实现多无线接入点网络连接模型的研究

李实 修长虹 梁建坤

沈阳药科大学计算中心 辽宁 110016

0 前言

在802.11无线局域网环境下，有两种不同的拓扑结构，分别是infrastructure模式和Ad Hoc模式。

在infrastructure模式下，网络的基本结构是由无线工作站，有线工作站和AP构成的，无线工作站以无线方式连接到AP，并通过AP与有线工作站或者其他无线工作站进行通信。同一个区域内可能覆盖着几个AP信号，IEEE802.11无线局域网的每个站点在某一个特定时刻只能与一个AP关联。

在 AD HOC模式下，规定了无线工作站点对点通信协议。这种模式下，为两个无线工作站之间交换数据提供了支持，在AD HOC模式下仅仅限于无线工作站之间进行通信。

1 无线站点和AP建立连接的典型方式

1.1 扫描方式

无线站点首先需要通过主动/被动扫描，在通过认证和关联两个过程后才能和AP建立连接。

（1）主动扫描

无线站点寻找网络时，站点会定期地在网卡支持的信道列表中进行扫描。根据是否携带指定 SSID，主动扫描可以两种：

无线站点发送Probe Request(SSID为NULL)：无线站点会定期地在网卡支持的信道列表中，发送广播探测请求帧(Probe Request 帧)扫描无线网络。当AP收到探测请求帧后，会回应探测响应帧(Probe Response 帧)通告可以提供的无线网络信息。无线站点会选择信号最强的AP进行关联。无线站点通过主动扫描，可以主动获取可使用的无线服务，之后无线站点可以根据需要选择适当的无线网络接入。单一Probe Request导致多个Probe Response被传送的情况，广播式的Probe Request会收到范围内的所有AP的响应。

无线站点发送Probe Request(Probe Request指定的SSID帧)这种情况下，因为客户端携带指定的 SSID，只能单播发送探查请求帧(Probe Request帧)，相应的AP接受到后，回复请求。这种方法适用于无线客户端通过主动扫描接入指定的无线网络。

(2) 被动扫描

被动扫描是指无线站点通过监听AP定期发送的Beacon帧来发现网络。无线站点在其所支持信道列表的每个信道上监听信标。被动扫描要求 AP周期性发送 Beacon帧。一般Voip语音终端通常使用被动扫描方式。

1.2 认证过程

为防止非法用户接入，首先需要在用户和AP之间建立认证，认证机制包括开放系统认证和共享密钥认证两种。只有通过认证后才能进入关联阶段。

1.3 关联过程

如果无线站点想通过AP接入无线网络，必须同特定的AP关联。当站点通过指定SSID选择无线网络，并通过AP认证后，就可以向AP发送关联请求帧。AP将站点信息添加到数据库，向无线站点回复关联响应。无线站点每次只可以关联到一个AP上，并且关联总是由无线站点发起。这是典型无线站点和AP建立连接过程，是目前执行标准。可以看到典型模式无线站点导致了一个这样的结果，很多无线工作站连接少数AP，与此同时，相邻的AP是空闲的，这种AP超载现象会导致网络性能下降，因此，在无线工作站和 AP建立关联的时候，需要考虑每个 AP的负载状态和这个 AP已经连接的AP数量。

2 改进型动态负载均衡方式

改进型动态负载均衡方式在无线工作站与AP建立连接的时候，不仅要考虑 RSSI的强度，而且还要考虑这个 AP已经连接的工作站数量及 RSSI的平均值，从而保证一个无线工作站被更加合理分配到一个所有可用的AP集合中，保持整个区域无线网络的性能更高。包括AP动态频率选择阶段，无线工作站加入协商阶段及连接观察阶段。

下面，详细讨论这三个阶段，为了保证算法的执行，必须要修改无线工作站和AP之间的通信协议。

2.1 AP动态频率选择阶段

动态频率选择技术是一种应用于无线局域网系统的分布式自适应频率分配技术，简称为 DFS(Dynamic Frequency Selection)。每一个AP都监视临近的AP以及无线局域网环境中的其他无线资源，并且根据无线信道已经被其他AP占用和对无线网络环境的干扰降到最低这两个原则，AP自动选择最适当的传输信道。等距离频段(如1、6、11)之间在相邻的AP之间干扰最小。在这个阶段，AP自动选择了合理的频段，整个由多个AP构成的无线网络环境下AP相互干扰降到了最低。

2.2 无线工作站加入协商阶段

无线工作站发出一个探测请求帧(Probe Request帧)到网卡支持的信道列表中，当AP收到探测请求帧后，会回应探测响应帧(Probe Response 帧)通告可以提供的无线网络信息，这与无线站点主动扫描相似，区别在于AP回应探测帧包括附加信息。

算法1

该方法的思路：

(1) 选择的区域尽可能平均的原则，是整体平均，不是局部平均。

(2) 采用绝对优化区域选择法，不需要逐个尝试选择，比穷举法的选择更有其便捷性。

(3) 运算次数随AP总数的增多，会使运算次数相对穷举法次数快速递减，一般是原来次数的1/2弱，AP总数越大，弱性越强。

当已经完成扫描程序后，依据前面提到的三个参数，无线工作站决定关联哪个AP。

利用上面的判断法，可以用较少的运算，达到尽可能优化的目的。但是这种算法具有一定的缺点：

(1) 所得到的最优连接不一定是全局最优。

(2) AP总数较少时不适合该种方法(一般如果忽略连通成功间隔时间)。

算法2

为克服上述缺点，我们改进其算法，当已经完成扫描程序后，依据前面提到的三个参数，WS决定最好的 AP和其相连。站点选择权函数为最大的 AP，这个权函数考虑到所有和WS已相连AP的平均RSSI，计算方法如下：

选择Wi最大的值为接入点。该方法可以精确找到合理的接入点。

2.3 连接观察阶段

在连接观察阶段，每个AP都会在定期发送的Beacon帧和探测响应帧中更新平均RSSI值，Mi和与之关联的站点数量Ni。无线工作站周期性的探测AP并更新与AP对应的RSSI值，Si，Mi和 Ni。

无线工作站通过上面提及的算法来计算权值，一旦计算结果低于预先定义的阈值，就会寻找一个新的 AP。这个开始的阈值依赖于WS和AP的物理特性。

为了实现这个算法，必须要修改必要的通信协议，在现有通信协议中添加附加信息。

(1) AP的Beacon帧和应答帧要附加与之关联的无线工作站数量。

(2) AP的Beacon帧和应答帧要附加与之关联的无线工作站的RSSI平均值。

(3) AP的应答帧中要附加探测请求者的RSSI值。

此外，AP必须能够开启主动或者被动扫描程序，再者，AP和无线工作站必须都要支持这种算法。

3 结论

当前的这个负载均衡算法在没有隐藏终端的情况下表现出来的性能良好。无线工作站和AP做到很好的均衡分配。然后，对于这个算法来说考虑隐藏终端也是绝对必要的。因此，精确的估计隐藏终端的数量需要进一步研究的。

[1] IEEE Standard for Wireless Lan Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY) Specifications,Nov.1997.

[2] Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks： The Definitive Guide[M].南京：东南大学出版社.2007.

[3] Veres A,Campbell A T,Barr M,Sun L H. Supporting service differentiation in wireless packet networking using distributed control.IEEE Journal on Selected Areas in Communicatios.2001.

[4] IETF RFC 2402 Authentication Header.1999.

[5] IETF RFC 2406 Encrypted Security Payload.1999.

[6] 刘乃安.无线局域网(WLAN)－原理、技术与应用.西安电子科技大学出版社.2004.