CN105072650A - 一种实现移动终端在ap间快速切换的通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够实现移动终端在AP间快速切换的通信系统，其由基础设施层和SDN控制层组成，基础设施层由AP和移动终端组成，SDN控制层只包括SDN控制器。在本发明中，移动终端不需要每个信道都去扫描，而是只扫描域内存在AP的信道；移动终端发送完探测请求帧后，不用停留在信道上等待应答消息，应答处理交给AP和SDN控制器进行，所以本发明从这两方面有效减少了切换扫描的时间。此外，移动终端在域内发生切换，因SDN控制器保留了通过认证的移动终端的MAC地址，所以当移动终端切换到新AP时，就不需要通过认证服务器重新认证了，因此本发明省去了重新认证中四次握手的过程。

Description

一种实现移动终端在AP间快速切换的通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统及通信方法，具体涉及一种在无线局域网络中基于SDN(软件定义网络)的实现移动终端在AP(无线接入点)间快速切换的通信系统及通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

在无线局域网中，移动设备通过无线接入点(AP)与因特网或者无线局域网中的其他站点通信，但无线接入点的覆盖范围有限，如果需要在一个相对较大的区域提供无线覆盖服务，则必须在该区域配置多个无线接入点。随着无线局域网的快速普及，无线接入点的密度将不断增加，而移动终端设备必须能够迅速地切断与一个无线接入点的连接，然后快速的连接到另一个无线接入点上。切换过程中会有一定的时延，这个时延是由终端探测无线接入点的时间、安全认证时间和业务重新关联时间三部分组成，其中探测时延最大。

软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking,SDN)是一种计算机网络领域的创新概念，其目标是极大地简化网络控制和管理，通过网络可编程来引导创新。它把执行转发的硬件部分从控制决策部分中分离出来，使得控制平面与数据转发平面分离。

软件定义网络的典型架构分为三层：

(1)最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；

(2)中间层为控制层，主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；

(3)最下层为基础设施层，主要负责数据处理、转发和状态收集。

除了上述三个层次之外，控制层的控制器与基础设施层之间的接口、应用层与控制层的接口，此两个接口也是SDN架构中的两个重要的部分。按照接口与控制层的位置关系，前者通常被称为南向接口，后者被称为北向接口。现阶段比较常用的南向接口协议是开发网络基金会制定的OpenFlow协议，而北向接口的协议还没有统一的标准。

OpenFlow交换机包括一个流表，流表负责执行数据包的查表和转发，交换机的每个流表保存一组流的记录，流记录中包括：

1、首部字段或匹配字段、数据包首部中的提取的信息、输入端口以及元数据信息，这些信息用于匹配输入的包；

2、计数器，用于对特定的流进行统计，如统计所接收数据包的个数、字数以及流的持续时间等；

3、一组用于所匹配的数据包的指令或具体操作，决定如何处理符合匹配条件的数据包。例如，将数据包从指定端口转发出去。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在无线局域网络中基于SDN(软件定义网络)的实现移动终端在AP(无线接入点)间快速切换的通信系统及通信方法，该通信系统及通信方法不仅可以减少切换过程中移动终端扫描的时间，而且可以减少移动终端切换后与AP重新认证的时间，从而有效提高移动终端的切换速度。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种实现移动终端在AP间快速切换的通信系统，其特征在于，通信系统由基础设施层和SDN控制层组成，

前述基础设施层由AP和移动终端组成，前述AP支持Openflow协议，能够通过Openflow协议与SDN控制层的SDN控制器进行交互，前述AP还能够向移动终端传送数据、接收从移动终端发来的数据，不同的AP工作在不同的信道；前述移动终端在移动的过程中发生服务AP的切换，移动终端的切换重新认证服务由SDN控制层的SDN控制器实现；

前述SDN控制层只包括SDN控制器，前述SDN控制器管理着多个AP、保存着通过认证的移动终端的MAC地址、并且有整个网络的拓扑，前述SDN控制器的功能由Floodlight软件具体实现。

一种基于前述的通信系统实现移动终端在AP间快速切换的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：移动终端在移动的过程中，当接受到的信号强度值低于扫描门限时，通过服务AP从SDN控制器中获得本网内的其他AP所在的信道的信息；

Step2：移动终端根据获得到的AP的信道信息切换到不同的信道，然后广播探测请求帧，发送完探测请求帧后立即返回当前工作信道继续当前的会话；

Step3：所有的潜在AP接收到探测请求帧后，将上行的信号强度值上报给SDN控制器，SDN控制器根据各个AP的信号强度值和定期更新的AP负载情况决策出最佳的切换AP；

Step4：SDN控制器通过当前服务AP将决策出的AP的信息告知移动终端，移动终端通过当前服务AP返回一个应答信息给SDN控制器；

Step5：移动终端继续移动，当移动终端发现服务AP的信号强度值低于切换门限时，切换开始；

Step6：移动终端断开与当前服务AP的连接，跳转到决策出的新AP所在的信道，发送请求认证帧，请求认证帧携带移动终端的MAC地址信息，决策出的新AP接收到请求认证帧后，将移动终端信息发送给SDN控制器，SDN控制器查询通过认证的移动终端的MAC地址列表，验证该移动终端是否通过认证，SDN控制器将认证结果发送给新AP，新AP向移动终端返回认证响应帧；

Step7：SDN控制器下发流表更新指令，更新域内所有AP的流表项，告知移动终端已经和新AP连接，删除所有关于移动终端和旧AP连接的流表项；

Step8：移动终端向新AP发送关联请求帧，新AP返回关联响应帧，关联完成。

本发明的有益之处在于：

1、减少了切换扫描的时间。

在本发明中，移动终端不需要每个信道都去扫描，而是只扫描域内存在AP的信道；移动终端发送完探测请求帧后，不用停留在信道上等待应答消息，应答处理交给AP和SDN控制器进行，所以本发明从这两方面有效减少了切换扫描的时间。

2、省去了重新认证中四次握手的过程。

移动终端在域内发生切换，说明移动终端在连接上网络时已经通过了认证，因SDN控制器保留了通过认证的移动终端的MAC地址，所以当移动终端切换到新AP时，就不需要通过认证服务器重新认证了，因此本发明省去了重新认证中四次握手的过程。

3、减少了AP的负荷。

本发明把维护AP信道信息和负载信息上交给了SDN控制器进行，把确定切换目标的决策算法交给了SDN控制器处理，因此有效降低了AP的工作负荷。

附图说明

图1是本发明的通信系统的场景图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

首先介绍能够实现移动终端在AP间快速切换的通信系统。

参照图1，本发明的通信系统由基础设施层和SDN控制层组成。

一、基础设施层

基础设施层由AP(无线接入点)和移动终端组成。

1、AP(无线接入点)

AP支持Openflow协议，能够通过Openflow协议与SDN控制层的SDN控制器进行交互，例如流表的更新、AP上传自己的负载情况等。

AP还能够向移动终端传送数据，以及接收从移动终端发来的数据。不同的AP工作在不同的信道。

2、移动终端

移动终端连接在AP上。在本实施例中，移动终端1、移动终端2连接在AP1上，AP1工作在信道2上；移动终端3、移动终端4和移动终端5连接在AP2上，AP2工作在信道6上；移动终端6、移动终端7、移动终端8和移动终端9连接在AP3上，AP3工作在信道11上。

移动终端在移动的过程中发生服务AP的切换。在本实施例中，移动终端5在移动的过程中发生了服务AP的切换，箭头方向为移动终端5的移动方向。

移动终端的切换重新认证服务由SDN控制层的SDN控制器实现。

二、SDN控制层

SDN控制层只包括SDN控制器。

SDN控制器管理着多个AP(例如：监测多个AP的工作状态；AP周期上报自己所在的信道和负载情况，SDN控制器存储和定期更新这些数据，即维护AP上传的信息；决策出最佳的切换AP；发送控制命令给AP使其修改流表项)，保存着通过认证的移动终端的MAC地址，并且有整个网络的拓扑。

SDN控制器的功能由Floodlight软件具体实现，Floodlight软件是一个开源的SDN控制软件。

SDN控制器向上提供应用程序开发接口，服务AP的切换将作为SDN控制器的一个应用，运行在SDN控制器之上。

接下来介绍基于上述通信系统实现移动终端在AP间快速切换的通信方法。

参照图1，本发明的通信方法包括以下步骤：

Step1：各个AP周期上报自己所在的信道和负载个数N_i，SDN控制器存储和不断更新这些数据。移动终端5在移动的过程中，当其接收到的AP2的信号强度值低于扫描门限Thresholdscan时，开始扫描的过程，移动终端5通过AP2(即服务AP)向SDN控制器请求获得本网内的其他AP(如AP1和AP3)所在的信道的信息。SDN控制器收到请求后，将信息通过AP2发送给移动终端5。

Step2：移动终端5从SDN控制器发来的信息可以知道本网内有AP1在信道2上、AP3在信道11上。移动终端5根据获得到的AP的信道信息，分别切换到这两个信道上，然后信道2和信道11分别广播三个探测请求帧，此时移动终端5不需要停留在信道2和信道11上等候AP1和AP3(潜在AP)的响应，而是在发送完探测请求帧后，立即返回当前工作信道6继续当前的会话。

Step3：AP1和AP3接收到探测请求帧后，将上行的信号强度(RSSI)值上报给SDN控制器。SDN控制器根据各个AP的信号强度值和定期更新的AP负载情况决策出最佳的切换AP。

SDN控制器决策出最佳的切换AP的方法为：

(1)假设AP上报的信号强度值为RSSI_ij；

(2)根据下面的决策公式给出最佳的切换AP：

$S_i=\frac{3N_i}{{\mathrm{RSSI}}_{i1}+{\mathrm{RSSI}}_{i2}+{\mathrm{RSSI}}_{i3}}.$

式中，N_i是APi的负载个数，RSSI_i1、RSSI_i2、RSSI_i3分别为APi上报的三个探测请求帧的信号强度值，如果有丢失的探测请求帧，则相应的探测请求帧的信号强度值由SDN控制器置为0，例如，AP1收到两个探测请求帧，AP1就向SDN控制器上报这两个探测请求帧的信号强度值，这两个值分别为RSSI₁₁、RSSI₁₂，而RSSI₁₃由SDN控制器置为0。S_i是APi(无线接入点i)的决策判决量，决策算法的结果是选择S_i值最小的APi作为切换点。

Step4：SDN控制器通过AP2(当前服务AP)将决策出的最佳切换AP的信息告知移动终端5，参照图1，假设决策出的最佳切换AP是AP1。移动终端5接收到信息后，通过AP2(当前服务AP)返回一个应答信息给SDN控制器。

Step5：移动终端5继续移动，当移动终端5发现AP2(当前服务AP)的信号强度值低于切换门限Thresholdhandoff时，切换开始。

Step6：移动终端5断开与AP2(当前服务AP)的连接，跳转到信道2(决策出的新AP所在的信道)，发送请求认证帧，请求认证帧携带移动终端5的MAC地址等信息，AP1(决策出的新AP)接收到请求认证帧后，将移动终端5的信息发送给SDN控制器，SDN控制器中保留着已经通过认证的移动终端的MAC地址，SDN控制器查询通过认证的移动终端的MAC地址列表，验证移动终端5是否通过认证，通过认证后，SDN控制器将认证结果发送给AP1(新AP)，AP1向移动终端5返回认证响应帧，告知AP1允许移动终端5认证成功。

Step7：SDN控制器下发流表更新指令，更新域内所有AP的流表项，告知移动终端5已经和AP1(新AP)连接，删除所有关于移动终端5和AP2(旧AP)连接的流表项。至此，网络转发路径已经建立完成。

Step8：移动终端5向AP1(新AP)发送关联请求帧，AP1(新AP)返回关联响应帧，关联完成。

关联完成后，双方就可以相互发送数据帧了，至此切换完成。

分析：

1、在本发明中，移动终端不需要每个信道都去扫描，而是只扫描域内存在AP的信道；移动终端发送完探测请求帧后，不用停留在信道上等待应答消息，应答处理交给AP和SDN控制器进行，所以本发明从这两方面有效减少了切换扫描的时间。

2、移动终端在域内发生切换，说明移动终端在连接上网络时已经通过了认证，因SDN控制器保留了通过认证的移动终端的MAC地址，所以当移动终端切换到新AP时，就不需要通过认证服务器重新认证了，因此本发明省去了重新认证中四次握手的过程。

3、本发明把维护AP信道信息和负载信息上交给了SDN控制器进行，把确定切换目标的决策算法交给了SDN控制器处理，因此有效降低了AP的工作负荷。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种实现移动终端在AP间快速切换的通信系统，其特征在于，通信系统由基础设施层和SDN控制层组成，

所述基础设施层由AP和移动终端组成，所述AP支持Openflow协议，能够通过Openflow协议与SDN控制层的SDN控制器进行交互，所述AP还能够向移动终端传送数据、接收从移动终端发来的数据，不同的AP工作在不同的信道；所述移动终端在移动的过程中发生服务AP的切换，移动终端的切换重新认证服务由SDN控制层的SDN控制器实现；

所述SDN控制层只包括SDN控制器，所述SDN控制器管理着多个AP、保存着通过认证的移动终端的MAC地址、并且有整个网络的拓扑，所述SDN控制器的功能由Floodlight软件具体实现。

2.基于权利要求1所述的通信系统实现移动终端在AP间快速切换的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：移动终端在移动的过程中，当接受到的信号强度值低于扫描门限时，通过服务AP从SDN控制器中获得本网内的其他AP所在的信道的信息；

Step2：移动终端根据获得到的AP的信道信息切换到不同的信道，然后广播探测请求帧，发送完探测请求帧后立即返回当前工作信道继续当前的会话；

Step3：所有的潜在AP接收到探测请求帧后，将上行的信号强度值上报给SDN控制器，SDN控制器根据各个AP的信号强度值和定期更新的AP负载情况决策出最佳的切换AP；

Step4：SDN控制器通过当前服务AP将决策出的AP的信息告知移动终端，移动终端通过当前服务AP返回一个应答信息给SDN控制器；

Step5：移动终端继续移动，当移动终端发现服务AP的信号强度值低于切换门限时，切换开始；

Step6：移动终端断开与当前服务AP的连接，跳转到决策出的新AP所在的信道，发送请求认证帧，请求认证帧携带移动终端的MAC地址信息，决策出的新AP接收到请求认证帧后，将移动终端信息发送给SDN控制器，SDN控制器查询通过认证的移动终端的MAC地址列表，验证该移动终端是否通过认证，SDN控制器将认证结果发送给新AP，新AP向移动终端返回认证响应帧；

Step7：SDN控制器下发流表更新指令，更新域内所有AP的流表项，告知移动终端已经和新AP连接，删除所有关于移动终端和旧AP连接的流表项；

Step8：移动终端向新AP发送关联请求帧，新AP返回关联响应帧，关联完成。