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无线校园网的QoS部署

【发布时间:2008-05-16】

1   概述

无线局域网(WLAN)正在迅速地融入我们的生活,而对于服务质量(QoS)保障也是一个在WLAN系统建设过程中的着重考虑到因素。对于一张网络来讲,现阶段基本上都是有线无线混合的网络,服务质量则要从一个端到端服务质量保证进行考虑,各种应用一般会经过无线接入、有线骨干网传输、无线接入的传输途径。因此还需要对无线网络和有线网络的QoS进行整体规划,从而实现全网端到端的服务质量保障。H3C无线产品在IEEE 802.11e标准的基础上,结合有线网络QoS,推出了有线无线全网端到端的QoS解决方案。

2   无线空口服务质量保障

IEEE 802.11e标准定义了无线局域网MAC层服务质量,支持语音、视频等多媒体业务在无线局域网中的应用。标准扩展了原802.11 MAC层DCF和PCF信道接入机制,形成了EDCA和HCCA信道接入规范。前者增强了DCF机制,区分不同业务应用的优先级,保障高优先级业务的信道接入能力,并在一定程度上保障了高优先业务的带宽。后者增强了PCF机制,通过QAP的集中控制,以轮询方式为QSTA分配空口资源,提供改善的访问带宽并且减少了高优先级业务的延迟

EDCA机制是IEEE 802.11e的核心,它区分了不同优先级的接入信道的能力,从而保障了空口资源依据数据流优先级分配。

2.1   竞争机制

802.11标准基于CSMA/CA机制,为了避免冲突引入了多个帧间隙:SIFS、DIFS、EIFS、PIFS。IEEE 802.11E标准为了支持QoS,引入了新的帧间隙:AIFS,用来区分不同优先级。

                                                                                                                                                                        图1 帧间隙

如上图所示,下标[i]、[j]表示不同的AC,AC[i]的竞争参数优于AC[j]。

QSTA在信道空闲开始时必须等待AIFS时间后才能进行退避,最先退避结束的AC开始使用信道进行通讯,其他AC由于信道忙处于静默状态,在通讯结束后,所有QSTA的所有AC再次进行信道竞争。不同的QSTA间存在信道竞争,同一个QSTA不同的AC间同样存在信道竞争。

2.2   竞争参数

每个AC均有独立的信道竞争参数,不恰当的信道竞争参数会导致优先级的反转。AC从开始竞争到竞争结束获得信道的时间长度为AIFS + Backoff时间(Backoff时间可以延续前面竞争所剩余的时间),Backoff时间通过CWmin和CWmax可以确定范围,并在这个范围内取值。Backoff的选择机制同IEEE 802.11标准。

高优先级的AC AIFS时间短,可以更早的进行退避过程。因此在竞争中,高优先级的AC可以优先接入信道。在QBSS中,信道竞争参数由QAP统一管理和下发。QAP和QSTA的信道竞争参数完全独立。一般可以稍稍提高QAP的信道竞争参数,保障QAP有足够高的信道控制能力。QAP通过beacon或Probe Response帧中的EDCA Parameter Set IE通告QAP的EDCA参数设置,通过(Re)Association Response帧中的EDCA Parameter Set IE将经过协商的EDCA参数设置下发给QSTA。

2.3   TXOP及多重帧传送

QSTA在获得信道使用权后,在设置的TXOP Limit时间内进行数据交互的过程。在这个段时间内,QSTA可以发送多个数据包。这个数据帧最大的特点是AC相同,但是目的地址可以不同。

TXOP内首个发送帧(不限于数据帧,可以通过RTS或者CTS to self预约)需要一次预约整个TXOP Limit内帧传送的所有时间,以使其他STA的虚侦听机制正常工作。

一次TXOP结束后,重新开始新一轮的信道竞争,在经过time gap (=AIFS[AC]

+BackOff) 后,某STA可以开始使用信道。由于节省了每次帧传送后的信道竞争时

间,提高了吞吐量。

3   全网端到端QoS解决方案

802.11E只实现了无线空口的业务优先级区分、高优先级业务优先保障带宽,没能解决如何在全网实现端到端的QoS问题。H3C无线控制器(AC)+ FIT AP的端到端QoS解决方案不仅解决了无线接入点和无线用户直接在无线介质上的QoS,而且还通过将无线用户的优先级映射与无线控制器-FIT AP间的CAPWAP隧道优先级,结合有线网络QoS机制进而实现了全网的端到端QoS。

首先介绍一下AC + FIT AP的集中式WLAN管理模式:

随着WLAN技术的成熟和应用的普及,越来越多的学校等机构开始大规模部署WLAN网络,一种WLAN网络架构-AC+FIT AP集中式WLAN管理模式应运而生。AC+FIT AP控制架构对设备的功能进行了划分,其中AC负责无线网络的接入控制,转发和统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理、安全控制;FIT AP负责802.11报文的加解密、802.11的PHY功能、接受无线控制器的管理、RF空口的统计等简单功能。在AC + FIT AP架构中,AC和AP之间是跨越网络进行互联的。

下面通过描述在H3C集中式WLAN管理模式下,无线用户之间数据传输时报文优先级的映射处理过程,来说明WLAN网络中端到端的服务质量保障实现:

                                                                                                                      图2 STATION TO STATION情况下QoS映射过程

无线用户STA1向无线用户STA2发送数据:

1)       无线用户STA1发送带802.11e信息的802.11Mac报文到AP1;

2)       AP1根据QOS的信任模式设置报文的内部优先级;

3)       AP1针对报文进行CAPWAP隧道封装,同时将报文优先级映射到隧道优先级中;

4)       根据QoS策略进行发送报文;

5)       AC1收到AP1发送过来的报文,去CAPWAP封装;

6)       根据入端口信任模式设置报文的内部优先级COS;

7)       根据出端口的信任模式再封装802.11Mac报文,并根据报文的内部优先级COS值封装报文的802.11e域;

8)       对封装后的802.11Mac报文进行CAPWAP隧道封装,将内部优先级COS映射到隧道的QOS域;

9)       发送报文到AP2,AP2去CAPWAP封装;

10)    根据QoS策略将报文映射到不同的队列进行调度,调度QoS队列,发送报文到STA2。

4   在无线校园部署QoS的意义

近些年来,校园网络平台的基础建设已经完成,越来越多的学校把校园网建设的重点向便利性和易用性转移,最典型的就是无线校园网建设。无线网的价值不仅是摆脱有线网的束缚,而是提供更丰富的、多样化的业务来丰富教学、办公等核心业务。从技术角度来看,VoWLAN、无线监控、不同等级用户无线上网实际上对无线网落的QoS能力要求有较好的支撑。

QOS的功能在校园网主要的价值点为:网络有序。无线QOS功能在校园网主要的价值点:无线网络有序的网时,提高系统的抗干扰能力及网络的带宽。