計算機網絡實驗中的無線組網方式研究與探索

劉進 王宗武 樊克利 孫翠娟

摘要：針對傳統計算機通信與網絡實驗教學中教學內容局限于有線網絡的問題，以加深學生對無線技術基礎理論知識的理解，提高學生對無線網絡管理與測試能力為目標，實踐探索出計算機通信與網絡實驗教學中無線網絡的組網方式、無線網絡的管理與測試實驗教學內容，擬在為計算機專業實驗課教師有效開展無線組網實驗教學提供參考。

關鍵詞： 計算機通信與網絡; 無線技術; 組網方式;無線網絡管理與測試

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0063-02

無線局域網（WLAN）是無線通信技術與網絡技術結合的產物，網絡設備之間通過無線信道來實現移動化、個性化和寬帶化的無線通信。眾所周知，有線網絡架設成本較高，在穿墻鑿壁、空中飛線等應用場景中布線難度大，而且存在光纖成本高、雙絞線遠距離信號較弱、復雜布線影響市容形象等眾多問題。無線網絡具有安裝快速簡單、設備安裝和位置調整靈活、通信范圍不受環境條件的限制、網絡布線等綜合成本低的顯著優勢，有效解決了有線網絡中遇到的網絡架設成本高、布線數量劇增及布線難度大等問題，使網絡用戶任意對有線網絡進行擴展和延伸[1]，將是未來發展的必然。

隨著無線技術和無線網絡的日益成熟，無線網絡應用的逐漸推廣，僅局限于有線網絡的教學內容顯然已經不能適應當前本科生實驗能力培養的需要，急需為學生開設無線局域網組建、管理與測試有關的實驗[2-5]。在此背景下，筆者在計算機通信與網絡實驗教學中引入無線組網的實驗內容，嘗試實踐了加深學生對無線技術基礎理論知識的理解，培養學生對無線網絡管理與測試能力的達成。

論文結構主要分為以下幾部分：第一部分，旨在加深學生對無線技術基礎知識理論的理解;第二部分，旨在讓學生了解目前主流的無線組網架構;第三部分，擬為學生教授無線網絡配置和管理的基本操作;第四部分，指導學生掌握基本的無線網絡測試手段，驗證網絡配置的正確性，并進一步加深對無線網絡基礎理論知識的理解和認識。

1 無線技術基礎理論知識

1.1了解無線理論知識

通信技術可以分為有線通信和無線通信兩大類。通信雙方如果借助電纜、網線、光纖等有線介質傳播數據使用的就是有線通信技術;如果借助電磁波在空氣中傳播數據，利用的就是無線通信技術。在有線介質上傳播信息，傳輸數據速率很高，以光纖為例，單條光纖最大速度可以達到26Tbps，而目前主流的4G LTE無線通信理論速率只有 150Mbps。因此，信息數據在空中通過電磁波傳播部分才是移動通信的瓶頸所在。所以，現在人們所說的5G移動通信，就是要實現無線終端設備端到端的高速率信息數據傳輸，重點則是要突破信息數據在無線傳輸部分的瓶頸 。

無線技術的基本原理可以用光速等于波長乘以頻率這么一個簡單的物理學公式進行描述，早期的1G、2G、3G通信技術，以及現在主流的4G甚至于5G移動通信技術，都是基于這個公式開展研究。隨著無線通信技術的發展，電波使用的頻率是越來越高，能夠使用的頻率資源越豐富，傳輸速率也就越高。目前全球主流的 4G LTE 技術標準，屬于特高頻和超高頻（0.3GHz～30GHz），而5G移動通信目前國際上主要使用 28GHz 進行試驗，利用光速和通信頻率可以計算出5G移動通信使用的電磁波波長約為10.7mm，因此 5G技術的一個顯著特點就是使用毫米波進行通信。

1.2了解IEEE 802.11系列無線網絡標準

目前常見的無線網絡標準以IEEE 802.11系列為主[6]。它是IEEE國際電氣和電子工程師協會制定的一個通用無線局域網標準。目前電子產品中最常見的標準是802.11n/b/g，802.11a，802.11ac等標準。區別這些802.11標準重要參考指標就是工作頻段，比如802.11n/b/g主要的工作頻段就是2.4GHz，而802.11a/ac工作的主要頻段就是5GHz。目前幾乎所有的無線設備都支持802.11n標準，也就是支持2.4GHz的工作頻段的連接。而如果使用的無線終端設備如手機、平板等或者無線路由設備支持802.11ac標準，就可以判定它支持5GHz頻段連接。

2 無線組網方式

目前主流的無線網絡組網方式采用無線瘦AP（access point，無線接入點或者無線訪問節點）的方式，即AC（access control，接入控制器）來統一管理AP的方式進行組建。其中，AP主要提供無線工作站對有線局域網和從有線局域網對無線工作站的訪問，是無線網絡與有線網絡之間溝通的橋梁，也是組建無線網絡的核心;AC是無線接入的控制服務器，負責把來自不同AP的數據進行匯聚并接入Internet，同時完成AP設備的配置管理，如無線用戶的認證、管理及寬帶訪問、安全控制等控制功能。當AP數量增加時，就可以接入無線AC從而形成一個大型的集中管理系統。

目前在高校實驗室現有條件下開展無線網絡實驗，可以嘗試采用以下三種方式：一是采用虛擬仿真的實驗形式[7-8]，即采用思科的Cisco Packet Tracer 或者華為的eNSP仿真軟件開展無線網絡仿真實驗，優點是投入成本低，缺點是學生無法操作實際的網絡管理設備，實驗過程也不夠直觀;二是采用無線控制器AC和無線接入點AP設備構建無線網絡環境，但是考慮到學生數量較多，如果每個學生都能實際操作無線控制器AC設備管理AP設備，那么需要采購的無線控制器AC數量就很多，考慮到無線控制器AC的單價較高和數量較多，無線網絡實驗環境建設成本較高;三是借助有線網絡實驗中用到的路由器設備中的內置無線AC功能，如國內知名網絡設備廠家新華三H3C的MSR 830 5BEI-Winet等型號路由器設備實現了有線網絡和無線網絡融合，路由器已經集成 AC 管理功能，可對 H3C 公司的對應型號的 AP 設備進行統一管理，有效地將有線網絡和無線網絡融為一體，降低網絡投資成本和組網的復雜度。因此，在現有有線網絡教學中使用路由器設備的基礎上，只需要購買與路由器內置AC相匹配型號的AP設備就可以開展無線網絡實驗，大大節約了無線組網實驗開展所需投入的成本。

3 無線網絡的配置與管理

在無線網絡實驗環境組建完成后，學生在無線網絡環境下，需要掌握的無線網絡配置管理實驗內容主要可以歸納為以下幾部分：

3.1 配置AC與AP建立CAPWAP隧道

AP和AC間采用CAPWAP（Controlling and Provisioning of Wireless Access Point，無線接入點控制與供應）隧道進行通信。配置的方式有創建手工AP和自動AP兩種方式：創建手工AP是指用戶根據AP的型號、序列號和MAC 地址等實際信息，在AC上手動創建AP;然而，當無線網絡中部署的AP 數量較多時，采用手動配置AP的方式比較煩瑣，開啟自動 AP功能可以簡化配置。

3.2AP射頻管理

射頻是一種高頻交流變化電磁波，表示具有遠距離傳輸能力、可以輻射到空間的電磁頻率。WLAN 是利用射頻作為傳輸媒介，進行數據傳輸的無線通信技術之一。射頻的頻率介于 300KHz 和300GHz 之間，WLAN 使用的射頻頻率范圍為 2.4GHz 頻段（2.4GHz～2.4835GHz）和 5GHz 頻段（5.150GHz～5.350GHz 和 5.725GHz～5.850GHz）。射頻的管理操作主要實現對AP設備的射頻參數如信道、帶寬、發射功率等參數的配置與管理。

3.3配置AP組

配置AP 組用來實現批量對一組 AP 進行配置和管理，AP 繼承其所屬組的配置來達到簡化配置的目的。 在大規模無線網絡中，同一 AC 管理的 AP 數量可達幾千臺，對每一臺 AP 逐一配置將導致網絡管 理難度極大提高。AP 組用來降低逐個配置 AP 的操作成本，用戶可以創建多個組，對不同的組用戶可以根據需要進行不同的 AP 配置。

3.4配置AP無線加密功能

WLAN 用戶安全協議主要包括 Pre-RSNA、802.11i 和 802.11w。其中，Pre-RSNA 機制最早出現，安全機制不太完善;802.11i 協議是對 Pre-RSNA 的增強，但僅對無線網絡的數據報文進行了加密 保護;802.11w 建立在 802.11i 框架上，對無線網絡的管理幀進行保護，進一步增強了無線網絡的安全性。實驗中可以選擇配置密鑰管理模式為PSK模式、加密套件為CCMP、安全信息元素為WPA。

4無線網絡的測試與驗證

無線網絡的測試與驗證采用學生分小組合作實驗的方式進行，每組4到6名學生，使用一臺集成 AC 管理功能的路由器和2個對應的AP設備，構建一個小型的無線網絡，完成無線網絡的基礎配置后，在此基礎上指導開展無線漫游和無線頻譜導航等測試實驗，學生可以在此基礎上，自己設計并完成拓展測試內容。

4.1無線漫游測試

在無線網絡環境中，其中一名學生負責手持無線客戶端（手機、筆記本、IPAD的無線終端設備），從一個AP的信號覆蓋范圍，移動到另外一個AP的覆蓋范圍，即WLAN 客戶端從一個 AP 上接入轉移到另 一個 AP 上接入的過程稱為漫游。在漫游期間，其余學生觀察并記錄無線客戶端的 IP 地址、授權信息等是否發生改變。

4.2頻譜導航的測試

在無線網絡環境中，學生使用的無線客戶端（手機、筆記本、IPAD的無線終端設備）有些只能工作在 2.4GHz 頻段上，有些客戶端在 2.4GHz 頻段和 5GHz 頻段都可以工作，這就可能會導致 2.4GHz 射頻過載，5GHz 射頻相對空余。在這種情況下，指導學生配置和使用頻譜導航功能，將支持雙頻工作的客戶端優先接入 5GHz 射頻，使得兩個頻段上的客戶端數量相對均衡，從而提高整網性能。

5 結束語

學生通過學習無線局域網組建、配置管理和測試驗證等無線組網實驗課程的學習，將進一步加深對無線網絡技術基礎理論知識、發展現狀及無線網絡行業標準的理解，學習現在主流的無線AC+瘦 AP的無線網絡架構，熟悉無線網絡設備配置與管理、無線網絡測試與分析等內容，提高學生對無線網絡管理與測試的實踐能力，同時也為學生今后在無線網絡組建、管理和優化等方向理論的進一步深入研究和實踐奠定基礎。

參考文獻：

[1] 朱鵬，胡平霞.淺析某高校無線局域網技術在校園網的應用[J].計算機時代，2020（7）：34-36.

[2] 程香.無線網絡課程實驗碎片化設計與實踐[J].高校實驗室工作研究，2016（4）：39-41.

[3] 左明慧.基于IEEE802.11高校無線校園網絡覆蓋設計研究[J].價值工程，2018，37（36）：199-201.

[4] 董雪.《無線局域網的組建》技術實驗項目教學設計[J].中國信息技術教育，2019（11）：23-25.

[5] 陳杰，歐冬秀.WLAN無線局域網測試與分析實驗設計[J].教育教學論壇，2019（1）：254-257.

[6] 劉純勤， 李安濤. IEEE 802.11無線局域網標準[J]. 通信技術， 1998（1）：55-58.

[7] 曹雪峰，孟偉，陳日升.基于eNSP的WLAN實驗設計與實現[J].實驗室研究與探索，2017，36（7）：127-131.

[8] 甘衛民，李檢輝.Packet Tracer中無線網絡的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019，15（34）：41-42，52.

【通聯編輯：王力】