CN105430688A - 一种基于软件定义网络的wlan架构 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于软件定义网络技术的无线局域网架构，为提高网络资源利用率，解决网络的负载不均衡问题，提出一种切换策略。利用软件定义网络架构控制器的全局视图与集中管控能力，通过改进的OpenFlow协议对网络中的各个接入点进行实时监测，分析接入点状态信息，为终端找到性能最优的接入点，由控制器发送管理消息完成切换。进行硬件平台和仿真平台实验，结果表明方案有效平衡了接入点间的负载，提高了网络的吞吐量。

Description

一种基于软件定义网络的WLAN架构

技术领域

本发明涉及基于软件定义网络的无线局域网组网架构，特别涉及无线局域网负载均衡切换策略的设计。

背景技术

无线局域网以灵活高效、易于扩展等特点被广泛应用于机场、学校、办公场所等各类场合，供无线终端设备接入并访问网络资源，无线局域网是当今网络通信技术的重要组成部分。而随着社会的快速发展，无线终端产品种类及数量的快速增加，网络服务也越来越多样化，人们对无线资源的需求也越来越大。传统网络架构暴露出越来越多的问题，如网络管理复杂、网络资源利用率低等，迫切需要对传统的无线局域网架构进行变革。

软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking,SDN)作为一种新的网络架构受到研究者的关注，它的核心思想是将网络的控制权分离出来，交给SDN控制器管理，控制器拥有网络的全局视角，网络管理者可以灵活地部署各种策略，集中管理底层的物理设备。

OpenFlow是SDN的关键技术之一，基于OpenFlow的软件定义网络架构主要有三部分组成，即OpenFlow交换机，控制器和OpenFlow协议。控制器通过OpenFlow协议对交换机进行管理，掌握全局拓扑及链路信息，交换机负责数据转发。同时，控制器具有可编程的特性，网络管理者可以以软件的方式灵活地部署管控策略。

近年来，将SDN与无线局域网融合成为研究的热点。OpenRoads(参见文献：OpenRoads:Empoweringresearchinmobilenetworks[J].ACMSIGCOMMComputerCommunicationReview,2010,40(1):125-126.)是一种基于SDN的移动网络创新平台，提供灵活的控制、虚拟化以及高度的抽象，允许研究者进行一系列创新性实验，该架构取得了较好的成效。Odin(参见文献：TowardsprogrammableenterpriseWLANSwithOdin[C]ProceedingsofthefirstworkshoponHottopicsinsoftwaredefinednetworks.ACM,2012:115-120.)是一种基于SDN的企业级无线网络架构，该架构中，控制器为每个接入点维护一个“LVAP”进程，应用层通过操作进程实现对接入点的管理，该架构需要使用私有的Odin协议，且协议本身存在较多的问题，该架构虽提出较早，并未实际应用。国防科技大学的Zhao.D等人提出SDWLAN架构(参见文献：AflexiblearchitectureofenterpriseWLANforclient-unawarefastAPhandoff[C]Computing,CommunicationandNetworkingTechnologies(ICCCNT),2014InternationalConferenceon.IEEE,2014:1-6.)，将物理AP的MAC功能转移到控制层实现，物理AP只对收到的数据包进行封装和转发，由控制层的策略对数据进行处理，该架构中，控制器需要处理大量的数据，易成为网络的瓶颈。

发明内容

本发明要解决的问题是：传统无线局域网架构难以实现集中化管理，网络负载不均衡等问题。传统网络架构由于难以拥有全局视角，管理者难以部署管理策略，终端采用基于信号强度的切换机制，易导致网络负载不均衡的问题。

本发明的技术方案如下：一种基于软件定义网络的WLAN架构，其包括物理设备层、OpenFlow协议、控制器和应用模块，所述物理设备层中的接入点设备采用OpenWrt操作系统，安装OpenvSwitch实现对OpenFlow协议的支持；控制器用于通过OpenFlow协议对物理设备层进行管理，所述控制器包括用于管理物理层设备的管理组件模块和网络管理者根据不同需求而开发的策略组件模块；对OpenFlow协议进行扩展，使其适合无线网络，并能用于管理AP接入点设备；应用模块用于改善用户的各种应用体验。

进一步的，所述OpenFlow协议扩展具体包括：

1)增加字段SSID和BSSID，使控制器对数据分组进行匹配和修改，802.11MAC层数据包具有用于标识AP的一个字段BSSID，以太网数据包在发送到无线客户端之前，添加相应的BSSID字段，并转换为802.11的帧格式，从终端发送到以太网的分组会首先校验BSSID字段，再将其发送到对应的AP上，并由AP转换为以太网帧格式；

2)增加规则动作MAC_FilterMAC地址过滤，使控制器操作AP的MAC表，控制器通过该动作操作AP的MAC表，当AP需要为终端服务时，将终端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，则从MAC表中删除；

3)增加AP_Status_Request接入点状态请求报文、AP_Status_Reply接入点状态答复报文，使控制器获取AP的状态信息，控制器通过AP_Status_Request消息主动请求AP参数，AP通过AP_Status_Reply报文进行响应。

进一步的，所述管理组件模块包括AP管理模块、用户认证模块、流表安装模块及策略下发模块，其中AP管理模块用于发现网络中的的AP设备，建立控制器与AP之间的管理隧道，获取AP的状态信息，对AP设备进行配置和管理；用户认证模块，用户认证模块将验证终端是否具有接入网络的权限；流表安装模块，AP根据流表进行数据转发，该模块根据网络管理者部署的策略生成流表并安装到对应的AP上；策略下发模块，策略组件并不直接与底层的物理设备通信，而是通过管理组件的策略下发模块完成对AP的管理。

进一步的，所述策略组件是由网络管理者根据不同需求而开发的各种模块，包括状态获取、权值维护和切换控制三个主要模块：

1)状态获取模块，该模块通过OpenFlow协议的AP_Status_Request接入点状态请求报文消息获取AP的状态信息，包括终端信号强度、已连接的终端数和可用带宽，作为计算AP权值的参数；

2)权值计算模块，该模块使用状态获取模块得到的参数计算每个AP的权值，不断对各AP的权值进行更新以反映实时的网络情况；

3)切换控制模块，该模块负责终端切换，同时保持切换过程中数据连接不中断。

进一步的，负载均衡切换时控制器策略组件的状态获取模块获取AP的状态参数后将对AP的权值进行计算，计算公式为：

$W_{i,j}=\frac{S_{i,j}\×V_i}{M_i+1}$

式中W_i,j表示AP_i相对于UE_j的权重，M_i表示AP_i已服务的终端数，V_i表示AP_i在一段时间内的平均带宽空闲率，S_i,j表示AP_i接收的UE_j信号强度，S_i,j通过Beacon帧或ProbeRequest帧获得。

进一步的，设AP_i的最大带宽B_imax，已用带宽B_imax，V_i的计算公式为：

$V_i=\frac{B_{imax}-B_{iused}}{B_{imax}}.$

进一步的，策略组件的切换控制模块设置一个切换因子，控制器在切换时计算备选AP与原AP的切换因子，仅当该值大于系统切换因子阈值P*时，控制器才执行切换，切换因子的计算公式为：

$P_{i,j}=\frac{W_i-W_j}{W_j}$

上式中，P_i,j表示AP_i与AP_j的切换因子，W_i为备选AP的权值，W_j为原AP的权值。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出一种基于软件定义网络的无线局域网架构，使控制器可以对接入点进行集中管理，基于该架构提出一种负载均衡策略，使控制器通过获取接入点的实时负载来为终端选择性能最优的接入点，从而有效避免负载不均衡的问题，提高网络资源的利用率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例系统架构示意图；

图2为本发明中终端切换示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明提出的基于软件定义网络的无线局域网架构如附图1所示，由物理层设备、OpenFlow协议、控制器和各应用模块构成，接下来将对系统架构进行详细介绍。

1.物理层对传统的接入点进行改造，网络中的接入点均使用OpenWrt操作系统，安装OpenvSwitch实现对OpenFlow协议的支持。接入点的无线网卡均工作在Monitor模式，这种模式下接入点可以侦测所有的802.11帧信号。另外AP需要对接收的帧进行提取，一方面是对终端信号强度等参数的提取，这些信息是控制器策略部署的依据，另一方面需要提取数据帧类型、目的地址、源地址和BSSID等，这些信息将用于执行控制器的匹配和转发动作。在接入点上开发了状态采集模块，可以收集终端的信号强度和自身的状态参数，包括可用带宽、已连接终端数等，这些参数以OpenFlow消息的形式发送至SDN控制器。

2.标准OpenFlow1.3协议在制订时并未考虑无线网络的特性，不能用于管理AP设备，因此本发明对OpenFlow1.3协议进行扩展，主要包括以下三个方面：

1)为使控制器可以对数据分组的进行匹配和修改，增加新的字段SSID和BSSID。802.11MAC层数据包具有用于标识AP的一个特定字段“BSSID”。以太网数据包在发送到无线客户端之前，需要添加相应的BSSID字段，并转换为802.11的帧格式。相应地，从终端发送到以太网的分组会首先校验BSSID字段，再将其发送到对应的AP上，并由AP转换为以太网帧格式。

2)为使控制器操作AP的MAC表，增加新的规则动作“MAC_Filter”。控制器通过该动作可以操作AP的MAC表，当AP需要为终端服务时，将终端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，则从MAC表中删除。

3)为使控制器获取AP的状态信息，增加AP_Status_Request、AP_Status_Reply消息报文。控制器通过AP_Status_Request消息主动请求AP参数，AP通过AP_Status_Reply报文进行响应。

3.控制器是架构的核心，SDN控制器南向接口通过OpenFlow协议对AP设备进行管理，可以动态地添加、删除、修改交换设备的流表项，从而改变网络设备的转发规则，实现对整个网络的集中化控制，同时控制器可以获取AP的状态参数，作为部署管理策略的依据。本发明使用Ryu控制器，基于Python语言开发了管理组件和策略组件，下面将对各部分功能进行分别介绍。

管理组件是控制器的核心部分，负责物理层设备的管理，是实现策略组件的基础，管理组件主要包括以下几个部分：

1)AP管理模块。发现网络中的的AP设备，建立控制器与AP之间的管理隧道，获取AP的状态信息，对AP设备进行配置和管理。

2)用户认证模块。终端在接入网络前需要验证是否具有接入权限，在SDN架构中，由于控制器对用户数据具有统一的管理，用户在首次访问网络时，数据会首先发送到控制器，用户认证模块将验证终端是否具有接入网络的权限。

3)流表安装模块。AP根据流表进行数据转发,该模块根据网络管理者部署的策略生成流表并安装到对应的AP上。

4)策略下发模块。策略组件并不直接与底层的物理设备通信，而是通过管理组件的策略下发模块完成对AP的管理。

策略组件是由网络管理者根据不同需求而开发的各种模块，本发明为实现负载均衡切换开发了状态获取、权值维护和切换控制三个模块，各模块功能如下：

1)状态获取模块。该模块通过OpenFlow协议的“AP_Status_Request”消息获取AP的状态信息，包括终端信号强度、已连接的终端数目和可用带宽等，作为计算AP权值的参数。

2)权值计算模块。该模块使用状态获取模块得到的参数计算每个AP的权值。同时，AP的权值是随着网络环境不断变化的，该模块需要不断对各AP的权值进行更新以反映实时的网络情况。

3)切换控制模块。该模块负责终端切换，同时保持切换过程中数据连接不中断。

4负载均衡切换策略

在无线局域网中，影响接入点性能的参数主要有信号强度(S)、接入终端数(M)和可用带宽(V)。信号强度是判断接入点优劣的基本参数，通常情况下，信号强度越大，数据传输时的抗干扰能力越强；接入终端数可以衡量AP的负载情况，AP服务的终端越多，需要传输的管理及数据帧越多，负载越大；可用带宽也是衡量AP负载的重要参数，可用带宽越多表明AP越空闲，能为终端提供越多的带宽资源也就越多。

本发明提出的负载均衡策略主要思想是，控制器实时监测各AP的状态，根据负载情况为每台AP赋予一个权值。信号强、终端接入数量少、带宽空闲率高的AP负载小，设置较大的权值，由控制器根据权值为终端选择接入点。AP的权值随负载的增加而变小，当终端接入的AP不满足要求时，由控制器主动将其切换到其它的AP上，从而保证终端接入的总是权值最大即性能最优的AP，以实现全网范围内的负载均衡功能。

本发明提出的无缝切换主要思想是，在无线局域网中，终端发送的数据帧可以被具有相同SSID与BSSID的多个AP同时接收，但每个终端只能由一台AP服务。将网络中所有的AP设置相同的SSID和BSSID，由控制器选择具体的AP为终端服务，切换时控制器需要执行两个关键步骤：

1)更新原AP流表，停止接收与发送终端数据，将终端MAC地址从AP的MAC服务表中删除，不再向终端发送ACK应答，结束服务。

2)更新备选AP的流表，将终端MAC地址加入MAC服务表，由该AP负责数据包的接收与发送，向终端发送ACK应答，开始服务。

控制器获取AP的状态参数后将对AP的权值进行计算，计算公式为：

$W_{i,j}=\frac{S_{i,j}\×V_i}{M_i+1}$

式中W_i,j表示AP_i相对于UE_j的权重。S_i,j表示AP_i接收的UE_j信号强度，S_i,j通过Beacon帧或ProbeRequest帧获得，由于信号强度会因为各种干扰因素发生突变，为更准确地反应一段时间内终端与AP之间的链路质量，通过下面的公式计算信号强度值：

S＝0.25*S_old+0.75*S_new

式中S_old为上一次接收的终端信号强度，S_new为当前信号强度。

Vi表示AP_i在一段时间内的平均带宽空闲率，它反应AP_i上所有终端对带宽的占用情况。设AP_i的最大带宽B_imax，已用带宽B_imax，V_i的计算公式为：

$V_i=\frac{B_{imax}-B_{iused}}{B_{imax}}$

M_i为AP_i已服务的终端数，M的该值可能为0，故将该参数加1。

控制器需要维护一个权重表，表中第一行为网络中所有的AP，第一列为所有的终端，值为终端对应AP的权重，若AP未覆盖终端，则权重值为0，该表每个周期更新一次。

同时，我们发现如果终端的备选AP与原AP具有相似的权重，终端会在两台AP间来回切换，这不仅增加了控制器的工作量，对均衡网络负载也没有帮助，同时还会增加无用切换，造成系统吞吐量的下降。为避免这一现象，本发明增加一个切换因子，当控制器在切换时计算备选AP与原AP的切换因子，仅当该值大于系统切换因子阈值P*时，控制器才执行切换。切换因子的计算公式为：

$P_{i,j}=\frac{W_i-W_j}{W_j}$

上式中，P_i,j表示AP_i与AP_j的切换因子，W_i为备选AP的权值，W_j为原AP的权值。系统切换因子P*的取值范围是0～1，根据需要进行设置，当希望终端优先选取性能最优的AP而不关注切换的性能影响时，可以将P*设置为较小的值，反之则设置较大值。

终端首次请求接入无线局域网时，由AP将终端信息发送至控制层，在确认具有接入权限后，控制器将查询权重表，找到终端的权值最大AP，发送管理消息，由该AP为终端服务。

控制器维护的权重表随着网络的不断变化而变化，当为终端服务的AP不是最优时，将由控制器重新为终端寻找权值最大的AP，并执行切换动作。切换流程如附图2所示：

1)控制器获取AP的状态信息，计算AP的权值。

2)控制器对AP的权值进行更新。

3)遍历AP权值表，查找比终端当前接入的AP权值更大的备选AP。

4)若找到备选AP，则计算备选AP与原AP的切换因子。

5)若切换因子大于系统的切换因子，则控制器执行切换动作，否则不切换。

本发明使用软件定义网络技术，提出了一种无线局域网的组网方式，并通过对OpenFlow协议的扩展，实现了控制器对接入点的集中化管理；通过综合考虑影响接入点性能的因素，提出了一种无缝切换机制和负载均衡策略，有效均衡了网络的负载并提高了系统的吞吐量。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：包括物理设备层、OpenFlow协议、控制器和应用模块，所述物理设备层中的接入点设备采用OpenWrt操作系统，安装OpenvSwitch实现对OpenFlow协议的支持；控制器用于通过OpenFlow协议对物理设备层进行管理，所述控制器包括用于管理物理层设备的管理组件模块和网络管理者根据不同需求而开发的策略组件模块；对OpenFlow协议进行扩展，使其适合无线网络，并能用于管理AP接入点设备；应用模块用于改善用户的各种应用体验。

2.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：所述OpenFlow协议扩展具体包括：

1)增加字段SSID和BSSID，使控制器对数据分组进行匹配和修改，802.11MAC层数据包具有用于标识AP的一个字段BSSID，以太网数据包在发送到无线客户端之前，添加相应的BSSID字段，并转换为802.11的帧格式，从终端发送到以太网的分组会首先校验BSSID字段，再将其发送到对应的AP上，并由AP转换为以太网帧格式；

2)增加规则动作MAC_FilterMAC地址过滤，使控制器操作AP的MAC表，控制器通过该动作操作AP的MAC表，当AP需要为终端服务时，将终端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，则从MAC表中删除；

3)增加AP_Status_Request接入点状态请求报文、AP_Status_Reply接入点状态答复报文，使控制器获取AP的状态信息，控制器通过AP_Status_Request消息主动请求AP参数，AP通过AP_Status_Reply报文进行响应。

3.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：所述管理组件模块包括AP管理模块、用户认证模块、流表安装模块及策略下发模块，其中AP管理模块用于发现网络中的的AP设备，建立控制器与AP之间的管理隧道，获取AP的状态信息，对AP设备进行配置和管理；用户认证模块，用户认证模块将验证终端是否具有接入网络的权限；流表安装模块，AP根据流表进行数据转发，该模块根据网络管理者部署的策略生成流表并安装到对应的AP上；策略下发模块，策略组件并不直接与底层的物理设备通信，而是通过管理组件的策略下发模块完成对AP的管理。

4.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：所述策略组件是由网络管理者根据不同需求而开发的各种模块，包括状态获取、权值维护和切换控制三个主要模块：

1)状态获取模块，该模块通过OpenFlow协议的AP_Status_Request接入点状态请求报文消息获取AP的状态信息，包括终端信号强度、已连接的终端数和可用带宽，作为计算AP权值的参数；

2)权值计算模块，该模块使用状态获取模块得到的参数计算每个AP的权值，不断对各AP的权值进行更新以反映实时的网络情况；

3)切换控制模块，该模块负责终端切换，同时保持切换过程中数据连接不中断。

5.根据权利要求4所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：

负载均衡切换时控制器策略组件的状态获取模块获取AP的状态参数后将对AP的权值进行计算，计算公式为：

$W_{i,j}=\frac{S_{i,j}\×V_i}{M_i+1}$

式中W_i,j表示AP_i相对于UE_j的权重，M_i表示AP_i已服务的终端数，V_i表示AP_i在一段时间内的平均带宽空闲率，S_i,j表示AP_i接收的UE_j信号强度，S_i,j通过Beacon帧或ProbeRequest帧获得。

6.根据权利要求5所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：

设AP_i的最大带宽B_imax，已用带宽B_imax，V_i的计算公式为：

$V_i=\frac{B_{imax}-B_{iused}}{B_{imax}}.$

7.根据权利要求4所述的基于软件定义网络的WLAN架构，其特征在于：

策略组件的切换控制模块设置一个切换因子，控制器在切换时计算备选AP与原AP的切换因子，仅当该值大于系统切换因子阈值P*时，控制器才执行切换，切换因子的计算公式为：

$P_{i,j}=\frac{W_i-W_j}{W_j}$

上式中，P_i,j表示AP_i与AP_j的切换因子，W_i为备选AP的权值，W_j为原AP的权值。