WLAN 无漫游组网方式设计与实现

*郭猷敏，肖根福，郑大腾，陈华伦

（1. 井冈山大学，江西，吉安 343009；2. 锐捷网络股份有限公司，福建，福州350000）

0 引言

目前，WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）大范围组网普遍使用的是“微蜂窝架构”，即一个场所由多台AP 覆盖。每台AP 覆盖的范围为一个“微蜂窝”，多个“微蜂窝”构成整个WLAN 网络，网络中包含多台AP，每台AP 能够独立收发数据包，同时，这些AP 一般由一台或多台AC（Access Control，无线控制器）控制。为了降低AP 之间的同频干扰，相邻AP 使用不同信道进行错频部署，例如2.4G 网络普遍使用1、6、11 信道错频部署。在这种组网方式中，一方面，当STA（Station，无线工作站）发生移动从一台AP的覆盖范围移动到另一台AP 的覆盖范围时，终端一般将发生漫游（WLAN 中的漫游是指在由两个或多个AP 组成的网络中，STA 移动到两个或多个AP覆盖范围的交叠区域时，STA 与新的AP 进行关联并与原有AP 断开关联的过程[1]），漫游时STA 存在重关联，可能导致数据通信时延变大和丢包断流[2]，以及可能出现终端掉线情况[3]；另一方面，漫游过程由STA 主导，部分厂商的STA 在信号很弱时才发生漫游，甚至不主动发送关联报文或重关联报文发生漫游，当STA 不能及时发生漫游时，随着STA的移动，STA 和关联AP 距离变大，无线信号变弱，较弱的无线信号增加了通信丢包的概率，进一步导致数据通信时延变大和丢包断流[4]。漫游存在的这些问题，使得“微蜂窝架构”组网方式难以满足医疗监护和仓储物流等应用场景[5]。网络实时性要求高的环境迫切需要一种能满足移动终端低时延漫游或者无漫游的WLAN 网络。IEEE802.11F-2003追加了IAPP（Inter-Access Point Protocol，接入点互操作协议)，该协议试图解决漫游过程中切换延时过长的问题[6]。2008 年，IEEE 工作组推出了IEEE 802.11r 标准，该标准可以让终端在AP 之间快速漫游，保证VOIP（Voice over Internet Protocol，模拟信号数字化）设备在切换WLAN 接入点时不会出现掉线状况[7]。但是这两个协议或标准对设备要求较高，终端也未普遍支持[8]。国外各大WLAN 通信设备厂商对漫游技术研究较早，但是所发布解决方案通用性较差，且无适用于国内市场解决方案。国内锐捷网络推出的“零漫游”解决方案，本质上是通过智分单元和美化天线扩大单个AP 的覆盖范围以实现区域内的“零漫游”，但在AP 信号交叠区域依然存在漫游[9]。本文提出了一种无漫游同频组网方案，可以改善微蜂窝架构下漫游过程中网络的实时性和稳定性。

1 无漫游同频组网方案

本文设计实现的无漫游组网方案中每个同频组内的所有AP 都工作在同一频段，因此该技术又称之为同频组网（SFN，Same Frequency Net）。同频组网是一种通过软件定义实现的无漫游组网方式，旨在解决上述移动STA 不主动漫游、漫游时通信时延大和通信中断等问题，满足医疗和物流等行业低时延和实时性要求高等场景的应用需求。同频组网也适用在终端快速移动的场合，解决终端在快速移动中漫游丢包等问题。下文将从组网方式、网络构建、终端接入、终端切换AP 以及数据转发等关键技术方面介绍同频组网的设计原理和工作过程，并给出终端在同频组网和非同频组网移动场景下对比测试数据，体现同频组网在终端移动场景下的无漫游优势。

1.1 组网方式

同频组网把网络中的多台AP 通过软件定义的方式，虚拟成一台大的“虚拟AP”。从STA 端看，多台AP 组成的一个同频组是“一台大AP”，从而STA 在移动过程中认为自己一直关联在同一台AP上，无需进行漫游，达到无漫游的效果；而STA 实际关联在哪台物理AP 上，由AC 根据工作在混杂模式的各AP 监听到的STA 的RSSI (接受信号强度指示，Received Signal Strength Indication)[10]和AP网络负载等因素决策。STA 从一台AP 切换关联到另一台AP 过程中，STA 无感知，数据通信不受影响。同频组网是一种典型应用拓扑（如图1 所示）。在该拓扑中，AP1 和AP2 在一个同频组网组内，在AC 的控制下发出相同的网络，两台AP 虚拟成一台“大AP”，终端STA 从AP1 覆盖范围移动到AP2 覆盖范围过程中，一直关联在这台“大AP”上，不发生重新关联行为，即不发生漫游。但由于终端移动过程中和不同AP 之间RSSI 的强弱变化，STA关联在AP2 上已明显优于关联在AP1 上，于是，在AC 控制下终端实际物理关联由AP1 切换到AP2，而这个切换过程终端STA 自身并不感知，从而数据通信不中断，实现了无漫游。

图1 同频组网典型拓扑及STA 切换AP 过程 Fig.1 Typical topology of same frequency network and process of STA switching AP

1.2 网络构建

同频组网下，为了让STA 不发生漫游，必须使得一个同频组内的不同AP 发出对STA“相同的网络”，而在WLAN 中标识一个AP 发出的网络的唯一标识是BSSID（Basic Service SetIdentifier，基础服务集标识，长度为48 位的二进制标识符，用于识别不同的BSS（Basic Service Set，基础服务集）），因此，在一个同频组网组内，不同AP 发出的同频同名网络必须具备相同的BSSID，BSSID 在AC 端通过软件统一管理设置；除此之外，同频组网下不同AP 发出的同频同名网络需要具有相同的其它网络属性，否则网络将被终端认为不稳定而拒绝接入或无法正常通信。这些属性包括信道、beacon 周期、网络能力等，即同频组网下不同AP 发出的同频同名网络beacon 帧内容必须相同。 beacon 帧是无线网络的信标帧，用于向环境广播WLAN 网络，当终端接收到AP 发出的beacon 帧时，终端可以根据beacon 帧的内容解析得到网络的属性和能力。分析beacon 帧携带的信息字段，可分为三种：

✧ 表示AP 默认支持的射频能力等信息，该部分信息不可配置，由AP 硬件决定。

✧ 表示AP 支持的射频能力等信息，这部分信息可配置修改，如速率集等。

✧ 前后报文会自动变化的信息，如TIM、Timestamp 等。

针对第一种，部署时限制要求一个同频组网下所有AP 产品支持的无线能力一致，其中最主要的是流模式一致，即一台双流AP 只能跟另一台双流AP 在同个同频组网下，不能跟一台三流或单流AP进行同频组网。在实际组网中，一般使用同一型号的AP 进行同频组网。

针对第二种，同频组网提供统一配置同频组网下所有AP 射频属性的服务，让一个同频组内的AP的射频属性相同。

针对第三种，同频组网实时同步同频组下所有AP 发出的信标帧的TIM 及Timestamp 字段。同频组网通过软件定义和控制这些beacon 帧内容，使同频组网内不同AP 发出相同内容的beacon 帧，实现组网。

1.3 终端接入过程

同频组网的接入过程遵循IEEE802.11 标准协议，接入过程包含扫描、认证和关联三个阶段报文交互。扫描又分为被动扫描和主动扫描，被动扫描是指AP 周期发送beacon 报文，在AP 覆盖范围内广播该AP 上可接入的WLAN 的行为；在“微蜂窝架构”网络中，各AP 上相同SSID（Service Set Identifier，服务集标识）的WLAN 发送的beacon报文内容不同，各AP 各自成一个“微蜂窝”。同频组网方式下，在一个同频组内各AP，相同SSID 的WLAN 可以发出相同的beacon 报文，多台AP 构成一个大的“虚拟AP”，即对于一个SSID 在一个频段，STA 只会收到一种beacon 报文，因此从STA角度看，环境中只有一台AP。

主动扫描是指STA 发送probe request 报文探测环境中的无线网络的行为，AP 收到probe request报文将回应probe response 报文告知STA 该AP 上可接入的WLAN 及WLAN 的属性，probe response报文和beacon 报文携带的WLAN 属性相同。同频组网内的多台AP 都将可能回复probe response 给STA，且这些probe response 报文内容相同，当一台AP 检测到其它AP 更适合STA 接入时，这台AP将不再回复本次probe request 扫描请求。检测的方法为，AP 在probe response 报文中增加私有元素携带本AP 收到的probe request 报文信号强度RSSI，其它AP 接收并解析probe response报文中的信号强度信息，将获取到的信号强度与本AP 自身收到的该终端的probe request 报文信号强度对比，当发现其它AP 收到终端报文的信号强度更强时，本AP不回复此次probe request，否则以probe response 报文回复终端。

图2 STA 接入过程 Fig.2 STA access process

“微蜂窝”网络中，STA 发出的认证请求报文一般只有一台AP 处理和应答，并完成认证过程；在同频组网中，一个同频组内的多台AP 都可能收到STA 发出的认证报文，此时将在AC 上作过滤和选择，选择接收终端信号强度最强的AP 应答STA，STA 在信号最强的AP 完成认证和关联，如图2 所示。经过相应处理，同频组网可支持802.1x、Web等多种加密、认证方式。

1.4 终端切换AP 过程

STA 成功接入之后，STA 接入的AP 与其进行报文通信，同频组内其它AP 将持续采集STA 在各自AP 上的RSSI 并在AC 建立数据库，用于STA最适合关联AP 的决策。当AC 发现另一台AP 可以为该STA 提供更好的服务时， AC 将触发切换AP 动作，把STA 从当前关联AP 切换到另一台AP关联，并由切换后的AP 提供数据服务，简化后的切换过程如图3 所示。

图3 同频组网STA 切换AP 流程图 Fig.3 Flow chart of STA switching AP in the same frequency network

相较于“微蜂窝架构”网络的漫游方式，同频组网STA 切换AP 存在如下优势：

➢ STA 关联到AP2 后可以立即通信，无需进行重关联操作和后续的重认证握手报文交互，减少了STA 的漫游时间；

➢ STA 关联到哪台AP 是由AC 控制，受外部因素影响较小，避免了不同厂商的STA 对漫游支持存在差异的问题；

➢ AP 的切换过程中，AC 端会提前把STA 结点信息通告给AP2，AP2 复制该STA 状态并使STA 加入AP2，整个切换过程中STA 不感知，可以保证STA 不丢包。

1.5 重复报文过滤及数据转发

由于一个同频组内同WLAN 下不同AP 的BSSID 相同，因而STA 发送的报文会被多个物理AP 射频口收到，如果每台AP 都处理并回复，会导致STA 关联难、丢包等问题，因此要求设备在同一时间内只处理一份来自STA 的不重复报文，正确合理处理上行及下行重复报文成为维持同频组网网络稳定的关键。

1.5.1 上行重复报文处理

上行重复报文主要包括以下几类报文：

探测(probe request)、认证、关联、重关联、解认证和解关联等终端接入过程报文，这类报文处理方法在前文终端接入过程已经介绍，这里不再赘述。

PS-Poll 帧，该类报文主要用于终端节电管理，终端能够正常地进入节电状态和被唤醒是STA 不丢包的一大保障，同频组网的处理方法是，非关联AP 不处理并丢弃PS-Poll 帧，只由终端所关联的物理AP 处理和转发，从而保证只处理一份报文。

数据报文，数据报文的处理方法也是在终端所关联的物理AP 和AC 处理和转发，但是对于EAPOL 报文需进行特殊处理，EAPOL 报文是802.1x 认证过程中的交互报文，由于EAPOL 报文存在于用户接入阶段，为提高认证的速度和可靠性，EAPOL 类型报文在非关联AP 上也送到AC 端，由AC 进行过滤决策。

1.5.2 下行重复报文处理

下行主要是多台AP 硬件回复ACK、BA、CTS等问题。同频组网下STA 发送的报文，多台AP 一起回复ACK 或BA，一方面会增加冲突的概率，另一方面STA 发出的报文可能被非关联AP 所收到并确认掉，而关联AP 却未收到报文，最终导致丢包。ACK，BA 重复回复的问题，通过设置寄存器来解决，设置寄存器使硬件支持在没有STA 密钥缓存时不回复ACK，BA 报文，具体做法是：在AP 加入同频组时设置相应寄存器在加密网络下对加密帧不回复ACK、BA 给未关联STA。同频组网下STA发送的RTS，可能存在多台AP 一起回复CTS，有可能冲突，导致STA 一直重传RTS，RTS 重复问题通过为每个STA 创建专属VAP 方式解决。

同频组网下数据报文由于保证了只在终端所关联的物理AP 处理和转发，以及支持在不同阶段对报文进行过滤，使得同频组网能完整支持集中转发、本地转发和Split 转发方式。

2 性能对比测试

2.1 测试方案

在福建省某三甲医院的住院部，选定一个楼层部署4 台AP 进行测试，AP 型号选用RG-AP320-I，AC 使用RG-WS5708 无线控制器，AP 和AC 之间通过一台RG-S2910-H 交换机连接，交换机为AC和AP 之间提供网络连接，同时为AP 供电。将测试楼层的4 台AP 分别开启同频组网和关闭同频组网功能，在相同设备上相同射频参数情况下进行多次性能对比测试，测试内容包括终端（笔记本电脑）移动过程中使用FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）进行文件传输和终端移动过程中使用IxChariot 打流，对比测试中保持两种组网方式下终端移动速度和路线一致，并模拟医护人员使用医疗终端查房的行进路线和行进速度。

2.2 FTP 文件传输测试

FTP 是基于TCP 的一种文件传输协议，在文件传输过程中需要建立TCP 连接，如果文件传输过程中通信出现丢包或断流，将对文件传输产生较大影响，从而较大影响传输速度，使用FTP 进行文件传输测试可以了解网络的性能和稳定性。具体测试方法是，使用FTP 软件在同频组网和非同频组网下分别下载局域网内同一个1.25 G 大小的文件，比较下载速度和耗时。进行三组测试，结果如表1 所示，非同频组网下载平均速率为4.31 MB/s，同频组网下载速率为4.93 MB/s，后者下载速度比前者平均快了0.62 MB/s，高出约14.43%。

表1 FTP 文件传输对比测试结果 Table 1 Comparison test results of FTP file transfer

2.3 IxChario 打流测试

IxChario 是一种网络测试工具，是目前在应用层性能测试领域得到业界广泛认可的测试系统，IxChario 能够评估网络应用的性能和容量，了解网络的吞吐量、时延、丢包、反应时间等性能参数。终端移动过程中使用IxChario 打流的测试方法为，使用IxChario 软件在同频组网和非同频组网下分别设置10 条流进行打流，打流的源地址为关联在网络的笔记本1，目的地址为关联在网络的另一个笔记本2，打流时笔记本2 静止不动，测试人员以步行速度（约1.5 m/s）拿着笔记本1 在住院部楼道和病房走动，两次测试中行走路线相同，终端移动过程中经过四台AP。图4 给出了多次测试中的一次测试结果，同频组网下发生了三次切换，非同频组网下发生了三次漫游，其中一次漫游不及时，可以看到非同频组网下出现了明显的因漫游不及时引起的“打流掉坑”现象，而同频组网下未出现；非同频组网下的打流平均速度是76.564 Mbps，而同频组网下的打流平均速度是82.059 Mbps，即同频组网不仅打流更平稳，打流速度也优于非同频组网。因此，可以得出结论，在终端移动过程中，同频组网性能优于非同频组网。

图4 IxChario 打流对比测试结果 Fig.4 Comparison results of IxChario test

3 结束语

本文设计并实现了一种WLAN 无漫游同频组网方案，终端在AP 间使用无缝切换代替传统漫游，维持了数据通信的连续性，克服了传统“微蜂窝架构”WLAN 网络漫游时存在时延增大、丢包和断流等问题，实验结果表明在同频组网下终端切换AP时比传统漫游方式具有更好的性能。