CN105246103A - 一种无线局域网的负载均衡接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线局域网的负载均衡接入方法，无线接入控制器通过统计过去一段时间内的历史流量，预测将来流量的变化趋势，并结合当前有线端网络的带宽，设定AP的流量阈值，从而控制终端在AP之间的均衡接入。本发明无线局域网的负载均衡接入方法不需要后台服务器，实现方式更加简单且系统资源开销小；方法根据实际的网络环境来动态的设置AP的流量阈值为H，更加灵活，负载均衡效果更好。

Description

一种无线局域网的负载均衡接入方法

技术领域

本发明涉及通讯及无线局域网组网领域，更具体地，涉及一种无线局域网的负载均衡接入方法。

背景技术

WLAN(无线局域网)是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。在WLAN网络环境中，一个扩展服务组系统由一个或多个基本服务组，以及联接这些基本服务组的分布系统构成，每个基本服务组包含一个无线接入点设备。扩展服务组通过ESSID(扩展服务组识别号)来区分，AP(无线接入点)通过BSSID(基本服务组识别号)来区分。终端通过扫描信道，获取所处WLAN环境中扩展服务组和基本服务组信息，并选择加入一个合适的基本服务组。WLAN中的负载均衡就是由多个接入点为多种移动终端提供接入服务的无线局域网系统，每一个接入点成员利用网络信息进行终端管理，允许或拒绝移动终端接入，达到均匀承担网络负载，充分利用网络现有资源，减少网络阻塞目的的一种策略。

传统的无线终端一般会根据信号强度，来选择无线网络中的接入点。这样当某些接入点信号始终保持较强，其它一些接入点信号始终保持较弱时，信号较强的接入点接入的终端多，数据流量大，负载过重，甚至出现网络拥塞的情况，从而导致其关联终端所获得的通信和服务质量大大降低；而信号较弱的接入点接入的终端少，数据流量少，甚至处于闲置状态，从而降低了网络的利用率，浪费了带宽资源。

现有技术中，有如下方法实现网络负载均衡：

方法1，联想(北京)有限公司在2003年9月24日申请的专利《一种无线接入点的负载均衡方法》(申请号03134660.X)中采用以下方法实现负载均衡：在每个参与负载均衡AP上启动负载均衡应用服务；每个AP依次向其他AP发送查询请求，根据其他AP的返回信息更新自身的均衡信息库；每个AP根据自身更新后的均衡信息库，利用均衡算法决定当前是否允许客户接入。

方法2，杭州华为三康技术有限公司在2007年04月26日申请的专利《一种负载均衡的实现方法和装置》(申请号200710097524.7)中采用以下方法实现负载均衡：判断无线接入设备是否达到负载均衡；如果所述无线接入设备达到负载均衡时，则停止公开服务集标识。使处于负载均衡环境中的无线客户端选择接入有效的无线接入点。

仔细分析，可以发现上述方法有如下缺点：方法1中分布式的方式虽然不需后台服务器，可以提高负载均衡的容错能力，但是分布式系统的算法和软件实现比较复杂，且系统的每个AP为了维护自己均衡信息库，使得系统资源开销大。方法2中通过设置某一固定的上限值来判断无线接入点是否达到负载均衡，但是没有根据实际的网络环境来动态的设置该上限值，不够灵活，负载均衡效果不理想。大部分现有的负载均衡方法没有充分利用无线接入点的历史流量来预测下一时刻的流量，进而帮助实现无线接入点间的负载均衡。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种实现方式简单、系统资源开销小、更加灵活，负载均衡效果更好的无线局域网的负载均衡接入方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种无线局域网的负载均衡接入方法，所述方法基于无线接入控制器，无线接入控制器一端通过路由器与网络侧连接，另一端与一个或多个AP连接，所述方法包括以下步骤：

S1：无线接入控制器统计历史流量；

S2：无线接入控制器根据历史流量预测下一时刻的流量，记为预测流量，并且将定时器清零，设定时器的定时时间为T，开始计时；

S3：无线接入控制器检测当前网络带宽，计算得到每个AP所能得到的平均带宽，对应平均带宽计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)；

S4：依据预测流量设置每个AP的流量阈值为H；

S5：遍历所有AP，如果AP(i)的当前流量大于或等于阈值H，则AP(i)拒绝新的终端接入，否则AP(i)允许新的终端接入，其中AP(i)表示第i个AP，1≤i≤N₀，N₀表示AP的数量；

S6：如果每个AP的当前流量都大于等于阈值H，则执行步骤S7，否则返回执行步骤S5；

S7：如果AP的阈值H等于AP的最大流量阈值H(max)，则所有AP拒绝新的终端接入，并返回执行步骤S5；

如果AP的阈值H小于AP的最大流量阈值H(max)，则执行步骤S8；

S8：升高所有AP的阈值H；

S9：如果定时器定时时间T已到，则返回执行步骤S2，否则返回执行步骤S5。

在一种优选的方案中，步骤S2中，根据历史流量预测下一时刻的流量，其具体方法包括以下步骤：

S2.1：统计N个周期的历史流量，N个周期按先后顺序记为T₁，T₂，…，T_N，每个周期等分为M个小的时间片段，第n个周期T_n的第m个时间段记为t_nm，其中1≤n≤N，1≤m≤M；

S2.2：t_nm时间段内的流量记为q(t_nm)，则在t_m-1时刻，预测下一时刻t_m的流量 $q\left(t_m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}q\left(t_{im}\right);$

S2.3：设t_m时间段实际测得的流量为q₀(t_m)，设一参数α，0.05≤α≤0.20，若|q₀(t_m)-q(t_m)|≥αq(t_m)，则修正q(t_m)为

在一种优选的方案中，步骤S3中，计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)的具体方法为：无线接入控制器检测到当前网络带宽为W，计算得到每个AP所能得到的平均带宽为进而得到每个AP的最大流量阈值极限流量阈值其中0.8≤β≤0.9。

在一种优选的方案中，步骤S4中，设置每个AP的流量阈值为H的具体方法为：

若 $\frac{q\left(t_m\right)}{N_0}\≤H\left(max\right),$ 则 $H=\frac{q\left(t_m\right)}{N_0},$ 否则，H＝H(max)。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明公开一种无线局域网的负载均衡接入方法，无线接入控制器通过统计过去一段时间内的历史流量，预测将来流量的的变化趋势，并结合当前有线端网络的带宽，设定AP的流量阈值，从而控制终端在AP之间的均衡接入。本发明无线局域网的负载均衡接入方法不需要后台服务器，实现方式更加简单且系统资源开销小；方法根据实际的网络环境来动态的设置AP的流量阈值为H，更加灵活，负载均衡效果更好。

附图说明

图1为无线接入控制器、路由器、AP的连接示意图。

图2是实施例1无线局域网的负载均衡接入方法的流程图。

图3是统计历史流量预测下一时刻流量的示意图。

图4负载大小与负载标准差之前的关系图。

图5终端接入AP方式不同对负载均衡效果的影响图。

图6预测流量比实际流量小对负载均衡效果的影响图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种无线局域网的负载均衡接入方法，所述方法基于无线接入控制器，无线接入控制器一端通过路由器与网络侧连接，另一端与一个或多个AP连接，所述方法包括以下步骤：

S1：无线接入控制器统计历史流量；

S2：无线接入控制器根据历史流量预测下一时刻的流量，记为预测流量，并且将定时器清零，设定时器的定时时间为T，开始计时；

如图3所示，在具体实施过程中，根据历史流量预测下一时刻的流量，其具体方法包括以下步骤：

S2.1：统计N个周期的历史流量，N个周期按先后顺序记为T₁，T₂，…，T_N，每个周期等分为M个小的时间片段，第n个周期T_n的第m个时间段记为t_nm，其中1≤n≤N，1≤m≤M；

S2.2：t_nm时间段内的流量记为q(t_nm)，则在t_m-1时刻，预测下一时刻t_m的流量 $q\left(t_m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}q\left(t_{im}\right);$

S2.3：设t_m时间段实际测得的流量为q₀(t_m)，设一参数α，0.05≤α≤0.20，若|q₀(t_m)-q(t_m)|≥αq(t_m)，则修正q(t_m)为

S3：无线接入控制器检测当前网络带宽，计算得到每个AP所能得到的平均带宽，对应平均带宽计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)；

在具体实施过程中，计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)的具体方法为：无线接入控制器检测到当前网络带宽为W，计算得到每个AP所能得到的平均带宽为进而得到每个AP的最大流量阈值极限流量阈值其中0.8≤β≤0.9。H(max)是为保证当AP的流量阈值H取最大流量阈值H(max)，且所有AP的当前流量大于等于阈值H(此时H＝H(max))时，所有AP的流量之和小于或等于网络带宽W。H(lim)是为了允许单个AP的流量超过平均带宽但控制其不能超出太多，在我们所允许的范围内。最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)是变化的，两者随网络带宽W的变化而变化，且两者关于每个AP的平均带宽对称。

S4：依据预测流量设置每个AP的流量阈值为H；

在具体实施过程中，设置每个AP的流量阈值为H的具体方法为：

若 $\frac{q\left(t_m\right)}{N_0}\≤H\left(max\right),$ 则 $H=\frac{q\left(t_m\right)}{N_0},$ 否则，H＝H(max)。

AP的阈值H只能≤AP的最大流量阈值H(max)，不能>H(max)。当 时，根据平均值原理，有些AP的流量高于H，有些AP的流量小于H。AP的阈值H受预测流量和网络带宽的共同约束。

本实施例根据预测的流量增幅的大小来决定阈值H的增幅大小，阈值增幅不能过大，也不能过小；阈值增幅过大，会造成AP之间流量差异较大，即负载不均衡；阈值增幅过小，有可能还没有接入新的终端，新阈值就小于大部分AP的实际流量，从而导致所有AP的流量很短时间大于新的阈值H，使得阈值调整过于频繁。

S5：遍历所有AP，如果AP(i)的当前流量大于或等于阈值H，则AP(i)拒绝新的终端接入，否则AP(i)允许新的终端接入，其中AP(i)表示第i个AP，1≤i≤N₀，N₀表示AP的数量；

阈值H是一个AP是否允许一个新的终端接入AP的一个度量，如果允许一个新的终端接入，则该新终端接入AP以后，该AP的流量有可能会大于或等于阈值H，但一定要小于等于H(lim)，在负载均衡允许的波动区间范围内。允许新的终端接入的AP有多个时，每个终端可以随机的接入其中任何一个AP，也可以按固定的顺序依次轮流接入这些AP。

S6：如果每个AP的当前流量都大于等于阈值H，则执行步骤S7，否则返回执行步骤S5；

所有AP当前流量都大于等于阈值H时，表明新流量接入，当前阈值H下所有AP的流量之和已不能满足终端的流量需求，需要升高阈值来扩大每个AP的流量以及所有AP的流量之和，以满足终端的流量需求。

S7：如果AP的阈值H等于AP的最大流量阈值H(max)，则所有AP拒绝新的终端接入，并返回执行步骤S5；

如果AP的阈值H小于AP的最大流量阈值H(max)，则执行步骤S8；

所有AP拒绝新的终端接入，表明所有AP流量之和已耗尽当前网络的带宽，为保证已连接的终端的业务正常进行，不能再接入新的终端增加网络负担。虽然所有AP拒绝终端接入，但是当有终端从其中某个AP断开时，如果该AP的流量小于阈值H，则该AP又重新允许新的终端接入。

S8：升高所有AP的阈值H；

升高每个AP的阈值H后，必须有一些AP的实际流量要小于新的阈值H，这些AP重新允许新的终端接入。

S9：如果定时器定时时间T已到，则返回执行步骤S2，否则返回执行步骤S5。

预测下一时刻流量、检测当前带宽并计算最大阈值H(max)、设置AP的流量阈值H的时间周期是一样的，且所述时间周期等于定时器的时间长度T。

本发明公开一种无线局域网的负载均衡接入方法，无线接入控制器通过统计过去一段时间内的历史流量，预测将来流量的的变化趋势，并结合当前有线端网络的带宽，设定AP的流量阈值，从而控制终端在AP之间的均衡接入。本发明无线局域网的负载均衡接入方法不需要后台服务器，实现方式更加简单且系统资源开销小；方法根据实际的网络环境来动态的设置AP的流量阈值为H，更加灵活，负载均衡效果更好。

如图4所示，设终端的流量大小服从正态分布N(150,16.6²)，图4是取预测值q(t_m)为7500，带宽W为7500，β为0.8，AP数目N₀为5时的曲线图，其中横坐标用终端个数来表征负载大小。由计算公式得到H(max)为1200，1200除以终端的流量期望150得到8，即每个AP能接入的终端个数的期望为8个，5个AP的总数期望为40，即接入40个终端，系统就饱和了，在最大阈值H(max)的限制下，不能够再接入新的终端，所以40之后，负载的标准差保持不变。由曲线可看出，终端数小于但接近40时，负载的标准差比较小，说明只要流量预测准确，确定合适的阈值，就可以得到好的负载均衡效果。

如图5所示，虚线表示终端接入AP时，随机的接入允许接入新的终端的AP，实线表示终端接入AP时，按事先确定的顺序，将终端一次一个依次轮流接入到允许接入新的终端的AP上去。有图5可以看出，按顺序依次接入允许接入新的终端的AP比随机接入允许接入新的终端的AP的负载均衡效果要好很多，不会有大的负载波动。

如图6所示，是预测流量q(t_m)为3000，其他参数不变时的曲线图，此时H(max)还是1200，但是开始H为q(t_m)/N₀＝600，每个AP可以接入的终端数的期望为4个，5个AP可以接入的终端数的期望是20，接近20时，各AP的负载差不多，达到均衡，当实际终端数超过20时，阈值H会升高，准许AP接入新的终端。按顺序依次接入时，由于各个AP的负载都比较均匀，从开始，均衡效果就很好。而随机接入在阈值H的作用下，终端数为20左右时，在该阈值H下达到饱和而负载平衡。由此可见，预测流量时，预测的比实际小一些，更有利于负载的均衡。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线局域网的负载均衡接入方法，所述方法基于无线接入控制器，无线接入控制器一端通过路由器与网络侧连接，另一端与一个或多个AP连接，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：无线接入控制器统计历史流量；

S2：无线接入控制器根据历史流量预测下一时刻的流量，记为预测流量，并且将定时器清零，设定时器的定时时间为T，开始计时；

S3：无线接入控制器检测当前网络带宽，计算得到每个AP所能得到的平均带宽，对应平均带宽计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)；

S4：依据预测流量设置每个AP的流量阈值为H；

S5：遍历所有AP，如果AP(i)的当前流量大于或等于阈值H，则AP(i)拒绝新的终端接入，否则AP(i)允许新的终端接入，其中AP(i)表示第i个AP，1≤i≤N₀，N₀表示AP的数量；

S6：如果每个AP的当前流量都大于等于阈值H，则执行步骤S7，否则返回执行步骤S5；

S7：如果AP的阈值H等于AP的最大流量阈值H(max)，则所有AP拒绝新的终端接入，并返回执行步骤S5；

如果AP的阈值H小于AP的最大流量阈值H(max)，则执行步骤S8；

S8：升高所有AP的阈值H；

S9：如果定时器定时时间T已到，则返回执行步骤S2，否则返回执行步骤S5。

2.根据权利要求1所述的无线局域网的负载均衡接入方法，其特征在于，步骤S2中，根据历史流量预测下一时刻的流量，其具体方法包括以下步骤：

S2.1：统计N个周期的历史流量，N个周期按先后顺序记为T₁，T₂，…，T_N，每个周期等分为M个小的时间片段，第n个周期T_n的第m个时间段记为t_nm，其中1≤n≤N，1≤m≤M；

S2.2：t_nm时间段内的流量记为q(t_nm)，则在t_m-1时刻，预测下一时刻t_m的流量 $q\left(t_m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}q\left(t_{im}\right);$

S2.3：设t_m时间段实际测得的流量为q₀(t_m)，设一参数α，0.05≤α≤0.20，若|q₀(t_m)-q(t_m)|≥αq(t_m)，则修正q(t_m)为 $q\left(t_m\right)=\frac{q\left(t_m\right)\·N+q_0\left(t_m\right)}{N+1}.$

3.根据权利要求2所述的无线局域网的负载均衡接入方法，其特征在于，步骤S3中，计算得到每个AP的最大流量阈值H(max)和极限流量阈值H(lim)的具体方法为：无线接入控制器检测到当前网络带宽为W，计算得到每个AP所能得到的平均带宽为进而得到每个AP的最大流量阈值极限流量阈值其中0.8≤β≤0.9。

4.根据权利要求2所述的无线局域网的负载均衡接入方法，其特征在于，步骤S4中，设置每个AP的流量阈值为H的具体方法为：

若 $\frac{q\left(t_m\right)}{N_0}\≤H\left(max\right),$ 则 $H=\frac{q\left(t_m\right)}{N_0},$ 否则，H＝H(max)。