基于eNSP的WLAN實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹雪峰，孟 偉，陳日升

(河北民族師范學(xué)院 a.數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系； b.教務(wù)處， 河北 承德 067000)

·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于eNSP的WLAN實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹雪峰a，孟 偉b，陳日升a

(河北民族師范學(xué)院 a.數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系； b.教務(wù)處， 河北 承德 067000)

介紹了WLAN的工作原理，基于eNSP設(shè)計(jì)WLAN實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)對(duì)AC和AP進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。利用Wireshark協(xié)議分析軟件捕獲報(bào)文，分析了無(wú)線接入點(diǎn)控制和配置協(xié)議工作原理，驗(yàn)證了無(wú)線終端二層和三層漫游的工作過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從理論和實(shí)踐兩方面更好地理解WLAN技術(shù)的工作原理，增強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力。

無(wú)線局域網(wǎng)； 華為網(wǎng)絡(luò)模擬軟件； 無(wú)線接入點(diǎn)控制和配置協(xié)議； 漫游

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它克服了傳統(tǒng)有線接入方式受限于線纜和端口位置的缺陷，能夠?yàn)橛脩籼峁└`活、高效和經(jīng)濟(jì)的服務(wù)。因此WLAN技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的主要內(nèi)容之一。WLAN實(shí)驗(yàn)教學(xué)在加深學(xué)生對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)理論的掌握和理解，促進(jìn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用上起著關(guān)鍵作用，但是由于受實(shí)驗(yàn)室條件和WLAN技術(shù)特殊性的限制，如何開(kāi)展WLAN技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是值得研究的問(wèn)題[1-2]。

華為網(wǎng)絡(luò)模擬軟件(Enterprise Network Simulation Platform，eNSP)是一款免費(fèi)、可擴(kuò)展、圖形化操作的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，除了可以模擬路由器和交換機(jī)設(shè)備外，還可以模擬WLAN設(shè)備，支持AC、AP、STA的命令配置，實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景的組網(wǎng)方式，能夠在視覺(jué)上完整地展現(xiàn)無(wú)線終端的漫游過(guò)程，與Wireshark軟件結(jié)合可以對(duì)捕獲的報(bào)文進(jìn)行協(xié)議分析[3-6]。借助eNSP軟件構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行WLAN技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，在培養(yǎng)學(xué)生掌握WLAN技術(shù)應(yīng)用能力的同時(shí)深入理解WLAN工作原理[7]。

1 WLAN工作原理

1.1802.11協(xié)議

IEEE 802.11是由IEEE 802委員會(huì)制訂的無(wú)線局域網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)，它定義了媒體訪問(wèn)控制層(MAC層)和物理層。物理層定義了工作在2.4 GHz的ISM頻段上的兩種擴(kuò)頻作調(diào)制方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?。為了在不同的通信環(huán)境下取得良好的通信質(zhì)量，在MAC層采用CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行802.11幀的發(fā)送。802.11幀主要有3種類(lèi)型：管理幀、數(shù)據(jù)幀和控制幀。管理幀用來(lái)管理鏈接，負(fù)責(zé)加入或退出無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及處理接入點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)移，有11種管理幀，包括信標(biāo)幀、探測(cè)請(qǐng)求和探測(cè)響應(yīng)幀等；數(shù)據(jù)幀負(fù)責(zé)在工作站之間傳送數(shù)據(jù)，可能會(huì)因?yàn)樗幘W(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同而有所差異；控制幀通常與數(shù)據(jù)幀搭配使用，負(fù)責(zé)區(qū)域清空、信道獲取和對(duì)收到數(shù)據(jù)的確認(rèn)等。無(wú)線終端運(yùn)行802.11協(xié)議接入AP后連接到網(wǎng)絡(luò)中，接入過(guò)程主要包括掃描、鏈路認(rèn)證、身份認(rèn)證和關(guān)聯(lián)等幾個(gè)階段[8-9]。

1.2CAPWAP協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)WLAN的快速部署、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中管理和精細(xì)化用戶管理，相比胖AP方式，企業(yè)用戶以及運(yùn)營(yíng)商更傾向于采用集中控制的WLAN組網(wǎng)，由訪問(wèn)控制器(Access Controller，AC)對(duì)WLAN中的所有瘦AP進(jìn)行管理和控制，瘦AP和AC之間運(yùn)行無(wú)線接入點(diǎn)控制和配置(Control And Provisioning of Wireless Access Points，CAPWAP)協(xié)議，通過(guò)建立CAPWAP隧道從AC上獲得配置，而AC不能發(fā)射無(wú)線射頻信號(hào)，它和瘦AP配合共同完成WLAN系統(tǒng)功能[10-14]。

CAPWAP會(huì)話建立過(guò)程如下：① AP獲取IP地址。AP上電后如果沒(méi)有配置靜態(tài)IP地址，需要通過(guò)DHCP獲取IP地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址等信息，并通過(guò)option43字段獲得AC的IP地址，或者通過(guò)Option15字段獲得AC的域名。② AP發(fā)現(xiàn)AC。AP使用AC發(fā)現(xiàn)機(jī)制來(lái)獲知哪些AC是可用的，決定與最佳AC來(lái)建立CAPWAP隧道連接?？梢赃x擇CAPWAP隧道是否采用數(shù)據(jù)報(bào)傳輸層安全(Datagram Transport Layer Security， DTLS)協(xié)議加密傳輸U(kuò)DP報(bào)文。 ③ 加入操作。 AC與AP建立控制隧道，并在此交互過(guò)程中，AC檢查AP當(dāng)前版本，如果AP的版本無(wú)法與AC要求的相匹配時(shí)，會(huì)更新AP的版本，如果AP的版本符合要求，則進(jìn)行配置一致性檢查。④ 配置一致性檢查。對(duì)AP的現(xiàn)有配置和AC設(shè)定配置進(jìn)行匹配檢查，并在AC和AP間交換配置信息。⑤ AP運(yùn)行。AP與AC成功建立控制和數(shù)據(jù)隧道，AP接收AC的WLAN配置如創(chuàng)建WLAN、設(shè)置信道、調(diào)整發(fā)射功率等，并開(kāi)展WLAN業(yè)務(wù)。

1.3漫游

漫游是指無(wú)線終端從一個(gè)AP將關(guān)聯(lián)切換到另一個(gè)AP，讓客戶端在移動(dòng)時(shí)能夠保持無(wú)線連接的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要重關(guān)聯(lián)AP。為了成功漫游，AP之間信號(hào)覆蓋范圍必須有重疊，并且這些AP還需要配置相同的SSID，而為了避免在重疊的AP之間出現(xiàn)干擾，AP要選擇無(wú)重疊的信道，2.4 GHz頻段只允許有3個(gè)無(wú)重疊信道。WLAN包括兩種漫游方式，其中二層漫游是指無(wú)線終端在不同的AP間切換時(shí)，始終在一個(gè)VLAN子網(wǎng)內(nèi)，從而保證業(yè)務(wù)不中斷；而三層漫游是指無(wú)線終端在不同的AP間切換時(shí)，AP對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)VLAN不同，為了保證漫游過(guò)程中用戶業(yè)務(wù)不斷，則必須保持用戶數(shù)據(jù)報(bào)文的VLAN仍然為初始VLAN，而不是被切換到新AP的VLAN上。

2 搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.1實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在eNSP中按圖1所示搭建WLAN網(wǎng)絡(luò)。

圖1 WLAN實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)備端口IP地址分配見(jiàn)表1。

表1 IP地址分配表

其中VLAN 100用于AP管理，VLAN 10和VLAN 20用于WLAN業(yè)務(wù)。在SW1上配置DHCP服務(wù)器，負(fù)責(zé)AP和移動(dòng)終端IP地址的分配。

2.2設(shè)備配置

AC主要配置命令如下[15-16]：

[AC]vlan batch 2

[AC]interface GigabitEthernet 0/0/1

[AC-GigabitEthernet0/0/1]port link-type access

[AC-GigabitEthernet0/0/1]port default vlan 2

[AC]interface Vlanif 2

[AC-Vlanif2]ip address 192.168.2.2 24

[AC]ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.2.1

[AC]wlan

[AC-wlan-view]wlan ac source interface Vlanif 2

[AC-wlan-view]ap id 0 type-id 19 mac 00E0-FCD0-0530

[AC-wlan-ap-0]ap id 1 type-id 19 mac 00E0-FCF5-7210

[AC-wlan-ap-1]ap id 2 type-id 19 mac 00E0-FC4D-3FB0

[AC]wlan

[AC-wlan-view]wmm-profile name wlanlab

[AC-wlan-wmm-prof-wlanlab]quit

[AC-wlan-view]radio-profile name wlanlab

[AC-wlan-radio-prof-wlanlab]wmm-profile name wlanlab

[AC-wlan-view]traffic-profile name wlanlab

[AC-wlan-traffic-prof-wlanlab]quit

[AC-wlan-view]security-profile name wlanlab

[AC-wlan-sec-prof-wlanlab]security-policy wpa2

[AC-wlan-sec-prof-wlanlab]wpa2 authentication-method psk pass-phrase simple huaweiwlan encryption-method ccmp

[AC-wlan-view]service-set name service1

[AC-wlan-service-set-service1]ssid wlanlab

[AC-wlan-service-set-service1]service-vlan 10

[AC-wlan-service-set-service1]traffic-profile name wlanlab

[AC-wlan-service-set-service1]security-profile name wlanlab

[AC-wlan-service-set-service1]quit

[AC-wlan-view]service-set name service2

[AC-wlan-service-set-service2]ssid wlanlab

[AC-wlan-service-set-service2]wlan-ess 20

[AC-wlan-service-set-service2]service-vlan 20

[AC-wlan-service-set-service2]traffic-profile name wlanlab

[AC-wlan-service-set-service2]security-profile name wlanlab

[AC-wlan-view]ap 0 radio 0

[AC-wlan-radio-0/0]radio-profile name wlanlab

4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化原則：模塊化原則要求整個(gè)系統(tǒng)的功能均應(yīng)得到清楚劃分，用戶界面也應(yīng)確保簡(jiǎn)潔易懂，為操作人員的管理及用戶的使用提供便利。

[AC-wlan-radio-0/0]service-set name service1

[AC-wlan-view]ap 1 radio 0

[AC-wlan-radio-1/0]radio-profile name wlanlab

[AC-wlan-radio-1/0]service-set name service1

[AC-wlan-radio-1/0]channel 20mhz 6

[AC-wlan-view]ap 2 radio 0

[AC-wlan-radio-2/0]radio-profile name wlanlab

[AC-wlan-radio-2/0]service-set name service2

[AC-wlan-view]commit all

SW1主要配置命令如下：

[SW1]vlan batch 2 10 20 100

[SW1]interface GigabitEthernet 0/0/1

[SW1-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk

[SW1-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2 10 20 100

[SW1-GigabitEthernet0/0/1]interface GigabitEthernet 0/0/2

[SW1-GigabitEthernet0/0/2]port link-type access

[SW1-GigabitEthernet0/0/2]port default vlan 2

[SW1]dhcp enable

[SW1]interface Vlanif 1

[SW1-Vlanif1]ip address 192.168.1.1 24

[SW1-Vlanif1]interface Vlanif 2

[SW1-Vlanif2]ip address 192.168.2.1 24

[SW1-Vlanif2]interface Vlanif 10

[SW1-Vlanif10]ip address 192.168.10.254 24

[SW1-Vlanif10]dhcp select interface

[SW1-Vlanif10]interface Vlanif 20

[SW1-Vlanif20]ip address 192.168.20.254 24

[SW1-Vlanif20]dhcp select interface

[SW1-Vlanif20]interface Vlanif 100

[SW1-Vlanif100]ip address 192.168.100.254 24

[SW1-Vlanif100]dhcp select interface

[SW1-Vlanif100]dhcp server option 43 sub-option 3 ascii 192.168.2.2

SW2主要配置命令如下：

[SW2]vlan batch 2 10 20 100

[SW2]inter GigabitEthernet 0/0/1

[SW2-GigabitEthernet0/0/1]port link-type trunk

[SW2-GigabitEthernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 10 20 100

[SW2]inter Ethernet 0/0/1

[SW2-Ethernet0/0/1]port link-type trunk

[SW2-Ethernet0/0/1]port trunk pvid vlan 100

[SW2-Ethernet0/0/1]port trunk allow-pass vlan 2 10 100

[SW2-Ethernet0/0/1]inter Ethernet 0/0/2

[SW2-Ethernet0/0/2]port link-type trunk

[SW2-Ethernet0/0/2]port trunk pvid vlan 100

[SW2-Ethernet0/0/2]port trunk allow-pass vlan 2 10 20 100

[SW2-Ethernet0/0/2]inter Ethernet 0/0/3

[SW2-Ethernet0/0/3]port link-type trunk

[SW2-Ethernet0/0/3]port trunk pvid vlan 100

[SW2-Ethernet0/0/3]port trunk allow-pass vlan 2 10 20 100

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1AP上線過(guò)程分析

首先運(yùn)行AC、R1、SW1和SW2，然后運(yùn)行AP1，并在各鏈路段上運(yùn)行Wireshark捕獲報(bào)文，在SW1-SW2鏈路段上捕獲的DHCP和CAPWAP報(bào)文如圖2所示。

圖2 捕獲的DHCP和CAPWAP報(bào)文

114、119-121號(hào)報(bào)文是AP1通過(guò)DHCP獲取IP地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)地址等信息，并通過(guò)option43字段獲得AC的IP地址。153和155號(hào)報(bào)文是AP1發(fā)送給AC的發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求報(bào)文和AC返回的發(fā)現(xiàn)響應(yīng)報(bào)文，在響應(yīng)報(bào)文中包括已上線AP數(shù)、最多可以管理AP數(shù)和接入移動(dòng)終端數(shù)量上限，不采用DTLS加密傳輸報(bào)文，AC軟硬件版本信息，Radio 1和Radio 2上支持的802.11協(xié)議類(lèi)型等信息。158和160號(hào)報(bào)文是加入請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文，AC檢查AP的當(dāng)前版本匹配。161和163號(hào)報(bào)文是配置狀態(tài)請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文，AC檢查AP的當(dāng)前配置和AC設(shè)定的配置匹配。164和166號(hào)報(bào)文是改變狀態(tài)請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文，主要是AP1把Radio 1和Radio 2狀態(tài)信息(Enable和Normal)以及結(jié)果代碼(Success)發(fā)送給AC，如果 AC返回響應(yīng)報(bào)文，就完成控制隧道建立的過(guò)程，開(kāi)始進(jìn)入run狀態(tài)。167號(hào)報(bào)文是AP1發(fā)送到AC的?；顖?bào)文，AC收到此報(bào)文后表示數(shù)據(jù)隧道建立，AC回應(yīng)169號(hào)?；顖?bào)文，AP進(jìn)入“normal”狀態(tài)，開(kāi)始正常工作。下面是在AC上查看到的結(jié)果：

display ap all

All AP information(Normal-1,UnNormal-2):

AP AP AP Profile/Region AP AP

ID Type MAC ID State Sysname

0 AP6010DN-AGN 00e0-fcd0-0530 0/0 normal ap-0

1 AP6010DN-AGN 00e0-fcf5-7210 0 /0 fault ap-1

2 AP6010DN-AGN 00e0-fc4d-3fb0 0/0 fault ap-2

Total number: 3

可以看到AP1完成上線過(guò)程，狀態(tài)為“normal”，而AP2和AP3狀態(tài)為“fault”。

在AP1上查看到的信息如下：

display capwap link state

LINK AP AP AP InIf FSM

ID IPAddr CPort DPort Index State

0 192.168.100.253 50816 50817 0 RUN

可以看到AP1獲取的IP地址是192.168.100.253，控制端口50816，數(shù)據(jù)端口50187，有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)為RUN。

3.2二層漫游過(guò)程分析

首先移動(dòng)終端STA1關(guān)聯(lián)AP1，MAC地址為5489-98ad-6990，IP地址為192.168.10.253；移動(dòng)終端STA2關(guān)聯(lián)AP3，MAC地址為5489-9895-40fd，IP地址為192.168.20.253。在STA1上執(zhí)行“ping 192.168.20.253 -t”命令，然后移動(dòng)STA1到AP2的信號(hào)覆蓋區(qū)域，如圖3所示。同時(shí)在各鏈路段捕獲報(bào)文(包括無(wú)線信道上的報(bào)文捕獲)。

圖3 STA1漫游到AP2

當(dāng)STA1移動(dòng)到AP1和AP2的信號(hào)重疊區(qū)時(shí)掃描到了AP2上相同SSID的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。隨著AP2信號(hào)增強(qiáng)，STA1會(huì)重關(guān)聯(lián)到AP2上，實(shí)現(xiàn)了AP1到AP2的漫游，在此過(guò)程中ping命令的執(zhí)行并沒(méi)有被中斷。由于AP1和AP2上的業(yè)務(wù)VLAN相同都是VLAN10，故屬于二層漫游。

圖4 STA1掃描到AP2上的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

在AC上查看與此次漫游相關(guān)的信息如下：

display station assoc-info ap 0

Info: There is no association station

display station assoc-info ap 1

STA MAC AP-ID RADIO-ID SS-ID SSID

5489-98ad-6990 1 0 0 wlanlab

Total stations: 1

display station assoc-info ap 2

STA MAC AP-ID RADIO-ID SS-ID SSID

5489-9895-40fd 2 0 1 wlanlab

Total stations: 1

可以看到STA1重關(guān)聯(lián)到了AP2上。

display station roam-track sta 5489-98ad-6990

AP ID Radio ID BSSID TIME

0 0 00e0-fcd0-0530 2016/08/16 19:58:01

1 0 00e0-fcf5-7210 2016/08/16 20:06:06

Number of roam track: 1

查看STA1的漫游軌跡從AP1漫游到了AP2。

另外，利用捕獲的報(bào)文還可以進(jìn)行更詳細(xì)的分析，這里不再贅述。

3.3三層漫游過(guò)程分析

在STA1上執(zhí)行“ping 192.168.20.253 -t”命令，然后繼續(xù)移動(dòng)STA1到AP3的信號(hào)覆蓋區(qū)域，同時(shí)在各鏈路段捕獲報(bào)文。當(dāng)STA1移動(dòng)到AP2和AP3的信號(hào)重疊區(qū)時(shí)掃描到了AP3上相同SSID的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，隨著AP3信號(hào)增強(qiáng)，STA1重關(guān)聯(lián)到AP3上，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了從AP2到AP3的漫游。

圖5 STA1重關(guān)聯(lián)到AP3

在此過(guò)程中ping命令的執(zhí)行并沒(méi)有被中斷。由于AP2和AP3上的業(yè)務(wù)VLAN分別是VLAN10和VLAN20，故屬于三層漫游。

在AC上查看與此次漫游相關(guān)的信息如下：

display station assoc-info ap 2

STA MAC AP-ID RADIO-ID SS-ID SSID

5489-98ad-6990 2 0 1 wlanlab

5489-9895-40fd 2 0 1 wlanlab

Total stations: 2

可以看到STA1重關(guān)聯(lián)到AP3上。

display station roam-track sta 5489-98AD-6990

AP ID Radio ID BSSID TIME

0 0 00e0-fcd0-0530 2016/08/16 19:58:01

1 0 00e0-fcf5-7210 2016/08/16 20:06:06

2 0 00e0-fc4d-3fb0 2016/08/16 20:29:00

Number of roam track: 2

查看STA1的漫游軌跡從AP2繼續(xù)漫游到了AP3。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)WLAN實(shí)驗(yàn)，對(duì)AC和AP等設(shè)備進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)WLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的通信。利用協(xié)議分析的方法，分析了CAPWAP協(xié)議的工作原理、二層和三層漫游的工作過(guò)程，使學(xué)生能夠從理論和實(shí)踐兩方面更好地理解和掌握WLAN技術(shù)。

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Design and Realization of WLAN Experiment Based on eNSP

CAOXuefenga,MENGWeib,CHENRishenga

(a.Department of Mathematics and Computer; b.Office of Academic Affairs,Hebei Normal University for Nationalities,Chengde 067000， Hebei,China)

This paper introduces the principle of wireless local area networks,designs the experimental scheme of wireless local area networks based on enterprise network simulation platform,builds a virtual network experimental environment.Through the AC and AP the interoperability of the network can be achieved,using Wireshark software packets can be captured.This paper also analyzes the working principle of control and configure the protocol used in wireless access points,and verifies the roaming process of the wireless terminal with two or three layers.By the experiment,students can better understand the working principle of WLAN technology from both theoretical and practical viewpoints,also enhance the practical ability and comprehensive application ability.

wireless local area networks (WLAN); enterprise network simulation platform (eNSP); control and provisioning of wireless access points protocol; roaming

2016-09-15

國(guó)家民委高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(15114)；河北民族師范學(xué)院科研項(xiàng)目(201406)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZC2016116)

曹雪峰(1967-)，男，河北隆化人，碩士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Tel：18230143496；E-mail：cxf_cd@163.com

TP 391.9

：A

1006-7167(2017)07-0127-05