（计算机应用技术专业论文）无线局域网快速切换算法的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着无线传输技术的发展，基于i e e e8 0 2 1 l 协议的无线局域网( w l a n ) 得到了大规模的部 署，同时w l a n 上的典型应用如实时语音应用随之出现。实时虑用对传输延迟和抖动比较敏感，而 w l a n 下b s s 切换所带米的切换时延会造成传输延迟的增加、数据包的丢失和抖动，这严重影响 实时应刚的性能。优化b s s 切换过程和减小切换时延是实时应川在w l a n 环境下得以大规模部署 的重要前提。考虑到现有的数量众多的w l a n 和保持8 0 2 1 1 协议的一致性，在设计新的b s s 切换 方案时需要考虑方案的可部署性、可扩展性和互操作性。 本文系统的分析了i e e e8 0 2 1 1w l a n 的b s s 切换过程，对b s s 切换触发、a p 选择机制和快 速切换算法进行了深入的研究，提出了一个完整的基于s t a t i o n 的b s s 快速切换方案。论文的研究 工作主要包括以下儿个方面： 夺 系统的分析了w l a nb s s 切换过程，将其分为切换触发、a p 选择和切换执行过程三个部分， 针对现有研究仍然遗留的问题，分别进行研究。 夺 提出了一种基于动态闽值调整的b s s 切换触发机制，该触发机制由两个部分组成：a p 信号强 度r s s | 值的平滑处理和切换触发闽值的动态调整。r s s i 值的平滑处理克服了r s s i 值的时变 性和不确定性问题；切换触发阂值的动态调整解决了在a p 间的频繁切换问题。 夺 提出了一种基于探寻时延的a p 选择机制，该机制根据主动探寻过程中获得的a p 探寻时延来 选择a p ，综合考虑了a p 所在b s s 的链路状况，避免了大量用户集中选择某一a p ，通过此 a p 选择机制可以在一定程度上实现w l a n 上的负载均衡。同时这种a p 选择机制不需要a p 的协助完成，保持了协议的一致性，具有良好的可扩展性。 夺 提出了一种信道( c h a n n e l ) 区分选择一动态c a c h e 的b s s 快速切换算法。该算法充分利用 8 0 2 11 b i gw l a n 中不交叠信道相对固定，对信道进行分类，区分对待，有效的提高了主动探寻 的效率；动态c a c h e 机制解决了静态c a c h e 在网络环境复杂情况下效率低下问题，提高了c a c h e 的可刚性。 令 发计了一个基于s t a t i o n 的b s s 快速切换方案：s b f b h ，此方案是切换触发、a p 选择和快速 切换算法的集成。该方案完全在s t a t i o n 上实现，未对i e e e8 0 2 11 协议进行修改，不需要a p 的协助，具有良好的可扩展性和可部署性。 夺 在设备驱动程序中对s b f b h 系统进行了开发实现，性能测试表明s b f b h 方案有效的减小了 切换时延，提高了b s s 的切换性能。通过针对一般切换过程和静态c a c h e 机制切换算法的比较 测试，有效的反映了s b f b h 系统在切换性能上的提高。 本文的研究内容来源于网络实验室与中兴通讯公司合作研究项目“区分多业务的a p 间快速切 换”。 关键词：i e e e8 0 2 11 协议，无线局域网，快速切换 分类号：t p 3 9 3 东南人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) i s u n d e rl a r g e s c a l ed e p l o y m e n t m e a n w h i l e ，t y p i c a la p p l i c a t i o n so nw l a ns u c ha sr e a l t i m ea u d i oa p p sa r e c o m i n go u t r e a l t i m ea p p sa r es e n s i t i v et ot r a n s m i s s i o nd e l a ya n dj i t t e r i n ga n dt h e ya r es e v e r e l ya f f e c t e d b yt h ei n c r e a s eo ft r a n s m i s s i o nd e l a y ，j i t t e r i n ga n dl o s so fd a t ap a c k e t s ，w h i c ha r ei n t r o d u c e db yt h e h a n d o f fl a t e n c y o p t i m i z i n gt h eh a n d o f fp r o c e s sa n dc u t t i n gd o w nt h eh a n d o f fl a t e n c yi st h ep r e c o n d i t i o n f o rt h ed e p l o y m e n to fr e a l t i m ea p p so nal a r g es c a l e 。c o n s i d e r i n gm a n yw l a n st h a ta l r e a d ye x i s ta n dt o k e e pt h ec o n s i s t e n c yo fi e e e8 0 2 1 1p r o t o c 0 1 i ti se s s e n t i a lt od e s i g nn e wf a s th a n d o f fs o l u t i o n st h a ta r e e a s yt od e p l o ya n dh a v i n gv e r yg o o de x t e n s i b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t y t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e st h eb s sh a n d o f fp r o c e s so fw l a na n di n v e s t i g a t e st h eh a n d o f f t r i g g e r i n g ，a ps e l e c t i o na n df a s th a n d o f fa l g o r i t h mi nd e p t h an e ws t a t i o nb a s e df a s th a n d o f fs o l u t i o ni s p r o p o s e da n dt h em a i nr e s e a r c h i n gw o r ko f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 夺 s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s et h eb s sh a n d o f fp r o c e s so fw l a na n dd e v i d et h eh a n d o f fp r o c e s si n t ot h r e e p a r t s ：h a n d o f ft r i g g e r i n g ，a ps e l e c t i o na n dh a n d o f fe x e c u t i o n t h er e s e a r c hw o r ki sa i m e dt oe n h a n c e a llo ft h et h r e ep a r t s 夺p r o p o s eab s sh a n d o f ft r i g g e r i n gm e c h a n i s mb a s e do nd y n a m i ct h r e s h o l da d j u s t m e n t t h et w op a r t s o ft h i sm e c h a n i s ma r e ：t h es m o o t h i n go fr s s iv a l u e so fa pa n dt h ed y n a m i ca d j u s t m e n to ft r i g g e r i n g t h r e s h o l d t h ef o r m e ri st oe l i m i n a t et h et i m e - v a r i a n ta n du n c e r t a i n t yo fr s s i ；t h el a t e ri st op r e v e n t t h ep o t e n t i a lh a n d o f fb e t w e e na p sf r e q u e n t l y 夺 b r i n gf o r w a r daa ps e l e c t i o nm e t h o db a s eo np r o b ed e l a y i nc o n s i d e r e n c eo fn a m ya s p e c t so ft h e w i r e l e s sl i n kc o n d i t i o no ft h eb s sc e l la na pr e s i d i n go n ，t h i ss e l e c t o nm e t h o dc a na v o i dm a n y s t a t i o n sa s s o c i a t ew i t has p e c i f i ca pa n ds o m e h o wr e a l i z et h el o a db a l a n c eo fw l a n p u tf o r w a r dan e wf a s th a n d o f fa l g o r i t h mb a s e do nd i f f e r e n t i a t e dc h a n n e ls e l e c t o na n dd y n a m i cc a c h e t h i sa l g o r i t h mt a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h ef i x e dn u m b e ro fn o n e - o v e r l a p p i n gc h a n n e l so f1 e e e 8 0 2 1 lb gw l a na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc h a n n e lp r o b i n g ；d y n a m i cc a c h em e c h a n i s m o v e r c o m et h el o wa v a i l a b i l i t yo fc a c h eu n d e rc o m p l e xn e t w o r ke n v i r o n m e n t sa n de n h a n c et h e u s a b i l i t yo fc a c h e 夺d e s i g nas t a t i o nb a s e df a s th a n d o f fs o l u t i o n ：s b f b h i ti st h ei n t e g r a t i o no fh a n d o f ft r i g g e r i n g a p s e l e c t i o na n df a s th a n d o f fa l g o r i t h m t h es o l u t i o ni s o n l yi m p l e m e n t e do ns t a t i o ns i d ea n di s i n d e p e n d e n tf r o ma s s i s t a n c eo fa po rt h er e v i s i o no fi e e e8 0 2 11 p r o t o c 0 1 i t i sw i t hs t r o n g e x t e n s i b i l i t ya n dd e p l o y a b i l i t y 夺 i m p l e m e n tt h ef a s th a n d o f fs o l u t i o ni nt h en e t w o r ki n t e r f a c ed e v i c ed r i v e r t h ep e r f o r m a n c et e s t i n g d e m o n s t r a t e st h a tt h i es o l u t i o ne f f e c t i v e l yc u t sd o w nt h eh a n d o f fl a t e n c ya n de n h a n c e st h eh a n d o f f p e r f o r m a n c e t h es o l u t i o no u t p e r f o r m sb o t ht r a d i t i o n a lh a n d o f fa l g o r i t h ma n dh a n d o f fa l g o r i t h m u s i n gs t a t i cc a c h ea n dt h i si sad i r e c te v i d e n c eo ft h eh i g hp e r f o r m a n c eo f t h en e ws o l u t i o n t h er e s e a r c hw o r ki nt h et h e s i si sa f f i l i a t e dw i t ht h ei o i n td e v e l o p m e n tp r o j e c t “f a s th a n d o f fb e t w e e n a p sw i t hm u l t i s e r v i c ed i f i e r e n t i a t i o n ”b e t w e e nn e t w o r kl a b o r a t o r ya n dz t ec o m m u n i c a t i o nl t d k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1ip r o t o c o l ；w l a n ；f a s th a n d o f f l i 插图索弓 图1 图1 图1 图2 图2 图2 图2 图2 图2 图3 图3 图3 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 论文插图索引 1w l a n 的两种组网模式2 2w l a n 中b s s 切换场景3 3 采川a c t i v es c a n 的h a n d o f f 过程4 1w l a n 体系结构7 2s t a t i o n i ：作状态迁移和基本服务关系图1 0 3b s s 切换的总体过程1l 4a p 选择造成网络负责不均衡的场景1 2 5a p 信号强度变化图1 3 6 主动探寻的过程16 l 原始r s s i 和平滑后的r s s i 随时间变化图1 9 28 0 2 1l b gw l a n 信道分布图2 2 3 一种静态c a c h e 失败的典型场景2 3 卜陕速切换原型系统结构图2 8 2m a d w i f i 实现的虚拟网络接口2 9 3s t a t i o n 协议状态机状态转移图3 0 4s b f b h 系统流程图3 2 5r s s i 的平滑处理和b s s 切换触发实现流程图3 5 6 主动探寻过科实现流程图3 6 7b s s 快速切换算法实现流程图3 8 图5 1 实验环境一w l a n 布局3 9 图5 2 测试场景4 0 图5 3i c m p 往返时延4 3 图6 4i c m p 请求到达 日j 隔4 4 图5 5 一般切换过程i c m p 往返时延4 5 图5 6 一般切换过程i c m p 请求至0 达间隔4 5 图5 7 静态c a c h e 下i c m p 往返时延4 6 图5 8 静态c a c h e 下i c m p 请求到达间隔4 6 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究：_ f 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书丽使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：罄乏犟! 蛩 e t期：兰? 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中图科学技术信息研究所、圜家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文夕 ，允许论文被查阅和借阕，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：4 望社导师签名： 疆期：瑚八1 9 f 第章引言 第一章引言 本章首先简要介绍了i e e e8 0 2 1 1 协议和无线局域网；然后引出无线局域网中的b s s 切换，点 出实时应用切换面临的问题和解决这些问题的意义和价值；接着阐述本论文研究的主要内容和所要 解决的问题；最后给出了论文工作的主要贡献和全文的组织结构。 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 i e e e8 0 2 1 l 【1 1 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 是无线通信技术与计算机网络 技术相结合的产物，它遵循i e e e8 0 2 1 1 协议，以无线的传输方式向用户提供网络接入，用户利用 无线网络共享数据或者访问外部i n t e m e t 。无线局域网有着独特的优势，如快速的数据传输速率、对 移动性的支持和方便的部署性等等，w l a n 得到了人规模的部署，一些基于w l a n 的典型应用如 v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) 也得到了日益广泛的推广。 1 1 1i e e e8 0 2 1 1 协议 i e e e8 0 2 1 l 是i e e e8 0 2 局域网系列标准之一，1 e e e8 0 2 1 1 系列协议对无线局域网的物理层 ( p h y s i c a ll a y e r ) 和m a c 层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 进行了规定。物理层定义了可用的无 线频段和数据发送、接收时所使用的调制解调方法。m a c 层定义了媒体访问控制规程，主要对以 下问题进行了说明： 规定了如何获取无线信道，信道竞争冲突时如何退避等的方法，目前主要有分布式协调功 能( d c f ) ，以c s m a c a 为代表；点协调功能，以( p c f ) 为代表筲。 定义了三种类型的帧，包括数据帧、管理帧和控制帧，每类义包含若干子类型帧，协议对 每种帧的结构和每个字段的含义进行了定义。 定义了一些基本服务和这些基本服务之间的状态转移及状态转移条件。 定义了s t a t i o n 如何和a p 交互完成认证、关联以访问网络。 最初的8 0 2 11 协议只支持2 m 的最大数据传输速率，这限制了一些对带宽要求较高的虑月j ，所 以为提高数据传输速率i e e e 对8 0 2 1 1 协议的物理层进行了增强，目前在网络中实际部署的无线局 域网协议主要有8 0 2 1l a 、8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l g 协议。 8 0 2 1 1 b 【2 j 目前8 0 2 1 1 协议族中应用的最广泛的是8 0 2 1 l b ，它支持最大1 l m 的数据传输速率， 采用d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 调制方式，工作在2 4 g 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i c m e d i c a l ) 频段上。 8 0 2 1la 3 1 ，支持最人数据传输速率5 4 m ，工作频段为5 gu n i i ( u n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r e ) 频段，采用上e 交频分复用技术o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的调制方式。虽然带宽上的优势使得8 0 2 1 l a 比8 0 2 1 1 b 更加具有吸引力，但是由于工作频段不同带 来了和8 0 2 1 1 b 兼容上的问题，考虑剑经济冈素，已经部署的8 0 2 1 l bw l a n 改造为8 0 2 1 l a w l a n 比较斟难。 东南人学硕i ：学位论文 8 0 2 1l g l4 1 ，在2 4 gi s m 频段上支持最人数据传输速率5 4 m ，它使用了o f d m 的调制方式，可 以在与8 0 2 1 l b 相同的频段上支持更高的数据传输速率。8 0 2 1 1 9 和8 0 2 1 i b 有着良好的兼容性，对 既有w l a n 的改造升级也较为方便，囚此是目前最具竞争力的w l a n 接入协议。 1 1 2 无线局域网 基于i e e e8 0 2 1 l 的无线局域网有两种组网模式：基础设施模式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 和白组织 模式( a dh o cm o d e ) ( 见图1 1 ) 。a dh o c 模式不需要集中控制接入设备如接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ， 无线网络节点可以直接进行对等通信，一般a dh o c 网络由一些网络节点临时构成，满足暂时的通 信需要。由丁网络节点的网络设备如无线网卡发射功率和节点处理能力有限，a dh o c 网络的结构和 拓扑一般会动态变化，这种模式只适应临时的小规模的网络，并且这种网络往往不涉及到和其他网 络之间( 如i n t e r n e t ) 的通信。 i n f r a s t r u c t u r e 模式下的w a l n 主要由一些基本服务集合b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 构成，每个b s s 包括一个接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 和若干无线：符点站( s t a t i o n ) ，其人小由该b s s 对应a p 的 信号覆盖范闹决定。在同一w l a ni - ，通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 将一系列b s s 连 接起来( 一般通过以太网) 构成一个扩展服务集合e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。a p 是对应b s s 中 的无线通信中继：霄点，s t a t i o n 数据的发送和接收都要经过a p ，所以s t a t i o n 要和同一w l a n 中其他 s t a t i o n 通信或者访问外部i n t e m e t ，必须和某一a p 进行关联。 和有线网络不同，无线链路是一个j “播链路，在相同的信道上，a p 信号覆盖范围内的任何节点 都可以接收到来自a p 的物理信号，无线信号可以很容易的穿透一些障碍物，如墙壁等。为了只对 合法川户提供接入并且保证通信的安全睦，a p 要对s t a t i o n 的接入请求进行认证( a u t h e n t i c a t i o n ) ， s t a t i o n 通过认证厉和a p 关联( a s s o c i a t i o n ) ，成功关联方可访问网络。在后续的通信过程中，所有 的数据i 帧通过一定的形式进行加密，以保证通信的安全性，加密方法有w e p ( w i r e de q u i v a l e n c e p r i v a c y ) 、t k i p 、c c m p 等。 b s s e s si b s s ( i n f r a s t r u c t u r em o d e )磊d h o cm o d e ) 图1 1w l a n 的两种组网模式 1 2 用户移动和w l a nb s s 切换 支持移动性是w l a n 有别丁有线网络的最重要的一个特性，网络用户可以摆脱物理网络接v i 的 限制，在a p 的信号范闸内白由移动，这种移动性也衍生出了w l a n 的一些特色应用如基于s i p 6 1 协议的v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) 等实时应用。当网络用户离开原来a p 覆盖范围时，w l a n 2 仍然町以通过b s s 研换提供i t 这种移动眭的支持，选拌一个新的 p ，与2 i l i i e 、芙娃访问刚络 但b s s 切换会带米代价。对v o w l a n 之娄实叫应川产生彤响。 1 2 1 移动和切换的类型 移动性立持是w a l n 的个特性。w l a n 中单t 、a p 的信，覆蒿范田7 f 限，并h 光线性输的成 功与无线链蹄状况( 如信号们慢删) 宵直接的笑系。s l a l i o n 移动过拌巾离，f - - 个b s s 进八另卟 b s su f ，、j 打戈联a p f n 信：j 会越来越弱，为，保持网络迎拨就耍哐新选择a p 戈脏进行切换。 按照i e e e8 0 2 i i 协议规定，川户在w l a n 中的移动司以分为一种隋形无目拽( n o - t r a h s i t i o n ) 、 b s s 切换( b s s t r a n s i t i o n ，见幽i2 ) 和e s s 切换( e s s 4 r a n s i t i o n ) 。 n o t r a n s i t i o n ：没耵研执发乍，存托两种情形s t a t i o n 前i l 不动或者仅以“1 前a p 信号范同 内部移动。 b s s - t r a n s i t i o n ：b s s 切换。s t a t i o n 从个a p 对麻竹b s s 移动刘“外一个a p 对应的b s s ， 驻新选择a p 认证、芙联的过样。这个过 ￥发生在链踏层( 媒体访问控制层m a c ) 所以 义- 以称作踺路层研批或肯m a c 层切换。 e s s t r a n s i t i o n ：w l a n 网络2 日切换。s t a l k n 从“前e s s 中的某个b s s 移础剐另一个e s s 中的b s s ，除，链蹄层的切换外还涉及到h 络层剌州络展咀r 再层的切换问黝。而一层以 上的切换8 0 2i l 议计来提供支持，所以可能全造成层之上孵络i 生接的q ，断和重新建柱。 以上= 二种情形，第一和无须考虑第二种涉世剑子纠问切换需要高层协议如m o b i l e i p 的支持， 本史1 1 j 究山弈只涉及第一种情形即b s s 切换，这种情形较山1 1 乎j 血。 1 2 2b s s 切换 二二= 三；三三三兰兰兰三三三= 三= = = 二二3 _ | il 、l i 、ir 1m c c 【 斟1 2w l a n 中b s s 切换场景 当s t a t i o n 在e s s l 8 都旧b s s 之刈移动时r 离开当前a p ，a pf c j y b , 号强_ ：! ；：越来越弱，a p 和s t a f f o n 之间的迎信肌蕈随zr 阡；、qs l a t l o n 发虮某一条件无法满足时就要一动切换过，我刑称之为切换 触发( h a n d o f f t r i g g c r i n g ) 。任b s s 叫换的执 r 过程巾，s t a t i o n 要重新发现 十琏扦一个新的a p ，尝 试认f i lg , t l 咒娃，止到芙雌城功才能继续访问厢绺。 3 飞 下p 。， 东南人学硕+ t ：学位论义 b s sh a n d o f f 的执行过程土要可以分为二个阶段： d i s c o v e r y 阶段：义称为探寻( s c a n ) 阶段，主要是切换一厂作信道( c h a n n e l ) ，对每个c h a n n e l 进行探寻，以发现新的可t j 的a p 。s c a n 有两种方式：( 被动) p a s s i v e 和( 主动) a c t i v e 。p a s s i v e 方式是在每个c h a n n e l 上接收a p 广播的b e a c o n 帧；a c t i v e 方式在每个c h a n n e l 上发送p r o b er e q u e s t 帧，然后接收a p 应答的p r o b er e s p o n s ei 陵( 见图1 3 ) 。这两种方式都可以获得a p 的信息。 a u t h e n t i c a t i o n 阶段： s t a t i o n 向a p 发起认证，认证方式有o p e n 、s h a r e dk e y 和w p a 等方式。 s t a t i o n 和a p 之间交互a u t h e n t i c a t i o nr e q u e s t 和a u t h e n t i c a t i o nr e s p o n s e 等管理帧完成认证。 a s s o c i a t i o n 阶段：s t a t i o n 完成和a p 的关联，通过交互r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t 和r e a s s o c i a t i o n r e s p o n s e 帧完成。 s l 。a 图1 3 采用a c t i v es c a n 的h a n d o f f 过程 以上三个阶段成功执行后，s t a t i o n 就可以切换剑新的a p 继续通信。 1 2 3b s s 切换面临的挑战 b s s 切换三个阶段分别对应d i s c o v e r y 时延、a u t h e n t i c a t i o n 时延和a s s o c i a t i o n 时延，其中 d i s c o v e r y 时延一股为上百到儿百毫秒，a u t h e n t i c a t i o n 和a s s o c i a t i o n 时延为几毫秒。三个阶段时延 的总和就是b s s 切换的总时延，一般为上百剑几百毫秒( 如果采川8 0 2 1 x 等复杂认证方式，时延 会以秒为数量级) 。 4 第一章引哥 进行b s s 切换时会中断数据帧的收发，带米的切换时延( 儿百毫秒甚至以秒为数量级) ，造成 数据包的丢失、延迟和抖动，这会对一些应用和协议产生不同程度的影响。 v o l p 等实时应用要求端到端的传输时延小于2 0 0 m s ，抖动小- j - 5 0 m s ，目前几百毫秒甚至秒 数量级的切换过程无法满足v o l p 等一些时延敏感的应用对q o s 的需求。 w l a n 上的实时语音应j 日如v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) 要想获得人规模推广和部署， 仍然要解决的一个难题就是减小b s s 切换时延，解决这问题意义重大。 链路层切换也是m o b i l ei p 快速切换研究中需要考虑的囚素之一，链路层切换性能关乎 m o b i l ei p 的切换性能。 切换时延同样对上层协议( 如t c p ) 产生影响，数据包的丢失会肩动t c p 的拥塞控制机制， 影响其吞吐量。 1 3论文的研究内容 本文结合网络实验室和中兴通讯合作项目区分多业务a p 间快速切换，在对i e e e8 0 2 1 1 系 列协议和有关切换算法进行深入研究分析的基础上，针对w l a n 上的实时应用，设计实现新的b s s 快速切换方案，该方案包括切换触发机制、a p 选择机制和快速切换算法等方面。具体来讲要进行 以下研究工作： 针对实时应用，研究新的切换触发机制，使得b s s 切换触发既能保持一定的灵敏性，又能 避免不必要的频繁切换。 夺 设计高效的快速切换算法，面向实时应用，优化切换过程，减小切换时延，使切换对实时 应用的q o s 影响最小。 夺 研究a p 选择机制，目标是使朋户获得更好的服务性能，并使整个网络负载相对均衡，提高 网络的整体性能。 实现一个具有良好扩展性的快速切换原型系统，该系统可以有效的证明快速切换方案的性 能，并且系统中的相关算法可以方便的移植到其他w l a n 环境中。 1 4论文的主要贡献 本文的贡献主要体现在以下几个方面： 夺 提山了一种基丁动态闽值调整的b s s 切换触发机制，该触发机制由两个部分组成：a p 信 号强度值r s s i 的平滑处理和切换触发阈值的动态调整。r s s i 值的平滑处理克服了r s s i 值的时变性和不确定性问题；切换触发闽值的动态调整解决了在a p 间的频繁切换问题。 夺 提出了一种基丁探寻时延的a p 选择机制，该机制根据主动探寻过程中获得的a p 探寻时 延来选择a p ，综合考虑了a p 所在b s s 的链路状况，避免了人量用户集中选择某一a p 的 问题，通过此a p 选择机制可以在一定程度上实现w l a n 上的负载均衡。同时这种a p 选 择机制不需要a p 的协助完成，保持了协议的一致性，具有良好的可扩展性。 夺 提出了一种信道区分选择一动态c a c h e 的b s s 快速切换算法。该算法充分利用8 0 2 11 b g w l a n 中不交叠信道相对i 古| 定的特征，对信道进行分类，区分对待，有效的提高了主动探 5 东南大学硕i ：学位论文 寻的效率；动态c a c h e 机制解决了静态c a c h e 在网络环境复杂情况卜效率低下问题，提高 了c a c h e 的可用性。 夺 设计实现了一个基于s t a t i o n 的b s s 快速切换方案：s b f b h 。该方案完全在s t a t i o n 上实现， 具有良好的可扩展性和可部署性。通过在实际的w l a n 环境中测试，s b f b h 方案有效的 提高了b s s 的切换性能。 1 5论文的组织结构 根据以上内容，本论文的组织结构安排如下： 第一章简要介绍了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网，结合实时应刚引出了本文的研究内容和研究意义， 并给出了全文的组织结构。 第二章研究了8 0 2 1 1 协议的基本服务和b s s 切换过程，为突出研究点，将b s s 切换分成切换 触发、a p 选择和切换执行过程三个部分，并指出了每个部分的研究现状和仍然需要解决的问题。 第三章主要研究了实时应用场景f 的w l a nb s s 切换特点和性能要求，在保持协议一致性的 基础上，提出了一个基于s t a t i o n 的w l a n 快速切换方案s b f b h ，包括三个部分：基于动态阂值 的切换触发机制、基于探寻时延的a p 选择机制和信道区分选择一动态c a c h e 的快速切换算法。 s b f b h 完全在s t a t i o n 上实现，具有良好的可扩展性和可部署性。 第四章主要是s b f b h 原型系统的实现，从系统总体设计入手，结合m a d w i f i 驱动工具，重点 对快速切换方案中的切换触发、主动探寻过程、快速切换算法和c a c h e 维护等进行了详细设计和系 统实现。 第五章对s b f b h 快速切换原型系统进行了测试。为验证系统的可部署性和可扩展性，测试在 实际的w l a n 中进行：为了证明s b f b h 系统在切换性能上的提高，针对一般切换过程和使用静态 c a c h e 的切换算法进行了对比测试。 第八章对研究工作进行了总结，并指出了论文研究的下一步_ t 作。 6 第二宣b s s 切换研究 本章从8 0 21 1 怫议定义的丝术服务山发刘b s s 切换总体过样进行了介纠，井将切换过样分为 切换触拉、a p 迸扦刖切换执行过科一个言| ；分，划j 这三个部分重点分析了切换触发机制、a p 选 择机制年b s s 挑速换算法的研究现状和仍然带要进一步斛猷的蜘题。 2 18 0 2 1 1 协议基本服务 第一章已经对i e e e8 0 2l lw l a n 做r 简巾的介鲥，f 面从体系t 构t 对其进行深入分析。如 图2 1 ，w l a n 上竖们州个部分构成：瑟术胀务集台b s s * e l 将b s s 连接起来的分柑式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y e s l e m ) 。丝本服务集台b s s 山个a p _ l 此a p 所关心的一“；s t a d o n 构成，s a t i o n 必须雨某。a p 盖联z 可以；f _ | 叫络r l - 的其他e 机通信。d s 将分散的b s s j i 垃拒一起使得不同b s s 之曰晌s t a t i o n 相u 之问可咀j j 。，d s 还可以垃n 个p o r i a i ( 口) 与外部刚络集成起业，这样 s t a t i o n 也。j j 以通过d s 访问外部i n t e m e t 。 ：l 此u r 址d s 将b s s 连接起米构成j w l a n 。在8 0 2 1 1 协议中h 来对d s 的实现方式进行规定，d s4 队通过地有【1 1 1 以丸嘲方式宴现u r u 通过8 0 2lt 无 线方式实现( w d s w ir e l e s s d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ：町咀在链路层实现( 如咀 刚方式) ，也川以在 j p 层实现可以通过分布，山式纽织，也t f 卧通过集十控制式进行纽织。 i e e e8 0 2i1 坼议且然杖有对d s 的儿体实现细1 y 进行规定，但是却规定了w l a n 必颁提供的 一华基本服务类型，任具体实现时必鞭提供返些服务类 才能使w l a nj i 。常i 作。w l a ni 婴有9 种牲小服务类型( 址表2 i ) 根摒w 1 。a n 的体系纬构，可以把这9 种基本服务分为埘个部分，一部 分为基于站( s t a t i o n ) 的服务，简称s s ( s t a t i o ns e r v i c e ) ，另部分为基丁分巾式系统( d s ) 的服 务简称d s s ( d ss e n , i c e ) 。 w l a n 体系结构盼。 东南大学硕l ：学位论文 2 1 1 基本服务类型 表2 18 0 2 1 1 协议s t a t i o n 服务和d s 服务 s t a t i o n 服务d s 服务 a t h e n t i c a t i o n 认证a s s o c i a t i o n 关联 d e a u t h e n t i c a t i o n 解除认证d i s a s