WLAN网下一种实现用户漫游的机制

王新峰 曾明星

(吉首大学软件学院 湖南 张家界 427000)

0 引 言

在今天，用户走在任何地方都可以将手机、PAD等设备接入网络，而这背后都是无线局域网(WLAN)的功劳。WLAN是一种无线通信方式，一般由接入控制器AC(Access Controller)和无线接入点AP(Access Point)组成。早期WLAN只有AP部分，所有的802.11功能，即802.11物理层和媒体接入控制(MAC)功能，都实现在AP中。在这种WLAN结构中，必须对接入点进行单个管理，而且不易实施负载平衡控制，也不可能根据话音之类的实时应用需求执行快速切换等，上述因素决定了这种网络不适宜于大规模的部署。后来采用的AC+AP结构是WLAN 的最佳结构，在这种结构中，存在一个集中式的设备——接入控制器(AC)或者WLAN Switch。它利用一个或多个集中式设备来对接入点进行管理、控制和配置，将802.11 的功能实现在接入点和集中式设备之间，使其具有很好的管理性和扩展性，是当前WLAN的主流结构，如图1所示，无线客户端STA(Station)如：手机、PAD等通过AP接入网络。

图1 典型WLAN结构

WLAN的初衷是针对家庭、小办公室应用，因为无线AP的覆盖范围是有限的，AP的覆盖范围和其提供的接入速率是紧密相关的，STA距离AP越远，AP提供的接入速率越低，如图2所示。

图2 距离与接入速度关系图

要大范围覆盖无线网络，只能通过安装多个AP实现，如图3所示，STA从AP3范围移动到AP1范围再关联到AP1时会断线，这在WLAN网络早期人们是可以接受的。

图3 大范围内AP覆盖场景

随着无线网络应用的逐步扩大，用户对访问网络的移动性要求越来越高。即用户希望能够边移动边正常使用网络，这对现有的技术提出了极大的挑战。如何有效地满足用户在使用无线WLAN网络时的快速无缝漫游问题，成为亟待解决的问题。

1 漫游应用场景

漫游是指 STA在移动到两个BSS基础服务集(Basic Service Set,俗称WIFI名)覆盖范围的临界处时，STA与新AP重新关联并与原AP断开关联的过程，整个漫游过程中STA的IP地址和访问域保持不变。对于用户来说，漫游的行为通常是透明的无缝漫游，即用户及其使用的应用程序，不会感知到漫游的发生。

根据STA漫游前后所涉及的AC，可以将漫游分为AC内漫游和AC间漫游。

AC内漫游：针对小范围WLAN覆盖场景，AP数量少且全部由一台AC控制，STA漫游前后所关联的AP都在同一AC控制下，如图4所示，STA从原来所在的AP1范围移动进入AP2的范围。

图4 AC内漫游

AC间漫游：是针对大范围WLAN覆盖场景，整个网络中有多个AC，每个AC下连多个AP，STA漫游前后所关联的AP归属于不同的AC控制，如图5所示，图中虚线代表STA漫游方向从AP1漫游到AP2。

图5 AC间漫游

2 漫游原理

2.1 STA正常关联过程

漫游是STA与新AP重新关联并与原AP断开关联的过程，要实现漫游需要先了解STA正常的关联以及各模块的功能。

AC：负责AP和STA的管理，当有STA从AP接入时存储STA相关的信息(有MAC、IP、接入AP、QoS、Security等)，以及负责数据的控制和转发。

AP：发送BSS让STA接入，有STA接入后负责在AC与STA之间传递数据。AP形象点描述就像一座桥连接AC与STA，只传递数据不处理数据。

STA：发出关联请求和重关联请求，关联上AC后即可为用户获取网络数据。关联请求是STA正常关联AP的请求,而重关联请求是当STA已关联上AP后，发现有相同名称且信号更好的BSS服务时发出的请求。正是由于重关联请求的存在，才有了漫游实现的可能。

STA正常上线过程会涉及到很多模块如快速转发、安全模块和AP模块(为了只关注漫游，这些模块只简单列出几个描述)等，最终建立了STA信息，如图6所示。整个STA上线建立所有相关模块信息的时间大致是几百毫秒，由于是第一次上线，这个时间用户是可接受的。当用户从当前AP覆盖范围进入到另一个AP的范围时，会发送重关联请求，在没有漫游机制的情况下，这时AC的处理跟正常处理一致，会重新建立一个新的STA信息同时把相关模块的数据更新，而这个过程耗时跟之前一样也是几百毫秒，在这个时间内用户的网络会断开，严重影响用户体验，这正是问题之所在。

图6 STA正常关联过程图

2.2 漫游原理

漫游的目标是让用户对漫游过程无感知，用户无感知即对用户使用的网络通信无影响，对于像VoWLAN这样的对实时性要求很高的应用来说，切换时，用户数据通信中断的时间必须少于50 ms(人耳能感觉到的时间间隔)，因此漫游过程耗时必须小于50 ms。而正常关联过程涉及众多模块耗时几百毫秒，远大于50 ms，这就是需要解决的问题。

当STA发生漫游时，更新各模块相关的数据耗时几百毫秒，如果不更新数据就无耗时，这里引入一种机制“欺骗”各个相关模块，让它们以为STA漫游前后并没有什么变化，并将实现该机制的功能叫漫游模块。

用户对漫游无感知的本质是漫游前后用户与网络通信数据正常，因此必须分析漫游前后STA通信数据的上下行通道，数据上行是指STA通过AC把数据发送到网络，下行是指AC从网络接受数据发送到STA，通俗讲上下行就是STA上网数据传输过程。图7描述了一个最简单的漫游过程对比，STA从图中AP1漫游到AP2，图中双向箭头线代表数据上下行的传输通路，其中虚线是漫游前的，实线是漫游后的。下面是漫游前后相同与不同点对比：

1) 相同点：STA上下行数据传输还是由AC来转发，对于网络来说STA是通过AP1还是通过AP2传输数据是不用关心的。

2) 不同点：漫游前下行的数据需要AC通过各模块检测后从AP1传到STA，漫游后需要把下行数据通过AP2传到STA。漫游前上行数据是STA通过AP1上传到AC经各模块检测后上传到网络，漫游后是通过AP2上传到AC的。

图7 漫游前后STA上下行数据传输通道图

漫游模块的工作原理是建立一个模块用来“欺骗”AC上各模块，如图8所示，其中双向箭头代表数据数。

图8 漫游模块功能图

增加漫游模块后，当STA从AP1漫游到AP2，漫游模块处理如下：

1) STA上行数据通过AP2到达AC时，漫游模块最先接收数据将数据来源从AP2改成AP1，这样其他上层模块会以为数据还是从AP1传上来的。

2) 网络下行数据通过AC各模块后准备发往AP1到STA时(因为其他模块还认为STA是关联在AP1上)，漫游模块最后处理数据将AP1改成AP2发到STA。

这样就达到了“欺骗”各模块的效果，除了漫游模块感知了STA漫游，其他所有模块都不变。

3 漫游模块实现

漫游模块由三部分组成：漫游组、MTI隧道(AC间通信专用隧道)以及漫游表。漫游表是AC内与AC间漫游都需要的关键部分，漫游组与MTI隧道两个部分只是为AC间漫游服务。如果网络环境较小只需要实现AC内漫游，则只需增加漫游表这部分功能。

3.1 漫游表

对于AC内漫游，STA漫游前后所有信息都在同一个AC，此时漫游模块对其他模块进行“欺骗”是很容易的，只需要建立一个漫游表，表里存储每个漫游STA的状态信息，包括：STA的MAC地址、STA的用户状态、STA关联的WLAN ID、正常关联时关联的CTI(AC与AP通信的通道)端口索引和漫游后关联的CTI端口索引、STA在AC上的状态，如表1所示。

表1 漫游表

当STA发送重关联请求时，漫游模块可以查询到之前STA关联的信息，再通过重关联帧获取到漫游后的AP信息，最后建立漫游表。

下面通过一个简单的示例来讲解下漫游表的作用，图9所示为一个AC内漫游，图内右边是漫游表，当漫游发生后数据的上下行传输如下。

1) 下行：网络有数据要下行到STA，漫游模块接手数据查询漫游表，发现是一个漫游用户，将传输接口从CTI 1改成CTI 2，这样数据就到达AP2然后传给了STA，下行数据通畅。

2) 上行：STA发送数据上行到网络，漫游模块接到从AP2传上来的STA数据，查看发现是漫游STA，将CTI 2改成CTI 1，其他模块依然认为数据从CTI1上来，通过各模块检查安全传输到网络，上行数据通畅。

当STA漫游后数据依然能上下行通畅，证明联网正常，同时其他模块又对漫游前后无感知，证明此方案可行。

图9 漫游表工作图

由于AC关联的漫游STA数量可能较大，同时每个STA的每个数据包都需要经过漫游模块进行检查修改，这时快速定位到漫游表中的STA是必须考虑的现实问题。在众多数据结构中HASH表是能直接定位的存储结构，所以使用HASH表来维护STA状态数据库，使用介质接入控制MAC(每个STA的MAC是唯一的)来生成hash索引，对于极少的hash冲突的STA状态信息通过链表进行维护,具体参见图10。

图10 漫游表中STA状态信息存储图

3.2 漫游组

漫游模块处理AC内漫游很容易，而AC间漫游处理起来就比较复杂了，因为漫游前后STA关联的AC是不同的，STA漫游关联到的AC2如何知道漫游前AC1的信息呢？解决办法是信息共享。用户的漫游范围不能无限扩大，为了对用户漫游范围进行控制，同时达到共享目的，将一组可进行STA信息数据同步的控制器，称为一个漫游组。通过创建一个漫游组，使得同一个组内的各个控制器能互相分享用户的相关信息，达到快速漫游的目的。图11[2]显示了一个漫游组的拓扑情况。图中三个AC分别为ControllerA、ControllerB、ControllerC，每个AC上建立了一个漫游组，记录组内的其他成员AC。

图11 漫游组图

漫游组的工作机制是当一个STA先关联在ControllerA，之后漫游到ControllerB，此时ControllerB可以在漫游组内询问：这个STA是否之前关联漫游组内的AC上，ControllerA接受到询问后，告诉ControllerB此STA信息，这样漫游前后STA的信息双方都知道了。有了信息漫游模块就可以对其他模块进行“欺骗”，因此在没有漫游组的不同AC之间无法进行漫游。

漫游组必须在AC上手动创建，通过漫游组的名字来区分不同的漫游组。实际应用中不可能无限扩大漫游范围，因此设置每个AC可配置最多8个漫游组，每个组内最多24个成员，用于不同需要。每个漫游组至少需要包括以下信息：漫游组的名字、漫游组ID、漫游组是否有效、数据通道保活报文发送间隔、数据通道保活报文接收阀值、漫游组内的成员数等。每个漫游成员至少需要保存如下信息：漫游成员的IP地址、成员是否有效、对应MTI端口的相关信息、MTI数据/控制通道状态、数据通道保活报文接收失败次数等。

漫游组和漫游组成员信息在AC内的存储方式为数组方式，因为漫游组和漫游组成员少，并且在实际环境中，漫游可能会较为频繁地发生，也可能会经常需要访问漫游组内漫游成员的信息，如果用链表来维护，就需要对链表本身进行额外的保护，这样操作就会变得较为复杂。这里采用数组的方式进行操作较为简便，如图12所示。

图12 漫游组数据结构存储图

3.3 MTI隧道

漫游组内不同AC之间需要共享信息，还要传递STA通信数据，因此需要建立一个专门的通信隧道MTI。MTI类似于CTI通道，使得漫游模块在建立相同的漫游表时可处理两种漫游。图13为AC间漫游，STA从AC1漫游到AC2的AP2，数据的上下行传输过程。

1) 下行：网络有数据要下行到STA，漫游模块接手数据时查看漫游表，发现是一个漫游用户，于是将传输接口从CTI 1改成MTI 1，这样数据就到达AC2，之后AC2上的漫游模块将MTI 2改成CTI 2，数据由AP2下发给STA，下行数据通畅。

2) 上行：STA发送数据上行到网络，AC2上漫游模块接到从AP2传上来的STA数据，查看发现是漫游STA，将CTI 2改成MTI 2，数据由MTI隧道传到AC1，AC1上漫游模块接收到数据后将MTI 1改为CTI 1,上传到网络。其他模块依然认为数据从CTI 1上来，通过检查传输到网络，上行数据通畅。

图13 MTI隧道展示图

(1) MTI隧道的建立 当为漫游组配置了漫游成员AC之后，创建对应的MTI端口，并且当数据通道打通后将MTI端口状态UP。当数据通道不通的时候将MTI端口的状态置为DOWN，当漫游组中的漫游成员被删除的时候，将其对应的MTI端口删除。

虽然漫游组中的各成员AC之间是对等的，但是在控制通道中需要将MTI连接的AC分为Server和Client。为了使不同AC都能得到同样的结果，所以通过比较AC的管理IP地址来确定AC间的C/S关系：MTI 2端AC中IP地址的二进制值较小的作为Server，较大的作为Client。

(2) MTI隧道的保活 MTI隧道会因为各种异常断开，为了及时检测隧道是否正常，需要对隧道进行从中保活，做法是通过keepalive报文来实现。Keepalive报文需要分为request报文和response报文。其中keepalive request报文由Client端主动发出，根据配置的保活时间，每个一定时间发出。而keepalive response是Server端收到request后才进行回复。当Server端在连续若干个保活周期(周期个数通过CLI来修改)内都没有收到Client端的keepalive request报文，那Server端就认为数据通道已经不通，将数据通道状态改为down。而Client端如果在连续若干个保活周期(周期个数通过CLI来修改)内都没有收到keepalive response报文，那么Client端就认为数据通道已经不通，将MTI隧道状态改为down。

4 漫游模块应用

漫游模块由三部分组成，工作原理并不复杂。可实际环境中漫游过程是非常复杂的，会出现先AC内漫游再转到AC间漫游、AC间漫游转AC间漫游等复杂的情况。为了证明漫游模块能满足复杂多变的实际应用，需要对STA的各种漫游场景进行分析。

4.1 STA各种场景分析

STA在发生漫游时，对不同AC来说意义不一样，为了方便讨论，先列出4种AC上STA状态：

NC(普通用户)：正常关联到AC上，无漫游。

LRC(本地漫游或称AC内漫游用户)：STA在AC内漫游。

RIC(漫入用户)：STA发生AC间漫游，从别的AC漫游到本AC。

ROC(漫出用户)：STA从本AC漫游出到别的AC。

由于需要保持STA在整个多次的漫游过程中IP地址和访问域不变，必须关注STA最开始关联的AC/AP，只有这样才能确定STA的访问域；同时需要关注STA漫游后当前关联的AC/AP，只有知道了当前的位置，才能使做相应操作时STA在当前位置上保持原有的访问域不变；最后，还需要关注STA在本次漫游之前关联的AC/AP，因为该位置上可能保存有前一次漫游时候的相关信息，而这些信息需要更新或删除。

因此确定STA的漫游情况，需要且只需要知道3个位置：STA正常加入的AC/AP、本次漫游行为之前关联的AC/AP、当前也就是本次漫游后关联的AC/AP。因为只要3个AC/AP位置就能表述STA的漫游所有场景，所以可以通过一个总共有3台AC，每台AC下联3台AP的模型来对所有可能的情况进行表述。

下面对可能的各种情况进行讨论。为了便于讨论，假设当前的场景中有3台AC：AC0、AC1、AC2，每台AC各下联有3台AP：AP0、AP1、AP2，如图14所示。当STA关联到ACx下的APy时，用(x，y)来表示STA当前关联的位置，表格中描述的STA在AC上的用户状态。

鉴于篇幅的限度及漫游场景的相似性，下面只对最常见的6种漫游场景进行详细分析。

• 场景1：AC内一次漫游(见图14)

图14 AC内一次漫游示意图

漫游前STA是与AP0正常关联的。STA向AP1发出重关联，AC0收到STA的重关联请求后，改变STA与AP的关联，将STA关联到AP1，并且通告漫游模块。漫游模块收到通告后，根据STA信息判断是AC内漫游，修改STA中漫游相关的状态，如表2所示。

表2 AC内一次漫游时STA在AC上状态的变化

• 场景2：AC间一次漫游(见图15)

图15 AC间一次漫游示意图

漫游前STA与AC0的AP0是正常关联的。STA向AC1的AP0发出重关联请求，通过AP传递，AC1收到漫游请求，根据STA的状态判断是AC间漫游；AC1向同漫游组内的AC0和AC2发出漫游请求；AC2收到漫游请求后发现不是与自己相关的STA所以不回复；AC0收到请求后检索STA信息发现自己是漫出AC，修改AC0上的STA状态信息并设置转发面，然后向AC1发出漫游应答；AC1收到漫游应答时修改STA漫游相关信息，如表3所示。

表3 AC间一次漫游时STA在AC上的状态变化

• 场景3：AC内二次漫游(见图16)

图16 AC内二次漫游示意图

在当前漫游之前，STA已经经过若干过程从AC0的AP0漫游到AP1。STA向AC0的AP2发起重关联，AC0收到重关联请求后解除STA与AP1的关联，并且将STA关联到AP2。漫游模块根据当前AP关联的变化情况更新STA漫游相关信息，如表4所示。

表4 AC内二次漫游时STA在AC上的状态变化

• 场景4：AC内往返漫游(见图17)

图17 AC内往返漫游示意图

在当前漫游之前，STA已经经过若干过程从AC0的AP0漫游到AP1。STA向AP0发起重关联请求，AC0收到重关联请求后，将STA关联到AP0，并且判断AP0是STA最开始正常加入的AP，所以将STA看作与正常加入的情况相同，同步信息到STA控制块和转发面，如表5所示。

表5 AC内往返漫游时STA在AC上的状态变化

• 场景5：AC内到AC间二次漫游(见图18)

图18 AC内到AC间二次漫游示意图

在当前漫游之前，STA已经经过若干过程从AC0的AP0漫游到AC0的AP1。STA向AC0的AP0发起重关联请求，AC1判断之前没有该STA的信息，向漫游组内的AC0和AC2发出漫游请求。AC2收到请求后判断自己没有STA的信息，所以不进行回应。AC0收到请求后，查找到STA相关信息，修改STA控制块和转发面信息为漫出状态，同时将STA信息通过漫游模块发送到AC1。AC1收到信息后更新本身的STA控制块和转发面信息，如表6所示。

表6 AC内到AC间二次漫游时STA在AC上的状态变化

• 场景6：AC间往返漫游(回到同一AP，见图19)

图19 AC间往返漫游的示意图

在当前漫游之前，STA已经经过若干过程从AC0的AP0漫游到AC1的AP0。STA向AC0的AP0发起重关联请求，AC0收到后判断STA当前的转状态是漫出，所以向漫游组内的AC1和AC2发送漫游请求，同时更新STA控制块和转发面信息恢复到STA正常关联的状态，如表7所示。AC1收到漫游请求后删除对应的STA信息，并且由于AC1不是最近一次正常加入时候的AC，所以不发送回应；AC2收到漫游请求后，判断本身没有这个STA信息，也不进行回应。

表7 AC间往返漫游时STA在AC上的状态变化

从上述场景分析可以看出，本漫游方案是能够适用于各种可能发生的漫游场景。

4.2 漫游模块性能测试

为了证明漫游模块符合设计需要即漫游处理过程时间不超过50 ms，需要测试漫游模块在AC端的性能。需要分别测试在AC内和AC间环境下，STA与所在网络的其他设备进行不间断的通信过程中，在漫游前后STA的断流时间。

测试拓扑图选用最典型的AC内(参见图4)和AC间(图5)漫游结构图，测试步骤如下：

1) STA1关联到AP1上，STA1通过flood_ping工具不停向AP1发ping 报文。

2) PC采用WireShark通过镜像口抓取AP1收到的ping_req报文和发送的ping_reply报文。

3) STA1从AP1漫游到AP2。

4) 采用时间戳来记录漫游处理时间，接收重关联帧到漫游表建立完成一共花费的时间，如表8所示。

表8 漫游处理时间

从表8可以看出，AC端和漫游模块成功处理完漫游STA的数据，其平均时间不超过10 ms，这与漫游机制的指标吻合。

5 结 语

本文对大范围部署WLAN网络时用户移动掉线的问题，给出了一种解决机制。本漫游机制原理不复杂，但同时能完全满足各种应用场景，通过测试漫游的性能也证明其符合设计目标。但不同运营商对WLAN 漫游持不同的态度,因此无法做到全网任意漫游，只能在安装有漫游模块的特定设备上才能实现用户漫游。