NAWDS桥接实现移动设备快速漫游的方案

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　　摘要：在移动网络场景中，传统的WDS桥接技术在漫游过程中容易出现丢包。而本文利用NAWDS机制，通过双射频radio装置，设计出一套NAWDS桥接快速漫游技术，实现桥接漫游切换零丢包。
　　关键词：WDS;NAWDS;移动设备;漫游切换
　　中图分类号：TP391.43 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）21-0064-03
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1 移动场景WDS桥接的背景与问题
　　WDS（Wireless Distribution System，无线分布式系统）是把多个AP（Access Point，无线接入访问点）通过无线桥接或中继的方式相连，从而达到连接分布网络和扩展无线信号的作用。
　　WDS通常有两种工作模式：Root-Bridge、NonRoot-Bridge：
　　●Root-Bridge的有线接口可以连接有线网络;无线接口作为无线网桥，可以连接NonRoot-Bridge。
　　●NonRoot-Bridge的有线接口可以连接有线网络;无线接口作为无线网桥，可以连接Root Bridge。
　　WDS桥接建立的过程是：对于WDS来说，Root-Bridge端会指定一个BSS（Basic Service Set.基本服务集）用于NonRoot-Bridge接入建立桥接使用。该BSS就不允许进行普通STA用户接入。当这个BSS存在时候，就相当于Root-Bridge可以接受NonRoot-Bridge的接人请求了。
　　对于NonRoot-Bridge端，会根据用户的配置的BSSID或者SSID（Service Set Identifier，服务集标识符，即无线局域网的名称）寻找可以接人的Root-Bridge，寻找过程会有一个判断机制，指定的BSSID或者SSID是否是一个可以接人的Root-Bridge。判断通过后，就会进行接入处理。处理成功后，WDS桥接就建立了。
　　利用WDS桥接技术，在一个移动的网络，可以实现和静态部署的网络互联。在一个移动的网络中，车载AP作为Non-Root Bridge，与地面上的AP（ Root-Bridgel - Root-Bridge N）建立WDS桥接，从而实现网络互联。
　　在小车移动的场景中利用WDS进行漫游桥接切换[1]，目前主要有以下问题：
　　桥接漫游切换存在丢包。比如上图中小车AP从Root-Bridge2漫游切换到Root-BridgeN。根据WDS的桥接漫游切换的原理，小车AP会定期扫描可以连接的Root-Bridge信息。当小车AP当前已连接的Root-Bridge的无线接收信息强度rssi值低于一定的阀值时，则进行漫游切换。这里产生切换丢包的主要原因是：
　　1） Root-Bridge与NonRoot-Bridge的工作信道可能不同。这样漫游切换时，NonRoot-Bridge需要进行工作信道切换，切换成与Root-Bridge相同的信道。切换信道开销比较大。
　　2） NonRoot-Bridge要定期扫描可以连接的Root-Bridge信息。扫描通常分为主动扫描和被动扫描，扫描的信道可分为全信道扫描和指定信道扫描。小车AP扫描使用的射频卡radio为当前已处于桥接状态的radio。这样，漫游切换过程，射频卡radio用于扫描的处理开销比较大，并且会对当前已链接的链路产生影响。
　　3） WDS桥接过程是将NonRoot-Bridge工作在STA模式，即NonRoot-Bridge作为STA的方式接入到Root-Bridge。我们知道，STA接人到无线网络的过程需要经过认证和关联两个阶段，如果是加密的网络，还需要进行秘钥协商的过程。
　　2 现有的技术方案分析
　　针对上述的问题，通常的解决方案为：
　　双链路桥接方案：通过双射频AP，分别建立WDS桥接。连接2个分离的网络，增加无线桥接传输的可靠性。在AP1和AP2建立双链路后，可实现了两个网络的互联。
　　双链路桥接[2]的工作原理为：AP1的radiol与AP2的radi0 1建立桥接，API的radi0 2与AP2的radi0 2也建立桥接。检测链路都建立完毕后，可进行双鏈路通信。
　　双链路通信过程中，发送端AP1分别从两个射频radio接口发送内容相同的报文;接收端AP2进行冗余报文处理，接收较早到达的报文，如果另一条链路报文也能顺利到达，则丢弃后到达的报文。
　　双链路桥接方案相比传统的桥接方案，优势如下：
　　高可靠：单链路信道被干扰，可能引发数据重传，甚至丢包。对比单链路，双链路桥接，抗干扰能力更强，可靠性更高，具有更低的丢包，时延和抖动。
　　双链路桥接方案本身也存在如下缺陷：
　　1） Root-Bridge和NonRoot-Bridge需要同时使用两个射频radio进行桥接链路建立。在桥接链路建立时该射频radio无法同时作为接人终端用户的射频radio。
　　2）双链路其中一条链路作为冗余链路，发送端需要往两条链路发送相同的报文，接收端需要作冗余报文检测并丢弃处理。这个会造成链路带宽的浪费。如果处理不当可能会造成广播风暴的产生。
　　3 NAWDS桥接快速漫游方案
　　NAWDS[3]是无关联的无线分布式系统（ Not Associate Wire-less Distribution System）.NAWDS相比与WDS，不需要Non-Root-Bridge进行认证、关联的动作。NAWDS通过预先配置好的工作模式（Repeater中继or Bridge桥接），并设置好桥接链路两端接口的能力值（射频模式（lln/lla/llac）、频宽（HT20/HT40/VHT80等）），通过无线数据报文的通信就能够直接建立桥接表项，完成桥接链路的建立。 　　NAWDS桥接快速漫游方案提供了一种在移动网络中，利用NAWDS机制实现桥接漫游切换零丢包的方法。该方案通过NonRoot-Bridge的双射频radio实现漫游切换过程的零丢包。双射频radio分为主射频radio和备份射频radio。其中主射频radio用于数据传输，备份射频radio用于扫描和漫游切换。具体方案的实施步骤如下：
　　1）在移动网络中，移动小车上安装有移动AP，具备双射频装置。静态部署的网络中（如图APl，AP2，AP3），可以为单射频AP，也可以为双射频AP。
　　2）移动小车的双射频radio，射频radio1作为主射频，用于数据传输;射频radi0 2作为备份射频，用于扫描和切换。
　　3）移动小车上的AP（NonRoot-Bridge），在初始状态，备份射频启动主动扫描。扫描可以基于全信道进行扫描。为了保证扫描到最优的Root-Bridge AP，备份射频可以根据扫描结果，将符合条件的，rss]信号强度最优的Root-Bridge信息本地缓存起来并排序。缓存的信息包括：Root-Bridge的BSSID、RSSI值，信道等参数。
　　4）备份射频扫描并选举最优的Root-Bridge后，与当前连接的Root-Bridge进行对比，如果两者的RSSI差值超过某个单位（比如lOdBm），并且当前连接的Root-Bridge的RSSI值低于阀值（比如-90dBm），则决策进入切换状态。
　　5）进入切换状态后：
　　备份射频的radio停止扫描，切换到目标信道（和目标要连接的Root-Bridge的信道一致）。
　　●切换信道成功后，该radio开始创建NAWDS的repeater模式，并且向Root-Bridge发送特殊标记的广播报文。该广播报文为桥接链路建立确认请求报文。该报文的目的是为了NonRoot-Bridge与Root-Bridge之间确认是否桥接链路建立成功了。
　　●Root-Bridge收到桥接链路建立确认请求报文后，立即回复桥接链路建立确认应答报文。
　　●NonRoot-Bridge收到应答报文后，表示桥接链路已建立成功。此时丢弃该广播报文，同时立即发送本地有线接口的所有源MAC地址的ARP广播报文。发送ARP广播报文的目的是桥接链路变化的时候（桥接链路首次建立或者桥接链路切换），让NonRoot-Bridge下联有线接口的终端用户的MAC地址在RootBridge上联的有线网络中快速更新MAC地址表项，用于快速打通终端MAC地址的上行路径。
　　●当桥接链路建立完成后，NonRoot-Bridge上的主/备射频进行切换：备份射频变成主射频，用于当前桥接链路的建立和维持;主射频变成备份射频，用于持续扫描并选择最优的Root-Bridge设备。
　　6） -旦与Root-Bridge建立桥接后，就进入正常工作状态。此时新的主射频需要定期地发送桥接链路保活报文，用于链路的保活处理。
　　7） NonRoot-Bridge收到保活应答报文后，表示桥接链路的通路是正常的。如果在保活周期内连续接收不到保活应答报文，则表明桥接链路的数据通路异常，此时需要删除NAWDS的桥接表项。在移动网络中，多台移动小车在频繁来回移动的过程中，就需要及时更新维护桥接表项。
　　8）在正常工作状态下，当备份射频扫描并选择最优的Root-Bridge时，会继续与当前已连接的Root-Bridge的RSSI值进行比较，并决策是否进入漫游切换状态。如果決策进入切换状态，则重复进入步骤5-7。
　　4 实验测试
　　在本方案中，因为扫描、工作信道的切换、桥接链路的建立，这些动作都是由移动小车上的备份射频来完成的，而在备份射频处理这些动作的期间，主射频仍然处于工作状态。当备份射频与新的AP建立桥接关系，进入正常工作状态后，主，备射频的角色就会进行切换。从而保证了移动小车在移动过程，进行漫游切换时，能够做到零丢包。
　　1）固定根桥ROOTI，ROOT2-ROOTN。
　　2）配置所有根桥发出相同的SSID，非根桥配置NAWDS桥接。
　　3）在非根桥配置默认或者设定的（根据实际场景调整RS-SI）漫游阈值。
　　4）记录漫游切换过程中丢包率与打流性能。
　　测试数据对比如下：
　　5 结论与展望
　　NAWDS快速漫游方案带来的益处有：
　　1）抗干扰性强：本方案部署时，AP之间信道规划可以是同信道，也可以是不同信道。NonRoot-Bridge的工作信道可以正常调整而不影响当前桥接链路的正常通信。
　　2）高性能：AP之间处于不同信道，性能更高。
　　3）漫游切换性能：不管是同一台交换机下的AP间的漫游，还是跨交换机间的AP间的漫游，漫游切换都能做到零漫游。
　　4）相比与双链路桥接：本方案中只建立单条桥接链路，NonRoot-Bridge上的双射频卡，主射频卡用于桥接链路建立，备份射频卡用于扫描和选择最优Root-Bridge。对于Root-Bridge设备来说，可以是单射频卡设备，也可以是双射频卡设备。同时，没有双链路桥接的多份相同报文处理的问题，节约了链路带宽，减少了广播风暴的风险。
　　另外，该技术除了应用在移动网络的场景，也可以应用在静态部署的网络的场景。利用NonRoot-Bridge的双射频装置，在Root-Bridge发生变化的时候（比如静态部署的网络中增加或删除一台Root-Bridge），能够自动适应并选择一台接收信号强度RSSI值最优的一台Root-Bridge进行桥接，增加了方案的扩展性。
　　参考文献：
　　[1]宋豫军.无线网络WDS桥接技术及其应用[J].软件导刊，2014 （10）：126-127.
　　[2]张强.无线桥接技术中Bridge与WDS差异浅析[J].中国新通信，2015，17（2）：61.
　　[3]朱雯.无线桥接技术应用研究[J].中国新通信，2013，15（1）：55.
　　【通联编辑：闻翔军】
　　作者简介：郑宁（1983-），男，福建福州人，本科，工程师，研究方向为信息通信与技术。
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