CN101640943A

CN101640943A - 用于无线局域网的网络层切换方法及相应无线接入点设备

Info

Publication number: CN101640943A
Application number: CN200810129456A
Authority: CN
Inventors: 陈琳; 梁志勇; 林咏华
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: US20100118831A1; CN101640943B; US8325676B2

Abstract

本发明涉及一种用于在无线局域网中实现网络层切换的方法和相应的无线接入点设备。本发明通过由无线接入点从其自身所维护的有效IP地址池中选择临时IP地址分配给移动节点，大大缩短了无线局域网中的网络层切换的延迟等待时间，实现了无缝切换。可选地，本发明还通过空闲IP地址的回收对有效IP地址池进行动态扩展，充分利用了网络地址资源。

Description

用于无线局域网的网络层切换方法及相应无线接入点设备

技术领域

本发明涉及一种用于在无线局域网中实现网络层切换(handoff)的方法和相应的无线接入点设备。

背景技术

诸如IEEE 802.11这样的无线局域网(WLAN)正逐步得到普及和快速发展。在无线局域网中，当用户在由不同的无线接入点(AP)所覆盖的区域之间移动时，希望网络能够支持快速的无缝切换，使用户不会明显感觉到通信质量的下降。尤其是在越来越受到关注的经由无线局域网实现语音通信的应用中，过长的切换时间会使语音质量显著下降，甚至造成掉话(call-drop)。

无线局域网中的切换涉及两个层面，即链路层切换和网络层切换。链路层切换涉及当移动节点在不同AP的覆盖区域之间移动时与新的AP之间的认证和重新连接；而网络层切换发生在移动节点从一个子网移动到另一个子网时，也就是说，移动节点在移动到另一个子网后必须通过诸如动态主机配置协议(DHCP)这样的方案来重新获取一个有效的IP地址。通常，完成网络层切换所需的时间要比链路层切换长得多，常常是以秒为数量级。ITU-T G.114标准中建议用于语音通信的最长单向延迟为150毫秒至200毫秒，因此目前的网络层切换所需延迟时间对于经由WLAN的语音通信来说显得太长了。

图1中示出了无线局域网中通过DHCP方案来实现网络层切换的示意图。图中示出了两个无线局域网SN1和SN2，分别由两个无线接入点AP1和AP2所覆盖，这无线局域网SN1和SN2位于两个不同的子网中，每个子网分配有一个DHCP服务器，分别通过交换机SW1和SW2连接到AP1和AP2。交换机SW1和SW2连接到一个路由器，一个个人计算机PC1经由另一个交换机SW3也连接到这个路由器。第一个无线局域网SN1中的移动节点MN1经由AP1-SW1-路由器-SW3的路径与个人计算机PC1进行双向通信。当移动节点MN1从一个无线局域网SN1向另一个无线局域网SN2移动时，由于它们位于不同的子网，将发生网络层切换，移动节点MN1从第二个子网的DHCP服务器获取一个新的有效IP地址。此时，移动节点MN1将经由AP2-SW2-路由器-SW3的新的路径与个人计算机PC1进行通信。然而，由于DHCP服务器需要对IP地址的有效性进行复杂的测试，并且存在多次请求/应答过程，移动节点MN1从DHCP服务器获得新的IP地址所需的延时很长，通常是以秒为数量级，这是诸如语音通信等应用所无法忍受的。

在Andrea G.Forte、Sangho Shin、Henning Schulzrinne于2006年发表于Proceedings of ACM International Conference the 2^ndannual international workshop on wireless internet，第220卷，波士顿，马萨诸塞州的论文“Improving Layer 3 Handoff Delay in IEEE802.11 Wireless Networks”中描述了一种通过使用临时IP地址来减少从DHCP服务器获取IP地址的延迟的方法。其中，由无线节点首先获取一个临时IP地址用于数据传输，等到接收到DHCP所分配的正式IP地址后再使用正式IP地址进行数据传输。在该文献中，临时IP的获取是通过由无线节点主动发送10个ARP请求，对10个连续的IP地址(例如最近使用过的10个IP地址)进行测试，从而找出可能没有被使用的IP地址来实现的。这种测试方式带有一定的随机性，并且引入了等待ARP响应超时的额外开销(约为一百多毫秒)。因此，这种方法也不能满足诸如语音传输这样的严格时延要求。

发明内容

本发明通过对从DHCP服务器获取IP地址的已有方案加以改进，提供了一种能够大大缩短无线局域网中的网络层切换的延迟等待时间，从而实现无缝切换的方法，还提供了能够实现该切换方法的相应无线接入点设备。

根据本发明的用于在无线局域网中实现网络层切换的方法包括：

当无线接入点(AP)检测到有移动节点从其它子网移动到自己的覆盖范围内时，所述无线接入点从自身所维护的有效IP地址池中选择临时IP地址分配给该移动节点，所述临时IP地址由该移动节点在过渡期间使用。

当该移动节点得到正式IP地址后，可以用正式IP地址代替所述临时IP地址。

相应地，根据本发明的无线接入点设备包括：

用于检测移动节点与该无线接入点设备的关联情况的移动检测装置；

有效IP地址池；以及

用于从所述有效IP地址池中选择临时IP地址分配给移动节点的临时IP地址分配装置。

可选地，所述移动检测装置既能检测出移动节点从其它子网进入到该无线接入点设备的覆盖区域内，也能检测出移动节点从该无线接入点设备的覆盖范围移动到另一子网中。

如上所述，本发明也是通过使用临时IP地址来实现网络层的无缝切换的。然而，与前面所述的由Andrea G.Forte、Sangho Shin、Henning Schulzrinne提出的已有方案不同的是，并不是由移动节点本身通过多次测试来选择临时IP地址，而是由AP维护一个有效IP地址池，并当移动节点需要获得新的IP地址时由AP直接分配一个临时IP地址以供移动节点立即使用。这样，避免了测试时的随机性和额外的响应等待时间，从而改善了IP地址获取阶段的延时性能。

在本发明的可选实施方式中，通过在维护所述有效IP地址池时监测移动节点的移动情况并相应回收空闲的IP地址，可以充分利用无线局域网中的IP地址资源，并支持更为同步的移动节点切换。

附图说明

图1示出了无线局域网中的网络层切换的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例实现快速网络层切换的方法的时序图；

图3示出了根据本发明的一个实施例对AP的有效IP地址池进行维护的方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例对移动节点的移动轨迹进行监测并回收空闲IP地址的方法的流程图；

图5示出了根据本发明的一个实施例在移动节点与AP之间进行协商的方法的流程图；以及

图6示出了根据本发明的一个实施例的无线接入点设备的示意性框图。

具体实施方式

为了便于理解，下面同样参照图1中所示的情况进行描述。图1中示出了移动节点MN1与个人电脑PC1进行语音通话的通信路径，但实际使用场景也可以是在任意的移动终端之间或者是移动终端与固定语音设备之间进行的通信。其中移动节点MN1经由无线接入点AP1、交换机和路由器与PC1进行双向通信。当移动节点MN1从AP1的覆盖区域移动到另一个无线接入点AP2的覆盖区域时，需要执行向该无线接入点AP2的切换，以保持无缝连接。图1所示的无线接入点AP1和AP2分别位于不同的子网内，因此将发生网络层切换，需要由AP2所属的DHCP服务器向移动节点MN1分配一个新的IP地址。

当移动节点MN1进入到位于其它子网的无线局域网SN2时，它可以通过两种方式获知自己移动到了其它子网：一种是通过接收由AP2发来的广播消息，根据该广播消息的IP地址以及自身的IP地址可以判断出位于不同的子网；另一种更为快速的方式是通过MN1链路层的主动通知，即在发生链路层切换时主动告知MN1是否需要进行网络层切换。

与现有技术不同的是，根据本发明的一个实施方式，在MN1离开AP1的覆盖范围之后、从DHCP服务器得到新的IP地址之前的过渡期间，由AP2从它所维护的有效IP地址池内直接分配给MN1一个临时的IP地址，以便在过渡期间内完成通信。在从DHCP得到正式的IP地址后，MN1再用正式IP地址代替这个临时IP地址继续进行通信。

图2中示出了根据本发明实现快速网络层切换的方法的示例性的时序图：首先，移动节点MN1将DHCPDISCOVER(DHCP发现)消息通过广播发送给AP2，以表明其希望得到新的IP地址。

AP2将接收到的DHCPDISCOVER消息广播给DHCP服务器，并从AP2自身的有效IP地址池中选出一个临时IP地址分配给MN1。

MN1得到这个临时IP地址后，用这个临时IP地址向PC1发送SIP INVITE(SIP邀请)消息，告知过渡期间的临时IP地址改变，PC1可以用SIP OK(SIP确认)来回复，并更新SIP会话(这属于应用层的协议)。现在可以用这个临时IP地址来恢复MN1与PC1之间的RTP数据包的实时传输。

接着，像在常规DHCP方案中一样，DHCP服务器在完成地址检测过程之后找到一个可用的正式IP地址，向MN1发出DHCPOFFER数据包。

MN1从它接收到的DHCPOFFER(DHCP应答)数据包中选择一个指定的正式IP地址，并广播DHCPREQUEST(DHCP请求)数据包，以确认该正式IP地址的使用，DHCP服务器用DHCP ACK(DHCP确认)来回应。

然后，MN1开始采用正式IP地址，并重新用正式的IP地址向PC1发送SIP INVITE数据包，告知其正式的IP地址。PC1用SIP OK来回复，并恢复实时传输协议(RTP)数据包的双向实时数据传输。

加速临时IP地址的获取在很大程度上取决于AP预先维护的有效IP地址池。在这里，有效IP地址池中的地址可以被分成两类：第一类是给定数目的预留地址，这种预留地址当AP被初始化时从DHCP服务器预先索取的IP地址；第二类是当相应移动节点移动到另一子网时未过期的空闲IP地址，这种空闲IP地址是通过跟踪移动节点的移动并对空闲IP地址进行回收而获取的。下面将借助图3、图4和图5对有效IP地址池的维护、空闲IP地址的回收、以及移动节点和AP之间的协商机制进行详细说明。

图3中的示例性流程图示出了根据本发明由AP对有效IP地址池进行维护的实现过程。当AP被初始化时，从与之相应的DHCP服务器预先索取一定数目的IP地址(步骤S301)，例如为一个或两个。这些从DHCP服务器索取的IP地址被预留以用于网络层切换，并被放入到可用IP地址池中。为了从DHCP服务器预先索取预留IP地址，AP可以模拟若干个(例如一到两个)虚拟MAC地址，遵循DHCP规定的IP地址申请流程为所述的虚拟MAC地址申请IP地址，并将其维护在AP的有效IP地址池中。

在AP初始化完成之后，在步骤S302，AP持续地监控其覆盖范围内与之相关联的移动节点的移动情况。如果发现有移动节点离开本子网移动到另一子网中，AP将回收(recycle)该移动节点的IP地址，这个IP地址可以在随后的适当时候被分配给移动到该AP的覆盖区域内的其他移动节点。这一优选步骤在图4中还要详细地描述。

在步骤S303，AP检查所回收的空闲IP地址的租约是否已到期。如果是的话，则将租约过期的空闲IP地址从有效IP地址池中删除(步骤S304)，不再使用它。否则，如果回收的空闲IP地址还未到期，则流程进行到步骤S305。在步骤S305，AP周期性地用所回收的空闲IP地址发送ARP(地址解析协议)请求，以测试IP地址是否存在冲突。

在步骤306，判断在规定时间内(即定时器超时之前)是否接收到ARP应答。如果是的话，表明这个回收的空闲IP地址与其他IP地址发生冲突，将其从有效IP地址池中删除(步骤S304)。否则，如果在规定时间内没有收到ARP应答，则表明这个空闲IP是可用的。

接着，在步骤307，检查有效IP地址池中的预留IP地址的租约是否已到期，如果到期的话，就进行到步骤S308，例如通过向DHCP服务器发送DHCPREQUEST数据包以请求对到期的IP地址进行续约(renew)。

通过这种方式，AP只需维护一个小规模的有效IP地址池(当网络层切换不频繁时，例如从DHCP服务器预先请求一个或几个IP地址就足够了，以免过多占用网络地址资源)，这个有效地址池中的IP地址可以由移动节点在从DHCP得到正式的IP地址之前临时使用。使用这个临时IP地址进行通信例如可持续几百毫秒到1-2秒，从而实现无缝的切换。

应当理解，图3中的步骤和顺序仅仅是示例性的，本领域技术人员也可以在本发明的范围内对有效IP地址池的维护机制进行改变和调整。例如，在对有效IP地址池中的IP地址的租约信息进行检查时，也可以先检查预留的IP地址的租约是否到期，然后再检查所回收的空闲IP地址的租约信息。

图4中的示例性流程图对图3所示的监测移动节点的移动轨迹并回收空闲IP地址的步骤(步骤S302)进行了详细的说明。

在无线局域网中，每个移动节点都仅与一个AP相关联，AP可以利用相关的信息来监测移动节点的移动情况。例如，当一个移动节点向AP发出建立联系的请求时，AP会得知该移动节点移动到它的覆盖范围内。另一方面，如果移动节点不再与这个AP相关联，则AP将得知该移动节点已经移向其它AP的覆盖区域或者已休眠。因此根据本发明的这个实施例，利用从移动节点得到的关联信息，对离开AP覆盖范围的移动节点原先所使用的IP地址进行回收，以扩充有效IP地址池。

首先，在步骤S401，AP持续检测之相关联的移动节点。然后，在步骤S402，AP获取该移动节点的IP地址和租约信息(如果可用的话)，并将这个移动节点的当前IP地址插入到一个测试IP地址池中。接着，持续检测这个移动节点是否已经离开该AP的覆盖范围(步骤S403)，如果该移动节点已经离开的话，则进行到步骤S404。

在步骤S404，通过周期性地用这个IP地址发送ARP请求来测试其有效性。然后，在步骤S405，判断在规定时间内是否接收到ARP应答。如果是的话，表明该移动节点移动到同一子网内的其它AP覆盖范围，将这个IP地址从所述测试IP地址池中删除(步骤S406)，不再对其进行测试。否则，如果规定时间内没有接收到ARP应答，则表明该移动节点移动到另一子网或者休眠，这个IP地址可以被回收以供本子网使用，因此将其插入到有效IP地址池中，并把它从测试IP地址池中删除。通过这种可选的流程，实现了有效IP地址池的动态扩展。

在一个可选的实施方式中，本发明还提供了移动节点与AP之间的协商机制，如图5的时序图所示。首先，在发生网络层切换时，移动节点MN1将DHCPDISCOVER消息广播给AP2，告知其需要获得新的IP地址。

当AP2从移动节点MN1接收到DHCPDISCOVER广播后，它从自身的有效IP地址池中选择一个临时IP地址，通过InterimIPOffer数据包发送给MN1。

MN1立即向AP2发送一个InterimIPAccept数据包作为确认。

当AP2接收到InterimIPAccept数据包时，它把所分配的这个临时IP地址标记为“正在使用(In Use)”的状态，以避免把这个IP地址分配给其它移动节点。

同时，MN1如图2所示用这个临时IP地址来更新与CP1的SIP会话和实时数据传输。

当MN1从DHCP服务器接收到DHCPOFFER消息时(AP2仅仅是转发这个数据包，因此在图5中用虚线来表示)，它从中选择一个正式IP地址，发送DHCPREQUEST数据包并等待DHCPACK。这一过程与图2所示相同，不再详细描述。

当MN1接收到DHCPACK包之后，它用这个正式IP地址来更新SIP会话和实时数据传输(如图2所示)。

同时，MN1向AP2发送InterimIPAbandon数据包，以通知AP2这个临时IP地址不再使用，并向AP2发送IPInforNotify数据包，以告知其新的IP地址和租约信息。

AP2接收到MN1的通知后，在有效IP地址池中相应地把这个临时IP地址标记为“空闲(Free)”状态，并把MN1的新的正式IP地址插入到测试地址池中，以持续监测该移动节点的移动情况。

这种协商过程的优点在于，使具有快速切换能力的AP和移动节点与传统AP和客户端软件充分兼容。当任意一方不支持这种增强方案时，IP地址获取过程会返回到标准的DHCP过程。当然，图5所示的这样协商机制是可选的，在实践中也可以由AP主动获取移动节点的地址信息，而无需由移动节点发送相应通知。

可选地，为了分配临时IP地址，AP可以通过下列原则来选择可用的IP地址：

首先检查有效IP地址池中的预留IP地址，当发现有一个预留的IP地址处于空闲状态时，则把这个预留的IP地址分配给移动节点；如果发现所有预留IP地址已被分配给其它节点，则检查回收的空闲IP地址，从中选择剩余租约期限最长的一个作为临时IP地址。

图6示出了根据本发明的一个实施例的无线接入点设备的示意性框图。其中该无线接入点设备AP包括用于检测移动节点MN与该无线接入点设备AP的关联情况的移动检测装置1；有效IP地址池2；以及用于从所述有效IP地址池中选择临时IP地址分配给移动节点的临时IP地址分配装置3。这里，所述移动检测装置1可以检测到是否有移动节点从其它子网进入到该无线接入点设备AP的覆盖范围内。另外，该移动检测装置1也可以根据从移动节点MN获取的信息来判断与无线接入点设备AP相关联的移动节点MN是否离开了AP所处的子网。在图6的示意图中，无线接入点设备AP还包括用于从DHCP服务器预先索取一定数目的IP地址并将其作为预留IP地址放入到有效IP地址池中的IP预先索取装置4，以及用于当移动检测装置1检测到有移动节点MN离开了AP所处的子网时回收该移动节点的IP地址并将其作为空闲IP地址放入到有效IP地址池2中的IP回收装置5。IP预先索取装置4和IP回收装置5均用于通过前面所述的方法对有效IP地址池2进行维护，从而将可用的IP地址插入到有效IP地址池2中。可选地，无线接入点设备AP还包括用于通过上述方式与移动节点MN进行协商的协商装置6，从而根据移动节点MN的通知将有效IP地址池2中的IP地址标记为“正在使用”或“空闲”的状态。

虽然以上结合具体实施例对本发明的网络层切换方法及相应无线接入点设备进行了详细描述，但本发明并不限于此，本领域普通技术人员能够理解，可以对本发明进行多种变换、替换和修改而不偏离本发明的精神和范围；本发明的保护范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种用于在无线局域网中进行网络层切换的方法，其特征在于，

响应于无线接入点检测到有移动节点从其它子网移动到自己的覆盖范围内，所述无线接入点从自身所维护的有效IP地址池中选择临时IP地址，并且所述无线接入点将所述临时IP地址分配给该移动节点，所述临时IP地址由该移动节点在过渡期间使用。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于所述移动节点得到正式IP地址，所述移动节点用正式IP地址代替所述临时IP地址。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于无线接入点被初始化，从DHCP服务器预先索取一定数目的IP地址，作为预留IP地址放入到有效IP地址池中。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，无线接入点持续监测其覆盖范围内与之相关联的移动节点的移动情况，响应于检测到有移动节点离开本子网，回收该移动节点的IP地址，作为空闲IP地址放入到有效IP地址池中。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，无线接入点周期性地检查有效IP地址池中的预留IP地址的租约，响应于发现租约到期，向DHCP服务器请求续租。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，无线接入点周期性地检查有效IP地址池中的所回收的空闲IP地址的租约，响应于发现租约到期，从有效IP地址池中删除该空闲IP地址。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，无线接入点与从其它子网移动到其覆盖范围内的移动节点之间进行协商，其中该移动节点接收到无线接入点所分配的临时IP地址后，通知无线接入点，无线接入点在有效IP地址池中把这个临时IP地址标记为“正在使用”的状态；响应于该移动节点获得正式IP地址，将这个正式IP地址告知无线接入点，无线接入点在有效IP地址池中把先前所用的临时IP地址标记为“空闲”状态，以供其它移动节点使用。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，无线接入点首先检查有效IP地址池中的预留IP地址，响应于发现有预留的IP地址空闲，则把该预留IP地址作为临时IP地址分配给移动节点；如果发现所有预留IP地址均已被分配给其它节点，则检查所回收的空闲IP地址，从中选择剩余租约期限最长的一个作为临时IP地址分配给移动节点。

9.一种无线接入点设备，包括：

有效IP地址池；以及

临时IP地址分配装置，其中所述临时IP地址分配装置用于从所述有效IP地址池中选择临时IP地址，并且将所述临时IP地址分配给移动节点的。

10.如权利要求9所述的无线接入点设备，还包括：

用于从DHCP服务器预先索取一定数目的IP地址并将其作为预留IP地址放入到有效IP地址池中的IP预先索取装置。

11.如权利要求9或10所述的无线接入点设备，还包括：

用于响应于所述移动检测装置检测到有移动节点离开了该无线接入点设备所处的子网，回收该移动节点的IP地址并将其作为空闲IP地址放入到有效IP地址池中的IP回收装置。

12.如权利要求10所述的无线接入点设备，其特征在于，所述无线接入点周期性地检查有效IP地址池中的预留IP地址的租约，响应于发现租约到期，向DHCP服务器请求续租。

13.如权利要求11所述的无线接入点设备，其特征在于，所述无线接入点设备周期性地检查有效IP地址池中的所回收的空闲IP地址的租约，响应于发现租约到期，从有效IP地址池中删除该空闲IP地址。

14.如权利要求9所述的无线接入点设备，还包括：

用于与从其它子网移动到该无线接入点设备的覆盖范围内的移动节点之间进行协商的协商装置，该协商装置接收移动节点的通知，并根据移动节点的通知将有效IP地址池中的IP地址标记为“正在使用”的状态或“空闲”状态。

15.如权利要求11所述的无线接入点设备，其特征在于，所述无线接入点设备首先检查有效IP地址池中的预留IP地址，响应于发现有预留的IP地址空闲，把该预留IP地址作为临时IP地址分配给移动节点；如果发现所有预留IP地址均已被分配给其它节点，则检查所回收的空闲IP地址，从中选择剩余租约期限最长的一个作为临时IP地址分配给移动节点。