居信息。在預設鄰居信息個數閾值范圍內統計是否采集到上一輪掃描標記的主AP信息最多的鄰居信息，若采集到，則將包含主AP信息最多的鄰居信息作為候選鄰居信息進行鄰居信息的提取，并結束本輪掃描;若未采集到的，則在預設周期到期或者接收到的鄰居信息個數達到預設鄰居信息個數閾值時，比較接收到的鄰居信息包含的主AP個數，將包含主AP個數最多的鄰居信息作為候選鄰居信息進行鄰居信息的提取;將候選鄰居信息對應的AP標記為主AP信息最多的鄰居。在射頻掃描更新過程中，只要保證含有最大信息節點的鄰居信息已接被接收到，則本次掃描即可結束。這樣，可以減少射頻鄰居掃描時長和傳輸的次數。

在未優化接收方法前，整網下每個AP的掃描過程中，每次掃描都要去等待最多N個射頻信息的處理，如果一次掃描不到，還要多次掃描;而增加處理后，需要等待每次射頻掃描的鄰居數則最少可能是VLAN的子網個數，從而減少了廣播風暴的風險和射頻廣播幀的傳輸次數。

（3）每個AP收集的鄰居信息都是始終記錄最新的一次收集到的鄰居信息，之后對接收到的鄰居信息進行處理，提取鄰居信息中的主AP信息數據庫，并更新射頻信息字段信息，同時每個AP將更新后的射頻信息進行鄰居廣播。直到每個AP上的主AP數據庫不再間隔時間啟動掃描，射頻信息中最后攜帶著最新的整網主AP數據庫。

鄰居信息的傳遞如圖2所示：只要整個網絡信號有交叉，則網絡的主AP數據庫就會互相傳遞和更新，最后在每個AP上都能知道整網的主AP的數據庫信息。

4? 方案分析與驗證

4.1? 技術方案分析

如圖3給出了整體的三層組網中不同設備間的交互流程示意圖。設備運行狀態下進行射頻掃描、數據信息傳遞、對主AP數據庫處理;同時，二三層組網管理整體模塊中結合提供的鄰居信息進行三層自組網選舉和組網管理應用。最后，通過配置變更和配置管理應用，完成整網進行分布式管理應用。

圖4給出了具體的2個VLAN間的子網絡提供三層組網管理信息的模塊交互圖。兩個子網間，通過定期收集鄰居信息、更新主AP數據庫、定時發送鄰居信息、解析鄰居信息、鄰居信息處理、數據傳輸等過程。在每個設備上對射頻鄰居信息進行綜合處理后，得到組網相關的應用信息，最后提供給組網管理應用。

上述從設備間交互機制、模塊間的信息傳輸和處理進行了方案技術的分析，驗證了該分布式組網方法的可行性。

4.2? 試驗結果分析

中小企業的場景中，通常沒有也不需要單獨的AC控制器管理組網設備，組網場景通常是出口網關+無線設備，典型組網場景有兩種：攜帶網關組網的無線接入組網和不攜帶網關組網的純AP組網管理。這里的網關內嵌組網管理的功能（簡稱虛擬AC）。

4.2.1? 場景一

攜帶網關組網的無線接入組網場景。模擬企業辦公和訪客的部署場景，測試拓撲如圖5所示，特點是辦公區和訪客區使用不同的VLAN網段進行組網應用，出口網關采用支持VLAN轉發且支持組網管理的網關設備。網關支持自組網管理，選舉規則上，網關的優先級最高，因此網關是整網的LEADER。網關支持VLAN轉發，因此管理著全VLAN下的組網設備，三層組網的問題得到解決。

4.2.2? 場景二

不攜帶網關組網的AP組網場景。網關只做出口上網管理作用，不支持組網應用。如圖6所示，在物聯網測試間上模擬容量AP進行三層組網應用。

AP通過網關獲取地址，AP間處于不同的VLAN時，AP通過射頻信息和二層廣播處理的方法選舉出三層主設備進行整網管理。通過對不同的容量的組網場景進行實驗測試，組網完成的時長如表1所示，表1數據已達到三層組網中快速組網應用的目的。

三層自組網規模評估驗證：無線射頻鄰居信息的私有字段的長度是0～2 312個字節，每個射頻信息中，攜帶的1個主AP的信息約40字節（包括VLAN標識號、子網絡中的網絡標識號、設備序列號、MAC、設備型號等），大約最大能攜帶50個主AP數據庫;因此可以容納50組的子網形成分布式組網。假設每個子網容量是100臺設備，那么整個分布式組網最大的容量即可達到5 000，這對于中小企業或者商業Wi-Fi場景、家居場景等規模組網來說已足夠使用。

5? 結? 論

本文提供一種基于二層廣播和射頻鄰居信息的分布式組網方法。通過技術方案分析和模型測試表明：相對傳統的組網管理方式，本技術方案提供了一種方便、快捷且有效的無線接入點自組織的管理方式，解決了三層組網困難以及鄰居信息掃描與獲取速度慢、鄰居廣播風暴的問題。

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作者簡介：盧燕瑜（1986.08—），女，漢族，福建泉州人，中級職稱，碩士研究生，主要研究方向：計算機網絡。