基于5G網(wǎng)絡(luò)的高校校園無線局域網(wǎng)實(shí)施研究

徐學(xué)會(huì)

摘 ?要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以有線網(wǎng)絡(luò)為主的高校校園網(wǎng)面臨轉(zhuǎn)型，校園無線局域網(wǎng)伴隨眾多移動(dòng)智能設(shè)備的普及，成為校園網(wǎng)的重要組成及發(fā)展趨勢(shì)。為探究5G網(wǎng)絡(luò)背景下高校校園網(wǎng)無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)施情況，結(jié)合校園網(wǎng)建設(shè)實(shí)際，提出整體設(shè)計(jì)方案，并分析方案實(shí)施的可行性，最后結(jié)合技術(shù)要求，對(duì)校園無線局域網(wǎng)實(shí)施方案進(jìn)行深入分析，提出針對(duì)性建議。

關(guān)鍵詞：5G ?數(shù)字校園 ?校園網(wǎng) ?無線局域網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（b）-0143-03

Research on the Implementation of Wireless Local Area Network in University Campus Based on 5G Network

XU Xuehui

（College of Technology and Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu Province， 730300 ?China）

Abstract： With the development of 5G network technology， college campus networks based on wired networks are facing transformation， and campus wireless local area networks have become an important component and development trend of campus networks along with the popularization of many mobile smart devices. In order to explore the design and implementation of campus wireless local area network in colleges and universities under the background of 5G network， combine the actual construction of campus network， put forward an overall design plan， and analyze the feasibility of the implementation of the plan， and finally combine the technical requirements， conduct an in-depth analysis of the campus wireless local area network implementation plan， and propose targeted recommendations.

Key Words： 5G; Digital campus; Campus network; Wireless local area network

數(shù)字化校園是信息互聯(lián)時(shí)代高校信息化建設(shè)水平的重要指標(biāo)，校園網(wǎng)是高校教學(xué)、科研、現(xiàn)代化管理的重要平臺(tái)，不僅為校內(nèi)教科研即管理工作提供了極大的便利，而且也極大拓展了高校間交流發(fā)展的時(shí)間與空間維度。隨著5G移動(dòng)互聯(lián)的快速發(fā)展，智慧校園建設(shè)成為發(fā)展趨勢(shì)，教學(xué)信息化也由1.0向2.0時(shí)代轉(zhuǎn)變，依托5G網(wǎng)絡(luò)與Wi-fi技術(shù)的無線校園網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)閷W(xué)校師生提供更為優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)。比如5G通信技術(shù)與無線校園網(wǎng)能夠促進(jìn)線上線下課程無縫融合，能夠促進(jìn)多種教學(xué)模式的開展。

1 ?校園無線局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案與可行性分析

1.1 需求分析

以某高校無線校園網(wǎng)建設(shè)出發(fā)，根據(jù)目前有線校園網(wǎng)建設(shè)情況，以及無線校園網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃，從實(shí)際出發(fā)，進(jìn)行無線校園局域網(wǎng)的需求分析，結(jié)合最新技術(shù)，以5G應(yīng)用為契機(jī)，規(guī)劃該校無線局域網(wǎng)建設(shè)方案。從校園網(wǎng)的內(nèi)涵來看，以校園為界限，校外為廣域網(wǎng)，而校內(nèi)則為校園網(wǎng)，實(shí)際上校園無線局域網(wǎng)非以地理概念進(jìn)行界定，而是以使用校園網(wǎng)內(nèi)部提供的服務(wù)資源相關(guān)范圍進(jìn)行界定。正因此，基于5G網(wǎng)絡(luò)的高效校園局域網(wǎng)方案，應(yīng)從需求側(cè)進(jìn)行需求分析，結(jié)合服務(wù)需求合理設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上，基于5G網(wǎng)絡(luò)的無線校園局域網(wǎng)覆蓋側(cè)重實(shí)際應(yīng)用，包括教學(xué)、科研、管理等。無線校園局域網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象主要是在校師生，以教學(xué)、科研內(nèi)容為主，應(yīng)用群體具有一定的集中性，而且提出高效、安全、便利的要求，因此在使用時(shí)段分布、使用區(qū)域分布的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，在全校范圍內(nèi)進(jìn)行有效覆蓋?？傮w來看，學(xué)生宿舍、教學(xué)樓等是使用較為集中的區(qū)域，使用業(yè)務(wù)主要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文獻(xiàn)下載、在線學(xué)習(xí)、在線教學(xué)、影音及學(xué)習(xí)資料下載與共享、在線娛樂、在線視頻交流等對(duì)數(shù)據(jù)處理要求較高的內(nèi)容，這要求校園無線局域網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力較強(qiáng)。無線校園局域網(wǎng)整體上設(shè)計(jì)三層機(jī)構(gòu)，及接入層、匯聚層與核心層，其中接入層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收與設(shè)備統(tǒng)一管理;匯聚層負(fù)責(zé)匯聚接入層接受的數(shù)據(jù)，具備源地址或目的地址過濾、路由管理等功能;核心層應(yīng)滿足容錯(cuò)性、高效性、可靠性、冗余性、低延遲、適應(yīng)性等要求，采用雙冗余負(fù)載均衡設(shè)計(jì)。無線校園局域網(wǎng)需具備移動(dòng)、聯(lián)通、電信等多服務(wù)提供商接口，使用戶能夠通過多路徑訪問互聯(lián)網(wǎng)資源。

性能需求方面，考慮到無線校園網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求，核心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的核心層采用雙核心設(shè)計(jì)，著力做到高效。考慮到無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的開放性特征，對(duì)信號(hào)干擾因素進(jìn)行分析，根據(jù)AP信號(hào)有效范圍合理規(guī)劃，做到數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c高質(zhì)量。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定上，選擇兼容性很強(qiáng)的IEEE 802.11n技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足無線校園網(wǎng)適用范圍廣、適用人群規(guī)模大的要求。

1.2 整體設(shè)計(jì)方案

基于以上需求分析，無線校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)選擇WLAN Fit AP+AC集中轉(zhuǎn)發(fā)方式組網(wǎng)的形式，此外，考慮到高校校園范圍較大，且無線校園網(wǎng)絡(luò)的主要使用區(qū)域是教學(xué)樓、宿舍樓、辦公樓、圖書館等，對(duì)于其他空曠地區(qū)，則可使用WLAN無線信號(hào)與5G信號(hào)靈活、快速切換的方式，為師生提供更快捷的無線信號(hào)[1]。整體設(shè)計(jì)方案的具體描述如下。

（1）接入技術(shù)選取瘦AP（Fit AP）接入，無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的外部互聯(lián)網(wǎng)接入統(tǒng)一采用BRAS，無線校園網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)DHCP接入方式，使用兩臺(tái)BRAS認(rèn)證網(wǎng)關(guān)，3個(gè)SSID，滿足移動(dòng)、聯(lián)通、電信等多服務(wù)商提供多業(yè)務(wù)邊緣MSE設(shè)備，同時(shí)使該無線校園網(wǎng)核心設(shè)備滿足擴(kuò)容發(fā)展需求。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)選擇需滿足可靠性設(shè)計(jì)、硬件自保護(hù)、模塊化結(jié)構(gòu)等要求，采用H3P S10510交換機(jī)，滿足分布性強(qiáng)、可靠性高的要求，同時(shí)支持IPv4與IPv6。

（3）無線接入設(shè)備供電方式采用POE供電，確保傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)正常的同時(shí)，最大限度降低高校校園網(wǎng)建設(shè)成本，并實(shí)現(xiàn)無線校園網(wǎng)建設(shè)要求。所有無線接入點(diǎn)AP的接入均由POE交換機(jī)負(fù)責(zé)，并提供AP供電，同時(shí)POE交換機(jī)還應(yīng)具備ARP檢測(cè)功能。POE交換機(jī)功能的選取，需結(jié)合宿舍區(qū)、教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)等區(qū)域要求合理選擇。

（4）無線校園網(wǎng)頻率采用2.4GHz與5.8GHz混合使用的方式，使用IEEE 802.11AC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)全覆蓋[2]。

（5）考慮到無線校園網(wǎng)的主要使用群體為學(xué)生，宿舍區(qū)與教學(xué)區(qū)為重點(diǎn)使用區(qū)域，且使用規(guī)模較大，因此在IP地址規(guī)劃時(shí)采用DHCP動(dòng)態(tài)分配的方法，并且校園網(wǎng)內(nèi)采用私網(wǎng)IP地址，經(jīng)過出口網(wǎng)關(guān)時(shí)通過NAT轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)IP地址。此外在宿舍區(qū)、教學(xué)區(qū)與辦公區(qū)科學(xué)設(shè)置IP地址分區(qū)，宿舍區(qū)與教學(xué)區(qū)的外網(wǎng)接入由移動(dòng)、聯(lián)通、電信等服務(wù)商提供，私網(wǎng)IP地址采用A類地址，子網(wǎng)掩碼為8位，辦公區(qū)域則采用C類私網(wǎng)地址，子網(wǎng)掩碼為20位。

（6）高校無線校園網(wǎng)的設(shè)計(jì)是在原有校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在使用方面也追求便捷性，因此無線校園網(wǎng)認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在綜合分析了802.1X、WEB Portal、PPPoE等技術(shù)認(rèn)證之后，在本方案中使用wx6112E中IAG插卡結(jié)合IMCUAM組件的方式，使用兩塊IAG插卡通過VRRP，提供Portal服務(wù)。

（7）無線校園網(wǎng)為師生提供服務(wù)的一個(gè)典型特點(diǎn)是移動(dòng)性，即為師生的移動(dòng)智能終端提供服務(wù)，且保證網(wǎng)絡(luò)信息號(hào)的穩(wěn)定性，用戶在移動(dòng)使用過程中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不間斷，因此需要對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行漫游設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證過程：發(fā)出物理層請(qǐng)求→MAC層發(fā)出并完成認(rèn)證→通過認(rèn)證協(xié)議并調(diào)用加密資源→完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理。漫游時(shí)認(rèn)證處理：認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)并將STA中PMK存儲(chǔ)于Cache內(nèi)→從STA發(fā)給New AP一個(gè)認(rèn)證達(dá)到利用PMK Cache目的→STA使用PMK與新的AP協(xié)商并認(rèn)證→完成協(xié)商并由STA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（8）無線校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件需具備以下功能：零配置安裝、防盜防入侵、支持靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、自動(dòng)設(shè)置發(fā)射功率和分配射頻信道、基于身份的組網(wǎng)、輔助網(wǎng)歸。師生使用無線校園網(wǎng)時(shí)需使用分配的用戶名與密碼登錄[3]。

1.3 可行性分析

從工程施工來看，無線校園網(wǎng)建設(shè)不需要過多的管線埋設(shè)，只需要在樓宇合適位置設(shè)置一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)信號(hào)AP即可實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)全覆蓋。從網(wǎng)絡(luò)安全性來看，無線網(wǎng)絡(luò)有限避免網(wǎng)線損壞與故障，提升了網(wǎng)絡(luò)安全性，且無線信號(hào)具有較高的安全性，信號(hào)竊取困難，在網(wǎng)絡(luò)隔離與認(rèn)證技術(shù)的支持下，網(wǎng)絡(luò)安全性較高。從建設(shè)成本來看，由于不需要太多的埋線，使其建設(shè)、保養(yǎng)、維護(hù)費(fèi)用大幅降低。從易擴(kuò)展性來看，無線校園網(wǎng)不需要獨(dú)立的線路，且無線設(shè)備有較高的易擴(kuò)展特征，這使得后期升級(jí)擴(kuò)容較為容易。從覆蓋區(qū)域來看，無線校園網(wǎng)基本可以覆蓋整個(gè)校園，并且可以與5G信號(hào)良好切換。因此基于5G網(wǎng)絡(luò)的無線校園網(wǎng)建設(shè)方案具有較強(qiáng)的可行性[4]。

2 ?校園無線局域網(wǎng)實(shí)施分析

2.1 校園無線局域網(wǎng)項(xiàng)目

以某高校為例，對(duì)無線校園網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，先將其視為一個(gè)整體項(xiàng)目，項(xiàng)目的實(shí)施首先要充分調(diào)查分析用戶實(shí)際情況，然后明確無線校園網(wǎng)的實(shí)際用途，再確定具體實(shí)施方案[5]。高校無線校園網(wǎng)側(cè)重實(shí)際應(yīng)用，以師生為主要用戶，使用內(nèi)容主要是教學(xué)、科研與學(xué)習(xí)，用戶多集中于宿舍、教學(xué)樓、辦公樓、圖書館等區(qū)域，結(jié)合這些實(shí)際情況合理規(guī)劃組網(wǎng)方式。項(xiàng)目方案實(shí)施中，無線校園網(wǎng)采用FiT AP架構(gòu)，無線控制器+無線AP模式，總體原則上重視實(shí)際應(yīng)用，便于師生接入網(wǎng)絡(luò)，采用先進(jìn)、適合高校實(shí)際情況的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，滿足兼容要求，提供穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)通信。此外，對(duì)無線校園網(wǎng)使用認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行管理，使用統(tǒng)一的用戶名與賬號(hào)登錄。

2.2 無線局域網(wǎng)技術(shù)分析

無線校園網(wǎng)既要滿足師生使用中的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)又要符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，合理設(shè)計(jì)輸出信號(hào)強(qiáng)度[6]。采用2.4GHz與5.8GHz兩個(gè)頻道來滿足網(wǎng)絡(luò)接入，便于后期擴(kuò)容，以及5G網(wǎng)絡(luò)的要求。無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入與無線傳輸既要保持前瞻性，同時(shí)還需滿足亦有的無線網(wǎng)卡使用，通過IEEE 802.11a、IEEE 802.11b/g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac等無線傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)高速接入。為避免統(tǒng)一接入點(diǎn)的用戶信息泄露，采用無線接入用戶隔離的方式，確保安全?？紤]到移動(dòng)使用的特點(diǎn)，無線校園網(wǎng)無線接入設(shè)備自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流處理，并在5G網(wǎng)絡(luò)的配合下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)使用穩(wěn)定。

2.3 校園無線局域網(wǎng)實(shí)施方案

在方案具體實(shí)施時(shí)，宿舍區(qū)要考慮宿舍房間數(shù)量、宿舍內(nèi)學(xué)生使用的移動(dòng)終端數(shù)量，以802.11ac技術(shù)的分布式AP實(shí)現(xiàn)雙拼覆蓋，5G頻段最高速率達(dá)1Gbps。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兼容，主體AP支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧，分體AP支持802.11ac千兆無線接入。室外AP采用全向天線，匯聚交換機(jī)支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧，支持平滑擴(kuò)容。教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)以及室外其他區(qū)域，在用戶相對(duì)集中的地方，采用“放裝”模式部署AP，室外AP實(shí)現(xiàn)移動(dòng)云接入服務(wù)，交換機(jī)采用性價(jià)比高的H3H S5110系列產(chǎn)品。

3 ?結(jié)語

在無線校園網(wǎng)設(shè)計(jì)方案實(shí)施之前，先對(duì)方案進(jìn)行性能測(cè)試，采用筆記本運(yùn)行專用測(cè)試軟件“Wireless Mon”進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，校園內(nèi)主要使用區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度符合要求，且信號(hào)穩(wěn)定，傳輸速率較高。采用“Network Stumbler”軟件測(cè)試無線校園網(wǎng)系統(tǒng)信噪比，結(jié)果所測(cè)試區(qū)域用戶端無線網(wǎng)卡接收到的信噪比均符合要求。

通過調(diào)查與測(cè)試可知，該無線校園網(wǎng)方案具有較高的可行性，測(cè)試效果良好，能夠穩(wěn)定地為師生教學(xué)、科研與學(xué)習(xí)提供優(yōu)質(zhì)無線信號(hào)服務(wù)。無線校園網(wǎng)是今后高校數(shù)字校園與智慧校園發(fā)展的趨勢(shì)，在無線校園網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合高校實(shí)際情況，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的方案，并著眼未來更多、更先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無線校園網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中保持可擴(kuò)展性與兼容性，以便后期擴(kuò)容與升級(jí)。

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