戴 月,魏光杏
(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 滁州 239000)
基于WMN技術(shù)的校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
——以滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例
戴 月,魏光杏
(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 滁州 239000)
從滿足校園對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求出發(fā),介紹了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)概念,分析了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在校園的應(yīng)用。通過(guò)與其他網(wǎng)絡(luò)的比較總結(jié)其優(yōu)點(diǎn),并結(jié)合校園的環(huán)境,提出了校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)和方案設(shè)計(jì)原則,給出了校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
WMN;校園網(wǎng);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò),或WMN/wireless mesh network)脫胎于海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期美國(guó)的軍事領(lǐng)域,也稱(chēng)為“多跳(multi-hop)”網(wǎng)絡(luò),是一種與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)中,每個(gè)客戶(hù)端均通過(guò)一條與AP(固定的接入點(diǎn))相連的無(wú)線鏈路來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò),用戶(hù)如果要進(jìn)行相互通信的話,必須首先訪問(wèn)一個(gè)AP,這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為單跳網(wǎng)絡(luò)。這樣的話,即使兩個(gè)的節(jié)點(diǎn)實(shí)際上就是互相挨著,它們也必須通過(guò)AP才能進(jìn)行通信。而在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中,任何無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信?!癕esh”這個(gè)詞原來(lái)的意思就是指所有的節(jié)點(diǎn)都互相連接,當(dāng)然實(shí)際上絕大多數(shù)Mesh網(wǎng)絡(luò)只是通過(guò)部分節(jié)點(diǎn)相互連接。
2004年底,澳大利亞Edith Cowan大學(xué)與北電合作部署了澳大利亞境內(nèi)的第一個(gè)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)際情況表明無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)具有良好的無(wú)縫移動(dòng)性和安全性,以及廣泛的覆蓋。Edith Cowan大學(xué)的學(xué)生們通過(guò)筆記本電腦,就可以在校園內(nèi)的任何地點(diǎn)隨時(shí)隨地登錄互聯(lián)網(wǎng),同教師和同學(xué)保持通信,提交作業(yè),進(jìn)行VoIP語(yǔ)音討論。此外,阿肯瑟(Arkansas)大學(xué)、韓國(guó)Seo Won大學(xué),以及臺(tái)灣大學(xué)等世界一流大學(xué)都部署了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。
很多國(guó)內(nèi)高校為順應(yīng)教育信息化的發(fā)展趨勢(shì),也用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)建設(shè)自己的無(wú)線校園。2005年9月,廣東暨南大學(xué)在其位于廣州的主校園部署中國(guó)首個(gè)校園無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)為校園創(chuàng)建一個(gè)“熱區(qū)”,提供安全、無(wú)縫覆蓋整個(gè)校園的互聯(lián)網(wǎng)和校園網(wǎng)的寬帶無(wú)線接入。中央民族大學(xué)在2006年提出了“無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)校園計(jì)劃”,目的是對(duì)整個(gè)校區(qū)進(jìn)行無(wú)線覆蓋,實(shí)現(xiàn)校區(qū)內(nèi)隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。室內(nèi)全無(wú)線覆蓋項(xiàng)目作為此項(xiàng)計(jì)劃的一期工程,首先實(shí)現(xiàn)了對(duì)文科大樓的無(wú)線覆蓋。經(jīng)過(guò)使用,無(wú)論是速度和安全性方面都能完全滿足文科樓的教學(xué)科研需要。速度方面,在文科樓各位置的TCP測(cè)試速率最低都能達(dá)到10Mbps。此外,廈門(mén)大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等都部署了無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)。
無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的相比較,各有自己的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合[1]。
3G網(wǎng)絡(luò),是指使用支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)的線路和設(shè)備鋪設(shè)而成的通信網(wǎng)絡(luò)。3G網(wǎng)絡(luò)將無(wú)線通信與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信手段相結(jié)合,是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。與3G網(wǎng)絡(luò)比較,WMN具有移動(dòng)、寬帶的特性,與3G提供的業(yè)務(wù)有些相近,而WMN先于3G進(jìn)行市場(chǎng),同時(shí)它具有很強(qiáng)的兼容性,可以解決3G未端接入的問(wèn)題。在“移動(dòng)走向IP”和“IP走向移動(dòng)”是通信發(fā)展的趨勢(shì)下,將來(lái)與WMN的結(jié)合存在很大的可能性。
WLAN即無(wú)線局域網(wǎng),是應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)將計(jì)算機(jī)設(shè)備互聯(lián)起來(lái),構(gòu)成可以互相通信和實(shí)現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。它的主流標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11x系列標(biāo)準(zhǔn),也可以稱(chēng)為Wi-Fi技術(shù)。此標(biāo)準(zhǔn)主要包括 IEEE802.11b、IEEE802.11a和 IEEE802.11g。Wi-Fi的價(jià)格便宜,經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展,已經(jīng)比較成熟。主要應(yīng)用場(chǎng)合是人群聚集的地點(diǎn)或樓宇內(nèi)發(fā)展,像咖啡店、酒店、機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳、寫(xiě)字樓等地為用戶(hù)接入互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)。
WMN對(duì)于傳統(tǒng)的單跳Wi-Fi,在組網(wǎng)方式,傳輸距離以及移動(dòng)性上都有很大的進(jìn)步,具有三點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì):強(qiáng)壯性、高帶寬和高利用率。WMN將有比Wi-Fi更為廣泛的應(yīng)用范圍,更重要的是WMN兼容Wi-Fi的特性,擴(kuò)展Wi-Fi應(yīng)用上提供很大幫助。同時(shí),Wi-Fi終端目的普及應(yīng)用又會(huì)為WMN的迅速推廣帶來(lái)好處。Wi-Fi和WMN之間可以相互補(bǔ)充、相互融合。
WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互聯(lián)接入。WiMAX也叫802.16無(wú)線城域網(wǎng)。WiMAX是一項(xiàng)寬帶無(wú)線接入技術(shù),能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接,數(shù)據(jù)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km。WiMAX還具有QoS保障、傳輸速率高、業(yè)務(wù)豐富多樣等優(yōu)點(diǎn)。
WMN與WiMAX并不是相互對(duì)立的技術(shù)。WMN不但可以與Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合形成Wi-Fi MESH,也是可以與WiMAX相互補(bǔ)充,共同組成WMAN的。在基于802.16e標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)WiMAX成熟之后,可以用WiMAX替代Wi-Fi進(jìn)行無(wú)線覆蓋,使WMN組網(wǎng)的方式就更加靈活了。同時(shí),在WiMAX系統(tǒng)中使用了WMN技術(shù),也可以在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期降低WiMAX網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本,推動(dòng)WiMAX用戶(hù)的普及。所以這兩種技術(shù)會(huì)共存互利,互補(bǔ)大于競(jìng)爭(zhēng)。
MANET為Mobile Ad hoc network的簡(jiǎn)稱(chēng),Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò),分為固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)兩種。MANET特指節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。比如有N個(gè)筆記本電腦通過(guò)802.11的Ad hoc模式自己組網(wǎng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),如果筆記本的使用者不移動(dòng)的話,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚筒粫?huì)改變,路由等也就是固定的。但是如果每個(gè)出租車(chē)上都配置一個(gè)無(wú)線網(wǎng)卡,全部出租車(chē)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),則拓?fù)涫遣粩嘧兓模酚傻纫沧兊脧?fù)雜。
WMN與MANET均是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)中心基站的無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)。WMN在把MANET技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)又使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到其他網(wǎng)絡(luò)。從一定程度上可以將WMN看成MANET的一種特例,但是正由于這種特例,也使得它們的網(wǎng)絡(luò)特征不同,應(yīng)用定位不同。
無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)繼承了MANET自組織的優(yōu)點(diǎn),并且還具有高帶寬、低成本、可靠、可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)狀路由器屬于固定設(shè)備,部署后不輕易移動(dòng),所以其成本相對(duì)支持移動(dòng)MANET的網(wǎng)卡低廉,無(wú)線傳輸?shù)膸捄途嚯x成反比,因此增加低成本的無(wú)線網(wǎng)狀路由器可以有效增加傳輸帶寬。其次,由于無(wú)線網(wǎng)狀路由器之間是網(wǎng)狀的連接,因此一條鏈路的失效并不影響傳輸,這樣的網(wǎng)絡(luò)具有高度的可靠性。再次,由于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)繼承了移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的自管理特點(diǎn),擴(kuò)充的無(wú)線路由器能夠進(jìn)行自配置,因此具有高度的可擴(kuò)展性。最后,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)滿足了任何民用設(shè)施都不可缺少的Internet接入需求,比起MANET更為實(shí)用。
WMN由客戶(hù)節(jié)點(diǎn)、Mesh路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。通常Mesh客戶(hù)節(jié)點(diǎn)可以是筆記本電腦、PDA、Wi-Fi手機(jī)、RFID閱讀器和無(wú)線傳感器或控制器等;Mesh路由器可以是普通的PC,也可以是專(zhuān)門(mén)的嵌入式系統(tǒng),如ARM(Advanced Risc Machines)等。若按WMN的結(jié)構(gòu)層次,網(wǎng)絡(luò)可分為平面結(jié)構(gòu)、多級(jí)結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)[2]。
平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有的節(jié)點(diǎn)為對(duì)等結(jié)構(gòu),具有完全一致的特性,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議,既具有客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)的功能,也具有能夠轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的路由器節(jié)點(diǎn)的功能。這是一種任意網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)動(dòng)態(tài)變化。本質(zhì)上是一種Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式,它可以在沒(méi)有或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通訊支撐環(huán)境。這種結(jié)構(gòu)適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少且不需要接入到核心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合。
多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為上層和下層兩個(gè)部分。在這種結(jié)構(gòu)中,終端節(jié)點(diǎn)可以是普通的VoIP手機(jī)、筆記本電腦和無(wú)線PDA等。這些終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)Mesh路由器接入到上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通。這樣的結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)建設(shè)成本,也提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性。
混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為以上兩種結(jié)構(gòu)的混合。在這種結(jié)構(gòu)中,終端節(jié)點(diǎn)增加了具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能的Mesh設(shè)備,設(shè)備之間可以以Ad hoc方式互聯(lián),直接通信。一般來(lái)說(shuō),終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要同時(shí)能夠支持接入上層網(wǎng)絡(luò)Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)對(duì)等節(jié)點(diǎn)的功能。
混合結(jié)構(gòu)WMN如圖1所示,Mesh客戶(hù)端可以通過(guò)Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)提供了與其他網(wǎng)絡(luò)的互連功能,如因特網(wǎng)、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),客戶(hù)端的路由能力增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的連通性,擴(kuò)大了覆蓋范圍。這時(shí)的終端節(jié)點(diǎn)已不是現(xiàn)有的僅支持單一無(wú)線接入技術(shù)的設(shè)備,而是增加了具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能的Mesh設(shè)備,設(shè)備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備具備同時(shí)支持接入上層網(wǎng)絡(luò)Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)對(duì)等節(jié)點(diǎn)的功能[3]。
圖1 混合結(jié)構(gòu)WMN
滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)線網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)為:
(一)實(shí)現(xiàn)校區(qū)內(nèi)主要教學(xué)、試驗(yàn)和辦公場(chǎng)所室內(nèi)的無(wú)線覆蓋;
(二)實(shí)現(xiàn)室外所有活動(dòng)區(qū)域的無(wú)線信號(hào)覆蓋;
(三)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)備間無(wú)線互聯(lián);
(四)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫聯(lián)接;
(五)實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端安全接入;
(六)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中管理。
方案設(shè)計(jì)原則遵循可靠性、兼容性、可擴(kuò)展性、可管理性、可維護(hù)性和安全性等要求。
為了使WMN具備良好的可擴(kuò)展性、容錯(cuò)性、自調(diào)節(jié)能力,大的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量,需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置和部署進(jìn)行研究。
首先,需要對(duì)移動(dòng)性較弱,組成骨干網(wǎng)的Mesh路由器的部署位置進(jìn)行規(guī)劃,一方面在保證不出現(xiàn)無(wú)線信號(hào)覆蓋盲區(qū)的前提下,需要的Mesh路由器需要量盡可能地低以降低成本;另一方面,在熱點(diǎn)區(qū)域,提供多條路徑以增加用戶(hù)接入數(shù)??梢越Y(jié)合多入多出(MIMO)和方向性天線技術(shù)等來(lái)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。
Mesh路由器能提供各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù),因此,如何分配Mesh路由器的多個(gè)無(wú)線接口以保證各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的連通性,是WMN應(yīng)該解決的問(wèn)題。此外,在WMN中,采用多信道的方法可以用來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,但在無(wú)線多跳的環(huán)境下,多信道的通信方式也面臨更多的亟待解決的問(wèn)題。
滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽M采用廈門(mén)大學(xué)海韻校區(qū)無(wú)線Mesh組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
(一)采用Azalea金梭MSR2000無(wú)線路由器。
(二)Backhaul采用5.8G頻段,天線采用定向天線,避免相互之間的干擾。
(三)Access采用2.4G頻段,為了減小各個(gè)站點(diǎn)之間的相互干擾,所有站點(diǎn)均采用定向扇區(qū)天線覆蓋。
該方案采用了兩個(gè)有線接入點(diǎn)接入校園有線網(wǎng)絡(luò),其他各點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路網(wǎng)狀互聯(lián),充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、冗余能力、自愈能力,方案設(shè)計(jì)具有前瞻性,能夠滿足將來(lái)網(wǎng)絡(luò)向更高性能擴(kuò)展的能力,在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和帶寬的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)線鏈路冗余。
通過(guò)搭建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),能夠?yàn)閷W(xué)院的師生提供無(wú)線上網(wǎng)、無(wú)線視頻監(jiān)控、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、Wi-Fi語(yǔ)音等多種業(yè)務(wù)。師生可以隨時(shí)隨地通過(guò)筆記本電腦、PDA等各種無(wú)線終端連入校園網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng),更為方便、高效地共享信息資源。不僅教學(xué)手段和課余生活能得到極大的豐富,而且教學(xué)、科研和管理的水平也能得到相當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>
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TP316.8 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
A
1671-5993(2011)04-0056-04
2011-10-12
戴 月(1974-),男,漢族,安徽滁州人,碩士,滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系講師,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。