基于负载均衡技术在无线网络架设中的设计与实现

基于负载均衡技术在无线网络架设中的设计与实现

基于负载均衡技术在无线网络架设中的设计与实现

摘  要:随着移动互联网的蓬勃发展,传统的无线局域网组网设计已不能满足终端复杂多变的需求,特别是在接入终端数量较多的WLAN环境内,未经优化的网络往往难以支撑。因此,无线网络中负载均衡技术的应用对于中小型企业设计或升级当前的无线网络有重要的指导意义。本文针对目前中小型WLAN网络设计中存在的弊端,通过基于OPNET软件对于局域网内无线环境的仿真实验,设计了优化网络负载均衡的无线架构。以无线控制器AC+Fit AP 的组网方式为WLAN设计的核心思路,采用中央控制的组网方式,通过对各热点间的合理均衡负载及分流,达到提高整体网络利用率的目的。

关键词:无线网络、负载均衡、OPNET、仿真实验

Design and Implementation based on load balancing technology in wireless network

Abstract: With the vigorous development of the mobile Internet, traditional design of wireless local area network has been unable to meet the complex needs of the terminal, especially in a large number of access terminals within the WLAN environment, the unoptimal network is often difficult to support. Therefore, the application of load balancing technology in wireless network is very significant for small and medium enterprises to design or upgrade the current wireless network. This dissertation aims to fix the weaknesses of the current small and medium WLAN network design, it first conducts the simulation experiment for the local area network wireless environment based on the OPNET software, and then designs the optimal network load balancing wireless architecture. By networking wireless controller AC+Fit AP as the core idea of WLAN design, it adopts the network central control through the reasonable balance between the hot load and shunt, which is beneficial to enhance the utilization rate of the whole network.

 Keywords: Wireless network, load balance, OPNET, Simulation

1 引  言

1.1 背景

    随着计算机网络应用的日益普及和进步,日常生活中会有越来越多的工作和服务将由互联网应用所取代,而支撑这一切的,是一个高速接入且覆盖面广泛的移动互联网环境。随着2014年1月份IEEE正式发布的802.11ac标准,也是标志着无线接入速率步入了千兆时代。

当越来越多的移动终端均提出互联网接入需求时,作为人群聚集场所的服务提供商将思考如何在控制成本的前提下改善WLAN环境、更好的提升互联网接入使用体验,这也是当下众多中小企业在无线网络设计或改造中亟待解决的问题。

1.2 项目的目的与意义

基于成本考虑,当前大部分中小型企业在考虑升级或改造现有WLAN部署时,多数是选择在原有的有线网络的基础上使用无线路由进行局部WLAN覆盖,或搭配网桥设备实现覆盖范围的拓展。

这种部署方式优点在于成本低廉、组网简单、易于操作、故障易排查等方面,但同时缺点也十分明显:普通的无线路由无法应对较多终端接入需求,当连接数较多时则会极大降低服务质量,出现连接不稳定、网络抖动、上层业务中断等情况;不同WLAN间无法做到相互融合,当终端设备移动其位置时,需要手动切换连接热点,重新认证,用户体验差;同一局域网内各热点间无法均衡负载,当接入点较多且分布不均衡时,会造成部分热点负载已达到阀值,而另一部分热点仍为空闲,网络资源消耗较大;同一局域网无法对各热点统一管理,也无法对接入设备作出安全防护和对上网行为作出有效监控。

为此,本文首先深入分析和探讨了对于WLAN部署中的无线负载均衡问题,并简析负载出现的原因和解决的思路。其次,在第3章中,利用Windows环境下OPNET仿真软件模拟无线局域网中的实际使用状态,对在网络中实施负载均衡前后的网络性能作对照分析说明。通过仿真模拟实验来论证无线负载均衡技术在实际工作中应用的必要性。最后通过实际案例,结合用户需求,设计网络拓扑结构,并对结构中各个环节做相应说明,最终达到无线负载均衡技术的理论分析在实际应用中的可行性验证。

本文的目的是通过对于不同网络环境下的使用需求分析,设计合理、可行的网络部署方案,以期达到实际应用中满意的用户体验。本文的意义也是基于对无线网络中负载均衡的分析,为中小型企业部署新一代WLAN,提供实际的指导意见。

2  WLAN技术概述

本章简要概述目前WLAN技术的应用现状及部署WLAN时所遇到的常见问题;通过对于WLAN技术的优缺点分析,深入研究中小型企业在无线网络设计中的关键点——负载均衡,以期在搭建网络架构时,通过分析不同的网络使用需求,选择合理的架构方案。

2.1 WLAN技术的应用现状

随着科技的进步,互联网的发展日新月异,许多日常生活中的传统内容经过互联网的接入而发生了巨大的变化,例如即时通讯、语音视频聊天、在线购物、日常出行、生活服务等等,可以说互联网改变了我们的生活。而近几十年来,我们日常的上网方式也从使用PC通过有线连接接入互联网,逐渐转变到使用更多的移动终端来接入互联网,例如笔记本、平板电脑、掌上电脑、手机、家电、甚至未来的可穿戴设备。而随着越来越多的身边的设备开始接入互联网,如何给这些设备提供合理、稳定的网络资源,则成了我们在架构网络时需要面对的问题。

相对于传统的有线网络连接模式,无线局域网在移动性、组网难易度和扩展灵活度等方面的表现更加优异。而近年随着IEEE 802.11无线组网技术(WLAN)的快速发展,更多的企业和个人在组网时的选择上也更加青睐于WLAN。在传统有线网络组网方式的基础上利用无线局域网接入点(AP)作为便捷拓展形式也是众多中小企业在升级现有网络、或是对于人群聚集的场所如卖场、超市、会展中心等地提供互联网接入服务时的首选。

而另一方面终端应用的不断发展,移动设备的持续更新,在网络实际部署中也遇到很多新问题,例如在局域网内局部接入负载过重如何平衡分流、接入点的局域网内移动时如何保持业务不终端、对于接入终端的认证与管理等等。这些问题的解决将会使中小型企业在面对大量业务移动化的当下更加游刃有余。

2.2 WLAN技术的优缺点

2.2.1 WLAN的优点

相对于有线局域网,WLAN的优点[1]在于:更多着眼于移动性,根据阿里巴巴的统计数据,现在移动终端的互联网访问占比已超过80%,更多移动终端的软、硬件开发使得终端在连接互联网时的移动性需求逐步攀升;安装过程便捷快速,无线局域网的组网方式更加快捷,不但免除了布线时穿墙、开槽的繁琐工作,对于某些不便于布线的区域更是有有线网络不具备的优势;组网自由,易于修正,无线网络不同于有线网路中,没有由线路引起的网络故障,易于修正,对于其中故障点易于排查,拓展网络也更为便捷。如遇灾害,也具有更快的恢复能力;运营成本低,网络架设前期,无线局域网的成本会略高于有线网络,但网络资源本身属于长期使用资源,从长远时间来看,无线网络不但减少了前期布线、施工费用,也减少了后期维护和扩展需要增加的费用。并且在移动应用更加发达的未来,WLAN的投资回报率更高;无线局域网拓展便捷,它可以匹配多种拓扑结构,随着终端数量的迅速增加,WLAN的扩展相比也会更加经济实用。

2.2.2 WLAN的缺点

WLAN技术作为当前主流的组网技术已被越来越多的服务提供商所接受,但在不同的使用环境、不同的部署策略中,仍然存在较多问题:比如较难控制的终端接入认证、上网行为管理和均衡负载等问题。这些问题是在实际设计部署中将会遇到并且亟待解决的。

2.3 负载均衡

2.3.1 负载均衡的定义 

通常意义上的负载均衡,就是将承载在系统内某一单个载体上的负荷按照某种优化分配方式分流到系统内同平台其它载体之上,以达到系统整体工作效率和各节点资源利用率的最大化[2]。

在一个网络体系内,实施均衡负载的目的就是要对网络系统中各个接入点的负荷进行分流,使得各个接入点的负载量保持相当,整体的网络资源利用率可以达到一个理想状态[3]。在传统的有线网络结构中,这种均衡体现在各终端的带宽、接入网络资源分配等方面。这种调整一般和各终端的物理位置没什么关系,所以基本上可以在局域网络内部达成。相对来说无线网络架构最大的区别就是在于网络本身对于终端接入点的选择和调配权利大大减弱了。这是因为网络内每一个无线接入点的信号覆盖范围都是有限的,终端选择哪个接入点来连接网络取决于终端用户所处的物理位置。

因此,在设计无线网络架构时,基于对均衡负载的兼顾,不仅要设计合理的拓扑结构,也需要考虑实际使用需求点的物理位置分布。这样当终端在面对多个接入点准备接入网络时,可以选择最合理(距离、信号强度、接入点负载等综合考虑)的一个进行连接,对于优化网络、提高性能是有着重要影响的。

负载均衡(load balance)策略是在现有网络结构基础之上,提供一种廉价、有效、透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性[4]。

负载均衡在应用中有两层意义:第一,是将超出阀值的并发访问量或数据流量分摊到多个节点设备上分别处理,减少终端等待反馈的时间;第二,单个负载过重的运算分摊到多个节点设备上做并行处理,每个节点设备处理结束后,将结果再汇总,返回到用户,从整体进程来看,系统处理能力得到大幅提高[4]。

2.3.2 负载均衡的分类

WLAN中的负载均衡技术,可以通过两个方面来区分。按照发起方来分,负载均衡可以分为终端主控的负载均衡和AP主控的负载均衡。按照解决方式可分为接入式负载均衡和切换式负载均衡[5]。

1)终端主控负载均衡

终端主控的负载均衡,是终端通过自发选择来实现平衡的策略。终端通过切换自身连接的热点来优化自身接入体验,同时间接的实现网络侧负载的转移。

终端主控的优点在于用户可以自行选择接入点,所有的结果也需要自行承担。缺点是,相对于整体网络系统,终端切换时较为盲目。并且终端的随意切换也会影响全局系统,造成系统不必要的负担。

2) AP主控负载均衡

AP主控负载均衡的方式,基于网络侧的各AP之间通过有线连接,相互之间可以共享网络侧负载情况和终端信息,同时也不影响终端业务。通过判断各AP压力状况, ESS就可以做出相应调整:比如引导分流,当网络中有新的加入申请的终端被发现时,将主动对其屏蔽,或是将部分高负荷的AP上搭载的终端引流至低负载AP上,从而实现同一ESS(extended service set 扩展服务集合)上的负载均衡。

这种解决方案优点在于对网络侧来说更加有利,对整体网络的监管加强、负载的即时调整较为迅速。不足的地方在于网络侧对于终端当前所在的网络中的物理位置缺乏准确判断、终端侧面对可选择的AP的当前状况缺乏了解,存在切换失误的风险。

3) 接入式负载均衡

接入式负载均衡为通过主动管理终端的接入选择来完成均衡负载。各AP自行判断当前负载状态,当接近或达到负载阈值时,会主动拒绝新的接入请求;而请求终端则会自动去寻求开放状态的AP进行连接。从而在一定的程度上实现负载的均衡。

这种均衡负载的方式较为被动,调整速度慢,并且对于当前负载较重的节点并无改善或其他优化作用。

4) 切换式负载均衡

切换式负载均衡就是通过主动分流高负载AP上的终端来实现均衡负载。在同一网络内,各AP通过控制器统一监管状态,通过对网络中各AP的负载状况的了解,实时调整终端连接来平衡网络负载,以此来实现整个ESS(extended service set 扩展服务集合)的全局平衡[5]。

2.3.3 负载不均衡的形式

1)无线AP连接的终端的个数不均衡

在同一局域网内,大多数情况下是分布多个AP为整个环境内多个移动终端提供网络接入服务,每个AP利用网络侧信息对自身状态及接入终端进行管理。WLAN中负载均衡的目的,就是在现有网络资源的基础上,最大化的提升资源利用率。

当区域中存在多个AP可供终端选择时,经过一段时间的运行,位于中心点的AP连接的终端数量已明显多于位于区域四周的AP当前的负载数量,其所承担的数据处理工作也已达阀值,此时连接到此AP的各终端所享受到的业务服务质量也已大幅下滑。同时,网络中位置较为偏僻的AP所可以承载的业务量尚未饱和,网络中就出现了负载不平衡。我们所说的负载均衡就是要解决这种不平衡状态,将中心点AP上连接的某些终端或业务以某种策略转移到外围的AP上,以提高网络中各节点/AP的数据处理效率和各热点的服务质量。

目   录

中文摘要 …………………………………………………………………………… 1

英文摘要 …………………………………………………………………………… 2

1引言 ………………………………………………………………………………… 3

  1.1 背景 …………………………………………………………………………… 3

  1.2 项目的目的与意义 …………………………………………………………… 3

2 WLAN的技术概述 …………………………………………………………… 5

  2.1 WLAN技术应用现状 ………………………………………………………… 5

  2.2 WLAN技术的优缺点 ………………………………………………………… 6

  2.3 负载均衡 ……………………………………………………………………… 6

3 负载均衡仿真实验 ……………………………………………………………… 10

  3.1 引言 ………………………………………………………………………… 10

  3.2 仿真场景设置 ……………………………………………………………… 10

  3.3 仿真结果及分析 …………………………………………………………… 13

4针对实际案例的设计方案………………………………………………………… 18

  4.1 项目概述 …………………………………………………………………… 18

  4.2 网络架构设计原则 ………………………………………………………… 19

  4.3 WLAN设计与部署 ………………………………………………………… 20

  4.4 计算机网络的设计 ………………………………………………………… 21

5 总结与展望……………………………………………………………………… 24

参考文献………………………………………………………………………… 25

参 考 文 献

[1] 吴超, 唐为平. 无线局域网技术概述[J]. 港口科技. 11:27-30,2006

[2] 杨鑫. 无线局域网负载均衡的研究[D]. 上海交通大学. 2005. 

[3] 于桂宾. 无线网络负载均衡技术浅析[J]. 电脑知识与技术. 2: 248-249, 254, 2008.

[4] 龙佳琴. 负载均衡技术在企业中的应用研究[J].计算机光盘软件与应用. 6: 97-100, 2014.

[5] 王新建.无线局域网中移动VOIP切换及AP负载平衡研究[D]. 江苏大学. 2009.

[6] 任黎明.基于ARM的无线视频传输系统设计[D]..杭州电子科技大学. 2015. 

[7] 杨建新,顾卫杰.基于OPNET的网络建模与仿真研究[J]. 内江科技, 7: 140-140, 2010.

[8] 王夫龙. M2M网络中节点能耗均衡算法研究[D].南京邮电大学..2016.

[9] 彭蔓蔓. WLAN中一种基于负载平衡的AP切换机制[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 83-86, 2007.

[10] 何铁军. 浅谈网络平台数据中心机房改造的一般原则[J]. 计算机光盘软件与应用, 24:113, 2011

[11] 金红颖,王朝斌,廖鹰梅. 校园网网络拓扑发现技术研究[J]. 计算机安全. 10:.43-44, 2010.


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