一种分布式架构的无线组网方法研究

摘  要：为了解决中小企业无线场景中无集中管理控制器的三层组网管理的问题，文章提出一种基于有线邻居和射频邻居信息的分布式组网管理的方法。通过二层广播技术、射频邻居信息字段处理、邻居信息传输算法处理，实现了三层网络分布式组网管理的方法，并对方法进行技术分析。通过实验和测试证明，所提方法有效解决了技术背景中描述的无线局域网中三层组网的困难以及邻居信息扫描与获取慢、邻居信息广播风暴的问题。

关键词：分布式组网;二层广播;射频邻居信息

中图分类号：TN92      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0090-05

Abstract：This article proposes a method of distributed network management based on the wired neighbor and radio frequency neighbor information，which solves the problem of the three-layer network management without a centralized management controller in the wireless scenario of small and medium-sized enterprises. Through the layer 2 broadcast technology，radio frequency neighbor information field processing and neighbor information transmission algorithm processing，the method of three-layer distributed network management is realized，and technique analysis of the method. Experiments and tests prove that this method effectively solves the problems of the difficulty of the three-layer network in the wireless local area network described in the technical background，the slow scanning and acquisition of neighbor information，and neighbor information broadcast storm.

Keywords：distributed networking;layer 2 broadcast;RF neighbor information

0  引  言

锐捷网络的行业无线通过瘦AP+无线控制器（AC）的方式进行无线的部署和管理控制应用;而切换到云AP模式，则是通过对接到广域网下的公有云做统一管理。随着WLAN的发展，新市场更多在于中小企业市场、物聯网市场、家居场景应用，急需有不同于传统无线的局域网管理方案。目前，对于中小企业无线场景应用中，不同厂商间不同平台开发的产品，并没有统一、成熟的组网管理方式。中小企业市场更倾向于应用简单、快捷的设备组网管理方式，其无线产品倾向于轻量级产品的开拓，AP间也没有集中管理控制器。因此，对于中小企业场景的AP设备，就产生出了虚拟AC来管理整网AP的概念。

1  问题分析

在中小企业无线场景应用中，锐捷网络的解决方案支持二层网络下AP间迅速智能组网，达到局域网中AP间自组网和统一管理应用的目的。这里的中小企业无线管理方案，工程师常常将其应用在职校、中小企业或者工厂、连锁商铺、智能家居等非传统无线的场景中。这些场景的特点是既期望不花费高昂的价格去购买集中管理控制器，但是又期望能够便捷高效地进行局域网统一管理，所需要应用的无线设备数量少到个位数，多到上百或者上千台不等。

在实际的职校宿舍场景以及中小企业的办公场景中，部分客户要求AP间划分VLAN管理应用，例如宿舍公寓、办公网、访客区，这些要求划分VLAN管理应用，所释放的信号也是划分网段应用。这些场景的应用中，部分场景容量会超出当前二层组网管理方案中的容量，另一个是要求进行三层组网统一管理应用。当前中小企业场景的二层网络的组网管理方案缺陷在于若AP间配置有VLAN，AP间是进行VLAN的三层转发的情况下，此时设备间无法达到三层网络自组网。另外，同一个二层网络，如果实际组网设备容量超过最大值，那么超出的部分会被分为多个子网络进行自组网，无法达到大规模下统一自组网管理的目的。

而当前实现的三层组网的方案中，基于DHCP的option选项指定IP的方式，即指定固定设备做主设备的方式，接入点通过DHCP获取地址的方式识别主设备的信息从而建立链接。

在实际的中小企业办公网场景测试中，三层组网的缺陷在于：指定无线设备做主设备进行组网管理。指定的设备出故障后，无法进行自组网重新选举主设备进行管理应用，无法自行恢复组网管理;指定的设备通过DHCP获取地址，若IP变更，则组网设备无法连上指定的主设备;若局域网中无线设备是通过静态IP地址的方式接入，则也无法识别DHCP的option选项，从而也无法被主设备管理。以上三种情况都会引发三层组网失败的问题。

上文描述的问题大致可总结为：二层网络组网容量存在局限且无法支持三层自组网、三层组网管理会失败的场景应用问题。因此中小企业场景中，若要对当前的组网方案进行优化，则可以从解决三层组网统一管理的问题入手。从目前遇到的中小企业场景应用中，例如某职校（含宿舍公寓场景），要求的组网设备容量多达几百台，要求的组网VLAN划分规模在个位数。通常二层自组网可以通过广播的方法解决，而三层自组网管理，VLAN间将有线局域网划分成不同的子网络，无法进行广播处理;但是射频信息是可以携带组网相关信息进行广播传输的，例如本文将采用射频信息进行传播组网标识符相关信息。文章提出一种协同二层广播和无线射频邻居作用下的无线局域网的分布式组网管理方法，旨在优化和解决中小企业等场景中二层组网容量局限和三层组网统一管理的问题。

2  基于分布式架构的组网方法

基于邻居信息分布式自组网方案架构的主要思想在于：用分布式的方法，对网络进行不同级子网络管理;根据分布式的思维，可以在接受的范围内，扩展被管理AP的容量，并且对不同子网络进行统一管理。

本文提出分层组网的概念，这里统称同一VLAN下的网络为第一级子网络，不同VLAN间的局域网组网管理为第二级网络。通过射频邻居广播的方法、邻居信息的传输以及对不同邻居信息的处理，构成无线局域网分布式管理的方案。整体的方案架构为：

首先，创建第一级子网络。在同一个VLAN下，通过二层广播技术，可以对同一VLAN下的设备进行发现和管理，由统一管理的方式对同二层局域网内的无线设备进行统一管理。同时将组网信息传输给管理的AP。

其次，通过射频邻居携带组网信息以及VLAN等信息的方式，射频邻居信息通过广播的方式进行射频邻居信息的传输与交互，对邻居信息的收集和传输进行优化处理，减少广播风暴的产生。让不同VLAN下的局域网的设备收到对方的组网和VLAN相关信息，对不同VLAN下的设备进行分级管理;从而形成二级网络。

再次，通过二级网络管理一级子网络，一级子网络管理下联设备的方式进行分布式管理设备，通过设备管理模块进行配置信息、管理、升级等方案应用。

3  分布式组网机制

3.1  基于邻居信息构建分布式组网机制

整网三层网络分布式管理如图1所示，第一级子网中选举出本子网络下的主AP（虚拟AC）管理其他AP，各个子网络中再选举出三层网络的主AP（虚拟AC）监管子网络中的主AP，从而形成分布式自组网管理。具体方案机制为：

（1）第一级子网络组网：通过二层广播的方式，寻找二层网络下的邻居信息，在同一个二层网络中，通过选举规则自主选举出子网络主AP和成员AP，这里简称V_LEADER、V_MEMBER，形成自组网，同时形成二层网络的可达的邻居信息库。

（2）在二层子网络即第一级组网形成后，需要收集整网下的主AP的数据库。首先各自的AP上将各自的主AP的数据库信息处理并放到射频信息中。每个AP通过射频扫描邻居信息，获取到所有主AP的数据库，邻居信息的数据库。AP上处理、存储网络中各个V_LEADER信息，通过射频信息携带传输给邻居AP。对比本机上的主AP数据库以及邻居信息中携带的主AP数据库，当主AP有更新时，验证AP与新的主AP的联通性，验证是在同一个局域网下时，更新主AP数据库信息，同时继续填充到射频信息中进行广播传输给邻居AP。当主AP的数据库信息不再更新时，每个AP上都能收到并存储整个局域网中的主AP的数据库信息。

（3）第二级网络的管理。通过算法选举三层网络的主AP信息。AP上已存储整个局域网中不同子网下的主AP信息，通过MAC最大以及型号等因素，选举出三层网络的主AP，这里称为N_LEADER，其他则为三层网络中的N_MEMBER。各個子网下的V_LEADER定时检测自己是否被选举为N_LEADER，当被选为N_LEADER后，AP开始管理其他V_MEMBER。如果这些主AP中自身不是三层网络N_LEADER，则等待N_LEADER来管理自己。

（4）三层网络中的N_LEADER，以及其他N_MEMBER成员，这里简称是N网络，而各自的V_LEADER下又管理了二层网络中的各个V_MEMBER。分布式组网中，通过三层网络中的N_LEADER分布式管理N_MEMBER成员，通过配置框架和其他网络应用任务下发给其他N_MEMBER，同步网络应用任务和信息;再由二层网络中各自的V_LEADER同步网络的应用任务和信息，达到三层自组网的目的。在各个二层子网络设备上，都会获取分布式网络中主AP的数据库信息。

在这个三层网络中，N_LEADER既是本子网络的V_LEADER，也是三层网络的N_LEADER，它同时管理着N_MEMBER和本子网络下的V_MEMBER。同时N_MEMBER管理着各子网下的V_MEMBER。在各自主AP上，通过链表统一存储本子网络下的V_MEMBER信息和N_MEMBER信息。

通过上述分布式管理，N_LEADER管理N_MEMBER以及本子网络下的V_MEMBER，N_MEMBER管理V_MEMBER，整网中每个设备都能被监管并接收到消息任务，结合各个模块的网络管理任务，达到自组网应用的目的。

3.2  射频邻居信息传播机制

在邻居信息的传输和处理上，为了提高扫描邻居信息的速率以及避免广播风暴的风险，这里提出了一种射频邻居信息的处理算法：

（1）AP检测周边的邻居信息，并保存在邻居信息数据库中，同时保存邻居AP对应的主AP信息，并记录在网络主AP的数据库中。

（2）首次接收到邻居信息之后，先将同VLAN下的邻居信息和不同VLAN下的邻居信息区分出来。在同VLAN下的邻居信息中，选取出携带的主AP数据库最多的邻居信息;不同VLAN的邻居信息中，也选取出携带的主AP信息最多的邻居信息，并对这些AP进行标记。按照预设周期和预设邻居信息个数阈值进行无线射频扫描，采集邻居信息。在预设邻居信息个数阈值范围内统计是否采集到上一轮扫描标记的主AP信息最多的邻居信息，若采集到，则将包含主AP信息最多的邻居信息作为候选邻居信息进行邻居信息的提取，并结束本轮扫描;若未采集到的，则在预设周期到期或者接收到的邻居信息个数达到预设邻居信息个数阈值时，比较接收到的邻居信息包含的主AP个数，将包含主AP个数最多的邻居信息作为候选邻居信息进行邻居信息的提取;将候选邻居信息对应的AP标记为主AP信息最多的邻居。在射频扫描更新过程中，只要保证含有最大信息节点的邻居信息已接被接收到，则本次扫描即可结束。这样，可以减少射频邻居扫描时长和传输的次数。

在未优化接收方法前，整网下每个AP的扫描过程中，每次扫描都要去等待最多N个射频信息的处理，如果一次扫描不到，还要多次扫描;而增加处理后，需要等待每次射频扫描的邻居数则最少可能是VLAN的子网个数，从而减少了广播风暴的风险和射频广播帧的传输次数。

（3）每个AP收集的邻居信息都是始终记录最新的一次收集到的邻居信息，之后对接收到的邻居信息进行处理，提取邻居信息中的主AP信息数据库，并更新射频信息字段信息，同时每个AP将更新后的射频信息进行邻居广播。直到每个AP上的主AP数据库不再间隔时间启动扫描，射频信息中最后携带着最新的整网主AP数据库。

邻居信息的传递如图2所示：只要整个网络信号有交叉，则网络的主AP数据库就会互相传递和更新，最后在每个AP上都能知道整网的主AP的数据库信息。

4  方案分析与验证

4.1  技术方案分析

如图3给出了整体的三层组网中不同设备间的交互流程示意图。设备运行状态下进行射频扫描、数据信息传递、对主AP数据库处理;同时，二三层组网管理整体模块中结合提供的邻居信息进行三层自组网选举和组网管理应用。最后，通过配置变更和配置管理应用，完成整网进行分布式管理应用。

图4给出了具体的2个VLAN间的子网络提供三层组网管理信息的模块交互图。两个子网间，通过定期收集邻居信息、更新主AP数据库、定时发送邻居信息、解析邻居信息、邻居信息处理、数据传输等过程。在每个设备上对射频邻居信息进行综合处理后，得到组网相关的应用信息，最后提供给组网管理应用。

上述从设备间交互机制、模块间的信息傳输和处理进行了方案技术的分析，验证了该分布式组网方法的可行性。

4.2  试验结果分析

中小企业的场景中，通常没有也不需要单独的AC控制器管理组网设备，组网场景通常是出口网关+无线设备，典型组网场景有两种：携带网关组网的无线接入组网和不携带网关组网的纯AP组网管理。这里的网关内嵌组网管理的功能（简称虚拟AC）。

4.2.1  场景一

携带网关组网的无线接入组网场景。模拟企业办公和访客的部署场景，测试拓扑如图5所示，特点是办公区和访客区使用不同的VLAN网段进行组网应用，出口网关采用支持VLAN转发且支持组网管理的网关设备。网关支持自组网管理，选举规则上，网关的优先级最高，因此网关是整网的LEADER。网关支持VLAN转发，因此管理着全VLAN下的组网设备，三层组网的问题得到解决。

4.2.2  场景二

不携带网关组网的AP组网场景。网关只做出口上网管理作用，不支持组网应用。如图6所示，在物联网测试间上模拟容量AP进行三层组网应用。

AP通过网关获取地址，AP间处于不同的VLAN时，AP通过射频信息和二层广播处理的方法选举出三层主设备进行整网管理。通过对不同的容量的组网场景进行实验测试，组网完成的时长如表1所示，表1数据已达到三层组网中快速组网应用的目的。

三层自组网规模评估验证：无线射频邻居信息的私有字段的长度是0～2 312个字节，每个射频信息中，携带的1个主AP的信息约40字节（包括VLAN标识号、子网络中的网络标识号、设备序列号、MAC、设备型号等），大约最大能携带50个主AP数据库;因此可以容纳50组的子网形成分布式组网。假设每个子网容量是100台设备，那么整个分布式组网最大的容量即可达到5 000，这对于中小企业或者商业Wi-Fi场景、家居场景等规模组网来说已足够使用。

5  结  论

本文提供一种基于二层广播和射频邻居信息的分布式组网方法。通过技术方案分析和模型测试表明：相对传统的组网管理方式，本技术方案提供了一种方便、快捷且有效的无线接入点自组织的管理方式，解决了三层组网困难以及邻居信息扫描与获取速度慢、邻居广播风暴的问题。

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作者简介：卢燕瑜（1986.08—），女，汉族，福建泉州人，中级职称，硕士研究生，主要研究方向：计算机网络。