NAWDS桥接实现移动设备快速漫游的方案

2020-08-21 17:21:37 电脑知识与技术 2020年21期

摘要:在移动网络场景中,传统的WDS桥接技术在漫游过程中容易出现丢包。而本文利用NAWDS机制,通过双射频radio装置,设计出一套NAWDS桥接快速漫游技术,实现桥接漫游切换零丢包。

关键词:WDS;NAWDS;移动设备;漫游切换

中图分类号:TP391.43 文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2020)21-0064-03

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

1 移动场景WDS桥接的背景与问题

WDS(Wireless Distribution System,无线分布式系统)是把多个AP(Access Point,无线接入访问点)通过无线桥接或中继的方式相连,从而达到连接分布网络和扩展无线信号的作用。

WDS通常有两种工作模式:Root-Bridge、NonRoot-Bridge:

●Root-Bridge的有线接口可以连接有线网络;无线接口作为无线网桥,可以连接NonRoot-Bridge。

●NonRoot-Bridge的有线接口可以连接有线网络;无线接口作为无线网桥,可以连接Root Bridge。

WDS桥接建立的过程是:对于WDS来说,Root-Bridge端会指定一个BSS(Basic Service Set.基本服务集)用于NonRoot-Bridge接入建立桥接使用。该BSS就不允许进行普通STA用户接入。当这个BSS存在时候,就相当于Root-Bridge可以接受NonRoot-Bridge的接人请求了。

对于NonRoot-Bridge端,会根据用户的配置的BSSID或者SSID(Service Set Identifier,服务集标识符,即无线局域网的名称)寻找可以接人的Root-Bridge,寻找过程会有一个判断机制,指定的BSSID或者SSID是否是一个可以接人的Root-Bridge。判断通过后,就会进行接入处理。处理成功后,WDS桥接就建立了。

利用WDS桥接技术,在一个移动的网络,可以实现和静态部署的网络互联。在一个移动的网络中,车载AP作为Non-Root Bridge,与地面上的AP( Root-Bridgel - Root-Bridge N)建立WDS桥接,从而实现网络互联。

在小车移动的场景中利用WDS进行漫游桥接切换[1],目前主要有以下问题:

桥接漫游切换存在丢包。比如上图中小车AP从Root-Bridge2漫游切换到Root-BridgeN。根据WDS的桥接漫游切换的原理,小车AP会定期扫描可以连接的Root-Bridge信息。当小车AP当前已连接的Root-Bridge的无线接收信息强度rssi值低于一定的阀值时,则进行漫游切换。这里产生切换丢包的主要原因是:

1) Root-Bridge与NonRoot-Bridge的工作信道可能不同。这样漫游切换时,NonRoot-Bridge需要进行工作信道切换,切换成与Root-Bridge相同的信道。切换信道开销比较大。

2) NonRoot-Bridge要定期扫描可以连接的Root-Bridge信息。扫描通常分为主动扫描和被动扫描,扫描的信道可分为全信道扫描和指定信道扫描。小车AP扫描使用的射频卡radio为当前已处于桥接状态的radio。这样,漫游切换过程,射频卡radio用于扫描的处理开销比较大,并且会对当前已链接的链路产生影响。

3) WDS桥接过程是将NonRoot-Bridge工作在STA模式,即NonRoot-Bridge作为STA的方式接入到Root-Bridge。我们知道,STA接人到无线网络的过程需要经过认证和关联两个阶段,如果是加密的网络,还需要进行秘钥协商的过程。

2 现有的技术方案分析

针对上述的问题,通常的解决方案为:

双链路桥接方案:通过双射频AP,分别建立WDS桥接。连接2个分离的网络,增加无线桥接传输的可靠性。在AP1和AP2建立双链路后,可实现了两个网络的互联。

双链路桥接[2]的工作原理为:AP1的radiol与AP2的radi0 1建立桥接,API的radi0 2与AP2的radi0 2也建立桥接。检测链路都建立完毕后,可进行双鏈路通信。

双链路通信过程中,发送端AP1分别从两个射频radio接口发送内容相同的报文;接收端AP2进行冗余报文处理,接收较早到达的报文,如果另一条链路报文也能顺利到达,则丢弃后到达的报文。

双链路桥接方案相比传统的桥接方案,优势如下:

高可靠:单链路信道被干扰,可能引发数据重传,甚至丢包。对比单链路,双链路桥接,抗干扰能力更强,可靠性更高,具有更低的丢包,时延和抖动。

双链路桥接方案本身也存在如下缺陷:

1) Root-Bridge和NonRoot-Bridge需要同时使用两个射频radio进行桥接链路建立。在桥接链路建立时该射频radio无法同时作为接人终端用户的射频radio。

2)双链路其中一条链路作为冗余链路,发送端需要往两条链路发送相同的报文,接收端需要作冗余报文检测并丢弃处理。这个会造成链路带宽的浪费。如果处理不当可能会造成广播风暴的产生。

3 NAWDS桥接快速漫游方案

NAWDS[3]是无关联的无线分布式系统( Not Associate Wire-less Distribution System).NAWDS相比与WDS,不需要Non-Root-Bridge进行认证、关联的动作。NAWDS通过预先配置好的工作模式(Repeater中继or Bridge桥接),并设置好桥接链路两端接口的能力值(射频模式(lln/lla/llac)、频宽(HT20/HT40/VHT80等)),通过无线数据报文的通信就能够直接建立桥接表项,完成桥接链路的建立。

NAWDS桥接快速漫游方案提供了一种在移动网络中,利用NAWDS机制实现桥接漫游切换零丢包的方法。该方案通过NonRoot-Bridge的双射频radio实现漫游切换过程的零丢包。双射频radio分为主射频radio和备份射频radio。其中主射频radio用于数据传输,备份射频radio用于扫描和漫游切换。具体方案的实施步骤如下:

1)在移动网络中,移动小车上安装有移动AP,具备双射频装置。静态部署的网络中(如图APl,AP2,AP3),可以为单射频AP,也可以为双射频AP。

2)移动小车的双射频radio,射频radio1作为主射频,用于数据传输;射频radi0 2作为备份射频,用于扫描和切换。

3)移动小车上的AP(NonRoot-Bridge),在初始状态,备份射频启动主动扫描。扫描可以基于全信道进行扫描。为了保证扫描到最优的Root-Bridge AP,备份射频可以根据扫描结果,将符合条件的,rss]信号强度最优的Root-Bridge信息本地缓存起来并排序。缓存的信息包括:Root-Bridge的BSSID、RSSI值,信道等参数。

4)备份射频扫描并选举最优的Root-Bridge后,与当前连接的Root-Bridge进行对比,如果两者的RSSI差值超过某个单位(比如lOdBm),并且当前连接的Root-Bridge的RSSI值低于阀值(比如-90dBm),则决策进入切换状态。

5)进入切换状态后:

备份射频的radio停止扫描,切换到目标信道(和目标要连接的Root-Bridge的信道一致)。

●切换信道成功后,该radio开始创建NAWDS的repeater模式,并且向Root-Bridge发送特殊标记的广播报文。该广播报文为桥接链路建立确认请求报文。该报文的目的是为了NonRoot-Bridge与Root-Bridge之间确认是否桥接链路建立成功了。

●Root-Bridge收到桥接链路建立确认请求报文后,立即回复桥接链路建立确认应答报文。

●NonRoot-Bridge收到应答报文后,表示桥接链路已建立成功。此时丢弃该广播报文,同时立即发送本地有线接口的所有源MAC地址的ARP广播报文。发送ARP广播报文的目的是桥接链路变化的时候(桥接链路首次建立或者桥接链路切换),让NonRoot-Bridge下联有线接口的终端用户的MAC地址在RootBridge上联的有线网络中快速更新MAC地址表项,用于快速打通终端MAC地址的上行路径。

●当桥接链路建立完成后,NonRoot-Bridge上的主/备射频进行切换:备份射频变成主射频,用于当前桥接链路的建立和维持;主射频变成备份射频,用于持续扫描并选择最优的Root-Bridge设备。

6) -旦与Root-Bridge建立桥接后,就进入正常工作状态。此时新的主射频需要定期地发送桥接链路保活报文,用于链路的保活处理。

7) NonRoot-Bridge收到保活应答报文后,表示桥接链路的通路是正常的。如果在保活周期内连续接收不到保活应答报文,则表明桥接链路的数据通路异常,此时需要删除NAWDS的桥接表项。在移动网络中,多台移动小车在频繁来回移动的过程中,就需要及时更新维护桥接表项。

8)在正常工作状态下,当备份射频扫描并选择最优的Root-Bridge时,会继续与当前已连接的Root-Bridge的RSSI值进行比较,并决策是否进入漫游切换状态。如果決策进入切换状态,则重复进入步骤5-7。

4 实验测试

在本方案中,因为扫描、工作信道的切换、桥接链路的建立,这些动作都是由移动小车上的备份射频来完成的,而在备份射频处理这些动作的期间,主射频仍然处于工作状态。当备份射频与新的AP建立桥接关系,进入正常工作状态后,主,备射频的角色就会进行切换。从而保证了移动小车在移动过程,进行漫游切换时,能够做到零丢包。

1)固定根桥ROOTI,ROOT2-ROOTN。

2)配置所有根桥发出相同的SSID,非根桥配置NAWDS桥接。

3)在非根桥配置默认或者设定的(根据实际场景调整RS-SI)漫游阈值。

4)记录漫游切换过程中丢包率与打流性能。

测试数据对比如下:

5 结论与展望

NAWDS快速漫游方案带来的益处有:

1)抗干扰性强:本方案部署时,AP之间信道规划可以是同信道,也可以是不同信道。NonRoot-Bridge的工作信道可以正常调整而不影响当前桥接链路的正常通信。

2)高性能:AP之间处于不同信道,性能更高。

3)漫游切换性能:不管是同一台交换机下的AP间的漫游,还是跨交换机间的AP间的漫游,漫游切换都能做到零漫游。

4)相比与双链路桥接:本方案中只建立单条桥接链路,NonRoot-Bridge上的双射频卡,主射频卡用于桥接链路建立,备份射频卡用于扫描和选择最优Root-Bridge。对于Root-Bridge设备来说,可以是单射频卡设备,也可以是双射频卡设备。同时,没有双链路桥接的多份相同报文处理的问题,节约了链路带宽,减少了广播风暴的风险。

另外,该技术除了应用在移动网络的场景,也可以应用在静态部署的网络的场景。利用NonRoot-Bridge的双射频装置,在Root-Bridge发生变化的时候(比如静态部署的网络中增加或删除一台Root-Bridge),能够自动适应并选择一台接收信号强度RSSI值最优的一台Root-Bridge进行桥接,增加了方案的扩展性。

参考文献:

[1]宋豫军.无线网络WDS桥接技术及其应用[J].软件导刊,2014 (10):126-127.

[2]张强.无线桥接技术中Bridge与WDS差异浅析[J].中国新通信,2015,17(2):61.

[3]朱雯.无线桥接技术应用研究[J].中国新通信,2013,15(1):55.

【通联编辑:闻翔军】

作者简介:郑宁(1983-),男,福建福州人,本科,工程师,研究方向为信息通信与技术。