基于802.11ac wave2協議的高校無線網絡應用研究
——以南寧學院為例

徐家麗

(南寧學院，廣西 南寧 530200)

0 引言

當下大數據時代，無線終端對無線網絡速率的需求一直在提升，WiFi作為無線網絡體系中的一項重要技術，每年都會出現技術革新，基于802.11ac wave2協議的5 GHz WiFi相對目前占市場主流的2.4 Ghz WiFi更快、更穩定，且在校園中的應用相當廣泛，在互聯網時代對高校的教學管理會有顯著幫助作用。

1 現狀和背景分析

目前主流的第四代WiFi標準——802.11n協議主要在2.4 GHz的頻率上輻射WiFi信號，該協議的帶寬理論值最高為40 Mhz，由于2.4 GHz的信號穿透性很強，僅需數個AP熱點就可以大面積覆蓋WiFi信號(不論室內外)，所以成本低是四代WiFi標準的最大優點。截至2020年以來，第六代WiFi標準——802.11.ax協議已經有了面向普通用戶進行售賣的產品(成本遠高于第五代標準)，但第五代WiFi標準——802.11ac wave2協議，雖然已經有了非常成熟的產品和廣闊的市場知名度，卻因為穿透性不強引起的成本上升問題，遲遲未代替四代WiFi標準成為市場主流產品。但是成本帶來的性能提升也非常明顯，基于第五代標準的5GHz WiFi的最高速率和最高擴展帶寬都能達到2.4 GHz WiFi的四倍以上，MU-MIMO和波束成形技術令其能夠同時對多用戶提供高速網絡服務，且抗干擾性更強，具備更準確的定位功能，極其適合于高校校園的無線網建設。

根據第45次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》[1]調查數據顯示，截至2020年3月底，我國網民規模達到了9.04億人次，其中手機網民規模達到8.97億，占比99.2%；全國互聯網普及率達到64.5%，較2018年底提升4.9%。可見，互聯網是以無線通信為主的方向上高速發展，如今年正值熱門的5G手機話題或者是曾經的3G，4G話題，市場永遠對更快、更穩定的無線通信技術有強烈的需求。WiFi有著廉價、免費、易用的特性，基于802.11ac wave2協議的5 GHz WiFi能給高校環境提供高速率、強穩定的無線網絡環境，是高校“互聯網+”建設有非常不可或缺的重要工具。

1.1 研究目的

本文主要目的在于研究基于802.11ac wave2的5 GHz WiFi技術在高校校園中的應用。通過研究802.11ac wave2協議，以在高校校園中大范圍覆蓋5 GHz WiFi信號，升級校園無線聯網設備的上網速度和通信效率，并討論“互聯網+”環境下教學模式的優勢。

1.2 對象需求

2020年，社會早已經入互聯網時代，無紙化辦公、遠程辦公是高校在互聯網時代中得以發展的不可或缺的技術，還有遠程教學、多媒體教學等多種新型教學模式。2020年的新型冠狀病毒性肺炎疫情，使得全國中學、高校實施進行網絡教學模式，學生們即使隔離居家，也能通過網絡學習到新知識，這背后是強大的網絡在支撐師生之間的交流，而高校有其獨特的專業性，許多專業課程可能需要在特定的實驗教室、操作機房等場所才能進行，在5 GHz WiFi環境下，教師能以更便捷且穩定的方式，在不同的教室場所進行遠程網絡教學，一些新媒體教學設備，接入網絡教學也是效果更好。

以此為基礎，討論5 GHz WiFi網絡環境下對高校教學管理所帶來的優勢，以及對高校校園“互聯網+”建設的幫助作用：WiFi定位、多用戶在線、物聯網設備校園管理等

1.3 主要威脅和應對手段

目前針對無線網絡的安全威脅主要有7種，分別是：

(1)信息重放(中間人攻擊)：攔截正常的網絡通信并嗅探篡改數據，且被攻擊對象不知情。

(2)WEP破解：破解無線網絡密碼，連接入侵。

(3)網絡竊聽：無須將攻擊設備物理接入網絡，即可在無線信號范圍內竊聽以明文形式傳輸的網絡通信，也是最常見威脅之一。

(4)假冒攻擊：竊取合法用戶信息，假冒身份侵入網絡。

(5)MAC地址欺騙：竊聽數據，獲取AP中允許的靜態地址信息，偽裝成該信息合理接入網絡。

(6)拒絕服務：對AP進行泛洪攻擊，使其持續提供服務至資源耗盡。

(7)服務后抵賴：指通信雙方在完成通信后，其中一方否認參與該通信。

針對這些威脅，安全廠商早已一一對其進行防范，本文以南寧學院為例，校園網已經有一套完整的網絡安全體系，包括下一代防火墻NF、入侵檢測系統IDS、入侵防御系統IPS，日志審計系統DAS，WEB漏洞應用掃描WVSS等設備，能夠提供強大性能的安全保護作用。而且員工日常使用和維護手段已有一套標準方案，物理層防御手段，能夠確保對無線網絡的威脅有充足的安全。

2 802.11ac wave2協議的優勢

2.1 速率和帶寬優勢

即使上一代協議中，2.4 GHz 的WiFi波長更長、傳播范圍更廣，但其頻率低意味著速率的上限低，無法通過技術進步使其達到更高的速度；而且協議僅給其提供了最高40 MHz的帶寬，帶寬擁擠日益嚴重，使用者最常抱怨的網絡服務緩慢其實經常是由于帶寬擁擠造成的[2]。

帶寬更大才能容下更多的網絡流，與之相比，基于802.11ac wave2協議的5 GHz WiFi的高頻率能使單位時間內傳輸更多的數據量，如表1所示，新協議802.11ac Wave2下，速率是802.11n協議的5倍以上，而且技術迭代使帶寬最高達到160 MHz翻了4倍，猶如一條“高速公路”。

表1 基于802.11ac wave2協議的5 GHz WiFi的高頻率

2.2 多用戶并發優勢

802.11ac wave2主要技術之一即MU-MIMO(多任務處理MIMO)[3]。

MIMO是數據多輸入多輸出的英文縮寫，表示無線路由器天線發送和接收信號的技術，早一些的SU-MIMO(Single User Multiple Input Multiple Output)技術即“單用戶多入多出”，該技術下一個AP熱點同一時間單位內只能處理一臺終端設備的數據包，不能多線作戰，AP在任何特定的時間片段都有空閑未使用的網絡帶寬，每個用戶依次獲取網絡服務，效率低下。

802.11ac wave1雖然提升了網絡帶寬，但是卻沒有解決網絡堵塞的問題，直到802.11ac wave2協議出現，其標志就是其關鍵系的MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)技術即“多用戶多入多出”，如其字面意思，該技術規則下的路由器使用4根收發天線(4*4MIMO)，能同時處理多個終端設備的數據包，吞吐量更高，帶寬利用率更高，解決了網絡“堵車”的問題，協議參數對比如表2所示。

表2 協議參數對比

2.3 抗干擾優勢

波束成形(Beamforming)是802.11ac wave2的主要技術之二，傳統AP設備上安裝使用的是全向天線，特點是向四周呈圓形輻射無線電波，為其中有網絡需求的終端提供網絡服務，缺點是AP的無線信道此時在所有方向上都處于繁忙狀態，造成資源浪費和網絡擠兌現象。

波束成形技術則解決了這個問題，通過天線陣列，根據從終端設備獲得的信息，如圖1所示，動態地將無線電波往指定方向上加權合成；如圖2所示，波束成形把能量集中到扇形區域，在此區域中，輻射功率增大，信噪比增強，最終使數據傳輸速率得到明顯提升。在這個過程里，5 GHz信號頻率“干凈”和波束成形技術對信道的管理以及無線電波的定向增益等優勢，使得整個WiFi環境干擾源更少、抗干擾能力更強。

圖1 無線電波往指定方向上加權合成

圖2 能量集中到扇形區域

2.4 建設成本低

802.11ac協議具備良好的向下兼容性， 以南寧學院為例， 802.11n協議WiFi目前已經做到全面覆蓋校內環境，已經搭建好的服務器機群和網絡安全防護設備，以及網絡架構的核心層、匯聚層、接入層的核心交換機、三層交換機等網絡設備均已經鋪設完畢并已穩定運行，802.11ac設備可以直接安裝使用，快捷方便。

2.5 利用校園WiFi的新教學模式特點

一方面，WiFi最明顯的優勢就是幾乎沒有地理條

件的限制，且對于用戶而言：免費、易用；電子設備在信號范圍內即自動連接無線網絡。應用范圍十分廣泛，未來物聯網設備必然會越來越多，基于802.11ac wave2協議的“互聯網+”校園建設，擴展性高，性能優秀，能各方面完美地容納數量多種類多物聯網設備和移動通信設備。在新冠肺炎疫情期間，全國上下的學校都在進行網絡教學的新型教學模式。高校作為高等教育人才的培養基地，擁有更專業更良好的教學儀器，教師能夠在高校內的實驗教室等環境，進行無線網課的教學，無疑能夠讓學生們在視頻的另一端更加簡單易懂地學習專業知識。

另一方面，高校校園的管理比中小學校園復雜得多，在互聯網時代，網絡攝像頭、無線顯示屏、無線刷卡機、多媒體設備、師生簽到系統等無線聯網設備比比皆是，而且還會有越來越多物聯網設備協助高校管理校園和建設校園，一個強大的無線網絡環境能夠作為堅實的“地基”提供一切服務。

預想最直接的應用情況如表3所示。

表3 最直接的實際應用可能

3 高校校園網5 GHz WiFi的設計和測試

3.1 無線網絡拓撲圖

如圖3所示，無線網絡系統的結構十分簡單明了[4-5]。匯聚層的三層交換機匯聚接入層的AP設備

圖3 無線網絡結構拓撲

數據；核心層核心交換機連接防火墻、服務器、匯聚層交換機，進行數據交換和管理；最后通過防火墻進行數據安全保障后接入互聯網。

以南寧學院為例，南寧學院校內的802.11n標準的無線網絡環境已經成熟穩定運行，只需在現有架構上的接入層，增設或者替換802.11ac wave2協議設備，即可完成無線網升級。

3.2 網絡流量測試

南寧學院目前已建成部分帶有5 GHz WiFi信號的無線網絡，流量監控情況如圖4所示，由圖可知，這段監控時間內共有868用戶連接WiFi上網，其中選擇5 GHz WiFi接入網絡的用戶數量，遠大于2.4 GHz的用戶數量；并且網絡速率始終保持在300 Mbps以上，這份性能數據已經十分符合高速無線網絡環境的表現[6-7]。

圖4 WiFi網絡流量監控

4 結語

互聯網已經高速發展到了大數據時代，在這個時代中，無線聯網是最主流的發展方向，不管是政府單位、家庭、商場或是高校，對無線網絡永遠有更快更強的需求；高校基于802.11ac wave2協議建設無線網絡，對于“互聯網+”校園的建設至關重要，在該協議和現在正火熱發展的5G通信相結合的基礎上，無論是建設互聯網+新教學模式，還是建設萬物互聯的校園管理，都能夠順利實施，做到全面提升高校的教學實力。