我們定義NRBmax為NRB 的最大值，無線工作站在選擇較好的無線基地 台後，計算目前已連接基地台NRB 值與已選擇第 i 個NRB 的差值除以i
NRBmax得NRB 的增加率。1 減 NRB 的增加率乘 10 讓延遲次數範圍在 0~10 之間。
此延遲次數有一個特性：延遲次數與NRB 的增加率成反比，即增加率
越高時，延遲次數越小。無線工作站在選擇無線基地台時，若NRB 的增加 率越高的無線基地台，延遲次數越小。
無線工作站的狀態轉換圖如圖3.2.2 所示。工作站啟動時會先進行 Active Scanning 或 Passive Scanning 來尋找無線基地台，並對 RSSI 最高的無線基地 台聯結。聯結後向 ALBP 伺服器查詢無線基地台的狀態，計算後對 NRB 最 高的無線基地台進行重聯結。若為動態無線基地台的選擇，定期監測連線品 質與計算NRB ，決定是否再次選擇較好的無線基地台。 i
Active Scanning Passive Scanning
Get AP list
Connect ALBP Server Query AP Status
Calc NRBi
Link Quality Local Utilization Connect ALBP Server
Calc NRBi Max RSSI
Association
Better AP found
Link Quality Poor
Better AP found
Startup
AP Choosing Monitoring
圖3.2.2：無線工作站狀態轉換圖。
第四章 實驗結果
我們實作了應用層負載平衡協定 (ALBP)，並測量其效能。以下分實作環境 介紹與實作結果兩個部份說明。
4.1 實作環境介紹
我們實作應用層負載平衡協定 (ALBP) 實作的網路架構如圖 4.1.1 所
示。我們使用Cisco Access Point，為 IEEE 802.11a (54 Mbps)標準，並支援 SNMP Agent 讓我們的 ALBP 伺服器可以取得介面資訊，兩個 Access Point 中間有一道辨公室的隔間牆。
圖4.1.1：應用層負載平衡協定 (ALBP) 實作環境架構圖。
ALBP 伺服器使用個人電腦安裝 Linux 作業系統、安裝 Perl Language 環境。使用Perl 透過 SNMP Protocol 取得 Cisco AP 介面資訊，並建立 UDP 服 務，讓ALBP Client 可以透過此服務進行查詢 (AP_STATUS_REQUEST) 無 線基地台的使用情形與更新 (Update) 目前所連接的無線基地台。
ALBP Client 使用 Notebook 安裝 Linux 作業系統，安裝 Perl Language 環境。使用D-Link DWL-AG660 支援 IEEE 802.11a/b/g 標準無線 PCMCIA 介面卡，在Linux OS 需搭配 MADWifi [14] 的驅動程式。使用 Perl 與
4.2 實作結果與分析
我們實作ALBP 前，先使用單一無線基地台 (IEEE 802.11a 54 Mbps) 分 析Utilization 與 Wireless Station 數量的關係。我們在 Wireless Station 使用 Iperf [15] 軟體來測試網路的效能。Wireless Station 為 Iperf 的客戶端 (Client)，伺服器執行 Iperf 伺服端 (Server)。每台 Wireless Station 固定傳送 2Mbps、4Mbps、6Mbps、8Mbps 的 UDP 封包至伺服端，統計無線基地台 的Utilization 量，每 10 秒取值一次，並取 6 次平均值計算。
1 2 3 4 5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Number of Wireless Stations
Utilization (IfSpeed 54Mbps)
2Mbps 4Mbps 6Mbps 8Mbps
圖4.2.1：無線基地台的使用率與無線工作站數量關係圖。
如圖4.2.1 所示，每台無線工作站持續傳送 2Mbps 資料量、工作站數量
增加到5 台，無線基地台的使用率呈同比例直線上升。無線工作站持續傳送 4Mbps 資料量、工作站數量增加到 3 台前無線基地台的使用率接近直線上 升，但工作站數量增加到第4 台後，無線基地台的使用率開始下降。無線工 作站持續傳送 6Mbps 資料量時工作站數量增加到第 4 台後，無線基地台的 使用率也開始下降。無線工作站持續傳送 8Mbps 資料量、數量增加到第 3 台後，無線基地台的使用率快速下降。因無線網路使用CSMA/CA 協定來傳 送資料，且工作站傳送的UDP 封包是不具有流量控制(Flow control)功能。
我們發現無線工作站在大量的封包無法傳出時，無線網卡的驅動程式會出現 緩衝區滿載。網路壅塞時，無線基地台的使用率會大幅下降。
我們分析錯誤率 (Error Rate) 時，5 台無線工作站持續傳送 8Mbps 資料 量、無線基地台的使用率已大幅下降，錯誤率都還是接近0。Cisco 指出 [4]
在硬體介面故障或軟體錯誤的情況較容易產生錯誤率。所以無線基地台正常 工作的情況下錯誤率很低。但當無線基地台的介面有問題時，我們的方法讓 無線工作站能考量錯誤率，避免聯結到錯誤率高的無線基地台。
我們也分析每秒封包傳送量 (Throughput) 與無線工作站的關係。未使 用我們的方法 (ALBP) 前。我們使用兩台 Cisco IEEE 802.11a 無線基地台，
10Mbps 和 12Mbps 至 Iperf Server 端，依序增加無線工作站數量並統計整體 無線網路的Throughput。我們透過 SNMP MIB-II 物件資料取得無線基地台 的資訊來計算Throughput。計算方式為
100 ) (∆
) ∆
(∆
8
/ sysUptime
s ifOutOctet ifInOctets
Throughput = × + [4]，單位為 bps。
1 2 3 4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Number of Wireless Stations
Throughput (Mbps)
2Mbps 4Mbps 6Mbps 8Mbps 10Mbps 12Mbps
圖4.2.2：未使用 ALBP 協定之整體無線網路的 Throughput 與無線工作 站數量關係圖。
所有的無線工作站使用最高RSSI 進行聯結到無線基地台，這樣所有無 線工作站只會選擇到最靠近的無線基地台進行聯結。Throughput 結果如圖 4.2.2 所示。無線工作站使用 2Mbps 時，工作站增加到 4 台整體無線網路的
Throughput 都可以維持直線上升。無線工作站使用 4Mbps、6Mbps 與 8Mbps，工作站增加到第 3 台時，整體無線網路的 Throughput 最高到達 24Mbps，但工作站增加到第 3 台後，整體無線網路的 Throughput 卻大幅下
降。工作站使用 10~12Mbps 並增加到第 4 台時，Throughput 更低到只有 4~6Mbps。我們發現，只要少數幾個工作站就足以使無線網路產生擁塞現象。
我們的測試中，整體無線網路的 Throughput 大幅下降時，整個無線網 路已經是擁塞狀態，所有無線工作站都會發生緩衝區滿載訊息，讓統計 Throughput 變得很困難。
我們測試ALBP 協定的效能。使用兩台 Cisco IEEE 802.11a 無線基地 台。四台無線工作站使用Iperf Client 端傳送 2Mbps、4Mbps、6Mbps、8Mbps、
10Mbps 和 12Mbps 至 Iperf Server 端，依序增加無線工作站數量統計整體無 線網路的Throughput。在無線工作站啟動後待 ALBP Client 動態選好無線基 地台後，才進行測量整體無線網路的Throughput。
1 2 3 4 0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
Number Of Wireless Stations
Throughput (Mbps)
2Mbps 4Mbps 6Mbps 8Mbps 10Mbps 12Mbps
圖4.2.3：使用 ALBP 協定之整體無線網路的 Throughput 與無線工作站數量 關係圖。
如圖4.2.3 所示 ALBP 協定使得兩台無線基地台同時都有負載。無線工 作站使用2~10Mbps 並增加到 4 台時，整體無線網路 (兩台無線基地台合計) 的Throughput 最高到達 40Mbps。在無線工作站使用 12Mbps 並增加到第 3 台時，整個網路的Throughput 才開始降低。
我們將以上使用 ALBP 協定與未使用 ALBP 協定兩個結果，比較效能 改善率 (Improvement Ratio)，定義為
Throughput ALBP
Throughput ALBP
Throughput Ratio% ALBP
t Improvemen
的 未使用
的 未使用
的
已使用 −
=
如圖4.2.4 所示，我們分三個階段分析效能改善率：
1. 未使用 ALBP 協定的網路架構未達網路壅塞階段：無線工作站傳送 2Mbps 時 ， 兩 種 網 路 架 構 並 皆 未 造 成 無 線 網 路 的 壅 塞 情 形 與
Throughput 相同，效能並未能改善。
2. 未使用 ALBP 協定的網路架構己網路壅塞，使用 ALBP 協定的網路 架構未達網路壅塞階段：未使用ALBP 協定已經有壅塞情形產生，
導致Throughput 大幅下降，例如工作站固定傳送 10Mbps 並增加到 4 台時，整體網路的 Throughput 只有約 4Mbps。但使用 ALBP 協定 已將負載分擔至兩個無線基地台，工作站固定傳送 10Mbps 並增加 到 4 台時未有壅塞情形，整體網路的 Throughput 達到 40Mbps，這 時改善效能最佳。
3. 未使用 ALBP 協定的網路架構與使用 ALBP 協定的網路架構皆己網
路壅塞階段：無線工作站固定傳送 12Mbps 並增加到 3 台時，使用 ALBP 協定的無線網路架構也開始有壅塞情形產生，這時效能改善 率 降 低 。 這 時 可 以 再 增 加 無 線 基 地 台 ， 分 擔 負 載 提 昇 整 體 Throughput。
1 2 3 4 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Number of Wireless Stations
Improvement Ratio (%)
2Mbps 4Mbps 6Mbps 8Mbps 10Mbps 12Mbps
圖4.2.4：使用 ALBP 協定與未使用 ALBP 協定的效能改善率。
我們測試乒乓效應的實驗，將4 台無線工作站同時啟動 ALBP 協定動態 選擇基地台，每台無線工作站使用 Iperf Client 固定傳送 2Mbps (UDP) 到 Iperf Server 端。如圖 4.2.5 所示無線工作站啟動時，同時連接到 Access Point 1。經 ALBP 協定動態選擇後所有的無線工作站同時選擇 Access Point 2，結
果造成所有的 Throughput 在 Access Point 2，而 Access Point 1 變成沒有 Throughput 的情形。所有的無線工作站在下一個週期選擇基地台時，又同時 選擇到Access Point 1，讓 Access Point 2 變成無 Throughput。這樣的情況反 覆發生，此為乒乓效應的情形。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Time (minute)
Throughput (Mbps)
Access Point 1 Access Point 2
圖4.2.5：ALBP 協定動態選擇基地台，乒乓效應的實驗。
我們在ALBP 協定裡啟動延遲次數的機制，將 4 台無線工作站同時啟動 ALBP 協定來動態選擇基地台，每台無線工作站使用 Iperf Client 固定傳送 2Mbps (UDP) 到 Iperf Server 端。如圖 4.2.6 所示無線工作站啟動時同時連 接到Access Point 1，經 ALBP 協定動態選擇後延遲次數較少的無線工作站 先選擇Access Point 2，延遲次數較多的無線工作站次數未達前暫不切換基 地台，在週期性選擇一段時間後基地台的Throughput 己達成平衡狀態。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Time(minute)
Throughput(Mbps)
Access Point 1 Access Point 2
圖4.2.6：ALBP 協定使用延遲次數來防止乒乓效應的發生。
第五章 結 論
我們提出了應用層負載平衡協定 (ALBP)，只要無線基地台有 SNMP Agent 的支援，就可以使用ALBP 來有效的改善無線區域網路中的無線基地台的負載不 平衡的情況，提升整體網路的最大Throughput。
我們的方法沒有修改Probe Request、Probe Response 和 Beacon Frame 的格 式，所以也無需修改無線基地台與無線工作站的軟硬體。如此舊有的無線基地台 無需汰換，也可以增加更新更快的無線基地台，讓新舊的無線基地台同時存在並 能負載可以平衡。
未來無線工作站會越來越多的情況下，相同空間的無線工作站也會越來越密 集，無線基地台的數量也需要更多以服務更多的無線工作站。這樣越是需要 ALBP 協定來讓無線基地台間的負載可以平衡，提供人們在使用無線區域網路 時可以減少無線網路壅塞情形。享受使用無線區域網路的便利與不再受有線的拘
在未來的展望裡，無線網路的安全機制已被大家重視，無線工作站的使用者 在認證後，切換無線基地台時需要重新進行認證。使用 ALBP 協定若能搭配 Inter-Access Point Protocol (IEEE 802.11f; IAPP) 漫遊協定 [16]，讓使用者在切換
無線基地台時不需重新進行認證。另外我們的實驗測試中使用Constant Bit Rate (CBR) 方式測試，若在不同於 CBR 的環境下時，ALBP 協定的效能提昇程度是 值得探討。
參考文獻
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Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements,” 1999 edition.
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http://sourceforge.net/projects/madwifi/, Oct 2005 version.
[15] A. Tirumala, M. Gates, F. Qin, J. Dugan and J. Ferguson. “Iperf - The TCP/UDP