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關于無線校園網絡構建與應用
論文摘要:隨著無線網絡技術的發展與校園信息化水平的提高,基于WLAN的無線校園網絡構建技術已成趨勢,成為有線校園網網絡延伸的重要手段之一。該文對無線局域網的優點和有線校園網中存在問題進行研究分析,提出校園網中使用無線局域網的必要性,探討無線局域網在校園網建設中的解決方案。
論文關鍵詞:無線局域網;校園網;IEEE802.11;AP;子網設計
隨著網絡應用日益豐富,傳統局域網絡已經不能滿足師生對移動網絡的要求,無線局域網作為有線網絡的補充手段,被更多的師生所認同和接受。眾多師生開始在無線局域網中開展各種應用業務,教學、科研、、生活正在悄悄地改變。雖然如今無線局域網還不能完全脫離有線網絡,但近年來,隨著無線局域網技術業趨向成熟,無線局域網與有線網絡的無縫連接,無線局域網正在以它的較高傳輸能力和很好的靈活性在高校各項應用中發揮日益重要的作用。
1 無線局域網基礎知識與架構
1.1 無線局域網
無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)是指以無線信道作為傳輸媒介的局域網絡,是與無線技術相結合的產物,它以無線多址信道作為傳輸媒介,提供傳統有線局域網的功能,能夠使用戶真正實現隨時、隨地、隨意的寬帶網絡接入。
1.2 無線局域網的技術標準
無線局域網是利用射頻技術實現無線通信的局域網絡。該技術產生于20世紀80年代,WLAN主要是作為傳統布線LAN的延展和替代,它能支持較高數據速率(1～300Mbit/s)、采用微蜂窩、微微蜂窩結構的,自主管理的計算機局部網絡。還可以采用無線電或紅外線作為傳輸媒質,采用擴展頻譜技術,移動的終端可通過無線接人點來實現對Internet的訪問。無線局域網有以下常用標準:
1)IEEE802.11b
802.11b(通常又稱Wireless Fidelity,WI-FI),是現在最普及的無線標準之一。設備工作在2.4GHz的范圍內,帶寬可以達到11Mbps。
2)IEEE802.11a
802.11a標準是一個獲得正式批準的無線以太網標準。它工作在5GHz頻段上,使用正交頻分復用技術,將5GHz分為多個重疊的頻率,在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸,以減少信道之間的相互干擾,使帶寬可以達到54Mbps。
3)IEEE802.11g
802.11g是一種混合標準,能向下兼容傳統的802.11b標準。IEEE802.11g的54Mbps高數據吞吐量比802.11b快出5倍,將改善已有的應用性能,使高帶寬數據應用成為可能。802.11g的產品可以在同一個網絡中與802.11b產品結合使用。
4)IEEE802.11n
IEEE802.11n將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上,最高速率可達320Mbps。與以往的802.11標準不同,802.11n協議為雙頻工作模式(包含2.4GHz和5GHz兩個工作頻段)。這樣11n保障了以往的802.11a、b、g標準兼容。另外,天線技術及傳輸技術使無線局域網的傳輸距離大大增加,可以達到幾公里(并且能夠保障100Mbps的傳輸速度)。
2 校園無線網絡應用與優勢
無線局域網以其靈活布設、高帶寬和無線接人的優勢,可以突破有線網絡節點限制、實現多人同時上網的問題,大大地增加了校園網絡信息點,方便在校師生獲取信息,進一步提升學校的信息化水平。
2.1 無線局域網的優點
1) 安裝維護方便無線局域網的安裝簡單,無需破墻、掘地、穿線架管,這樣避免對物及周邊影響,減少網絡布線工作量,一般只要安裝一個或多個接入點AP設備,就可建成覆蓋整個建筑或地區的局域網絡。一旦發生事故,不必尋找損壞路線,只要檢查信號發送端與接收端的信號是否正常即可。
2) 易于擴展
無線局域網技術有對等模式、中心模式、中繼組網模式等多種配置方式,能夠根據需要靈活選擇。
3) 節約
由于有線網絡缺少靈活性,這就要求網絡規劃者盡可能地考慮未來發展的需要,這就往往導致預設大量利用律較低的信息點。而一旦網絡的發展超出了設計規劃,又要花費較多費用進行網絡改造。而無線局域網可以避免或減少以上情況的發生。
4) 使用靈活在有線網絡中,網絡設備的安放位置受網絡信息點位置的限制。而一旦無線局域網建成后,在無線網的信號覆蓋區域內任何一個位置都可以接入網絡。
5) 傳輸速率高
無線局域網技術能夠提供高速數據帶寬,其中IEEE802.11g能提供的數據傳輸速率現在已經能夠達到54Mbit/s。可以滿足用戶上網的實際需要。
2.2 無線校園網的網絡應用
1)網絡課堂教學�？梢酝ㄟ^無線網絡進行教學,拓展了知識空間。
2)移動教學。上課不用再聚集于教室,打破了空間的限制,拓展了地域空間。
3)隨時互動輔導。師生不必在課堂上直接對話,拓展了教學空間。
4)科研與教學。校園師生可以隨時、隨地地從網上獲取學術信息,獲取無限的網絡資源。
5)無線多媒體業務。無線活動教室;虛擬現實的學習;無線視頻監控;校園語音電話及網上視頻點播。
3 校園無線網絡的規劃與設計
3.1 網絡需求分析
本文所討論的無線校園網的規劃是以江陰職業技術學院為對象,本學院地處江陰市南郊,占地500畝。校園內共有大小27幢,師生員工9000余人,環境簡單,考慮滿足以下幾個方面的需求:
1)建設一個滿足教學和工作需要的安全可靠的無線校園網絡;
2)無線與有線的統一:高校網絡一般已經建設了有線網絡,無線網絡建設必須在原有的有線網絡上進行,并實現網絡互聯、認證計費、安全防御等方面與有線網絡進行良好的兼容和互補。這就要求校園有線網絡的架構不需要任何改變,只需用原有的網管、認證、計費系統就可以對無線網絡進行和統一認證。
3)所有教學樓及實訓實驗大樓:各層走廊和教室均要求信號覆蓋;所有學生宿舍樓:鑒于各宿舍都有有線接通,盡量覆蓋各宿舍(不做要求);籃球場及足球場:信號要求完全覆蓋;室內體育館:信號要求完全覆蓋;各建筑周圍的草坪和場所:信號要求完全覆蓋;樓:要求信號完全覆蓋;學生食堂:要求信號完全覆蓋;教師宿舍樓:要求信號完全覆蓋;要求能提供1000并發用戶能力;
4)各信號輸出點信號強度10-15dbm;將按照2.4G工作頻段2.412～2.462GHz(FCC)分為channel1、channel6、channel11三個完全不干擾頻段設計;要求室內容許最大覆蓋距離為35—100米,室外容許最大距離100—400米。
5)校園無線網絡在支持數據轉發的同時支持數據、語音等多種業務,網絡應該具有其它智能業務擴展的能力,滿足學院的多功能發展需求;
6)現在建設高校無線網絡,除了要考慮對現有IPv4網絡終端的無線接入,還要支持高性能的IPv6的用戶接入,以適應網絡發展趨勢,并保護網絡。
3.2 無線校園網的設計
3.2.1 校園無線網絡拓撲結構設計
對于局部無線網絡,主要采用的是以AP或者無線交換機等為中心結點的星型結構,其目的是為了滿足多用戶的需求。而如果建設全局無線校園網,可將網絡劃分為核心層、分布層、接入層進行設計,在整體上一般采用以樹型和星型混合的拓撲結構。
3.2.2 校園無線網絡結構設計
本校已經建成了“千兆主干,百兆交換到桌面”,信息點覆蓋教學、辦公、圖書和實驗等大樓主要部分的校園網,在目前的校園網環境下,借助于輕型AP模式架構,可以在現有校園有線網絡的基礎上建立獨立的無線網絡。
通常模式下所有無線數據及控制流量均交由無線控制器來處理,所以我們采用現有校園網的交換機/路由器組成集中控制管理的“覆蓋式”(Overlay)無線網絡設計,如圖1所示。
修改現有校園網交換機的VLAN參數設置、路由設置,使得AP盡量不與一般有線網絡設備混合在同一個VLAN中,避免有線設備的異常流量阻斷AP和無線控制器之間的通訊;將連接在同一交換機端口下的所有AP放置在一個受保護的VLAN中,設計時統一分配給這些AP靜態IP地址,以便于管理;采用核心交換機搭配無線控制模塊的方式,進一步減小AP和無線控制器的AP-Manager之間端到端環回延遲,保證AP能夠順利連接在現有的校園網接入交換機上。
3.2.3 無線校園網的構建方法
校園無線網絡構建的兩種方法。第一,閥值法。通過調整AP的閥值設置,控制AP接入覆蓋范圍,從而在相同覆蓋面積條件下,通過增加AP數量,提高系統容量。第二種,頻率復用。學校人群主要由人員、教師、科研人員和大量學生構成,以上人群工作和學習生活分布在以下區域:、教學樓、辦公樓、實驗研究樓、學生宿舍、運動場以及各類休閑場地(草坪廣場等)。
因此,在同一覆蓋范圍內的多個AP利用802.11g規定的13個可用信道中相互干擾最小信道1、6、11三個信道進行設計,客戶端無線網卡根據各AP信號強度,選擇不同信道工作,從而提高系統容量。
3.2.4 室內網絡組建
室內的范圍主要包括所有的教室、實驗室、辦公室等,在這些場合中主要需要解決兩大問題,即AP的覆蓋范圍和AP的容量問題。由于AP是通過微波來進行數據傳輸的,室內要考慮的首要問題就是信號覆蓋的問題。由于辦公室、教室、實驗室被各種墻面分割,這對信號的衰減影響很大,因此在室內構建無線局域網時必須對物的信號強度進行詳細測試。在合理地分析各個AP的容量與覆蓋面后,還需考慮信號衰減因素,適當地增加AP個數來減少數據盲區。室內組建簡圖見圖2。
兩個AP的放置要保證AP覆蓋區域無間隙并且AP重疊區域最小。相鄰AP工作在不同頻道,以1、6、11三個頻道實現全方位的覆蓋。根據經驗值,當相鄰AP設定相同頻點時,要求間隔25米以上;當相鄰AP設定相鄰頻點時,要求AP間隔16米以上;當AP設定相隔頻點時,要求間隔12米以上。
對于房間多、用戶數量不多但分布較分散的樓宇,如教學樓等,用戶主要為學生、教師,因此應用肯定會比較頻繁,由于樓長、墻體結構厚、房間多等特點,所以在該下覆蓋AP安裝在樓道內,通過內置天線覆蓋樓道兩側房間,微波通過房間的門窗傳輸到室內,實現了比較細膩的覆蓋環境,AP通過有線接入到樓層交換機。
3.2.5 室外無線網絡組建
室外設備的AP使用數量基本也遵循室內的條件,但室外AP的放置和設計又有它自己的特點。由于室外環境的特殊性和不確定性,我們放置的設備必須是在密封盒內的,天線布置應該增加避雷器防止雷擊,不提供本地供電的場所選用遠程供電設備。我們通過室外無線接入點外接增益天線的方式覆蓋室外區域,體現覆蓋范圍最大化的覆蓋原則來保證無線用戶需求。
從整體上對學院室外部分進行規劃,通過室外建設WLAN射頻基站對室外和室內用戶進行無線覆蓋。室外射頻基站由室外型AP、外接天線(全向、扇區)以及配套避雷設備組成。根據復雜的室外建筑結構,外接天線的選擇更加尤為重要。選擇天線型號時應根據現場環境考慮增益、水平波束寬度、垂直波束寬度、極化方式、視覺效果(尺寸、外形、重量)等因素。
學校體育場、足球場、教學樓宇間區域等,一般是學校需要實現無線覆蓋的室外公共區域。根據需覆蓋的室外區域的實際情況,可以設計建立多個無線覆蓋基站,采用重疊交叉無線覆蓋的方式,完成區域的無縫無線覆蓋。選用室外型無線路由器,在空曠地方,信號傳輸距可以達到300M~600M左右,視空間大小可以使用多個,或者使用室外無線AP,配合室外大夾角定向天線,成功實現系統設計目標。簡單設計如圖3所示。
4 無線校園網的網絡安全設計
當一個無線局域網組建成功后,用戶最關心的是無線局域網的安全問題。為了保證網絡安全,我們可以從以下幾個方面考慮:
1)用戶接入認證控制:原有線校園網絡已經部署了用戶認證系統,建成后的無線網絡必須完全融合進該認證系統中。
2)基于用戶的訪問策略:不同的用戶可能有不同的上網行為,包括HTTP、FTP、語音等,針對不同的應用,應加以配置不同的行為控制權限,保障不同用戶的網絡互訪的安全性。
3)受保護的無線數據傳輸:無線網絡安全事件往往會發生在數據傳輸階段。因此,建成的無線網絡必須能夠滿足合法的無線用戶與無線接入點數據傳輸的安全性,以及無線接入點與上行網絡之間數據傳輸的安全性。
5 結束語
校園網絡已經成為一種不可代替的獲得資源的重要手段。在校園網各區域分別布設無線局域網絡以后,教師和學生就可以在這些區域漫游使用,大大增強網絡覆蓋能力,更好地為教學服務,對整合資源,改變教學模式,提高學校的信息化水平有著巨大的作用,為實現數字化校園建設打好基礎。
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