基于软件定义网络的WLAN负载均衡算法研究

任壮祖 马宏宝

摘要：在无线局域网中，终端通常根据接收到的信号强度值进行接入或切换，这将导致各个AP之间负载不均衡，造成网络资源利用率低。为此，文章提出了一种基于软件定义网络的无线局域网负载均衡策略，通过把超载AP服务范围内的终端切换到轻载AP上，使网络达到均衡状态。仿真实验表明，该方案有效平衡了各个AP的负载，提高了网络的系统吞吐量。

关键词：软件定义网络；无线局域网；负载均衡

无线局域网（WLAN）以灵活、易于扩展和高带宽等特点被广泛用来提供无线互联网的接入。通常一个WLAN系统由多个AP组合而成，各个AP的覆盖区域是相互重叠的。处于重叠区域的终端可以与任何能够提供足够信号强度值的AP链接，而处于非重叠区域的终端只能够链接该区域的AP。在传统的WLAN系统中，终端会选择信号强度值最大的AP建立链接，这种方法容易造成有些AP上终端连接个数过多，而另一些APs空闲，导致网络负载不均衡，资源利用率低下。

软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）是一种新的网络架构，它的思想是将网络的控制权分离出来，交给SDN控制器管理，控制器拥有网络的全局视角。针对WLAN中负载均衡问题，SDN集中控制的思想可以很好地解决该问题。近年来，将SDN与WLAN结合成为研究热点。OpenRoads和Odin都是基于SDN的WALN架构。

本文提出一种基于软件定义网络的无线局域网负载均衡方法，仿真实验表明，该方法提高了网络的性能。

1 网络架构

基于软件定义网络的无线局域网架构如图1所示，由支持openflow协议的APs、SDN控制器及各种应用模块构成。SDN控制器是本架构的核心，它通过南向接口协议openflow对AP设备进行管理。同时控制器上还有管理和判断AP状态的模块。

2 负载均衡策略

2.1 影响WLAN接入性能的参数

WLAN的性能有吞吐量、时延、利用率等方面的指标，在现实环境中，受各种参数和环境的影响，WLAN的性能会发生比较大的变化。所以首先要了解哪些因素影响WLAN的性能，这样才有利于负载均衡算法选取参数。

2.2 接入终端用户数

由于WLAN的MAC层采用的CSMA/CA发送数据，AP上连接用户终端数越多，所传输的管理及数据帧就会越多，数据传输时碰撞的概率就会越大，数据传输失败概率就越大，系统的负载就越大。

2.3 接收信号强度

信号强度是传输数据的基本参数，接收信号强度越强，传输的抗干扰能力就越好，所能达到的传输速率也就越高。

2.4 带宽空闲率

接入点的带宽空闲率越低，能为用户终端提供的剩余服务带宽就会越少，并且因为带宽使用率高，数据传输的碰撞概率也就越大，从而也一定影响网络的性能。

2.5 传输错误率

传输的错误率从一定程度上表明了无线链路的质量，传输错误率越高，无线网络的性能就越低。

3 AP负载状况评估

根据影响WLAN网络性能的参数，选取信号强度S、接入终端个数N和宽度空闲率B为评估AP负载状况的参数，定义AP负载权重评估函数W公式如下：

公式中w_i，j表示AP_i相对于终端Uj的权重，s_i，j表示终端U_j接收到AP_i的信号强度，Ni为AP_i上连接的终端个数，因为N的值可能为O，所以将该参数加1。Bi表示AP_i在一段时间内的带宽空闲率。

4 负载均衡方案

本文的负载均衡方案主要思想是，控制器实时监控各个AP的实时负载信息，根据公式（l）为每一个AP的负载赋予一个权值。终端对应AP的权值随网络的情况不断变化，当终端接入的AP不满足要求时，由控制器主动将其切换到其他AP上，从而保证终端接入的AP总是最优的权值，以实现全网络的负载均衡。

具体的策略是终端首次请求接入无线局域网时，由AP将终端信息发送至控制器，在确认终端有接入权限后，控制器查询各个AP对于该终端权重表，找到最大的权值AP，终端接入该AP。权重表随着网络的不断变化而变化，当为终端服务的AP不是最优时，控制器发送管理帧信息，将终端切换到最优AP上。具体流程如图2所示。

5 仿真实验及分析

本文选用MininetWiFi进行仿真实验，仿真平台部署了20台AP和100台终端。AP部署的半径为200m的范围，模拟的终端在AP的覆盖范围内进行随机移动。不同终端之间相互发送随机大小的数据包。如图3所示，为本文负载均衡方案和不加负载均衡方案的网络实时吞吐量对比。

可以看出本文负载均衡方案较均衡前吞吐量提高了，说明文中提出的负载均衡算法能够提高系统的整体系能。

6 结语

本文提出了一种基于软件定义网的无线负载均衡方案，仿真平台实验表明，该方案有效地提高了网络的整体性能。