一种基于软件定义网络的wlan架构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于软件定义网络的无线局域网组网架构，特别设及无线局域网负载 均衡切换策略的设计。
【背景技术】
[0002] 无线局域网W灵活高效、易于扩展等特点被广泛应用于机场、学校、办公场所等各 类场合，供无线终端设备接入并访问网络资源，无线局域网是当今网络通信技术的重要组 成部分。而随着社会的快速发展，无线终端产品种类及数量的快速增加，网络服务也越来越 多样化，人们对无线资源的需求也越来越大。传统网络架构暴露出越来越多的问题，如网络 管理复杂、网络资源利用率低等，迫切需要对传统的无线局域网架构进行变革。
[0003] 软件定义网络（SoftwareDefinedNetworking,SDN)作为一种新的网络架构受到 研究者的关注，它的核屯、思想是将网络的控制权分离出来，交给SDN控制器管理，控制器拥 有网络的全局视角，网络管理者可W灵活地部署各种策略，集中管理底层的物理设备。
[0004] 化enFloW是SDN的关键技术之一，基于化enFloW的软件定义网络架构主要有S部 分组成，即OpenFlow交换机，控制器和化enFlow协议。控制器通过化enFlow协议对交换机进 行管理，掌握全局拓扑及链路信息，交换机负责数据转发。同时，控制器具有可编程的特性， 网络管理者可WW软件的方式灵活地部署管控策略。
[000引近年来，将SDN与无线局域网融合成为研究的热点。OpenRoads(参见文献：OpenRoads:Empoweringresearchinmobilenetworks[J].ACMSIGCOMMComputer CommunicationReview,2010,40(1): 125-126.)是一种基于SDN的移动网络创新平台，提供 灵活的控制、虚拟化W及高度的抽象，允许研究者进行一系列创新性实验，该架构取得了较 好的成效。Odin(参见文献：Towardsprogrammableente;rp;riseWLANSwith0din[C] ProceedingsofthefirstworkshoponHottopicsinsoftwaredefined networks.ACM, 2012:115-120.)是一种基于SDN的企业级无线网络架构，该架构中，控制器 为每个接入点维护一个"LVAP"进程，应用层通过操作进程实现对接入点的管理，该架构需 要使用私有的Odin协议，且协议本身存在较多的问题，该架构虽提出较早，并未实际应用。 国防科技大学的Zhao.D等人提出SDWLAN架构（参见文献：AfIexiblearchitectureof enterpriseWLANforclient-unawarefastAPhandoff[C]Computing,Communication andNetworkingTechnologies(ICCCNT),2014InternationaIConferenceon.IEEE, 2014:1-6.)，将物理AP的MAC功能转移到控制层实现，物理AP只对收到的数据包进行封装和 转发，由控制层的策略对数据进行处理，该架构中，控制器需要处理大量的数据，易成为网 络的瓶颈。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的问题是:传统无线局域网架构难W实现集中化管理，网络负载不 均衡等问题。传统网络架构由于难W拥有全局视角，管理者难W部署管理策略，终端采用基 于信号强度的切换机制，易导致网络负载不均衡的问题。
[0007]本发明的技术方案如下:一种基于软件定义网络的WLAN架构，其包括物理设备层、 化enFlow协议、控制器和应用模块，所述物理设备层中的接入点设备采用化enWrt操作系 统，安装化envSwitch实现对化enFlow协议的支持;控制器用于通过化enFlow协议对物理设 备层进行管理，所述控制器包括用于管理物理层设备的管理组件模块和网络管理者根据不 同需求而开发的策略组件模块;对化enFlow协议进行扩展，使其适合无线网络，并能用于管 理AP接入点设备;应用模块用于改善用户的各种应用体验。
[000引进一步的，所述化enFloW协议扩展具体包括：
[0009] 1)增加字段SSID和BSSID，使控制器对数据分组进行匹配和修改，802.IlMAC层数 据包具有用于标识AP的一个字段BSSID，W太网数据包在发送到无线客户端之前，添加相应 的BSSID字段，并转换为802.11的帖格式，从终端发送到W太网的分组会首先校验BSSID字 段，再将其发送到对应的AP上，并由AP转换为W太网帖格式；
[0010] 2)增加规则动作MAC_FilterMAC地址过滤，使控制器操作AP的MAC表，控制器通过 该动作操作AP的MAC表，当AP需要为终端服务时，将终端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，贝Ij从MC表中删除；
[0011 ] 3)增加AP_StaUis_Request接入点状态请求报文、AP_StaUis_Reply接入点状态答 复报文，使控制器获取AP的状态信息，控制器通过AP_Status_Request消息主动请求AP参 数，AP通过AP_Status_RepIy报文进行响应。
[0012] 进一步的，所述管理组件模块包括AP管理模块、用户认证模块、流表安装模块及策 略下发模块，其中AP管理模块用于发现网络中的的AP设备，建立控制器与AP之间的管理隧 道，获取AP的状态信息，对AP设备进行配置和管理；用户认证模块，用户认证模块将验证终 端是否具有接入网络的权限;流表安装模块，AP根据流表进行数据转发，该模块根据网络管 理者部署的策略生成流表并安装到对应的AP上;策略下发模块，策略组件并不直接与底层 的物理设备通信，而是通过管理组件的策略下发模块完成对AP的管理。
[0013]进一步的，所述策略组件是由网络管理者根据不同需求而开发的各种模块，包括 状态获取、权值维护和切换控制=个主要模块：
[0014] 1)状态获取模块，该模块通过化enFlow协议的AP_Status_Request接入点状态请 求报文消息获取AP的状态信息，包括终端信号强度、已连接的终端数和可用带宽，作为计算AP权值的参数；
[0015] 2)权值计算模块，该模块使用状态获取模块得到的参数计算每个AP的权值，不断 对各AP的权值进行更新W反映实时的网络情况；
[0016] 3)切换控制模块，该模块负责终端切换，同时保持切换过程中数据连接不中断。
[0017]进一步的，负载均衡切换时控制器策略组件的状态获取模块获取AP的状态参数后 将对AP的权值进行计算，计算公式为：
[0019] 式中Wi,康示AP袖对于肥j的权重，M康示APi已服务的终端数，Vi表示APi在一段时 间内的平均带宽空闲率，Si,j表示APi接收的UEj信号强度，Si,j通过Beacon帖或Probe Request帖获得。
[0020] 进一步的，设APi的最大带宽Bimax，已用带宽Bimax，Vi的计算公式为：
[0022]进一步的，策略组件的切换控制模块设置一个切换因子，控制器在切换时计算备 选AP与原AP的切换因子，仅当该值大于系统切换因子阔值P*时，控制器才执行切换，切换因 子的计算公式为：
[0024] 上式中，Pi,康示APi与APj的切换因子，Wi为备选AP的权值，W功原AP的权值。
[0025] 本发明的优点及有益效果如下：
[0026]本发明提出一种基于软件定义网络的无线局域网架构，使控制器可W对接入点进 行集中管理，基于该架构提出一种负载均衡策略，使控制器通过获取接入点的实时负载来 为终端选择性能最优的接入点，从而有效避免负载不均衡的问题，提高网络资源的利用率。
【附图说明】
[0027]图1是本发明提供优选实施例系统架构示意图；
[0028] 图2为本发明中终端切换示意图。
【具体实施方式】
[0029]W下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0030]本发明提出的基于软件定义网络的无线局域网架构如附图1所示，由物理层设备、 化enFlow协议、控制器和各应用模块构成，接下来将对系统架构进行详细介绍。
[0031] 1.物理层对传统的接入点进行改造，网络中的接入点均使用化enWrt操作系统，安 装化6醇5￥；11：证实现对化6证1〇￥协议的支持。接入点的无线网卡均工作在齡]1；[1：01'模式，运 种模式下接入点可W侦测所有的802.11帖信号。另外AP需要对接收的帖进行提取，一方面 是对终端信号强度等参数的提取，运些信息是控制器策略部署的依据，另一方面需要提取 数据帖类型、目的地址、源地址和BSSID等，运些信息将用于执行控制器的匹配和转发动作。 在接入点上开发了状态采集模块，可W收集终端的信号强度和自身的状态参数，包括可用 带宽、已连接终端数等，运些参数W化enFlow消息的形式发送至SDN控制器。
[0032] 2.标准化enFlowl. 3协议在制订时并未考虑无线网络的特性，不能用于管理AP设 备，因此本发明对化enFlowl.3协议进行扩展，主要包括W下S个方面：
[0033] 1)为使控制器可W对数据分组的进行匹配和修改，增加新的字段SSID和BSSID。 802.1IMAC层数据包具有用于标识AP的一个特定字段"BSSI护。W太网数据包在发送到无线 客户端之前，需要添加相应的BSSID字段，并转换为802.11的帖格式。相应地，从终端发送到 W太网的分组会首先校验BSSID字段，再将其发送到对应的AP上，并由AP转换为W太网帖格 式。
[0034] 2)为使控制器操作AP的MC表，增加新的规则动作"MAC_Filter"。控制器通过该动 作可W操作AP的MAC表，当AP需要为终端服务时，将终端的MAC地址加入AP的MAC表，反之，贝U从MC表中删除。
[OO%] 3)为使控制器获取AP的状态信息，增加AP_S^tus_Request、AP_Status_Reply消 息报文。控制器通过AP_Status_Request消息主动请求AP参数，AP通过AP_Status_Reply报 文进行响应。
[0036] 3.控制器是架构的核屯、，SDN控制器南向接口通过化enFlow协议对AP设备进行管 理，可W动态地添加、删除、修改交换设备的流表项，从而改变网络设备的转发规则，实现对 整个网络的集中化控制，同时控制器可W获取AP的状态参数，作为部署管理策略的依据。本 发明使用Ryu控制器，基于巧thon语言开发了管理组件和策略组件，下面将对各部分功能进 行分别介绍。
[0037] 管理组件是控制器的核屯、部分，负责物理层设备的管理，是实现策略组件的基础， 管理组件主要包括W下几个部分：
[003引1)AP管理模块。发现网络中的的AP设备，建立控制器与AP之间的管理隧道，获取AP的状态信息，对AP设备进行配置和管理。
[0039] 2)用户认证模块。终端在接入网络前需要验证是否具有接入权限，在SDN架构中， 由于控制器对用户数据具有统一的管