CN104023364A - 一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种802.11无线局域网中的无缝切换方法，应用场景为企业办公环境等无线AP密集部署且客户端需要经常移动的场景。本发明采用基于SDN理念的网络构架，构造了虚拟接入点(VAP)用于抽象AP和Client的连接。VAP中包含了Client与AP建立连接所需的所有信息，控制器通过控制VAP在AP上的产生和移除，来实现Client与AP的建立连接和断开连接。当Client在WLAN中移动时，控制器上的应用程序通过发布/订阅机制感知网络中AP接收到Client发出的信号的强度来判断与Client距离最近的AP，并与之建立连接。由于控制器对VAP的控制与Client的移动几乎是同步的，从而实现无缝切换。

Description

一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于虚拟接入点的802.11无线局域网中无缝切换的技术。 

技术背景

随着基于IEEE802.11的无线局域网(WLAN)的广泛的应用,语音、视频等实时通信业务的应用越来越多,这对无线局域网的服务质量(QoS)提出了很高的要求。但是由于智能终端的发展，人们对移动性的要求不断增加，尤其是在企业办公环境中无线AP密集部署的场景下，因为无线局域网较小的小区半径导致了比较频繁的切换。而切换时的丢包率、切换延迟和传输抖动等则是影响WLAN通信QoS的主要因素之一。根据IEEE802.11协议规范,在一个通信子网内,正在通信的客户机(Client)从一个AP小区移动到另一个AP小区时,必须断开跟当前AP的链路连接,在与新AP重新建立连接后才能继续与对端结点进行通信,而重新建立连接主要分3个阶段：发现新AP阶段、认证阶段和重连阶段。而每一个阶段都占用一定的时间,而且在这个过程当中,客户机(Client)是不能收发数据的。因此在切换期间,发往客户机(Client)的旧AP链路上的数据包就有可能丢失,传输的服务质量(QoS)就会受到影响。 

为此，人们在减少切换延迟方面作了很多研究。从目前已有的技术和文献上看,主要有以下几种类型： 

硬切换。移动结点在进入一个新的小区后,立即断开与原有的AP连接,重新与新AP建立连接。这种方式切换速度快,但由于不采取任何措施,丢包率较大。 

平滑切换(或称为数据包的转发方式)。其过程是客户机(Client)切换到新的AP时,新AP立即通知旧AP,旧AP收到通知后立即把有关该客户机(Client)的信息或缓存的数据包转发给新AP,再由新AP发给客户机(Client)。同时新AP向通信对端主机发出通告,之后数据包便沿新的传输路径流动。这种切换的特点是丢包率低,但是其他的包要等到旧AP转发完毕以后才能继续传递,间接地增加了切换延迟,这对于实时应用是很不利的。 

基于组播的切换方式。这种方式不但要求扩充AP的功能,而且要求临近的AP也加入多播组。它的特点是切换时丢包率低,切换延迟相对较小。但是由于结点的移动,多播树的维护开销很大,限制了它的使用。 

本发明提出一种基于虚拟接入点(VAP)的无线局域网无缝切换方法。该方法采用基于SDN 理念的网络构架，引入虚拟接入点(VAP)来抽象客户机(Client)与AP的连接。虚拟接入点包括了Client与AP建立连接所需要的所有信息，并且能够通过控制器的控制在不同的AP之间迁移。控制器顶层的应用程序通过AP接收到的无线信号强度来感知客户机(Client)的移动，并将该客户机(Client)的VAP移动到相应的AP上。由于VAP中包含客户机(Client)与AP建立连接所需的所有信息，所以不需要再进行重新建立连接的3个阶段，大大缩短了切换的时延，实现无缝切换。 

发明内容

本发明旨在针对企业办公环境中无线AP密集部署的场景下如何实现客户机的无缝切换问题。本发明通过引入虚拟接入点(VAP)，解决相应的技术问题。具体分为以下两个主要步骤：(1)VAP在AP之间的分配；(2)基于VAP的无缝切换机制。 

首先，VAP的分配步骤为： 

步骤1.AP接收到来自Client信号帧后，判断是802.11数据帧还是802.11控制帧； 

步骤2.如果是802.11数据帧，AP检测是否承载了该Client的VAP，如果没有则直接丢弃该数据帧；如果承载了该Client的VAP则根据转发表转发该数据帧； 

步骤3.如果是802.11控制帧，AP检测是否承载了该Client的VAP，如果没有则将包含该MAC地址的控制帧的信息转发给控制器，控制器检测该Client是否有VAP存在于网络中的某个AP上，如果没有则为该Client产生一个VAP； 

步骤4.AP承载了Client的VAP之后继续进行Client与VAP连接的建立。 

在控制器为每个请求接入到AP的Client分配好VAP之后，VAP可以使得Client在企业级WLAN中进行无缝的切换，其步骤如下： 

步骤1.控制端的应用程序作为订阅者通过发布/订阅机制获取网络中点各AP(∈A＝{a₁，a₂...a_N})收到的的客户端Client(∈C＝{(∈c₁，c₂...c_M)})的信号帧的强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)； 

步骤2.应用程序通过将客户端发送给接入点的信号强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)与设置的信号强度标准值RSS₀的比较来触发控制器对虚拟接入点(VAP)的操作； 

步骤3.如果接收到的所有的RSS_ij值都小于或等于RSS₀，则不进行任何操作，物理AP 继续接收信号并将信号的RSS_ij发送给控制器； 

步骤4.如果某一RSS_ij值大于RSS₀，应用程序判断接收到该RSS_ij的AP是否是发送信号强度为RSS_ij的Client当前所连接的AP，如果是该Client当前所连接到的AP，则不进行操作； 

步骤5.如果步骤4中接收到的信号值RSS_ij大于RSS₀的AP不是该Client当前所连接到的AP，则应用程序将触发控制器的操作，移除该Client在其当前所连接的AP上的虚拟接入点(VAP)，并在接收到信号最强的AP上重新产生该Client的虚拟接入点(VAP)，Client随着VAP的迁移，连接也迁移到新的AP上。 

说明： 

本发明中所设计的虚拟接入点(VAP)是实现无缝切换的关键，由于VAP中包含了Client与AP建立连接所需的所有信息。当Client在AP之间进行切换，断开与旧AP的连接而与新AP重新建立连接时，AP不需要再重新进行二层和三层的处理为Client的连接产生需要的信息，控制器上的应用程序通过发布/订阅机制获取到与在新的物理位置下能够为Client提供最强信号连接的AP，并将该Client的VAP迁移到这个新的AP上，由于控制器感知和VAP迁移与Client的迁移是同步的，所以整个切换过程是无缝的。 

附图说明

为了更清晰地阐述本发明的实施和现有的技术方案，下面将本发明的技术方案说明附图并且和说明书一起来解释本发明。其中， 

图1示出VAP的分配流程图。 

图2示出Client在企业级WLAN中切换的流程图。 

具体实施方式

为将本发明的技术方案优势描述的更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述，尽可能地，在整个附图中相同的部分用相同或者相似的标号或文字表示。 

在下面的描述中，对于本发明无关的技术只做简要的技术说明或者直接略过。 

本发明的主要思想是，采用基于SDN理念的网络构架，构造了虚拟接入点(VAP)用于抽象AP和Client的连接。VAP由控制器产生，每个Client对应一个独立且唯一的VAP，VAP 中包含了Client与AP建立连接所需的所有信息，包括Client的MAC地址、Client的IP地址、Client的BSSID、Client的SSID。控制器通过控制VAP在AP上的产生和移除，来实现Client与AP的建立连接和断开连接。当Client在WLAN中移动时，控制器上的应用程序通过发布/订阅机制感知网络中AP接收到Client发出的信号的强度来判断与Client距离最近的AP，并与之建立连接。由于控制器对VAP的控制与Client的移动几乎是同步的，从而实现无缝切换。 

图1示出了VAP的分配步骤图，具体包括： 

步骤201：AP接收到无线信号帧后对该信号帧的类型进行判断。 

步骤202：如果接收到的是数据帧，进入步骤204。 

步骤203：如果接收到的是管理帧，进入步骤205。 

步骤204：AP判断发送该数据帧的Client是否分配了VAP。 

步骤205：AP判断发送该管理帧的Client是否分配了VAP。 

步骤206：控制器判断是否为发送该管理帧的Client分配了VAP。 

步骤207：发送该数据帧的Client没有分配了VAP，丢弃该帧。 

步骤208：发送该数据帧的Client分配了VAP，转发该帧。 

步骤209：控制器为该Client分配VAP。 

步骤210：AP响应Client的管理帧，进行相应的处理。 

步骤301：控制端的应用程序通过发布/订阅机制获取网络中点各AP(∈A＝{a₁，a₂...a_N})收到的的客户端Client(∈C＝{(∈c₁，c₂...c_M)})的信号帧的强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)。 

步骤302：应用程序通过将客户端发送给接入点的信号强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)与设置的信号强度标准值RSS₀的比较来触发控制器对虚拟接入点(VAP)的操作，如果所有的RSS_ij都小于标准值RSS₀，则回到步骤301，如果有大于RSS₀的RSS_ij则进入步骤303。 

步骤303：应用程序判断接收到大于RSS₀的RSS_ij的AP是否是发送信号强度为RSS_ij的Client当前所连接的AP，如果是该Client当前所连接到的AP，则继续步骤301，如果不是该Client当前连接的AP则进入步骤304； 

步骤304：应用程序将触发控制器的操作，移除该Client在其当前所连接的AP上的虚拟 接入点(VAP)，并在接收到信号最强的AP上重新产生该Client的虚拟接入点(VAP)。 

步骤305：VAP的迁移到新的AP上后，Client与VAP的连接也随之迁移到新的AP上。 

Claims (4)

1.一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

A、整个无线局域网采用SDN的集中控制理念，引入控制器控制无线局域网中的接入点(AP)，并且构造虚拟接入点(VAP)来抽象AP和移动客户端(Client)的连接；控制器上的应用程序通过发布/订阅机制获取网络中接入点AP(∈A＝{a₁，a₂...a_N})收到的客户端Client(∈C＝{c₁，c₂...c_M})的信号帧的强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)。

B、控制器上的应用程序中设置有一个信号强度标准值RSS₀，通过比较客户端发送给接入点的信号强度RSS_ij(1≤i≤M，1≤j≤N)与RSS₀的值来触发控制器对虚拟接入点(VAP)的操作。

C、如果没有RSS_ij大于或等于RSS₀，则不进行任何操作，物理AP继续接收信号并将信号的RSS_ij发送给控制器；如果某一RSS_ij大于RSS₀，应用程序判断接收到该RSS_ij的AP是否是发送该RSS_ij的Client当前所连接的AP，如果是该Client当前所连接到的AP，则不进行操作。

D、如果步骤C中接收到的RSS_ij大于RSS₀的AP不是该Client当前所连接到的AP，则应用程序将触发控制器的操作，移除该Client在其当前所连接的AP上的虚拟接入点(AP)，使Client的物理层切换到接收到信号最强的AP上，同时保持MAC层和网络层状态信息不变，并在该AP上重新产生该Client的虚拟接入点(VAP)，Client随着VAP的迁移，连接也迁移到新的AP上；此链接过程仅进行了物理层的切换，维持了MAC层和网络层的连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法，其特征在于：

步骤A中发布/订阅机制是将控制器上的应用程序作为订阅者，在发送给AP的控制帧中加入订阅信息，AP作为发布者收到该控制帧后将应用程序订阅的信息发送给控制器上的应用程序。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法，其特征在于：

步骤B中的VAP包括四部分内容，Client的MAC地址、Client的IP地址、Client的BSSID、Client的SSID；VAP由控制器产生，分配给相应的物理AP；一个物理AP上可以承载多个VAP，每个Client对应一个独立、唯一的VAP，Client到物理AP的连接可以抽象成该Client与其对应的VAP的连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟接入点的无线局域网无缝切换方法，其特征在于：

步骤B中对VAP的操作包括VAP的产生和移除，控制器与AP之间具有专有的控制信令，用于控制物理AP上的VAP的生成和移除；控制器之上的应用程序通过发布/订阅机制获取无线局域网中所有AP接收到的RSS_ij值，并与RSS₀比较从而为如何操作网络中AP上承载的VAP做出判决。