无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法

摘要

本发明公开了一种无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，包括以下步骤，在无线网状网中配置一供客户机接入因特网的接入网络，所述接入网络包括网关和二个以上的接入点，所述二个以上的接入点的网络参数相同；客户机接入或移动时，所述网关实时从所述二个以上接入点中指定一数据转发延时最短的接入点作为该客户机的当前服务接入点，所述当前服务接入点直接与所述客户机进行数据通信。本发明具有网络吞吐率高、端到端延迟短、且丢包率低且网络安全性能高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网状网络的移动性管理方法，特指一种无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法。

背景技术

在无线网状网（Mesh网）中，无线客户机首先需要与网状网接入点（AP）关联之后才能接入网络。当有多个接入点处于客户机的通信范围时，客户机将从中选择一个进行关联。

目前常用的无线网状网络是基于IEEE（电子电气工程师协会） 802.11标准的。在该标准中，客户机与接入点的关联是客户机以接收到的接入点信号强度（RSSI）为依据进行选择的，即客户机会选择信号最强的接入点进行关联，并且在接收信号强度下降到某一阈值之前不会改变接入点。由于传统的无线网状网中接入点是通过无线进行连接，以多跳的方式组网，接入点到网关的路由性能在很大程度上决定了用户获得的服务质量。而客户机仅根据信号质量选择接入点并不能保证到网关的路由是最优的。如图1所示的无线网状网，客户机的通信范围内有2个接入点可以关联，分别为接入点E和接入点F，其中接入点E的信号质量更好，接入点F的路由更短。根据IEEE 802.11标准，客户机将与接入点E建立关联，较与接入点F关联，客户机发送的数据需要经过更长的路由才能到达网关，这导致了用户数据将经过更长的端到端延时、消耗了更多的网络资源，且会对其他用户的网络使用造成影响。

此外，当客户机移动或周围环境发生变化导致接收信号强度下降到某一确定阈值以下，表明此时客户机与接入点之间的链路质量已经变得很差，故客户机将重新扫描信道寻找新的信号最好的接入点进行关联，而这一切换过程将导致几秒钟的网络通信中断，这将使用户正在运行的实时应用（如网络电话、交互式游戏等）受到影响，并可能因此而中断。如果客户机在接入点覆盖范围的边界来回移动或者无线链路质量不断变化，可能会导致客户机频繁地进行扫描和切换，造成网络性能极大降低。

针对上述问题，现有研究者提出了一些解决办法，如提出新的接入点关联判据，令接入点周期性广播其路由、负载、到网关时延等信息，帮助客户机进行选择。但客户机如果要理解这些信息的语法、语义，就需要修改客户机的无线网卡驱动程序或者IEEE 802.11标准，这使得这些方法实用性不强，过多信息的暴露也使得网络安全容易遭受威胁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种网络吞吐率高、端到端延迟短、丢包率低、网络安全性能高且兼容现有标准、无需修改客户机软件的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配置网络：在无线网状网中配置一供客户机接入因特网的接入网络，所述接入网络包括网关和二个以上的接入点，所述二个以上接入点的网络参数相同；

2）建立关联：客户机接入时，所述网关实时从所述二个以上接入点中指定一数据转发延时最短的接入点作为该客户机的当前服务接入点，所述当前服务接入点直接与所述客户机进行数据通信；

3）无缝切换：客户机移动时，所述网关实时从所述二个以上接入点中重新指定一数据转发延时最短的接入点作为该客户机的当前服务接入点。

作为本发明的方法的进一步改进：

上述方法中，所述步骤2）和步骤3）中，所述网关选择当前服务接入点后，使在所述客户机通信范围内的其他接入点进入等待状态，所述进入等待状态的接入点实时监听所述客户机的数据且不进行转发。

上述方法中，所述网络参数包括：MAC地址、IP地址、ESSID和信道。

上述方法中，所述接入点内部设有一客户机状态表，所述客户机状态表中记录有：客户机MAC地址、客户机信号强度和服务状态，所述服务状态包括：空闲、服务、竞争以及等待。

上述方法中，所述步骤2）的具体步骤为：

2.1）接入请求：当有客户机请求接入时，在客户机通信范围内的一个以上的接入点收到该客户机发出的接入请求并由空闲状态进入竞争状态，并分别将该接入请求转发给网关；

2.2）指定服务接入点：网关向数据最快到达的接入点发送一“服务确认消息”，所述数据最快到达的接入点进入服务状态成为所述客户机的当前服务接入点，由当前服务接入点向客户机回复关联应答帧并为客户机提供服务；网关向数据后到达的其余接入点发送“服务终止消息”并使所述数据后到达的其余接入点进入等待状态。

上述方法中，所述进入等待状态的接入点在进入等待状态时启动一定时器，当定时器计时超过预定时间则重新进入竞争状态为客户机转发数据；所述网关将此次数据最快到达的接入点重新指定为当前服务接入点，并使数据后到达的接入点进入等待状态。

上述方法中，处于竞争状态和处于当前服务状态的接入点在预定的一段时间内未收到客户机数据，自行进入空闲状态。

上述方法中，所述步骤3）的具体步骤为：

3.1）切换需求：当客户机移动时，所述二个以上接入点中有新的接入点由于进入客户机的通信范围而收到客户机发出的数据，所述新的接入点由空闲状态进入竞争状态并将数据转发给网关；

3.2）指定服务接入点：网关向数据最快到达的接入点发送一“服务确认消息”，使所述数据最快到达的接入点进入服务状态成为所述客户机的当前服务接入点，由所述当前服务接入点向客户机回复数据确认帧并为客户机提供服务；网关向数据后到达的接入点发送“服务终止消息”，使所述数据后到达的接入点进入等待状态。

上述方法中，所述当前服务接入点与客户机进行数据通信包括：

数据上行，客户机向在其通信范围内的一个以上的接入点发送数据，所述当前服务接入点接收数据并转发给网关，处于等待状态的接入点监听数据且不进行转发；

数据下行，网关内设置有一“客户机-接入点映射表”，网关收到需下行的数据后在所述“客户机-接入点映射表”中查找该客户机的当前服务接入点，网关将数据发送到所述当前服务接入点，由当前服务接入点将数据转发给客户机。

上述方法中，所述“客户机-接入点映射表”中记录了实时更新的客户机对应的当前服务接入点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，实现客户机始终与接入网络关联，即与一唯一网络参数的“虚拟接入点”关联，当前服务接入点的选择和切换由接入网络的网关进行，对客户机保持透明，能显著提高网络的安全性能，并能克服传统切换时的网络中断的问题，实现“无缝切换”，从而能够有效提高网络吞吐率，降低端到端时延时及丢包率。

2、本发明的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，与现有的IEEE 802.11协议完全兼容，只需设置接入点的网络参数，不需对客户机进行任何修改，便于实际部署。

附图说明

图1是现有技术的无线网状网的客户机关联示意图；

图2是本发明具体实施方式中的无线网状网的客户机关联示意图；

图3是本发明具体实施方式中客户机接入时，服务接入点分配流程示意图；

图4是本发明具体实施方式中客户机移动时，服务接入点分配流程示意图；

图5是本发明的接入点服务状态变迁示意图；

图6是本发明具体实施方式中仿真场景的接入点及客户机位置示意图；

图7是本发明的方法与IEEE 802.11基于信号强度的关联机制的吞吐率对比示意图；

图8是本发明的方法与IEEE 802.11基于信号强度的关联机制的端到端延时对比示意图；

图9是本发明的方法与IEEE 802.11基于信号强度的关联机制的丢包率对比示意图。

图例说明：

S1、接入点A收到客户机发出的接入请求；

S2、接入点B收到客户机发出的接入请求；

S3、接入点B转发接入请求数据先到达网关；

S4、网关向接入点B发送“服务确认消息”，接入点B对客户机进入服务状态；

S5、接入点B向客户机回复关联应答帧；

S6、接入点A转发接入请求数据后到达网关；

S7、网关向接入点A发送“服务终止消息”，接入点A对客户机进入等待状态；

S8、接入点B收到客户机发出的数据；

S9、接入点A收到客户机发出的数据；

S10、接入点B向客户机回复数据确认帧；

S11、接入点B将客户机的数据转发到网关；

S12、接入点C收到客户机发出的数据；

S13、接入点C转发客户机的数据先到达网关；

S14、网关向接入点C发送“服务确认消息”，接入点C对客户机进入服务状态；

S15、网关向接入点B发送“服务终止消息”，接入点B对客户机进入等待状态；

S16、接入点C收到客户机发出的数据；

S17、接入点B收到客户机发出的数据；

S18、接入点C向客户机回复数据确认帧；

S19、接入点C将客户机的数据转发到网关。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，包括以下步骤：

（1）配置网络：

a. 连接网络：如图2所示，在无线网状网中配置一供客户机接入因特网的接入网络，接入网络包括网关和二个以上接入点。本实施例中，二个以上接入点由无线网状网路由器实现，在每个无线网状网路由器至少配2个无线网卡，其中1个运行于接入点（AP）模式，用于客户机的接入；另一个运行于对等（Ad Hoc）模式，用于组建一骨干网。 

b. 配置网络参数：将运行于对等模式的网卡各自配置不同的MAC（媒介访问控制）地址和IP（因特网协议）地址，组成骨干网并根据各自IP地址进行数据路由和转发。将接入点配置相同的网络参数，即将运行于接入点模式的网卡的MAC地址、IP地址、ESSID（扩展服务集标识）以及信道配置完全相同；这样配置后，客户机在扫描信道时无论周围事实上有几个接入点，它都会认为周围只有一个接入点，因此会关联在这个“虚拟接入点”上，并将自己的网关设置为该接入点的IP地址。

（2）建立关联：

当客户机进入上述接入网络的服务范围并请求接入时，由于接入点被设置成相同的MAC地址，则在客户机通信范围内的一组接入点都能够收到该客户机发出的接入请求。为了防止多个接入点向客户机同时回复的关联应答帧发生碰撞，需要对关联应答帧的回复进行控制，使得只有一个接入点回复关联应答帧，则需要接入网络实时从二个以上接入点中实时指定一当前服务接入点为客户机提供服务，该当前服务接入点为数据转发延时最短、性能最优的接入点。如图3、图5所示，其具体步骤如下：

S1、S2：接入点A和接入点B均收到客户机发出的接入请求，并由空闲状态进入竞争状态；

S3：接入点B转发接入请求数据先到达网关；

S4：网关向接入点B发送“服务确认消息”，接入点B对客户机由竞争状态进入服务状态成为了客户机的当前服务接入点；

S5：接入点B向客户机回复关联应答帧，并开始为客户机提供服务，即直接与客户机进行数据通信。

另一方面，S6：接入点A转发接入请求数据后到达网关；

S7：网关向接入点A发送“服务终止消息”，接入点A对客户机由竞争状态进入等待状态。

上述步骤中，当前服务接入点为客户机提供服务，具体包括：

数据上行，客户机向在其通信范围内的一个以上的接入点发送数据，当前服务接入点接收数据并转发给网关，处于等待状态的接入点监听数据，但不回复数据确认帧，且不进行转发；

数据下行，网关内维持有一“客户机-接入点映射表”，表中记录了实时更新的客户机对应的当前服务接入点。网关收到需下行的数据后在“客户机-接入点映射表”中查找该客户机的当前服务接入点，并将数据发送到当前服务接入点，由当前服务接入点将数据转发给客户机。

（3）无缝切换：

当客户机在上述接入网络的服务范围内移动时，则有新的接入点由于进入客户机的通信范围而收到客户机发出的数据，为了保证服务接入点的唯一性，并始终保持服务接入点到网关之间为延时最短的路由，则网关需要重新为客户机指定当前服务接入点，如图4、图5所示，其具体步骤如下：

接入点B为客户机的服务接入点：

S8：接入点B收到客户机发出的数据；

S10：接入点B向客户机回复数据确认帧；

S11：接入点B将客户机的数据转发到网关。

在步骤S8的同时，S12：接入点C收到客户机发出的数据，由空闲状态进入竞争状态；

S13：接入点C将客户机的数据转发到网关，且比接入点B转发的数据先到达网关；

则，S14：网关向接入点C发送“服务确认消息”，接入点C对客户机由竞争状态进入服务状态，成为接入点C的当前服务接入点。接入点C开始为客户机提供服务：

S16、接入点C收到客户机发出的数据；

S18、接入点C向客户机回复数据确认帧；

S19、接入点C将客户机的数据转发到网关。

当接入点B转发的数据随后到达网关后，

S15：网关向接入点B发送“服务终止消息”，接入点B对客户机由服务状态进入等待状态。

S17：接入点B也收到客户机发出的数据，但只监听，不进行数据转发。

在上述步骤过程中，接入点内部均维护有一客户机状态表，客户机状态表中记录有：客户机MAC地址、客户机信号强度和服务状态，服务状态包括：空闲、服务、竞争以及等待。最初在感知不到客户机的存在时，接入点对于该客户机处于“空闲”状态，客户机状态表中不存在该客户机的表项；在第一次收到客户机的报文后，接入点即进入“竞争”状态，将为该客户机转发数据，但不回复确认帧；如果有多个接入点同时为客户机转发数据会造成数据冗余，因此只需要保留一个性能最好的接入点进入服务状态为客户机转发数据并正常回复数据确认帧，其余的接入点则进入等待状态，只监听该客户机的数据而不转发，也不回复数据确认帧。进入等待状态的接入点在进入等待状态的同时启动一定时器，当定时器计时超过预定时间则重新进入竞争状态为客户机转发数据，网关则将数据最快到达的接入点重新指定为服务接入点，并使数据之后到达的接入点进入等待状态。处于竞争状态和处于服务状态的接入点如果在预定的一段时间内未收到客户机数据，则自行进入空闲状态。

在上述步骤中，客户机始终关联在一“虚拟接入点”上，感知不到实际当前服务接入点切换的过程，且始终选择的是性能最好、延时最短的路由进行通信，能够实现客户机始终接入一低延时的路由并在实现客户机移动时进行无缝切换，故可显著地提高网络性能。且本发明与现有的IEEE 802.11基于信号强度的关联机制完全兼容，因此不需对客户机进行任何修改，便于实际部署。

用NS-3网络仿真工具建立了一仿真场景，以测试和验证本发明的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法的性能。如图6所示，该仿真场景是在400m×400m的区域内部署了16台无线网状网路由器和20台无线客户机，无线网状网路由器形成4×4的网格状拓扑，相邻路由器之间距离为100m。其中，图中的正方形a₀至a₁₅表示接入点（无线网状网路由器），其中a₀同时还是网关，图中的黑色圆点表示无线客户机。分别以客户机静止和以2m/s的速度随机移动的情况进行仿真，并与IEEE 802.11基于信号强度的关联机制作比较，其结果如图7、图8、图9所示，由图可知，本发明的无线网状网网络主导型关联及无缝切换方法，可以使网络吞吐率提高30%至200%，端到端延迟可以降低40%至50%，丢包率下降60%至70%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。