CN108738098B - 一种wlan网络多接入点间无缝切换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法，属于通讯技术领域。本方法为：当移动终端需要执行AP切换时，将备选AP与移动终端建立多连接，SDN的控制器在备选AP中选择一个最合适的作为待切换AP，且移动终端与待切换AP间进行数据传输；同时移动终端保持一定时间内继续与当前连接的服务AP进行数据包传输，之后通过流表控制，使新切换的AP保持数据包传输，原接入的服务AP停止数据包传输。本发明的SDN控制器通过STA_INFO的下发能够快速建立移动终端与AP的关联，大幅减少来自于接入探测阶段的时延，同时通过多连接的方式获取移动终端备选AP的信号强度，进而可选择信号强度最好的AP进行切换。

Description

一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，特别涉及一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法。

背景技术

伴随移动终端的普及，无线终端数量的迅速增长，基于IEEE802.11的无线局域网(WLAN)作为5G的重要组成，越来越广泛地使用WLAN，WLAN的密集部署已经成为了网络发展趋势，以WLAN作为用户接入方式随处可见。基本服务集的网络中，移动终端必须与无线接入点(AP)进行探测、认证关联后，才能与该基本服务集中的其他结点进行通讯，单个接入点的网络覆盖范围较小，限制了移动终端的移动范围。对此，可以采用以下的两种办法来解决：增大接入点的覆盖范围或者增加网络之中的接入点的数量。

第一种方法采取增大接入点的覆盖范围，相应接入的用户的数量会增加，但是单个接入点的能力有限，所以采用第一种方法并不能很好的解决移动终端移动范围增加的问题。第二种方法通过增加无线接入点的数量来增大无线网络的范围是比较适合的方法，采用密集AP部署方案，利用有线交换机和无线AP组成一个分布式系统DS，多个基础服务集BSS组成一个扩展服务集ESS，ESS中所有AP共享一个ESSID。

传统的密集部署的方案，终端处于多个AP信息交叠区域，采用的是传统硬连接的方式，在一个扩展的服务集中，从一个接入点的覆盖范围走向另一个接入点的覆盖范围，移动终端需要重新去和新的接入点认证关联，无法无缝地切换到新的接入点之后。为了解决WLAN中AP与移动终端硬连接的方式，引入虚拟接入点的方法，将硬件接口关联状态抽象虚拟化为移动终端与软件交互点的连接关系，在WLAN环境下，结合软件定义网络SDN，对AP虚拟化的方法实现为AP上的移动终端提供一对一虚拟软接入点，即采用虚拟BSSID，同时引入控制端的集中控制，完成对用户的可控接入过程，利用虚拟软接入点实现终端在密集型WLAN中多点同时关联接入。

针对多接入点的切换的研究大多是关于软切换的，即通信的质量一般是缓慢的变化，当通信的质量低于一定的阈值后进行切换处理，移动终端保持与旧接入点的连接，等到新的接入点与其保持稳定的连接之后才断开旧接入点的连接，有充分的时间进行预处理，可实现网络不中断。硬切换则是断开旧连接再触发新的硬连接与通信质量更好的新接入点连接，此时会造成网络中断。研究表明，切换的延迟大多来于接入的探测阶段。通过软切换的方式可以大大减少切换的延迟。

发明内容

本发明为了解决现有技术中网络容易中断，提供一种低丢包率，实现移动终端在虚拟接入网的接入点之间无缝切换的方法。

一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法，当需要执行AP切换情形出现时，将备选AP与移动终端建立多连接，SDN控制器在备选AP中选择一个最合适的作为待切换AP，在确认可以执行AP切换后，移动终端与待切换AP间进行数据传输；同时移动终端保持一定时间内继续与当前连接的服务AP进行数据包传输，之后通过流表控制，使新切换的AP保持数据包传输，原接入的服务AP停止数据包传输，实现无缝切换功能。

进一步的，服务AP负责与移动终端间进行数据包传输，获取移动终端的接入信息STA_INFO及状态信息，并通过套接字socket上传到SDN控制器；当移动终端切换到新的服务AP后，删除原服务AP上的STA_INFO信息。

进一步的，移动终端的接入信息STA_INFO包括：移动终端的AID、AP的beacon间隔、支持速率。

进一步的，移动终端的状态信息包括：不活跃时间、接收字节数、接收包数、发送字节数、发送包数、发送重传、发送失败、接收信号强度RSSI、接收信号强度RSSI的平均值、发送比特速率、接收比特速率、是否认证、是否关联。

进一步的，在初始状态下，服务AP和备选AP的选取方法包括：

SDN控制器启动之后，读取所有AP配置表，根据AP邻接关系建立一个MAP映射表；

移动终端采用虚拟化接入方法与附近性能最好的AP连接，将其作为服务AP；

获取服务AP附近的AP作为备选AP。

进一步的，根据MAP映射表，建立当前服务AP及其附近的备选AP的关系表，由SDN控制器进行存储。

进一步的，所述移动终端采用虚拟化接入方法与附近性能最好的AP连接，具体包括：

无线网络发现阶段：移动终端发起探测请求获取无线网络信息，包括服务集标识SSID，无线接口的MAC地址BSSID；AP利用click系统组建一个用户态包处理系统，再利用libpcap接口捕获无线interface接收的请求帧，同时屏蔽AP设备内核的处理过程，并通过Agent组件与SDN控制器模块建立套接字socket连接，将请求帧封装后交由SDN控制器统一处理；采取的是先到先处理原则，即先将终端探测请求转发至SDN控制器的Agent将成为发送探测响应的AP，也即是性能最好的AP；

虚拟BSSID分配阶段：SDN控制器选定AP后，将为终端分配一个唯一的虚拟BSSID,同时利用Click系统提供的socket创建模块建立通信通道，利用句柄跨系统操作的特性将虚拟BSSID下发至AP端的Agent组件，并由Agent封装探测响应发送至终端；

虚拟化关联接入阶段：终端发送的认证和关联请求将由Agent维护的以虚拟BSSID构建的虚拟软接入点LVAP负责响应，继而完成用户虚拟化接入。

进一步的，当需要执行AP切换情形出现时，将备选AP与移动终端建立多连接，具体包括：

移动终端成功虚拟化接入后，与其关联的AP将移动终端的接入信息STA_INFO上传到SDN控制器中进行维护管理，当关联AP的接收信号强度下降到设定阈值，需要进行切换时，SDN控制器向备选AP下发移动终端的接入信息STA_INFO，形成多连接。

进一步的，当选择出待切换AP后，将其余备选AP中移动终端的接入信息STA_INFO进行删除。

进一步的，SDN控制器在备选AP中选择一个最合适的作为待切换AP，在确认可以执行AP切换后，移动终端与待切换AP间进行数据传输，具体包括：

移动终端与备选AP建立多连接后，备选AP定时将移动终端的状态信息上传给SDN控制器的无线漫游模块，无线漫游模块选取状态最好的AP作为待切换AP；若切换决策模块若认定待切换AP相对于当前服务AP更适合数据流通过，确认可以执行AP切换，则无线漫游模块准备进行切换；同时SDN控制器为待切换AP下发允许数据流通过的流表，为其他备选AP下发drop流表，限制其数据流通过。

本发明的有益技术效果为：SDN控制器维护移动终端接入信息(STA_INFO)，通过STA_INFO的下发能够快速建立移动终端与AP的关联，大幅减少来自于接入探测阶段的时延，同时通过多连接的方式获取移动终端备选AP的信号强度，进而可选择信号强度最好的AP进行切换。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例中SDN控制器启动初始化过程；

图2为本发明实施例中移动终端虚拟化接入系统网络的流程图；

图3为本发明实施例中无线漫游过程；

图4为本发明实施例中整体的大致流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员能更好地理解本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例和说明附图来进行完整的描述。

本发明主要可以包括如下几个步骤：

步骤a、如图1所示，SDN控制器启动之后，SDN控制器获得本网络各个AP设备信息，根据邻接关系建立一个MAP映射表。这个MAP映射表用于SDN控制器判断移动终端所在位置是否具有可以切换的AP。

步骤b、用户初始接入时，采用虚拟化接入(软连接)的方法接入到多接入点中性能最好的AP中，此关联AP作为当前的服务AP。由此AP进行数据包传输，此AP上传移动终端的接入信息STA_INFO到SDN控制器，同时定时上传移动终端的状态信息，主要指移动终端的信号强度值。

步骤c、SDN控制器检测移动终端在服务AP上的信号强度低于设定阈值，无线漫游模块根据SDN控制器维护的邻接MAP映射表，将服务AP附近的备选AP作为监听节点，下发STA_INFO形成多连接。通过SDN控制器下发流表给AP使得仅有一个AP进行数据流的传输。

移动终端与多个备选AP建立多连接目的是在不影响移动终端通信的情况下，SDN控制器能够获得用于判断切换的信息。

步骤d、与移动终端关联的各备选AP定时将移动终端的RSSI等信息上传给SDN控制器的无线漫游模块，无线漫游模块根据移动终端RSSI等信息决策切换操作。若满足切换条件，从监听节点选择出新的服务节点，其余监听节点删除STA_INFO信息。

步骤e、移动终端同时在原服务节点和新服务节点传输数据，在短暂的时候之后，通过流表控制，新服务节点继续传输数据，原接入点停止传输数据，实现无缝切换功能；

步骤f、移动终端切换到新的服务节点后，移除原服务节点上的STA_INFO信息，否则帧的错误重传等会对移动终端的性能造成影响。

步骤b具体包括以下步骤：

b1、移动终端发起探测请求给AP，AP屏蔽掉内核的处理，通过AP的接收模块，将探测请求帧封装，通过Socket传递给SDN控制器，由SDN控制器处理。

b2、SDN控制器处理模块对传递来的探测请求帧进行处理，针对移动终端地址生成BSSID，返回一个探测响应帧。收到SDN控制器传递过来的探测响应帧的AP接收模块对探测响应帧处理，同时对用户发送探测响应帧。

b3、移动终端收到探测响应帧后，与返回探测响应帧的AP进行认证关联，虚拟化接入到网络中。

b4、移动终端成功虚拟化接入后，与附近RSSI最高的AP关联。关联成功的AP，作为服务AP，服务AP的Agent将移动终端的STA_INFO信息通过Socket上传到SDN控制器进行维护和管理。

移动终端虚拟化接入网络的过程中，终端通过探测请求获取无线网络信息，移动终端周围的AP均能收到探测请求帧，最先收到探测请求的AP信号强度较高，选定为最优的AP，采取的是先到先处理原则，即先将终端探测请求转发至控制端的AP将成为发送探测响应的AP。

b5、对于移动终端而言，这些部署的多个AP相当于一个AP与它进行交互；当移动终端关联上部署的AP后，根据图1的映射表，SDN控制器为移动终端维护一个表，表内存放其关联的服务AP和它附近的AP。

图2为本发明实施例中移动终端虚拟化接入系统网络的流程图，包含探测、认证、关联阶段，以及获取DHCP，通过流表的方式允许传输数据流。

关于步骤c，当前接入点采集所述移动终端的接入信息(STA_INFO)并上传给SDN控制器，当需要准备切换时，SDN控制器将该移动终端的关联信息发送给当前接入点相邻的接入点，使相邻的接入点与移动终端形成关联，减去了探测、认证、关联的过程。数据包通过流表控制仅从信号强度值最好的AP传输数据。移动终端关联的多个AP定时上传RSSI等信息给SDN控制器。

具体步骤如下：

SDN控制器为移动终端维护的表，SDN控制器可以根据该表获得已关联的AP附近的AP。当信号强度下降到设定阈值，需要进行切换时，SDN控制器向表中未关联AP下发STA_INFO，形成多连接，目的是移动终端附近AP能够获取实时信号强度值，作为SDN控制器进行切换判断条件。

为避免形成多连接造成大量的重复帧影响移动终端进行通信，SDN控制器对拥有移动终端的STA_INFO的AP进行OpenvSwitch(OVS)流表调度，为最适合传输的接入节点下发允许数据流通过的流表，为其余附近作为监听的监听节点下发drop流表，限制其数据流通过。

关于步骤d，关联节点有STA_INFO，可以获得信号强度值，提取信号强度值到SDN控制器，SDN控制器通过决策模块进行判断是否要进行切换，若切换的条件满足，则进行切换，具体步骤如下：

d1、服务节点和监听节点提取RSSI值，通过Socket连接将RSSI值上传给SDN控制器的无线漫游模块；

d2、无线漫游模块对移动终端的RSSI值等信息进行判断，若决策模块综合考虑认定待切换的AP相对于当前传输数据的AP更适合数据流通过，选定其为新的服务节点，无线漫游模块准备进行切换；

d3、无线漫游模块中有针对移动终端维护的一个模块(ClientManager)用于管理移动终端的信息，更新该移动终端的服务节点，同时更新模块中保存的接入节点和相邻节点的邻接信息，删除非原服务节点和非新服务节点的AP的STA_INFO信息，断开与移动终端的连接，减少帧的错误重传等对移动终端的传输性能影响。

移动终端的STA_INFO信息包括：STA的AID、AP的beacon间隔、支持速率等。

AP获取关于移动终端的状态信息主要有：不活跃时间、接收字节数、接收包数、发送字节数、发送包数、发送重传、发送失败、RSSI值、RSSI平均值、发送比特速率、接收比特速率、是否认证、是否关联。AP会将这些信息通过socket连接上传给SDN控制器，SDN控制器在ClientManager模块中对应该移动终端存储其信息，供应无线漫游模块进行决策处理。

图3为本发明实施例中无线漫游过程，步骤e包括以下步骤：

e1、SDN控制器切换决策模块为新服务节点下发允许数据流通过的流表，具体通过Socket连接将下发的流表内容传递给AP的接收模块，AP的接收模块再更新流表内容；

e2、暂时保留原服务节点允许数据流通过的流表，通过多连接的方式，解决传统硬切换过程产生的时延和丢包，实现无缝切换。

为避免多连接带来的干扰，在200ms之后，为原服务节点下发drop流表以限制数据流通过。

本方法的核心思想是在分析用户在移动过程中需要进行切换的时候，预先通过SDN控制器将移动终端的认证信息等数据(STA_INFO)下发到待切换的接入点中，同时依靠OVS的流表控制使得关联中最适合传输数据流的AP对数据包进行传输。这样移动终端切换到另一个待传输数据流的接入点时，与该接入点有关的认证关联等信息已经存在，仅仅只需要对关联的AP中的流表进行操作，避免了再次进行探测关联认证等交互操作，由此可以大大的减少了切换中的延迟。在此方法中，邻近接入点的选择好坏对系统的性能有较大的影响。

图4是本发明的具体实施的整体的流程，该流程主要包括三个阶段：

一、切换之前：

主要实现的是虚拟化接入，同时SDN控制器中对移动终端信息进行维护和管理，如STA_INFO、IP地址、根据STA的MAC地址计算的BSSID值。

虚拟化接入主要包括三个阶段：

无线网络发现阶段：移动终端发起探测请求获取无线网络信息，包括服务集标识(SSID)，无线接口的MAC地址(BSSID)；AP中利用click系统组建一个用户态包处理系统，该系统利用libpcap接口捕获无线interface接收的请求帧，同时屏蔽设备内核的处理过程，并通过其核心组件Agent与SDN控制器模块建立套接字(socket)连接，将请求帧封装后交由SDN控制器统一处理；采取的是先到先处理原则，即先将终端探测请求转发至SDN控制器的Agent将成为发送探测响应的AP。

虚拟BSSID分配阶段：SDN控制器选定AP后，将为终端分配一个唯一的虚拟BSSID，分配的虚拟BSSID是由改造终端MAC地址得到。同时利用Click系统提供的socket创建模块建立通信通道，利用句柄跨系统操作的特性将虚拟BSSID下发至AP端的Agent组件，并由Agent封装探测响应发送至终端。

虚拟化关联接入阶段：经过前两个阶段，终端将获取一个虚拟BSSID，并成功发现网络。接着，终端发送的认证和关联请求将由Agent维护的以虚拟BSSID构建的虚拟软接入点SVAP负责响应，继而完成用户虚拟化接入。

二、流表调度：

由于多个AP均存在STA_INFO造成的多连接，可能会对移动终端的性能造成影响。通过流表调度，实现数据流仅从单一AP通过，形成一个上层单连接，底层多连接的一种形式。

三、切换之后：

主要是通过AP提取无线的信息，包括信号强度值，发送比特速率，接收比特速率等等无线信息，交于SDN控制器中进行管理的阶段。最主要的信息是信号强度值，这是无线漫游模块判断切换的主要条件，当移动终端附近AP信号强度值高于当前单一连接的AP达到某一阈值，进行切换。

Claims (8)

1.一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法，其特征在于：当需要执行AP切换情形出现时，将备选AP与移动终端建立多连接，SDN控制器在备选AP中选择一个最合适的作为待切换AP，在确认可以执行AP切换后，移动终端与待切换AP间进行数据传输；同时移动终端保持一定时间内继续与当前连接的服务AP进行数据包传输，之后通过流表控制，使新切换的AP保持数据包传输，原接入的服务AP停止数据包传输，实现无缝切换功能；

在初始状态下，服务AP和备选AP的选取方法包括：

SDN控制器启动之后，读取所有AP配置表，根据AP邻接关系建立一个MAP映射表；

移动终端采用虚拟化接入方法与附近性能最好的AP连接，将其作为服务AP；

获取服务AP附近的AP作为备选AP；

所述移动终端采用虚拟化接入方法与附近性能最好的AP连接，具体包括：

无线网络发现阶段：移动终端发起探测请求获取无线网络信息，包括服务集标识SSID，无线接口的MAC地址BSSID；AP利用click系统组建一个用户态包处理系统，再利用libpcap接口捕获无线interface接收的请求帧，同时屏蔽AP设备内核的处理过程，并通过Agent组件与SDN控制器模块建立套接字socket连接，将请求帧封装后交由SDN控制器统一处理；采取的是先到先处理原则，即先将终端探测请求转发至SDN控制器的Agent将成为发送探测响应的AP，也即是性能最好的AP；

虚拟BSSID分配阶段：SDN控制器选定AP后，将为终端分配一个唯一的虚拟BSSID,同时利用Click系统提供的socket创建模块建立通信通道，利用句柄跨系统操作的特性将虚拟BSSID下发至AP端的Agent组件，并由Agent封装探测响应发送至终端；

虚拟化关联接入阶段：终端发送的认证和关联请求将由Agent维护的以虚拟BSSID构建的虚拟软接入点LVAP负责响应，继而完成用户虚拟化接入。

2.根据权利要求1所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：服务AP负责与移动终端间进行数据包传输，获取移动终端的接入信息STA_INFO及状态信息，并通过套接字socket上传到SDN控制器；当移动终端切换到新的服务AP后，删除原服务AP上的STA_INFO信息。

3.根据权利要求2所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：移动终端的接入信息STA_INFO包括：移动终端的AID、AP的beacon间隔、支持速率。

4.根据权利要求2所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：移动终端的状态信息包括：不活跃时间、接收字节数、接收包数、发送字节数、发送包数、发送重传、发送失败、接收信号强度RSSI、接收信号强度RSSI的平均值、发送比特速率、接收比特速率、是否认证、是否关联。

5.根据权利要求1所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：根据MAP映射表，建立当前服务AP及其附近的备选AP的关系表，由SDN控制器进行存储。

6.根据权利要求1所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：当需要执行AP切换情形出现时，将备选AP与移动终端建立多连接，具体包括：

移动终端成功虚拟化接入后，与其关联的AP将移动终端的接入信息STA_INFO上传到SDN控制器中进行维护管理，当关联AP的接收信号强度下降到设定阈值，需要进行切换时，SDN控制器向备选AP下发移动终端的接入信息STA_INFO，形成多连接。

7.根据权利要求6所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：当选择出待切换AP后，将其余备选AP中移动终端的接入信息STA_INFO进行删除。

8.根据权利要求1所述的一种WLAN网络多接入点间无缝切换的方法：其特征在于：SDN控制器在备选AP中选择一个最合适的作为待切换AP，在确认可以执行AP切换后，移动终端与待切换AP间进行数据传输，具体包括：

移动终端与备选AP建立多连接后，备选AP定时将移动终端的状态信息上传给SDN控制器的无线漫游模块，无线漫游模块选取状态最好的AP作为待切换AP；若切换决策模块若认定待切换AP相对于当前服务AP更适合数据流通过，确认可以执行AP切换，则无线漫游模块准备进行切换；同时SDN控制器为待切换AP下发允许数据流通过的流表，为其他备选AP下发drop流表，限制其数据流通过。

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