基于霧計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡優(yōu)化研究?

肖 明 舒江波 周 偉 唐亦非 史永銀

（1.華中師范大學(xué)信息化辦公室 武漢 430079）（2.華中師范大學(xué)教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 武漢 430079）（3.華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心 武漢 430079）

1 引言

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，高校利用移動(dòng)設(shè)備學(xué)習(xí)辦公越來越普及，高校移動(dòng)學(xué)習(xí)辦公需要校園無線網(wǎng)絡(luò)的支持［1］。在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中，校園無線網(wǎng)絡(luò)普遍采用傳統(tǒng)架構(gòu)部署，即無線控制器（簡稱AC）+無線接入點(diǎn)（簡稱AP）的組網(wǎng)模式，AC對(duì)AP和用戶進(jìn)行管理。傳統(tǒng)架構(gòu)模式存在如下問題：1）由不同AC 獨(dú)立承擔(dān)某一區(qū)域無線用戶和無線通信管理，無法協(xié)同工作；2）如出現(xiàn)兩個(gè)控制器同時(shí)發(fā)生故障時(shí)無法災(zāi)備；3）無線網(wǎng)用戶跨控制器漫游時(shí)，存在IP 地址更換，原有會(huì)話丟失，需要重新認(rèn)證；4）校園網(wǎng)的無線AP 依據(jù)其地理位置被劃分到不同控制器，其分擔(dān)的AP不能均衡分布，且用戶容易發(fā)生“信息潮汐”的現(xiàn)象，如上課期間承擔(dān)教學(xué)樓的AC接入用戶多而負(fù)載重，承擔(dān)宿舍的AC用戶少而負(fù)載輕，下課期間則反之。當(dāng)前，高校的無線網(wǎng)絡(luò)AP布局大多由人工憑經(jīng)驗(yàn)部署，將教學(xué)樓、辦公樓和宿舍等地的AP 設(shè)備手動(dòng)與不同AC 關(guān)聯(lián)。人工經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o法實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀態(tài)和資源利用率，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和優(yōu)化實(shí)施方案是亟需解決的難點(diǎn)，本文通過對(duì)云服務(wù)器虛擬化層、霧計(jì)算無線控制器層、霧計(jì)算AP層和用戶終端的架構(gòu)模型研究，可為全面優(yōu)化校園無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗(yàn)提供建議與依據(jù)。

在無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，已經(jīng)有很多學(xué)者開展了大量的研究。從部署架構(gòu)角度，文獻(xiàn)［2～10］論述了一種將云計(jì)算和服務(wù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣的霧計(jì)算技術(shù)，討論了霧計(jì)算框架下資源分配和管理面臨的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［11～16］針對(duì)負(fù)載均衡問題，分別從負(fù)載均衡決策、動(dòng)態(tài)均衡調(diào)度算法、改進(jìn)蟻群算法進(jìn)行了優(yōu)化。上述研究主要從鏈路方面考慮的負(fù)載均衡算法，而沒有考慮用戶漫游和重復(fù)認(rèn)證后，如何提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和用戶體驗(yàn)感以保障高效分配和便于管理。

鑒于此，以高校無線網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，利用校園內(nèi)云服務(wù)器虛擬化層、霧計(jì)算無線控制器層、霧計(jì)算AP 層和用戶終端的架構(gòu)模型，構(gòu)建基于霧計(jì)算的校園無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測與反饋，達(dá)到均衡網(wǎng)絡(luò)資源、改善上網(wǎng)體驗(yàn)的目的。

2 基于霧計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

校園無線網(wǎng)絡(luò)由交換網(wǎng)絡(luò)、云虛擬化管理服務(wù)器、無線控制器虛擬池和無線AP 組成。分布在不同校區(qū)，不同樓棟和室外區(qū)域的校園無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，需要一個(gè)去中心化的無線通信環(huán)境。本文為這類應(yīng)用構(gòu)建了一個(gè)基于霧計(jì)算架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)模型，其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于霧計(jì)算架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)模型

基于霧計(jì)算架構(gòu)的校園無線網(wǎng)，通過分布于校園各處的計(jì)算資源、管理主機(jī)、交換機(jī)、控制器和AP，組成一張校園全覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)，其分層結(jié)構(gòu)如下：

1）云服務(wù)層：校園云計(jì)算中心通過其強(qiáng)大存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)器虛擬化為霧計(jì)算架構(gòu)下的AC協(xié)調(diào)工作和優(yōu)化通信計(jì)算提供服務(wù)。

2）霧計(jì)算層：基于霧計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含路由交換虛擬化和無線控制器虛擬化；所有AC 虛擬成一個(gè)資源池，協(xié)同工作和冗余備份，與無線AP一起，構(gòu)成霧計(jì)算無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化池。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化池

3）終端層：包括部分無線AP和用戶終端設(shè)備。

3 基于霧計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡

3.1 霧計(jì)算無線AP負(fù)載均衡

作為霧計(jì)算無線網(wǎng)絡(luò)的集群AC池負(fù)責(zé)為每個(gè)AP 分配主AC 和備AC。輪巡集群中所有控制器，依據(jù)不同型號(hào)控制器的硬件能力及當(dāng)前接入的AP數(shù)進(jìn)行計(jì)算，均衡地將AP注冊到不同AC。當(dāng)集群中AC 節(jié)點(diǎn)負(fù)載變化時(shí)，集群系統(tǒng)不斷優(yōu)化負(fù)載量。根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的各種參數(shù)計(jì)算負(fù)載量，依據(jù)負(fù)載量來均衡AP 的注冊。計(jì)算AP 在集群中注冊某個(gè)AC的負(fù)載量，如式（1）所示：

其中，ap_maxload 為AP 最大負(fù)載量、cpu_load 為CPU 利用率、memory_load 為內(nèi)存利用率、net_bw_load為網(wǎng)絡(luò)帶寬，其權(quán)重分別由w1、w2、w3、w4表示。

集群中AC注冊AP總占比如式（2）所示：

注冊AP占比達(dá)到AP負(fù)載均衡閾值時(shí)，根據(jù)負(fù)載均衡調(diào)整AP 的注冊AC，AP 在AC 控制器集群間實(shí)現(xiàn)均衡的負(fù)載分布。當(dāng)主AC失聯(lián)時(shí)，備AC變?yōu)橹鰽C，集群控制系統(tǒng)為AP指定一個(gè)新的備AC。

3.2 基于霧計(jì)算的無線用戶負(fù)載均衡

在霧計(jì)算無線網(wǎng)架構(gòu)中，AC 集群對(duì)用戶的負(fù)載均衡要求及時(shí)準(zhǔn)確把握各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況，并根據(jù)各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的資源利用情況動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶的注冊分布。AC 集群采用結(jié)合HASH 散列函數(shù)的負(fù)載均衡算法模型，使校園無線用戶通信動(dòng)態(tài)均衡最優(yōu)。當(dāng)一個(gè)用戶上線時(shí)，集群根據(jù)算法給該用戶指派一個(gè)主AC 和一個(gè)備AC，如果主AC 故障，則備AC 會(huì)自動(dòng)升級(jí)主AC，并且在集群內(nèi)再為用戶選出一個(gè)備AC。

3.2.1 用戶負(fù)載均衡算法模型

1）用戶負(fù)載采用動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法模型，先計(jì)算出AC 池的散列函數(shù)表（Hash table），每個(gè)用戶首先在主AC 上注冊，初始狀態(tài)時(shí)用戶在整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載均衡。AC 集群的主AC 實(shí)時(shí)監(jiān)控收集各節(jié)點(diǎn)用戶和AC 負(fù)載信息，將任務(wù)按照用戶負(fù)載量進(jìn)行分配，負(fù)載量信息包括AP的負(fù)載能力、用戶的負(fù)載能力、CPU利用率和內(nèi)存利用率等特征，采用式（3）計(jì)算：

對(duì)于不同的AC硬件，Wn參數(shù)為一個(gè)常量權(quán)重系數(shù)，并且w1+w2+w3+w4＝1。

根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，生成一有m個(gè)桶的散列表，在此設(shè)m=256，每個(gè)AC 節(jié)點(diǎn)桶的個(gè)數(shù)由式（4）計(jì)算：

根據(jù)每個(gè)ACi節(jié)點(diǎn)桶數(shù)，生成散列表如下：

static int hashmap［256］=｛00，01，…0n，00，01，…0n，00，01，…0n，…00｝；\ 00，01，…0n 分別對(duì)應(yīng)AC1，AC2…ACi

2）基于用戶源mac，進(jìn)行hash 運(yùn)算得到一個(gè)值int P：

int P=HashFunction（mac）

3）對(duì)用戶源mac的hash 值%m 取余，得到訪問下標(biāo)KEY：

int key=P mod m

4）將key映射到散列表的bucket，如圖3所示。

圖3 key映射散列表

5）用戶user 通過散列表bucket值，找到對(duì)應(yīng)用戶的主AC，并將bucket 索引表推向主AC。相同的bucket 索引表最后由集群主AC 推向所有AP，并由集群主AC為每個(gè)用戶推選一個(gè)備AC。

6）節(jié)點(diǎn)最大負(fù)載（Max_load）是節(jié)點(diǎn)node（i）在為m 個(gè)用戶服務(wù)時(shí)平均負(fù)載值為能夠提供的最大平均下載速度。定義下載量為Lm，時(shí)長為Rm-Sm，節(jié)點(diǎn)node（i）在為m個(gè)用戶服務(wù)時(shí)平均負(fù)載值為

在為m個(gè)用戶服務(wù)時(shí)，此節(jié)點(diǎn)與用戶端的連接通道所承擔(dān)的最大負(fù)載利用率由式（6）表示：

節(jié)點(diǎn)i 在為m 個(gè)用戶服務(wù)時(shí)提供的最大負(fù)載是：

集群中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均最大負(fù)載值占比為

結(jié)合式（4）和式（10），得出負(fù)載均衡后，節(jié)點(diǎn)散列表中entry數(shù)為

根據(jù)節(jié)點(diǎn)占比，更新散列表中AC 對(duì)應(yīng)的桶個(gè)數(shù)，使用戶負(fù)載均衡。

3.2.2 集群節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整

集群節(jié)點(diǎn)的負(fù)載增量計(jì)算方法為：AC節(jié)點(diǎn)i每隔λ時(shí)段，就進(jìn)行一次負(fù)載狀態(tài)查詢，如果預(yù)測增加用戶數(shù)R，則AC 節(jié)點(diǎn)將增加負(fù)載IL（R，i），計(jì)算如下：

其中，L（Si）為當(dāng)前負(fù)載，n為當(dāng)前用戶數(shù)。

在這里，設(shè)節(jié)點(diǎn)i 當(dāng)前在線運(yùn)行的用戶為Pt，Pt+1，…，Pn，利用式（8）和式（9），可以由節(jié)點(diǎn)i 當(dāng)前的負(fù)載得出下一時(shí)間段（或下一服務(wù)序列n+10）負(fù)載增量，如式（13）所示：

采用此式（13）可以得出Pn+1的最大負(fù)載不能超過IL_Load（i，n+1），以保證節(jié)點(diǎn)總的負(fù)載不超過MaxLoad，即：

Pn+1≤IL_Load（i，n+1）

負(fù)載增量IL_Load（i，n+1）可以看作下一用戶負(fù)載能夠被節(jié)點(diǎn)接納的入口閥值。

例：User1 的MAC：ac：83：f3：a7：f6：67 初次接入由AP 采用索引哈希和求余，得到key 值54，在32～63 索引范圍內(nèi)，查到子項(xiàng)為00，對(duì)應(yīng)主AC 為10.128.15.21。系統(tǒng)即可訪問該bucket 里寄存的元素，如圖4所示。

圖4 用戶注冊AC映射關(guān)系圖

3.3 無線網(wǎng)用戶智能漫游

當(dāng)一個(gè)用戶上線時(shí)，AC 集群給該用戶指派一個(gè)主AC 和一個(gè)備AC，如果主AC 故障，則備AC 會(huì)自動(dòng)升級(jí)為主AC，并且在集群內(nèi)再次選出一個(gè)AC作為其新的備AC。

基于霧計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于多校區(qū)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，分布在各個(gè)校區(qū)的AP 通常連接不同AC，無線用戶在校園移動(dòng)時(shí)，將跨越不同AC，頻繁切換不同AC 及更新IP 地址，多次認(rèn)證?；陟F計(jì)算架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)采用AC 虛擬資源池，可解決用戶無縫漫游的問題。從而保證VOIP通話等應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，減少延時(shí)，提升用戶體驗(yàn)。

4 無線網(wǎng)絡(luò)性能分析

為了驗(yàn)證算法的有效性，我們在相同的負(fù)載情況下，分析傳統(tǒng)架構(gòu)和霧計(jì)算架構(gòu)下的接入響應(yīng)時(shí)延NAD、通信響應(yīng)時(shí)延NCD和通信速率NCR。

4.1 接入時(shí)延

負(fù)載高低直接影響到接入響應(yīng)時(shí)延，在相同的負(fù)載和相同時(shí)間段內(nèi)測試數(shù)據(jù)分析和比較如圖5所示。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)NAD 波動(dòng)較大，在負(fù)載輕時(shí)NAD 最低接近4.5s，在負(fù)載重時(shí)NAD 最高接近8s。而基于霧計(jì)算架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)NAD 波動(dòng)不大，均小于2s，對(duì)比測試數(shù)據(jù)，采用霧計(jì)算架構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)，減少了重認(rèn)證、多次IP 獲取和AC 切換，降低了無線用戶接入時(shí)延。

圖5 兩種架構(gòu)下的接入時(shí)延

4.2 通信時(shí)延

在相同應(yīng)用環(huán)境下，分別以25ms、100ms、200ms、400ms、800ms 重傳和不可達(dá)幾個(gè)區(qū)間記錄對(duì)比兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的通信時(shí)延。用戶數(shù)從9000 到33000 動(dòng)態(tài)變化時(shí)兩種架構(gòu)下用戶通信時(shí)延如圖6所示。

圖6 兩種架構(gòu)下的通信時(shí)延

通過對(duì)圖6 的分析，基于霧計(jì)算架構(gòu)通信時(shí)延，小于100ms占比76.6%，傳統(tǒng)架構(gòu)通信時(shí)延小于100ms 僅占比29.5%，兩種架構(gòu)下用戶通信時(shí)延占比統(tǒng)計(jì)如表1 所示。霧計(jì)算架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延明顯得到優(yōu)化，即使在用戶高峰期，也能合理分配資源，保證網(wǎng)絡(luò)最佳通信響應(yīng)時(shí)延。

表1 兩種架構(gòu)下用戶通信時(shí)延占比

4.3 通信速率

通信速率分別以小于等于36Mbps、36Mbps～72Mbps、72Mbps～100Mbps、100Mbps～150Mbps、大于等于150Mbps 這5 個(gè)區(qū)間記錄。用戶數(shù)從9000到33000 動(dòng)態(tài)變化時(shí)兩種架構(gòu)下用戶通信速率如圖7所示。

圖7 兩種架構(gòu)下的用戶通信速率

對(duì)比兩種架構(gòu)下的用戶通信速率，在霧計(jì)算結(jié)構(gòu)中，用戶通信速率高于150Mbps 和100Mbps～150Mbps 兩個(gè)區(qū)間用戶占比95%，可以滿足絕大多數(shù)用戶應(yīng)用的需求，如表2 所示。比傳統(tǒng)架構(gòu)的整體性能提高了29.5%，提高了無線用戶網(wǎng)絡(luò)通信速率，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)通信。

表2 不同架構(gòu)下的速率

5 結(jié)語

本文的創(chuàng)新有兩個(gè)方面：一是霧計(jì)算架構(gòu)，充分利用云計(jì)算和霧計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行校園無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化。二是動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，校園無線網(wǎng)絡(luò)AP和用戶的負(fù)載狀態(tài)不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)的、不斷調(diào)整的。負(fù)載均衡算法能動(dòng)態(tài)利用無線網(wǎng)絡(luò)資源，合理調(diào)度無線AP和用戶漫游。對(duì)比不同架構(gòu)用戶接入時(shí)延、通信時(shí)延和通信速率，霧計(jì)算無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以顯著改善用戶使用體驗(yàn)。

本文的研究實(shí)踐，有效提高無線網(wǎng)資源的合理利用，無線AP和用戶的合理調(diào)度和漫游，漫游無需多次更新IP 和重復(fù)認(rèn)證，很大程度上改善用戶接入時(shí)延、通信時(shí)延和通信速率問題。但是，本文僅探究了霧計(jì)算架構(gòu)下的無線網(wǎng)絡(luò)資源負(fù)載均衡問題。下一步，將探索霧計(jì)算架構(gòu)下無線網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證安全和接入安全，為實(shí)現(xiàn)多層次全面的無線網(wǎng)絡(luò)通信安全提供理論依據(jù)和應(yīng)用實(shí)踐。