无线网络教室的监测与控制技术

摘要：本文针对无线网络教室的应用场景，分析了无线局域网中音视频点播应用的特点，提出并实现了对网络传输质量的监测和控制。通过对无线网络的监听和网络流量的测量，分析网络负载状况，进行准入控制和分级服务，以实现网络带宽的有效利用，提高无线网络的服务质量。
关键词：无线局域网  网络监测  准入控制  

1. 引言
       无线局域网（WLAN）技术以其高度的灵活性和移动性，受到了人们的广泛重视，得到快速地发展和应用。人们可以快速组建无线局域网互相通信，这一特点使无线接入方式特别适合于临时会议、教学活动等场合。因此，基于无线局域网并主要运行音视频业务的无线教育方式正受到人们的极大关注。
      与传统的有线网络相比，无线网络具有容量有限、差错率高的特点。而视频应用需要占用很多带宽，对差错和时延敏感，具有较严格的服务质量（QoS）要求。因此，为了在带宽有限的无线局域网中对流媒体业务提供一定的QoS保证，需要引入一套与无线环境特点相适应的监测和控制机制。
我们所提出的无线网络教室监测与控制系统工作在无线局域网中，对网络业务进行监测，并根据测得的网络状态（包括网络的总带宽占用率、各个业务流的吞吐率等）采取相应的控制策略来为无线环境下的教育节目的传输提供一定的QoS保证。本文将说明它的主要功能及其中的一些关键技术。

2. 无线局域网中的流媒体业务
      流媒体技术是一种使多媒体文件以流（streaming）方式进行网络传输的技术。它的特点是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放入流服务器，用户可以在下载的同时观看、收听，而不需要等待整个压缩文件下载到本地机器。
      无线局域网中的流媒体业务除了有流媒体传输形式自身的特点外，还受到无线环境的影响。无线信道的特点是容量有限、差错率高，并有时变和不对称传播的特性，而视频应用需要占用很多带宽，对差错和延时敏感，具有严格的QoS要求。在设计和实现无线局域网视频/音频应用时，必须考虑到这些特性。
      TCP不适合无线局域网中的流式传输。这是由于碰撞丢失（特别是在无线链路的状态不能正确控制差错率时）和移动性的影响（比如，当移动主机漫游在信号覆盖很差的区域时产生的暂时性丢失），无线环境中存在着更多的非拥塞性的丢失。而TCP将丢包作为拥塞发生的标志，在丢包发生时会减少传输窗口并将拥塞窗口大小减半，造成实际传输速度的下降。因此无线局域网中的流媒体业务一般采用RTP/UDP来传输。
      为了对无线局域网中流媒体业务提供一定的QoS保证，我们需要引入一套与无线环境特点相适应的监测和控制机制。

3. 监测与控制机制
       本系统的应用环境是一个基于IEEE 802.11b的带基础设施（Infrastructure）的无线网络教室，它的拓扑结构如图1所示：
图1 无线网络教室

      其中，无线网卡采用Lucent Silver PC Card和Avaya USB Wireless Card；AP采用Lucent WavePoint II；教学课件是以307 kbits/second的比特率制成的ASF文件；A/V服务器采用Microsoft Windows 2000 Server/ Windows Media Server，同时完成Web服务器和流服务器的功能，可以进行单播和组播服务。
       监测和控制系统的功能是监测无线局域网中各种业务流的状态，根据当前状态采取相应的控制方法，由监测和控制两个模块组成。
业务监测模块的功能如下：
① 截取局域网中数据包，并记录每个包的大小、类型、源和目的、截获时间等信息。
② 实时获取局域网中的各个流媒体节目流的状态信息。
③ 实时获取无线局域网接入点的状态。
④ 接收用户指定的控制策略。
⑤ 广播控制报文，对局域网中流媒体业务进行控制。
控制模块的功能如下：
① 从监测部分接收准入控制信息并记录，由运行在无线客户端的课件点播程序完成准入控制功能。
② 从监测部分接收服务级别调整信息并记录，由课件点播程序完成服务级别调整功能。

4. 网络监测
4.1 利用Libpcap测量网络负载
        网络测量是获取网络运行状态和对用户行为进行监测的有效手段。网络测量主要是通过监测网络中端到端的延迟、抖动、丢包率等特性，了解网络的可达性、利用率以及网络负荷等方面的情况。基本的测量手段包括网络业务流量分析和网络拓扑探测。
      无线网络教室中，网络状态测量的主要目的是对网络中流媒体业务的特性进行测量和分析，获得流量特性，包括业务对带宽的占用情况和它的行为特征等。我们对流媒体业务进行测量的方式是利用Linux的PCAP库（Libpcap），将网络监测主机的网卡设置成混杂模式，通过截取局域网中的数据包中的信息被动地监测和记录网络流量。这种方式不会增加额外的网络流量。
      利用Linux提供的PCAP库函数，可以截取经过监测主机网络接口的全部数据包。为了从包的信息中得到流媒体业务的状态，需要用适当的存储结构来表示和记录网络中的流，这是监测和控制系统区分各种类型的网络业务的重要依据。
       我们将流定义为：有同一组特性（源IP地址、目的IP地址、源的端口号、目的的端口号、协议类型、开始时间和结束时间）的数据包集合。一个流在一定的超时时间内没有新的包到来时，称这个流终止了，否则称这个流为活跃流。
       可以认为，某个时刻的网络业务状态就是在此时刻网络中全部流的状态的集合。在设计监测程序时，我们构造一个流的哈希表来记录不同的流，表中每一项都记录了一个流的所有特性。当PCAP从网络接口截获一个数据包时，监测程序就对这个包的协议头（包括IP头、TCP头或UDP头）进行分析，确定这个包所属的流，并将这个流在哈希表中的状态信息进行更新。如果哈希表中没有这个包所属的流，就说明这个包属于一个新的流，那么就在哈希表中创建这个新流。此外，每隔一段时间要对哈希表进行更新，删除已经结束的流。
4.2 利用SNMP获取无线接入点状态信息
       简单网络管理协议（SNMP）是网络管理的一系列标准，作为基于TCP/IP互联网的标准而被业界普遍接受。在无线网络教室中，由于无线链路状况很不稳定的特点，使得无线段成为系统中实际的瓶颈。因此，就需要了解与每个无线接入点（AP）通信的无线终端的数量，每个AP的无线端口出入口的吞吐率（bytes/s）等，以了解无线链路的负载情况，这些信息是通过简单网络管理协议（SNMP）来获得的。
       通过SNMP我们可以获得AP的信号强度、噪声强度、信噪比，与其通信的无线终端的数量以及每个无线终端的MAC地址、信号、噪声强度和信噪比；此外，还可获得AP及无线终端所发送、接收的数据包数量等信息。另外，利用标准的SNMP MIB-2,我们可取得关于AP的一些系统（system），接口（interface），地址转换组（at group），IP组等统计信息。
       考虑到无线教室应用的特点，在利用SNMP所能取得的众多信息中，我们有选择的获取了AP的系统描述信息以及对判断无线链路状态更有意义的一些参数，如AP无线接口出入的总流量（byte），总的出入的吞吐率（byte/s）,以太网接口出入的总流量和吞吐率，递交到上层协议的单播的包数，被丢弃的数据包数量等。这样，我们就可以利用这些参数对无线链路状况作出判断，并据此进行一些简单准入控制，以满足服务质量的要求。

5. 准入控制和分级服务
5.1 准入控制和自适应QoS
      在无线网络教室中引入监测和控制策略的目的是保证教学节目的播放质量，我们采取准入控制和自适应QoS相结合的手段来实现这个目标。
       802.11b无线局域网的实际传输带宽是有限的，而流媒体业务相对其他类型的网络业务具有占用带宽高、对延迟敏感、容易被其他业务影响的特点。因此，无线教室中运行的流媒体业务不能无限制地增加，对点播用户进行准入控制是保证流媒体业务QoS的重要手段。
       准入控制的具体方法是：监测程序向网络管理者提供设定控制策略的功能，其中包括设定准入阈值带宽和流媒体业务的最大并发用户数。监测程序周期性地将无线局域网中被占用的总带宽通知工作在无线终端上的课件点播程序，由它根据当前网络的负载情况决定准入控制或分级服务策略。如果网络总负载超过准入阈值带宽（或同时进行教学节目点播的用户数超过已设定的最大数量）时，控制程序阻塞新的用户点播请求。当网络能力可以承受新用户的点播请求时，控制程序就解除阻塞状态。
      在宏观角度，准入控制保证无线局域网中业务的整体QoS。<