基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现

————————————————————————————————————————————————基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现作者赵国锋，黎军，王新恒，陈攀，葛长威机构重庆邮电大学电子信息与网络研究院；重庆市光通信与网络高校重点实验室DOI10.3969/j.issn.1001-3695.2017.12.0767基金项目国家自然科学基金资助项目（61402065）预排期卷《计算机应用研究》2019年第36卷第5期摘要基于软件定义网络将网络的控制平面与转发平面分离，并提供开放的可编程接口等特点，提出一种基于SDN的AP负载感知的切换算法，去减少网络中频繁切换和使AP间负载相对均衡。该方法利用SDN集中控制功能，实时监控AP的网络状态信息，并由控制器判断AP负载状态和预测终端运动状态来辅助切换过程。实验结果表明该切换方法可以减少切换次数和平衡AP间的负载，保证用户网络服务质量。关键词软件定义网络；可编程接口；负载均衡；信息状态作者简介赵国锋（1972-），男，重庆人，教授，博导，主要研究方向为互联网技术、软件定义网络；黎军（1991-），男（通信作者），湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向为SDN、LTE无线接入网技术；王新恒（1988-），男，山东枣庄人，博士研究生，主要研究方向为未来网络；陈攀（1993-），男，四川成都人，硕士研究生，主要研究方向为未来网络；葛长威（1990-），男，河南安阳人，硕士研究生，主要研究方向为未来网络、无线网络优化．中图分类号TN915.07访问地址投稿日期2017年12月26日修回日期2018年2月12日发布日期2018年4月18日引用格式赵国锋,黎军,王新恒,陈攀,葛长威.基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现[J/OL].2019,36(5).[2018-04-18].第36卷第5期计算机应用研究Vol.36No.5优先出版ApplicationResearchofComputersOnlinePublication——————————基金项目：国家自然科学基金资助项目（61402065）作者简介：赵国锋（1972-），男，重庆人，教授，博导，主要研究方向为互联网技术、软件定义网络；黎军（1991-），男（通信作者），湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向为SDN、LTE无线接入网技术；王新恒（1988-），男，山东枣庄人，博士研究生，主要研究方向为未来网络；陈攀（1993-），男，四川成都人，硕士研究生，主要研究方向为未来网络；葛长威（1990-），男，河南安阳人，硕士研究生，主要研究方向为未来网络、无线网络优化．基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现*赵国锋1,2，黎军1，王新恒1，陈攀1，葛长威1(1.重庆邮电大学电子信息与网络研究院,重庆400065;2.重庆市光通信与网络高校重点实验室,重庆400065)摘要：基于软件定义网络将网络的控制平面与转发平面分离，并提供开放的可编程接口等特点，提出一种基于SDN的AP负载感知的切换算法，去减少网络中频繁切换和使AP间负载相对均衡。该方法利用SDN集中控制功能，实时监控AP的网络状态信息，并由控制器判断AP负载状态和预测终端运动状态来辅助切换过程。实验结果表明该切换方法可以减少切换次数和平衡AP间的负载，保证用户网络服务质量。关键词：软件定义网络；可编程接口；负载均衡；信息状态中图分类号：TN915.07doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2017.12.0767ImplementationofWLANloadawarehandovermethodbasedonSDNZhaoGuofeng1,2,LiJun1,WangXinheng1,ChenPan1,GeChangwei1(1.InstituteofElectricalInformation&NetworkEngineering,ChongqingUniversityofPosts&Telecommunication,Chongqing400065,China;2.OpticalCommunication&NetworkKeyLaboratoryofChongqing,Chongqing400065,China)Abstract:Basedonthesoftware-definednetworkthatseparatesthecontrolplaneofthenetworkfromtheforwardingplaneandprovidesanopenandprogrammableinterface,thispaperproposesahandoveralgorithmbasedonSDNforAPloadsensingtoreducefrequentswitchinginthenetworkandmaketheloadbetweenAPsrelativelybalanced.ThemethodusesthecentralizedcontrolfunctionofSDNtomonitorthenetworkstatusinformationoftheAPinrealtimeandthecontrollerassiststheloadstatusoftheAPandpredictstheterminalmovementstatustoassistthehandoverprocess.TheexperimentalresultsshowthatthismethodcanreducetheswitchingtimesandbalancetheloadbetweenAPstoensurethequalityofserviceofusers.Keywords:software-definednetworking;programmableinterface;loadbalance;informationstatus0引言基于IEEE802.11协议标准的无线局域网(WirelessLocalAreaNetworks，WLAN)凭借可以为移动用户提供高吞吐量和支持大量用户接入等特点已经被广泛地应用在无线互联网的接入中。但是随着网络规模和用户数的日益扩大，同时用户网络服务需求越来越复杂化[1]。为保证移动用户的网络服务质量，必须实现在网络中的快速切换，而传统WLAN中，采用基于接收信号强度RSS(ReceivedSignalStrength)传统切换方法会造成AP间负载不均衡和产生不必要的切换[2]，即乒乓效应，最终降低网络整体性能。如何在切换时保证用户的服务质量成为研究热点。针对WLAN中的需求，已经有学者展开了这方面的研究。RSSH算法[3]通过引入迟滞余量H可以一定程度上减少乒乓效应。由于仅当AP的信号质量足够好才触发切换，所以该算法很可能导致业务中断。基于RSS预测的驻留时间算法[4]其中心思想是设置一个时间阈值TTH和RSS切换阈值。当RSS大于阈值，开始计时，若时间大于TTH后，大小关系依然满足，则发生切换。否则，保持当前关联。该算法可以减少切换次数，却增加了切换时延。双门限算法[5]，该算法中设置两个阈值TI和T2，且TIT2。设置双门限，相当于给了RSSI波动空间，可以一定程度上缓解在密集部署AP环境下，AP切换带来的乒乓效应。以上算法可以减少乒乓效应，但是并没有缓解AP间的负载均衡问题。为此，本文提出一种基于SDN的WLAN负载感知切换算法来平衡AP间负载和缓解乒乓效应的影响。为验证所提方法的有效性，搭建了原型系统并作算法验证。下面主要对切换中存在的问题做详细分析。1)WLAN中乒乓效应分析。乒乓效应是指用户在AP间的重叠区域因切换触发条件设置单一、固定引起的不必要的频繁切换过程，这种切换会造成网络资源的过度浪费和占用。如下图2中STA处于三个优先出版赵国锋，等：基于SDN的WLAN负载感知切换方案实现第36卷第5期AP的重叠区域，如果presentRSS与targetRSS大小关系在短时间内不确定，就会造成STA1会在3个AP之间来回关联，即乒乓效应。2）WLAN中AP负载不均衡分析。AP间负载不均衡指在切换发生后STA(Station)不能选择合适的AP作为新的目标接入点，而导致用户速率下降和降低网络整体性能的一种现象。如传统WLAN中，STA采用RSS值最大的方法选择目标AP，这种方式会让多个STA集中关联在某个AP或某些AP。在密集部署的场景中，多个AP覆盖范围相互交叠，如下图2所示。根据文献[6]，当多个STA接入同时接入一个AP后，每个STA获得的带宽大小是一样的。文献[7]给出了每个STA的传输速率计算方法，公式如下：11R?1NiiR(1)其中：iR表示对应iSTA对于AP的传输速率。假设在图1部署场景中部署8个AP，覆盖区域相互重叠，实线表示当前连接，虚线代表可能的链接,线上的数字代表传输速率，单位为Mbps。STA1、STA2、STA3和STA4分别与AP1、AP2和AP3关联。STA1、STA2、STA3和STA4的速率分别为22Mbps、9Mbps、13Mbps、7Mbps，系统吞吐为51Mbps。当STA2从右往左移动，由于AP1的RSS大于AP2和AP3，STA2重新与AP1关联，此时STA1与STA2速率相等且为7.2Mbps，系统吞吐为34.4Mbps。前后对比，系统吞吐下降16.6Mbps，系统资源利用率为32.5%。这是由于STA2关联AP1后共享了STA1的网络带宽，不仅拉低自身速率，也会拉低系统整体吞吐量。1基于SDN的负载感知切换方法设计对于传统的WLAN切换过程中，终端采用RSS作为切换触发条件和STA接入AP的标准。结果会导致AP间负载偏差较大，无法充分利用资源。软件定义无线网络(Software-DefinedWirelessLocalNetwork,SDWN)作为SDN[8]在无线网络中的应用扩展，其主要思想是将无线网络设备的控制和转发进行分离[9]，将控制功能转移到SDN控制器，物理AP只需处理数据转发。SDN集中控制的特点为解决WLAN中传统切换带来了新方向。目前比较主流的SDWN系统架构为Odin[10]和CloudMAC[11]，两者都利用VAP的概念都能实现快速切换来减少切换时延，并保证用户的服务质量，但是均采用的RSS切换方法容易导致AP间的负载不均衡。其中VAP是指将物理AP的控制功能进行抽象，转移功能到其他设备上完成，物理AP只负责数据的转发和交付从而简化网络设备的管理。两者同之处在于前者的LVAP由SDN控制器创建和跟踪，其维护在物理AP上，而后者的VAP则驻留在云端服务器。综合上述分析和考虑到Odin比较小巧、容易实现且比较适合开发上层应用来满足不同网络需求，本文将以Odin为基础构建SDWN切换系统，其系统架构如上图3所示。Floodlight[12]控制器通过OpenFlow[13]协议与安装OpenVswitch的AP建立通信连接，借此获取全网的网络拓扑信息，最后实现对全网设备的管理；利用控制平面提供的开放API应用编程接口，服务提供商可完成多种应用需求，包括负载均衡、移动管理等。本文主要是做应用层的切换子系统管理开发，如上图所示，应用层中的切换子系统与Click组件中的agent代理之间创建socket连接获取终端信息来综合决策切换，在agent模块中维护用户STA的LVAP，LVAP中包括用户的认证关联等信息。子系统包括3个模块，其中切换决定模块，主要是为STA选择合适的目标AP，通过采用AP负载感知方法实现。切换执图1乒乓效应场景图STA1AP3AP1AP2STA1AB图2AP负载不均衡场景AP1AP6AP3AP4AP5AP2STASTA1STA22