摘要：在移動網(wǎng)絡(luò)場景中，傳統(tǒng)的WDS橋接技術(shù)在漫游過程中容易出現(xiàn)丟包。而本文利用NAWDS機(jī)制，通過雙射頻radio裝置，設(shè)計出一套NAWDS橋接快速漫游技術(shù)，實現(xiàn)橋接漫游切換零丟包。

關(guān)鍵詞：WDS;NAWDS;移動設(shè)備;漫游切換

中圖分類號：TP391.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0064-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 移動場景WDS橋接的背景與問題

WDS（Wireless Distribution System，無線分布式系統(tǒng)）是把多個AP（Access Point，無線接入訪問點）通過無線橋接或中繼的方式相連，從而達(dá)到連接分布網(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)展無線信號的作用。

WDS通常有兩種工作模式：Root-Bridge、NonRoot-Bridge：

●Root-Bridge的有線接口可以連接有線網(wǎng)絡(luò);無線接口作為無線網(wǎng)橋，可以連接NonRoot-Bridge。

●NonRoot-Bridge的有線接口可以連接有線網(wǎng)絡(luò);無線接口作為無線網(wǎng)橋，可以連接Root Bridge。

WDS橋接建立的過程是：對于WDS來說，Root-Bridge端會指定一個BSS（Basic Service Set.基本服務(wù)集）用于NonRoot-Bridge接入建立橋接使用。該BSS就不允許進(jìn)行普通STA用戶接入。當(dāng)這個BSS存在時候，就相當(dāng)于Root-Bridge可以接受NonRoot-Bridge的接人請求了。

對于NonRoot-Bridge端，會根據(jù)用戶的配置的BSSID或者SSID（Service Set Identifier，服務(wù)集標(biāo)識符，即無線局域網(wǎng)的名稱）尋找可以接人的Root-Bridge，尋找過程會有一個判斷機(jī)制，指定的BSSID或者SSID是否是一個可以接人的Root-Bridge。判斷通過后，就會進(jìn)行接入處理。處理成功后，WDS橋接就建立了。

利用WDS橋接技術(shù)，在一個移動的網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)和靜態(tài)部署的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在一個移動的網(wǎng)絡(luò)中，車載AP作為Non-Root Bridge，與地面上的AP（ Root-Bridgel - Root-Bridge N）建立WDS橋接，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

在小車移動的場景中利用WDS進(jìn)行漫游橋接切換[1]，目前主要有以下問題：

橋接漫游切換存在丟包。比如上圖中小車AP從Root-Bridge2漫游切換到Root-BridgeN。根據(jù)WDS的橋接漫游切換的原理，小車AP會定期掃描可以連接的Root-Bridge信息。當(dāng)小車AP當(dāng)前已連接的Root-Bridge的無線接收信息強(qiáng)度rssi值低于一定的閥值時，則進(jìn)行漫游切換。這里產(chǎn)生切換丟包的主要原因是：

1） Root-Bridge與NonRoot-Bridge的工作信道可能不同。這樣漫游切換時，NonRoot-Bridge需要進(jìn)行工作信道切換，切換成與Root-Bridge相同的信道。切換信道開銷比較大。

2） NonRoot-Bridge要定期掃描可以連接的Root-Bridge信息。掃描通常分為主動掃描和被動掃描，掃描的信道可分為全信道掃描和指定信道掃描。小車AP掃描使用的射頻卡radio為當(dāng)前已處于橋接狀態(tài)的radio。這樣，漫游切換過程，射頻卡radio用于掃描的處理開銷比較大，并且會對當(dāng)前已鏈接的鏈路產(chǎn)生影響。

3） WDS橋接過程是將NonRoot-Bridge工作在STA模式，即NonRoot-Bridge作為STA的方式接入到Root-Bridge。我們知道，STA接人到無線網(wǎng)絡(luò)的過程需要經(jīng)過認(rèn)證和關(guān)聯(lián)兩個階段，如果是加密的網(wǎng)絡(luò)，還需要進(jìn)行秘鑰協(xié)商的過程。

2 現(xiàn)有的技術(shù)方案分析

針對上述的問題，通常的解決方案為：

雙鏈路橋接方案：通過雙射頻AP，分別建立WDS橋接。連接2個分離的網(wǎng)絡(luò)，增加無線橋接傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ贏P1和AP2建立雙鏈路后，可實現(xiàn)了兩個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

雙鏈路橋接[2]的工作原理為：AP1的radiol與AP2的radi0 1建立橋接，API的radi0 2與AP2的radi0 2也建立橋接。檢測鏈路都建立完畢后，可進(jìn)行雙鏈路通信。

雙鏈路通信過程中，發(fā)送端AP1分別從兩個射頻radio接口發(fā)送內(nèi)容相同的報文;接收端AP2進(jìn)行冗余報文處理，接收較早到達(dá)的報文，如果另一條鏈路報文也能順利到達(dá)，則丟棄后到達(dá)的報文。

雙鏈路橋接方案相比傳統(tǒng)的橋接方案，優(yōu)勢如下：

高可靠：單鏈路信道被干擾，可能引發(fā)數(shù)據(jù)重傳，甚至丟包。對比單鏈路，雙鏈路橋接，抗干擾能力更強(qiáng)，可靠性更高，具有更低的丟包，時延和抖動。

雙鏈路橋接方案本身也存在如下缺陷：

1） Root-Bridge和NonRoot-Bridge需要同時使用兩個射頻radio進(jìn)行橋接鏈路建立。在橋接鏈路建立時該射頻radio無法同時作為接人終端用戶的射頻radio。

2）雙鏈路其中一條鏈路作為冗余鏈路，發(fā)送端需要往兩條鏈路發(fā)送相同的報文，接收端需要作冗余報文檢測并丟棄處理。這個會造成鏈路帶寬的浪費(fèi)。如果處理不當(dāng)可能會造成廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3 NAWDS橋接快速漫游方案

NAWDS[3]是無關(guān)聯(lián)的無線分布式系統(tǒng)（ Not Associate Wire-less Distribution System）.NAWDS相比與WDS，不需要Non-Root-Bridge進(jìn)行認(rèn)證、關(guān)聯(lián)的動作。NAWDS通過預(yù)先配置好的工作模式（Repeater中繼or Bridge橋接），并設(shè)置好橋接鏈路兩端接口的能力值（射頻模式（lln/lla/llac）、頻寬（HT20/HT40/VHT80等）），通過無線數(shù)據(jù)報文的通信就能夠直接建立橋接表項，完成橋接鏈路的建立。

NAWDS橋接快速漫游方案提供了一種在移動網(wǎng)絡(luò)中，利用NAWDS機(jī)制實現(xiàn)橋接漫游切換零丟包的方法。該方案通過NonRoot-Bridge的雙射頻radio實現(xiàn)漫游切換過程的零丟包。雙射頻radio分為主射頻radio和備份射頻radio。其中主射頻radio用于數(shù)據(jù)傳輸，備份射頻radio用于掃描和漫游切換。具體方案的實施步驟如下：

1）在移動網(wǎng)絡(luò)中，移動小車上安裝有移動AP，具備雙射頻裝置。靜態(tài)部署的網(wǎng)絡(luò)中（如圖APl，AP2，AP3），可以為單射頻AP，也可以為雙射頻AP。

2）移動小車的雙射頻radio，射頻radio1作為主射頻，用于數(shù)據(jù)傳輸;射頻radi0 2作為備份射頻，用于掃描和切換。

3）移動小車上的AP（NonRoot-Bridge），在初始狀態(tài)，備份射頻啟動主動掃描。掃描可以基于全信道進(jìn)行掃描。為了保證掃描到最優(yōu)的Root-Bridge AP，備份射頻可以根據(jù)掃描結(jié)果，將符合條件的，rss]信號強(qiáng)度最優(yōu)的Root-Bridge信息本地緩存起來并排序。緩存的信息包括：Root-Bridge的BSSID、RSSI值，信道等參數(shù)。

4）備份射頻掃描并選舉最優(yōu)的Root-Bridge后，與當(dāng)前連接的Root-Bridge進(jìn)行對比，如果兩者的RSSI差值超過某個單位（比如lOdBm），并且當(dāng)前連接的Root-Bridge的RSSI值低于閥值（比如-90dBm），則決策進(jìn)入切換狀態(tài)。

5）進(jìn)入切換狀態(tài)后：

備份射頻的radio停止掃描，切換到目標(biāo)信道（和目標(biāo)要連接的Root-Bridge的信道一致）。

●切換信道成功后，該radio開始創(chuàng)建NAWDS的repeater模式，并且向Root-Bridge發(fā)送特殊標(biāo)記的廣播報文。該廣播報文為橋接鏈路建立確認(rèn)請求報文。該報文的目的是為了NonRoot-Bridge與Root-Bridge之間確認(rèn)是否橋接鏈路建立成功了。

●Root-Bridge收到橋接鏈路建立確認(rèn)請求報文后，立即回復(fù)橋接鏈路建立確認(rèn)應(yīng)答報文。

●NonRoot-Bridge收到應(yīng)答報文后，表示橋接鏈路已建立成功。此時丟棄該廣播報文，同時立即發(fā)送本地有線接口的所有源MAC地址的ARP廣播報文。發(fā)送ARP廣播報文的目的是橋接鏈路變化的時候（橋接鏈路首次建立或者橋接鏈路切換），讓NonRoot-Bridge下聯(lián)有線接口的終端用戶的MAC地址在RootBridge上聯(lián)的有線網(wǎng)絡(luò)中快速更新MAC地址表項，用于快速打通終端MAC地址的上行路徑。

●當(dāng)橋接鏈路建立完成后，NonRoot-Bridge上的主/備射頻進(jìn)行切換：備份射頻變成主射頻，用于當(dāng)前橋接鏈路的建立和維持;主射頻變成備份射頻，用于持續(xù)掃描并選擇最優(yōu)的Root-Bridge設(shè)備。

6） -旦與Root-Bridge建立橋接后，就進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時新的主射頻需要定期地發(fā)送橋接鏈路保活報文，用于鏈路的?；钐幚?。

7） NonRoot-Bridge收到?；顟?yīng)答報文后，表示橋接鏈路的通路是正常的。如果在?；钪芷趦?nèi)連續(xù)接收不到?；顟?yīng)答報文，則表明橋接鏈路的數(shù)據(jù)通路異常，此時需要刪除NAWDS的橋接表項。在移動網(wǎng)絡(luò)中，多臺移動小車在頻繁來回移動的過程中，就需要及時更新維護(hù)橋接表項。

8）在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)備份射頻掃描并選擇最優(yōu)的Root-Bridge時，會繼續(xù)與當(dāng)前已連接的Root-Bridge的RSSI值進(jìn)行比較，并決策是否進(jìn)入漫游切換狀態(tài)。如果決策進(jìn)入切換狀態(tài)，則重復(fù)進(jìn)入步驟5-7。

4 實驗測試

在本方案中，因為掃描、工作信道的切換、橋接鏈路的建立，這些動作都是由移動小車上的備份射頻來完成的，而在備份射頻處理這些動作的期間，主射頻仍然處于工作狀態(tài)。當(dāng)備份射頻與新的AP建立橋接關(guān)系，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，主，備射頻的角色就會進(jìn)行切換。從而保證了移動小車在移動過程，進(jìn)行漫游切換時，能夠做到零丟包。

1）固定根橋ROOTI，ROOT2-ROOTN。

2）配置所有根橋發(fā)出相同的SSID，非根橋配置NAWDS橋接。

3）在非根橋配置默認(rèn)或者設(shè)定的（根據(jù)實際場景調(diào)整RS-SI）漫游閾值。

4）記錄漫游切換過程中丟包率與打流性能。

測試數(shù)據(jù)對比如下：

5 結(jié)論與展望

NAWDS快速漫游方案帶來的益處有：

1）抗干擾性強(qiáng)：本方案部署時，AP之間信道規(guī)劃可以是同信道，也可以是不同信道。NonRoot-Bridge的工作信道可以正常調(diào)整而不影響當(dāng)前橋接鏈路的正常通信。

2）高性能：AP之間處于不同信道，性能更高。

3）漫游切換性能：不管是同一臺交換機(jī)下的AP間的漫游，還是跨交換機(jī)間的AP間的漫游，漫游切換都能做到零漫游。

4）相比與雙鏈路橋接：本方案中只建立單條橋接鏈路，NonRoot-Bridge上的雙射頻卡，主射頻卡用于橋接鏈路建立，備份射頻卡用于掃描和選擇最優(yōu)Root-Bridge。對于Root-Bridge設(shè)備來說，可以是單射頻卡設(shè)備，也可以是雙射頻卡設(shè)備。同時，沒有雙鏈路橋接的多份相同報文處理的問題，節(jié)約了鏈路帶寬，減少了廣播風(fēng)暴的風(fēng)險。

另外，該技術(shù)除了應(yīng)用在移動網(wǎng)絡(luò)的場景，也可以應(yīng)用在靜態(tài)部署的網(wǎng)絡(luò)的場景。利用NonRoot-Bridge的雙射頻裝置，在Root-Bridge發(fā)生變化的時候（比如靜態(tài)部署的網(wǎng)絡(luò)中增加或刪除一臺Root-Bridge），能夠自動適應(yīng)并選擇一臺接收信號強(qiáng)度RSSI值最優(yōu)的一臺Root-Bridge進(jìn)行橋接，增加了方案的擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋豫軍.無線網(wǎng)絡(luò)WDS橋接技術(shù)及其應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2014 （10）：126-127.

[2]張強(qiáng).無線橋接技術(shù)中Bridge與WDS差異淺析[J].中國新通信，2015，17（2）：61.

[3]朱雯.無線橋接技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國新通信，2013，15（1）：55.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

作者簡介：鄭寧（1983-），男，福建福州人，本科，工程師，研究方向為信息通信與技術(shù)。