一种基于双无线网卡的工业移动网络ap切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业移动网络的AP切换领域，具体的说是一种基于双无线网卡的工 业移动网络AP切换方法。
【背景技术】
[0002] 随着控制、通信、计算机、网络等技术的飞速发展，企业的信息集成技术得到快速 发展，涵盖从工厂的现场控制到产品的存储运输过程中。工业网络在提高生产速度、管理生 产过程、合理高效加工等领域起到越来越关键的作用。近年来，以太网进入工业控制领域， 出现了大量基于以太网的工业控制网络。同时，随着无线技术的发展，基于无线的工业控制 网络逐渐兴起。
[0003] WiFi技术因其成本低廉、部署快捷等优点而得到广泛应用，基于WiFi的工控网络 研究也已经开展。针对终端节点移动而造成的切换问题，802. 11标准并没有做出明确规定， 而由各WiFi设备厂家自行实现。虽然最新802. llr标准细化AP间切换的技术规范，但它 仅描述移动终端（MN)从断开与原AP连接到接入新AP的切换过程。由于WiFi覆盖范围有 限，在移动应用领域中，终端用户将频繁地由一个AP切换到另一个AP，因此如何实现快速 自主的AP间切换成为WiFi进一步发展和应用的关键。
[0004] 当数据包在网络中传输的时候，组成有线网络基础构架的交换机需要时间来学习 每个MAC地址的位置，然后决定数据的交换路径。在快速移动的应用场景下，移动终端发 送和接收数据的过程中，终端需要在多个WiFi节点之间不断的快速切换。当移动终端的 WiFi网络连接已经跳转的时候，去往移动终端的数据流仍将指向错误的目标地址，这种情 况会一直持续直到交换机学习到该移动终端新的位置，这将导致最终用户的数据流持续中 断。为了保证移动终端在WiFi节点之间的及时切换，系统需要进行持续的扫描。当速度增 加的时候，切换时间就会成为一个主要的问题。研究结果表明，AP间切换延迟至少在数百 ms以上，并且90%以上的延迟来源于扫描阶段，而认证和关联所消耗的时间还不到10%， 为此尽量降低扫描时延才能给实现AP快速切换。
[0005] 随着WiFi移动应用研究的不断深入，自主AP间切换吸引越来越多的关注，但是研 究发现WiFi还不能实现快速自主的AP间切换。
【发明内容】
[0006] 针对基于WiFi的工业网络存在的切换问题，本发明提出了一种基于双无线网卡 的工业移动网络AP切换方法，采用双无线网卡硬件设备和预学习机制来降低切换时延，以 满足工业网络的无中断传输的需求。
[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于双无线网卡的工业移动网 络AP切换方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :在学习过程中，移动终端将移动轨迹上扫描到的AP基本信息及切换顺序 进行存储，并保存到移动终端的存储单元中；
[0009] 步骤2 :在移动终端不断移动的过程中，不断向周围发送探测包，如果收到反馈信 息，则证明进入其他AP覆盖范围；
[0010] 步骤3 :当扫描到新的AP接入点时，移动终端调用历史存储信息，判断下一跳应该 切换到哪个AP，然后针对下一跳AP进行信号强度扫描，实时监测该AP信号强度，并与当前 AP信号强度比较；
[0011] 步骤4 :当下一跳AP信号强度大于当前接入的AP的信号的强度时，则触发切换算 法，即通过bonding技术将双无线网卡的功能进行调换；
[0012] 步骤5 :修改移动终端的路由表，并给控制器发送成功切换消息；
[0013] 步骤6 :控制器接收到成功切换消息后，修改相应的流表，并将信息存储到控制器 的拓扑信息中；
[0014] 步骤7 :当移动终端移动到原AP覆盖范围外，终端的双网卡处于冗余备份功能状 态，即只有一个网卡处于活动，当一个down机后另一个马上由备份转为活动状态，直到扫 描到新的AP后，进入下一次切换过程。
[0015] 所述学习过程记录AP的基本信息包括：AP相对位置，AP的SSID，AP的地址，AP的 信道。
[0016] 所述步骤4中切换的时机为：
[0017] 由于AP覆盖范围有限，因此快速移动的终端节点位于每个AP覆盖范围内的时间 很短，当移动终端节点扫描到新的AP后，则进入信号强度比较阶段，当NAP信号强度大于等 于0AP时，则进行切换，连接到下一跳AP接入点。
[0018] 所述切换包含了三个阶段：切换准备阶段、切换阶段、切换完成；
[0019] 切换准备阶段是丽与0AP传输数据的过程中发现新的AP信号，然后查询NAP使 用的信道，并针对特定信道对NAP的信号强度进行扫描，并与0AP信号强度进行实时比较。 切换阶段是MN扫描到NAP的信号强度大于等于0AP时，MN向NAP发送认证、关联消息，成 功接受响应消息后，MN向控制器发送切换请求，控制器确认切换后，下发修改流表命令；响 应AP节点修改完流表后则切换完成，可以正常传输数据。
[0020] 所述AP和移动终端根据不同天线的特性有多种天线组合，包括AP全向天线/MN 定向天线、AP定向天线/MN全向天线、AP定向天线/MN定向天线。
[0021 ] 所述移动终纟而米用双无线网卡?
[0022] 所述移动终端与相邻AP之间通信的信道不重叠。
[0023] 本发明具有以下优点及有益效果：解决了基于SDN工业回程网的AP切换问题，实 现了不同接入点间的快速无缝切换。本发明采用双无线网卡机制和bonding技术，为不同 的网卡分配不同的任务，并不断切换双网卡间的工作状态，以实现无缝软切换。通过预学习 机制，明确了下一跳的切换目标，避免了由反射折射等造成切换过程中的乒乓效应。另外， 本发明提出了针对工业应用场景的切换时机决策算法和无重叠软切换信道分配机制。这些 机制能够极大的降低切换时延和丢包率，满足工业场景的应用需求。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的工业回程网示意图；
[0025] 图2为本发明的切换决策算法示意图；
[0026] 图3为本发明的切换过程时序图；
[0027] 图4为本发明的无重叠信号分配示意图；
[0028] 图5为本发明的切换流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0030] 本发明在工业移动网络体系架构中实现无中断切换方法，该工业移动网络架构是 基于SDN的工业回程网架构，体系结构如图1所示。基于SDN的工业回程网支持openflow 协议，通过流表实现数据的存储转发。移动终端节点通过WiFi与AP相连，由于AP覆盖范 围有限，移动终端需要不断的在各个AP间进行切换。
[0031] 本发明包括预学习机制、切换时机决策方法、无重复信道分配机制和整体切换流 程等，接下来将逐一详细记述。
[0032] 1 ?预学习机制
[0033] 本发明提出的预学习机制，针对工业应用场景的移动路线基本固定的特点，将AP 的基本信息，终端的切换顺序等存储到终端移动终端中。针对特定的切换目标AP进行扫 描，获取下一跳接入AP的信号强度，为切换决策算法做准备。
[0034] 预学习过程指的是移动终端未正式工作前，在轨迹上进行的测试过程。由于该应 用针对的工业场景的特点，AP位置相对固定，AP使用的信道也固定。学习过程主要是侧重 于记录AP的基本信息，主要包括：AP相对位置，AP的SSID，AP的地址，AP的信道。AP信息 由终端MN保存维护。信息格式如下：
[0036] 实际切换过程中通过对丽（移动终端）中保存的AP信息进行利用，可以很快的发 现切换目标AP，如此可以进一步降低切换时延。实际工作中切换和数据传输是通过两个并 行的天线实现的，具体实现方法会在下文中详细记述。
[0037] 2?切换时机决策机制
[0038] 本发明提出了切换时机决策算法，研究切换的触发时机，提出的切换时机决策算 法是基于主动扫描方法的，考虑到移动终端与AP接收信号强度的变化，以及移动终端切换 的历史信息和当前移动终端接收到AP的信号强度，既可以确保切换及时完成，同时减少切 换过程中的兵兵效应。
[0039] 本发明是基于双无线网卡的软切换方法，因此需要选择合适的软切换信道分配机 制，本发明中采用无重叠信道分配机制。由于AP和MN的射频模块都可以选择全向天线和 定向天线，根据不同天线的特性，可以有多种组合。包括AP全向天线/MN定向天线、AP定 向天线/MN全向天线、AP定向天线/MN定向天线。前两种信道分配机制方式对于丽上两 块无线网卡的相对位置都有要求，当移动终端运动速度增大时，要求双网卡的间距也增大。 因此，前两种信道分配机制不适合丽的单体体积较小的情况。AP定向天线/MN定向天线机 制可以用于MN体积较小、两天线间距很小的场合。
[0040] 由于AP的覆盖范围有限，通常只有几百米，快速移动的终端节点位于每个AP覆盖 范围内的时间很短，当丽离开当前接入点（Old AP，0AP) -定距离时，就需要进入切换状 态，并且在彻底离