CN1968165B - 无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在无线区域网络中移动终端移动时快速更新网络信息的方法，提供无线交换器(Wireless LAN Switch)在移动终端完成切换(hand-off)时，可以快速更新或移除无线交换器上的物理地址记录(MAC Table)信息，避免无线区域网络中各交换器的第二层(Layer2)封包交换，将数据封包转送至错误位置的问题，以及数据封包不连续或封包遗失的问题。

Description

无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法

技术领域

本发明涉及一种无线区域网络下进行第二层封包交换的方法，特别是涉及一种在无线区域网络中移动终端移动时快速更新网络信息的方法。

背景技术

在一般局域网络(LAN)环境中，交换器支持MAC桥接(IEEE802.1d)，并且利用其中的物理地址(MAC地址)记录进行快速的第二层封包交换，当存在多台交换器混接时，为避免网络环境发生循环而造成物理地址记录混乱，通常会执行IEEE 802.1d扩张树协议(Spanning Tree Protocol；STP)或IEEE 802.1w快速扩张树(Rapid STP；RSTP)算法来侦测网络环境。

相同IEEE标准协议及算法使用在无线局域网络(WLAN)环境中，当无线区网内的移动设备(例如：PDA、NoteBook)移动于不同存取点(Access Point；AP)之间时，将会发生阶段性的网络连结中断、封包不连续或封包遗失的问题，如图1所示。

在图1(a)中，在移动终端(Mobile Node；MN)10移动前，传送端(Sender)20持续传送数据封包至第一无线存取交换器30，移动终端10通过第一无线存取交换器30进行数据接收。

在图1(b)中，当移动终端10移动到第二无线存取交换器40之下时，虽然移动终端10已不在第一无线存取交换器30之下，但是由于局域网络中各交换器第二层封包交换时所需依凭的物理地址记录信息中关于移动终端的物理记录尚未更新或移除，导致传送端20所送出的数据封包经区网中交换器第二层封包交换后，依然会转送至第一无线存取交换器30，进而发生这些数据封包丢失的情况。

在图1(c)中，直到区网中各交换器的物理地址记录信息主动更新或被动逾期汰换后，传送端20所送出的数据封包才可顺利送至第二无线存取交换器40，移动终端10通过第二无线存取交换器40进行数据接收。

在局域网络环境中，通常交换器会支持MAC桥接(IEEE 802.1d)功能，其中主要包含两个部分：

1.物理地址记录表(MAC Table)：

提供物理地址记录及学习功能，避免不断重复广播已知目的地物理地址位置的数据封包，每笔记录的物理地址记录信息均有其有效时限，如在时限内未再收到来自此物理地址的数据封包，即逾期移除此笔记录信息，避免所记录的信息过于陈旧不合实际网络拓朴，一般预设逾期时限为30~300秒。

2.扩张树算法(Spanning Trees)：

提供局域网络拓朴自动侦测及防堵塞网络环境出现循环的状况，常见如扩张树协议(Spanning Tree Protocol；STP)或快速扩张树协议等，网络管理人员可依状况选择使用STP、RSTP或不执行。

其中利用物理地址记录表的信息，可以配合进行第二层快速封包交换，避免所有封包都要上CPU导致网络负载效能低落的问题；但当处于预期会有许多移动终端的无线局域网络环境中时，如物理地址记录表的信息无法配合移动终端的移动快速更新或移除旧有不正确的信息，就会发生数据封包由交换器快速封包交换至错误位置，导致移动过程封包丢失的问题。

在一般有线局域网络环境中，用户移动连结中断这些问题当然也会发生，只是有线环境的移动会有拔插网络线甚至重新设定参数的操作，此时重新联机的操作通常也就视为是理所当然的，但无线网络中，用户移动的发生并没有明显类似的网络连结开关(On-Off)操作，因此通常使用者预期是网络连结可以维持的。

由上述无线局域网络移动终端移动发生的问题，并针对因特网服务型态通信连结方式进行深入探讨，在移动终端移动时主要有下列三种情形：

情形1.：如图2所示，移动终端10移动后未主动发送封包，或超出逾期时限才发送封包。在达逾期时限之前，每个交换器使用旧有的物理地址记录表信息进行封包交换，导致时限内的封包全转送到错误位置，从而导致封包丢失，直到达逾期时限移除旧有信息后，才能正确转送到移动终端。此类网络服务通常客户端大部分处于数据接收状态，回传至传送端20的控制信息有一定的间隔，例如：数字视频会议、随选视频、数字广播以及大型档案或邮件的传递接收过程等。

情形2.：移动终端移动后在MAC信息逾期时限内主动发送封包。此状况与情形1类似，只是恰巧在逾期时限内主动送出响应信息给传送端；但在发生移动开始，至移动终端主动发出响应信息前，传送端送出的数据封包依然会丢失，只是封包丢失的时间区间不像情形1的整个逾期时限那样长。

情形3.：如图3所示，移动终端10移动后及时在传送端20送出下个封包前或立即主动发送封包。由于移动终端10移动后，在传送端20送出下个封包前或立即主动发送封包更新局域网络内的交换器上的物理地址记录表信息，因此可以避免封包丢失的情况。此类网络服务通常客户端要取得或更新数据前会主动发出要求信息，例如：网页浏览、在线游戏、小型档案或邮件的传输接收等。

所以，如何能针对上述无线局域网络移动终端移动发生的可能情形，设计出一种在无线区域网络中移动终端移动时快速更新网络信息的方法，成为一受关注的议题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法，借此来解决上述公知技术中所存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种在无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法，让支持此方法的无线交换器在移动终端完成切换时，可以快速更新或移除交换器上的物理地址记录信息，避免此区网各交换器的第二层封包交换，将数据封包转送至错误位置的问题，进一步避免了数据封包的丢失。

本发明公开两种实施例，第一实施例是利用网络拓朴改变通知(TopologyChange Notify)，由移动终端原存取(移动前)的无线交换器主动发出通知，清除区网中交换器所有往此方向的物理地址记录信息；第二实施例是利用物理地址代理处理(MAC Proxy Process)，由移动终端新存取(移动后)的无线交换器主动发出代理通知，更新区网中所有交换器上物理地址记录信息的移动终端MAC记录。以上二种实施例均是由无线交换器主动执行，且均可解决在无线区域网络中移动终端与存取点的连结过程中封包丢失的问题，只是执行点不同；建议同时实行二实施例，使无线交换器能更佳弹性的搭配运用，且能更有效减少物理地址记录老旧空档，避免数据封包转送至错误位置的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为公知在无线区网中移动终端封包遗失的示意图；

图2为公知在无线区域网络中移动终端移动后未主动发送封包，或超出逾期时限才发送封包的示意图；

图3为公知在无线区域网络中移动终端移动后及时在传送端送出下个封包前或立即主动发送封包的示意图；

图4为本发明在无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法的第一实施例流程图；

图5A为本发明的第一实施例示意图；

图5B为本发明的第一实施例示意图；

图6为本发明在无线区域网络中移动终端与存取点的快速连结方法的第二实施例流程图；

图7A为本发明的第二实施例示意图；

图7B为本发明的第二实施例示意图；及

图8为本发明的建议结合二实施例流程示意图。

其中，附图标记：

10  移动终端

20  传送端

30  第一无线交换器

40  第二无线交换器

MAC Table  目前交换器的物理地址记录表信息

步骤400  无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生离开异动

步骤410  无线交换器的无线存取端呼叫扩张树协议主动发出拓朴改变通知

步骤420  扩张树协议执行拓朴改变传播处理，将此信息通知交换器上其它连接(LinkUp)端口并发出通知网桥协议数据单元

步骤430  拓朴改变通知网桥协议数据单元依序通知到区网中所有的交换器移除往第一交换器方向的物理地址记录

步骤600  无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生加入异动

步骤610  无线交换器侦测到移动终端后，主动代替移动终端发送数据封包，通知区网内的交换器

步骤620  区网内的交换器根据收到的数据封包更新移动终端的物理地址记录往收到封包的方向

步骤630  传送端所送出的封包立即使用新物理地址记录转送封包至正确的无线交换器位置

步骤800  无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生离开异动(移除其存取记录)时；如支持第一实施例(图4)，则执行图4步骤(拓朴改变通知方法)

步骤810  无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生加入异动(新增其存取记录)时；如支持第二实施例(图6)，则执行图6步骤(物理地址代理方法)

注：交换器至少需支持第一或第二实施例其中一项

具体实施方式

本发明的实施可能在实际中的二个前提下可以排除：(一)、通常局域网络环境认定为在同一个IP子网络范围之内，即不会有重新取得或设定IP地址的需求，该情形属于第三层(Layer 3)切换或IP可动性(IP Mobility)的问题。(二)、假设此无线环境支持无间隙切换(Seamless hand-off)，即无线切换时间差在可接受范围内，硬件无线切换时间差不在考虑范围。

根据上述可知，如能在可接受时间内及时更新物理地址记录表的记录信息即可尽可能减少无线局域网络移动终端移动发生的封包丢失问题；而如果希望能够加速更新物理地址记录表信息，其方式主要有下列二种实施例：

第一实施例：通过等待达逾期时限被动移除物理地址记录方式。可简单直接设定较短的逾期时限，如1秒，但是极短的逾期时限也就代表记录信息很快就会被移除，造成经常有数据封包要封包交换时，找不到记录只好设法学习物理地址利用广播方式处理该数据封包，而每次学习的又很快被移除，最后导致几乎所有数据封包都以广播方式递送，不但使MAC桥接(IEEE 802.1d)功能形同虚设，而且还浪费网络资源。除了此方式外，其实还能通过搭配运作的扩张树算法来提前触发逾期时限，此方法定名为拓朴改变通知(Topology ChangeNotify；TCN)方法。

第二实施例：通过由收到数据封包主动更新物理地址记录方式。虽然不可能要求全球所有客户端(移动终端)在每次移动后，发出控制信息封包来更新交换器物理地址记录信息，但却可以使用另外一种方式来达成，此方法定名为物理地址代理(MAC Proxy)方法。

以上二种实施例的方式均能解决之前所提出的问题，虽然可能无法完全避免封包的丢失，但是能尽可能控制及减少封包丢失的情形在允许的范围之内，甚至在某些网络服务情况下能完全避免掉封包丢失的情形。

下面针对上述所提及的二种实施例作详细说明。

第一实施例：拓朴改变通知方法：要删除物理地址记录表信息，除了记录逾期外，扩张树算法中当发生网络拓朴改变时，在其协议运行上会发出含改变通知信息的网桥协议数据单元(Bridge Protocol Data Unit；BPDU)，要求局域网络内的其它交换器清除接收到此网桥协议数据单元的连接端口相关的所有物理地址记录；需注意的是此处所判定的网络拓朴改变是指区网上的交换器异动，不包含一般终端用户设备(不执行扩张树协议的设备)，而移动终端是一般终端用户设备，因802.1d规定支持802.11时不可连结独立的BSS(独立Basic Service Set，即ad-hoc环境)。在有线环境中，交换器通常与其它设备均是通过独立的连接端口一对一连结，因此可以由连接端口对应的连结状态(LinkUp/LinkDown)来判定是否有拓朴改变，但在无线环境中，无线存取点如同集线器(Hub)一般，总是启动着等待终端设备的存取连结，故不会有无线存取连结状态的变动，只拥有目前存取设备的统计及其基础信息。

请参考图4，在无线区域网络中移动终端移动时快速更新网络信息的方法的第一实施例，包含下列步骤：无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生离开异动(步骤400)；无线交换器的无线存取端呼叫扩张树协议主动发出拓朴改变通知(步骤410)；上述二步骤通过监测无线存取设备统计及基础信息，如目前已连结数以及存取设备的物理地址等，一旦侦测到存取设备发生移动至其它存取点的情况(无线端记录的物理地址将移除)时，主动通知扩张树协议触发无线端异动处理，此监测行为建议加在无线端驱动程序中，即可主动取得无线存取信息，避免使用外部模块进行定时询问，扩张树协议一旦接获无线端记录移除异动通知，立即将无线端扩张树算法信息设定为拓朴改变(TC)，并进行拓朴改变传播(TC Propagating)处理，将此改变通知无线交换器上其它连接端口并发出相关通知网桥协议数据单元(步骤420)；拓朴改变通知网桥协议数据单元依序通知到局域网络中所有的交换器，并移除往第一交换器方向的物理地址记录(步骤430)；其中拓朴改变传播处理通过广播方式递送，如采用扩张树协议(STP)则使用拓朴改变通知网桥协议数据单元，如为快速扩张树协议则使用设定拓扑改变标记(TC-flag)的RST网桥协议数据单元。

依据上述实施例步骤，拓朴改变通知方法的运行情形示例如图5A及图5B所示。

如图5A(a)所示，交换器A、C、D中所有要送往移动终端10的物理地址记录均是往交换器B的方向。

如图5A(b)所示，当移动终端10要自交换器B移动至交换器C时，交换器B的无线端侦测出异动，通知扩张树协议主动发出拓朴改变通知网桥协议数据单元依序通知到局域网络中所有的交换器移除往交换器B方向的物理地址记录。

如图5B(c)所示，当传送端20要传送数据封包至移动终端10时，由于各交换器目前均无移动终端10的物理地址记录，故采用广播方式处理该数据封包。

如图5B(d)所示，待区网中交换器学习到移动终端10的物理地址记录，即可直接递送至交换器C下的移动终端10。

此方式可解决无线区网环境，物理地址记录来不及更新的问题，但此方式有个缺点，由于使用扩张树协议的拓朴改变通知机制所移除的物理地址记录，不只是移动终端10的物理地址记录，而是各交换器所有往交换器B方向的物理地址记录，故会造成其它依然需送往交换器B的通信连结，也要重新学习一次物理地址记录，学到前将暂时以广播方式处理数据封包。

第二实施例：物理地址代理(MAC Proxy)方法：虽然无法强行要求全球所有客户端(移动终端)在每次移动后，主动发出封包来更新物理地址记录，但是却可通过类似ARP代理(ARP Proxy)机制或IP Mobility的绑定更新(BindingUpdate)程序的概念来处理，由无线交换器代替移动终端主动发出封包来更新物理地址记录，故此方式称之为物理地址代理(MAC Proxy)方法。此方式无须通过扩张树或其它算法协议，可直接配合无线交换器无线端所记录的存取设备的统计及基础信息来运行。

请参考图6，为在无线区域网络中移动终端移动时快速更新网络信息的方法的第二实施例，包含下列步骤：无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生加入异动(步骤600)；无线交换器侦测到移动终端后，主动代替移动终端发送数据封包，通知局域网络中所有的交换器(步骤610)；上述二步骤是通过监测无线存取设备统计及基础信息，如目前已连结数以及存取设备的物理地址等，一旦发现有新存取设备要求要加入无线交换器所涵盖区域(无线端记录的物理地址将新增)时，主动进行封包代理发送程序，此监测行为建议加在无线端驱动程序中，即可主动取得无线存取信息，避免使用外部模块进行定时询问，无线交换器进行数据封包代理发送程序时，除了无线端外，所有连接端口状态为转送(Forwarding)的连接端口均需发送，主动通知要求局域网络中各交换器，区网中的交换器收到该数据封包并据此往收到数据封包的方向更新移动终端的物理地址记录(步骤620)；之后传送端所送出的封包立即使用新的记录信息进行封包交换，转送至正确的无线交换器位置(步骤630)；其中代理发送的数据封包的发送来源物理地址需填写由无线端取得的新加入移动终端物理地址，而目的地端物理地址则需为未使用过(未被学习或不可能学习到)的物理地址或广播物理地址，封包内容则不限定，只要非第二层网桥协议数据单元等无法被学习的控制信息即可，建议采用ARP访问信息(ARP Query Message)，甚至自订数据信息格式，可保留将来作为区网内交换器信息切换延伸控制之用。

依据上述实施例步骤，物理地址代理方法的运行情况示例如图7A和图7B所示：

如图7A(a)所示，交换器A、C、D中所有要送往移动终端10的物理地址记录均是往交换器B的方向。

如图7A(b)所示，当移动终端10要从交换器B移动至交换器C时，交换器B的无线端侦测出异动，但不进行任何处理。

如图7B(c)所示，交换器C代替移动终端10发送数据封包，依序通知局域网络中所有的交换器直接更新移动终端物理地址记录由往交换器B换成往交换器C方向。

如图7B(d)所示，当传送端20要传送数据封包至移动终端10时，由于物理地址记录依然可正确查到，故无须经过广播封包方式，即可直接递送至交换器C下的移动终端。

此方式可解决无线区网环境，物理地址记录不及时更新问题，但由于需等到完成加入新无线交换器(交换器C)涵盖范围内后，才会进行物理地址记录更新，故此方式各交换器保存有旧物理地址记录的空窗期会比前一机制长，当然此方式发生封包丢失的机率也会比上述第一实施例高些。

以上提出的二种实施例均能解决无线区网环境，物理地址记录来不及更新的问题，但是各有优劣，故建议同时实行二实施例，如图8所示，可使数据封包丢失的情形能降至最低且在混和搭配其它不支持此二机制的设备时，也能在设备本身及相邻的涵盖区域内达到一定的快速切换效果。

此外，如果无线局域网络环境中有启用虚拟局域网络(VLAN)时，即移动终端10为其中某一虚拟局域网络上的成员，第一实施例可改成搭配多重扩张树协议(MSTP)及第二实施例所代理发送的数据封包加上虚拟局域网络标记(VLAN-tag)后，就可配合支持。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种在无线区域网络中移动终端移动时，利用拓朴改变通知，快速更新网络信息的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

无线交换器侦测到其邻近范围内的一移动终端发生离开异动；

该无线交换器的无线存取端呼叫扩张树协议主动发出拓朴改变通知；

扩张树协议执行拓朴改变传播处理，将此拓朴改变通知无线交换器上其它连接端口并发出相关通知网桥协议数据单元；

拓朴改变通知网桥协议数据单元依序通知到局域网络中所有的交换器，并移除往该无线交换器方向的物理地址记录。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该无线交换器为该无线区域网络的存取点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该无线交换器侦测到该移动终端发生异动是指无线端记录的移动终端信息将被移除。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该无线端记录的移动终端信息包含物理地址信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该扩张树协议还包含快速扩张树协议。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该拓朴改变传播处理通过广播通知网桥协议数据单元方式递送。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用虚拟网络环境下还包括一以一多重扩张树协议取代扩张树协议的处理步骤。

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