基于802.11ac wave2協(xié)議的高校無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究
——以南寧學(xué)院為例

徐家麗

(南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200)

0 引言

當(dāng)下大數(shù)據(jù)時代，無線終端對無線網(wǎng)絡(luò)速率的需求一直在提升，WiFi作為無線網(wǎng)絡(luò)體系中的一項(xiàng)重要技術(shù)，每年都會出現(xiàn)技術(shù)革新，基于802.11ac wave2協(xié)議的5 GHz WiFi相對目前占市場主流的2.4 Ghz WiFi更快、更穩(wěn)定，且在校園中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在互聯(lián)網(wǎng)時代對高校的教學(xué)管理會有顯著幫助作用。

1 現(xiàn)狀和背景分析

目前主流的第四代WiFi標(biāo)準(zhǔn)——802.11n協(xié)議主要在2.4 GHz的頻率上輻射WiFi信號，該協(xié)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(qiáng)，僅需數(shù)個AP熱點(diǎn)就可以大面積覆蓋WiFi信號(不論室內(nèi)外)，所以成本低是四代WiFi標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)點(diǎn)。截至2020年以來，第六代WiFi標(biāo)準(zhǔn)——802.11.ax協(xié)議已經(jīng)有了面向普通用戶進(jìn)行售賣的產(chǎn)品(成本遠(yuǎn)高于第五代標(biāo)準(zhǔn))，但第五代WiFi標(biāo)準(zhǔn)——802.11ac wave2協(xié)議，雖然已經(jīng)有了非常成熟的產(chǎn)品和廣闊的市場知名度，卻因?yàn)榇┩感圆粡?qiáng)引起的成本上升問題，遲遲未代替四代WiFi標(biāo)準(zhǔn)成為市場主流產(chǎn)品。但是成本帶來的性能提升也非常明顯，基于第五代標(biāo)準(zhǔn)的5GHz WiFi的最高速率和最高擴(kuò)展帶寬都能達(dá)到2.4 GHz WiFi的四倍以上，MU-MIMO和波束成形技術(shù)令其能夠同時對多用戶提供高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，且抗干擾性更強(qiáng)，具備更準(zhǔn)確的定位功能，極其適合于高校校園的無線網(wǎng)建設(shè)。

根據(jù)第45次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》[1]調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2020年3月底，我國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到了9.04億人次，其中手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到8.97億，占比99.2%；全國互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)到64.5%，較2018年底提升4.9%。可見，互聯(lián)網(wǎng)是以無線通信為主的方向上高速發(fā)展，如今年正值熱門的5G手機(jī)話題或者是曾經(jīng)的3G，4G話題，市場永遠(yuǎn)對更快、更穩(wěn)定的無線通信技術(shù)有強(qiáng)烈的需求。WiFi有著廉價、免費(fèi)、易用的特性，基于802.11ac wave2協(xié)議的5 GHz WiFi能給高校環(huán)境提供高速率、強(qiáng)穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是高校“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)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(shù)在高校校園中的應(yīng)用。通過研究802.11ac wave2協(xié)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(lián)網(wǎng)設(shè)備的上網(wǎng)速度和通信效率，并討論“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下教學(xué)模式的優(yōu)勢。

1.2 對象需求

2020年，社會早已經(jīng)入互聯(lián)網(wǎng)時代，無紙化辦公、遠(yuǎn)程辦公是高校在互聯(lián)網(wǎng)時代中得以發(fā)展的不可或缺的技術(shù)，還有遠(yuǎn)程教學(xué)、多媒體教學(xué)等多種新型教學(xué)模式。2020年的新型冠狀病毒性肺炎疫情，使得全國中學(xué)、高校實(shí)施進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，學(xué)生們即使隔離居家，也能通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到新知識，這背后是強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)在支撐師生之間的交流，而高校有其獨(dú)特的專業(yè)性，許多專業(yè)課程可能需要在特定的實(shí)驗(yàn)教室、操作機(jī)房等場所才能進(jìn)行，在5 GHz WiFi環(huán)境下，教師能以更便捷且穩(wěn)定的方式，在不同的教室場所進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，一些新媒體教學(xué)設(shè)備，接入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也是效果更好。

以此為基礎(chǔ)，討論5 GHz WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對高校教學(xué)管理所帶來的優(yōu)勢，以及對高校校園“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)的幫助作用：WiFi定位、多用戶在線、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備校園管理等

1.3 主要威脅和應(yīng)對手段

目前針對無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信并嗅探篡改數(shù)據(jù)，且被攻擊對象不知情。

(2)WEP破解：破解無線網(wǎng)絡(luò)密碼，連接入侵。

(3)網(wǎng)絡(luò)竊聽：無須將攻擊設(shè)備物理接入網(wǎng)絡(luò)，即可在無線信號范圍內(nèi)竊聽以明文形式傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。

(5)MAC地址欺騙：竊聽數(shù)據(jù)，獲取AP中允許的靜態(tài)地址信息，偽裝成該信息合理接入網(wǎng)絡(luò)。

(6)拒絕服務(wù)：對AP進(jìn)行泛洪攻擊，使其持續(xù)提供服務(wù)至資源耗盡。

(7)服務(wù)后抵賴：指通信雙方在完成通信后，其中一方否認(rèn)參與該通信。

針對這些威脅，安全廠商早已一一對其進(jìn)行防范，本文以南寧學(xué)院為例，校園網(wǎng)已經(jīng)有一套完整的網(wǎng)絡(luò)安全體系，包括下一代防火墻NF、入侵檢測系統(tǒng)IDS、入侵防御系統(tǒng)IPS，日志審計系統(tǒng)DAS，WEB漏洞應(yīng)用掃描WVSS等設(shè)備，能夠提供強(qiáng)大性能的安全保護(hù)作用。而且員工日常使用和維護(hù)手段已有一套標(biāo)準(zhǔn)方案，物理層防御手段，能夠確保對無線網(wǎng)絡(luò)的威脅有充足的安全。

2 802.11ac wave2協(xié)議的優(yōu)勢

2.1 速率和帶寬優(yōu)勢

即使上一代協(xié)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(shù)進(jìn)步使其達(dá)到更高的速度；而且協(xié)議僅給其提供了最高40 MHz的帶寬，帶寬擁擠日益嚴(yán)重，使用者最常抱怨的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)緩慢其實(shí)經(jīng)常是由于帶寬擁擠造成的[2]。

帶寬更大才能容下更多的網(wǎng)絡(luò)流，與之相比，基于802.11ac wave2協(xié)議的5 GHz WiFi的高頻率能使單位時間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)量，如表1所示，新協(xié)議802.11ac Wave2下，速率是802.11n協(xié)議的5倍以上，而且技術(shù)迭代使帶寬最高達(dá)到160 MHz翻了4倍，猶如一條“高速公路”。

表1 基于802.11ac wave2協(xié)議的5 GHz WiFi的高頻率

2.2 多用戶并發(fā)優(yōu)勢

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

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

802.11ac wave1雖然提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬，但是卻沒有解決網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題，直到802.11ac wave2協(xié)議出現(xiàn)，其標(biāo)志就是其關(guān)鍵系的MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)技術(shù)即“多用戶多入多出”，如其字面意思，該技術(shù)規(guī)則下的路由器使用4根收發(fā)天線(4*4MIMO)，能同時處理多個終端設(shè)備的數(shù)據(jù)包，吞吐量更高，帶寬利用率更高，解決了網(wǎng)絡(luò)“堵車”的問題，協(xié)議參數(shù)對比如表2所示。

表2 協(xié)議參數(shù)對比

2.3 抗干擾優(yōu)勢

波束成形(Beamforming)是802.11ac wave2的主要技術(shù)之二，傳統(tǒng)AP設(shè)備上安裝使用的是全向天線，特點(diǎn)是向四周呈圓形輻射無線電波，為其中有網(wǎng)絡(luò)需求的終端提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，缺點(diǎn)是AP的無線信道此時在所有方向上都處于繁忙狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)擠兌現(xiàn)象。

波束成形技術(shù)則解決了這個問題，通過天線陣列，根據(jù)從終端設(shè)備獲得的信息，如圖1所示，動態(tài)地將無線電波往指定方向上加權(quán)合成；如圖2所示，波束成形把能量集中到扇形區(qū)域，在此區(qū)域中，輻射功率增大，信噪比增強(qiáng)，最終使數(shù)據(jù)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(shù)對信道的管理以及無線電波的定向增益等優(yōu)勢，使得整個WiFi環(huán)境干擾源更少、抗干擾能力更強(qiáng)。

圖1 無線電波往指定方向上加權(quán)合成

圖2 能量集中到扇形區(qū)域

2.4 建設(shè)成本低

802.11ac協(xié)議具備良好的向下兼容性， 以南寧學(xué)院為例， 802.11n協(xié)議WiFi目前已經(jīng)做到全面覆蓋校內(nèi)環(huán)境，已經(jīng)搭建好的服務(wù)器機(jī)群和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備，以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心層、匯聚層、接入層的核心交換機(jī)、三層交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均已經(jīng)鋪設(shè)完畢并已穩(wěn)定運(yùn)行，802.11ac設(shè)備可以直接安裝使用，快捷方便。

2.5 利用校園WiFi的新教學(xué)模式特點(diǎn)

一方面，WiFi最明顯的優(yōu)勢就是幾乎沒有地理?xiàng)l

件的限制，且對于用戶而言：免費(fèi)、易用；電子設(shè)備在信號范圍內(nèi)即自動連接無線網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用范圍十分廣泛，未來物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必然會越來越多，基于802.11ac wave2協(xié)議的“互聯(lián)網(wǎng)+”校園建設(shè)，擴(kuò)展性高，性能優(yōu)秀，能各方面完美地容納數(shù)量多種類多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和移動通信設(shè)備。在新冠肺炎疫情期間，全國上下的學(xué)校都在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的新型教學(xué)模式。高校作為高等教育人才的培養(yǎng)基地，擁有更專業(yè)更良好的教學(xué)儀器，教師能夠在高校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教室等環(huán)境，進(jìn)行無線網(wǎng)課的教學(xué)，無疑能夠讓學(xué)生們在視頻的另一端更加簡單易懂地學(xué)習(xí)專業(yè)知識。

另一方面，高校校園的管理比中小學(xué)校園復(fù)雜得多，在互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無線顯示屏、無線刷卡機(jī)、多媒體設(shè)備、師生簽到系統(tǒng)等無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備比比皆是，而且還會有越來越多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備協(xié)助高校管理校園和建設(shè)校園，一個強(qiáng)大的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境能夠作為堅實(shí)的“地基”提供一切服務(wù)。

預(yù)想最直接的應(yīng)用情況如表3所示。

表3 最直接的實(shí)際應(yīng)用可能

3 高校校園網(wǎng)5 GHz WiFi的設(shè)計和測試

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖3所示，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分簡單明了[4-5]。匯聚層的三層交換機(jī)匯聚接入層的AP設(shè)備

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

數(shù)據(jù)；核心層核心交換機(jī)連接防火墻、服務(wù)器、匯聚層交換機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理；最后通過防火墻進(jìn)行數(shù)據(jù)安全保障后接入互聯(lián)網(wǎng)。

以南寧學(xué)院為例，南寧學(xué)院校內(nèi)的802.11n標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已經(jīng)成熟穩(wěn)定運(yùn)行，只需在現(xiàn)有架構(gòu)上的接入層，增設(shè)或者替換802.11ac wave2協(xié)議設(shè)備，即可完成無線網(wǎng)升級。

3.2 網(wǎng)絡(luò)流量測試

南寧學(xué)院目前已建成部分帶有5 GHz WiFi信號的無線網(wǎng)絡(luò)，流量監(jiān)控情況如圖4所示，由圖可知，這段監(jiān)控時間內(nèi)共有868用戶連接WiFi上網(wǎng)，其中選擇5 GHz WiFi接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量，遠(yuǎn)大于2.4 GHz的用戶數(shù)量；并且網(wǎng)絡(luò)速率始終保持在300 Mbps以上，這份性能數(shù)據(jù)已經(jīng)十分符合高速無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的表現(xiàn)[6-7]。

圖4 WiFi網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控

4 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)高速發(fā)展到了大數(shù)據(jù)時代，在這個時代中，無線聯(lián)網(wǎng)是最主流的發(fā)展方向，不管是政府單位、家庭、商場或是高校，對無線網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)有更快更強(qiáng)的需求；高校基于802.11ac wave2協(xié)議建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，對于“互聯(lián)網(wǎng)+”校園的建設(shè)至關(guān)重要，在該協(xié)議和現(xiàn)在正火熱發(fā)展的5G通信相結(jié)合的基礎(chǔ)上，無論是建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)+新教學(xué)模式，還是建設(shè)萬物互聯(lián)的校園管理，都能夠順利實(shí)施，做到全面提升高校的教學(xué)實(shí)力。