構建校園無線網絡

郭頂龍　石曉玲　孫利　蔣娥

摘 要： 802.11n等新標準、新技術的出現為校園無線網帶來無限的發展動力，廣大師生對于盡可能更快捷、更方便、移動式接入網絡的需求越來越迫切。未來更多的應用將會融合在無線網絡上，各高校都迫切需要建立無線網絡來適應師生們的需求，其中無線網絡的規劃尤為重要。探討了無線網建設的目標和原則，目前網絡拓撲中統一管理的無線網絡的構建，以及校園網絡管理等問題。

關鍵詞： 無線網絡； 網絡規劃； 建設目標； 建設原則； 拓撲

中圖分類號：TN711 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）07-14-03

Abstract： The emergence of new standards， and new technology such as 802.11n has boost the campus wireless network. Teachers and students need faster and more convenient mobile access network. More application will be incorporated in the wireless network. The colleges are under pressure to establish a wireless network in order to meet the needs of teachers and students. The wireless network planning is important. The goals and principles of constructing wireless network are discussed. How to establish a unified management in the current network topology of wlan is a problem which needs to be explored further.

Key words： wlan； network planning； construction targe； the construction principle； topology

0 引言

無線局域網（WLAN）技術于20世紀90年代逐漸成熟并廣泛使用，既可以作為傳統有線網絡的延伸，在某些環境也可以替換傳統的有線網絡。相比較傳統的有線傳輸解決方案，無線局域網是使用WLAN網絡實現數據傳輸，擁有如下顯著特點。

⑴ 簡易性：WLAN網絡系統集成的施工快速簡單，可極大地減少管道架設及布線等繁瑣工作；

⑵ 靈活性：無線技術使得WLAN網絡設備可以靈活地進行安裝并調整位置，使無線網絡到達有線網絡不容易覆蓋的位置；

⑶ 綜合預算較低：一方面WLAN網絡減少了綜合布線的費用，另一方面在復雜變化的動態環境及需要頻繁移動情況中，無線局域網技術能更好地保護學校的已有投資。同時，由于WLAN技術是面向數據通信領域的IP傳輸技術，因而可直接通過千兆自適應網口和企業內部Intranet相連，從體系結構上節省了協議轉換器等相關網絡設備；

⑷ 擴展能力強：WLAN網絡體系本身就能支撐多種拓撲結構及平滑擴容，可以非常容易地從小容量傳輸系統平滑擴大為中等容量傳輸系統。

隨著WLAN技術的快速發展和不斷成熟，目前在國內外已經具有較多的政府機構利用WLAN技術部署無線城域網，進行承載部分政府業務，如：電子政務、公安移動警務等。

1 無線局域網發展

無線局域網技術經過十幾年的發展，已經歷了三代技術及產品的發展。

第一代無線局域網主要是采用Fat AP，AP本身儲存了大量的網絡和安全的配置，包括加密的密鑰，認證報文終結等，而AP又是分散在各處的，一旦AP的配置被盜取讀出并修改，其無線網絡系統就失去了安全性。特別是在管理方面，每一臺AP都要單獨進行配置，費時、費力、費成本；

第二代無線局域網采用無線控制器（AC）和FIT AP的架構，對傳統WLAN設備的功能做了重新劃分，將無線網絡和安全處理功能轉移到集中的無線控制器中實現，同時加入了許多重要新功能，如無線網管、AP間自適應、RF監測、無縫漫游等。這時，AP只作為無線數據的收發設備，所有對無線數據的處理都放在無線控制器中實現，這種組網模式大大簡化了AP的管理和配置功能，甚至可以做到“零”配置，完全解決了第一代無線局域網AP配置和管理復雜的難題。但第二代無線局域網將所有功能都集中到無線控制器中，無線網絡和有線網絡在邏輯上完全是兩種不同的網絡，有線和無線的網管都是分離的，無法進行有線網絡和無線網絡的有效融合，網絡管理和維護的成本依然很高。

第三代無線局域網依然采用無線控制器（AC）和FIT AP的架構，但它基于有線、無線一體化組網的理念，對第二代無線網絡做了很多改進。包括統一的QoS策略部署，分布式加密，豐富的轉發類型，有線、無線統一網管等功能。第二代無線局域網采用集中式轉發，所有的數據流都要經過無線控制器，這樣一來AC容易成為網絡瓶頸，并且AP與AC之間大量的數據流占用了寶貴的城域網帶寬；第三代無線局域網提供更加豐富的轉發類型，可以根據需要選擇進行本地轉發、集中式AC轉發和跨AP轉發等多種模式，AP的控制流和用戶的數據流分開，極大程度地優化了帶寬資源分配，減少了網絡轉發時延，保證了語音數據流的快速交換。

第三代無線局域網將無線網絡和有線網進行無縫融合，在減少了無線網絡管理和維護費用的同時更加增強了無線網絡的性能，為網絡管理者提供精細的用戶管理。通過有線、無線一體化的管理平臺，網絡管理者可以非常清楚的看到無線網絡的運行狀況，無線客戶的流量和用戶的上網習慣，從而可以選擇是否要調整熱點地區的AP數量。可以說，第三代無線局域網不但滿足了網絡管理者對無線網絡可運營、可管理的需求，還增加了很多豐富的功能，它將是未來熱點地區WLAN網絡建設的優選方案。

2 建設目標

在我院原校園有線網的基礎上加以無線擴充（即采用AP將無線網絡接入到有線網絡），著重實際應用，覆蓋校園內部分區域，為教學、科研和學習生活提供切實可用的無線網絡環境；保證無線網絡訪問的安全性，支持Portal認證方式；采用非獨立型的無線網絡結構選型[1]。

學院WLAN覆蓋范圍有：室內區域，包括南區培訓中心大樓、北區培訓中心大樓、警訓樓、綜合樓、圖書館、警官食堂；室外區域，包括籃球場、足球場、綜合樓前后空地。無線網絡建設項目中實際環境屬于多房間隔斷、有屏蔽門、等復雜、惡劣的無線部署環境，這對無線網絡建設提出以下的要求。

信號覆蓋要求：用戶在室內使用的移動終端對無線信號靈敏度較高，所以室內的無線信號質量必須要滿足移動終端應用需求。

數據傳輸性能要求：無線網絡中用戶的網絡應用復雜，并發用戶數較多，屬于高密度無線接入。每個辦公室平均3-5個用戶，關于無線的業務視頻會議、語音聊天、文件傳輸等應用都需要一個具有高穩定性、高帶寬的無線網絡。

信號干擾要求：房間數量較多，為了實現全面有效的無線信號覆蓋，需進行無線接入點的密集部署，但這樣就可能存在同頻干擾的問題，而同頻干擾往往會導致整網性能低下，無線網絡不可用的問題，所以低干擾、高可用也是無線網絡建設的重要需求之一。

美觀、管理維護要求：無線網絡建設施工應盡量減少對現有裝修造成較大面積的破壞，不能影響環境的美觀度。而無線網絡維護對網絡管理人員專業技術能力要求較高，所以整個無線網絡結構要簡單，所用設備要盡量少，管理維護要方便。

3 建設原則

結合我院校園和WLAN的實際應用與自身發展要求，無線局域網（WLAN）網絡系統設計本著建設功能完全、技術成熟先進的網絡系統的前提下，主要遵照下列系統建設原則。

⑴ 高可靠性原則：網絡系統的穩定可靠是應用系統正常運行的關鍵保證，對于校園網絡來說，更是如此，在網絡設計中特別是關鍵節點的設計中，選用高可靠性網絡設備，并合理設計規劃網絡冗余拓撲結構，制定可靠的網絡備份策略，保證網絡具有故障自愈的能力，最大限度地保障校園網絡系統的高效運行[2]。

⑵ 技術先進性和實用性原則：以現行需求為基礎，保證滿足校園網絡應用業務的同時，又要體現出網絡系統的先進性。在網絡設計中要把先進的技術與現有的成熟技術和標準達到統一結合起來，充分考慮到校園網絡應用的需求和將來的網絡技術的發展趨勢。

⑶ 安全性原則：WLAN是一個空間開放網絡系統，它對信息的安全以及網絡的安全有較高的要求。制定統一的骨干網絡安全策略、過濾機制和VLAN策略，總體考慮網絡平臺的安全性。

高性能原則：承載網絡性能是校園全部網絡應用系統良好運行的基礎，設計規劃中必需保障網絡及設備的高吞吐能力，保證各種信息（數據、語音、圖像）的高質量傳輸，力爭實現透明網絡，網絡不能成為校園實施應用業務的瓶頸。

⑷ 規范性原則：系統設計所采取的技術和設備應與WLAN國際標準、國家標準和WLAN企業標準相符合，為網絡體系的擴展升級、與其他體系的互聯提供優良的基礎。

⑸ 開放性和標準化原則：在設計時，要求提供開放性好、標準化程度高的技術方案；設備的各種接口滿足開放和標準化原則。

⑹ 可擴充和擴展化原則：全部系統設備不但滿足當前應用需要，并在擴充模塊后滿足可預見未來的需求，如帶寬和設備的擴展，應用的擴展和辦公地點的擴展等。保證建設完成后的系統在向新的技術升級時，能保護現有的投資。

⑺ 可管理性原則：全部系統的設備應易于管理，易于維護，操作簡單，易用，便于進行系統配置，在設備、安全性、數據流量、性能等方面獲得很好的監視及控制，并可以進行遠程管理和故障診斷排除[3]。

4 建設方案技術要點

高信號質量：保證用戶環境下房間內各個角落的無線信號強度>-60dBm，注重滿足各種校園應用及終端使用需求。

高數據傳輸性能：雙路雙頻，支持802.11n標準，并滿足高密度用戶的無線接入需求，能提供高數據傳輸速率。

低干擾：確保同一房間內同頻干擾信號強度<-70dBm，提高整網吞吐性能，構建真正可用的無線網絡。

美觀和易管理：無線網絡結構簡單，需要管理的設備數量少，管理維護簡單方便，整個無線部署不影響用戶環境的美觀度[4]。

每棟樓的無線接入統一管理，每棟樓中接入AP要進行綜合布線，采用6類以上網線，機柜用12U以上，并統一安裝至指定位置。根據無線AP部署情況，單獨部署24接口千兆POE供電交換機，將無線AP單獨匯聚到新增的POE交換機上進行統一管理，簡化網絡結構。

5 無線網絡規劃

5.1 頻率規劃

目前針對WLAN來講，2.4G具備三個不重疊的信道，針對5.8G具有五個不重疊信道，但由于網絡用戶具有必然的不確定性，故網絡覆蓋時所需要的WLAN網絡空間都要考慮進行2.4G與5.8G的頻率覆蓋，從網絡規劃的角度出發，主要考慮2.4G與5.8G二個頻率的覆蓋設計，根據信號衰減模型進行網絡的設計規劃，到具體網絡系統實施時要進行工勘與優化，而對于信道主要采取1、6、11三個信道交錯利用，具體的面覆蓋邏輯示意圖，如圖1所示。

5.2 頻率復用

針對頻率復用的設計與實現主要側重在于重疊區域，考慮到802.11技術中目前業界主要采取DCF的仲裁，這樣會致使從網絡實施的角度出發，沒有辦法做到像GSM、3G網絡的控制力度，從技術原理的角度出發，沒有辦法實現很好的頻率復用，只能被動做些負載均衡的功能[5]。每個AP具有300Mbps、54Mbp、18Mbps等的覆蓋范圍，對于300Mbps的覆蓋范圍不重疊，對于54Mbps與18Mbps就可能進行重疊，可以根據網絡側的負載功能實現一定程度的頻率復用功能，從網絡規劃的角度出發，根據WLAN基本上、下行無線鏈路復用的處理，鑒于目前均采用DCF方式，所以只能結合業務目標實現網絡覆蓋效果，具體網絡使用效果，使用負載均衡功能進行實現。

負載均衡的功能實現原理：按照負載均衡的配置確定負載均衡的模式、SSID、其他參與負載均衡的AP的標識、用戶數量或流量的閥值等進行必要的初始化[6]；確定本AP的二個射頻模塊連接的STA用戶數量和流量；通過UDP協議以私有方法定時進行AP間通訊。先進行握手，成功后才能進行數據的交換，獲取參與負載均衡的AP的負載信息。當有STA要接入時，根據其工作頻率，比較本AP上該射頻下的負載和其他AP的指定SSID下的用戶數或流量，以及負載均衡的SSID綁定接口的速率集，決定STA可否接入。同時要注意到若用戶數已達到AP某個SSID的最大用戶數，則該AP的SSID不允許再接入STA[4]。

5.3 AP容量設計

從業界實現的DCF方式來看，沒有一個最大用戶數的限定，但業界各個廠商進行實現時都基于一定理解的前提下進行默認限制，通常每個AP最大的用戶默認限制為64個用戶左右，并可以按照具體實際情況更改每一個AP限制接入的用戶數。從網絡規劃計劃的角度出發，依照每個AP覆蓋20～25個用戶進行部署，可以保證每一個用戶的接入質量和正常需求下的網絡吞吐量。

5.4 AP布點覆蓋原則

使用室內直放AP布點覆蓋，需考慮及遵照下列幾個問題和原則。

⑴ 需要有入戶線纜資源（超五類雙絞線或六類雙絞線）。

⑵ 如果在一個大廳里只安裝一個AP，則盡可能把AP安放在大廳的中心位置，并且最好是放置于大廳天花板上；如果同一空間安裝兩個AP，則可以放在兩個對角上。

⑶ 保持信號穿過墻壁和天花板的數目最小。2.4G信號可以穿透墻壁和天花板，但是，每一壁墻壁和天花板都將使AP信號的覆蓋范圍削減1到30米。應安放AP與計算機于適合的位置，使墻壁和天花攔阻信號的路徑最短，損耗最小。

⑷ 斟酌AP和覆蓋區域之間直線連接。留意AP的安放位置，要盡量使信號可以垂直的穿過（90度角）墻壁或天花板。不同的建筑材料產生不同的傳輸效果。由金屬的框架或門構成的建筑物會使WLAN無線信號的傳輸距離變小。

⑸ 放置AP的位置應使信號通過干燥的墻壁或敞開的門，避免放置在使信號必須通過金屬材料的位置。

⑹ AP天線方向可調，安裝AP的位置應確保天線主波束方向正對覆蓋目的區域，保證優良的覆蓋效果。

⑺ AP安裝位置需遠離其他電子設備（最少1～2米），如微波爐、監視器、電機等[7]。

5.5 無線網絡拓撲設計

根據實際地勘后結合警院大樓情況的綜合考慮，無線網絡建設采用無線智分部署和放裝部署兩種方式相結合進行覆蓋，在客房區域和辦公室密集區域通過智分部署方式將天線以饋線方式通過吊頂或打孔深入到辦公室內，一套智分系統可覆蓋6個房間，或將部分天線伸進走廊處進行大樓全覆蓋。并在教室和大會議室等區域采用AP直接放裝的方式進行覆蓋，在室外區域通過室外AP加全向天線進行覆蓋。

在原有有線網絡核心交換機上旁掛無線控制器，負責統一控制各個AP，并實現跨AP的無縫漫游，以及所有AP進行智能功率調制、信道分配等，保障無線網絡的效果最佳。為了節省成本，本次規劃的無線控制器還具備Web推送功能，聯動實名制認證收費系統實現Web實名制準入控制。

無線認證對安全有著一定的要求，必須能夠防止系統外部成員的非法侵入以及操作人員的越級操作，盡量避免計算機犯罪問題的發生。由于WLAN網絡與有線網絡不同，用戶可以隨時隨地地接入網絡，故不能像有線網絡那樣通過網口限制用戶的身份，必須使用一定的認證手段。在服務器區域部署一套實名制認證計費系統，實現無線網絡統一實名制接入，保障入網人員的可控和可管理。

6 結束語

學院無線網絡建設需求的重點是要滿足每一個層樓每一個區域的密集用戶的流暢無線接入需求，以及大面積的會議室環境的覆蓋需求，并且要本著節省部署點、降低安裝施工量與維護點的原則，在每個區域通過部署合適數目設備，盡量容納更多的用戶聯網，在建設過程中，同一層樓布置無線AP數超過七個，導致AP信號間的干擾，無法漫游等情況，下一步將對此情況進行AP優化和調整。

建議采取基于802.11n協議為標準的無線產品，與傳統的802.11g技術相比，這些產品可以在用戶投資變化不大的前提下，獲得的信道增大六倍帶寬、覆蓋區域網內并發用戶數量增大五倍的能力，能夠完全滿足現有和將來的無線網絡的高帶寬需求，并為將來的無線語音、無線視頻等高帶寬網絡運用提供了良好的基礎。

建設無線校園網，對于有線的校園網進行良好的補充和擴展，除了要滿足用戶容量的現狀與未來幾年內的發展之外，還需要根據無線網絡自身的特點，為其設計規劃一個“與有線網絡融合、高帶寬、大范圍覆蓋、安全可信”的下一代無線網絡，所以，下一步線網絡規劃建設應從無線信道帶寬保障、重點區域覆蓋、無線應用開發、安全可信運營等多方面綜合考慮。

參考文獻：

[1] 裴俊.一種自適應跳頻無線數據傳輸平臺的開發與應用[D].武漢理工大學，2004.

[2] 唐海.四川移動GSM網軟交換組網方案設計[D].南京郵電大學，2007.

[3] 潘海家.IPv6企業信息網的設計與應用[D].南京郵電大學，2008.

[4] 張齊.校園無線局域網方案設計與實現[D].華北電力大學（保定），2009.

[5] 豆丁網.無線網絡技術方案.http：//www.docin.com/p-763864872.html

[6] 岳榮惠.出方向鏈路負載均衡選路策略的研究與實現[D].西南交通大學，2009.

[7] 蔡維華，馬樂，王華等.基于IGES文件的艦船航行性能數值仿真模型[J].計算機應用與軟件，2012.29（2）：192-194，236