校園無線網(wǎng)改造升級實(shí)踐探究

關(guān)鍵詞：校園無線網(wǎng)；改造升級；Wi-Fi6

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0078-03

0 引言

隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，可移動終端已成為校園內(nèi)師生工作學(xué)習(xí)的必需品，隨之而來的，是對校園無線網(wǎng)的高需求。在此背景下，本文重點(diǎn)探究了江蘇省徐州財(cái)經(jīng)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校（以下簡稱徐州財(cái)校）為滿足師生日常需要，對校園無線網(wǎng)進(jìn)行改造升級的過程，從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題三個(gè)維度，詳細(xì)介紹了老校園無線網(wǎng)的不足、改造升級原則和具體改造實(shí)踐。

1 老校園無線網(wǎng)的不足

徐州財(cái)校校園無線網(wǎng)建設(shè)于2017年，由一家公司投資建設(shè)并負(fù)責(zé)日常運(yùn)維，學(xué)校無線網(wǎng)和有線網(wǎng)是兩張獨(dú)立的網(wǎng)，無線網(wǎng)出口只有一家運(yùn)營商提供的兩根千兆光纖，整體上老校園無線網(wǎng)存在網(wǎng)絡(luò)帶寬低、信號覆蓋差等不足。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

1.1 AP 數(shù)量較少，分布不均勻[1]

老校園無線網(wǎng)共擁有AP近千臺，其中90%的AP 分布在宿舍區(qū)域，其余10%分布在辦公、教學(xué)、公共等區(qū)域，AP密度分布不均勻。因?yàn)槔蠠o線網(wǎng)是由一家公司投資建設(shè)，考慮到成本的原因，所以在校園內(nèi)部署的AP總數(shù)較少，且絕大部分分布在宿舍房間內(nèi)，其他區(qū)域只在走廊上部署，校園無線網(wǎng)使用體驗(yàn)整體較差。

1.2 信號覆蓋差，極易掉線

因AP數(shù)量較少，故在非宿舍區(qū)域，只在走廊部署AP，這就造成了用戶在非宿舍區(qū)域使用校園無線網(wǎng)會穿過一堵墻，造成無線信號不滿格，如果再離得遠(yuǎn)些，就只剩下一格信號，極易出現(xiàn)無線網(wǎng)掉線情況。

1.3 通信協(xié)議老，傳輸速率慢[2]

老校園無線網(wǎng)使用Wi-Fi4的通信協(xié)議，最高理論傳輸速率為600Mb/s，實(shí)際最高只能提供300Mb/s 的速率。在接入交換機(jī)層面，使用超五類雙絞線連接AP，交換機(jī)端口橙燈閃爍，說明AP的傳輸速率最大只有100Mb/s。排除掉物理環(huán)境等因素，實(shí)際無線網(wǎng)拷貝文件的速率只有50Mb/s。

1.4 出口帶寬少，人均上網(wǎng)速率低

老校園無線網(wǎng)的出口帶寬是2G，經(jīng)常出現(xiàn)帶寬占滿的情況。在設(shè)備側(cè)，對每個(gè)用戶的上網(wǎng)速率限制為最大2MB/s，在這個(gè)速率限制下，用戶在下載大文件或觀看高分辨率的視頻時(shí)容易出現(xiàn)卡頓，用戶整體上網(wǎng)體驗(yàn)較差。

1.5 設(shè)備級聯(lián)帶寬少，易造成上網(wǎng)延遲

核心交換機(jī)與接入交換機(jī)之間使用1000M光纖連接，不僅易出現(xiàn)單線路故障，而且級聯(lián)帶寬有限，接入交換機(jī)和AP之間使用100M網(wǎng)線連接，在用戶集中上網(wǎng)期間，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)瓶頸，造成用戶上網(wǎng)延遲。

1.6 單運(yùn)營商接入，用戶選擇單一

因外線只有電信一家運(yùn)營商接入，學(xué)生在選擇校園無線網(wǎng)套餐時(shí)，只能辦理電信的手機(jī)卡，這不僅限制了學(xué)生的選擇余地，而且易造成市場壟斷，不利于運(yùn)營商之間的公平競爭。

2 校園無線網(wǎng)改造升級原則

2.1 統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一建設(shè)[3]

校園無線網(wǎng)統(tǒng)一由學(xué)校聯(lián)系設(shè)計(jì)單位做整體設(shè)計(jì)規(guī)劃，由三家運(yùn)營商共同參與，經(jīng)過規(guī)范招投標(biāo)流程，由中標(biāo)單位統(tǒng)一進(jìn)行施工建設(shè)。三家運(yùn)營商共同使用一張校園無線網(wǎng)，資產(chǎn)由三家均攤。

2.2 統(tǒng)一管理，流程科學(xué)

校園無線網(wǎng)應(yīng)安排專人統(tǒng)一進(jìn)行管理與運(yùn)維，建立規(guī)范的問題反饋制度，科學(xué)合理地規(guī)劃故障處理流程，由運(yùn)營商校內(nèi)營業(yè)廳作為受理學(xué)生反饋無線網(wǎng)問題的起點(diǎn)，營業(yè)員需具備簡單的問題解決能力，對于無法解決的技術(shù)問題，統(tǒng)一反饋給駐校的無線網(wǎng)運(yùn)維人員，由運(yùn)維人員負(fù)責(zé)校園無線網(wǎng)日常運(yùn)維與排障工作。

2.3 質(zhì)量優(yōu)先，節(jié)約成本

建設(shè)校園無線網(wǎng)首先需保證無線網(wǎng)用戶的上網(wǎng)質(zhì)量，做到使用時(shí)不延遲、不卡頓。在確保上網(wǎng)質(zhì)量的前提下，再考慮節(jié)約建設(shè)成本。合理制定校園無線網(wǎng)規(guī)劃方案，根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況，在線路利舊、設(shè)備選型等方面節(jié)約成本。

2.4 信號穩(wěn)定，安全可靠

校園無線網(wǎng)在規(guī)劃AP位置時(shí)，應(yīng)保證用戶無論在室內(nèi)還是室外，STA信號均滿格穩(wěn)定。所以AP應(yīng)部署在屋內(nèi)，并根據(jù)屋內(nèi)人數(shù)進(jìn)行AP選型，走廊處根據(jù)房間與走廊之間建筑的材質(zhì)決定走廊處是否部署AP，避免與屋內(nèi)AP產(chǎn)生信號沖突。室外根據(jù)道路實(shí)際情況，合理部署室外定向AP和全向AP，實(shí)現(xiàn)信號分布均勻穩(wěn)定。校園無線網(wǎng)架構(gòu)中應(yīng)部署防火墻等安全防護(hù)設(shè)備，在信號設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，應(yīng)采用認(rèn)證策略和加密策略。

2.5 技術(shù)先進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

校園無線網(wǎng)應(yīng)采用先進(jìn)的通信技術(shù)，協(xié)議統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以提高設(shè)備的適配性與兼容性。技術(shù)先進(jìn)是保證無線網(wǎng)速率的關(guān)鍵，首先，Wi-Fi6的單流帶寬是1201Mbps，是Wi-Fi4的8倍；其次，Wi-Fi6的最大頻寬是160MHz，是Wi-Fi4的4倍；最后，Wi-Fi6支持MU-MIMO和OFDMA等多種先進(jìn)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)，可最大程度地提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率[4]。

2.6 帶寬充足，易于維護(hù)

建設(shè)校園無線網(wǎng)需保證出口帶寬充足，避免出現(xiàn)大規(guī)模用戶上網(wǎng)卡頓的情況。在規(guī)劃校園無線網(wǎng)時(shí)，需保證設(shè)備之間級聯(lián)帶寬充足，避免因?yàn)椴l(fā)流量達(dá)到閾值影響整體上網(wǎng)速率。設(shè)立校園無線網(wǎng)運(yùn)維專員，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)日常問題解決與故障維護(hù)。建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺，實(shí)時(shí)跟蹤無線網(wǎng)設(shè)備和AP狀態(tài)，及時(shí)分析故障原因并處置告警，保證校園無線網(wǎng)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

3 校園無線網(wǎng)改造升級實(shí)踐

3.1 信號全覆蓋[5]

對于樓宇內(nèi)區(qū)域，所有AP均進(jìn)房間布放，布放在吊頂居中位置，使射頻信號向下投射，以提高無線信號的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。走廊布放AP分兩種情況：如果房間與走廊之間是磚墻材質(zhì)，在一個(gè)徑直走廊內(nèi)安裝一個(gè)放裝式AP，用以增加走廊的無線信號；如果房間與走廊之間是玻璃材質(zhì)，走廊內(nèi)不安裝AP，而是依靠房間內(nèi)AP投射的信號。經(jīng)過實(shí)踐測試，STA在走廊內(nèi)連接校園無線網(wǎng)上網(wǎng)快捷、信號良好。

對于室外和特殊區(qū)域，采用多種類型AP相結(jié)合的方式布放。室外面積較大區(qū)域采用室外全向AP，室外狹長通道采用室外定向AP，體育館內(nèi)采用吊掛式場館AP，對于需要720度輻射無線網(wǎng)信號的區(qū)域，采用室外球型AP。

3.2 擴(kuò)帶寬

隨著用戶數(shù)量增多，之前的網(wǎng)絡(luò)帶寬水平已不能滿足現(xiàn)有要求，需擴(kuò)大外網(wǎng)帶寬和設(shè)備間級聯(lián)帶寬。

新校園無線網(wǎng)外線由三家運(yùn)營商提供，每家運(yùn)營商提供20G外網(wǎng)帶寬，以保證無線網(wǎng)出口帶寬處不出現(xiàn)瓶頸。新校園無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

設(shè)備間級聯(lián)帶寬充足。從邊界防火墻到核心交換機(jī)的帶寬和出口一樣，保證每家運(yùn)營商無線網(wǎng)用戶獨(dú)享20G帶寬。因無線網(wǎng)用戶網(wǎng)關(guān)均在BRAS上，為不出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)瓶頸，BRAS和核心交換機(jī)之間使用60G帶寬。每個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)使用全光口萬兆匯聚交換機(jī)，匯聚交換機(jī)和核心交換機(jī)之間使用40G帶寬級聯(lián)，以避免數(shù)據(jù)并發(fā)過大造成鏈路擁堵。接入交換機(jī)均使用光纖萬兆上聯(lián)至匯聚交換機(jī)或核心交換機(jī)，每個(gè)AP使用六類網(wǎng)線千兆上聯(lián)至24口POE交換機(jī)。

在我校，因校園有線網(wǎng)和無線網(wǎng)是兩張網(wǎng)，為方便無線網(wǎng)用戶訪問有線網(wǎng)區(qū)域服務(wù)器，故將有線網(wǎng)核心交換機(jī)與BRAS之間用兩萬兆光纖打通，有效提高了校內(nèi)應(yīng)用訪問速率。

3.3 升協(xié)議

使用先進(jìn)的無線網(wǎng)通信協(xié)議是提高無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的重要保障。本次改造升級將原有的Wi-Fi4協(xié)議（802.11n） 升級到Wi-Fi6協(xié)議（802.11ax） ， Wi-Fi4和Wi-Fi6的主要區(qū)別如表1所示。

最高傳輸速率：從實(shí)驗(yàn)室理論數(shù)據(jù)看，Wi-Fi6最高可實(shí)現(xiàn)9.6Gbps峰值的傳輸速率，而Wi-Fi4最高只能達(dá)到600Mbps，這意味著Wi-Fi6比Wi-Fi4具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以更快地處理高負(fù)載任務(wù)。

頻段支持：Wi-Fi4只支持2.4G頻段，Wi-Fi5只支持5G頻段，Wi-Fi6可以同時(shí)支持2.4G和5G頻段，更好地涵蓋高速設(shè)備與低速設(shè)備。

安全性：Wi-Fi6支持最新的WPA3加密協(xié)議，可以加密Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)，進(jìn)一步保護(hù)不安全的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，阻止強(qiáng)力攻擊、暴力破解等網(wǎng)絡(luò)威脅。Wi-Fi4 仍然采用較老的WPA2 協(xié)議，安全性相對較弱。

先進(jìn)技術(shù)：Wi-Fi6協(xié)議支持OFDMA技術(shù)和TWT 技術(shù)，OFDMA技術(shù)將載波信道劃分成更小的單位，支持多終端并行傳輸，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。TWT技術(shù)允許終端設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)，無須與路由器之間不停地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以保持活躍，這便在一定程度上減少電量消耗，提升設(shè)備續(xù)航時(shí)間。Wi-Fi4支持的MIMO技術(shù)，支持同時(shí)傳輸多股數(shù)據(jù)流，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，但在Wi-Fi5就引入了MU-MIMO技術(shù)，對其進(jìn)行了擴(kuò)充，即多用戶多輸入多輸出技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)與多臺設(shè)備進(jìn)行通信，并且每臺設(shè)備也同時(shí)處理多條數(shù)據(jù)流，避免了大并發(fā)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象，為用戶提供更流暢的上網(wǎng)體驗(yàn)。

3.4 提頻寬

頻寬是Wi-Fi 的頻道（信道）寬度[6]，具體是指無線信號在頻譜上所占用的帶寬大小，它決定了無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c穩(wěn)定性。根據(jù)我國5G頻率可用信道劃分，在信道之間互不干擾的前提下，5G頻率的頻寬有20MHz、40MHz、80MHz 可選。做個(gè)簡單的比喻，如果把數(shù)據(jù)傳輸鏈路比作賽車賽道的話，40MHz的賽道寬度就是20MHz的2倍，同時(shí)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文也是2倍，同理，80MHz的信道寬度在數(shù)據(jù)傳輸效率上是20MHz的4倍。

在無線網(wǎng)改造實(shí)踐中，教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、公共區(qū)域在5G頻率上使用80MHz的頻寬，在近距離、干擾物少的場景下，數(shù)據(jù)傳輸速率更快。在宿舍區(qū)域，考慮到每間屋的人數(shù)和限速問題，故在5G頻率上使用的是20MHz的頻寬。

3.5 合理利用資源

3.5.1 線路與輔材利舊

在宿舍區(qū)域，原有校園無線網(wǎng)AP均部署在房間內(nèi)，且雙絞線質(zhì)量較好，故本次改造實(shí)踐中，宿舍區(qū)域利舊原有網(wǎng)絡(luò)線路，只更換交換機(jī)與AP設(shè)備。在全校范圍內(nèi)，老無線網(wǎng)中機(jī)柜、PDU等輔材仍能使用的繼續(xù)使用，這樣一方面能節(jié)約資源，避免浪費(fèi)，另一方面也降低了成本。

3.5.2 匯聚交換機(jī)最大化利用

本次無線網(wǎng)改造使用的是24口全光匯聚交換機(jī)，分布在學(xué)校三個(gè)匯聚點(diǎn)。因所有接入交換機(jī)均是萬兆光纖上聯(lián)到匯聚交換機(jī)，故合理規(guī)劃匯聚交換機(jī)下聯(lián)接入交換機(jī)的數(shù)量，通過讓光纜“多跑路”的方法，會使每臺匯聚交換機(jī)交換容量利用最大化，在一定程度上降低了匯聚交換機(jī)的使用成本。

3.6 增加網(wǎng)絡(luò)信號

為適應(yīng)不同用戶接入校園無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)信號不僅設(shè)置了教師信號和學(xué)生信號，還增加了訪客信號和設(shè)備信號。

訪客信號用于校外人員臨時(shí)接入校園無線網(wǎng)，通過輸入手機(jī)號獲取驗(yàn)證碼的方式進(jìn)行登錄，并從安全的角度考慮，在認(rèn)證設(shè)備中設(shè)置手機(jī)號白名單，只有加入白名單的手機(jī)號，才能通過短信網(wǎng)關(guān)獲取驗(yàn)證碼。

設(shè)備信號主要為了啞終端設(shè)備無法進(jìn)行Web認(rèn)證而添加的，它采用靜態(tài)PSK密鑰認(rèn)證，因這種方式易受到暴力破解和社會工程學(xué)攻擊，故在此種認(rèn)證方式的基礎(chǔ)上又增加MAC地址白名單認(rèn)證，用戶連接設(shè)備信號除了需輸入正確的密碼外，還需驗(yàn)證MAC 地址是否在白名單中，以保證接入用戶的合法性。

4 結(jié)束語

近年來，校園無線網(wǎng)設(shè)備不斷增多，為跟上無線網(wǎng)技術(shù)發(fā)展腳步，進(jìn)行無線網(wǎng)改造優(yōu)化勢在必行。校園Wi-Fi6無線網(wǎng)改造優(yōu)化，不僅提升了學(xué)校教育教學(xué)過程中新基建的水平，而且在改善師生對無線網(wǎng)滿意度和日常網(wǎng)絡(luò)管理方面有很大的促進(jìn)作用。