基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的WLAN負載均衡算法研究

任壯祖 馬宏寶

摘要：在無線局域網(wǎng)中，終端通常根據(jù)接收到的信號強度值進行接入或切換，這將導(dǎo)致各個AP之間負載不均衡，造成網(wǎng)絡(luò)資源利用率低。為此，文章提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)負載均衡策略，通過把超載AP服務(wù)范圍內(nèi)的終端切換到輕載AP上，使網(wǎng)絡(luò)達到均衡狀態(tài)。仿真實驗表明，該方案有效平衡了各個AP的負載，提高了網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò)；無線局域網(wǎng)；負載均衡

無線局域網(wǎng)（WLAN）以靈活、易于擴展和高帶寬等特點被廣泛用來提供無線互聯(lián)網(wǎng)的接入。通常一個WLAN系統(tǒng)由多個AP組合而成，各個AP的覆蓋區(qū)域是相互重疊的。處于重疊區(qū)域的終端可以與任何能夠提供足夠信號強度值的AP鏈接，而處于非重疊區(qū)域的終端只能夠鏈接該區(qū)域的AP。在傳統(tǒng)的WLAN系統(tǒng)中，終端會選擇信號強度值最大的AP建立鏈接，這種方法容易造成有些AP上終端連接個數(shù)過多，而另一些APs空閑，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負載不均衡，資源利用率低下。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）是一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它的思想是將網(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。針對WLAN中負載均衡問題，SDN集中控制的思想可以很好地解決該問題。近年來，將SDN與WLAN結(jié)合成為研究熱點。OpenRoads和Odin都是基于SDN的WALN架構(gòu)。

本文提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)負載均衡方法，仿真實驗表明，該方法提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無線局域網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，由支持openflow協(xié)議的APs、SDN控制器及各種應(yīng)用模塊構(gòu)成。SDN控制器是本架構(gòu)的核心，它通過南向接口協(xié)議openflow對AP設(shè)備進行管理。同時控制器上還有管理和判斷AP狀態(tài)的模塊。

2 負載均衡策略

2.1 影響WLAN接入性能的參數(shù)

WLAN的性能有吞吐量、時延、利用率等方面的指標，在現(xiàn)實環(huán)境中，受各種參數(shù)和環(huán)境的影響，WLAN的性能會發(fā)生比較大的變化。所以首先要了解哪些因素影響WLAN的性能，這樣才有利于負載均衡算法選取參數(shù)。

2.2 接入終端用戶數(shù)

由于WLAN的MAC層采用的CSMA/CA發(fā)送數(shù)據(jù)，AP上連接用戶終端數(shù)越多，所傳輸?shù)墓芾砑皵?shù)據(jù)幀就會越多，數(shù)據(jù)傳輸時碰撞的概率就會越大，數(shù)據(jù)傳輸失敗概率就越大，系統(tǒng)的負載就越大。

2.3 接收信號強度

信號強度是傳輸數(shù)據(jù)的基本參數(shù)，接收信號強度越強，傳輸?shù)目垢蓴_能力就越好，所能達到的傳輸速率也就越高。

2.4 帶寬空閑率

接入點的帶寬空閑率越低，能為用戶終端提供的剩余服務(wù)帶寬就會越少，并且因為帶寬使用率高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎哺怕室簿驮酱?，從而也一定影響網(wǎng)絡(luò)的性能。

2.5 傳輸錯誤率

傳輸?shù)腻e誤率從一定程度上表明了無線鏈路的質(zhì)量，傳輸錯誤率越高，無線網(wǎng)絡(luò)的性能就越低。

3 AP負載狀況評估

根據(jù)影響WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)，選取信號強度S、接入終端個數(shù)N和寬度空閑率B為評估AP負載狀況的參數(shù)，定義AP負載權(quán)重評估函數(shù)W公式如下：

公式中w_i，j表示AP_i相對于終端Uj的權(quán)重，s_i，j表示終端U_j接收到AP_i的信號強度，Ni為AP_i上連接的終端個數(shù)，因為N的值可能為O，所以將該參數(shù)加1。Bi表示AP_i在一段時間內(nèi)的帶寬空閑率。

4 負載均衡方案

本文的負載均衡方案主要思想是，控制器實時監(jiān)控各個AP的實時負載信息，根據(jù)公式（l）為每一個AP的負載賦予一個權(quán)值。終端對應(yīng)AP的權(quán)值隨網(wǎng)絡(luò)的情況不斷變化，當(dāng)終端接入的AP不滿足要求時，由控制器主動將其切換到其他AP上，從而保證終端接入的AP總是最優(yōu)的權(quán)值，以實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。

具體的策略是終端首次請求接入無線局域網(wǎng)時，由AP將終端信息發(fā)送至控制器，在確認終端有接入權(quán)限后，控制器查詢各個AP對于該終端權(quán)重表，找到最大的權(quán)值A(chǔ)P，終端接入該AP。權(quán)重表隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷變化而變化，當(dāng)為終端服務(wù)的AP不是最優(yōu)時，控制器發(fā)送管理幀信息，將終端切換到最優(yōu)AP上。具體流程如圖2所示。

5 仿真實驗及分析

本文選用MininetWiFi進行仿真實驗，仿真平臺部署了20臺AP和100臺終端。AP部署的半徑為200m的范圍，模擬的終端在AP的覆蓋范圍內(nèi)進行隨機移動。不同終端之間相互發(fā)送隨機大小的數(shù)據(jù)包。如圖3所示，為本文負載均衡方案和不加負載均衡方案的網(wǎng)絡(luò)實時吞吐量對比。

可以看出本文負載均衡方案較均衡前吞吐量提高了，說明文中提出的負載均衡算法能夠提高系統(tǒng)的整體系能。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于軟件定義網(wǎng)的無線負載均衡方案，仿真平臺實驗表明，該方案有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。