无线局域网中的负载均衡问题

2019-11-05 02:13:13

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供稿：网友

　　在网络应用过程中，我们经常能听到负载均衡这个词，那么什么是负载均衡呢？在有线分布式系统中，负载均衡是指将网络的外部服务请求均匀分配到多台后端的服务器上，从而提高网络服务质量的方法。

　　我们都知道，由于外部网络任务到达的随机性，以及各处理节点处理能力上的差异，当分布式系统运行一段时间后，某些节点分配的任务还很多(称之为超载)，而另一些节点却是空闲的(称之为轻载)。一方面，使超载节点上的任务尽可能快地完成是当务之急；另一方面，某些节点轻载是一种浪费。如何避免这种忙与空闲并存情况的发生，从而有效地提高系统的资源利用率，减少任务的平均响应时间。这是负载均衡需要解决的问题。

　　简单的来说，负载均衡问题是对任务的优化组合问题。有线分布式系统中的负载均衡方法操作的对象是任务。其的基本途径就是收集负载信息，进行相关算法决策，对分配给各节点的任务进行重新调度如进程迁移或任务迁移。

　　无线局域网中的负载均衡面临比有线网络更多的困难。随着无线局域网中扩展服务集中的终端的移动和无线信道的时变，各个接入点(AP)上的负载出现差异。负载均衡的作用就是平衡各个AP的差异，以达到最大化的网络资源利用。

　　其实，负载均衡是无线资源治理的重点，IEEE的802.11工作组的TGv任务组，专门负责解决无线局域网的负载均衡问题。

　　下面，我们主要来探讨下无线局域网中的负载均衡，

　　无线局域网中的负载均衡与有线分布式系统中的负载均衡不同，表现在负载均衡控制的对象和控制方式上。由于无线终端的移动性和无线信道的时变性，无线局域网中的负载均衡面临的情况更加复杂。

　　无线局域网(WLAN)是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成的可以互相通信和实现资源共享的网络体系。在无线局域网中有两种角色：AP和终端(STA)。AP作为固定基础设备，通过有线分布式系统互连。STA作为移动终端，接受AP提供的接入服务。

　　负载不均衡形式一：无线AP连接的终端的个数不均衡

　　终端通过扫描信道，获取所处WLAN环境中扩展服务集和基本服务集信息，并选择加入一个合适的基本服务集。WLAN中负载均衡就是由多个AP为多个移动终端提供接入服务的系统，每一个AP通过利用网络信息进行站点治理，目的是充分利用网络现有资源，减少网络阻塞。

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　　图:无线网络拓补图

　　位于中心点的AP，经过一段时间的运行，连接的终端的个数要多于四面AP的终端个数，承担的业务也已经饱和，此时连接到中心点AP的终端的业务的服务质量(QoS)已经不能保证。而外围的AP业务还不饱和，网络中出现负载差异。负载均衡就是要解决这种差异，将中心点AP的某些业务转移到外围的AP上，以提高网络的服务容量和中心点AP的业务质量。

　　

　　　　负载不均衡形式二：终端不停地切换造成负载抖动　　

　　WLAN共有两种工作组织形式，独立基本服务集(IBSS)和基本服务集(BSS)。　　

　　终端（例如带有无线网络下的笔记本电脑）在进入网络的时候必须选择一个AP作为连接对象，这就是终端接入过程，接入过程要经过扫描、认证、连接等步骤。一般而言，终端在扫描过程中会扫描到多个AP的信息，终端选择AP的条件是扫描到的AP的信号强度。由于无线局域网中终端的移动特性和无线信道的时变特性，终端在某些情况下会发生从一个BSS切换到另一个BSS的情况。这种情况就是无线局域网中的切换。终端切换带来的问题是切换时延，甚至上层业务的中断。切换还会带来的问题是“乒乓效应”。即终端不停地在两个或多个AP之间切换，终端就像乒乓球一样。这样会造成负载抖动，对网络资源造成极大的损耗。

　　无线局域网中的负载均衡的分类

　　可以从两个方面对无线局域网的负载均衡技术进行分类。按照负载均衡的发起者分，负载均衡可以分为STA主控的负载均衡和AP主控的负载均衡。按照负载均衡的解决方式可分为接入式负载均衡和切换式负载均衡。无线局域网的负载均衡的分类如图所示。

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　　图:无线局域网的负载均衡分类

　　终端（STA）主控负载均衡

　　STA主控的负载均衡实际上是一种自发的负载均衡策略，是无线局域网中STA的特性之一。切换完成的STA实际上也实现了网络负载的传递。

　　仅仅靠信号质量作为STA切换的条件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改进切换的时机，以更准确地实现终端切换带来的负载变化。

　　STA主控的优点是：STA最清楚自己的业务需求和所处的环境，STA扫描得到的环境中可用的BSS情况对STA而言最准确。而且，切换或接入的主体是STA，业务也是在STA上开展，切换造成的损失由STA承担。缺点是：STA仅仅知道终端侧的情况和STA自身的情况，对网络环境而言，STA并不能准确把握，没有发言权。STA切换随意性大，会对整个ESS造成混乱，使网络全局的负载均衡效果不佳。

　　AP主控负载均衡

　　AP主控负载均衡的出发点是，AP处于网络侧，AP之间通过有线的连接，可以在不影响STA业务的情况下，相互传递与负载均衡相关的信息。根据这些信息，ESS就可以判定出AP中负载最重的AP和负载最轻的AP。拥有这些信息的ESS就可以做出一些决策，比如，让负载重的AP下的终端切换到负载轻的AP下，或者对新加入网络的终端进行限制，不答应负载重的AP接入而只答应负载轻的AP接入等，实现ESS内的负载均衡。

　　AP主控的优点是网络侧的整体情况可以通过AP之间的分布式系统，准确、及时地进行统计，在整体协调和调度方面对网络侧有利，也比较轻易实现整体策略的实施。另外就是整个网络的负载均衡调整速度会很快。缺点是网络侧并不知道STA所处的位置和网络环境、STA所能够扫描到的AP的情况，所以有切换决策错误的风险。

　　接入式负载均衡

　　接入式负载均衡就是控制STA的接入实现负载均衡。当AP的负载情况超过阈值后，该AP就会拒绝新的终端的接入，加入网络的终端只好寻找负载较轻的AP进行连接。从而在一定的程度上实现负载的均衡。

　　由于接入式负载均衡只控制新终端的接入过程或切换后的重连接过程，属于被动的负载均衡，负载均衡的调整收敛速度会比较慢。极端情况下，没有新的终端进入网络，或者所有的STA都维持当前连接，网络会一直处于非平衡状态。

　　切换式负载均衡

　　切换式负载均衡就是控制STA的切换以实现负载均衡。当ESS中某AP的负载过重的时候，ESS或终端控制该AP下的STA切换到其他AP上，以分散负担。当ESS中某AP的负载过轻的时候，ESS或终端就控制其他AP下的STA切换到该AP上，以实现整个ESS的全局平衡。

　　切换式负载均衡的特点是反应迅速，一旦出现负载差异，可以通过切换行为迅速调整。缺点是切换会对终端造成损失，有切换失败和上层业务中断的风险。同时，切换式负载均衡必须依靠于快速切换才能实现。假如快速切换方法效果差，则负载均衡造成的损失会增大。

　　将AP主控方法和切换式负载均衡方法相结合是当前研究的热点，不仅可以准确地收集信息做出决策，而且可以迅速反应，主动地调整扩展服务集中的负载分布。

　　虽然负载均衡的本意是为了优化网络的运行，平均分配整个网络中的负载，达到尽可能高的网络资源的利用率，提高网络的性能。但是，作为一种网络治理行为，负载均衡为网络引入了负载信息交互的网络开销和负载均衡调整的网络治理开销，并且与之相关的，终端切换也会增加网络的开销。随着ESS中AP数量的增加或STA数量的增加，维护负载均衡所需的网络开销也会增大，对网络性能造成干扰和损失。

　　负载均衡也有负载调整失败的风险。切换有失败的可能，会造成孤立节点的存在。切换失败的终端不得不重新寻找AP进行接入，上层业务必然会中断。另外，切换是对稳定的网络环境的干扰，过于频繁的切换会造成网络性能的抖动，并且可能出现“乒乓效应”，使网络长时间处于动荡状态，不能稳定。

　　

　　　　TD-SCDMA系统中的负载均衡技术

　　时分同步码分多址(TD-SCDMA)是一个时分同步系统，在通用移动通信系统陆地无线接入网(UTRAN)的无线资源控制(RRC)中，很重要的一部分内容就是负载均衡。在时分系统中，时间和码道资源是非常有限的，而且在时分系统中，大量的业务是电路交换业务，对QoS的要求都很高，所以，负载均衡在时分系统中非常重要。

　　时分系统中的负载均衡有多重粒度。除了可以控制用户终端(UE)的切换之外，甚至可以在每个时隙的基础上控制负载的分配。与无线局域网不同的是，时分中的某些负载均衡方法是以牺牲UE的业务为代价的，比如暂时中断分组数据业务，甚至强迫用户掉话，中断电路交换业务，强制UE释放系统资源。

　　结束语

　　由于无线局域网的使用环境，负载均衡面临着比有线分布式系统中更加复杂的问题。好的负载均衡方法可以有效地提高网络的效率，提高资源的利用率，降低系统拥塞的可能性，提高系统反抗负担变化的能力，提高系统的容忍度。无线局域网的负载均衡应该遵循以下原则：

　　准确地评估每个AP的负载状况，并尽快地进行负载信息的交互；负载信息的交互应该不影响业务质量。

　　高效的均衡算法，准确地选择执行负载均衡调整操作的执行者，并结合切换和接入两种手段；如何加快负载均衡调整的收敛速度也是均衡算法应该关注的重点。

　　结合快速切换的切换治理和控制，要避免多个终端在同一个AP处的切换竞争和拥塞。

　　降负载均衡的副作用，应该降低网络开销，具备避免频繁切换、切换失败控制等机制。

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