基于CAPWAP的WLAN切换式负载均衡算法

陈伟

（宿州职业技术学院网络中心，安徽宿州 234101）

基于CAPWAP的WLAN切换式负载均衡算法

陈伟

（宿州职业技术学院网络中心，安徽宿州 234101）

提出了一种基于CAPWAP的WLAN切换式负载均衡算法，该算法中各WTP能够相互交换负载状态信息，当出现负载差异时，把超载WTP服务范围内的终端切换到轻载WTP上，以减少各个WTP之间的负载差异，从而实现WLAN负载均衡.经仿真实验，该算法能够平衡各个WTP之间的负载，提高网络的系统吞吐量.

CAPWAP；负载均衡；无线局域网；切换

近年来，随着无线技术的迅猛发展，无线局域网WLAN也得到了极大的推广和发展，很多小区、学校及商场等都有WLAN的覆盖.WLAN组网规模的不断扩大，使得传统的自治式网络架构已不能满足当前组网需求，一种新型的网络架构模式——集中式WLAN体系架构应运而生.集中式WLAN体系使用CAPWAP协议，通过引入访问控制器AC（Access Controller），能够对无线接入点WTP（Wireless Termination Point）统一管理，集中控制，解决了自治式架构组网时存在的问题，已成为WLAN的主要发展趋势.本文的负载均衡算法就是采用这种基于CAPWAP协议的集中式WLAN体系架构.

在802.11标准协议下，由于没有实施和部署负载均衡机制，无线终端STA（Station）在关联到相应的WTP时是基于此WTP的信号强度做出判断，使STA在接入时会集中选择信号强度高的WTP进行关联，这样势必造成此WTP上负荷过高，各WTP间负载不平衡，造成网络拥塞和资源浪费.

解决上述问题的关键是实现WLAN内各节点的负载均衡.本文以切换式负载均衡为例，结合CAPWAP协议，提出了一种基于CAPWAP的WLAN切换式负载均衡优化算法.在CAPWAP结构下，采用该算法能够使各个WTP互相获取负载信息，当出现负载差异时，把过载WTP关联的STA终端切换到正常WTP上，以减少各WTP之间的负载差异，从而实现WLAN负载均衡.

1 CAPWAP简介

CAPWAP[1]是一种实现WTP与AC交互的无线接入点控制协议，主要应用于大规模的集中式WLAN体系结构.CAPWAP协议的出现解决了不同WTP与AC之间不能互联的问题，实现了WTP与AC的通信交互.

CAPWAP协议把WLAN分为WTP和AC两部分，WTP和AC通过IP网络进行连接通信，如图1所示.此时的WTP称为轻型AP或瘦AP，只具有报文加密、帧交换等少量无线处理功能，大部分无线功能被剥离到AC上，交由AC统一处理，可以看作是AC的远程射频端口.WTP在收到STA终端数据后通过CAPWAP协议封装后发送给AC，由AC进行解封装.AC能够通过CAPWAP对WTP进行集中控制和管理，因此，在CAP⁃WAP结构中，AC具有了对整个WLAN的完整视图，并可以通过CAPWAP的Wireless Specific Information选项和CAPWAP定义的控制消息元素从WTP获取所需的无线资源信息，其中包括WTP的负载信息等.

2 切换式负载均衡

WLAN负载均衡按解决方式可分为：接入式负载均衡和切换式负载均衡[2].本文主要介绍基于切换式的负载均衡方式.切换式负载均衡就是控制STA终端的切换过程[3]以实现WLAN负载均衡.当WLAN中某个WTP负载过高时，则把该WTP下关联的STA切换到其它WTP上以减少其负载，反之，当某WTP负载较低时，就控制其它WTP下的STA到该WTP上，从而实现全网的负载均衡.

切换式负载均衡的反应迅速及时，当出现负载差异时，立刻启动STA切换进行实时调整，平衡各WTP负载差异，缓解负荷过高的WTP的压力，防止出现大量STA竞争该WTP资源导致网络堵塞.切换式负载均衡不足之处在于切换可能会给终端站点带来相应的损失，如切换失败，切换失败后STA会重新扫描寻找WTP并进行接入，这势必会造成上层业务的中断.文献[4]提出了将WTP主控方法和切换式负载均衡方法相结合的方式，这种方式把两种负载均衡的优点集于一身，既反应迅速，又能保证收集信息的精准性，更好的协调负载的分布.

3 切换式负载均衡算法设计与实现

图1 CAPWAP的集中式WLAN架构

负载均衡算法的目标是减轻超载的WTP的负载，分流其所关联的STA到正常WTP下，从而平衡各WTP负载差异，提高带宽利用率和网络整体性能[5].因此，如何给超载的WTP选择供分流的目标WTP和选取准备进行切换的STA是实现负载均衡的关键.

3.1 算法步骤

3.1.1 负载信息收集过程

在CAPWAP结构中，AC能够获取其下关联的所有WTP的基本负载信息，据此可判断当前WTP的负载状态.当某个WTP处于正常状态时说明可以接受来自其他WTP的分流，如果WTP处于超载状态则启动负载均衡机制，对其进行STA的分流，以减轻其负载.

如果当前ESS（扩展服务组，由多个基本服务组BSS组成）中，没有处于正常状态下的WTP，就说明当前其他所有WTP都不具备接受分流的能力，自身负载也过高，以至于不能再接纳新的STA接入，此时，过载WTP并不发送超载广播消息.如果ESS中存在可以接受分流的正常WTP，过载WTP才发送超载广播消息给其下关联的STA.STA站点在接到WTP的通知消息后，会进行针对所有可视WTP的负载信息收集，负载信息主要包括信号强度RSSI及信道忙碌率等.STA在向广播WTP返回信息前要对收集的WTP的信号强度RS⁃SI进行判断，仅当RSSI超过了预设的最低阈值RSSITH时才返回收集的WTP信息给广播WTP，并把当前WTP列入候选WTP队列中，此时也说明一旦把STA切换到此WTP上，信号强度是能够得到保障的，对于RSSI低于阈值RSSITH的，则可排除在WTP候选队列之外，且不向广播WTP返回任何信息.

广播WTP利用STA返回的信息，计算每个WTP的负载情况，在这里用如下公式来计算WTP的负载

其中，RBi表示WTPi的信道忙碌率，R是预设的忙碌率阈值，可以根据实际情况不断修正从而选择更为合适的数值.Ni表示当前WTPi其下所关联的STA终端的个数，RSSIi表示STA探测收集的WTP的RSSI，当RSSIi＞RSSITH时才进行负载计算.

3.1.2 权值排序

在负载信息收集阶段，广播WTP利用STA返回的信息对满足条件的可视WTPi进行负载计算，根据计算的结果进行状态判断和权值排序.对于过载的WTPi，信道忙碌率RBi＞R，故其权值大于0，把它置于权值队列的最后面，对于正常的WTPi权值小于0，按顺序排在权值队列前端，作为目标WTP供负载分流.由此可见，0把过载和轻载的WTP在权值队列中划分为两段，权值小于0的是可进行切换的正常WTP，大于0的是不可切换的过载WTP，后者需要做负载均衡.

3.1.3 控制切换过程

在过载WTP向目标WTP进行STA站点切换过程中，目标WTP在接受STA分流时要对自身负载进行判断，加入STA后自身不超载，则允许接入，否则拒绝接入.简单的说就是在保证目标WTP不超载的情况下，把置于权值队列后面的过载WTP的STA终端站点切换到队列前面正常WTP中.

3.1.4 切换后更新

切换完成后，过载WTP要把分流出去的STA站点的信息删除，以更新其当前关联状态，防止多余的计算.

3.2 算法描述

由上述算法步骤可知，在切换式负载均衡算法中需要WTP接入点和STA站点的共同参与，因此可把算法简单描述如下：

3.2.1 无线站点STA端

无线站点STA在接到过载WTP的超载广播消息后，会向所有可视的接入点WTP发送探测请求帧，当收到可视WTP的响应帧后，STA会根据从响应帧提取的负载信息进行判断，负载信息主要包括RSSI、信道忙碌率及站点个数.如果当前某个WTP的RSSI超过阈值，则把其信息发送给广播WTP，否则不发送.STA端的算法流程如图2所示.

3.2.2 无线接入点WTP端

首先判断WTP的工作状态，如果轻载则可以进行切换，否则当WTP处于超载状态时启动负载均衡.进行负载均衡时，先通过WTP之间的负载交流判断是否存在正常的WTP，如果有正常WTP存在，当前超载WTP便会向其关联的所有STA发送超载广播通知.

WTP收到非关联STA站点的探测请求帧后，会返回包括RSSI、信道忙碌率及站点个数的探测响应帧给STA.若收到的是关联STA站点的探测响应帧，则提取相应的负载信息.

超载WTP根据STA返回的信息，计算各WTP负载并根据权值大小排序，区分过载和正常WTP，向正常WTP发送切换请求，WTPi在接到超载WTP的切换请求时要进行自身负载判断，加入新的STA站点，自身不会超载时则允许接纳STA，否则拒绝接收STA.

当目标WTP通过自身负载判断允许STA站点切换，则过载WTP开始向目标WTP进行STA分流，本次切换成功.

图2 STA端算法流程

过载WTP切换成功后，开始删除分流出去的STA站点信息，以避免无效的计算出现.

若WTP拒绝接收，则继续寻找可切换的目标WTP，如无WTP肯接纳STA，说明所有WTP负载均接近饱和，此时不进行切换.

若超载WTP在进行切换后仍然处于超载状态则继续向关联STA发送超载广播，重复以上步骤.

WTP端的算法流程如图3所示.

4 仿真实验

图3 WTP端算法流程

图4 无负载均衡下各WTP吞吐量对比

图5 本文负载均衡算法下各WTP吞吐量对比

为了对基于CAPWAP的切换式负载均衡算法有效性进行验证，本文采用了目前主流的仿真工具OPNET Modeler 14.5进行仿真实验.仿真实验中通过3个WTP接入点覆盖区域来模拟整个无线局域网络.每个WTP的带宽设为2Mbps，覆盖区域为2×2KM2，分别工作在不同的信道上.设置仿真时间为1800秒，STA站点的带宽也为2Mbps，WTP1关联14个STA站点，WTP2关联7个STA站点，WTP3关联9个STA站点.通过调整STA站点的数据包生成时间间隔，使STA业务负载量各不相同，其中WTP1和WTP2关联的站点负载相对WTP3较高.在没有进行负载均衡情况下进行仿真实验，仿真后各WTP吞吐量对比如图4所示.

由图4可知，WTP1和WTP2吞吐量相对较高，WTP3相对较低，这是因为WTP1和WTP2关联的站点负载大于WTP3.WTP3虽然关联站点数不少，却因为站点业务量小使得负载较轻，故吞吐量较低.尽管WTP1关联的站点数远高于WTP2，但其吞吐量差别却很小，这说明WTP1上存在严重冲突，信道忙碌率较高，负载较重，影响了通信的质量，需要进行负载均衡以减轻其负载.

采用基于CAPWAP的负载均衡算法进行仿真实验，仿真结果如图5所示.

在基于CAPWAP的负载均衡算法中，把信道忙碌率作为影响WTP负载的重要因素进行考虑.在权值排序阶段根据各个WTP信道忙碌率进行权值排序.由于WTP1信道忙碌率最高已超过阈值，处于过载状态，故排在队列之后优先进行负载均衡.WTP3虽然关联了9个STA站点，由于站点业务负载较少，信道忙碌率较低，故位于权值队列之前优先进行STA切换.根据负载均衡算法，WTP1选择WTP3作为目标WTP进行负载分流，把一部分站点分配给WTP3，从而降低了WTP1的冲突，提高了WTP3的吞吐量.在切换站点过程中根据信道忙碌率变化不断调整各WTP负载，直至达到图5所示的基本平衡状态.

图6所示为负载均衡前后总吞吐量对比曲线图，由图可知，本文负载均衡算法的应用大大提升了WLAN的整体吞吐量，也提高了网络整体性能，减少了资源的浪费，故该算法可行有效.

5 总结

由于在802.11无线局域网中没有负载均衡的实现机制，导致WLAN中无线接入点负载差异较大，网络性能受到严重影响，网络资源也得不到充分利用，为解决这一问题，本文提出了一种基于CAPWAP的WLAN切换式负载均衡优化算法.经仿真实验表明，采用该算法能够有效平衡各接入点间负载差异，从而实现WLAN负载均衡，提高网络整体性能和资源的利用率.

图6 负载均衡前后总吞吐量对比

[1]Calhoun P，Montemurro M，Stanley D.RFC5415.Control and Provisioning of Wireless Access Points（CAPWAP）Protocol Specification[S].March，2009.

[2]向望.基于CAPWAP的无线资源管理技术研究与优化[D].上海：复旦大学计算机科学技术学院，2009.

[3]丁晓乐，李风华，李贺武，等.基于功率控制和位置信息的无线局域网动态负载均衡机制[J].厦门大学学报：自然科学版，2007，46（增刊2）：150-155.

[4]王彬.无线局域网中的负载均衡技术[J].中兴通讯技术，2006，12（3）：46-50

[5]杨茜惠，刘宴兵.无线局域网中一种切换式负载均衡算法[J].中兴通信技术，2008，41（4）：154-161.

[6]王晓健，戎蒙恬，刘超.无线局域网的一种功率控制算法[J].计算机仿真，2008，25（12）：142-161.

[7]陈侃，李华，潘春建，等.集中式WLAN网络无线资源管理研究[J].计算机工程，2007，33（8）：124-129.

[8]李浩琳，沈世锦，张正风.AP技术发展与组网应用的研究[J].电信科学，2008，24（5）：26-32.

[9]李满，谢卓奇，郭杰，等.基于OPNET Modeler的扩展WLAN仿真及实测研究[J].通信技术，2008，41（06）：26-29.

Handoff Algorithm of Load Balance Based on CAPWAP in WLAN

CHEN Wei
(Network Center,Suzhou Vocational and Technical College,Suzhou 234101,China)

This paper puts forward a CAPWAP-based handoff algorithm of load balance in WLAN,in which each WTP can exchange load state message with the other.When the load of WTPS shows bigger differences, the overloaded WTP forces the handoff of some stations to be associated with under-loaded WTP in order to re⁃duce the load difference,and to realize load balancing of WLAN.The simulation results indicate that each WTP’s load can be balanced and that the system throughput can be improved dramatically.

CAPWAP;load balance;wireless local network;handoff

TP301.6

A

1008-2794（2013）04-0114-05

2013-03-05

安徽省教育厅优秀青年人才基金项目“基于自适应算法的校园网络链路负载均衡研究与应用”（2012SQRL263）

陈伟，讲师，硕士，研究方向：计算机网络管理，E-mail：chenwei9737@163.com.