无线局域网扫描和认证优化方法的研究与实现

摘要

基于IEEE802.11协议的无线局域网（Wireless Local Area Network， WLAN）近年来在校园网、企业网，特别是一些公共热点区域得到了广泛的部署和应用，其业务重点也从传统的数据应用向以VoIP（Voice over IP）为代表的实时应用延伸和拓展。由于无线接入点（Access Point，AP）信号波动、站点移动等原因会导致站点在AP间进行切换，由此产生的传输延迟和抖动将严重影响WLAN内实时应用的效果。因而需要对WLAN的切换过程进行优化，降低切换时延、控制抖动，以更好地支持各类实时应用的开展。 本文从分析WLAN的切换过程入手，将复杂认证环境下的WLAN切换时延分解到扫描和认证两个阶段，并分别对扫描时延和认证时延的改进方法展开研究，提出了基于分片Cache更新机制的扫描优化方案和基于分布式的认证优化方案，构成一套完整的WLAN快速切换方案。该方案分别从信道扫描策略、Cache更新触发策略和认证信息共享三个方面对扫描时延和认证时延进行了优化，论文的主要研究工作包括： ◇针对已有的Cache更新机制扫描时延偏大的问题，提出了分片信道扫描策略，对WLAN使用的信道进行分类，并区别对待，以提高信道扫描的效率。为有效控制单次Cache更新的时延，每次Cache更新时最多扫描三个信道。在维护Cache时，综合考虑AP信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）和响应时延，以平衡WLAN内AP间的负载。 ◇针对周期性Cache机制存在无效更新的问题，提出了基于RSSI阈值的Cache更新触发策略。站点维护一个触发阈值，仅在感知到AP的信号强度低于该阈值时才触发Cache更新。为避免频繁的Cache更新，站点在完成切换后调整该阈值到一个较低值，直到AP信号强度恢复正常。 ◇针对IEEE802.11i协议中身份认证和主密钥协商造成认证时延过大的问题，提出了基于分布式认证信息共享的认证优化机制，利用P2P（Peer to Peer）Chord技术来管理WLAN内的认证信息。站点在首次接入WLAN时将协商生成的认证信息发布到Chord环中，在发生切换时从环中查找到相应的认证信息并完成后续的协议交互，而无需通过认证服务器重新认证，从而显著降低复杂认证引起的时延。 基于上述研究，在站点端实现了基于分片Cache更新机制的WLAN扫描优化方案，在AP端实现了基于P2P Chord的WLAN认证优化方案，并对分片Cache更新机制和周期性Cache更新机制、基于P2P Chord的认证信息共享机制和IEEE802.11i协议交互机制进行了对比测试。结果表明，本文提出的WLAN快速切换方案可有效降低切换时延和传输抖动，较好地满足VoIP等实时应用的服务质量要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录

声明

第一章 引言

1.1 立题背景

1.1.1 IEEE802.11无线局域网

1.1.2 WLAN切换

1.1.3 WLAN切换面临的挑战

1.2 研究目标和研究内容

1.3 论文的主要工作

1.4 论文的组织结构

第二章 研究基础

2.1 WLAN切换时延

2.1.1 扫描时延

2.1.2 认证时延

2.2 已有的扫描优化方案

2.2.1 选择性信道扫描

2.2.2 基于Cache机制的预扫描

2.3 已有的认证优化方案

2.3.1 IEEES02.11f域内认证信息交互

2.3.2 IEEE802.11i的PMK缓存和提前认证

2.3.3 IEEE802.11r的认证信息管理机制

2.4 实验室前期工作

2.5 本章小结

第三章 基于分片Cache更新机制的WLAN扫描优化

3.1 分片信道扫描策略

3.1.1 信道划分

3.1.2 分片信道扫描

3.2 基于AP负载的Cache维护策略

3.3 基于RSSI阈值的Cache更新触发策略

3.4 分片Cache更新的WLAN扫描优化方案

3.5 本章小结

第四章 基于分布式认证信息共享的WLAN认证优化

4.1 P2P方式的WLAN认证信息共享机制

4.2 站点接入时认证信息发布方法

4.3 站点切换时认证信息查找方法

4.4 基于P2P Chord的WLAN认证优化方案

4.5 本章小结

第五章 方案实现

5.1 实现基础

5.1.1 Madwifi驱动

5.1.2 Hostapd认证

5.2 分片Cache更新的WLAN扫描优化方案实现

5.2.1 主要数据结构

5.2.2 基于RSSI阈值的Cache更新触发策略实现

5.2.3 分片信道扫描策略实现

5.3 基于P2P Chord的WLAN认证优化方案实现

5.3.1 主要数据结构

5.3.2 基于P2P Chord的认证信息共享方案实现

5.4 本章小结

第六章 系统测试

6.1 分片Cache更新的扫描优化方案测试

6.1.1 测试环境

6.1.2 功能测试

6.1.3 性能测试

6.2 基于P2P Chord技术的认证优化方案测试

6.2.1 测试环境

6.2.2 功能测试

6.2.3 性能测试

6.3 本章小结

第七章 结束语

7.1 研究总结

7.2 未来的工作

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文