整合Wi-Fi和WiMAX之無線網路管理系統

整合Wi-Fi和WiMAX之無線網路管理系統

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周立德 陳建國 鄭師堯

李建毅

國立中央大學 資訊工程研究所

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∗ 本研究感謝行政院國家科學委員會之補助，計畫編號 NSC93-2219-E-260-006.

摘要

對於新興的 WiMAX 技術，除了擁有高速的 傳輸頻寬和廣大的基地台涵蓋範圍更提供取代目 前傳統有線固網「最後一哩」的解決方案，勢必對 目前無線網路架構造成一定程度的影響。Shalini 等 人 表 示 [1] WiMAX 將 不 會 取 代 目 前 的 3G 和 Wi-Fi 無線網路技術，而是相互並存的。因此針對 並存的無線網路，提供良善管理的機制，讓網管人 員可以方便地監控和管理網路設備。所以本論文提 出了一個適用於 Wi-Fi 和 WiMAX 的無線網路管 理 系 統 (Wi-Fi and WiMAX Integrated Wireless Network Management System ， 簡 稱 為 WWWNMS)，並且實作此系統於國立中央大學及國 立暨南大學 WiMAX 網域中。提供網路管理者在 Wi-Fi 及 WiMAX 整合的環境下，方便的監測和管 理無線網路設備，更可以偵測私接的 Wi-Fi 基地 台。此外，運用現有的網路資源，只要管理者的網 管伺服器能連上網路，不管在室內還是室外，當使 用者存取無線網路時，便可知道使用者的位置。 關鍵詞：Wi-Fi，WiMAX，網路管理，無線網路。

Abstract

For emerging WiMAX technology, it has high speed transmission bandwidth advantage, and it also supply last-mile a solution for wired network by large-scale cover range. WiMAX will influence present internet architecture. Shalini and many experts indicate that WiMAX will not replace 3G and Wi-Fi wireless technology [1]. They will co-exit. For that reason, it sure has a suitable mechanism for managing heterogeneous wireless network. Let network manager can easily monitor and correctly manage network devices. In this paper, we purpose a wireless network management system for Wi-Fi and WiMAX (Wi-Fi and WiMAX Integrated Wireless Network Management System, a name for its abbreviated WWWNMS). The system is implementing in the domain of National Center University and National Chi Na University. In Wi-Fi and WiMAX integrated environment, WWWNMS supports network manager a convenient way to monitor and manage network

devices. It also can detect private Wi-Fi access point. Besides that, by using present network resources when customer connects to wireless network, it can locate customer’s position. No matter where customer is indoor or outdoor.

Keywords: Wi-Fi, WiMAX, network management,

wireless

1. 緒論

隨著時代的進步，無線網路的技術也日新月異， 而當無線網路設備故障或是有不正常的流量產生 時，將會影響到網路服務品質，甚至停止網路服 務，因此網路管理已成為一個相當值得探討的議 題。在無線網路的環境下，使用者具有時間和移動 相依性而且無線網路裝置開關會非常頻繁，也不時 會有訊號干擾等問題產生，這些都會讓無線網路管 理更趨於複雜。Shalini 等人 [1] 認為在未來的無 線網路應該具有下列特性，首先是無所不在的服務 範圍，即是使用者無論到了什麼地方或是在什麼時 間都是可以存取網路的。最好的連線品質，當使用 者要存取無線網路時，會自動的選取最好的無線網 路連線品質。永遠保持連線狀態，只要使用者的移 動裝置是開啟的，就以最少的存取延遲來連上無線 網路。

IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access 發展大都會區域無線網路，提供高 頻寬 (70Mbps) 及遠距離 (40km) 的無線存取，如 此的特性使得 WiMAX 成為在家裡用戶或是中小 企業的最後一哩 (last-mile) 解決方案。 目前 WiMAX 將不會取代 3G 和 Wi-Fi 無線 網路技術，而是相互並存的，利用 WiMAX 高速 的傳輸頻寬和廣大的基地台涵蓋範圍來連接大都 會型區域無線網路，再連接已大量配罝在室內的 Wi-Fi 區域無線網路的 Wi-Fi Acess Point 來達到 高速頻寬傳輸及低建置成本的網路環境。在無線網 路的環境下，很難去得知使用者的位置。以目前來 說，在 IEEE 802.11 WLAN 的架構中，並沒有一個 標準的方法來得知使用者的位置[2]，更不用說是在 WiMAX 的架構。而且傳統的有線網路管理系統目 前並不能知道 WLAN 底下使用者的相關資訊。

本論文提出一個適用於 Wi-Fi 和 WiMAX 的 無線網路共存的網路管理系統 (Wi-Fi and WiMAX Integrated Wireless Network Management System，簡 稱為 WWWNMS)，讓網管人員可以方便地監控和 管理 Wi-Fi 和 WiMAX 網路設備並且能在使用者 存取無線網路時，立即提供網管人員使用者當前位 置資訊，並且利用使用者位置的歷史紀錄來追蹤使 用者的路徑，進一步地得知使用者曾經到過的地 方。 本論文的架構分述如下：第二章介紹 WiMAX 的背景以及無線網路的特性。第三章為本論文提出 的 WWWNMS 網路管理架構，並且介紹每個模組 與功能。第四章則是介紹了實作的環境及功能。第 五章是結論和未來工作。

2. 相關研究

在 1999 年，IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access 開始發展大都會廣域無 線網路接取介面標準化的制定工作，這項新標準的 發展除了代表此項技術的成熟，也預期可以帶來更 低 廉 的 建 置成 本 與 無 所不 在 的 網 路接 取 環 境 。 IEEE 802.16 標準發展以來歷經了一連串的變革 [3]，從最初在 2002 年發表之IEEE 802.16 標準利用 10 - 66GHz之高頻頻帶，與視距 (line-of-sight) 的傳 輸特性，在點對點 (Point-to-Point) 的模式下可以達 到約 50 公里的傳輸距離與每秒 72 百萬位元的傳輸 速率；之後為了提高應用層面，IEEE 802.16 工作 小組在 2003 年又發表了使用於 2-11GHz 與非視 距 (none-line-of-sight) 傳輸特性的IEEE Standard 802.16a，在點對多點 (Point-to-Multipoint) 的模式 下最高可以達到約 6.5 公里的傳輸距離；歷經了多 次的修訂在 2004 年總算完成了固定式廣域無線 接取系統的最終標準 － IEEE 802.16-2004[4]，包 含了小於 11GHz 之非視距傳輸特性與 10-66 GHz 之視距傳輸特性系統 (如圖 1)。而在 2005 年公開 發表的IEEE 802.16f Standard規範固接無線通訊系 統之管理資訊資料庫 (MIB)，另外為了支援移動性 的需求發展更制定 802.16e標準。 隨著關注這項標準的人們越來越多，在 2001 年四月，由 Nokia 與多家的通訊業者帶頭成立 WiMAX 論壇[5]，WiMAX 論壇主要的目標著眼於 IEEE 802.16 技術的定位、處理多品牌間設備互通 性 與 認 證 程 序 以 及 討 論 頻 譜 的 分 配 等 問 題 。 WiMAX 被視為最重要的下一代「無線寬頻」技術 之一，其背後的標準分別是IEEE 802.16-2004 與 IEEE 802.16e 兩種，由於IEEE 802.16-2004 提供固 定式無線接取服務，所以採用 802.16-2004 標準的 無線網路設備通常都被認為是WiMAX-fixed。目前 最主要的發展為利用其非視距之點對多點結構特 性取代最後一哩的領域與 10GHz 以上的毫米波段 提供很大的數據容量，因此非常適合作網路回程 (backhaul) 之應用。而採用 802.16e 標準的無線網 路設備通常都被認為是 WiMAX-mobile，提供在 WiMAX 網域下可以移動的節點 (Mobile Host) 來 直接存取 WiMAX 網路。

圖 2 廣域無線接取系統中的網路管理模型

在 802.16-2004 中定義廣域無線接取系統的網 路管理模型[4]如圖 2 所示，Base Station (BS)中必 須包含有SNMP proxy agent，而Subscriber Station (SS)中必須包含有 SNMP agent，網路管理系統對 WiMAX 設備的管理，可藉由管理 BS 並且透過 BS與SS之間Second Management CID傳遞管理訊 息，或者是由網路管理系統直接使用網路管理協定 (SNMP) 直接管理 BS 與 SS，在這網路管理模型 中，也定義了網路管理系統，可以利用 Service Flow Database 來儲存管理 Service Flow 的規則及需設 定於 BS 與 SS 的參數。 基本的網路管理相關研究大多數都是根據錯 誤、計費、組態、效能及安全功能擇一或二來作進 一步的研究[6][7]，此五大功能模組各有各的特色， 以及其研究的價值。但是在無線網路環境下，使用 者具有時間及移動相依性，而且會在基地台之間漫 遊，如何有效的監測使用者，是一個值得探討的議 題。[2]分析了未來無線網路的趨勢，並列出一些議 題是未來無線網路有可能遭遇到的問題。文獻[8] [9] [10] [11] [12] 探討在無線網路環境下的移動性 管理。 圖 1 IEEE 802.16-2004 傳送模式之應用

3. Wi-Fi / WiMAX 整合無線網路管理系

統

此系統有 2 個假設，第一的假設是： 系統知 道使用者和移動裝置 MAC (Media Access Control) 卡號的對應關係；第二的假設是：使用 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) 分派 Class C IP 位址給使用者。 3.1 系統架構與模組 圖 3 為本論文所提出 WWWNMS 之網路管理 架構，主要分成兩個部份，Local WWWNMS 負責 管 理 Wi-Fi AP 裝 置 ， 而 WWWNMS 則 管 理 WiMAX BS 和 SS 裝置。在此網路管理系統架構 下，每隔一段時間，Local WWWNMS 將同時儲存 和更新自己及 WWWNMS 的資料，利用兩者的合 作關係來保持資訊為最新的狀態。 從使用者的觀點來看，本系統可分為兩個部 分：一個是使用者端；另一個是伺服器端。使用者 端只需要支援 JAVA，而伺服器端則包含了整個整 個管理系統，目前規劃了六個模組，分述如下： Graphical User Interface (GUI) 模組：用來提供網路 拓樸圖和樹狀結構的架構圖來對應實際的網路環 境，並可以視覺化的方式監測和控制網路裝置。認 證模組：用來確認分別管理者和使用者的身份，並 給予適當的管理權限。找尋節點模組：用來搜尋所 管轄的網域下，目前存在的 Wi-Fi 和 WiMAX 的網 路設備，並且可以搜尋出未經允許而私接的 Wi-Fi AP 裝置。效能模組：以圖形化介面的方式來呈現， 提供所管理裝置的報表。監測模組：每隔一段時 間，網路管理系統自動的蒐集監測資料，並儲存到 資料庫中。位置模組：每隔一段時間網路管理系統 會搜尋 Wi-Fi AP 裝置的使用者狀態。 3.2 系統功能 本論文所提之 WWWNMS 網路管理架構總共 包含 了 21 項功能。上述的每個模組下都有其規劃 相對應此模組的各項功能，使用這些功能前，要求 所有的裝置都必須支援 SNMP。底下針對各模組介 紹所提供的功能。 GUI 模組：提供裝置樹狀圖功能，系統可繪出 一個圖形化的樹狀架構圖，讓管理者可以方便和清 楚的瞭解整個網路裝置的配置順序，例如那個 SS 屬於那個 BS 等。Wi-Fi APs 的功率調整功能，可以 利用方便的 GUI 介面，來調整 Wi-Fi APs 的功率， 達到動態的調整 Wi-Fi APs 的涵蓋範圍。在實作部 分則規劃了 4 個等級的功率，分別是 100%、50%、 25% 和 12.5%。新增或刪除使用者功能：管理者可 以新增或刪除使用者。新增或是刪除合法的 Wi-Fi APs 功能，管理者可以新增或是刪除合法的 Wi-Fi APs。介面卡的選擇功能，管理者可以選擇欲監測 網路裝置的介面卡。拓樸圖功能，提供和實際環境 對應的網路拓樸圖。 認證模組：提供認證管理者的使用權限功能， 當管理者登入系統，認證模組便會去根據登入的管 理者名稱而賦予管理權限，在實作部分則分為 2 個 權限，一個是權限管理者，另一個是一般管理者。 前者可以使用所有 WWWNMS 所提供的功能，後 者只能使用部分的功能。管理者登入及登出記錄功 能：此功能提供記錄管理者登入和登出網管系統的 時間。管理者行動記錄功能，此功能將會記錄管理 者在本系統所下的指令及所瀏覽過的網頁。新增管 理者功能，權限管理者可以新增管理者並賦予管理 權限。 找尋節點功能模組：找尋 Wi-Fi 裝置，提供 在所管網域下，自動偵測和找尋 Wi-Fi 裝置。找尋 固定的 WiMAX 裝置，提供在所管網域下，自動 偵測和找尋固定的 WiMAX 裝置。找尋偵測違法的 Wi-Fi APs 裝置，提供在所管網域下，自動偵測和 找尋違法的 Wi-Fi 裝置。 效能模組：介面卡輸入流量功能，提供介面卡 輸入流量報表。介面卡輸出流量功能，提供介面卡 輸出流量報表。機率分佈函數功能，提供機率分佈 函數報表。累積分佈函數功能，提供累積分佈函數 報表。 監 測 模 組 ： 監 測 Wi-Fi Management Information Base (MIB) 值功能，監測 Wi-Fi MIB Object Identifier (OID) 的參數值。測 WiMAX MIB 值功能，監測 WiMAX MIB OID 的參數值。

位置管理模組：顯示使用者位置功能，提供使 用者目前在哪一個 AP 的涵蓋範圍之下。追蹤使用 者路徑功能，提供一個圖形化及文字介面，當管理 者輸入欲搜尋之使用者名稱及日期，則在 GUI 上顯 示使用者的歷史路徑記錄。

4. 實作環境與開發工具

本系統實作於國立中央大學 (National Central University) 及 國 立 暨 南 大 學 (National Chi Nan

Univer)，在 NCU，WiMAX BS 放置在電子計算機 中心的屋頂，而 WiMAX SS 則放置在電機館。在 NCNU，WiMAX BS 放置在人文學館， WiMAX SS 分別放在學生餐廳和實驗室。區域 WWWNMS 及 WWWNMS 放 置 在 研 究 二 館 （IP:140.115.156.124），另一台 WWWNMS 也是放 在研究二館（IP:140.115.155.180），負責監測 NCNU 的裝置，而一台 AP（IP:140.115.156.146）則是模 擬在 NCNU WiMAX 裝置下的 AP。每隔一段時 間，區域的 WWWNMS 將監測到 NCNU 裝置的資 訊傳回給 WWWNMS，如圖 4 所示。 圖 4 系統實作環境圖 實作的網管伺服器作業系統為 Windows XP SP2 的筆記型電腦。表 1 顯示了整個系統的開發環 境，包含伺服器端和使用者端。表 2 則顯示了整個 系統的開發工具，所有的開發工具都是開放原始 碼。系統選擇 JAVA 來實作底層的程式，用 Java Server Pages (JSP) 和 Java Applet 來實作上層的程 式。上述的語言皆可以在任何的作業系統上執行。 在伺服器端上使用 Tomcat，當作是網頁伺服器， 並使用 MY SQL 來當資料庫，儲存系統和使用者 的所有資訊，而底層的 SNMP 則選擇 Westhawk's Java SNMP stack 4_13 的 開 放 原 始 碼 來 實 作 SNMP。 WWWNMS 網路管理系統的實作，圖 5.為管 理者登入畫面，在此畫面輸入管理者帳號、密碼 後，系統會使用認證模組來判別使用者為權限管理 者或是一般管理者，並且賦予適當的管理權限，之 後記錄使用者登入、登出紀錄及行動紀錄。圖 6.使 用效能模組統計各個介面卡的輸入、輸出流量數 值，並且顯示該介面卡上的輸入流量報表，圖 7.也 是使用效能模組統計機率分佈函數並且顯示累積 分佈函數。圖 8.使用到 GUI 模組和找尋節點模組 來尋找目前此網域下的所有網路設備及網路拓樸 並用圖形化的方式來顯示目前的網路拓樸圖。圖 9. 使用 GUI 模組、找尋節點模組、位置管理模組來 找出使用者目前在那個 AP 的涵蓋範圍之下，並且 用圖形化的方式來顯示使用者加入目前的網路拓 樸圖之中的確切位置。圖 10. 顯示使用者位置及追 蹤使用者走過的路徑，並且提供圖形化及文字介面 的方式，當系統管理者輸入欲搜尋之使用者名稱及 日期，則可以在這網路拓樸圖上，直接顯示使用者 的歷史路徑紀錄。

結論

表 1 系統開發環境 System parts Name and Version Client side

System Software Java SDK 1.4.2

OS Windows XP SP2

Server side

Web Server Tomcat v5.5.9

OS Windows XP SP2

Database MySQL v1.4

表 2 系統開發工具 Develop tools Name and Version

Java Jdk1.5.0 Jsp Jsp 2.0 Java Script Java Script

SNMP agent Westhawk's Java SNMP stack 4_13

圖 5 管理者登入畫面

5. 結論

本論文實作了一套在 NCU 和 NCNU 的階 層式無線網路管理系統，在 WiMAX 和 Wi-Fi 整 合的無線網路環境下，提供了多種的網路服務給管 理者，不僅可以監測和管理 WiMAX 和 Wi-Fi 的 網路設備，更可以進一步的得知使用者位置的狀 態，除此之外，還提供了找尋 WiMAX 和 Wi-Fi 設 備、找尋使用者位置、找尋使用者位置的歷史路徑 紀錄等功能，更增加了報表系統針對輸入、輸出流 量數值紀錄及統計機率分佈函數產生報表，這對於 網 管 人 員 在分 析 網 路 效能 及 找 出 網路 擁 塞 情 形 時，提供相當大的幫助。由於 WiMAX 目前正值發 展的階段，許多的問題還需要解決，而在網路管理 的 領 域 中 ，本 論 文 提 出了 一 個 解 決方 法 來 管 理 WiMAX (IEEE 802.16-2004) 和 Wi-Fi 設備共存的 網路並且提供各項的網路管理的功能。

圖 10 使用者的歷史路徑紀錄

圖 7 累積分佈函數

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