高校无线网络的设计与优化

关健

摘要 针对传统有线网络的不足，结合高校无线网络的需求和特点，分析了WLAN技术，提出合理的实施方案，建设一个方便、可靠、实用的高校无线校园网络。采用有效的安全措施和管理手段保障了高校无线网络的安全，提高了无线网的运维效率，对高校智慧化校园的建设有着积极的意义。

[关键词]高校校园网 无线局域网 网络安全

随着信息技术的飞速发展，智能终端不断普及，高校师生对无线网络的需求日益增长。运营商的GSM和3G移动通信网络实现了无线通信需求，但是网络传输速率较低，且通信费用昂贵。4G和5G无线网络的发展解决了速率的问题，但是无法满足特定用户在特定场合的业务需求。高校的校园网是一个相对独立的网络，拥有自己的教务、科研、学工、OA，财务、一卡通等一系列内部业务系统。运营商的4G和5G无线网络无法访问高校校园网的内部资源。高校成熟的有线网络，能够访问内部资源，但是无法满足移动终端的需求。基于WLAN技术的无线网络，是传统有线网络的延伸，具有网络传输速度快、安装简易、综合成本低、灵活方便、扩展能力强等优点，已经被广泛应用到各个不同的场景，比如：医院，交通，水电厂，以及其他中小企业。基于WLAN技术的无线网络在高校的应用也逐渐普及。它通过与现有的有线校园网互联，不仅能够满足全校师生通过无线方式访问校园网内部资源，而且能够满足用户对无线上网速率的要求。高校无线网络给高校的人才培养、教学科研、管理服务等各个方面带来了机遇与挑战，是高校智慧校园建设中重要的一环，具有十分重要的意义。

本文针对高校无线网络建设的需求，分析了WLAN技术的优缺点，综合考虑技术的可行性，建设一个方便、安全可靠的高校无线网络。

1 无线局域网简介

1.1 WLAN技术

无线局域网络（WLAN）是利用射频技术实现无线方式的通信。无线局域网的发展离不开无线网络体系的标准协议。IEEE802.11标准集允许局域网络使用ISM频段中不必授权的2.4GHz和5GHz射频波段进行无线通信。1997年出现了第一个无线网络的标准IEEE802.11，传输速率只有2Mbps。1999年，IEEE802.11b的出现，采用直接序列扩频技术和补偿编码键控调制方式，将最高传输速率提高到11Mbps，使了无线局域网络得到了真正地推广。IEEE 802.11a采用QFSK调制方式大大提高了传输速率，最高可达54Mbps，但是成本昂贵且无法与802.11b兼容。IEEE 802.11g的出现很好地解决了这个问题，采用OFDM调制技术，传输速率增加到20Mbps以上，同时保持良好的向下兼容性。IEEE 802.11n技术主要对物理层和MAC层的技术进行改进，使无线网络的传输速度猛增至108Mbps以上，同时采用双频工作模式，保持良好的向下兼容性。随着IEEE发布的802.11ac技术，可以使无线访问的理论速率达到1.3Gbps，支持802.11ac的无线产品逐渐取代了支持802.11n的无线产品。新一代的802.11ac Wave2产品采用MU-MIMO技术，使无线网络的传输带宽提高了3-4倍。

1.2 无线局域网络的优缺点

与传统有线网络相比，无线局域网络具有以下优点：只需部署个别接入点AP，就能覆盖一个区域，可以解决某些场所无法铺设有线线缆的问题;同时减少线缆的铺设，节约成本，保持建筑的美观性;可以摆脱线缆的约束，增强移动性和灵活性;可扩展性强，当某一场所的无线用户数量增多时，只需增加AP数量或者更换更高级别的AP，实现无缝升级。与运营商的无线网络相比，无线局域网不仅能够实现访问互联网，而且可以方便访问局域内部的网络资源，具有一定的专属性。无线局域网络也存在着一些缺点，主要是在安全方面更容易受到威胁。传输的信息容易泄露和被非法人员入侵。容易与工作在同频段的其他电子设备产生相互影响和相互干扰。

2 无线校园网的设计与实现

2.1 高校场景的特点

无线网络的部署与实际的场景密切相关。无线网络在高校中的部署涉及的场景多样、复杂，包括办公室、学生宿舍、实验室、教室、图书馆、体育场、会议室等。行政办公室和教师办公室一般人数在10人以下，而且日常办公业务对无线网络的速度要求不高。学生宿舍一般为4-8人一间，房间结构简单统一，上网的高峰时间为中午11：30-14：00和晚上18：00-22：30。小型教室和实验室用于小班教学，容纳的人数在50人以内，对网络速度的要求较高，环境简单空旷。学校的公共区域、体育场等室外场所，环境开阔，应考虑室外其他无线设备和树木的干扰。大型会议室和教室，空间大，經常适用于举办大型活动，容纳的人数可达300人，人员密集，接入密度大，需要传输大量的视频图片，对网络速度的要求较高。图书馆环境复杂，书架对无线信号可能存在干扰。

高校无线网络的覆盖范围广，当无线用户在无线校园网覆盖的范围内进行移动时，用户的移动终端需要从当前连接的AP切换到信号强度更大的AP上，也就是出现无线信号漫游情况。在无线信号漫游过程中，需缩短AP的切换时间，不产生业务中断。

高校无线网络中存在的移动终端多种多样，需提供多种认证方式，包括：802.lx和Web Portal认证。特别是Web Portal认证方式，只需浏览器即可，无需额外安装软件，移动终端基本都可以支持，使用方便。但是Web Portal认证方式需用户反复认证，给用户上网带来一定的不便。为了解决这个问题，需采用无感知认证技术。通过将用户信息与终端MAC进行绑定，当用户首次登陆Web Portal认证成功后，只要用户没有解除绑定，认证服务器会对绑定的终端直接放行，从而达到无感知认证。若被绑定的终端在很长一段时间内（比如一个月）都没有登录无线校园网络，该终端将自动解除绑定，下次登录需要重新认证。

2.2 设备选型

2.2.1 AP选型

针对办公室和学生宿舍采用面板型AP。针对小型教室、实验室采用普通型的放装AP。大型会议室和教室采用高密型的放装AP。室外场所采用具有防水防雷的室外AP。图书馆情况比较复杂，根据现场实际情况选择AP。所选的AP既要能够支持POE接入交换机的供电也要能够支持POE的模块供电;支持在802.11a/b/g/n/ac上工作;支持2.4GHz和5GHz双频工作模式。

2.2.2 控制器AC选型

支持不同SSID采用不同的转发模式，可分区域管理，灵活组网;支持AC和AP间隧道加密，用户接入支持WAPI模式;支持标准802.1x、Web Portal和MAC认证方式。支持基于SSID、AP的Portal页面推送;支持DHCP Relay和DHCP Server;支持WPA安全规范以提高无线局域网的数据安全;可限制用户最大连接数，以防止用户私接和Dos攻击。

2.2.3 POE交换机选型

支持基于端口的、协议的、MAC的VLAN;支持24个100/1000M自适应的RJ45端口，支持标准802.3af协议;4个SFP/SFP+模块插槽，支持1G速度;可通过Console端口进行配置管理;支持SNMP协议。

2.3 无线校园网的拓扑结构

无线校园网建设采用无线控制器AC+ FitAP的组网方式。无线控制器AC旁挂在现有的有线网络的核心交换机上，可以方便对整网的无线AP进行统一配置和管理。旁挂的组网方式使无线网络的部署更为灵活，可将无线AP部署到单独建立的一套无线网络，也可直接将无线AP部署到现有的有线网络中。部署在不同位置的AP通过六类双绞线与POE交换机进行通信，同时POE交换机利用六类双绞线为AP供电。各个POE交换机通过多模光纤汇总到该栋楼的汇聚交换机上。各栋楼的汇聚交换机通过单模光纤汇总至无线控制器侧的核心交换。这样，无线AP接入POE交换机将无线数据转发，经过上联的汇聚交换机，汇总至核心交换机最终由无线控制器AC对其数据进行处理。校园网无线网络拓扑如图1所示。

3 无线网络性能测试和优化

无线校园网络建设完，需要对其进行一系列的性能测试。无线信号覆盖强度是无线局域网性能的一项重要指标。可在具有无线网卡的笔记本电脑上运行专用测试软件“WirelessMon”，对无线信号覆盖强度进行测试。无线信号覆盖强度的指标要求为：95%以上的区域的信号强度应大于-80dBm。信噪比是无线网络中信号和噪声的比例，可在具有无线网卡的笔记本电脑上运行专用测试软件“NetWorkStumbler”对信噪比进行测试。信噪比的指标要求为：95%以上的区域中，用户接收到的信噪比应大于20dBm。

为了保障无线校园网络满足性能要求，需对无线网络进行优化。为避免无线AP信道之间的互相干扰，高校无线校园网需对所有部署的AP信道进行统一科学的规划，采用蜂窝覆盖和信道间隔的原则，任意相邻的蜂窝使用交叉的信道。适当调整AP的发射功率，降低AP间的可见性，避免跨区域的同频干扰。网络IP规划时，合理规划VLAN，避免大量的广播/组播报文产生的影响。启用无线业务二层隔离功能，使无线客户端的广播/组播报文只会向有线网络发送，而不会向其他无线客户端发送，从而减少空口信道的报文流量。

4 安全与管理

高校的无线网络给全校师生带来方便的同时，也带来了安全和管理的难题。无线网络上的信息通过无线电波在公共开放的空间中进行传播，容易遭受窃听和攻击，给整个校园网构成安全威胁。为了确保安全通信，高校的无线网络必须采取可靠的安全技术。通过用户身份认证和基于用户身份的策略有效提高校园网的安全性。教职工和学生分别通过工号密码和学号密码登录无线网。教职工和学生不仅可以访问互联网，而且可以访问校内的资源。校外人员通过关注学校的官方微信公众号以访客身份登录无线网。校外人员只能访问互联网，但不能访问校内的资源。采用WEP和WPA加密技术保障数据在无线交换过程中的安全性。采用无线入侵检测系统对非法的入侵、Dos攻击和其他802.11攻击进行主动发现并发出预警，及时通知技术人员采取措施。利用无线管理软件通过标准的SNMP协议对无线网络中的AC、汇聚交换机、POE交换机以及AP进行管理，方便技术人员快速定位无线网络中的故障，提高维护效率。在加强对高校无线网络监管的同时，需要积极培养全校师生的网络安全意识。普及信息安全常识，让全校师生明白保障校园网安全是每个上网用户的责任。

5 结论

本文介绍了无线局域网的技术以及优缺点，结合高校校园网的特点，研究了无线局域网技术在高校校园网中的应用。通过技术可行性分析，提出合理的实施方案，建设一个方便、可靠、实用的高校无线校园网络。采用有效的安全措施和管理手段保障了高校无线网络的安全，提高了无线网的运维效率，对高校智慧化校园的建设有着积极的意义。如何挖掘和利用无线网络产生的海量数据逐渐成为人们研究的对象，也将是笔者今后继续研究的方向。

参考文献

[1]郭幽燕，韩向非，孙毅，陈洁，蒋琳，王辅国，无线局域网在医院中的构建与应用[J].计算机工程与设计，2009， 30（18）： 4158-4160.

[2]宫卫南，旅客列车无线局域网覆盖设计研究[J].通讯世界，2017 （14）：36- 37.

[3]陈鹏宇，无线局域网技术在地铁轨道交通建设中的应用[J]，铁路通信信号工程技术，2017，14 （01）：58-60.

[4]冯肖荣，无线局域网技术在智能水电厂建设中运用研究[J].水电站机电技术，2018，41（02）：22-24.

[5]宋海宏，中小企业无线局域网应用分析[J].建材技术与应用，2017 （05）： 39-41.

[6]钟文基，高校校园网无线网络设计分析[J].无线互联科技，2017 （19）： 39-40.

[7]鄭化浦.高校无线校园网方案设计与实现[D].郑州大学，2016.

[8]陈文飞，基于WLAN的地方高校无线校园网设计与实现[J].网络安全技术与应用，2017 （08）：108-110.