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中 華 大 學

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目: 一個無線區域網路應用層負載平衡協定

系 所 別:資訊工程學系碩士班 學號姓名:E09102031 葉 澤 蓯 指導教授:嚴 力 行 博 士

中 華 民 國 九 十 四 年 七 月

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摘 要

無線區域網路的快速成長下,大部份的無線區域網路環境都使用無線基地台 來交換無線工作站的資料。但因無線工作站只使用最高信號強度指標值來選擇無 線基地台,卻造成了無線基地台間的負載不平衡的問題。我們提出不修改無線基 地台與使用標準的簡單網路管理協定 (Simple Network Management Protocol, 簡 稱SNMP) [10] 方法,用伺服器收集無線基地台的負載情形。讓無線工作站上線 後,透過伺服器可以了解收訊範圍內無線基地台的負載程度,重新選擇負載較輕 的無線基地台重聯結。我們也提出動態選擇無線基地台的方法,使每個無線工作 站能持續的觀察無線基地台的負載,並能再度重新選擇負載較輕的無線基地台。

我們也在實驗環境中實現無線區域網路的應用層負載平衡協定 (ALBP)。將 無線基地台負載達到平衡下,進而有效提升整體無線網路的最大Throughput。

關鍵字:無線區域網路,SNMP,Load Balance,應用層負載平衡協定。

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誌 謝

感謝我的指導老師嚴力行博士,讓我得以完成人生中第一份碩士論文。由於 老師的細心指導,訓練我們研究的方法與解決問題能力,讓我在未來都能受益無 窮。感謝口試委員紀光輝教授、王讚彬教授,由於你們的指導,讓本篇論文更加 完善。

感謝同窗兩年的同學柳碧芳、官淑芬、羅嗣泰,在課業中的讀書會總少不了 你們,讓我可以輕鬆的面對考試。謝謝每星期共同Meeting 的同學林千惠、鄭仰 民、朱明俊,由於大家的彼此學習與研究及相互的鼓勵與努力,成為完成本篇論 文完成動力,最後也恭喜大家都如願的完成論文並取得學位。

感謝我最愛的老婆陳玟惠,在我寫作論文的期間還生下了女兒子葶,因為妳 的體諒與包容,才能讓我能全心全力完成本篇論文。最後感謝我的父母,你們的 支持讓我專心於課業並順利取得學位,謹致上我最深的謝意。

(7)

目 錄

摘 要... II 目 錄...IV 圖目錄...V 表目錄... VII

第一章 簡 介...1

第二章 背景知識與相關研究...5

2.1 背景知識...5

2.2 研究動機...16

第 三 章 應用層負載平衡協定...23

3.1 應用層負載平衡協定 (ALBP) 的運作...24

3.2 負載資訊的取得及計算...28

第四章 實驗結果...35

4.1 實作環境介紹...35

第五章 結 論...46

參考文獻...48

(8)

圖目錄

圖2.1.1: IEEE802.11、IEEE802 與 OSI 參考模型對映圖。 ...5

圖2.1.2:基礎架構的無線網路架構圖。...8

圖2.1.3:隨意型的無線網路架構圖。...9

圖2.1.4:無線工作站與基地台進行聯結的過程分為三個階段。...9

圖2.1.5:無線工作站聯結程序。...11

圖2.1.6:無線工作站重聯結程序。...12

圖2.1.7:SNMPMANAGER 與SNMPAGENT通訊架構圖。...13

圖2.1.8:MANAGEMENT INFORMATION BASE TREE。...14

圖2.2.1:無線基地台之間的負載不平衡現象。...16

圖2.2.2:無線基地台之間理想的負載平衡情況。...18

圖3.1 :我們的網路環境與架構。...24

圖3.1.1:ALBP 協定運作範例。 ...26

3.2.1:新的無線工作站在加入時,會選擇較 NRB 值最高的無線基地台。...31

圖3.2.2:無線工作站狀態轉換圖。...34

(9)

圖4.2.1:無線基地台的使用率與無線工作站數量關係圖。...37

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。...39

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。...41

圖4.2.4:使用 ALBP 協定與未使用 ALBP 協定的效能改善率。 ...43

圖4.2.5:ALBP 協定動態選擇基地台,乒乓效應的實驗。 ...44

圖4.2.6:ALBP 協定使用延遲次數來防止乒乓效應的發生。 ...45

(10)

表目錄

表1:AP 無線介面的相關 MIB 資料 ...25

(11)

第一章 簡 介

在無線通訊技術的快速發展下,各方面的應用,如Global System for Mobile Communications (GSM, 全球行動通訊系統)、GPRS (整合封包無線電服務)、

Bluetooth (藍芽無線技術) 與 Wireless Local Area Networks (無線區域網路),讓人 們的生活中在無線行動通信上,可以很方便的使用,享受無線的便利。

其中無線區域網路主要應用在資料的傳遞,可以作為有線網路之延伸。對 傳統的有線區域網路 (Wired LAN) 而言,佈線是件成本很高的工作,尤其是要 在一棟設計藍圖已經不知去向的舊式石材建築中穿牆佈線是相當困難,就算是新 建大樓,或者是為了臨時須要使用網路,佈線十分耗時也所費不貲。所以在辦公 與家庭或室外的環境上,使用無線區域網路,可省去繁瑣的佈線工程,達到快速 建置、且方便的使用。

無 線 區 域 網 路 (Wireless LAN) 基 於 電 子 電 機 工 程 協 會 (Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE) Standard 802.11 [1]標準,將無線區域網

(12)

路區分兩種網路架構:基礎架構的無線網路 (Infrastructure Wireless Network) 和 隨意型的無線網路 (Ad Hoc Wireless Network)。基礎架構的無線網路是由無線網 路存取器 (Access Point,也稱無線基地台) 與無線工作站 (Wireless Station: 多數

是 筆 記 型 電 腦 (Notebook) 、個人桌上電腦 (Personal Computer)、數位助理 (PDA)、行動手機 (Cellular Phone)) 兩大部份所組成。在基礎架構的無線網路

下,是屬於集中通訊式的通訊架構,無線工作站必須先找到無線基地台並與聯結 (association) 後才能連接上網路。

同一無線基地台越多的無線工作站聯結,就會造成頻道的競爭問題。因為 Wireless LAN 的 MAC Protocol 是使用 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA, 載波感測多重存取/碰撞避免) 的方式來傳遞資料。無線 工作站在傳送資料前必須先監聽,當通訊頻道是可用的 (Free) 狀態,才能開始

傳遞資料。這意味著若越多無線工作站共用同一通訊頻道,傳遞資料時會花越多 的時間在等待通訊頻道的可用 (Free) 狀態,通訊頻道競爭的情況越嚴重。因此 越多無線工作站與單一無線基地台聯結,頻道競爭的情況也就越嚴重。

在無線工作站很多的環境下,我們可以使用多個無線基地台,將通訊頻道 分成多個。理想狀況下,每個無線基地台所聯結的無線工作站數目是均等的,但

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聽到無線基地台所廣播的信標封包 (Beacon Frame) 或對整個可用通訊頻道進行 主動掃瞄 (Active Scanning),在可收訊的範圍內得知每個無線基地台的接收信號 強度指標值 (Received Signal Strength Indication, RSSI) 後,只會對最高接收信號 強度指標值的無線基地台進行聯結。這樣的機制可能會造成大多數無線工作站僅 與少數幾個訊號較強的無線基地台聯結,而眾多訊號強度仍在可接受範圍內的無 線基地台只有少數幾個無線工作站與之聯結。這種情形使得無線基地台之間的負 載不平衡,無法提高整個網路的資料傳輸量。

我們假設在同一區域中有多個IEEE 802.11 無線基地台,每個無線基地台使 用不同通訊頻道。我們架構了一個伺服器 (Server) 預先收集無線基地台的通訊 頻道使用狀況、通訊頻道的錯誤率、無線工作站聯結數量等資訊。無線工作站在 與無線基地台聯結後,可以透過此伺服器提供的資訊,選擇最佳的無線基地台,

進行重聯結 (Reassociation),讓無線基地台的通訊頻道可以負載平衡,距離無線 工作站訊號強度在可接受範圍內的無線基地台也可以被有效利用,進而增加網路 的最大傳輸量。這個方法的優點是不需變更原有無線基地台的設計,且使用標準 的 SNMP 協定,即可取得無線基地台的負載情況。缺點是需在無線工作站中修 改聯結無線基地台的方式。

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另外現今無線區域網路使用11 Mbps 與 54 Mbps 兩種速度和 2.4 GHz 與 5 GHz 兩種頻寛帶,若在同一區域混用兩種速度的情況下,在通訊頻道的數量增 加後,我們的方法,可以達到讓54 Mbps 的無線工作站使用 54 Mbps 的無線基地 台,不使用11 Mbps 無線基地台的通訊頻道,這樣 54 Mbps 無線工作站可提升資 料傳輸量。另外也可達到2.4 GHz 與 5 GHz 兩種頻寛帶的整合。

本篇論文的架構將在第二章中介紹無線區域網路中的背景知識與相關研 究,第三章中提出我們的方法,第四章實驗結果與分析,第五章為本論文的結論。

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第二章 背景知識與相關研究 2.1 背景知識

由圖2.1.1 所示 [1],無線區域網路標準 (IEEE Standard 802.11) 在國際 標準組織 (ISO, International Organization for Standardization) 所提出的開放 系統網路互接標準 (OSI, Open System Interconnections Standard) 裡,定義其 中的實體層 (Physical Link Layer) 與資料鏈結層 (Data Link Layer) 的子層 媒介存取控制層 (MAC,Media Access Control)。

圖2.1.1: IEEE 802.11、IEEE 802 與 OSI 參考模型對映圖。

802 Overview & Architecture 802.1 Management

802.10 Security

802.2 Logical Link Control Management

802.2 Bridging

802.3 CSMA

/CD 802.3 Physical

802.4 Token Passing 802.4 Physical

802.5 Token

Ring 802.5 Physical

802.6 Distribut

ed Queue

802.6 Physical

802.11 Wireless

LAN 802.11 Physical

802.12 Demand

Priority 802.12 Physical

Data Link Layer

Physical Layer

MAC Layer

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IEEE 802.11 無線區域網路標準是於 1997 年正式獲得採用,提供三種 實體層規格,包括紅外線、1-2 Mbps 的跳頻式展頻技術 (FHSS) 與使用 2.4 GHz ISM 頻帶的 1-2 Mbps 直接序列展頻技術 (DSSS)。目前已發展出三個延 伸標準,分別是:

y IEEE 802.11b [3]: 使用 2.4 GHz ISM (Industrial Science Medical) 的 頻帶,CCK 編碼技術將資料傳輸速率提升至 11 Mbps。

y IEEE 802.11a [2]: 使用 5 GHz U-NII (unlicensed national information Infrastructure) 的頻帶,OFDM 正交分頻多工技術將資料傳輸速率

提升至54 Mbps。

y IEEE 802.11g: 使用 2.4 GHz ISM 的頻帶, OFDM 正交分頻多工技

術將資料傳輸速率提升至 54 Mbps。IEEE 802.11g 可與 IEEE 802.11b 相容。

IEEE 802.11a 無線基地台因為是使用 5 GHz 的頻帶,所以無線工作站

必需有支援IEEE 802.11a 標準才能聯結。IEEE 802.11g 無線基地台使用與 IEEE 802.11b 標準相同頻帶,IEEE 802.11g 標準的無線基地台速度較快 (54 Mbps),也可以相容於 IEEE 802.11b 標準的無線工作站。IEEE 802.11g 標準 的無線工作站也可以相容於IEEE 802.11b 標準的無線基地台。

(17)

IEEE Std 802.11 [1]所定義的 ISM 頻道中,在非重疊 (non-overlapping)

的 ISM 頻道設定下,相鄰 IEEE 802.11b 標準的無線基地台間只能使用 channel 1, 6, 11 頻道。但因 IEEE 802.11g 標準的無線基地台與 IEEE 802.11b

標準的無線基地台使用相同的 ISM 頻帶,皆必須注意相鄰無線基地台間通 道的分配,避免無線基地台間頻道互相干擾 (interference) 問題 [5]。

在 無 線 區 域 網 路 裡 區 分 兩 種 網 路 架 構 : 基 礎 架 構 的 無 線 網 路 (Infrastructure Wireless Network) 和隨意型的無線網路 (Ad Hoc Wireless Network。

基礎架構的無線通訊網路如圖2.1.2 所示。單一無線基地台與多台無線 工作站所組成的網路,稱為一個基本服務區域 (Basic Service Set; BSS)。由

多 個 基 本 服 務 區 域 所 組 成 且 互 相 通 訊 的 無 線 網 路 稱 之 為 延 伸 服 務 區 (Extended Service Set; ESS)。每個延伸服務區具有唯一的一個識別碼,稱為 ESSID。各無線工作站必須與無線基地台設定相同的 ESSID,才能在延伸服 務區的範圍中漫遊 (Roaming),並且與各基本服務區域中的無線基地台溝 通。混合無線區域網路與有線區域網路稱之為分散系統 (Distribution System;

DS)。

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Access Point 1

Wireless Station 1

Access Point 2

Access Point 3

Wireless Station 2

Wireless Station 3 Wireless Station 4

Wireless Station 5

Wireless Station 6

Ethernet

BSS ESS DS

圖2.1.2:基礎架構的無線網路架構圖。單一無線基地台與多個無線工作站組成 的網路稱為BSS。多個 BSS 組成一個 ESS。無線與有線網路的整合稱 為DS。

隨意型的無線網路也稱獨立基本服務區域 (Independent Basic service set; IBSS),由多台無線工作站所組成,沒有無線基地台的存在,如圖 2.1.3 所示屬於點對點通信的無線網路架構。

(19)

圖2.1.3:隨意型的無線網路架構圖。

無線工作站與基地台進行聯結的過程分為三個階段,如圖2.1.4 所示,

無線工作站需先尋找無線基地台、選擇無線基地台後要先認證、再聯結:

圖2.1.4:無線工作站與基地台進行聯結的過程分為三個階段。

(20)

在第一階段無線工作站尋找無線基地台的方法分為主動掃瞄 (Active Scanning) 與被動掃瞄 (Passive Scanning) 兩種。主動掃瞄由無線工作站在

可用通訊頻道送出Probe Request Frames。若無線基地台收到 Probe Request Frames,會回應 Probe Response 給無線工作站。被動掃瞄由無線基地台定 期 (週期通常是 100 ms) 送出 Beacon Frame。無線工作站若收到 Beacon Frame 代表有找到該無線基地台。無線工作站在收到 Probe Response 或是 Beacon 時,都會記錄接收到的訊號強度指標值 (Received Signal Strength Indicator; RSSI)。無線工作站會選擇最高接收訊號強度指標值的無線基地台 進行聯結 (Association)。

在第二階段無線工作站在對無線基地台聯結前,需先經過IEEE 802.11 認證 (Authentication)。分為開放系統認證 (Open System authentication) 與共 用密鑰認證 (Shared Key authentication)。Open System authentication: 即 null authentication 機制,只需要正確的 ESSID 即可。Shared Key authentication: 需 搭配線性加解密的機制 (Wired Equivalent Privacy; WEP),無線工作站需與 無線基地台有相同的靜態加密金鑰,來認證與資料加密。

(21)

線基地台,無線基地台若確認無線工作站已經過Open System or Share Key 認證後,回應Association Response,內含“successful”的狀態與 Association ID 給無線工作站。無線工作站收到 Association Response 即回應 Association Response ACK。無線基地台收到無線工作站的 ACK 後會對整個分散系統

(DS) 送出 Associate.indication 即完成聯結程序。

Access Point Wireless Station

Association Request Association Response with“successful"state Association ID assigned Association Response ACK

Inform to DS ASSOCIATE.indication

Wireless Station are authenticated ?

Wireless Station is now associated

圖2.1.5:無線工作站聯結程序。

無線工作站移動到與已聯結無線基地台的訊號不佳時,會重新搜尋無線 基地台,再以最高RSSI 的無線基地台進行重聯結 (Reassociate) 程序,如

誤! 連結無效。所示。無線工作站找到新的無線基地台後,送出 Reassociation Request,新的無線基地台收到並確認無線工作站已經過 Open System or Share Key 認證後,回應 Reassociation Response。內含“successful”的狀態與 Association ID 給無線工作站。無線工作站收到 Reassociation Response 即回

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應 Reassociation Response ACK。無線基地台收到無線工作站的 ACK 後會對 整個分散系統(DS) 送出 REASSOCIATE.indication 即完成重聯結程序。

圖2.1.6:無線工作站重聯結程序。

我們的方法中,架構了一個伺服器,向無線基地台取得無線介面的相關 資 料 。 這 些 資 料 使 用 簡 單 網 路 管 理 協 定 (Simple Network Management Protocol, 簡稱 SNMP) [10] 方式來取得。在網際網路中大部份的網路設備皆 具有簡單網路管理協定之代理者 (簡稱 SNMP Agent) 的服務,提供設備資 訊 (例:系統描述,CPU 使用率,RAM 使用率)、介面資訊 (例:IP,ARP,

(23)

就可以分析目前網路設備的運作狀況與效率。

SNMP 的運作基本上只需要四種指令就可以完成,分別是 Get-request、

Get-next、Set-request、以及 Trap。這四種指令的動作如圖 2.1.7 所示:

圖2.1.7:SNMP Manager 與 SNMP Agent 通訊架構圖。

Get-request: 從 Manager 發出,指定 Object ID 與 SNMP Agent 要求取得 資料。SNMP Agent 收到後,將 Object ID 所要求的內容,以 Get-response 訊息回傳。

Get-next-request:與 Get-request 相似,會將所查詢該 Object ID 以下所

有子節點的資料以Get-response 訊息回傳。

Set-request :從 SNMP Manager 發出,要求 SNMP Agent 寫入指定 Object ID 的資料。

Trap :可以在 SNMP Agent 上定義特定事件。當事件被觸發時,會送出 Trap 訊息給 SNMP Manager。

(24)

SNMP 在資料交換與管理部分別定義了管理資訊架構 (SMI) 和管理資 訊庫 (MIB)。SMI (Structure of Management Information) 定義資訊交換的規 則與設備資源的命名規則。MIB (Management Information Base) [11]定義設 備中,所有需要接受管理物件的資訊 (例: 介面速度,作用狀態,介面型態),

並定義成物件 (Object) 型態,並且以樹狀的架構建構整個 MIB (圖 2.1.8 所 示)。MIB 樹中的每一節點都有一個物件識別碼 (Object Identifier; OID)。要 取得該節點的資料,可以透過名稱或者是物件識別碼方式。例如: 要取得某

網路設備具有 SNMP Agent 的介面數量 (ifNumber) 資料,可以依名稱:

iso.org.dod.internet.mgmt.mib-2.interface.ifNumber 、 或 都 是 依 OID:

1.3.6.1.2.1.2.1 來取得。

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我們要透過SNMP Manager 進行讀取資料或者寫入資料到 SNMP Agent 時,需要指定一個 community 通訊方式。如同密碼的概念一樣,使用正確 的community,才能正確的從 SNMP Agent 讀取資料或寫入該 Object ID 的資 料。

(26)

2.2 研究動機

同一無線基地台只有使用單一頻道,所以越多的無線工作站聯結,代表 越多的無線工作站共用同一通訊頻道,也就造成彼此間頻道的競爭問題。

所以我們想增加多個無線基地台,將通訊頻道分成多個,以降低頻道的 競爭程度。不過無線工作站只會選擇最高RSSI 的無線基地台進行聯結。這 樣的情況下,可能會造成大多數無線工作站僅與少數幾個訊號較強的無線基 地台聯結,而眾多訊號強度仍在可接受範圍內的無線基地台只有少數幾個無 線 工 作 站 與 之 聯 結 。 這 種 情 形 使 得 無 線 基 地 台 之 間 的 負 載 不 平 衡 [5][6][7][8][9],無法提高整個網路的資料傳輸量。

(27)

在圖2.2.1 中,總共有 6 個無線工作站 (以下稱 Wireless Station)與 3 個 無線基地台 (以下稱 Access Point)。我們可以看到 Access Point 1 與 Access Point 3 都各有 3 台 Wireless Station 與之聯結,而 Access Point 2 因無 Wireless Station 聯結,所以無負載。這樣的現象我們稱之為無線基地台之間的負載不 平衡。

我們研究在基礎架構的無線通訊網路裡,透過讓無線工作站對負載較輕 的基地台進行重聯結,達到無線基地台的負載平衡。以圖2.1.1 的例子而言,

圖2.2.2 所示即為一負載平衡的例子。我們要求負載平衡機制必須滿足下面 四個條件:

1. 支援多種無線區域網路延伸標準:

即使在同一區域內同時存在 IEEE 802.11b、IEEE802.11a、IEEE 802.11g 的無線基地台,負載平衡機制仍能夠有效作用。

2. 不需修改無線基地台:

無需修改無線基地台的軟硬體,可以用不同廠商製造的無線基地台。

3. 使用標準的方式取得無線基地台的介面資訊。

企業所使用的無線基地台有SNMP Agent 服務,可使用標準的 SNMP 管理通訊協定,就可以取得的無線基地台介面資訊。

(28)

4. 不修改無線工作站的無線網路卡硬體與無線網路卡驅動程式。

無 線 工 作 站 要 能 找 到 無 線 基 地 台 聯 結 上 網 , 都 是 透 過 Client Management 軟體。我們要求不需修改 Client Management 的軟體。

圖2.2.2:無線基地台之間理想的負載平衡情況。

(29)

2.3 相關研究

現有文獻中,要達成無線基地台負載平衡的做法可以分成三類。第一類 同時修改無線基地台與無線工作站的協定。第二類只修改無線基地台的協 定。我們的方法是屬第三類,只修改無線工作站的聯結方式。

第一類同時修改無線基地台與無線工作站的協定:

Papanikos 等人 [5] 所提出無線基地台在啟動時,即可選擇最適當之通 訊頻道,避免鄰近的無線基地台使用相近的通訊頻道,並將已聯結無線工作 站的數量、已聯結無線工作站RSSI 的平均值 (Mean value) 與收到該無線工 作站訊號的RSSI 值放在 Probe Response 與 Beacon 訊框裡,讓該無線工作站 計算出與該無線基地台所有已聯結無線工作站RSSI 的加權差異程度,選擇 加權值最高的無線基地台聯結,最後無線工作站會定期在Probe Response 與 Beacon 訊框裡,判斷是否需要更換無線基地台。

Sheu 等人 [6] 提出動態平衡負載架構 (DLBA),讓無線基地台統計無 線工作站的聯結數量、所有無線工作站聯結RSSI 的平均值。無線基地台在 收到新無線工作站所送出的 Probe Request 訊框時,會將新無線工作站的 RSSI 值加入,計算出新的 RSSI 平均值,並將此訊息含在 Probe Response 訊

(30)

框內。無線工作站根據自己的 RSSI 值與無線基地台傳回的 RSSI 平均值,

選擇增加總RSSI 平均值較大的無線基地台進行聯結。無線工作站也會持續 觀察,動態地選擇無線基地台。

以上 [5] 與 [6] 方法中,無線基地台之間並沒有交換訊息。無線基地台

也只計算已聯結無線工作站的數量與無線工作站的RSSI 平均值,無法了解 無線工作站實際的頻道使用率,所以無法有效利用通訊頻道。

周智良等人 [7] 提出讓每個無線基地台自行計算其無線通道的使用 率,並在整個延伸服務區裡所有無線基地台週間期性地交換通道使用率資 訊,因此無線基地台可以了解其他無線基地台的通道使用情形。通道使用率 高的無線基地台會要求某些已聯結的無線工作站移轉到通訊通道使用率較 低的其它無線基地台上。

此種方式的缺點是,無線基地台無法得知無線工作站可以收到那些無線 基地台的訊號。當無線基地台要求某無線工作站移轉到其他無線基地台時,

只能告知無線工作站該無線基地台的通訊通道。若工作站收不到無線基地台 的訊號,則等待一段時間後會選擇下一個無線基地台。因此無線工作站花在

(31)

Fukuda 等人 [8] 提出封包錯誤率 (Packet Error Rate; PER) 是影響 Throughput 的一個重要因素。無線基地台將已聯結無線工作站的數量,含在

無線基地台的Probe Response 訊框與 Beacon 訊框裡,讓該無線工作站將已 聯 結 無 線 工 作 站 的 數 量 與 自 己 的 封 包 錯 誤 率 計 算 出 最 大 本 地 傳 輸 率 (Maximizing Local Throughput; MLT),選擇 MLT 最高的無線基地台進行聯 結。無線工作站選擇重新聯結前先等待一個隨機時間,以避免乒乓效應 (Ping-Pong Effect) 的產生。

此方法的優點在於分散式執行且只需簡單的修改無線基地台與無線工 作站,但因重點在於封包錯誤率,若整個無線網路的封包錯誤率很低的情況 下,就只剩下已聯結的工作站數量可判斷,無法實際反應無線基地台的頻道 使用狀況。

第二類只修改無線基地台的協定的方法:

Aleo [9] 提出只需要修改無線基地台的負載平衡方法。每個無線基地台

會統計無線網路的流量並互相通訊。若某無線基地台的負載較重時,它會在 已 聯 結 的 無 線 工 作 站 內 , 選 擇 一 些 無 線 工 作 站 進 行 解 聯 結 通 知 (Disassociation notification) 與 降 低 無 線 基 地 台 的 傳 送 功 率 (transmitted power),讓該無線工作站進行主動或被動掃瞄,重新尋找其他無線基地台。

(32)

此方法的問題在於無線工作站無法直接了解無線基地台的負載程度,當 某無線工作站收到 Disassociation notification 時,需要重新尋找其他無線基 地台,若所找到新的無線基地台負載也不輕的情況下,有可能會再次收到 Disassociation notification,無法一次就選擇到負載較輕的無線基地台。

(33)

第 三 章 應用層負載平衡協定

在本章中我們提出一個應用層負載平衡協定 (ALBP),分二個部份:

3.1:應用層負載平衡協定 (ALBP) 的運作。

3.2:負載資訊的取得及計算。

我們假設的網路架構是在一個分散系統 (DS) 內如圖 3.1 所示。此環境 允許IEEE 802.11b、IEEE 802.11a 與 IEEE 802.11g 標準的無線基地台與無線 工作站共存。所有無線基地台都必須有SNMP Agent 的服務,且需事先設定 好共同的 ESSID、非重疊 (non-overlapping) 的頻道與適當的 IP 位址。此分 散系統中須有一台伺服器執行我們的 ALBP 協定。ALBP 伺服器與所有無線 基地台透過有線網路連接。

(34)

圖3.1:我們的網路環境與架構。

3.1 應用層負載平衡協定 (ALBP) 的運作

ALBP 是應用層協定,使用 UDP 來傳送訊息。ALBP 伺服器負責計算無

線基地台的負載資訊,讓無線工作站來查詢。無線工作站尋找伺服器的方式 是使用名稱 (Fully-Qualified Domain Name; FQDN) 對應 IP Address 的關係。

透過網域名稱伺服器 (Domain Name Service; DNS),無線工作站即可得知 ALBP 伺服器的 IP 位址。因此 ALBP 伺服器可以建置在不同的 IP 網段、虛 擬網段 (Virtual Local Area Networks; VLAN) 或者是受防火牆所保護的非戰

(35)

表1: AP 無線介面的相關 MIB 資料

為無線基地台從開機後的運作總時間 OID:1.3.6.1.2.1.1.3.0

sysUptime

網路介面所接收的unicast封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.11.x ifInUcastPkts

網路介面所接收的廣播(Broadcast)與群播(multicast)封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.12.x

ifInNUcastPkts

網路介面所接收的錯誤封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.14.x ifInErrors

介面速度(bps)

OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.5.x ifSpeed

網路介面所記錄傳送的總資料量,單位為Byte OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.16.x

ifOutOctets

網路介面所記錄接收的總資料量,單位為Byte OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.10.x (.x為介面編號) ifInOctets

物件描述與編號 物件名稱

為無線基地台從開機後的運作總時間 OID:1.3.6.1.2.1.1.3.0

sysUptime

網路介面所接收的unicast封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.11.x ifInUcastPkts

網路介面所接收的廣播(Broadcast)與群播(multicast)封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.12.x

ifInNUcastPkts

網路介面所接收的錯誤封包總數 OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.14.x ifInErrors

介面速度(bps)

OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.5.x ifSpeed

網路介面所記錄傳送的總資料量,單位為Byte OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.16.x

ifOutOctets

網路介面所記錄接收的總資料量,單位為Byte OID:1.3.6.1.2.1.2.2.1.10.x (.x為介面編號) ifInOctets

物件描述與編號 物件名稱

ALBP 伺服器使用 SNMP 協定定期向 AP 取得無線介面的相關資料。

ALBP 伺服器使用 SNMP MIB-II [9] 標準所定義的網路介面物件資訊,表 1 所示為這些介面物件的名稱及其物件識別碼 (Object Identifier; OID)。

ALBP 伺服器取得這些介面資訊後,計算 AP 的負載資訊,包含利用率 (Utilization)與錯誤率(Error Rate) ,讓無線工作站來查詢。

無線工作站經過掃瞄後會得知在可收訊範圍內有那些無線基地台的存 在等資訊。無線工作站與某個無線基地台聯結成功,得知 ALBP 伺服器的 IP 位址後,即可以送出 AP_STATUS_REQUEST 訊息給 ALBP 伺服器。此訊 息內含無線工作站可接收訊號之無線基地台的 BSSID。ALBP 伺服器收到 後,會以 AP_STATUS_RESPONSE 訊息將無線基地台的負載情形傳回給工

(36)

作站。無線工作站再根據自已收到訊號的 RSSI 值,選擇負載最輕且 RSSI 值可接受的無線基地台進行重聯結。最後無線工作站發出 WS_UPDATE 給 ALBP 伺服器,統計無線基地台已聯結的無線工作站數量。整個過程如圖 3.1.2 所示。

Assess Point 2

Get-request

Assess Point 1

Get-response

Wireless Station ALBP Client ALBP Server

Probe, Authentication, Association

AP_STATUS_REQUEST AP_STATUS_RESPONSE

ReAssociation Get-request

Get-response

WS_UPDATE

圖3.1.1:ALBP 協定運作範例。

若無線工作站重新聯結後已漫遊到不同的 ESS 區段,則需重新指定 ESSID,也可能需要更換 IP 位址。若要達到 IP 位址的漫遊,則需要搭配

(37)

透過 SNMP 通訊協定取得無線基地台介面資料的好處是不需要修改無 線基地台的軟硬體。現今已經有眾多品牌無線區域網路產品在市場上流通,

要求修改無線基地台的軟體 (Software) 或韌體 (Firmware) 來達到負載平 衡的目的並不實際。SNMP 通訊協定是 IETF 的標準,且絕大部份商用的無 線基地台都內含SNMP Agent 的服務,透過此服務即可取得無線基地台的內 部資訊,而不需修改無線基地台的軟體或韌體。

(38)

3.2 負載資訊的取得及計算

ALBP 伺服器使用 SNMP MIB-II [12] 標準所定義的網路介面物件資訊,取

得無線基地台目前的介面資訊,計算出Utilization 與 Error Rate。Utilization 依下 列公式計算:

ifSpeed time

s ifOutOctet ifInOctets

n Utilizatio

×

× +

= ×

) (∆

100 ) ∆

(∆

% 8

這個式子是由Cisco 公司 [4] 所提出,用來評斷網路設備的效能。計算 Utilization 所需使用到的 SNMP MIB-II 物件如下:

ifInOctets :網路介面所記錄接收的總資料量,單位為 Byte。第t次取得

ifInOctets標示為ifInOctets (t)。 ifInOctets

: 連 續 兩 次 取 得 的 ifInOctets 的 差 值 , 即 對 任 何 t 而 言 , )

( )

(

ifInOctets =ifInOctets t +1 −ifInOctets ts

ifOutOctet :網路介面所記錄的傳送的總資料量,單位為 Byte。第t次取

得的ifOutOctet 標示為s ifOutOctet s(t)。

ifOutOctets : 連續兩次取得的ifOutOctet s的差值,即對任何t 而言,

) ( )

(

ifOutOctet s =ifOutOctet s t +1 −ifOutOctet s t ifSpeed :該網路介面最大的傳輸能力,也是該介面的速度,單位為bit

per second。

sysUptime : 為 無 線 基 地 台 從 開 機 後 的 運 作 總 時 間 , 單 位 為 毫 秒

(39)

) (t sysUptime

time : 連續兩次取得 SNMP MIB-II 物件資訊的時間差。因為封包在

網 路 中 傳 送 時 會 有 延 遲(Delay) , 若 以 ALPS 伺 服 器 收 到 Get-response 的時間作為取得物件資訊的時間,會造成計算的誤 差。所以使用線連無線基地台兩次測量時的sysUptime 差值。

即∆time =sysUptime(t +1)−sysUptime(t)。

計算Error Rate 的公式 [4] 如下:

Pkts ifInNUcast kts

ifInUcastP

ifInErrors

% Error Rate

+

= ×100

計算Error Rate所需所使用到的SNMP MIB-II 物件說明如下:

ifInErrors :網路介面所接收的錯誤封包總數。第t次取得的ifInErrors 標示為ifInErrors(t)。

ifInErrors

:連續兩次取得的ifInErrors 的差值,即對任何t 而言,

) ( )

(

ifInErrors =ifInErrors t +1 −ifInErrors tkts

ifInUcastP :網路介面所接收的 unicast 封包總數。第t 次 取 得 的 kts

ifInUcastP 標示為ifInUcastPkts(t)。 kts

ifInUcastP

:連續兩次取得的ifInUcastPkts的差值,即對任何t而言,

) ( )

(

ifInUcastPkts=ifInUcastPkts t+1 −ifInUcastPkts t

(40)

Pkts

ifInNUcast :網路介面所接收的廣播 (Broadcast) 與群播 (multicast)

封 包 總 數 。 第t 次 取 得 的 ifInNUcast Pkts 標 示 為 )

(t Pkts ifInNUcastPkts

ifInNUcast

∆ :連續兩次取得的ifInUcastP kts 的差值,即對任何t而 言,∆ifInNUcastPkts =ifInNUcastPkts(t +1)−ifInNUcastPkts(t)。

ALBP 伺服器可先算出剩餘頻寬 (Residual Bandwidth; RB ),我們定義

Ui 為第 i 個無線基地台的 Utilization。將1Ui (未使用率)乘上介面速度 (ifSpeed ) 可得 i (1− )Ui ×ifSpeedi,此為第i 個無線基地台的剩餘可用頻寬 (Residual Bandwidth)。若考量錯誤率 (ER ,參考 Fukuda 等人 [8] 的錯誤i) 率 計 算 方 式 , 將 未 使 用 率 減 去 錯 誤 率 的 方 式 得

i i

i

i U ER ifSpeed

RB =(1= )× ,此為第i 個無線基地台考量錯誤率時的剩餘 頻寬。再將每個無線基地台之剩餘頻寬 (RB ) 及聯結工作站數量 (i N ) 送i

給工作站,減少 AP_STATUS_RESPONSE 傳送次資料量及工作站的計算負 擔。

無線工作站收到 ALBP 伺服器送來的每個可使用無線基地台的剩餘頻 寬及聯結工作站數量後,會計算 Normalized Residual Bandwidth (NRB ) i

值,以選擇較好的無線基地台進行重聯結。

(41)

我們以NRB 表示第 i 個無線基地台的 NRB 值。i NRB 計算式如下: i

+ 1

=

i i

i

N

NRB RB

我們定義N 為第 i 個無線基地台已聯結的無線工作站數量。將i RB 再除i

Ni +1即得NRB 。 i

NRB 有兩個性質: i

y NRB 與剩餘頻寬成正比。

y NRB 與已聯結的無線工作站數量成反比。

Access Point 1 U = 0.45, ER = 0, N = 2

IFSpeed = 5400000

Wireless Station 1

Access Point 2 U = 0.3, ER = 0, N = 2

IFSpeed = 5400000

Wireless Station 2

Wireless Station 3

Wireless Station 4 New Wireless Station

NRB1= 9900000

NRB2= 12600000

<

Distribution System

3.2.1:新的無線工作站在加入時,會選擇較 NRB 值最高的無線基地 台。

(42)

圖3.2.1 為計算範例。假設 Access Point 1 的使用率為 0.6,錯誤率為 0,

已連接數量為2,介面速率為 54000000 則

1 2

54000000 0

45 0

1 1

+

×

= ( − . ) NRB

9900000

=

Access Point 2 的使用率為 0.3,錯誤率為 0,已連接數量為 2,介面速 率為54000000 故

1 2

54000000 0

3 0

2 1

+

×

= ( − . ) NRB

12600000

=

若有新無線工作站 (New Wireless Station) 加入時,因NRB2 >NRB1

所以只要Access Point 2 的 RSSI 值為可接受的,無線工作站會選擇 Access Point 2 進行聯結。

以上機制中,無線工作站只會在聯結時進行選擇基地台的動作。如果要 讓無線工作站動態選擇無線基地台,達到動態無線基地台的負載平衡,則需 要無線工作站提供SNMP Agent 的服務。無線工作站必需週期性的計算目前 本 身 之 頻 道 使 用 率 (WU ) 。WU 乘 上 介 面 速 度 ( ifSpeed ) 得i

ifSpeedi

WU

WB = × 此為該無線工作站有效使用頻寬。由此可以計算出該

(43)

加入此工作站後的NRB 值。無線工作站將選擇 NRB 最高且 RSSI 可接受的 無線基地台進行重聯結。

假設工作站目前未聯結第i 個無線基地台,如工作站結此基地台,則結 後之NRB 值為 i

+ 1

= −

i i

i

N

WB NRB RB

在切換前也考慮乒乓效應 (Ping-Pong Effect) 問題 [8]。我們定義延遲 次數 (Delay count; DC) 為無線工作站在重聯至某基地台前,連續選擇該無

線基地台次數須達到的門檻值。若連續找到同一無線基地台的次數到達到 DC值時,工作站即可切換到該無線基地台。切換後或者選擇的無線基地台 有變化時,該無線工作站的DC值會重新計算。延遲次數計算方式為

10

1 ⎟ ×

⎜ ⎞

⎛ −

=

NRB

max

NRB DC NRB

i

我們定義NRBmaxNRB 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

NRBmaxNRB 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

(44)

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。

(45)

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。

(46)

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

(47)

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

(48)

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,

(49)

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

(50)

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。

(51)

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

未使用

未使用

已使用

=

(52)

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。

(53)

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。

(54)

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。

(55)

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。

(56)

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

(57)

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。

(58)

參考文獻

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Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements,” 1999 edition.

[3] IEEE Computer Society,“Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band,” IEEE standard 802.11b,1999 Edition .

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December 2003, http://www.cisco.com/warp/public/126/perfmgmt.pdf

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(59)

[6] Shiann-Tsong Sheu and Chih-Chiang Wu “Dynamic Load Balance Algorithm (DLBA) for IEEE 802.11 Wireless LAN,” Tamkang Journal of Science and Engineering, 2(1), pp. 45-52, Jun. 1999.

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(60)

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參考文獻

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