一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的wlan架構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，特別設(shè)及無線局域網(wǎng)負(fù)載 均衡切換策略的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線局域網(wǎng)W靈活高效、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于機(jī)場、學(xué)校、辦公場所等各 類場合，供無線終端設(shè)備接入并訪問網(wǎng)絡(luò)資源，無線局域網(wǎng)是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的重要組 成部分。而隨著社會的快速發(fā)展，無線終端產(chǎn)品種類及數(shù)量的快速增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也越來越 多樣化，人們對無線資源的需求也越來越大。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)暴露出越來越多的問題，如網(wǎng)絡(luò) 管理復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)資源利用率低等，迫切需要對傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行變革。
[0003] 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SoftwareDefinedNetworking,SDN)作為一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)受到 研究者的關(guān)注，它的核屯、思想是將網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)分離出來，交給SDN控制器管理，控制器擁 有網(wǎng)絡(luò)的全局視角，網(wǎng)絡(luò)管理者可W靈活地部署各種策略，集中管理底層的物理設(shè)備。
[0004] 化enFloW是SDN的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于化enFloW的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有S部 分組成，即OpenFlow交換機(jī)，控制器和化enFlow協(xié)議?？刂破魍ㄟ^化enFlow協(xié)議對交換機(jī)進(jìn) 行管理，掌握全局拓?fù)浼版溌沸畔?，交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時，控制器具有可編程的特性， 網(wǎng)絡(luò)管理者可WW軟件的方式靈活地部署管控策略。
[000引近年來，將SDN與無線局域網(wǎng)融合成為研究的熱點(diǎn)。OpenRoads(參見文獻(xiàn)：OpenRoads:Empoweringresearchinmobilenetworks[J].ACMSIGCOMMComputer CommunicationReview,2010,40(1): 125-126.)是一種基于SDN的移動網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺，提供 靈活的控制、虛擬化W及高度的抽象，允許研究者進(jìn)行一系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，該架構(gòu)取得了較 好的成效。Odin(參見文獻(xiàn)：Towardsprogrammableente;rp;riseWLANSwith0din[C] ProceedingsofthefirstworkshoponHottopicsinsoftwaredefined networks.ACM, 2012:115-120.)是一種基于SDN的企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)中，控制器 為每個接入點(diǎn)維護(hù)一個"LVAP"進(jìn)程，應(yīng)用層通過操作進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對接入點(diǎn)的管理，該架構(gòu)需 要使用私有的Odin協(xié)議，且協(xié)議本身存在較多的問題，該架構(gòu)雖提出較早，并未實(shí)際應(yīng)用。 國防科技大學(xué)的Zhao.D等人提出SDWLAN架構(gòu)（參見文獻(xiàn)：AfIexiblearchitectureof enterpriseWLANforclient-unawarefastAPhandoff[C]Computing,Communication andNetworkingTechnologies(ICCCNT),2014InternationaIConferenceon.IEEE, 2014:1-6.)，將物理AP的MAC功能轉(zhuǎn)移到控制層實(shí)現(xiàn)，物理AP只對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝和 轉(zhuǎn)發(fā)，由控制層的策略對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該架構(gòu)中，控制器需要處理大量的數(shù)據(jù)，易成為網(wǎng) 絡(luò)的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的問題是:傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)架構(gòu)難W實(shí)現(xiàn)集中化管理，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不 均衡等問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于難W擁有全局視角，管理者難W部署管理策略，終端采用基 于信號強(qiáng)度的切換機(jī)制，易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的WLAN架構(gòu)，其包括物理設(shè)備層、 化enFlow協(xié)議、控制器和應(yīng)用模塊，所述物理設(shè)備層中的接入點(diǎn)設(shè)備采用化enWrt操作系 統(tǒng)，安裝化envSwitch實(shí)現(xiàn)對化enFlow協(xié)議的支持;控制器用于通過化enFlow協(xié)議對物理設(shè) 備層進(jìn)行管理，所述控制器包括用于管理物理層設(shè)備的管理組件模塊和網(wǎng)絡(luò)管理者根據(jù)不 同需求而開發(fā)的策略組件模塊;對化enFlow協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，使其適合無線網(wǎng)絡(luò)，并能用于管 理AP接入點(diǎn)設(shè)備;應(yīng)用模塊用于改善用戶的各種應(yīng)用體驗(yàn)。
[000引進(jìn)一步的，所述化enFloW協(xié)議擴(kuò)展具體包括：
[0009] 1)增加字段SSID和BSSID，使控制器對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行匹配和修改，802.IlMAC層數(shù) 據(jù)包具有用于標(biāo)識AP的一個字段BSSID，W太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在發(fā)送到無線客戶端之前，添加相應(yīng) 的BSSID字段，并轉(zhuǎn)換為802.11的帖格式，從終端發(fā)送到W太網(wǎng)的分組會首先校驗(yàn)BSSID字 段，再將其發(fā)送到對應(yīng)的AP上，并由AP轉(zhuǎn)換為W太網(wǎng)帖格式；
[0010] 2)增加規(guī)則動作MAC_FilterMAC地址過濾，使控制器操作AP的MAC表，控制器通過 該動作操作AP的MAC表，當(dāng)AP需要為終端服務(wù)時，將終端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，貝Ij從MC表中刪除；
[0011 ] 3)增加AP_StaUis_Request接入點(diǎn)狀態(tài)請求報文、AP_StaUis_Reply接入點(diǎn)狀態(tài)答 復(fù)報文，使控制器獲取AP的狀態(tài)信息，控制器通過AP_Status_Request消息主動請求AP參 數(shù)，AP通過AP_Status_RepIy報文進(jìn)行響應(yīng)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述管理組件模塊包括AP管理模塊、用戶認(rèn)證模塊、流表安裝模塊及策 略下發(fā)模塊，其中AP管理模塊用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的的AP設(shè)備，建立控制器與AP之間的管理隧 道，獲取AP的狀態(tài)信息，對AP設(shè)備進(jìn)行配置和管理；用戶認(rèn)證模塊，用戶認(rèn)證模塊將驗(yàn)證終 端是否具有接入網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限;流表安裝模塊，AP根據(jù)流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，該模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管 理者部署的策略生成流表并安裝到對應(yīng)的AP上;策略下發(fā)模塊，策略組件并不直接與底層 的物理設(shè)備通信，而是通過管理組件的策略下發(fā)模塊完成對AP的管理。
[0013]進(jìn)一步的，所述策略組件是由網(wǎng)絡(luò)管理者根據(jù)不同需求而開發(fā)的各種模塊，包括 狀態(tài)獲取、權(quán)值維護(hù)和切換控制=個主要模塊：
[0014] 1)狀態(tài)獲取模塊，該模塊通過化enFlow協(xié)議的AP_Status_Request接入點(diǎn)狀態(tài)請 求報文消息獲取AP的狀態(tài)信息，包括終端信號強(qiáng)度、已連接的終端數(shù)和可用帶寬，作為計(jì)算AP權(quán)值的參數(shù)；
[0015] 2)權(quán)值計(jì)算模塊，該模塊使用狀態(tài)獲取模塊得到的參數(shù)計(jì)算每個AP的權(quán)值，不斷 對各AP的權(quán)值進(jìn)行更新W反映實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)情況；
[0016] 3)切換控制模塊，該模塊負(fù)責(zé)終端切換，同時保持切換過程中數(shù)據(jù)連接不中斷。
[0017]進(jìn)一步的，負(fù)載均衡切換時控制器策略組件的狀態(tài)獲取模塊獲取AP的狀態(tài)參數(shù)后 將對AP的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：
[0019] 式中Wi,康示AP袖對于肥j的權(quán)重，M康示APi已服務(wù)的終端數(shù)，Vi表示APi在一段時 間內(nèi)的平均帶寬空閑率，Si,j表示APi接收的UEj信號強(qiáng)度，Si,j通過Beacon帖或Probe Request帖獲得。
[0020] 進(jìn)一步的，設(shè)APi的最大帶寬Bimax，已用帶寬Bimax，Vi的計(jì)算公式為：
[0022]進(jìn)一步的，策略組件的切換控制模塊設(shè)置一個切換因子，控制器在切換時計(jì)算備 選AP與原AP的切換因子，僅當(dāng)該值大于系統(tǒng)切換因子闊值P*時，控制器才執(zhí)行切換，切換因 子的計(jì)算公式為：
[0024] 上式中，Pi,康示APi與APj的切換因子，Wi為備選AP的權(quán)值，W功原AP的權(quán)值。
[0025] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0026]本發(fā)明提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)架構(gòu)，使控制器可W對接入點(diǎn)進(jìn) 行集中管理，基于該架構(gòu)提出一種負(fù)載均衡策略，使控制器通過獲取接入點(diǎn)的實(shí)時負(fù)載來 為終端選擇性能最優(yōu)的接入點(diǎn)，從而有效避免負(fù)載不均衡的問題，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中終端切換示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]W下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0030]本發(fā)明提出的基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)架構(gòu)如附圖1所示，由物理層設(shè)備、 化enFlow協(xié)議、控制器和各應(yīng)用模塊構(gòu)成，接下來將對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0031] 1.物理層對傳統(tǒng)的接入點(diǎn)進(jìn)行改造，網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)均使用化enWrt操作系統(tǒng)，安 裝化6醇5￥；11：證實(shí)現(xiàn)對化6證1〇￥協(xié)議的支持。接入點(diǎn)的無線網(wǎng)卡均工作在齡]1；[1：01'模式，運(yùn) 種模式下接入點(diǎn)可W偵測所有的802.11帖信號。另外AP需要對接收的帖進(jìn)行提取，一方面 是對終端信號強(qiáng)度等參數(shù)的提取，運(yùn)些信息是控制器策略部署的依據(jù)，另一方面需要提取 數(shù)據(jù)帖類型、目的地址、源地址和BSSID等，運(yùn)些信息將用于執(zhí)行控制器的匹配和轉(zhuǎn)發(fā)動作。 在接入點(diǎn)上開發(fā)了狀態(tài)采集模塊，可W收集終端的信號強(qiáng)度和自身的狀態(tài)參數(shù)，包括可用 帶寬、已連接終端數(shù)等，運(yùn)些參數(shù)W化enFlow消息的形式發(fā)送至SDN控制器。
[0032] 2.標(biāo)準(zhǔn)化enFlowl. 3協(xié)議在制訂時并未考慮無線網(wǎng)絡(luò)的特性，不能用于管理AP設(shè) 備，因此本發(fā)明對化enFlowl.3協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，主要包括W下S個方面：
[0033] 1)為使控制器可W對數(shù)據(jù)分組的進(jìn)行匹配和修改，增加新的字段SSID和BSSID。 802.1IMAC層數(shù)據(jù)包具有用于標(biāo)識AP的一個特定字段"BSSI護(hù)。W太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在發(fā)送到無線 客戶端之前，需要添加相應(yīng)的BSSID字段，并轉(zhuǎn)換為802.11的帖格式。相應(yīng)地，從終端發(fā)送到 W太網(wǎng)的分組會首先校驗(yàn)BSSID字段，再將其發(fā)送到對應(yīng)的AP上，并由AP轉(zhuǎn)換為W太網(wǎng)帖格 式。
[0034] 2)為使控制器操作AP的MC表，增加新的規(guī)則動作"MAC_Filter"。控制器通過該動 作可W操作AP的MAC表，當(dāng)AP需要為終端服務(wù)時，將終端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，貝U從MC表中刪除。
[OO%] 3)為使控制器獲取AP的狀態(tài)信息，增加AP_S^tus_Request、AP_Status_Reply消 息報文。控制器通過AP_Status_Request消息主動請求AP參數(shù)，AP通過AP_Status_Reply報 文進(jìn)行響應(yīng)。
[0036] 3.控制器是架構(gòu)的核屯、，SDN控制器南向接口通過化enFlow協(xié)議對AP設(shè)備進(jìn)行管 理，可W動態(tài)地添加、刪除、修改交換設(shè)備的流表項(xiàng)，從而改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對 整個網(wǎng)絡(luò)的集中化控制，同時控制器可W獲取AP的狀態(tài)參數(shù)，作為部署管理策略的依據(jù)。本 發(fā)明使用Ryu控制器，基于巧thon語言開發(fā)了管理組件和策略組件，下面將對各部分功能進(jìn) 行分別介紹。
[0037] 管理組件是控制器的核屯、部分，負(fù)責(zé)物理層設(shè)備的管理，是實(shí)現(xiàn)策略組件的基礎(chǔ)， 管理組件主要包括W下幾個部分：
[003引1)AP管理模塊。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的的AP設(shè)備，建立控制器與AP之間的管理隧道，獲取AP的狀態(tài)信息，對AP設(shè)備進(jìn)行配置和管理。
[0039] 2)用戶認(rèn)證模塊。終端在接入網(wǎng)絡(luò)前需要驗(yàn)證是否具有接入權(quán)限，在SDN架構(gòu)中， 由于控制器對用戶數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的管