利用SDN實(shí)現(xiàn)可編程無(wú)線局域網(wǎng)多徑接入管理①

朱 格,李明政,劉 童,童浩杰,田 野

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,合肥 230027)

目前,WiFi 作為重要的無(wú)線接入方式,其以便利、無(wú)處不在等特點(diǎn)為終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)提供了極大的便利,在人們的生活和工作中占據(jù)著舉足輕重的地位.然而,不同生產(chǎn)廠商研制的AP 設(shè)備在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、操作系統(tǒng)、使用方式等方面都存在很大的差異,考慮到終端設(shè)備的多樣性和用戶(hù)的移動(dòng)性,無(wú)線局域網(wǎng)中集中接入管理仍是一個(gè)亟待解決的難題.

同時(shí),隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng),尤其是社交網(wǎng)絡(luò)、媒體共享和智能終端等應(yīng)用的快速發(fā)展,使得WiFi 也面臨著性能瓶頸.由于WiFi 技術(shù)的局限性,特別是終端用戶(hù)需求的多樣化,使得很難靈活動(dòng)態(tài)的滿(mǎn)足終端客觀需求,特別是相鄰AP 信號(hào)覆蓋的區(qū)域可能存在重疊,位于信號(hào)重疊區(qū)域的用戶(hù)僅依靠RSSI 作為選擇AP 的衡量標(biāo)準(zhǔn),會(huì)導(dǎo)致某些AP 負(fù)載過(guò)大,而有些AP 長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài),使得網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載分布不均衡造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)[1-4].這種問(wèn)題主要是有物理資源和分配策略?xún)蓚€(gè)方面造成,一方面是接入點(diǎn)帶寬資源有限,即物理資源不足；另一方面是沒(méi)有充分利用有限的帶寬資源,這也就是所謂的資源分配策略問(wèn)題.因此,如何利用有限的資源為終端用戶(hù)提供更好的服務(wù)、避免擁塞,這是一個(gè)很有價(jià)值的研究方向.

軟件定義網(wǎng)絡(luò)[5-9](Software Defined Network,SDN)技術(shù)的出現(xiàn),給無(wú)線局域網(wǎng)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn),同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇.通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離,SDN 對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行抽象,為上層應(yīng)用提供簡(jiǎn)單高效的編程接口,將管理操作集中在控制器.SDN 構(gòu)建一種開(kāi)放的可編程網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文解析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),徹底打破硬件設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)平面的限制,提供開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)接口.POF[10-12](Protocol-Oblivious Forwarding)作為數(shù)據(jù)平面可編程的代表性技術(shù),通過(guò)部署底層多級(jí)流水線實(shí)現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)策略.

近年來(lái),將SDN 技術(shù)與無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合取得了可觀的研究成果.如OpenRadio[13]通過(guò)模塊化實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)平面的編程,支持WiFi和LTE 等不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,使得配置和重構(gòu)協(xié)議得到了簡(jiǎn)化.不同于OpenRadio,Odin[14,15]不需要對(duì)IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改就可以兼容現(xiàn)有的無(wú)線設(shè)備,Odin 通過(guò)輕量級(jí)虛擬接入點(diǎn)(Lightweight Virtual Access Point,LVAP)與物理AP 解耦合,使得物理AP 對(duì)控制器來(lái)說(shuō)是透明的.文獻(xiàn)[16]提出基于SDN 的無(wú)線局域網(wǎng)架構(gòu),該架構(gòu)提出一種針對(duì)終端用戶(hù)無(wú)感知的移動(dòng)切換機(jī)制.

因此,將SDN 技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線接入點(diǎn)中,使得AP 設(shè)備具有可編程性將極大地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)革新,對(duì)于用戶(hù)的接入和遷移過(guò)程的研究具有創(chuàng)新意義.本文引入POF 技術(shù),實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的集中接入管理,同時(shí)結(jié)合多路徑TCP (MPTCP)[17-19]技術(shù),提出多路AP 集中接入管理機(jī)制,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,避免網(wǎng)絡(luò)擁塞.

1 架構(gòu)介紹

在WiFi 網(wǎng)絡(luò)中,不同的終端應(yīng)用具有多樣化的QoS 需求,每個(gè)終端可能同時(shí)運(yùn)行一些具有不同服務(wù)需求的應(yīng)用程序,不同的應(yīng)用需要的網(wǎng)絡(luò)資源也不盡相同(如帶寬資源),這會(huì)造成AP 之間負(fù)載不平衡；同時(shí),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬通常具有局限性和不穩(wěn)定性.鑒于以上問(wèn)題,本文通過(guò)引入基于MPTCP 的無(wú)線AP 接入管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)多個(gè)AP 同時(shí)為終端設(shè)備服務(wù),在滿(mǎn)足終端設(shè)備對(duì)高帶寬的需求,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率的同時(shí),還能平衡擁塞,避免因AP 負(fù)載過(guò)重導(dǎo)致的通信中斷或效率低下等問(wèn)題.

本文采用基于MPTCP 的AP 接入管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的多路徑傳輸,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率.如圖1所示,本研究將可編程的概念拓展到無(wú)線AP,構(gòu)建一種基于POF 的可編程無(wú)線局域網(wǎng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的統(tǒng)一接入管理,同時(shí)引入面向用戶(hù)級(jí)的虛擬AP 的概念(Virtual Access Point,VAP),負(fù)責(zé)實(shí)際的流量傳輸.

圖1 基于POF 的可編程無(wú)線局域網(wǎng)架構(gòu)

該架構(gòu)分為基于POF 的控制平面和數(shù)據(jù)平面,控制平面包含統(tǒng)一接入管理、多路徑傳輸、VAP 管理、用戶(hù)認(rèn)證和用戶(hù)自定義等多個(gè)模塊；數(shù)據(jù)平面由多個(gè)兼容POF 的無(wú)線AP(POF-AP)組成.POF-AP 根據(jù)流表規(guī)劃將數(shù)據(jù)幀和管理幀分別交給不同的流水線處理,所有的管理幀都交由位于控制平面的控制器統(tǒng)一處理.

1) 集中式控制器：控制器統(tǒng)一處理探測(cè)、認(rèn)證和關(guān)聯(lián)等所有的管理幀,并負(fù)責(zé)POF-AP 中流表的生成獨(dú)配置,消除了不同設(shè)備間的差異性.

2) VAP：引入VAP 概念是為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn),VAP 是與終端用戶(hù)相關(guān)聯(lián)的邏輯AP.當(dāng)終端用戶(hù)和終端設(shè)備VAP 的分配；此外,通過(guò)將OpenWrt[20]系接入AP 時(shí),控制器為其分配VAP,終端用戶(hù)所有的網(wǎng)絡(luò)流都將由相應(yīng)的VAP 進(jìn)行處理,VAP 以流表的形式存在.對(duì)于終端用戶(hù)而言,與其關(guān)聯(lián)的VAP 可以同時(shí)關(guān)聯(lián)多個(gè)POF-AP；當(dāng)然,單個(gè)POF-AP 的網(wǎng)絡(luò)資源(如帶寬等) 也可以被多個(gè)VAP 共享,即VAP和POFAP 之間是多對(duì)多的映射關(guān)系.統(tǒng)刷入商用路由器,控制器不需要對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單

3) POF-AP：兼容POF 技術(shù)的AP,利用POF 技術(shù)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理,并以二元組{offset,length}的形式描述協(xié)議字段,其中offset 表示協(xié)議字段到數(shù)據(jù)字段的偏移量,length 表示協(xié)議字段的長(zhǎng)度.所以,處理數(shù)據(jù)幀時(shí),只需提取相應(yīng)的協(xié)議字段,不需要預(yù)知關(guān)于協(xié)議格式的任何信息,然后根據(jù)流表匹配并執(zhí)行相應(yīng)的操作,從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議無(wú)感知轉(zhuǎn)發(fā).

FIS (Protocol-oblivious Instruction Set) 作為POF 協(xié)議無(wú)關(guān)報(bào)文處理指令集,包含編輯操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)兩種操作.在指令執(zhí)行階段,編輯操作實(shí)現(xiàn)協(xié)議頭部的添加和刪除,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和流表間的跳轉(zhuǎn).

4) 多路徑傳輸：在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中利用MPTCP 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流,使得不同的子流通過(guò)不同的路徑(即不同的AP)傳輸,實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)同時(shí)連接多個(gè)AP,平衡無(wú)線設(shè)備間的負(fù)載,避免網(wǎng)絡(luò)擁塞.

2 集中接入過(guò)程

基于上文提出的可編程無(wú)線局域網(wǎng)架構(gòu),在設(shè)備接入AP 時(shí),所有的管理幀都由集中式管理器統(tǒng)一處理,該管理器和所有與之相連的無(wú)線AP 一起構(gòu)成可編程無(wú)線局域網(wǎng),在該無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi),被認(rèn)證的用戶(hù)可以享受隨時(shí)隨地的網(wǎng)路服務(wù).具有接入管理功能的控制器和具有轉(zhuǎn)發(fā)功能的無(wú)線POF-AP 協(xié)同工作,完成終端設(shè)備的接入操作.

在控制器的管理下,終端設(shè)備接入時(shí)具體的交互過(guò)程如圖2所示.

1) 控制器周期性的向終端設(shè)備發(fā)送無(wú)線信號(hào),統(tǒng)計(jì)與之相連的每個(gè)AP 上承載的虛擬VAP,通過(guò)查找數(shù)據(jù)庫(kù)獲取與VAP 相關(guān)聯(lián)的終端用戶(hù),用其對(duì)信標(biāo)幀中的單播地址進(jìn)行填充,經(jīng)由物理AP 發(fā)向終端.

圖2 終端設(shè)備接入過(guò)程

2) 由于終端用戶(hù)和VAP 之間是一對(duì)一的映射關(guān)系,并且VAP 間是相互隱蔽的,所以采用終端用戶(hù)發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求幀的方式主動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò).通過(guò)上述方式,所有在終端設(shè)備通信范圍內(nèi)的AP 都會(huì)收到該探測(cè)請(qǐng)求幀,并上報(bào)給控制器.控制器對(duì)首次接入的終端用戶(hù)進(jìn)行身份驗(yàn)證,同時(shí)為終端設(shè)備構(gòu)造并初始化VAP,并構(gòu)建包含虛擬網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)、認(rèn)證方式、傳輸速率等信息的探測(cè)響應(yīng)幀.根據(jù)AP 接入選擇算法,控制器為終端用戶(hù)選取一組AP 進(jìn)行后續(xù)的交互.

3) 選取AP 后,終端設(shè)備的認(rèn)證請(qǐng)求幀和關(guān)聯(lián)請(qǐng)求幀會(huì)依次發(fā)出,并由選取的AP 上報(bào)給控制器,控制器生成響應(yīng)幀反饋給終端用戶(hù).

4) 在加密認(rèn)證過(guò)程中,基于四次握手原則進(jìn)行密鑰信息交互,控制器和終端設(shè)備進(jìn)行加密方式的協(xié)商.如接入的虛擬網(wǎng)絡(luò)不需要加密,則直接跳過(guò)該操作；如采用WPA2 方法加密,則雙方需安裝GTK和PTK.

5) 接著,控制器將IP 獲取請(qǐng)求發(fā)給無(wú)線局域網(wǎng)的DHCP 服務(wù)器,終端接入設(shè)備獲得IP 地址.至此,終端設(shè)備完成接入過(guò)程.隨后控制器將之前為終端設(shè)備構(gòu)造的VAP 配置到物理AP 上,同時(shí),所有與終端設(shè)備有關(guān)的流表也會(huì)隨之下發(fā),接下來(lái)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的所有數(shù)據(jù)傳輸將通過(guò)AP 完成.

然而,在傳統(tǒng)的終端設(shè)備接入過(guò)程中,只存在終端設(shè)備和AP 之間的信息交互,不采用集中式控制,不存在AP 與控制器之間的交互過(guò)程；與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同,本研究中設(shè)備接入必須在控制器的參與下完成,AP 與控制器之間存在多次信息交互過(guò)程,這會(huì)造成接入耗時(shí)增加.針對(duì)該問(wèn)題,做出以下優(yōu)化：

在優(yōu)化前,接入過(guò)程中探測(cè)、認(rèn)證、關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)發(fā)配置每步都需要上報(bào)控制器,相比較傳統(tǒng)的接入過(guò)程,該方案中AP 與控制器之間的多次的信息交互造成接入時(shí)延較長(zhǎng).為了進(jìn)一步優(yōu)化該問(wèn)題,這里提出一種改進(jìn)的接入方案,如圖3所示,通過(guò)減少AP 與控制器之間的交互,進(jìn)而降低接入時(shí)延.具體來(lái)說(shuō),在探測(cè)階段,與優(yōu)化之前該階段的操作一致,控制器初始化虛擬VAP,構(gòu)造探測(cè)響應(yīng)幀,根據(jù)AP 接入選擇算法選舉AP,將響應(yīng)幀發(fā)出；接下來(lái),控制器預(yù)先下發(fā)配置好的指令集到選出的物理AP 上,以便后續(xù)的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)發(fā)配置等接入過(guò)程無(wú)需再上報(bào)控制器,而是由AP 生成響應(yīng)幀反饋給終端.優(yōu)化后的接入方案,能夠在一定層度上降低接入時(shí)延.

圖3 終端設(shè)備接入過(guò)程改進(jìn)

3 集中接入策略

3.1 AP 性能指標(biāo)

當(dāng)終端用戶(hù)接入AP 時(shí),按照傳統(tǒng)的接入方式僅依靠RSSI 來(lái)衡量AP 的性能,并不能保證AP 間的負(fù)載均衡.如在由多個(gè)AP 覆蓋的區(qū)域按照RSSI 值選擇AP 接入,會(huì)導(dǎo)致某些AP 因接入較多的用戶(hù)而導(dǎo)致?lián)砣?而其他AP 卻長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài).另外,有學(xué)者提出依靠終端接入量來(lái)衡量AP 負(fù)載,但是這也并不能有效的反應(yīng)AP 的真實(shí)負(fù)載,如某個(gè)AP 接入了大量通信量極低的用戶(hù),此時(shí)AP 的負(fù)載并不重；相反,當(dāng)AP 接入的終端數(shù)量并不多,但是通信量很大時(shí),AP 的負(fù)載反而會(huì)比較重.

如何有效的衡量AP 實(shí)時(shí)的負(fù)載狀況,使得新加入的終端能夠擇優(yōu)選擇AP 接入,使得AP 間負(fù)載盡可能均衡,避免擁塞狀況,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能.由于終端設(shè)備的移動(dòng)性和無(wú)線信道的不穩(wěn)定性,使得網(wǎng)絡(luò)流量波動(dòng)較大,所以在考慮AP 實(shí)時(shí)負(fù)載時(shí),不僅要考慮RSSI,還要從網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)流量的角度綜合考慮.

1) RSSI

RSSI 作為影響AP 性能的重要指標(biāo)之一,與終端設(shè)備接收距離的關(guān)系如下：

其中,n為環(huán)境衰減因子,d為終端與AP 間的距離,用戶(hù)與AP 的距離越近接收到的RSSI 值就越大,相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量也就越好.研究表明,在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),信號(hào)強(qiáng)度與抗干擾能力呈正相關(guān),AP 的信號(hào)強(qiáng)度越高,表示其能提供的負(fù)載能力越強(qiáng).

2) AP 吞吐量

該研究中AP和終端設(shè)備之間是多對(duì)多的映射關(guān)系,S T={S1,S2,···,Sm}表示與AP 相關(guān)聯(lián)的m個(gè)終端設(shè)備組成的集合,而每個(gè)終端即為AP 的一個(gè)子流.因此,在衡量AP 吞吐量時(shí)要綜合考慮集合S中全部終端(即每個(gè)子流)的吞吐量.

而對(duì)于AP 中的每個(gè)子流S,丟包率和傳輸時(shí)延是影響其吞吐量的關(guān)鍵因素.丟包率過(guò)高也就意味著發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng),相應(yīng)的AP 能夠獲得的吞吐量也會(huì)下降.

在802.11DCF 架構(gòu)中,AP 成功發(fā)送MAC 數(shù)據(jù)幀的時(shí)間Tt為：

其中,DIFS和S IFS分別為分布式幀和短幀時(shí)間間隔,RTS和CTS分別為請(qǐng)求和允許發(fā)送的控制幀大小,DATA和ACK分別為數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀大小,R為傳輸率,Tb為平均回退時(shí)間：

其中,Wmin和Wmax分別為競(jìng)爭(zhēng)窗口的最大和最小值,Ts為時(shí)隙時(shí)間.

并且,數(shù)據(jù)的丟包率lossp主要受MAC 數(shù)據(jù)幀的錯(cuò)誤率Ep和碰撞率Cp的影響.

其中,N為數(shù)據(jù)幀最大重傳次數(shù).

丟包率lossp直接影響成功發(fā)送MAC 數(shù)據(jù)幀的平均時(shí)延,從而影響吞吐量的大小.

因此,AP 子流S 的吞吐量Stps為：

假設(shè),AP 中每個(gè)子流的吞吐量都能達(dá)到飽和狀態(tài),這時(shí)AP 的吞吐量將達(dá)到理論上的峰值TPSmax：

3) 負(fù)載比

從AP 的角度考慮,在AP 接入選擇時(shí),不僅要根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況考慮AP 理論的吞吐量峰值TPSmax,還要考慮AP 當(dāng)前實(shí)時(shí)的吞吐量TPScur.為了更好的衡量AP 的實(shí)時(shí)負(fù)載狀況,本文引入負(fù)載比 φ作為AP 接入選擇的一個(gè)重要參數(shù)：

3.2 基于MPTCP 的接入算法

基于MPTCP 協(xié)議,終端設(shè)備可以同時(shí)接入多個(gè)AP,通過(guò)在通信中使用多條鏈路,將數(shù)據(jù)流分發(fā)到多條路徑上進(jìn)行傳輸,MPTCP 可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的提高和網(wǎng)絡(luò)擁塞的平衡.

MPTCP 在一條TCP 連接中建立多條子流,當(dāng)一條子流按照三次握手的方式建立起來(lái)后,可以按照同樣的方式建立其他子流,這些子流都綁定于MPTCP 會(huì)話連接.子流可以通過(guò)兩種方式構(gòu)建,一種是當(dāng)IP 相同時(shí),利用不同的端口號(hào)建立子流；另一種是利用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口,即不同IP 建立多個(gè)子流.文中利用第一種方式建立子流,每個(gè)子流與一個(gè)特定AP 建立連接.根據(jù)負(fù)載比 φ對(duì)AP 實(shí)時(shí)負(fù)載進(jìn)行評(píng)估,按照性能擇優(yōu)選取一組AP.AP 的選取過(guò)程主要有以下步驟：

1) 根據(jù)RSSI 值,選擇大于閥值 λ的AP,組成AP 候選集A={AP1,AP2,···,APn},其中,n表示滿(mǎn)足要求的AP 總數(shù).

通常RSSI 值在0～-50 dbm 時(shí),信道的傳輸質(zhì)量較佳,為了獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸效率和用戶(hù)體驗(yàn),本文設(shè)定閥值λ=-40 dbm.

2) 然后,通過(guò)計(jì)數(shù)的方式獲取AP 的實(shí)時(shí)吞吐量TPScur,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀況和AP 的實(shí)際性能,將AP 理論吞吐量峰值TPSmax作為AP 的負(fù)載閥值,通過(guò)式(8)計(jì)算每個(gè)候選AP 的負(fù)載比,φ={φ1,φ2,···,φn}為候選集A中AP 相應(yīng)的負(fù)載比.

3) 最后,根據(jù)負(fù)載比對(duì)候選集A中的AP 進(jìn)行排序,選取 φ值較小的k個(gè)AP：

即Aselect={A1,A2,···,Ak}為選取的k個(gè)AP,其中,k為終端設(shè)備子流總數(shù),即需要接入的AP 總數(shù).按照大需求小負(fù)載比的原則,即有大流量需求的子流接入有小負(fù)載比的AP,終端設(shè)備依次與選取的AP 相關(guān)聯(lián).

因此,基于MPTCP,提出AP 接入選擇算法,算法1 描述了整個(gè)接入選擇過(guò)程.

算法1.AP 接入選擇算法1) 當(dāng)終端設(shè)備接入APs 時(shí),通過(guò)探測(cè)響應(yīng)幀獲取AP 的SSID、RSSI 等信息,同時(shí)更新控制器中相應(yīng)的信息；λ 2) 根據(jù)得到的RSSI 值,選取RSSI 值高于閥值 的AP 作為候選集A；TPS max TPS cur φ 3) 根據(jù)吞吐量峰值和實(shí)時(shí)吞吐量,評(píng)估候選AP 的負(fù)載比；φ Aselect={A1,A2,···,Ak}4) 選取負(fù)載比 較小的k 個(gè)AP,即,與終端設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)；5) 更新控制器中AP 相應(yīng)的RSSI 值和吞吐量等信息；Aselect APi φ≥1 APi AselectφAPj 6) 當(dāng)集合 中 的負(fù)載超過(guò)負(fù)載閥值(即)時(shí),將 承載的相應(yīng)子流切換到 中負(fù)載比 較小的 上；7) 重復(fù)5)、6),直到負(fù)載均衡.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),搭建基于POF 的可編程無(wú)線局域網(wǎng),并通過(guò)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的硬件設(shè)備和參數(shù)如表1所示.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖4所示,直接將每個(gè)配有POFSwitch 1.4.015 的POF-AP 與多端口Linux 服務(wù)器相連接,該服務(wù)器又與MPTCP & Iperf 服務(wù)器相連.POF-AP 為控制平面和數(shù)據(jù)平面配置不同的接口,終端設(shè)備支持MPTCP v0.92.

表1 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

圖4 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

通過(guò)設(shè)置不同的試驗(yàn)條件,對(duì)文中搭建的可編程無(wú)線局域網(wǎng)的性能進(jìn)行評(píng)估,下文章節(jié)給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析.

4.2 結(jié)果分析

1) AP 限流對(duì)終端設(shè)備帶寬的影響

為了驗(yàn)證上文提出的集中接入策略的可行性,在實(shí)驗(yàn)中采用筆記本接入測(cè)試,不同于傳統(tǒng)的僅接入一個(gè)AP；按照上述支持MPTCP 的集中接入策略,實(shí)驗(yàn)中選取3 個(gè)POF-AP 與筆記本相關(guān)聯(lián).同時(shí),利用shell 腳本,采用tc和iptables 命令實(shí)現(xiàn)AP 的限流,從而模擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中AP 帶寬資源的不穩(wěn)定性.

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)編程方式實(shí)現(xiàn)在第31.5 s-46.5 s 間將接入的AP1 的帶寬限制在1 Kbps,圖5是在對(duì)AP1進(jìn)行限流時(shí),筆記本測(cè)試的帶寬結(jié)果.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,按照傳統(tǒng)方式接入AP 時(shí),因?yàn)橹唤尤階P1,所有的數(shù)據(jù)流只能由AP1 傳輸,所以在將AP1 的帶寬限制在1 Kbps 的時(shí)間段內(nèi),終端總帶寬極速下降到接近于零的狀態(tài)；然而,按照上文提出的支持MPTCP 的集中接入策略,由于同時(shí)擇優(yōu)接入了3 個(gè)AP(即AP1、AP2、AP3),將AP1 的帶寬限制在1 Kbps 時(shí),AP1 的負(fù)載比變大,其負(fù)載的子流將會(huì)被切換到另外兩個(gè)AP 上,而總的帶寬會(huì)基本保持穩(wěn)定.同時(shí),與傳統(tǒng)的接入策略相比,上文提出的接入策略在一定層度上提升了整體網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,避免在擁塞的路徑上繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),從而均衡底層AP 負(fù)載.

圖5 AP 限流后終端帶寬速率對(duì)比

2) AP 限流對(duì)其他AP 帶寬的影響

上小節(jié)是從終端用戶(hù)的角度分析集中接入策略的可行性,接下來(lái)從AP 的角度進(jìn)行分析.為了體現(xiàn)一般性,實(shí)驗(yàn)中部署兩個(gè)POF-AP(AP1和AP2)和十個(gè)終端設(shè)備,每個(gè)終端具有兩個(gè)子流分別與上述兩個(gè)AP 相關(guān)聯(lián),即20 個(gè)子流均勻分布在兩個(gè)AP 上.

如圖6所示,在非限流情況下,兩個(gè)AP 的帶寬速率相當(dāng),保持在19 Mbps 左右,總體上振幅差不多；當(dāng)把AP1 的帶寬速率限制在15 Mbps 時(shí),由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,AP1 的振幅變小,而AP2 的帶寬速率上升到23 Mbps 左右,振幅變大.經(jīng)過(guò)分析可知,在AP1 限流時(shí),AP1 負(fù)載比變大,其上的子流大部分被切換到AP2,達(dá)到AP 間的負(fù)載均衡,保證整體網(wǎng)絡(luò)的吞吐量.

圖6 AP 限流后各AP 間的帶寬速率對(duì)比

3) 控制平面性能測(cè)試

采用筆記本接入AP1 測(cè)試,編寫(xiě)shell 腳本,比較OpenWrt 自帶WiFi和支持MPTCP 的WiFi 情況下的接入時(shí)間.共測(cè)得40 組數(shù)據(jù),將每10 組求平均,得到4 組數(shù)據(jù)如表2所示.在終端接入時(shí),由于AP 與控制器之間存在數(shù)據(jù)流交互,而且集中控制器還要進(jìn)行AP 接入選擇決策,這些都會(huì)間接造成終端接入延遲.相比較OpenWrt 自帶的WiFi,本研究原來(lái)提出的支持MPTCP 的WiFi 接入耗時(shí)是前者的2 倍左右,但是經(jīng)過(guò)優(yōu)化,接入耗時(shí)降到前者的1.5 倍左右,其中,算法運(yùn)行耗時(shí)平均在800～900 ms 之間,在可接受范圍之內(nèi).

表2 終端接入測(cè)試(ms)

由于本研究引入軟件定義的思路對(duì)物理AP 虛擬化,采用集中式管理方式實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的接入,所以?xún)H考慮接入時(shí)的延遲確實(shí)比傳統(tǒng)的接入方式耗時(shí)一些.但是,相比較該架構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),這些延時(shí)代價(jià)完全在可接受范圍；因?yàn)樵摷軜?gòu)不僅可以很好的做到AP 設(shè)備之間的負(fù)載平衡,避免網(wǎng)絡(luò)擁塞；同時(shí),該架構(gòu)未來(lái)還可以拓展到用戶(hù)移動(dòng)的環(huán)境下,如果在終端用戶(hù)移動(dòng)的情況下,終端用戶(hù)可能從AP1 覆蓋的范圍移動(dòng)AP2 的覆蓋范圍,這時(shí),如果是傳統(tǒng)的WiFi 環(huán)境,終端就需要先與AP1 斷開(kāi)關(guān)聯(lián),再接入AP2,不僅要重新接入而且終端的服務(wù)也會(huì)被迫斷開(kāi)；但是如果利用該架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換,不需要重新接入,因?yàn)樵摷軜?gòu)中終端是與VAP 綁定的,無(wú)論終端如何移動(dòng),與之關(guān)聯(lián)的VAP 并不變,底層只需要VAP 在物理AP 之間遷移,而VAP 是以流表的形式存在,相比較傳統(tǒng)的接入方式,流表的遷移更便捷、更容易實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)無(wú)感知的AP 切換,這也是未來(lái)會(huì)進(jìn)一步研究的方向.

接下來(lái)進(jìn)行多終端接入的仿真測(cè)試,由AP 不間斷上報(bào)不同的probe_request 報(bào)文來(lái)模擬設(shè)備的接入請(qǐng)求,測(cè)試不同負(fù)載情況下控制面的CPU 占用率,固定

接入AP 的總是為5,調(diào)整每個(gè)AP 上報(bào)的probe_request 數(shù)目,即模擬的主機(jī)個(gè)數(shù).由圖7分析可知,隨著終端數(shù)的增加,控制平面CPU 占用率呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在終端數(shù)目一定的情況下,隨著子流數(shù)的增加,控制平面CPU 占用率呈現(xiàn)小幅度提升趨勢(shì),即隨著終端數(shù)或子流的增加,CPU 的占用率呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì).

圖7 控制平面CPU 占用率

綜上分析各實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文提出的支持MPTCP 的集中接入策略在一定層度上能提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率；同時(shí),能充分利用各AP 的帶寬資源,避免在擁塞的路徑上繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),從而達(dá)到平衡擁塞和均衡AP 間負(fù)載的目的,保證終端用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量.然而,除了上述優(yōu)勢(shì)之外,該集中接入策略也存在一些不足,該策略會(huì)造成接入耗時(shí)的延長(zhǎng),隨著終端數(shù)和子流的增加,控制平面CPU 的占用率也會(huì)有一定層度的提高.

5 結(jié)論與展望

本文引入POF 技術(shù),提出一種深度可編程WLAN架構(gòu),該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的集中接入管理.同時(shí),提出一種基于MPTCP 的無(wú)線AP 接入管理機(jī)制,相對(duì)于傳統(tǒng)的僅僅按照信號(hào)強(qiáng)度RSSI 來(lái)選擇APs 接入,該機(jī)制從信道相對(duì)空閑的APs 中選取接入點(diǎn),對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率進(jìn)行調(diào)優(yōu),解決了因AP 負(fù)載過(guò)重造成的連接中斷、效率低下等問(wèn)題,保證了終端用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量.

然而,實(shí)驗(yàn)環(huán)境也僅僅是在實(shí)驗(yàn)室很小的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行,同時(shí)也未考慮終端用戶(hù)的移動(dòng)性.所以,未來(lái)的工作就是將文中提到的AP 接入管理機(jī)制應(yīng)用到更大范圍的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)考慮終端用戶(hù)移動(dòng)的情況.