高職院校無線網絡規劃與應用研究

廖小群，羅添耀，李潤

（廣西國際商務職業技術學院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

加快教育信息化發展是推動學校管理科學化、智能化、效能化發展的需要。基于有線網絡的校園網絡設施助力了學校的高速發展，但有線網絡因布線困難不能全覆蓋學校各個角落，導致校園內存在許多“網絡盲點”，隨著無線應用的普及和新型教學方式的轉變，網絡使用場景從常規的教室、辦公室、宿舍拓展到校園內的所有場所。相比有線網絡，無線網絡有著安裝便捷、使用靈活、經濟節約和易于擴展等優勢，為了更好地服務于師生，學校對無線網絡的關注和投入日益增加，建設無線網絡成為學校信息化發展的重要一環。

1 校園網無線網絡需求分析

1.1 統一的校園網絡建設的需求

廣西國際商務職業技術學院大學路校區現網中是電信、聯通、移動等各家運營商各自為政，線路重復投資建設，沒有按統一標準建設，導致線路錯綜復雜，校內資源尤其是宿舍內的線路資源雜亂且浪費嚴重，再者，用戶校園寬帶業務無法與手機業務建立連接，學院對學生的上網行及對學生的意識形態無法掌控，對學院的信息現代化建設和管理造成了影響。因此需要建設一張由學院掌控的統一的校園網。

1.2 完善網絡機房設備建設的需求

現網中在機房內的設備已經無法滿足能實現多家運營商同時接入并認證的需求，因此，應完善網絡機房設備，增加高性能的網關設備，實現多運營商統一接入、出口管理，增強網絡容災能力，提高機房的安全性。

1.3 未來業務發展的需求

現網中宿舍區、教學和辦公區域的寬帶接入均采用LAN 方式接入樓棟，千兆或百兆到樓棟，百兆到用戶桌面，已經不能滿足iTV（InteractiveTelevision）、寬帶互聯網視聽業務、高清視頻等日益增長的高帶寬業務的發展需求。

1.4 宿舍無線業務的需求

現網中的學生在宿舍內使用無線上網時需要使用運營商流量，或者私自安裝路由器，手機用戶登錄訪問校園內網資源也需要經過運營商的外網，再繞回學院的內網地址訪問，無法實現學生不用經過外網的情況下去訪問校內資源。為此，必須在學生宿舍區建立一個安全便捷、穩定高效、易于管理和擴展的無線校園網絡和基礎架構。

1.5 終端準入安全的需求

隨著無線網絡的上線，接入無線網絡的終端類型多種多樣，原先有線網絡只有筆記本電腦或者臺式機，但是新的無線校園網，用戶接入終端可能為智能手機、PAD、筆記本電腦或者臺式機，用戶的接入范圍相對之前也更加廣泛，如何基于區域以及終端類型等多條件進行用戶準入控制是無線網絡中必須解決的一個問題。

1.6 管理平臺的需求

現網中學院無法對學生的網絡使用情況進行有效的統一管理。本次網絡升級方案中，管理平臺分為兩個部分，首先是對用戶終端的管理，現有有線網絡終端類型相對比較單一，無論是筆記本電腦還是臺式機，終端都需要通過有線鏈路接入，而隨著無線網絡的建設，無線終端類型多種多樣，如何對多種終端按照需求進行接入管理是網絡管理員面臨的一個棘手的問題。運營管理的另一問題是設備的管理，學校無線網絡需要部署大量無線接入點，網絡設備是原有設備的幾倍，如何在不增加運維人員的前提下實現對設備的統一高效管理，是管理員面臨的另一個問題。

2 校園網無線網絡總體建設目標

建設統一的唯一的校內網絡，互聯網接入端口設在學院網絡中心，并對所有寬帶網絡運營商開放，學生可自由選擇所需要的運營商服務。引進的寬帶網絡運營商的線路只需接到學院的網絡中心，不直接接入學生宿舍，在中心機房設置一臺萬兆代撥路由器，能滿足15 000 位以上的用戶同時使用。學生在網絡信號（包括有線、無線）覆蓋的任何場所可免計費直接連接到學院校園網，學生免費使用校內網絡資源，學生賬號可在校園內有無線信號的場所漫游上網。校園無線網絡為師生的學習、生活和工作創造切實可用的無線上網條件，也能夠適應未來各種不同的信息融合業務以及帶寬的拓展需求。

構建一套包含無線網管、無線安全和無線計費的全面無線網絡支撐體系，支持802.1x、web-portal、MAC 快速認證、PPPOE 認證等多種認證方式，避免無線設備與軟件不兼容或網絡管理混亂帶來的問題，確保網絡接入的安全性。并且此次需要實現無線網多家運營商的統一認證，可通過上網彈出頁面等方式推送有關通知和信息，實現無感知接入功能，從而提高用戶使用體驗。

建設一個安全、可靠、高速的網絡服務的運營管理平臺，從而實現對網絡設備和線路運行狀況的動態監控和管理；實現通過上網行為管理和行為感知系統實時監控學生的上網行為，有效進行校內輿情監控，從而保障意識形態安全；學院有上網賬號管理權，學生以學號作為上網賬號，實名制上網，可以自由選擇任意一家寬帶網絡運營商接入因特網，學生可以隨時自助開戶和關停上網賬號。

3 校園網無線網絡設計

廣西國際商務職業技術學院大學路校區無線網絡改造升級方案涉及10 棟學生公寓約800 間宿舍、4 棟教學樓和1棟辦公樓，總共約60 間房間。學生公寓區域和教學辦公區域都遵循“萬兆到樓棟”“千兆到桌面”的原則進行規劃和施工，實現核心交換機與各樓宇之間的主干線路環路設計，可避免單條線路中斷引起網絡故障，樓宇之間的線路使用地下管道連接。

3.1 網絡拓撲設計

宿舍樓宇內每個宿舍部署一臺無線AP，無線AP 在為用戶提供無線信號接入的同時為每個房間提供8 個有線網口接入，從而充分保障了用戶在宿舍內有線或者無線接入的不同業務需求，觀看電影、瀏覽網頁等對時延要求不高的可以通過無線接入，玩網絡游戲、開展交互性視頻教學等對時延要求較高的可以通過有線接入。學院無線網絡升級規劃拓撲圖如圖1所示。

圖1 學院無線網絡升級規劃拓撲圖

3.2 樓宇間環形連接設計

各樓宇之間的主干線路形成環路，首尾相連。例如有ABCD 四樓樓宇，如果機房與A 樓宇之間的主干線路中斷，則立即啟用D 樓宇到A 樓宇的線路，依此類推，避免單條線路中斷引進網絡故障，樓宇之間的線路使用地下管道連接。

3.3 校園網出口網關設計

出口網關作為校園網連接互聯網的邊界設備，按照功能在邏輯上可以劃分為遠程接入層、邊界連接層、安全防護層、應用控制層和日志審計層。其基本功能是負責邊界網絡的數據轉發、帶寬限制、上網行為控制、安全防護、日志審計等功能（如圖2所示）。

圖2 出口網關邏輯層

邊界連接層需要具備三個方面的功能，一是NAT（Network Address Translation）高速轉發、策略路由功能。第二，為了實現鏈路冗余備份和提高鏈路的整體利用率，邊界連接層一定要具備多鏈路負載均衡與備份功能，在任意一個網絡設備或者廣域網鏈路發生故障時，能夠快速自動切換到其他冗余鏈路。三是要具備智能DNS 解析功能，校內人員在瀏覽不同ISP（互聯網服務提供商）提供的信息資源時，邊界路由器通過智能DNS 技術解析出訪問資源的目標IP 地址，智能地選擇不同的ISP 進行訪問，比如教育網信息資源通過CERNET 鏈路訪問，電信網資源通過ChinaNET 鏈路訪問。從而避免了訪問路徑跨越不同ISP，確保師生獲得最佳的互聯網使用體驗。

出于對校園網絡的可靠性考慮，高校的普遍做法是同時向多家運營商租用多條上網鏈路。在多條鏈路情況下為了確保用戶的訪問路徑是最優路徑以及多條鏈路都能均衡利用，學校的出口網關必須支持負載均衡技術，對ISP 鏈路的利用情況進行監控，對數據流進行智能路徑選擇，提高了信息資源的訪問速度。

3.4 校園網核心設計

核心設備作為校園網的骨干，不斷為校園網用戶提供安全的信息血液，保證整個網絡系統的可靠運行。這些核心設備作為全網平臺的神經中樞，是全網的數據傳輸中心，不僅要保證全天候的可靠運行，也要保證各種應用服務器的數據能夠穩定可靠地傳輸到終端。既需要協調整個網絡的數據流和訪問策略，也要保證網絡中心本身的安全。因此，核心設備需要支持冗余方案。網絡出現問題時，可以在不影響業務的情況下快速切換。

本次升級方案新采購兩臺核心交換機組成雙核心網絡。新的核心交換機是基于云架構網絡設計的，同時具備云數據中心功能和云園區網功能的新一代云架構網絡核心交換機，能實現云架構網絡融合、虛擬化、靈活部署。核心交換機采用超大表項容量，可以承載10 萬級用戶在線。

3.5 匯聚層交換設計

宿舍、教學、辦公區域每棟樓安裝一臺三層萬兆交換機用于做匯聚，下聯各樓層的千兆接入交換機，從而實現萬兆到樓棟，千兆到桌面的規劃。

3.6 無線網設計

依照WLAN 的國際規范和國際無線電管理委員會的標準，Wi-Fi 傳輸的工作頻段有2.4 GHz 和5 GHz 兩個設置，相比之下2.4 GHz 的波長比5 GHz 的波長要長，最明顯的優勢就是在于穿墻能力較強。但是如果在Wi-Fi 使用比較密集的地方，比如學校的圖書館，不同路由器發射出來的2.4 GHz 信號就會互相影響形成了干擾。5 GHz 的Wi-Fi 信號由于波長相對較短，很容易受到障礙物的影響，所以穿墻能力較弱。但它的頻率比2.4 GHz高，所以能夠傳輸的信息量較大。

2.4 GHz 為各國共同的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，頻段范圍為2 400～2 483.5 MHz，帶寬83.5 MHz，無線局域網、藍牙、ZigBee 等無線網絡都工作此頻段上。802.11 b/g/n 協議工作在2.4 G 的頻段中，分為14 個交疊的、錯列的20 MHz 無線載波信道，它們中心頻率間隔分別為5 MHz，如圖3所示。信道在不同國家的使用也不同，中國允許使用1 到13 信道。802.11a/n/ac/ax 協議工作在有24 個載波信道的5G 頻段中。

圖3 2.4 GHz 無線頻段

當多個信道同時工作時，為保證兩個信道互不干擾，兩個信道的中心頻率間隔不應小于25 MHz。考慮參照北美標準設計的許多WLAN 設備和網卡不能使用12、13 信道作為學生信道，因此校園Wi-Fi 建議一般選用1/6/11 信道。

Wi-Fi5 和Wi-Fi6 分別支持的協議是802.11ac 和802.11ax，由于Wi-Fi5 只能工作在5 GHz 頻段，而Wi-Fi6 能覆蓋2.4 GHz 和5 GHz 兩個頻段，并支持上下行同時的MUMIMO 技術與OFDMA 技術，最大傳輸速率從Wi-Fi5 的3.5 Gbps 提升到了9.6 Gbps。目前來看，Wi-Fi5 已經開始朝著Wi-Fi6 升級，一些學校的不少用戶已經用上了Wi-Fi6。所以本次學校的無線設備全部采用支持Wi-Fi6 協議的無線AP。

3.7 覆蓋效果計算

RSSI 是Received Signal Strength Indication 的簡稱，作為基站端接收信號強度指示，它是用來評定數據傳輸穩定性的安全指標，也是決定是否增大廣播發送強度的重要依據。與Rx（Received Power）所不同，Rx 主要表示網絡終端的信號強度，而RSSI 則代表了基站廣播端的信號強度。

覆蓋區域信號強度不低于-70 dBm，信號質量高，能實現滿速率傳輸。校內使用密集區域的接入速率應不低于140 Mbps。室內分布系統天線的等效全向輻射功率≥7 dBm。室外分布系統天線、獨立WLAN 天線的等效全向輻射功率≥22 dBm。室外覆蓋方式時，WLAN 無線信號一般按穿透一堵墻設計。無線終端的信號接收電平RSSI 值等于發射功率、增項、減項之和。

通常情況下，RSSI 為-70 dBm 以上為理想的信號強度，可以實現滿速率。RSSI 在-70 dBm 至-80 dBm 之間是中等信號強度。RSSI 在-80 dBm 至-90 dBm 是弱信號，可以連接的，但是連接很不穩定。RSSI 小于-90 dBm 時，通信將出現故障。無線終端部署在宿舍區域，筆記本電腦在距離10 到15 米遠的地方接入無線終端，經過對宿舍室內信號強度進行測算（參考表1），RSSI 為-62 dBm/-70dBm，信號質量好，能達到滿速率的高要求。

表1 宿舍區域無線信號強度計算參數

4 結 論

隨著無線網絡的建成和使用，學校實現了對校園網的統一高效管理，有效解決了線路重復建設、多家運營商不能同時接入、帶寬低、終端接入存在安全隱患等問題。隨著智能手機、筆記本電腦等移動終端設備的普及，師生越來越依賴無線網絡來進行移動辦公和學習。無線網在校園信息化發展中也一定發揮出更高的作用。