無線中的負(fù)載均衡講解

無線中的負(fù)載均衡講解我們經(jīng)常能聽到負(fù)載均衡這個詞，那么什么是負(fù)載均衡呢？在有線分布式系統(tǒng)中，負(fù)載均衡是指將網(wǎng)絡(luò)的外部服務(wù)請求均勻分配到多臺后端的服務(wù)器上，從而提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的方法。 我們都知道，由于外部網(wǎng)絡(luò)任務(wù)到達(dá)的隨機(jī)性，以及各處理節(jié)點(diǎn)處理能力上的差異，當(dāng)分布式系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，某些節(jié)點(diǎn)分配的任務(wù)還很多（稱之為超載），而另一些節(jié)點(diǎn)卻是空閑的（稱之為輕載）。-方面，使超載節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)盡可能快地完成是當(dāng)務(wù)之急；另一方面，某些節(jié)點(diǎn)輕載是一種浪費(fèi)。如何避免這種忙與空閑并存情況的發(fā)生，從而有效地提高系統(tǒng)的資源利用率，減少任務(wù)的平均響應(yīng)時間。這是負(fù)載均衡需要解決的問題。簡單的來說，負(fù)載均衡問題是對任務(wù)的優(yōu)化組合問題。有線分布式系統(tǒng)中的負(fù)載均衡方法操作的對象是任務(wù)。其的基本途徑就是收集負(fù)載信息，進(jìn)行相關(guān)算法決策，對分配給各節(jié)點(diǎn)的任務(wù)進(jìn)行重新調(diào)度如進(jìn)程遷移或任務(wù)遷移。無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡面臨比有線網(wǎng)絡(luò)更多的困難。隨著無線局域網(wǎng)中擴(kuò)展服務(wù)集中的終端的移動和無線信道的時變，各個接入點(diǎn)（AP）上的負(fù)載出現(xiàn)差異。負(fù)載均衡的作用就是平衡各個AP的差異，以達(dá)到最大化的網(wǎng)絡(luò)資源利用。其實(shí)，負(fù)載均衡是無線資源管理的重點(diǎn)，IEEE的802.11工作組的TGv任務(wù)組，專門負(fù)責(zé)解決無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡問題。下面，我們主要來探討下無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡，無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡與有線分布式系統(tǒng)中的負(fù)載均衡不同，表現(xiàn)在負(fù)載均衡控制的對象和控制方式上。由于無線終端的移動性和無線信道的時變性，無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡面臨的情況更加復(fù)雜。無線局域網(wǎng)（WLAN）是指應(yīng)用無線通信技術(shù)將計(jì)算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成的可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。在無線局域網(wǎng)中有兩種角色：AP和終端（STA）。AP作為固定基礎(chǔ)設(shè)備，通過有線分布式系統(tǒng)互連。STA作為移動終端，接受AP提供的接入服務(wù)。負(fù)載不均衡形式一：無線AP連接的終端的個數(shù)不均衡終端通過掃描信道，獲取所處WLAN環(huán)境中擴(kuò)展服務(wù)集和基本服務(wù)集信息，并選擇加入一個合適的基本服務(wù)集。WLAN中負(fù)載均衡就是由多個AP為多個移動終端提供接入服務(wù)的系統(tǒng)，每一個AP通過利用網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行站點(diǎn)管理，目的是充分利用網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有資源，減少網(wǎng)絡(luò)阻塞。位于中心點(diǎn)的AP,經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，連接的終端的個數(shù)要多于四周AP的終端個數(shù)，承擔(dān)的業(yè)務(wù)也已經(jīng)飽和，此時連接到中心點(diǎn)AP的終端的業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）已經(jīng)不能保證。而外圍的AP業(yè)務(wù)還不飽和，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)負(fù)載差異。負(fù)載均衡就是要解決這種差異，將中心點(diǎn)AP的某些業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到外圍的AP上，以提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)容量和中心點(diǎn)AP的業(yè)務(wù)質(zhì)量。負(fù)載不均衡形式二：終端不停地切換造成負(fù)載抖動WLAN共有兩種工作組織形式，獨(dú)立基本服務(wù)集（IBSS）和基本服務(wù)集（BSS）。終端（例如帶有無線網(wǎng)絡(luò)下的筆記本電腦）在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的時候必須選擇一個AP作為連接對象，這就是終端接入過程，接入過程要經(jīng)過掃描、認(rèn)證、連接等步驟。一般而言，終端在掃描過程中會掃描到多個AP的信息，終端選擇AP的條件是掃描到的AP的信號強(qiáng)度。由于無線局域網(wǎng)中終端的移動特性和無線信道的時變特性，終端在某些情況下會發(fā)生從一個BSS切換到另一個BSS的情況。這種情況就是無線局域網(wǎng)中的切換。終端切換帶來的問題是切換時延，甚至上層業(yè)務(wù)的中斷。切換還會帶來的問題是“乒乓效應(yīng)”。即終端不停地在兩個或多個AP之間切換，終端就像乒乓球一樣。這樣會造成負(fù)載抖動，對網(wǎng)絡(luò)資源造成極大的損耗。無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均衡的分類可以從兩個方面對無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡技術(shù)進(jìn)行分類。按照負(fù)載均衡的發(fā)起者分，負(fù)載均衡可以分為STA主控的負(fù)載均衡和AP主控的負(fù)載均衡。按照負(fù)載均衡的解決方式可分為接入式負(fù)載均衡和切換式負(fù)載均衡。無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡的分類如圖所示。無線局域網(wǎng)中的負(fù)載均苗分類終端（STA）主控負(fù)載均衡STA主控的負(fù)載均衡實(shí)際上是一種自發(fā)的負(fù)載均衡策略，是無線局域網(wǎng)中STA的特性之一。切換完成的STA實(shí)際上也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的傳遞。僅僅靠信號質(zhì)量作為STA切換的條件是片面的，目前有大量的研究集中在如何改進(jìn)切換的時機(jī)，以更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)終端切換帶來的負(fù)載變化。STA主控的優(yōu)點(diǎn)是：STA最清楚自己的業(yè)務(wù)需求和所處的環(huán)境，STA掃描得到的環(huán)境中可用的BSS情況對STA而言最準(zhǔn)確。而且，切換或接入的主體是STA，業(yè)務(wù)也是在STA上開展，切換造成的損失由STA承擔(dān)。缺點(diǎn)是：STA僅僅知道終端側(cè)的情況和STA自身的情況，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而言，STA并不能準(zhǔn)確掌握，沒有發(fā)言權(quán)。STA切換隨意性大，會對整個ESS造成混亂，使網(wǎng)絡(luò)全局的負(fù)載均衡效果不佳。AP主控負(fù)載均衡AP主控負(fù)載均衡的出發(fā)點(diǎn)是，AP處于網(wǎng)絡(luò)側(cè)，AP之間通過有線的連接，可以在不影響STA業(yè)務(wù)的情況下，相互傳遞與負(fù)載均衡相關(guān)的信息。根據(jù)這些信息，ESS就可以判斷出AP中負(fù)載最重的AP和負(fù)載最輕的AP.擁有這些信息的ESS就可以做出一些決策，比如，讓負(fù)載重的AP下的終端切換到負(fù)載輕的AP下，或者對新加入網(wǎng)絡(luò)的終端進(jìn)行限制，不允許負(fù)載重的AP接入而只允許負(fù)載輕的AP接入等，實(shí)現(xiàn)ESS內(nèi)的負(fù)載均衡。AP主控的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)側(cè)的整體情況可以通過AP之間的分布式系統(tǒng)，準(zhǔn)確、及時地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在整體協(xié)調(diào)和調(diào)度方面對網(wǎng)絡(luò)側(cè)有利，也比較容易實(shí)現(xiàn)整體策略的實(shí)施。另外就是整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡調(diào)整速度會很快。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)側(cè)并不知道STA所處的位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、STA所能夠掃描到的AP的情況，所以有切換決策錯誤的風(fēng)險(xiǎn)。接入式負(fù)載均衡接入式負(fù)載均衡就是控制STA的接入實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。當(dāng)AP的負(fù)載情況超過閾值后，該AP就會拒絕新的終端的接入，加入網(wǎng)絡(luò)的終端只好尋找負(fù)載較輕的AP進(jìn)行連接。從而在一定的程度上實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡。由于接入式負(fù)載均衡只控制新終端的接入過程或切換后的重連接過程，屬于被動的負(fù)載均衡，負(fù)載均衡的調(diào)整收斂速度會比較慢。極端情況下，沒有新的終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者所有的STA都維持當(dāng)前連接，網(wǎng)絡(luò)會一直處于非平衡狀態(tài)。切換式負(fù)載均衡切換式負(fù)載均衡就是控制STA的切換以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。當(dāng)ESS中某AP的負(fù)載過重的時候，ESS或終端控制該AP下的STA切換到其他AP上，以分散負(fù)擔(dān)。當(dāng)ESS中某AP的負(fù)載過輕的時候，ESS或終端就控制其他AP下的STA切換到該AP上，以實(shí)現(xiàn)整個ESS的全局平衡。切換式負(fù)載均衡的特點(diǎn)是反應(yīng)迅速，一旦出現(xiàn)負(fù)載差異，可以通過切換行為迅速調(diào)整。缺點(diǎn)是切換會對終端造成損失，有切換失敗和上層業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。同時，切換式負(fù)載均衡必須依賴于快速切換才能實(shí)現(xiàn)。如果快速切換方法效果差，則負(fù)載均衡造成的損失會增大。將AP主控方法和切換式負(fù)載均衡方法相結(jié)合是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，不僅可以準(zhǔn)確地收集信息做出決策，而且可以迅速反應(yīng)，主動地調(diào)整擴(kuò)展服務(wù)集中的負(fù)載分布。雖然負(fù)載均衡的本意是為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，平均分配整個網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載，達(dá)到盡可能高的網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)的性能。但是，作為一種網(wǎng)絡(luò)管理行為，負(fù)載均衡為網(wǎng)絡(luò)引入了負(fù)載信息交互的網(wǎng)絡(luò)開銷和負(fù)載均衡調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)管理開銷，并且與之相關(guān)的，終端切換也會增加網(wǎng)絡(luò)的開銷。隨著ESS中AP數(shù)量的增加或STA數(shù)量的增加，維護(hù)負(fù)載均衡所需的網(wǎng)絡(luò)開銷也會增大，對網(wǎng)絡(luò)性能造成干擾和損失。負(fù)載均衡也有負(fù)載調(diào)整失敗的風(fēng)險(xiǎn)。切換有失敗的可能，會造成孤立節(jié)點(diǎn)的存在。切換失敗的終端不得不重新尋找AP進(jìn)行接入，上層業(yè)務(wù)必然會中斷。另外，切換是對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的干擾，過于頻繁的切換會造成網(wǎng)絡(luò)性能的抖動，并且可能出現(xiàn)“乒乓效應(yīng)”，使網(wǎng)絡(luò)長時間處于動蕩狀態(tài)，不能穩(wěn)定。TD-SCDMA系統(tǒng)中的負(fù)載均衡技術(shù)時分同步碼分多址（TD-SCDMA）是一個時分同步系統(tǒng)，在通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)（UTRAN）的無線資源控制（RRC）中，很重要的一部分內(nèi)容就是負(fù)載均衡。在時分系統(tǒng)中，時間和碼道資源是非常有限的，而且在時分系統(tǒng)中，大量的業(yè)務(wù)是電路交換業(yè)務(wù)，對QoS的要求都很高，所以，負(fù)載均衡在時分系統(tǒng)中非常重要。時分系統(tǒng)中的負(fù)載均衡有多重粒度。除了可以控制用戶終端（UE）的切換之外，甚至可以在每個時隙的基礎(chǔ)上控制負(fù)載的分配。與無線局域網(wǎng)不同的是，時分中的某些負(fù)載均衡方法是以犧牲UE的業(yè)務(wù)為代價(jià)的，比如暫時中斷分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，甚至強(qiáng)迫用戶掉話，中斷電路交換業(yè)務(wù)，強(qiáng)制UE釋放系統(tǒng)資源。結(jié)束語由于無線局域網(wǎng)的使用環(huán)境，負(fù)載均衡面臨著比有線分布式系統(tǒng)中更加復(fù)雜的問題。好的負(fù)載均衡方法可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的效率，提高資源的利用率，降低系統(tǒng)擁塞的可能性，提高系統(tǒng)抵抗負(fù)擔(dān)變化的能力，提高系統(tǒng)的容忍度。無線局域網(wǎng)的負(fù)載均衡應(yīng)該遵循以下原則：準(zhǔn)確地評估每個