探索无线网络在高校的研究和应用

◆刘 宸 成永刚

（西安交通大学网络信息中心 陕西 710049）

0 引言

随着信息技术的不断发展，人们对网络通讯的需求也不断地提高，希望在任何时间、任何地点，都能够与任何人进行包括数据、语音、图像等任何内容的通信，使无线用户对网络的使用实现移动和漫游。从专业角度讲，无线网络就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性化和高速化。无线网络作为有线网络的有效补充，有效地解决了高校全园区网络覆盖下的有线网络难以实现的问题，是利用无线网络技术实现无线网络应用的一种新技术。

无线网络不是用来替代有线网络，而是用来弥补有线网络的不足，延伸有线网络。无线网络和有线网络，二者不是技术竞争，而是技术互补，互为完善，互为补充。有效合理的利用无线网络，让用户达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

1 技术方案选择

基于本校的实际情况，项目经费，无线应用需求以及对市场上主流无线网络技术和方案的考察，比对了国内外厂商思科、Aruba、华为、H3C、锐捷等厂家的无线解决方案和产品，最终我校选择美国思科公司的一体化无线解决方案来建设校园无线网络。

思科校园无线网络可分为两部分实现无线数据收发，射频管理、无线网络管理和用户认证的无线部分，以及实现无线数据回传的有线部分。

在一体化无线网络中，无线部分实现网络区域的无线信号覆盖，以及相关的管理维护功能。无线网络部分主要包含以下组件：无线网络控制器WLC，无线访问接入点AP，无线网管系统WCS，无线定位服务系统MSE，以及用户认证、计费系统。

有线部分负责将分散在覆盖区域的无线访问接入点与无线控制器 WLC、WCS、Radius等服务器连接起来，并负责将用户的无线数据回传到骨干网络。统一无线网络的有线部分的设计与园区有线网络设计基本类似，也要考虑传输性能、可靠性、扩展性等问题，采取的设计方法也基本类似。无线网络总体设计示意图，如图1所示。

图1 西安交通大学校园网无线网络总体设计示意图

2 无线网络技术创新

2.1 802.11n

目前，802.11n已经成为组建无线网络的主流技术。802.11n技术利用多天线技术、空间码流复用技术以及对现有协议规程的优化大大提高无线网络的传输速率，改良无线信号的覆盖质量。目前，单个主流的企业级802.11n AP最高能支持300Mbps的传输速率，并且能向后兼容传统802.11a/b/g技术的无线客户端，大大提升传统客户端的信号稳定性，能支持用户平滑升级网络性能。802.11n将是今后WLAN建设的必然趋势。因此，我校校园网无线网络将全部采用802.11n技术的产品。

2.2 Clientlink

使用 802.11n技术建立的无线校园网络将会和早期建立的802.11a/g无线网络共存，在未来一段时间内，校园无线网络将要支持 802.11a/g老客户端和 802.11n客户端混合的环境。因为802.11a/g老客户端工作在较低的数据传输速率，老的客户端将拖累整个网络，降低网络的性能。

ClientLink 技术，采用先进的信号处理技术来优化客户端收到下行通信方向的信号，而无需反馈。可以帮助解决在混合客户端的 802.11n 网络下带来的有关的问题，使用户确信即便是当802.11a/g 客户端靠近信号覆盖的边界时也可以以最佳的速率运行。大多数的802.11n 解决方案是改进提升客户端到无线接入点间的上行通信速率。该技术不仅提升了客户端到无线接入点间的上行通信速率而且也提升了下行通信速率。因为局域网中日常大多数的通讯，如 Web 浏览，电子邮件和文件下载是发生在下行方向。提升最慢的客户端的下行链路吞吐量，提升的不仅仅是慢的客户端的无线网络使用体验，而是提升无线网络中全网用户端的无线网络使用体验。

无线网络中，在许多信号覆盖边缘的区域通常存在一些覆盖盲区，在这些盲区内由于信号太弱而影响 Wi-Fi 网络的性能。当客户端在无线接入点覆盖区域之间漫游时，经常会面临覆盖盲区的问题。该技术可以减少信号覆盖的盲区和提高信号覆盖的范围，确保无线信号更可靠，可预测，且均匀覆盖整个楼面。

该技术提供下列益处：

（1）为11a/g设备提供一致的高吞吐量；

（2）为11a/g和11n设备增加显著的系统容量；

（3）在复杂而有挑战性的射频环境中减少覆盖漏洞。

2.3 BandSelect

因我校无线网络一共建设2期，在校园中存在多种无线接入终端，有支持802.11a/g工作在2.4/5GHz的双频段无线，也有只支持802.11b工作在2.4GHz单频无线客户端。由于2.4GHz频段存在较多干扰，如自检无线网络、其他运营商网络等，所以显得十分拥挤。相比较而言5GHz频段干扰相对较少，并且不存在信道重叠问题，其可利用的容量很高。

图2 ClientLink技术的优点

由于校园内存在混合客户端的环境，会造成如下问题：

（1）双频段客户端一直连接2.4 GHz 频段；

（2）2.4GHz 频段存在大量 802.11b/g 客户端，造成拥塞；

（3）2.4GHz 频段容易受到干扰。

针对以上问题使用BandSelect技术，通过将双频段客户端从拥挤的2.4 GHz频段导向到5 GHz频段来优化射频频谱利用率，以更好的利用高容量的5GHz频段，为那些只支持2.4GHz频段的无线接入终端保留空间。

BandSelect技术使用特点算法，可以有效识别2.4GHz和5GHz双频客户端，并能够抑制2.4GHz信道的Probe回应，而等待双频客户端扫描5GHz信道。同时标记只支持2.4GHz的客户端并响应其Probe请求，并将双频客户端2.4GHz Probe请求进行抑制超时将其退出2.4GHz频段。

图3 BandSelect行为抓包显示

2.4 CleanAir

校园无线网络建成后势必会部署许多关键应用。而且无线网络也将会越来越多地用于承载对干扰影响很敏感的语音和视频应用。但是无线网络中存在射频干扰的问题，在有限的频谱资源中射频干扰会造成无线网络新能的急剧下降。

使用CleanAir技术，无线网络管理人员可以访问自动收集的关于每个非 802.11 干扰源的丰富频谱信息。CleanAir 技术提供的频谱智能支持全新级别的频谱管理。频谱管理可充分感知所有无线频谱用户，而且能够采取行动来缓解或避免干扰，从而优化网络性能。

该技术还能够以物理方式定位干扰设备。大多数情况下，多个无线接入点将会观察到同一个引发干扰的设备。对从多个无线接入点报告的设备进行比较，并确定哪些报告实际上是由同一个设备导致的。对设备进行比照后，可以使用三角测量法查明设备的准确位置，此方法和基础架构系统当前定位 Wi-Fi 客户端与标签所使用的方法类似。

图4 CleanAir定位干扰设备及其影响区域

3 无线网络设计与建设

自从上世纪末各高校开始校园数字化建设起，各校大都进行并完成了有线网络的架设工作。我校校园有线网络从1994年开始建设，经过20多年的发展，已经形成一套完整的体系和格局，各种管理、信息与应用系统也已经基本完善和成熟。

根据我校的应用需求和实际情况，采用以有线网络为基础的网络平台，构建校园无线网络。其分为有线和无线两个部分，无线网络拓扑图，如图所示：

图5 西安交通大学无线网络拓扑图

3.1 有线部分实施

目前 802.11n已经成为组建无线网络的主流技术，802.11n使得无线网络的传输速率大大提升，按照 802.11n标准单个 AP最大能支持300Mbps的传输速率。因此作为无线网络支撑体系的有线部分必须考虑到这一趋势，要提供足够的传输速率，来容纳无线用户的数据。我校无线网络的有线部分采取万兆上联，千兆接入的设计。

目前，我校有线网络是经过多年建设而成，是典型的星型扁平化结构。整个网络大体分为两层，覆盖全校的骨干网络和各区域接入网络。骨干网络由多台核心级路由/交换设备构成，分布在全校多个教学区域。骨干设备间通过万兆链路互联。

扁平化结构符合校园网络的使用需求。一方面减少了数据传输的层级，提高了效率，另一方面保持了网络结构的灵活性，可以随着校内人员分布的变化灵活调整。而且，扁平化结构具有很好的可扩展能力，由于结构不依赖于少数中心设备，当网络需要扩展时，可以很方便地增加节点，而不会对原有结构造成太大影响。

因此，我校无线网络建设也采取类似的结构。根据无线网络覆盖区域分布，选择1个网络节点作为无线网络的汇聚点部署无线汇聚交换机。为了保证无线区域网络的高度可扩展，我们选择思科模块化的交换机Cisco6509E作为无线汇聚设备。Cisco6509E无线汇聚交换机可以通过增加接口板卡来增加端口，进而提升无线区域接入交换机的汇接能力，提高无线区域网络的扩展能力。使用双引擎上的4个万兆端口进行万兆链路捆绑分别与我校兴庆校区核心交换机Cisco6513及出口路由器Cisco7609实现40G万兆互联。

有线部分的接入层由WS-C2960S-24PS-L PoE交换机构成，在需要提供无线网络覆盖的区域部署PoE接入交换机，用来给无线AP提供接入和供电。PoE交换机通过千兆单模光纤链路上联无线汇聚交换机Cisco6509E的光口板，形成无线接入层的1000M上联。

根据此设计方案，无线网络与有线网络类似，为扁平化结构，完全满足我校网络使用的特点。

3.2 无线部分实施

在无线部分的设计中采用主流的基于控制器的瘦AP架构来建设大规模的无线网络。此次项目一共配置1142N无线AP 950个， 3502I无线AP 50个。根据前期对主要楼宇实地勘测，我校兴庆校区59栋楼宇共计安装了985个AP。其中在关键业务区域的楼宇部署带CleanAir功能的3502i无线AP，如主楼共部署23个、科技馆报告厅共部署6个、西一楼共部署18个。

目前，经过本次校园无线网络的建设，我校共安装无线 AP近1000颗，实现了校园内所有楼宇和主要公共区域的无线网络全覆盖。针对一些特殊的场景，如大型集会，学术报告，演出，迎新现场等，通过安装高密 AP、优化无线信道、禁止弱信号终端接入、最大用户数限制等技术手段，保障了无线网络的正常使用和畅通。

4 结束语

校园无线网络的建成，对学校的教学模式、教学理念及教学管理产生积极的影响，也对在校教职工、学生的工作、学习和生活带来了很大的便利。在可见的未来，无线网络必将突破目前仅作为有线网络补充和延伸的限制，实现移动办公和“无处不在的计算”；在满足日益高涨的应用需求的同时，逐步达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

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