探索無線網(wǎng)絡在高校的研究和應用

◆劉 宸 成永剛

（西安交通大學網(wǎng)絡信息中心 陜西 710049）

0 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，人們對網(wǎng)絡通訊的需求也不斷地提高，希望在任何時間、任何地點，都能夠與任何人進行包括數(shù)據(jù)、語音、圖像等任何內容的通信，使無線用戶對網(wǎng)絡的使用實現(xiàn)移動和漫游。從專業(yè)角度講，無線網(wǎng)絡就是通過無線信道來實現(xiàn)網(wǎng)絡設備之間的通信，并實現(xiàn)通信的移動化、個性化和高速化。無線網(wǎng)絡作為有線網(wǎng)絡的有效補充，有效地解決了高校全園區(qū)網(wǎng)絡覆蓋下的有線網(wǎng)絡難以實現(xiàn)的問題，是利用無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)無線網(wǎng)絡應用的一種新技術。

無線網(wǎng)絡不是用來替代有線網(wǎng)絡，而是用來彌補有線網(wǎng)絡的不足，延伸有線網(wǎng)絡。無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡，二者不是技術競爭，而是技術互補，互為完善，互為補充。有效合理的利用無線網(wǎng)絡，讓用戶達到“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。

1 技術方案選擇

基于本校的實際情況，項目經(jīng)費，無線應用需求以及對市場上主流無線網(wǎng)絡技術和方案的考察，比對了國內外廠商思科、Aruba、華為、H3C、銳捷等廠家的無線解決方案和產(chǎn)品，最終我校選擇美國思科公司的一體化無線解決方案來建設校園無線網(wǎng)絡。

思科校園無線網(wǎng)絡可分為兩部分實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，射頻管理、無線網(wǎng)絡管理和用戶認證的無線部分，以及實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)回傳的有線部分。

在一體化無線網(wǎng)絡中，無線部分實現(xiàn)網(wǎng)絡區(qū)域的無線信號覆蓋，以及相關的管理維護功能。無線網(wǎng)絡部分主要包含以下組件：無線網(wǎng)絡控制器WLC，無線訪問接入點AP，無線網(wǎng)管系統(tǒng)WCS，無線定位服務系統(tǒng)MSE，以及用戶認證、計費系統(tǒng)。

有線部分負責將分散在覆蓋區(qū)域的無線訪問接入點與無線控制器 WLC、WCS、Radius等服務器連接起來，并負責將用戶的無線數(shù)據(jù)回傳到骨干網(wǎng)絡。統(tǒng)一無線網(wǎng)絡的有線部分的設計與園區(qū)有線網(wǎng)絡設計基本類似，也要考慮傳輸性能、可靠性、擴展性等問題，采取的設計方法也基本類似。無線網(wǎng)絡總體設計示意圖，如圖1所示。

圖1 西安交通大學校園網(wǎng)無線網(wǎng)絡總體設計示意圖

2 無線網(wǎng)絡技術創(chuàng)新

2.1 802.11n

目前，802.11n已經(jīng)成為組建無線網(wǎng)絡的主流技術。802.11n技術利用多天線技術、空間碼流復用技術以及對現(xiàn)有協(xié)議規(guī)程的優(yōu)化大大提高無線網(wǎng)絡的傳輸速率，改良無線信號的覆蓋質量。目前，單個主流的企業(yè)級802.11n AP最高能支持300Mbps的傳輸速率，并且能向后兼容傳統(tǒng)802.11a/b/g技術的無線客戶端，大大提升傳統(tǒng)客戶端的信號穩(wěn)定性，能支持用戶平滑升級網(wǎng)絡性能。802.11n將是今后WLAN建設的必然趨勢。因此，我校校園網(wǎng)無線網(wǎng)絡將全部采用802.11n技術的產(chǎn)品。

2.2 Clientlink

使用 802.11n技術建立的無線校園網(wǎng)絡將會和早期建立的802.11a/g無線網(wǎng)絡共存，在未來一段時間內，校園無線網(wǎng)絡將要支持 802.11a/g老客戶端和 802.11n客戶端混合的環(huán)境。因為802.11a/g老客戶端工作在較低的數(shù)據(jù)傳輸速率，老的客戶端將拖累整個網(wǎng)絡，降低網(wǎng)絡的性能。

ClientLink 技術，采用先進的信號處理技術來優(yōu)化客戶端收到下行通信方向的信號，而無需反饋?？梢詭椭鉀Q在混合客戶端的 802.11n 網(wǎng)絡下帶來的有關的問題，使用戶確信即便是當802.11a/g 客戶端靠近信號覆蓋的邊界時也可以以最佳的速率運行。大多數(shù)的802.11n 解決方案是改進提升客戶端到無線接入點間的上行通信速率。該技術不僅提升了客戶端到無線接入點間的上行通信速率而且也提升了下行通信速率。因為局域網(wǎng)中日常大多數(shù)的通訊，如 Web 瀏覽，電子郵件和文件下載是發(fā)生在下行方向。提升最慢的客戶端的下行鏈路吞吐量，提升的不僅僅是慢的客戶端的無線網(wǎng)絡使用體驗，而是提升無線網(wǎng)絡中全網(wǎng)用戶端的無線網(wǎng)絡使用體驗。

無線網(wǎng)絡中，在許多信號覆蓋邊緣的區(qū)域通常存在一些覆蓋盲區(qū)，在這些盲區(qū)內由于信號太弱而影響 Wi-Fi 網(wǎng)絡的性能。當客戶端在無線接入點覆蓋區(qū)域之間漫游時，經(jīng)常會面臨覆蓋盲區(qū)的問題。該技術可以減少信號覆蓋的盲區(qū)和提高信號覆蓋的范圍，確保無線信號更可靠，可預測，且均勻覆蓋整個樓面。

該技術提供下列益處：

（1）為11a/g設備提供一致的高吞吐量；

（2）為11a/g和11n設備增加顯著的系統(tǒng)容量；

（3）在復雜而有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中減少覆蓋漏洞。

2.3 BandSelect

因我校無線網(wǎng)絡一共建設2期，在校園中存在多種無線接入終端，有支持802.11a/g工作在2.4/5GHz的雙頻段無線，也有只支持802.11b工作在2.4GHz單頻無線客戶端。由于2.4GHz頻段存在較多干擾，如自檢無線網(wǎng)絡、其他運營商網(wǎng)絡等，所以顯得十分擁擠。相比較而言5GHz頻段干擾相對較少，并且不存在信道重疊問題，其可利用的容量很高。

圖2 ClientLink技術的優(yōu)點

由于校園內存在混合客戶端的環(huán)境，會造成如下問題：

（1）雙頻段客戶端一直連接2.4 GHz 頻段；

（2）2.4GHz 頻段存在大量 802.11b/g 客戶端，造成擁塞；

（3）2.4GHz 頻段容易受到干擾。

針對以上問題使用BandSelect技術，通過將雙頻段客戶端從擁擠的2.4 GHz頻段導向到5 GHz頻段來優(yōu)化射頻頻譜利用率，以更好的利用高容量的5GHz頻段，為那些只支持2.4GHz頻段的無線接入終端保留空間。

BandSelect技術使用特點算法，可以有效識別2.4GHz和5GHz雙頻客戶端，并能夠抑制2.4GHz信道的Probe回應，而等待雙頻客戶端掃描5GHz信道。同時標記只支持2.4GHz的客戶端并響應其Probe請求，并將雙頻客戶端2.4GHz Probe請求進行抑制超時將其退出2.4GHz頻段。

圖3 BandSelect行為抓包顯示

2.4 CleanAir

校園無線網(wǎng)絡建成后勢必會部署許多關鍵應用。而且無線網(wǎng)絡也將會越來越多地用于承載對干擾影響很敏感的語音和視頻應用。但是無線網(wǎng)絡中存在射頻干擾的問題，在有限的頻譜資源中射頻干擾會造成無線網(wǎng)絡新能的急劇下降。

使用CleanAir技術，無線網(wǎng)絡管理人員可以訪問自動收集的關于每個非 802.11 干擾源的豐富頻譜信息。CleanAir 技術提供的頻譜智能支持全新級別的頻譜管理。頻譜管理可充分感知所有無線頻譜用戶，而且能夠采取行動來緩解或避免干擾，從而優(yōu)化網(wǎng)絡性能。

該技術還能夠以物理方式定位干擾設備。大多數(shù)情況下，多個無線接入點將會觀察到同一個引發(fā)干擾的設備。對從多個無線接入點報告的設備進行比較，并確定哪些報告實際上是由同一個設備導致的。對設備進行比照后，可以使用三角測量法查明設備的準確位置，此方法和基礎架構系統(tǒng)當前定位 Wi-Fi 客戶端與標簽所使用的方法類似。

圖4 CleanAir定位干擾設備及其影響區(qū)域

3 無線網(wǎng)絡設計與建設

自從上世紀末各高校開始校園數(shù)字化建設起，各校大都進行并完成了有線網(wǎng)絡的架設工作。我校校園有線網(wǎng)絡從1994年開始建設，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)形成一套完整的體系和格局，各種管理、信息與應用系統(tǒng)也已經(jīng)基本完善和成熟。

根據(jù)我校的應用需求和實際情況，采用以有線網(wǎng)絡為基礎的網(wǎng)絡平臺，構建校園無線網(wǎng)絡。其分為有線和無線兩個部分，無線網(wǎng)絡拓撲圖，如圖所示：

圖5 西安交通大學無線網(wǎng)絡拓撲圖

3.1 有線部分實施

目前 802.11n已經(jīng)成為組建無線網(wǎng)絡的主流技術，802.11n使得無線網(wǎng)絡的傳輸速率大大提升，按照 802.11n標準單個 AP最大能支持300Mbps的傳輸速率。因此作為無線網(wǎng)絡支撐體系的有線部分必須考慮到這一趨勢，要提供足夠的傳輸速率，來容納無線用戶的數(shù)據(jù)。我校無線網(wǎng)絡的有線部分采取萬兆上聯(lián)，千兆接入的設計。

目前，我校有線網(wǎng)絡是經(jīng)過多年建設而成，是典型的星型扁平化結構。整個網(wǎng)絡大體分為兩層，覆蓋全校的骨干網(wǎng)絡和各區(qū)域接入網(wǎng)絡。骨干網(wǎng)絡由多臺核心級路由/交換設備構成，分布在全校多個教學區(qū)域。骨干設備間通過萬兆鏈路互聯(lián)。

扁平化結構符合校園網(wǎng)絡的使用需求。一方面減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶蛹?，提高了效率，另一方面保持了網(wǎng)絡結構的靈活性，可以隨著校內人員分布的變化靈活調整。而且，扁平化結構具有很好的可擴展能力，由于結構不依賴于少數(shù)中心設備，當網(wǎng)絡需要擴展時，可以很方便地增加節(jié)點，而不會對原有結構造成太大影響。

因此，我校無線網(wǎng)絡建設也采取類似的結構。根據(jù)無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域分布，選擇1個網(wǎng)絡節(jié)點作為無線網(wǎng)絡的匯聚點部署無線匯聚交換機。為了保證無線區(qū)域網(wǎng)絡的高度可擴展，我們選擇思科模塊化的交換機Cisco6509E作為無線匯聚設備。Cisco6509E無線匯聚交換機可以通過增加接口板卡來增加端口，進而提升無線區(qū)域接入交換機的匯接能力，提高無線區(qū)域網(wǎng)絡的擴展能力。使用雙引擎上的4個萬兆端口進行萬兆鏈路捆綁分別與我校興慶校區(qū)核心交換機Cisco6513及出口路由器Cisco7609實現(xiàn)40G萬兆互聯(lián)。

有線部分的接入層由WS-C2960S-24PS-L PoE交換機構成，在需要提供無線網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域部署PoE接入交換機，用來給無線AP提供接入和供電。PoE交換機通過千兆單模光纖鏈路上聯(lián)無線匯聚交換機Cisco6509E的光口板，形成無線接入層的1000M上聯(lián)。

根據(jù)此設計方案，無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡類似，為扁平化結構，完全滿足我校網(wǎng)絡使用的特點。

3.2 無線部分實施

在無線部分的設計中采用主流的基于控制器的瘦AP架構來建設大規(guī)模的無線網(wǎng)絡。此次項目一共配置1142N無線AP 950個， 3502I無線AP 50個。根據(jù)前期對主要樓宇實地勘測，我校興慶校區(qū)59棟樓宇共計安裝了985個AP。其中在關鍵業(yè)務區(qū)域的樓宇部署帶CleanAir功能的3502i無線AP，如主樓共部署23個、科技館報告廳共部署6個、西一樓共部署18個。

目前，經(jīng)過本次校園無線網(wǎng)絡的建設，我校共安裝無線 AP近1000顆，實現(xiàn)了校園內所有樓宇和主要公共區(qū)域的無線網(wǎng)絡全覆蓋。針對一些特殊的場景，如大型集會，學術報告，演出，迎新現(xiàn)場等，通過安裝高密 AP、優(yōu)化無線信道、禁止弱信號終端接入、最大用戶數(shù)限制等技術手段，保障了無線網(wǎng)絡的正常使用和暢通。

4 結束語

校園無線網(wǎng)絡的建成，對學校的教學模式、教學理念及教學管理產(chǎn)生積極的影響，也對在校教職工、學生的工作、學習和生活帶來了很大的便利。在可見的未來，無線網(wǎng)絡必將突破目前僅作為有線網(wǎng)絡補充和延伸的限制，實現(xiàn)移動辦公和“無處不在的計算”；在滿足日益高漲的應用需求的同時，逐步達到“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。

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