可靠無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中接入點(diǎn)失效的容錯(cuò)技術(shù)

1、可靠無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中接入點(diǎn)失效的容錯(cuò)技術(shù)Rajeev Gandhi卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系5000 Forbes Avenue, Pittsburgh, PA 15213-3890摘 要按照IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的結(jié)構(gòu)模式之一的描述，移動(dòng)工作站是通過(guò)連接到一個(gè)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)之間起橋梁作用的無(wú)線接入點(diǎn)達(dá)到與有線網(wǎng)絡(luò)連通的。如果一個(gè)接入點(diǎn)連接失敗，那么所有通過(guò)此接入點(diǎn)連接至有線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)設(shè)備就會(huì)丟失連接。在本篇論文中，我們著眼于無(wú)線接入點(diǎn)失效的容錯(cuò)技術(shù)來(lái)分析如何增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性，提出并評(píng)估了一種全新的檢錯(cuò)機(jī)制，這一基于信噪比

2、的機(jī)制比“心跳”機(jī)制更為有效。另外，我們還比較了三種在802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)錯(cuò)誤恢復(fù)的技術(shù)。1- 介紹在過(guò)去幾年中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有了迅猛的發(fā)展。與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線網(wǎng)可以為移動(dòng)中的用戶提供流暢的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。近年來(lái)，基于IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)6已經(jīng)在為移動(dòng)工作站提供的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中獲得了普及。IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種為移動(dòng)工作站提供網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的結(jié)構(gòu)模式：l 基本模式（Infrastructural 模式），在這種模式下，移動(dòng)工作站通過(guò)一接入點(diǎn)無(wú)線連接到有線網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)接入點(diǎn)充當(dāng)了有線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)工作站之間的網(wǎng)關(guān)（即無(wú)線終點(diǎn)）。在這篇論文以下的部分，我們將僅限于基本模

3、式下的討論。l 對(duì)等模式（Ad-hoc模式），該模式下，移動(dòng)終端不需要接入點(diǎn)即可直接進(jìn)行相互間通信協(xié)調(diào)來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)。圖1. 兩個(gè)以有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)備（BSS）組成一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備（ESS）而形成的IEEE 802.11無(wú)線系統(tǒng)每個(gè)接入點(diǎn)都有一個(gè)覆蓋范圍，即一個(gè)可進(jìn)行操作的有限范圍，在開(kāi)闊環(huán)境下通常是500-1500英尺；在一個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)工作的移動(dòng)站可以從該接入點(diǎn)接收信號(hào)。建立多路并聯(lián)接入點(diǎn)可以為移動(dòng)中的工作站提供連續(xù)無(wú)間斷的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，為了支持當(dāng)移動(dòng)工作站在兩個(gè)接入點(diǎn)各自的覆蓋范圍之間移動(dòng)時(shí)可以從原接入點(diǎn)接連轉(zhuǎn)換到新接入點(diǎn)連接，IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)提供了一種切換方案。

4、接入點(diǎn)和與其連接的移動(dòng)工作站一起，組成了一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)備（BSS）。而通過(guò)一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)連接在一起的多個(gè)BSS（又稱為分布式系統(tǒng)）就組成了一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備（ESS）。圖1展示了一個(gè)802.11無(wú)線系統(tǒng)，該系統(tǒng)中兩個(gè)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)備（BSS1和BSS2）組成了一個(gè)擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備（ESS）。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以其靈活性和便利性，正被越來(lái)越多的用作各種應(yīng)用程序的平臺(tái)。很多重要的應(yīng)用，比如股票交易、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等，要求其使用的網(wǎng)絡(luò)即使在有錯(cuò)誤存在的情況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。不幸的是，現(xiàn)在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)口碑非常不好，因?yàn)樗菀壮鲥e(cuò)了，像是由用戶移動(dòng)、頻道轉(zhuǎn)換或者基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)故障這樣的問(wèn)題都可能會(huì)導(dǎo)致連接丟失，這些

5、狀況讓人很難相信它的可靠性?，F(xiàn)在的用戶大都滿足于他們可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備方便的地連接到有線網(wǎng)絡(luò)/資源，即使這種連接是不可靠的。但是，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越普及，越來(lái)越多地支持各種重要應(yīng)用時(shí)，用戶們當(dāng)然會(huì)期望無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也能像有線網(wǎng)一樣提供安全可靠的服務(wù)。更進(jìn)一步說(shuō)，提供一定程度上可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以為移動(dòng)工作站無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)陌l(fā)展帶來(lái)更多機(jī)會(huì)，這樣，各種應(yīng)用就能更好地在移動(dòng)站上運(yùn)行。有關(guān)于無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)可靠性和強(qiáng)壯性的討論在著作5,8,11中已經(jīng)很深入了。Haas和其合作者5描述了一種對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)錯(cuò)誤的容錯(cuò)技術(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄了移動(dòng)交換中心里移動(dòng)工作站所在的位置。Tipper與合作者11,12分析了個(gè)人通信

6、服務(wù)（PCS）網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；他們?cè)跁袇^(qū)分了幾種不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)層故障的原因并且給出了定量表示網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的參數(shù)，同時(shí)還建立了研究PCS網(wǎng)絡(luò)中不同故障所帶來(lái)的影響的仿真模型。他們仿真的結(jié)果表明：當(dāng)有錯(cuò)誤存在時(shí)，用戶的移動(dòng)會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的性能。Varshney與其合著者8,10研究了PCS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線可靠性問(wèn)題；他們區(qū)別了在一個(gè)PCS網(wǎng)絡(luò)中不同部分故障的原因并提出了一系列解決不同層中容錯(cuò)的方案。Dahlberg與合作者3提出了重疊覆蓋范圍和同步加載平衡兩個(gè)概念，用以消除PCS網(wǎng)絡(luò)中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的故障。最近，Chen和合作者2宣布已經(jīng)解決了IEEE 802.11b網(wǎng)絡(luò)中影區(qū)糾錯(cuò)的問(wèn)題；他們?cè)谘芯坷?，用接入點(diǎn)復(fù)

7、制方法給出了無(wú)線系統(tǒng)可靠性的解析推理。我們的研究將圍繞著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性展開(kāi)，尤其是檢測(cè)802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)失效并提出容錯(cuò)機(jī)制。在這篇論文中，我們討論了接入點(diǎn)復(fù)制技術(shù)、重疊覆蓋范圍方法，并提出了一種新的802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)失效的多路復(fù)用容錯(cuò)技術(shù)。更進(jìn)一步，我們比較了三種接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)各自的成本和增加的復(fù)雜度。雖然我們沒(méi)有明確地解決無(wú)線系統(tǒng)鏈路層失效的問(wèn)題，但是多路復(fù)用技術(shù)同樣可以應(yīng)用于這種故障的容錯(cuò)。本篇論文其余部分是這樣組織的：第二部分給出了802.11切換過(guò)程的相關(guān)背景；第三部分介紹了如何檢測(cè)接入點(diǎn)失效；接入點(diǎn)復(fù)制、重疊覆蓋和多路復(fù)用容錯(cuò)技術(shù)位于第四部分。最后，第五部分

8、包含了一些結(jié)論以及下一步的研究步驟。2- 802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的切換方案切換過(guò)程是指移動(dòng)工作站和接入點(diǎn)之間在轉(zhuǎn)換連接時(shí)所遵循的順序。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)允許移動(dòng)工作站在兩個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍之間移動(dòng)時(shí)，可以從一個(gè)接入點(diǎn)交至下一接入點(diǎn)。但是在工作站被從一個(gè)接入點(diǎn)提交到新的接入點(diǎn)之前，工作站應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)這個(gè)新的接入點(diǎn)。IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種移動(dòng)工作站檢測(cè)接入點(diǎn)存在的模式l 被動(dòng)掃描 在這種模式下，移動(dòng)工作站先進(jìn)行通道通道掃描（802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了13個(gè)通道，每個(gè)5MHz），再檢測(cè)由接入點(diǎn)周期發(fā)送的信標(biāo)幀。信標(biāo)幀包含了移動(dòng)工作站與接入點(diǎn)進(jìn)行通信所需的所有信息。如果工作站能夠檢

9、測(cè)到某一通道上存在信標(biāo)幀，那么它就能在此通道上建立接入點(diǎn)存在。被動(dòng)掃描的優(yōu)點(diǎn)是能夠節(jié)省移動(dòng)工作站電池的電量，因?yàn)樗恍枰l(fā)送任何東西。l 主動(dòng)掃描 這種模式下，移動(dòng)工作站通過(guò)在每個(gè)通道上發(fā)送Probe請(qǐng)求幀主動(dòng)地尋找接入點(diǎn)。接收到Probe請(qǐng)求幀的接入點(diǎn)會(huì)向客戶發(fā)送一個(gè)Probe響應(yīng)幀。移動(dòng)工作站會(huì)在它接收到Probe響應(yīng)幀的那個(gè)通道上建立接入點(diǎn)存在。一旦移動(dòng)工作站在某一區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了接入點(diǎn)的存在，那么它就必須選擇一個(gè)來(lái)與之進(jìn)行連接。IEEE 802.11規(guī)定一個(gè)移動(dòng)工作站在給定時(shí)間內(nèi)只能與一個(gè)接入點(diǎn)連接，這就允許了有線網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)關(guān)將移動(dòng)工作站的信息發(fā)送給與之唯一連接的接入點(diǎn)。在移動(dòng)工作站與新接

10、入點(diǎn)建立連接之前，它必須向該接入點(diǎn)驗(yàn)明自己的身份。在接入點(diǎn)驗(yàn)證了工作站的身份后，工作站會(huì)向新的接入點(diǎn)重新發(fā)出連接請(qǐng)求，只有從新的接入點(diǎn)收到重連接響應(yīng)以后，移動(dòng)工作站才能與新接入點(diǎn)進(jìn)行連接。整個(gè)切換過(guò)程的恢復(fù)時(shí)間就是檢測(cè)接入點(diǎn)的掃描過(guò)程的延時(shí)與重連接驗(yàn)證延時(shí)之和。3- 接入點(diǎn)失效的檢測(cè)在我們探討802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)接入點(diǎn)失效的容錯(cuò)方法之前，需要先解決如何確定接入點(diǎn)已經(jīng)失效這一問(wèn)題。只有在檢測(cè)到接入點(diǎn)失效之后，移動(dòng)工作站才能啟動(dòng)適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。在802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，接入點(diǎn)會(huì)周期性地發(fā)出信標(biāo)幀來(lái)提示無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的存在。因此，移動(dòng)工作站檢測(cè)接入點(diǎn)是否仍然有效的一種方法就是監(jiān)測(cè)接入點(diǎn)發(fā)出的周期性信

11、標(biāo)幀。但是，這種通過(guò)信標(biāo)幀檢測(cè)接入點(diǎn)失效的方法有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是檢測(cè)不到信標(biāo)幀并不意味著接入點(diǎn)的失效。很有可能移動(dòng)工作站已經(jīng)超出了接入點(diǎn)的覆蓋范圍，這樣當(dāng)然就無(wú)法接收到該接入點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀。這樣一來(lái)，用信標(biāo)幀監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)接入點(diǎn)失效的一個(gè)問(wèn)題就是當(dāng)監(jiān)測(cè)不到信標(biāo)幀時(shí)，究竟是因?yàn)橛脩粢苿?dòng)帶來(lái)的問(wèn)題還是由接入點(diǎn)失效帶來(lái)的問(wèn)題。一些接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)（接入點(diǎn)復(fù)制和重疊覆蓋）都是把用戶提交給新的接入點(diǎn)，這是解決用戶移動(dòng)問(wèn)題的典型方法。這一方法引起了一個(gè)重要的問(wèn)題能否區(qū)分出這是用戶移動(dòng)還是接入點(diǎn)失效所帶來(lái)的問(wèn)題，難道這兩種問(wèn)題能用同一種方法解決？需要區(qū)分兩個(gè)根源事件的主要原因是兩者中要切換到新接入點(diǎn)的用戶

12、數(shù)量顯著不同。典型地，用戶移動(dòng)切換模式里只有幾個(gè)用戶需要給定時(shí)間內(nèi)在切換到新的接入點(diǎn)，為了減少切換延時(shí)，移動(dòng)工作站可以采取主動(dòng)掃描方式檢測(cè)新的接入點(diǎn)。另一方面，在真正的接入點(diǎn)失效時(shí)需要切換到新接入點(diǎn)的用戶就多得多了。在這種情況下，如果所有的移動(dòng)工作站幾乎同時(shí)嘗試接入通道（即使在802.11中級(jí)進(jìn)入控制方案啟動(dòng)之后），就會(huì)產(chǎn)生大量的失敗傳送而導(dǎo)致工作站進(jìn)入通道并發(fā)送Probe請(qǐng)求幀之前出現(xiàn)很大延時(shí)。因此，這種情況下，移動(dòng)工作站采用被動(dòng)掃描方法或許比采取探測(cè)新接入點(diǎn)的方法會(huì)更為有效。本篇論文中，我們打算使用移動(dòng)工作站從接入點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度作為接入點(diǎn)“上/下”狀態(tài)的指示。性能正常的接入點(diǎn)會(huì)在接收工

13、作站上被一個(gè)信號(hào)（其實(shí)際強(qiáng)度取決于移動(dòng)工作站和接入點(diǎn)之間的距離）指示出來(lái)；而完全失效的接入點(diǎn)會(huì)被指示為缺失信號(hào)。這樣，一個(gè)接入點(diǎn)從正確操作到錯(cuò)誤操作的轉(zhuǎn)變就可以從接收工作站上信號(hào)強(qiáng)度的突然下落表現(xiàn)出來(lái)。從接入點(diǎn)接收到的信號(hào)的強(qiáng)度包含在協(xié)議棧的低層，可以用來(lái)衡量接收信號(hào)的信噪比（SNR），單位是分貝（dB），在移動(dòng)工作站里，我們可以算出接收信號(hào)的信噪比，并在信噪比突然跌落時(shí)啟動(dòng)錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。圖2給出了分別在兩種情況下16秒內(nèi)從接入點(diǎn)測(cè)量出的信噪比：（i）移動(dòng)工作站從有效接入點(diǎn)移開(kāi)，（ii）與移動(dòng)工作站連接的接入點(diǎn)在測(cè)量期間失效。信噪比是用Linux無(wú)線擴(kuò)展工具測(cè)量的，在Linux系統(tǒng)上的路徑為：

14、/sbin/iwconfig。如圖2（b）所示，由于用戶移動(dòng)使工作站接收的信號(hào)信噪比在14秒內(nèi)下降了大約40dB，而接入點(diǎn)失效使信噪比在不到2秒內(nèi)下降了相同的量。因此，可以用一個(gè)原來(lái)“健康”的接入點(diǎn)上信號(hào)強(qiáng)度的突降來(lái)判斷802.11無(wú)線系統(tǒng)中接入點(diǎn)的失效。圖2. 兩種不同情況下在移動(dòng)工作站上測(cè)得的信噪比：（a）表示用戶離 開(kāi)一個(gè)有效接入點(diǎn)，（b）表示與固定用戶連接的接入點(diǎn)在測(cè)量期間失效?；谛旁氡鹊慕尤朦c(diǎn)檢錯(cuò)方案決不是一種十分簡(jiǎn)單安全的方法。用戶快速移動(dòng)也有可能引起信噪比的突降。在這種情況下，用戶移動(dòng)可能會(huì)被誤判為接入點(diǎn)失效，這將會(huì)在用戶移動(dòng)導(dǎo)致的切換中增加延時(shí)。這種錯(cuò)誤的判斷可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整

15、檢錯(cuò)參數(shù)（比如信噪比下跌的時(shí)間間隔，以及檢錯(cuò)前后的信噪比變化）以使其最小化。4- 接入點(diǎn)失效容錯(cuò)復(fù)制技術(shù)1, 9已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在了有線系統(tǒng)容錯(cuò)中；這樣一來(lái)，為了容錯(cuò)接入點(diǎn)失效，我們可以簡(jiǎn)單地復(fù)制該接入點(diǎn)?？墒?，在無(wú)線系統(tǒng)中不能這樣直接地應(yīng)用復(fù)制技術(shù)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)復(fù)制技術(shù)需要消耗額外資源。4.1 接入點(diǎn)復(fù)制技術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于接入點(diǎn)失效的一種容錯(cuò)策略就是使用額外的、在主接入點(diǎn)失效時(shí)可被激活的備用接入點(diǎn)。在這種技術(shù)里，備用接入點(diǎn)必須能檢測(cè)到主接入點(diǎn)的失效；并且，作為錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的一部分，所有與失效接入點(diǎn)連接的移動(dòng)工作站都必須移交到備用接入點(diǎn)。除了檢測(cè)和處理失效的固有延時(shí)以外，這種技術(shù)還要求額外的花銷

16、-無(wú)線服務(wù)的供應(yīng)商需要提供另外的接入點(diǎn)，這些接入點(diǎn)在無(wú)錯(cuò)情況下可能不需要被激活，但在錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)是必不可少的。4.2 重疊覆蓋技術(shù)另外一種接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)就是使用覆蓋范圍重疊的接入點(diǎn)。在不同接入點(diǎn)之間提供相互重疊的覆蓋范圍，其主要目的是：如果一個(gè)接入點(diǎn)失效，那么與之連接的移動(dòng)工作站就會(huì)被轉(zhuǎn)交到覆蓋范圍與失效接入點(diǎn)的覆蓋范圍相重疊的接入點(diǎn)上去。盡管這一技術(shù)已被應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)失效的容錯(cuò)中8, 12，但是在802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中采用這種方法仍然有很多技術(shù)困難。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了2.4GHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）帶寬，這一頻率帶被進(jìn)一步分為13個(gè)每個(gè)5MHz的通道。更進(jìn)一步

17、，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相鄰接入點(diǎn)使用的通道至少要被分割為5個(gè)子通道4以使相鄰接入點(diǎn)的無(wú)線通訊干擾達(dá)到最小。這一限制意味著只有3個(gè)可用通道能用來(lái)建立擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備。既然覆蓋擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備的通道數(shù)受到了限制，那么就不能確保重疊覆蓋范圍在任何地方都是可行的。事實(shí)上，通道可用性受到了限制會(huì)導(dǎo)致影區(qū)2，即不被任何接入點(diǎn)覆蓋的區(qū)域。進(jìn)一步說(shuō)，重疊覆蓋范圍技術(shù)要求每個(gè)接入點(diǎn)都預(yù)留一些多余容量用以支持由于相鄰接入點(diǎn)（覆蓋范圍重疊）失效所帶來(lái)的額外用戶。如果沒(méi)有預(yù)留多余空間，而且所有重疊接入點(diǎn)都達(dá)到各自的最大容量，那么當(dāng)一個(gè)接入點(diǎn)失效時(shí)，與其連接的移動(dòng)工作站會(huì)導(dǎo)致重疊范圍內(nèi)的用戶傳送量減少。應(yīng)用重疊覆蓋范圍容錯(cuò)技術(shù)的另一個(gè)重

18、要問(wèn)題就是檢測(cè)接入點(diǎn)失效并轉(zhuǎn)換到有效接入點(diǎn)的延時(shí)。如果這一延時(shí)很大的話，那么大量應(yīng)用可能會(huì)出錯(cuò)（盡管一些應(yīng)用程序比如瀏覽器可以容忍大的延遲）。圖3. 測(cè)量切換延時(shí)的實(shí)驗(yàn)配制我們進(jìn)行了一項(xiàng)研究來(lái)判斷檢測(cè)接入點(diǎn)失效和切換過(guò)程的總延時(shí)。如圖3，我們的實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)覆蓋范圍互相重疊的接入點(diǎn)組成。一個(gè)接入點(diǎn)（Orinoco AP-2000）設(shè)置在通道1（2.412GHz）另一個(gè)（Netgear MR814V2）在通道11（2.462GHz）。實(shí)驗(yàn)中使用的移動(dòng)工作站是900MHz的Windows XP PC，裝有Netgear MA101 無(wú)線網(wǎng)卡，初始連接在通道1的Orinoco AP-2000接入點(diǎn)上，通

19、過(guò)截取處理幀（比如Probe請(qǐng)求幀、Probe響應(yīng)幀、確認(rèn)幀和重連接幀）來(lái)同時(shí)在通道1和通道11上測(cè)量總延時(shí)。截取802.11處理幀的工作是由一臺(tái)裝有兩塊無(wú)線網(wǎng)卡的筆記本組成的無(wú)線嗅探器完成的。一塊網(wǎng)卡配制成截取通道1的信息，另一塊截取通道11的信息，截取處理幀的網(wǎng)絡(luò)嗅探器程序是ethereal。Orinoco AP-2000接入點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中被關(guān)閉用來(lái)仿真接入點(diǎn)失效。實(shí)驗(yàn)里使用的接入點(diǎn)錯(cuò)誤恢復(fù)方案是Nergear MA101無(wú)線網(wǎng)卡默認(rèn)的切換方案（也就是說(shuō)，我們并沒(méi)有使用第三段里討論的基于信噪比的錯(cuò)誤恢復(fù)方案）。Orinoco AP-2000接入點(diǎn)發(fā)出信標(biāo)幀的時(shí)間間隔設(shè)置成大約100ms。用戶從

20、失效接入點(diǎn)切換到有效接入點(diǎn)所用的時(shí)間用T1和T2表示。l T1 是無(wú)線sniffer截獲到Orinoco AP-2000發(fā)出的最后一個(gè)信標(biāo)幀的時(shí)間。l T2 是無(wú)線sniffer截獲到Netgear MR814V2發(fā)出的重連接響應(yīng)幀的時(shí)間。由于客戶和無(wú)線sniffer在實(shí)驗(yàn)中始終固定在Orinoco AP-2000接入點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，那么就可以把信標(biāo)幀的缺失看作是接入點(diǎn)失效。我們的實(shí)驗(yàn)里測(cè)量出的總延時(shí)平均是7.03秒（標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.37秒），誤差源有三個(gè)。第一，因?yàn)镺rinoco AP-2000以100ms的間隔發(fā)出信標(biāo)幀，信標(biāo)幀的缺失表示接入點(diǎn)失效，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的失效備援延時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生100

21、ms的誤差。第二，因?yàn)樾艠?biāo)幀從接入點(diǎn)到移動(dòng)工作站的傳輸路徑和到無(wú)線sniffer的路徑不同，所以工作站接收信標(biāo)幀的時(shí)間可能與無(wú)線sniffer接收信標(biāo)幀的時(shí)間不一樣。這一誤差可以通過(guò)使工作站接近無(wú)線sniffer而減小。最后，由于接入點(diǎn)到sniffer的路徑可能出錯(cuò)，一些信標(biāo)幀可能只被用戶接收到了，卻沒(méi)被無(wú)線sniffer收到。同樣，這種誤差可以通過(guò)使工作站和sniffer接近消除。因?yàn)槲覀兪褂昧巳笔〉臋z錯(cuò)和切換方案，所以不同的硬件（無(wú)線網(wǎng)卡和接入點(diǎn)）可能會(huì)產(chǎn)生不一樣的失效備援延時(shí)。然而，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明失效備援時(shí)間可能為幾秒，這對(duì)一些對(duì)于延遲要求嚴(yán)格的應(yīng)用來(lái)說(shuō)太大了（比如VoIP和視頻會(huì)議）。

22、這種容錯(cuò)技術(shù)還有一個(gè)重要問(wèn)題就是如何重新分配剩余可用的接入點(diǎn)給與失效接入點(diǎn)連接的用戶。當(dāng)有多個(gè)相互覆蓋的接入點(diǎn)時(shí)，從失效接入點(diǎn)切換就有了多個(gè)可用對(duì)象，怎樣選擇這些新接入點(diǎn)也有多種標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)就近選擇就是一種標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于要與最近的接入點(diǎn)連接的工作站來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是最有利的，因?yàn)槟苁剐畔鬟f消耗的電量最少。但是，不可能把每一個(gè)移動(dòng)工作站都分配給離它最近的接入點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)接入點(diǎn)的容量有限。因此，在錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)盡量保證客戶電量消耗最小，并且公平地分配剩余的可用接入點(diǎn)。4.3 多路復(fù)用技術(shù)我們的第三種方法提供了一種全新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)。這種方法在每個(gè)移動(dòng)工作站上利用了多路無(wú)線網(wǎng)卡。其基本思

23、想是：如果每個(gè)工作站上有多路無(wú)線網(wǎng)卡可用，那么每個(gè)這種網(wǎng)卡都可以連接到一個(gè)不同的接入點(diǎn)。這種方法有效地建立了從工作站到外部的多條通訊路徑，每條路徑都可以將工作站上某個(gè)網(wǎng)卡連接到一個(gè)單另的接入點(diǎn)上，因此，如果一個(gè)接入點(diǎn)失效了，連通性仍能通過(guò)由已建立的連接路徑轉(zhuǎn)換到另一個(gè)接入點(diǎn)上而得到維持。如果移動(dòng)工作站發(fā)出的信息僅僅在多余通訊路徑上被復(fù)制，那么用于工作站通訊的總帶寬就被擴(kuò)寬了。這一現(xiàn)象可以通過(guò)在多余路徑上復(fù)用數(shù)據(jù)包得到避免。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：在復(fù)用策略下，通訊總帶寬可以與單連接時(shí)的帶寬一樣。而缺點(diǎn)是：多路復(fù)用技術(shù)與復(fù)制技術(shù)相比，信息傳送的平均延時(shí)增大了，因?yàn)樵趶?fù)用和解復(fù)用時(shí)，每條消息必須附加報(bào)頭

24、信息，這在錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)就增加了延遲。與前兩種容錯(cuò)技術(shù)不同，多路復(fù)用技術(shù)要求移動(dòng)工作站（后稱客戶）和工作站通訊對(duì)象（后稱服務(wù)器）上安裝額外的軟件。一種實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用技術(shù)的方法是合并應(yīng)用本身存在的多路連接。這種方法并不好，因?yàn)樗婕靶薷膽?yīng)用程序。另一種不需要修改程序的方法是利用指令集干預(yù)方法來(lái)捕獲應(yīng)用產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)層響應(yīng)（比如socket（），并且把它們替換為自己的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)。使用指令集干預(yù)后，攔截器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)加載了應(yīng)用的進(jìn)程地址空間的指令集功能。攔截器捕獲了所有用戶/服務(wù)器端應(yīng)用程序產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)層響應(yīng)，把它們替換成為不同無(wú)線網(wǎng)卡的多路響應(yīng)（例如一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的socket（）響應(yīng)會(huì)被替換成由所有無(wú)

25、線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的多路socket（）響應(yīng)）。為了在多路復(fù)用技術(shù)中使用更詳細(xì)的方案，攔截器可以嵌入客戶端和服務(wù)器端的中間設(shè)備層。因此，在多路復(fù)用方法里，當(dāng)移動(dòng)工作站和服務(wù)器之間的連接啟動(dòng)時(shí)，客戶端中間設(shè)備的攔截器捕獲連接請(qǐng)求。然后客戶端中間設(shè)備層啟動(dòng)與服務(wù)器端中間設(shè)備層的握手協(xié)議，建立客戶端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)（或者通訊路徑數(shù)）。隨后，客戶端的每一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上都打開(kāi)一個(gè)單獨(dú)連接。服務(wù)器端的中間設(shè)備經(jīng)過(guò)多路通訊路徑復(fù)用一段單獨(dú)的數(shù)據(jù)流（從其服務(wù)器應(yīng)用程序）到無(wú)線客戶?？蛻舳酥虚g設(shè)備解復(fù)用/組合由多路網(wǎng)卡收到的數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)化為單獨(dú)數(shù)據(jù)流并將對(duì)照數(shù)據(jù)流發(fā)送給其控制應(yīng)用程序。如果接入點(diǎn)失效，客戶端中間設(shè)備

26、能夠通過(guò)基于信噪比的方法檢測(cè)到失效點(diǎn)，并向服務(wù)器中間設(shè)備發(fā)送錯(cuò)誤提醒信息；服務(wù)器端中間設(shè)備能夠從一個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向服務(wù)器重新發(fā)送任何丟失的信息。另一方面，服務(wù)器端中間設(shè)備同樣能在無(wú)法從特定通訊路徑上接收到確認(rèn)信息包時(shí)檢測(cè)到接入點(diǎn)失效。一旦服務(wù)器端中間設(shè)備檢測(cè)到接入點(diǎn)失效，它能夠觸發(fā)客戶/服務(wù)器中間設(shè)備在其余通訊路徑上重新分配受到影響的數(shù)據(jù)包。這樣客戶端和服務(wù)器端的中間設(shè)備層就負(fù)責(zé)了錯(cuò)誤檢測(cè)、攔截應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)層響應(yīng)和復(fù)用/解復(fù)用來(lái)自和發(fā)往應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤警告和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備握手都是控制客戶端與服務(wù)器端中間設(shè)備層交換的信息的例子。這種控制信息的傳遞要求網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包攜帶額外的報(bào)頭信息來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)包的目的

27、，并同意組織解復(fù)用的數(shù)據(jù)流。多路連接方法中使用的多路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不一定要全部是一個(gè)類型。例如，一個(gè)可以是802.11b無(wú)線網(wǎng)卡，另一個(gè)可以是802.11a網(wǎng)卡，使用不同種類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的好處是更容易提供相互重疊的覆蓋范圍。如果在一個(gè)區(qū)域內(nèi)802.11b接入點(diǎn)無(wú)法提供重疊覆蓋范圍（由于干擾），仍然可以由802.11a接入點(diǎn)提供（由于其工作在5GHz帶內(nèi)，不會(huì)受到802.11接入點(diǎn)的干擾）。在不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)程序里使用不同的設(shè)備存在一個(gè)潛在的問(wèn)題，那就是每個(gè)設(shè)備可能被分配給一個(gè)不同的帶寬。即使在每個(gè)客戶的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)程序中使用相同的設(shè)備，每個(gè)設(shè)備仍有可能被分配給不同的帶寬，這取決于設(shè)備和各自接入點(diǎn)之間的距離

28、。這樣，客戶/服務(wù)器中間設(shè)備就要給各種設(shè)備恰當(dāng)?shù)胤峙溥M(jìn)入的數(shù)據(jù)，以使每個(gè)設(shè)備處理的數(shù)據(jù)能夠與設(shè)備可用帶寬相稱。這種平衡加載機(jī)制會(huì)導(dǎo)致高帶寬通訊路比低帶寬通訊路徑接收更多的數(shù)據(jù)包。使用多路復(fù)用連接技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是它與接入點(diǎn)復(fù)制技術(shù)不同，不會(huì)強(qiáng)行要求基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供額外的備用接入點(diǎn)。這種方法還通過(guò)使用不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得隨處提供重疊覆蓋范圍變得更加簡(jiǎn)單。這一方法還可被用來(lái)在影區(qū)內(nèi)容錯(cuò)，以代替接入點(diǎn)復(fù)制方法。此外，在多路復(fù)用連接技術(shù)中，從接入點(diǎn)失效恢復(fù)所需的時(shí)間對(duì)應(yīng)用的影響相對(duì)要小，因?yàn)檫€可以通過(guò)其他設(shè)備進(jìn)行通訊。當(dāng)然，多路連接技術(shù)的缺點(diǎn)是它不要求客戶安裝多路網(wǎng)絡(luò)程序，這樣一來(lái)就導(dǎo)致了更高的客戶端儀器

29、費(fèi)用。另一個(gè)缺點(diǎn)是，如果一個(gè)接入點(diǎn)失效，那么與之連接的用戶可能會(huì)被分配更低的帶寬，除非失效的連接路徑能通過(guò)另一個(gè)接入點(diǎn)被重新連接。多路復(fù)用連接方法還要求客戶端和服務(wù)器端安裝額外的軟件，這在受限內(nèi)存嵌入式設(shè)備上不一定可行。另外，使用多路網(wǎng)卡會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)工作站消耗更多電量。5- 結(jié)論在本文中，我們解決了在802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于接入點(diǎn)失效的檢錯(cuò)及容錯(cuò)技術(shù)，增強(qiáng)了這類網(wǎng)絡(luò)的可靠性。我們提出了一種基于信噪比（SNR）的檢測(cè)接入點(diǎn)失效的機(jī)制；初步測(cè)量結(jié)果表明：信噪比是一種有效的檢錯(cuò)方案，能準(zhǔn)確判斷出錯(cuò)誤的原因是實(shí)際的接入點(diǎn)失效還是用戶的移動(dòng)。此外，我們還詳細(xì)描述了接入點(diǎn)復(fù)制、重疊覆蓋范圍、以及多路復(fù)用連

30、接等接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)。重疊覆蓋范圍和多路復(fù)用連接技術(shù)要比接入點(diǎn)復(fù)制策略更為有利，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)產(chǎn)生由備用接入點(diǎn)而帶來(lái)的額外花銷。另外，多路復(fù)用連接方法通過(guò)使用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供重疊覆蓋范圍而使重疊覆蓋技術(shù)得以簡(jiǎn)化。我們測(cè)量出的重疊覆蓋技術(shù)中失效備援延遲時(shí)的初步結(jié)果表明：對(duì)于總延時(shí)有嚴(yán)格要求的應(yīng)用（比如VoIP）來(lái)說(shuō)，失效備援延時(shí)顯得有些過(guò)大。作為這次研究的擴(kuò)展延伸，我們打算進(jìn)一步研究多路復(fù)用連接方法中的客戶/服務(wù)器端中間設(shè)備，并比較三種接入點(diǎn)失效容錯(cuò)技術(shù)的恢復(fù)時(shí)間。參考書目：1 K.P Birman. Building Secure and Reliable Network Applicatio

31、ns. Manning Publications Co.,19962 D.Chen, C.Kintala, S.Garg, and K.S.Trivedi. Dependability enhancement for IEEE 802.11 wireless LAN with redundancy techniques. Proceedings of the International Conference on Dependable systems and Networks, pages 521-528, June 2003.3 T.Dahlberg and J.Jung. Survivable load sharing protocols: A simulation study. ACM/Baltzer Wireless Network Journal, 7:283-296, May 2001.4 M.S.Gast. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide. OReilly & Associates, Inc., April 2002.5