基于CAPWAP协议的AP负载均衡系统的设计与实现

论文总字数：25349字

摘 要

随着移动互联网的发展，人们迫切需要在随时、随地、移动过程中通过无线接入网络获得互联网服务。在3G、4G、WiMax、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）等无线接入网络技术中，WLAN凭借其低成本、易部署等特点得到越来越广泛的应用。随着WLAN部署规模的不断扩大，传统的WLAN配置、管理与维护复杂，可扩展性差等缺点日益凸显，因此集中控制型WLAN逐渐成为人们研究的热点。

集中控制型WLAN采用AC-AP架构，利用接入控制器（Access Controller, AC）统一配置和管理WLAN中的AP。为实现AC-AP间的控制与交互，IETF工作组在2009年提出了CAPWAP( Control And Provisioning of Wireless Access Point )协议草案。通过该协议，AC可集中控制局域网中所有的AP，但不能维护AP之间的负载均衡。而802.11协议标准中终端仅仅凭借信号强度来选择AP，这会导致AP之间的负载不均衡，所以如何有效地维护AP之间的负载平衡是一个亟待解决的问题。而在集中控制型WLAN中，AC可获得全局的AP负载信息，并下发控制AP的命令，为实现AP间负载均衡，提供了前提条件。

因此，本论文研究并开发基于CAPWAP协议的AP负载均衡系统。在搭建CAPWAP协议开源实现OpenCAPWAP环境的基础上，设计与开发负载信息采集、负载均衡决策、决策结果下发三个模块，通过与CAPWAP协议AC端的交互，发现负载较重的AP并控制其拒绝新终端的接入。实验验证与测试表明，该系统能有效实现AP间的负载均衡。

关键词：WLAN，集中式，CAPWAP，负载均衡，OpenCAPWAP

Design and Implement of AP Load-Balancing System for AP Based on CAPWAP Protocol

Abstract

With the rapid development of the mobile Internet, there is an urgent need for people to get the Internet service through a wireless access when they are moving anytime and anywhere. Compared with 3G, 4G, WiMax and other wireless technologies, WLAN has a wide range of applications with its superiority of economy, mobility and flexibility. With the continuous expansion of the scale of WLAN deployments, the configuration, management and maintenance of traditional WLAN are too complex, therefore centralized control architecture gradually becomes a hot research.

Centralized control architecture uses AC-AP WLAN architecture and it use Access Controller(AC) to achieve unified configuration and management of APs. To achieve the control and interaction between AC and AP, IETF extended Working Group has proposed CAPWAP (Control And Provisioning of Wireless Access Point) draft agreement in 2009. Through the protocol, AC can control all the APs, but can’t maintain the load balance between the APs. The 802.11 standard, stations just select the AP by the strength of signal, which can lead to load imbalance between APs, so how to effectively maintain load-balance between APs is a serious problem. In the centralized control in WLAN, AC can obtain APs’ load information globally and deliver control commands to AP, which provides precondition for achieving load balance between APs.

Therefore, this paper research and develop AP load-balancing system based on CAPWAP protocol. On the base of building the OpenCAPWAP environment, this paper design and develop three modules: load information collection, load balance decision and decision result execution. Through the interaction with the CAPWAP protocol on AC side, the system can find the heavily loaded APs which reject the new station’s access. Experiments results show that the system can achieve load balance among APs.

KEY WORDS: WLAN, centralized, CAPWAP, load balance, OpenCAPWAP

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 CAPWAP协议 1

1.2.2无线局域网负载均衡技术 2

1.3 研究目标和内容 3

1.4 论文组织结构 3

第二章 CAPWAP协议分析 4

2.1 CAPWAP协议概述 4

2.2 CAPWAP协议状态机 5

2.3 CAPWAP协议报文格式 7

2.4 本章小结 8

第三章 OpenCAPWAP开源代码分析 9

3.1 AC端 9

3.2 WTP端 12

3.3 本章小结 13

第四章 基于CAPWAP协议的AP负载均衡系统的设计与实现 15

4.1 系统设计 15

4.1.1 架构设计 15

4.1.2流程设计 16

4.1.3 模块设计 16

4.2 系统实现 17

4.3 本章小结 22

第五章 系统测试与结果分析 23

5.1 实验环境部署 23

5.2 OpenCAPWAP测试 24

5.3 负载均衡功能测试 25

5.3.1 负载均衡信息采集 25

5.3.2 负载均衡功能测试 25

5.4 本章小结 27

第六章 总结与展望 28

6.1 论文总结 28

6.2 工作展望 28

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1 研究背景

近年来，人们越来越离不开网络，渴望随时随地都能享受网络服务，也就是对于网络移动性的需求在不断地增加。无线网络能够满足人们这一需求，所以无线网络逐渐成为人们研究的热点，3G，4G，WiMAX，WLAN等无线技术也在飞速发展。

WLAN^[1][2][3]就是在局部范围内使用无线介质进行通信的无线网络，与有线网络相比，它有如下几点技术优势：第一，移动性。人们可以在局部范围内随时随地使用网络通信，从而摆脱了网线等物理条件的限制。第二，经济性。无线局域网可以延伸到一些物理布线困难的危险地带，降低了布线危险性，节约了人力资源和电缆费用，提高了经济效益^[4]。第三，灵活性。组建无线局域网比较简单，安装较为容易，使用极其便利，更有利于人们对于网络设备的管理。所以，越来越多的企业开始大规模搭建无线局域网，使他们的员工可以更加方便地使用互联网。

现如今，WLAN主要有两种体系结构：分布式管理和集中式管理。分布式管理体系结构采用AP加有线交换机的分布式组网模式（即“胖”AP）^[5]，各AP分布在各自的覆盖范围内，独立完成用户的无线接入、用户权限认证、用户安全策略实施，对WLAN 网络设备的管理也是分布式的，这种组网模式扩展性差，维护成本高，不利于网络设备的管理，所以只适用于家庭网络或者小型局域网。随着无线局域网覆盖范围的不断增大，传统的组网模式已经无法满足人们对于WLAN的需求，集中式管理体系结构逐渐成为人们研究的热点，一种新型的“瘦”AP也随着兴起。AP设备不需要单独配置，由AC（Access Controller）统一进行配置管理，很大程度上简化了初期安装和后期维护的资源投入。瘦“AP”具有除了统一管理之外还具有以下优势：第一，漫游问题。用户从一个AP的覆盖区域转移到另一个AP的覆盖区域时不需要断开网络；第二，保证了WLAN的安全性。可以自由选择加密算法加强WLAN的安全性，使外部人员即使能搜到该信号也不能使用该网络；第三，消除干扰，自动调节发射功率。瘦AP工作在不同的信道，从而不存在干扰问题；AC能够自动调节发射功率，尽量减少AP的信号重叠，即使两个AP工作在相同信道，由于AP的信号重叠范围减少，所以受干扰的范围也随之减少了^[5]。

随着无线局域网用户数量的不断增加，AP的部署也越来越密集。终端（station，STA）在接入无线局域网之前，必须要关联到相应的AP才能访问网络资源。STA会通过主动扫描或者被动扫描的方式来发现AP。在被动扫描过程中，STA持续监听AP发送的信标帧（Beacon Frame），从信标帧中提取有用的信息（如SSID）进行分析，从而选择最优的AP进行关联。在主动扫描过程中，STA主动发送探测请求帧，接收到探测请求帧的AP回复探测响应帧，STA在探测响应帧中提取相关信息来关联AP。但是，在IEEE802.11标准中，STA仅仅是通过AP的信号强度来选择AP关联，这样会导致网络中某些AP上关联了很多STA，而有些AP则很空闲，这就导致了AP之间的负载不平衡，浪费了网络资源，甚至会造成网络拥塞。而且，在整个网络中，低速率的STA会影响到高速率的STA，这就会导致整个网络的吞吐量下降。所以，如何有效解决AP之间的负载平衡问题是一个亟待解决的问题。

1.2 研究现状

1.2.1 CAPWAP协议

随着无线用户的增加，集中型管理WLAN网络体系结构逐渐兴起。基于集中式WLAN 体系结构，很多厂商都开发了各自AC-AP之间的交互协议，没有一个通用的标准，对于这种情况，IETF 在2005 年成立了CAPWAP 工作组，旨在制定标准化的AP 和AC间隧道协议，及CAPWAP协议^[6]。2009 年，RFC5415 和RFC5416 的发布，提出了CAPWAP 协议的功能^[7]，描述了通过无线控制器( AC) 管理多个AP 的标准协议，规范了AC 与AP 之间的控制和数据信息交流的方式和信息格式，并将CAPWAP 协议应用于IEEE802．11 技术。

CAPWAP包括两个部分：CAPWAP协议和无线Binding协议，它主要实现了以下目标：

（1）AC对AP集中进行认证，配置，管理，便于扩展和维护，降低成本，提高WLAN性能。

（2）释放WTP的硬件资源，使它只实现无线访问和控制相关的功能，提高WTP性能。

（3）提供封装和传输机制，通过Binding协议，使CAPWAP协议能够应用到多种AP上，丰富了CAPWAP协议的用途。

1.2.2无线局域网负载均衡技术

在WLAN中，终端通常选择信号较强的AP接入网络，这就会导致终端往往会集中到某些AP上，而网络中其它AP则很空闲，造成了资源浪费；另一方面，终端会随着位置的移动而随意切换，这可能会造成大量的终端涌向某些AP，当这些AP的业务饱和后，还是会有其它终端继续连入这些AP，这可能会造成这些AP的网络拥塞，导致业务中断，从而降低了网络的整体性能。 因此，负载均衡技术对于WLAN非常重要，是当前的研究热点。现有的负载技术主要包括接入式负载均衡和切换式负载均衡。

接入式负载均衡技术通过控制终端的接入来实现负载均衡。当某个AP的负载较重时，终止其余终端再关联这个AP，而让它选择其余负载较轻的AP。接入式负载均衡又分为终端主控负载均衡和网络主控负载均衡。

（1）终端主控负载均衡

终端主控负载均衡技术是由终端自发的策略。早期的终端主控负载均衡策略中，终端通过扫描WLAN来获取AP的RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示），选择RSSI最大的AP进行关联，这样还是会造成AP负载不均衡，所以现在不仅要考虑AP的RSSI，而且还要考虑AP关联的终端数量或者AP本身的流量^[4]。

终端主控负载均衡的优点是：终端始终清楚自身周围AP的网络状况，能够自主选择服务质量最好的AP上。缺点是：终端不清楚网络的全局状况，它的选择只是最有利于自身，而不是从网络全局的效益出发；另外终端还需要修改终端选择AP的程序。

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