基于CAPWAP 双频模式的研究

崔蓓蓓

(徽商职业学院电子信息系,合肥 230001)

一、802.11 协议

IEEE802.11 的主要通讯频段分成两段:802.11a/n 所在工作范围为2.4～2.4835 GHz,通常称为2.4GHz,802.11b/g/n 所在频段通常称为5GHz,其工作频段带宽有两段分别为5.15～5.35GHz 和5.725～5.825GHz,实际上,5G 频段拥有更高的接入容量。2.4GHz 频段为开放的工业频段,蓝牙、微波炉、ZigBee 等工业设备都工作在这一频段,有3 个不重叠的通讯信道,在实际网络环境中造成难以避免的干扰,因2.4GHz 信道间的冲突,吞吐量较低,使5GHz 频段有了巨大的应用空间。

5GHz频段在频率、速度、抗干扰性上比2.4GHz 强很多并能够提供22 个通信信道。802.11ac[1]协议承担的频段为5G 频段,最大可支持3.47Gbps 传输速率,更少的干扰,更多的接入,提供了更大的吞吐率和多用户MIMO,并且可以有效兼容802.11a 和802.11n,使得5GHz 频段快速应用到WLAN 领域,而现有Wi-Fi 设备主要支持的2.4GHz 频段,设计双频接收终端就有很重要的现实意义。表1 展示了IEEE802.11 系列各协议下的传输速率。

表1 IEEE802.11 系列传输速率

从表1 中可以看出,第一802.11n 目前理论传输速率为600Mbps,实际速率已达100Mbps,802.11ac 实际速率高达800Mbps,远远高于802.11a/b/g 的实际吞吐量;第二,当使用双频系统时,他们的标准速率和最大连接后的吞吐量高于两个单模系统的叠加,通过实际分析可以看出双模吞吐量比单模要高。

二、CAPWAP 工作

传统的自治式WLAN 架构,WTP(Wireless Termination Point)或AP 局域网中承担着重要功能,进行数据转发、接收和加解密等方式提供无线局域网的连接服务。但这种模式给大规模的组网带来困难,自治式的WLAN 逐步被集中式WLAN所代替,早期互联网任务组规定了轻型接入点协议LWAPP[2]。其核心思想是让AC 集中管理大量AP,AP 仅仅具有无线信号的发射功能,而整个无线局域网还需对信号的发射做出管理,这种管理设备为AC,AC 负责接入控制、转发、统计、配置监控、安全控制等,WTP 和AC 之间通过CAPWAP 协议进行连接。我们把这种模式叫作瘦AP+AC 的模式。2009 年3 月,IEIF 标准化组织定义了CAPWAP 解决了AC 对AP 的集中控制问题及通信问题,实现了基于三层网络模式下的通信,STA 的无线数据在WTP 端被封装为CAPWAP 数据报文并通过CAPWAP 的数据隧道提交至AC,AC 负责进行数据的转发,所有的CAPWAP 报文被封装为UDP 报文在IP 网络中传输。图1 清晰地说明了这两种模式的数据报文结构。

图1 加密CAPWAP 数据报文格式

CAPWAP[3]协议本身并不包括任何无线技术,协议目前由两部组成,一是我们常说的CAPWAP 隧道协议,二是无线BINDING 协议,2009 年4 月正式发布。CAPWAP 和具体的无线接入技术无关,作为通用隧道协议,AP 和AC 之间通信较为复杂,首先为AC 发现AP,再次AC 对AP 进行安全性认证,然后AC 下发配置给AP,AP 获取镜像信息和配置信息。目前使用BINDING 协议标准为RFC5416,出台的接入方式为802.11 的RFC,因此称为RFC-5416。但并不支持自治模式,所以本文的无线局域网模型为有中心型的集中转发模式[4]。

目前随着WLAN 技术的发展,AP 的接入方式逐渐过渡至轻量级接入,也就是我们上述提到的LWAPP,使得无线局域网的部署更加灵活,实现IEEE802.11 协议的WLAN 部署可控性和安全性。所有数据由AC 管控,AP 只负责无线BINDING 协议的功能。

AP 和AC 之间在实际的组网中,往往结构较为复杂,我们将它们之间的网络结构抽象为四种模型,①为AC 和AP 直连;②AC 和AP 之间跨越二层交换的网络模式;③AC 和AP 之间跨越三层交换的模式;④AC 和AP 之间跨越多个路由甚至是广域网。而随着虚拟化网络的发展,AC 和AP 之间甚至可以跨越SDN[5]网络,例如OpenCapwap 和SDWN。AC 和AP 之间所有的数据信息和控制信息都被封装为UDP 报文格式通过CAPWAP 隧道在IP 网络中传输。

CAPWAP 协议支持的两种操作模式Split MAC 和Local MAC 来进行无线数据帧和有线网络的互联互通。①Split MAC,在ISO 参考模型第二层来自MAC 子层的无线数据帧和控制帧被CAPWAP 协议封装后在AC 和AP 之间进行数据交换。这种模式又称为集中转发模式。②Local MAC,又称为本地转发模式,无线数据中的控制帧在WTP在本地已经被WTP 处理后转发给AC,数据帧或者被本地桥接或者作为IEEE802.3 帧被隧道化传输。

CAPWAP 协议有两个信道,控制信道和数据信道,两个信道均为双向信道,AC 和WTP(AP)的IP 地址为信道两端地址,其中控制端口转发CAPWAP 的控制报文,使用UDP 的5246 端口。数据端口转发CAPWAP 的数据报文,使用UDP 的5247端口。

CAPWAP 建立需要经历以下五个过程:①AP 获取AC 的IP 地址,AP 本身IP 地址有两种,一种是静态地址一种是动态地址,并且AC 通过广播的方式让AP 获取自己的Loopback 地址,为Discovery 阶段;②AC 和AP 建立控制信道的交互,称为Join 状态;③AC 通过镜像下发使AP 升级,我们叫作Image Data 状态;④AC 下发配置至AP,称为Configuration 状态;⑤AP 与AC 控制和数据信道均建立成功后进入Run 状态。从AP 和AC 的信息交互过程可以看出,AP 是零配置的,它只起到发射无线射频信号的作用,我们通常叫这种AP 为fit-AP,本文对AP 的研究从AP 发射射频信号的802.11 协议和STA 的接入AP 的方式进行研究。

三、双频Wi-Fi

(一)STA 的接入方式

AP 拥有对信道的选择权,当AP 开始运行,将自己的详细信息广播到自己所在的网络,同时AP主动扫描自己所需的信道,即AP 设备本身所遵循的IEEE802.11 协议所规定的2.4GHz 或5GHz 频段所规定的信道,AP 检测周围其他AP 的信息,AP根据自身的检测信息确定工作信道,以保证与接入AP 的STA 通信时效果最佳。无线终端登陆AP 的策略为:

主动扫描模式。向每个可用信道发送探测请求帧,AP 收到探测请求帧后,回复响应帧。响应帧中包含STA 的总数为X,此时AP 的RSSI(接收信号强度指示)值Si,以及AP 所有相关STA 的平均RSSI 值Mi。STA 扫描后,根据AP 提供的信息计算自身的权重为Wi:

通过上述的权值式,STA 计算出每个AP 的权值Wi,STA 对最大权重的AP 进行选择和标记,并发送请求帧请求与此AP 进行关联,在STA 与AP之间关联成功后,当有新的STA 接入时,AP 会更新相关联的移动站点个数,以及RSSI 的平均值等,为STA 选择AP 提供正确的信息。

STA 和AP 通过扫描的方式建立连接,STA 通过主动扫描AP 或是被动接受AP 发送的探测信号,主动扫描方式,主动检测条件下,STA 主动获取BSSID、SSID、BSSType、信标帧间隔和物理参数等信息。被动扫描模式下,STA 通过监听信标帧获取AP 信息。具在STA 加入AP 之前,采用主动扫描方式获取 AP 的相关信息,即设置 STA 的Scantype=active,设置channel=1,BSSID=broadcast MAC address,BSSType=ANY_BSS;启动服务原语MLME-SCAN.request,从扫描请求MLME-SCAN.confirm 扫描证实至扫描确认之后,提取相应的信息;信道传递,channel←channel+1,channel＞11。在整个算法中,Ts 可以通过STA 和AP 之间成功的探测请求和探测响应的交互时间估计,更精准地估测出Ts 的值。通过STA 多次与AP 之间交互求平均值的方法来实现,假设试图与STA 进行关联的AP 个数为M,RSSITH 为RSSI 的阈值,只有大于RSSITH 的AP,才能与STA 建立关联,若APi 与STAj 相互关联,则关联变量Xij=1,否则Xij=0,由于STA 站点最多只能与一个AP 进行关联,故,并设为新加入的STA 向APi 所发送探测响应帧的平均时间。则根据上述定义,就可以把算法的目标归结于:

①STA 运行后,采用主动扫描方式向IEEE802.11 指定的信道上的AP 发送检测请求帧,获取AP 的相关信息。②AP 检测到请求帧后,发送一个响应帧来应答STA。③STA 接收到AP的探测响应帧后,比较当前AP 响应帧的SSID 信息与STA 中存储的SSID 信息是否一致。若不一致将不进行任何处理。若一致,首先对当先的AP的RSSI 值进行判定,若AP 的RSSI 值大于规定的阀值,此AP 将标记为候选AP,否则不进行标记。

(二)STA 的双频接入

根据无线电磁波的物理特性可知,波长的长度和衰减成反比,波长越长绕射能力也越强,5G信号的特点为频率高、波长短,而2.4G 信号的特点为频率低、波长长,由此可见5G 信号穿过障碍物时衰减大,传输速率高,而2.4G 信号正好相反,如果Wi-Fi 终端设备可以同时支持2.4GHz和5GHz,我们认为这种终端为双频的Wi-Fi 终端,从科学上定义双频Wi-Fi 是指设备同时支持2.4GHz 和5GHz 双频无线信号,可支持包括802.11a/b/g/n/ac 完整无线网络,属于第五代Wi-Fi 传输技术。

我们通常所说的2.4GHz 频段分布在2.4～2.4835GHz 频段。而这83.5MHz 的带宽要平分给14 个不同的信道,因此每个信道之间的差距只有微小的20MHz,因此在2.4GHz 的频段中至少会有两个(通常是四个)信道处于重合状态。而由于1、6 和11 彼此之间间隔的距离足够远,因此他们成为互不重叠的3 条信道。在国内,通常5GHz 也指5.8GHz,频宽范围是5725～5875MHz,频宽为150MHz,其上有5 个互不重叠20MHz 信道,由此可见在双频条件下非重叠的信道为8 条。这个频谱灵活性意味着802.11n 的双频AP 可以在一个位置支持更多的用户和应用,接入用户数必然大于只使用单频AP 的用户数。

双频AP 对STA 的识别双频STA 的接入。目前是判断STA 是否支持双频是第一步。双频AP通过以下条件识别STA:

(1)在主动模式下,AP 可以接收来自2.4G 频段和5G 频段的检测请求。在无源模式下,STA 可以检测到2.4G 和5G 频段的信号,因此对于AP,STA 被认为是双频STA;

(2)如果STA 的检测请求只能从2.4G 频段接收到,则AP 是2.4G 的STA;

(3)如果该STA 的检测请求只能从5G 频段接收,则AP 为5GSTA。

单频的STA 识别需要一个时间过程,以确定能否从两个不同的频段收到探测请求,AP 将收到的STA 的信息保存起来,为策略回应提供依据,而Band Select 保存已关联的STA 信息,选择标准为STA 的RSSI。在实际的应用中可能出现双频移动Wi-Fi 终端对数据传输的可靠性较低,在Wi-Fi 设计时,可为2.4G 频段和5G 频段分别设计AP 的传输接口。但两个接口不同时工作,根据RSSI 的强弱,STA 自动激活其中一个接口进行工作。

(三)双频接入的优势

我们可以通过双的AP 和AC 组建,通过构建无线网络在2.4GHz 频段5GHz 频段下,多线程(10pairs)的无线传输速率测试结果来比较两者在上下行信道上的传输速率。表2 为2.4GHz 时多线程下行+上行测试,表3 为5GHz 时多线程下的下行+上行测试。

表2 2.4GHz 多线程吞吐量

表3 5GHz 多线程吞吐量

从平均速度上看2.4GHz 频段为83.124Mbps和5GHz 频段为97.696Mbps,在多线程测试中,5GHz 频段上的速度表现优势明显。从表2,表3可知 5GHz 频段的平均传输速率略高于2.4GHz,在5GHz 的多线程下行+上行测试中,平均速度更超出2.4GHz 频段的14Mbps 左右,处于明显领先地位。随着无线高带宽需求的不断增加,5GHz 无线将被更加广泛地应用,如高清视频传输、大型网络游戏或在线视频聊天等。

四、结语

随着社会的不断发展,移动终端数量呈爆炸式增长,无线局域网具有灵活部署、可扩展性强等优点,受到了业界的广泛关注。但在具体应用既要考虑和有线局域网的互联互通,又要考虑其无线信号的传输特性,使用环境更为复杂,作为目前4G 和5G 技术的重要补充,WLAN 技术在802.11 协议的指导下,实际应用中采用集中的AC+AP 模式,利用CAPWAP 协议,逐步从2.4GHz 的单频模式过渡至2.4GHz 和5GHz 的双频模式。

提高传输效率,减少同频或邻频干扰,目前逐步走向实际应用,但在办公室、家庭等实际传输环境情况较复杂,除了各种无线系统的共存干扰,Wi-Fi 射频物理层上干扰外,Wi-Fi 还需考虑自身载波监听与冲突避让机制导致的空中信道接口拥塞、理论速率下降等因素。进行合理的Wi-Fi 设计,仍是双频无线局域网技术的努力方向。