面向快速切換和可靠組播的WLAN 傳輸系統(tǒng)

劉軼峰，曾學文，韓 銳，孫 鵬

（1.中國科學院聲學研究所國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049）

視頻流量以及移動設(shè)備的激增使無線環(huán)境下切換和組播場景日益增多。IEEE 802.11 無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network,WLAN）[1-2]為用戶提供了廣泛的互聯(lián)網(wǎng)接入方式[3-4]，但卻難以滿足特定場景的需求[5]。在切換方面，現(xiàn)有的無線切換延遲較大[6]。在組播方面，無線組播機制存在不可靠、效率低的問題[7-8]，難以滿足高質(zhì)量業(yè)務(wù)的需求[9]。在現(xiàn)有方案中，將組播轉(zhuǎn)成單播的方式[10]會浪費過多帶寬；顯式反饋與重傳的方式[11-12]會導致反饋開銷大、丟包恢復時間長。而前向糾錯編碼（Forward Error Correction,FEC）[13-14]難以有效應(yīng)對無線環(huán)境中的突發(fā)丟包。

針對這些問題，該文設(shè)計并實現(xiàn)了一個集中控制的WLAN 傳輸系統(tǒng)。在切換方面，系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的切換方式，極大地減少了切換時延。在組播方面，系統(tǒng)采取噴泉碼[15-16]與NACK（Negative Acknowledgement）結(jié)合的方式，提供了高效可靠的無線組播服務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 是系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。整個系統(tǒng)工作于網(wǎng)絡(luò)邊緣來支持無線切換和無線組播。系統(tǒng)包含邊緣網(wǎng)關(guān)、無線接入（Access Point,AP）以及終端3 種設(shè)備。其中，邊緣網(wǎng)關(guān)是控制平面和數(shù)據(jù)平面的物理載體。一方面，邊緣網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)平面的路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，負責對報文進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，并能改變組播報文的協(xié)議格式來支持基于應(yīng)用層噴泉碼的無線組播；另一方面，邊緣網(wǎng)關(guān)作為所有AP 的接入控制器（Access Control，AC），能夠?qū)λ蠥P 以及關(guān)聯(lián)的無線終端進行有效管理，從而對無線快速切換提供支持。系統(tǒng)中的AP 不僅轉(zhuǎn)發(fā)流量，還負責抽象無線資源以及關(guān)聯(lián)終端的上下文信息，并通告給邊緣網(wǎng)關(guān)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 AP實現(xiàn)方案

AP架構(gòu)如圖2所示，其主要包含3個模塊：配置模塊、MLME（Mac Layer Management Entity）模塊以及組播模塊。為了加速信令處理，避免用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的頻繁切換，3 個模塊均工作于Linux 內(nèi)核空間，并通過與Linux內(nèi)核無線子系統(tǒng)（cfg80211和mac80211）進行交互，來控制無線網(wǎng)卡的行為。

圖2 基于Linux內(nèi)核的AP架構(gòu)

從圖中可以看出，AP 是一個二層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，使用Openvswich（OVS）將工作于AP 模式的無線接口wlan0 與以太網(wǎng)接口eth0 進行橋接，并通過設(shè)置流表對控制信令流和數(shù)據(jù)流進行正確轉(zhuǎn)發(fā)。

為了讓AP 模塊能與邊緣網(wǎng)關(guān)進行通信，首先在內(nèi)核中創(chuàng)建了一個虛擬網(wǎng)絡(luò)接口wconf，并將其橋接至OVS。wconf 作為AP 模塊與以太網(wǎng)的紐帶，連接了3 個模塊與邊緣網(wǎng)關(guān)。當模塊往邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)送報文時，報文的入口將會被設(shè)置為wconf（即skb-＞dev=wconf），OVS 可以通過這個信息來識別從模塊發(fā)往邊緣網(wǎng)關(guān)的控制信令。對于從邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)往AP 模塊的數(shù)據(jù)包，OVS 會將其轉(zhuǎn)發(fā)至wconf 接口，而后者充當了一個消息調(diào)度器。在wconf 接口的驅(qū)動發(fā)送函數(shù)ndo_start_xmit 中，對數(shù)據(jù)包進行解析，并將它發(fā)送給對應(yīng)的模塊進行進一步處理。

為了實現(xiàn)上述雙向通信流程，OVS 利用如下流表項對控制信令進行正確轉(zhuǎn)發(fā)：

1）nw_dst=localhost,nw_proto=17,udp_dst=8080,actions=output:wconf

2）in_port=wconf,nw_dst=邊緣網(wǎng)關(guān)IP,nw_proto=17,udp_dst=8080,actions=output:eth0

從第一條流表可以看出，邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)往AP（目的端口為8080）的UDP 包均從wconf 端口直接轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)核模塊進行處理。從內(nèi)核模塊發(fā)往邊緣網(wǎng)關(guān)（目的端口為8080）的UDP 包會根據(jù)第二條流表直接從eth0 端口快速轉(zhuǎn)出。

配置模塊直接與cfg80211 子系統(tǒng)進行交互，通過調(diào)用后者的接口來獲取無線網(wǎng)卡的參數(shù)。另一方面，配置模塊負責響應(yīng)邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)來的控制信令，對無線參數(shù)進行設(shè)置，例如BSS 設(shè)置、信道和帶寬設(shè)置、Beacon 幀以及ProbeResponse 幀設(shè)置、安全密鑰的設(shè)置等。每經(jīng)過一段時間或者邊緣網(wǎng)關(guān)詢問時，配置模塊會將運行時的參數(shù)上報給邊緣網(wǎng)關(guān)。

MLME 模塊負責終端接入的流程，包括認證/去認證、關(guān)聯(lián)/去關(guān)聯(lián)等。一方面，該模塊通過一個監(jiān)聽接口mon0 接收來自終端的IEEE802.11 管理幀。在Linux 內(nèi)核中，mac80211 子系統(tǒng)會復制每個收到的802.11 幀，并調(diào)用netif_receive_skb 函數(shù)將副本傳遞給每個無線監(jiān)聽端口。因此，為了能收到這些幀，MLME 模塊在內(nèi)核二層協(xié)議鏈表ptype_base 上注冊了一個處理函數(shù)，用于接收ETH_P_802_2（LLC）種類的以太網(wǎng)幀，并篩選出發(fā)向自身（IEEE 802.11 首部DA 字段等于AP 的BSSID）的管理幀然后進行處理。另一方面，MLME 模塊通過調(diào)用cfg80211 的接口發(fā)送IEEE 802.11 管理幀來響應(yīng)終端的接入請求。在與終端接入交互的流程完成后，MLME 模塊會對終端的連接與安全上下文進行組織，并將其同步至邊緣網(wǎng)關(guān)。終端的連接與安全上下文是AP 與終端建立連接的必要信息，是無線快速切換的基礎(chǔ)。

組播模塊負責對組播包進行轉(zhuǎn)發(fā)。由于工作于AP 模式的網(wǎng)絡(luò)接口wlan0 在發(fā)送組播包時通常會選擇一個很低的IEEE 802.11 物理層速率，從而導致無線網(wǎng)絡(luò)中組播幀的發(fā)送速率很低。因此，在OVS 中設(shè)置如下流表項：

該流表項會將具有組播目的MAC 的IPv4 或者IPv6 包轉(zhuǎn)發(fā)至組播模塊。后者負責將以太網(wǎng)組播包轉(zhuǎn)化為IEEE 802.11 組播幀，并在幀的前面添加Radiotap 首部。Radiotap 首部允許用戶指定該IEEE802.11 幀的發(fā)送方式。之后，組播模塊調(diào)用內(nèi)核dev_queue_xmit 函數(shù)將幀發(fā)送給監(jiān)聽端口mon0，后者的驅(qū)動負責解析Radiotap 首部，并根據(jù)首部信息發(fā)送IEEE 802.11幀。這里，在每個組播幀的Radiotap首部中指定一個較高的MCS（Modulation and Coding Scheme）以此來提升組播幀的IEEE 802.11 物理層的發(fā)送速率。

1.3 邊緣網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

邊緣網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖如圖3 所示。從圖中可以看出，邊緣網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)了5 個模塊，分別是關(guān)聯(lián)認證模塊、終端管理模塊、AP 管理模塊、切換管理模塊以及組播編碼控制模塊。其中AP 管理模塊、終端管理模塊以及關(guān)聯(lián)認證模塊利用控制信令與AP、終端進行交互，不僅實現(xiàn)了AP 作為無線接入設(shè)備的基本功能，而且能夠?qū)λ袩o線設(shè)備進行管理。切換管理模塊負責終端的快速切換。組播編碼控制模塊截取上游傳來的組播包，并利用噴泉碼對組播包進行編碼處理，然后發(fā)送給相應(yīng)的AP。如前所述，后者會將組播包經(jīng)由AP 上的組播模塊發(fā)送給終端。另外，邊緣網(wǎng)關(guān)對上下行的單播流量做正常的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3 邊緣網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能

2.1 無線快速切換

為了盡可能減少媒介中斷，采取了一種基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的快速切換方法，即在網(wǎng)絡(luò)側(cè)維護并同步終端的連接與安全上下文信息，并引導終端進行AP切換。

每個關(guān)聯(lián)的終端都有一個連接與安全上下文，該上下文信息是終端首次接入AP 時與AP 進行握手交互產(chǎn)生的，它記錄著終端的無線參數(shù)與能力。在IEEE 802.11 網(wǎng)絡(luò)中，連接與安全上下文是AP 與一個終端進行通信的必要信息，主要包括如下信息：終端的MAC 地址、支持的速率、偵聽間隔、支持的信道、HT &VHT 能力（包括20/40 MHz 帶寬下的short GI、A-MPDU/A-MSDU 聚合參數(shù)、HT/VHT 支持的信道帶寬等）、網(wǎng)卡能力（包括short preamble、short slot time、automatic power save 等）、關(guān)聯(lián)ID、安全參數(shù)（包括TKIP 的IV/PN、CCMP 密鑰、cipher suite selector）

連接與安全上下文信息由邊緣網(wǎng)關(guān)進行管理，當終端需要切換到另一個AP 時，邊緣網(wǎng)關(guān)會預(yù)先將其連接與安全上下文信息遷移至目標AP 上，然后引導終端快速切換到目標AP 并進行通信連接。這種切換引導依賴于IEEE 802.11h 協(xié)議定義的帶有CSA（Channel Switch Announcement）元 素 的Action 幀。圖4 是Action 幀的格式，除了一個標準的IEEE 802.11 首部之外，最重要的就是CSA 元素，其中New Channel 字段表明了終端切換的目標信道；Channel Switch Count 代表終端收到多少個Beacon 幀之后執(zhí)行切換。當終端收到一個CSA 幀后，它會立即切換到指定的信道上，并且與該信道上具有相同BSSID和SSID 的AP 建立通信鏈路。

圖4 帶有CSA元素的Action幀

當終端收到一個帶有CSA 元素的Action 幀后，會切換信道，并與目標信道的具有相同BSSID 的AP直接進行關(guān)聯(lián)。這是因為該終端的連接與安全上下文信息已經(jīng)預(yù)先遷移至目標AP 上了。這種切換方式不會改變終端IP 層信息，因此為了切換后能直接進行通信，需保證切換前后終端的默認網(wǎng)關(guān)一致。這樣，上下文遷移配合引導的切換方式避免了傳統(tǒng)切換復雜的握手交互，從而能減少切換時媒介中斷的時延。

切換觸發(fā)的條件基于一個預(yù)設(shè)的閾值（通常設(shè)為-70 dBm）。當前關(guān)聯(lián)AP 的接收信號強度指示RSSI（Received Signal Strength Indication）低于此閾值時，終端會執(zhí)行掃描程序來獲取不同信道AP 的RSSI，并通過關(guān)聯(lián)的AP 報告給邊緣網(wǎng)關(guān)，用于決策。邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)起切換時，會選擇一個最合適的目標AP（例如，RSSI 最大的AP），并將終端的上下文信息遷移至目標AP，然后向終端發(fā)送一個帶CSA 元素的Action 幀，引導其切換到目標AP 的信道，從而建立新路徑。具體的快速切換流程如圖5 所示。

圖5 無線快速切換流程

2.2 無線組播

該小節(jié)主要說明邊緣網(wǎng)關(guān)上組播編碼控制模塊如何對下行組播流量進行處理，從而提升無線組播傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

考慮到無線組播場景不適合過多的反饋，系統(tǒng)采用了一種應(yīng)用層前向糾錯編碼（Application Layer Forward Error Correction,AL-FEC）與NACK 結(jié)合的方式來對抗無線組播傳輸過程中的丟包。其中，AL-FEC 是基于一種高效的數(shù)字噴泉碼——wirehair來實現(xiàn)的。它具有近似線性的編解碼計算復雜度，且利用了單指令多數(shù)據(jù)流（Single Instruction Multiple Data,SIMD）指令集進行加速運算。作為一種系統(tǒng)分組碼，wirehair 以源塊作為編碼單位，每個源塊（包含k個源符號）可以編碼產(chǎn)生任意多個編碼符號（所有編碼符號組成編碼塊）。其中，前k個編碼符號就是k個源符號（為了區(qū)分，將k個以外的編碼符號稱為冗余符號）。當接收端收到任意k（或者略大于k）個編碼符號時，它就能以非常高的概率恢復出k個源符號。

噴泉碼通常與ACK 反饋相結(jié)合，即發(fā)送端需要接收端在成功恢復源塊后顯式地反饋一個ACK 來通知編碼器停止編碼發(fā)送。在無線組播場景中，當成員較多時，這種方式會帶來過多的反饋開銷，不利于系統(tǒng)擴展。因此，采取了NACK 的方式，即編碼器先主動發(fā)送一定數(shù)量的冗余符號，如果成員未成功恢復源塊則反饋一個NACK。邊緣網(wǎng)關(guān)依據(jù)NACK來調(diào)用對應(yīng)源塊的編碼器繼續(xù)發(fā)送一定量新的冗余符號。

圖6 是每個編碼符號攜帶的編碼信息。在系統(tǒng)中，它與編碼后的數(shù)據(jù)一起作為UDP 的載荷以組播的方式發(fā)送給所有成員。SBN（Source Block Number）表示源塊的編號；ESI（Encoded Symbol ID）表示編碼符號在編碼塊中的編號，每個編碼塊中的編碼符號的ESI 按照其發(fā)送的順序遞增。k代表該編碼塊中源符號的個數(shù)；S代表每個編碼符號（或源符號）的大小。mSBN 表示正在首次進行編碼發(fā)送的源塊中最小的SBN，接收端觀測收到的每個編碼符號的mSBN來判斷某個源塊是否已經(jīng)編碼發(fā)送完畢，并決定是否反饋NACK。

圖6 編碼符號攜帶的編碼信息

由于系統(tǒng)碼屬性，wirehair 前k個編碼符號就是k個源符號。邊緣網(wǎng)關(guān)中的編碼模塊并不會對原始組播流量的轉(zhuǎn)發(fā)帶來延時，因為編碼模塊僅僅設(shè)置每個輸入的源符號攜帶的編碼信息，復制該源符號，然后將其直接發(fā)送。每隔一段時間t，編碼模塊將復制的k個源符號組成源塊，創(chuàng)建一個編碼器（預(yù)編碼）并以速率r編碼發(fā)送k′-k個冗余符號。這樣每個編碼塊中，冗余符號跟在源符號后面發(fā)送。每個編碼器負責一個源塊的編碼，而根據(jù)k、k′和r的設(shè)置，相鄰的幾個源碼對應(yīng)的編碼符號可能交織在一起發(fā)送。引入幾個可配置的系統(tǒng)參數(shù)，并根據(jù)二項分布公式來確定k′的值：k′=g(w,k+2,σ)=min。μ是一個概率值，通常設(shè)為99.99%。σ是一個預(yù)設(shè)的丟包率。理論上，如果將每個編碼符號的接收看作服從獨立且相同的二點分布，那么k′表示能以大于99.99%的概率收到k+2 個編碼符號。2 代表wirehair 的譯碼開銷。在給定μ以及k時，σ控制著每個編碼塊中冗余符號的數(shù)目，σ越大，冗余符號數(shù)越多，對抗丟包能力越好，但需要的額外帶寬也會更多。

按時間t分割源塊而非數(shù)量可以更好地控制時延。但是，在發(fā)送每個編碼塊中的源符號時，無法知道源塊中源符號的個數(shù)(k)，因此將源符號的K設(shè)置為0。組播組成員每收到一個編碼符號，會根據(jù)其K字段來決定如何處理。如果K等于0（說明是源符號），則按SBN 暫時緩存該源符號；如果K不等于0（說明是冗余符號），則檢查是否有對應(yīng)的解碼器，如果沒有，則創(chuàng)建一個解碼器負責該源塊的解碼恢復，并將緩存的所有對應(yīng)的源符號和該冗余符號輸入解碼器。如果已經(jīng)有對應(yīng)的解碼器，則將該冗余符號輸入解碼器即可。與編碼類似，一個解碼器負責一個源塊的恢復。一旦解碼器收到足夠的編碼符號，則恢復所有源符號，交付給上層應(yīng)用然后關(guān)閉。

另一方面，每個解碼器都有一個生命周期，當達到最大生命周期時，解碼器會將已經(jīng)恢復的源符號交付，然后直接關(guān)閉。如前所述，接收端會觀測接收到的每個編碼符號的mSBN 字段，每當mSBN 發(fā)生變化，如果存在解碼器，其負責的SBN 小于mSBN，那么接收端單播的UDP 連接反饋一個NACK 消息給邊緣網(wǎng)關(guān)。NACK 消息中包含該源塊的SBN 以及收到的編碼符號數(shù)m。邊緣網(wǎng)關(guān)在接收到NACK 后，會根據(jù)SBN 調(diào)用對應(yīng)的編碼器繼續(xù)以速率r組播發(fā)送g(w,k-m+2,σ)個冗余符號。如果收到來自不同組播組成員對相同源塊的NACK，那么發(fā)出的冗余符號數(shù)目由接收情況最差的成員確定。

3 應(yīng)用實例與結(jié)果分析

3.1 無線切換實驗

利用ping 工具每隔10 ms 發(fā)送一次ICMP 請求報文，通過記錄對端丟失的ICMP 請求報文數(shù)目來估計切換時延。圖7 是無線切換時延的對比情況。可以看出，傳統(tǒng)無線切換的時延在250 ms 左右，而系統(tǒng)提出的快速切換的時延基本少于50 ms。這是因為系統(tǒng)在AP 間同步終端的連接與安全上下文信息，并利用Action 幀對終端切換進行引導，這種方式大大減少了傳統(tǒng)切換時信令交互帶來的時延。

圖7 無線切換時延對比

3.2 無線組播實驗

測試了系統(tǒng)傳輸8 Mbps 組播業(yè)務(wù)流量的情況。邊緣網(wǎng)關(guān)的組播編碼控制模塊每隔50 ms 劃分一個源塊(t=50 ms)，并創(chuàng)建一個新的編碼器對源塊進行編碼，以8 Mbps的速率(r=8 Mbps)輸出冗余符號。圖8顯示了傳輸過程中AP 上行和下行流量的實時吞吐，可以看出系統(tǒng)利用不到16 Mbps 的下行帶寬來傳輸8 Mbps 的組播業(yè)務(wù)，其中大約7 Mbps 的額外帶寬消耗用于傳輸編碼冗余。AP 的上行流量很小（小于100 kbps），這是因為噴泉碼成功恢復了大部分丟包，只有少量的NACK 消息返回給控制器。

圖8 AP上行和下行流量的實時吞吐

表1 顯示了傳輸過程中，各個組播成員的信息與接收情況，包括信號強度、平均丟包率、源塊的平均交付時延、能直接恢復的源塊的比例以及須通過NACK 機制才能恢復的源塊的比例。在傳輸時，成員#1、#3、#5 受到了突發(fā)的無線干擾，首次發(fā)送的編碼冗余很難對丟包進行直接恢復。因此，它們通過NACK 機制請求邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)送的新的冗余符號來進行恢復。雖然NACK 機制一定程度上增加了源塊的交付時延，但是卻能有效地提升無線媒介上的傳輸可靠性。

表1 每個成員的信息和接收情況

表2 是不同無線組播方案的主要性能對比。主要性能包括帶寬消耗、每個包的平均交付時延、可靠性（被所有成員成功接收的包的比例）以及反饋開銷。測試了不同方案對10 個終端傳輸3 Mbps 組播流量的情況，每個組播包大小為768 B。其中，ILM（Improved Legacy Multicast）表示以滿足組播流量帶寬的最低的MCS 進行組播傳輸；DMS（Direct Multicast Service）將組播流量轉(zhuǎn)化為單播流量分別發(fā)送給每個成員；BACK 表示塊確認機制。每當邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)送完成一個塊，成員如果未能完全接受則返回一個NACK 請求重傳。該文方案中，每隔50 ms 劃分一次源塊(t=50 ms)，編碼器輸出速率r=3 Mbps。

表2 不同方案主要性能對比

從實驗結(jié)果可以看出，ILM 由于缺少包級別的糾錯機制，傳輸可靠性很低（90.2%），難以滿足高質(zhì)量業(yè)務(wù)需求。DMS 將組播轉(zhuǎn)化為了單播，充分利用了單播的速率自適應(yīng)機制和ARQ 機制。雖然這種方式達到了很高的可靠性（99.9%），但消耗了過多帶寬（31.7 Mbps）。而且組播成員越多，帶寬消耗就越大，不利于系統(tǒng)的擴展。BACK 采用顯式反饋請求重傳的方式來保證可靠性。雖然能使可靠性達到98.3%，但是包的平均交付時延較大，反饋開銷較多（156 個/秒）。而且隨著成員增多，反饋開銷也會增多，容易產(chǎn)生反饋風暴。該文方案通過先主動發(fā)送一部分編碼冗余來對抗丟包，這消耗了額外的帶寬。但是相比于ILM，該文方案使得組播傳輸?shù)目煽啃赃_到了單播水平；因為噴泉碼能夠有效地恢復大部分丟包，所以相比于BACK，該文方案有效地降低了包交付的時延，且大大減少了反饋開銷。

4 結(jié)論

該文設(shè)計并實現(xiàn)了一種集中控制的WLAN 傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采取基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的快速切換機制以及基于噴泉碼和NACK 的無線組播方案，為用戶提供了低時延的無線切換服務(wù)以及可靠高效的無線組播服務(wù)，具有廣泛的應(yīng)用場景。