計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗中的無線組網(wǎng)方式研究與探索

劉進(jìn) 王宗武 樊克利 孫翠娟

摘要：針對傳統(tǒng)計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容局限于有線網(wǎng)絡(luò)的問題，以加深學(xué)生對無線技術(shù)基礎(chǔ)理論知識的理解，提高學(xué)生對無線網(wǎng)絡(luò)管理與測試能力為目標(biāo)，實踐探索出計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、無線網(wǎng)絡(luò)的管理與測試實驗教學(xué)內(nèi)容，擬在為計算機(jī)專業(yè)實驗課教師有效開展無線組網(wǎng)實驗教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞： 計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò); 無線技術(shù); 組網(wǎng)方式;無線網(wǎng)絡(luò)管理與測試

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0063-02

無線局域網(wǎng)（WLAN）是無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過無線信道來實現(xiàn)移動化、個性化和寬帶化的無線通信。眾所周知，有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)成本較高，在穿墻鑿壁、空中飛線等應(yīng)用場景中布線難度大，而且存在光纖成本高、雙絞線遠(yuǎn)距離信號較弱、復(fù)雜布線影響市容形象等眾多問題。無線網(wǎng)絡(luò)具有安裝快速簡單、設(shè)備安裝和位置調(diào)整靈活、通信范圍不受環(huán)境條件的限制、網(wǎng)絡(luò)布線等綜合成本低的顯著優(yōu)勢，有效解決了有線網(wǎng)絡(luò)中遇到的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)成本高、布線數(shù)量劇增及布線難度大等問題，使網(wǎng)絡(luò)用戶任意對有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展和延伸[1]，將是未來發(fā)展的必然。

隨著無線技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐漸推廣，僅局限于有線網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容顯然已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前本科生實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的需要，急需為學(xué)生開設(shè)無線局域網(wǎng)組建、管理與測試有關(guān)的實驗[2-5]。在此背景下，筆者在計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)中引入無線組網(wǎng)的實驗內(nèi)容，嘗試實踐了加深學(xué)生對無線技術(shù)基礎(chǔ)理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生對無線網(wǎng)絡(luò)管理與測試能力的達(dá)成。

論文結(jié)構(gòu)主要分為以下幾部分：第一部分，旨在加深學(xué)生對無線技術(shù)基礎(chǔ)知識理論的理解;第二部分，旨在讓學(xué)生了解目前主流的無線組網(wǎng)架構(gòu);第三部分，擬為學(xué)生教授無線網(wǎng)絡(luò)配置和管理的基本操作;第四部分，指導(dǎo)學(xué)生掌握基本的無線網(wǎng)絡(luò)測試手段，驗證網(wǎng)絡(luò)配置的正確性，并進(jìn)一步加深對無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論知識的理解和認(rèn)識。

1 無線技術(shù)基礎(chǔ)理論知識

1.1了解無線理論知識

通信技術(shù)可以分為有線通信和無線通信兩大類。通信雙方如果借助電纜、網(wǎng)線、光纖等有線介質(zhì)傳播數(shù)據(jù)使用的就是有線通信技術(shù);如果借助電磁波在空氣中傳播數(shù)據(jù)，利用的就是無線通信技術(shù)。在有線介質(zhì)上傳播信息，傳輸數(shù)據(jù)速率很高，以光纖為例，單條光纖最大速度可以達(dá)到26Tbps，而目前主流的4G LTE無線通信理論速率只有 150Mbps。因此，信息數(shù)據(jù)在空中通過電磁波傳播部分才是移動通信的瓶頸所在。所以，現(xiàn)在人們所說的5G移動通信，就是要實現(xiàn)無線終端設(shè)備端到端的高速率信息數(shù)據(jù)傳輸，重點(diǎn)則是要突破信息數(shù)據(jù)在無線傳輸部分的瓶頸 。

無線技術(shù)的基本原理可以用光速等于波長乘以頻率這么一個簡單的物理學(xué)公式進(jìn)行描述，早期的1G、2G、3G通信技術(shù)，以及現(xiàn)在主流的4G甚至于5G移動通信技術(shù)，都是基于這個公式開展研究。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，電波使用的頻率是越來越高，能夠使用的頻率資源越豐富，傳輸速率也就越高。目前全球主流的 4G LTE 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，屬于特高頻和超高頻（0.3GHz～30GHz），而5G移動通信目前國際上主要使用 28GHz 進(jìn)行試驗，利用光速和通信頻率可以計算出5G移動通信使用的電磁波波長約為10.7mm，因此 5G技術(shù)的一個顯著特點(diǎn)就是使用毫米波進(jìn)行通信。

1.2了解IEEE 802.11系列無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以IEEE 802.11系列為主[6]。它是IEEE國際電氣和電子工程師協(xié)會制定的一個通用無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。目前電子產(chǎn)品中最常見的標(biāo)準(zhǔn)是802.11n/b/g，802.11a，802.11ac等標(biāo)準(zhǔn)。區(qū)別這些802.11標(biāo)準(zhǔn)重要參考指標(biāo)就是工作頻段，比如802.11n/b/g主要的工作頻段就是2.4GHz，而802.11a/ac工作的主要頻段就是5GHz。目前幾乎所有的無線設(shè)備都支持802.11n標(biāo)準(zhǔn)，也就是支持2.4GHz的工作頻段的連接。而如果使用的無線終端設(shè)備如手機(jī)、平板等或者無線路由設(shè)備支持802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，就可以判定它支持5GHz頻段連接。

2 無線組網(wǎng)方式

目前主流的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式采用無線瘦AP（access point，無線接入點(diǎn)或者無線訪問節(jié)點(diǎn)）的方式，即AC（access control，接入控制器）來統(tǒng)一管理AP的方式進(jìn)行組建。其中，AP主要提供無線工作站對有線局域網(wǎng)和從有線局域網(wǎng)對無線工作站的訪問，是無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間溝通的橋梁，也是組建無線網(wǎng)絡(luò)的核心;AC是無線接入的控制服務(wù)器，負(fù)責(zé)把來自不同AP的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚并接入Internet，同時完成AP設(shè)備的配置管理，如無線用戶的認(rèn)證、管理及寬帶訪問、安全控制等控制功能。當(dāng)AP數(shù)量增加時，就可以接入無線AC從而形成一個大型的集中管理系統(tǒng)。

目前在高校實驗室現(xiàn)有條件下開展無線網(wǎng)絡(luò)實驗，可以嘗試采用以下三種方式：一是采用虛擬仿真的實驗形式[7-8]，即采用思科的Cisco Packet Tracer 或者華為的eNSP仿真軟件開展無線網(wǎng)絡(luò)仿真實驗，優(yōu)點(diǎn)是投入成本低，缺點(diǎn)是學(xué)生無法操作實際的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，實驗過程也不夠直觀;二是采用無線控制器AC和無線接入點(diǎn)AP設(shè)備構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但是考慮到學(xué)生數(shù)量較多，如果每個學(xué)生都能實際操作無線控制器AC設(shè)備管理AP設(shè)備，那么需要采購的無線控制器AC數(shù)量就很多，考慮到無線控制器AC的單價較高和數(shù)量較多，無線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境建設(shè)成本較高;三是借助有線網(wǎng)絡(luò)實驗中用到的路由器設(shè)備中的內(nèi)置無線AC功能，如國內(nèi)知名網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家新華三H3C的MSR 830 5BEI-Winet等型號路由器設(shè)備實現(xiàn)了有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)融合，路由器已經(jīng)集成 AC 管理功能，可對 H3C 公司的對應(yīng)型號的 AP 設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，有效地將有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)融為一體，降低網(wǎng)絡(luò)投資成本和組網(wǎng)的復(fù)雜度。因此，在現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中使用路由器設(shè)備的基礎(chǔ)上，只需要購買與路由器內(nèi)置AC相匹配型號的AP設(shè)備就可以開展無線網(wǎng)絡(luò)實驗，大大節(jié)約了無線組網(wǎng)實驗開展所需投入的成本。

3 無線網(wǎng)絡(luò)的配置與管理

在無線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境組建完成后，學(xué)生在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，需要掌握的無線網(wǎng)絡(luò)配置管理實驗內(nèi)容主要可以歸納為以下幾部分：

3.1 配置AC與AP建立CAPWAP隧道

AP和AC間采用CAPWAP（Controlling and Provisioning of Wireless Access Point，無線接入點(diǎn)控制與供應(yīng)）隧道進(jìn)行通信。配置的方式有創(chuàng)建手工AP和自動AP兩種方式：創(chuàng)建手工AP是指用戶根據(jù)AP的型號、序列號和MAC 地址等實際信息，在AC上手動創(chuàng)建AP;然而，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中部署的AP 數(shù)量較多時，采用手動配置AP的方式比較煩瑣，開啟自動 AP功能可以簡化配置。

3.2AP射頻管理

射頻是一種高頻交流變化電磁波，表示具有遠(yuǎn)距離傳輸能力、可以輻射到空間的電磁頻率。WLAN 是利用射頻作為傳輸媒介，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)之一。射頻的頻率介于 300KHz 和300GHz 之間，WLAN 使用的射頻頻率范圍為 2.4GHz 頻段（2.4GHz～2.4835GHz）和 5GHz 頻段（5.150GHz～5.350GHz 和 5.725GHz～5.850GHz）。射頻的管理操作主要實現(xiàn)對AP設(shè)備的射頻參數(shù)如信道、帶寬、發(fā)射功率等參數(shù)的配置與管理。

3.3配置AP組

配置AP 組用來實現(xiàn)批量對一組 AP 進(jìn)行配置和管理，AP 繼承其所屬組的配置來達(dá)到簡化配置的目的。 在大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中，同一 AC 管理的 AP 數(shù)量可達(dá)幾千臺，對每一臺 AP 逐一配置將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管 理難度極大提高。AP 組用來降低逐個配置 AP 的操作成本，用戶可以創(chuàng)建多個組，對不同的組用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行不同的 AP 配置。

3.4配置AP無線加密功能

WLAN 用戶安全協(xié)議主要包括 Pre-RSNA、802.11i 和 802.11w。其中，Pre-RSNA 機(jī)制最早出現(xiàn)，安全機(jī)制不太完善;802.11i 協(xié)議是對 Pre-RSNA 的增強(qiáng)，但僅對無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行了加密 保護(hù);802.11w 建立在 802.11i 框架上，對無線網(wǎng)絡(luò)的管理幀進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了無線網(wǎng)絡(luò)的安全性。實驗中可以選擇配置密鑰管理模式為PSK模式、加密套件為CCMP、安全信息元素為WPA。

4無線網(wǎng)絡(luò)的測試與驗證

無線網(wǎng)絡(luò)的測試與驗證采用學(xué)生分小組合作實驗的方式進(jìn)行，每組4到6名學(xué)生，使用一臺集成 AC 管理功能的路由器和2個對應(yīng)的AP設(shè)備，構(gòu)建一個小型的無線網(wǎng)絡(luò)，完成無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)配置后，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)開展無線漫游和無線頻譜導(dǎo)航等測試實驗，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上，自己設(shè)計并完成拓展測試內(nèi)容。

4.1無線漫游測試

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，其中一名學(xué)生負(fù)責(zé)手持無線客戶端（手機(jī)、筆記本、IPAD的無線終端設(shè)備），從一個AP的信號覆蓋范圍，移動到另外一個AP的覆蓋范圍，即WLAN 客戶端從一個 AP 上接入轉(zhuǎn)移到另 一個 AP 上接入的過程稱為漫游。在漫游期間，其余學(xué)生觀察并記錄無線客戶端的 IP 地址、授權(quán)信息等是否發(fā)生改變。

4.2頻譜導(dǎo)航的測試

在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，學(xué)生使用的無線客戶端（手機(jī)、筆記本、IPAD的無線終端設(shè)備）有些只能工作在 2.4GHz 頻段上，有些客戶端在 2.4GHz 頻段和 5GHz 頻段都可以工作，這就可能會導(dǎo)致 2.4GHz 射頻過載，5GHz 射頻相對空余。在這種情況下，指導(dǎo)學(xué)生配置和使用頻譜導(dǎo)航功能，將支持雙頻工作的客戶端優(yōu)先接入 5GHz 射頻，使得兩個頻段上的客戶端數(shù)量相對均衡，從而提高整網(wǎng)性能。

5 結(jié)束語

學(xué)生通過學(xué)習(xí)無線局域網(wǎng)組建、配置管理和測試驗證等無線組網(wǎng)實驗課程的學(xué)習(xí)，將進(jìn)一步加深對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)理論知識、發(fā)展現(xiàn)狀及無線網(wǎng)絡(luò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的理解，學(xué)習(xí)現(xiàn)在主流的無線AC+瘦 AP的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，熟悉無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置與管理、無線網(wǎng)絡(luò)測試與分析等內(nèi)容，提高學(xué)生對無線網(wǎng)絡(luò)管理與測試的實踐能力，同時也為學(xué)生今后在無線網(wǎng)絡(luò)組建、管理和優(yōu)化等方向理論的進(jìn)一步深入研究和實踐奠定基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：王力】