基于智慧校園的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

智慧 馬洪玉

摘? 要：目前，許多高校正在從數(shù)字化校園向智慧化校園轉(zhuǎn)型。隨著智慧化與互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，對高校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。智慧校園具有訪問量大、覆蓋范圍廣等特點，而高校現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)格局多數(shù)以有線網(wǎng)絡(luò)為主，無線網(wǎng)絡(luò)只作為一個補充。為了充分實現(xiàn)智慧校園業(yè)務(wù)，需要對高校已有無線校園網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計與建設(shè)，使其更好地滿足當(dāng)前環(huán)境下師生和學(xué)校的使用需求。

關(guān)鍵詞：智慧校園;高校信息化;校園網(wǎng);無線校園網(wǎng);無線局域網(wǎng);Wi-Fi6

中圖分類號：TP393.18;TN925.93? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0049-05

Abstract：At present，many universities are transforming from digital campus to intelligence campus. With the high integration of intelligence and internet，higher requirements are put forward for the universitys campus network. Smart campus has the characteristics of large amount of visits and wide coverage. However，the existing network structure of universities is mainly wired network，and wireless network is only a supplement. In order to fully realize the smart campus business，it is necessary to design and construct the existing wireless campus network in universities，so as to better meet the usage requirements of teachers and students and schools in the current environment.

Keywords：smart campus;university informationization;campus network;wireless campus network;WLAN;Wi-Fi6

0? 引? 言

無線網(wǎng)絡(luò)相比有線網(wǎng)絡(luò)具有靈活性、移動性、易運營等優(yōu)點。現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)普遍采用802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，針對網(wǎng)絡(luò)安全問題也提出了相應(yīng)的防范措施及安全部署。本文以山東華宇工學(xué)院為例，進行校園無線網(wǎng)的設(shè)計與建設(shè)。以高校無線網(wǎng)的設(shè)計與建設(shè)為研究對象，針對高校目前的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，分析其所面臨的主要問題，進行梳理總結(jié)，然后結(jié)合最新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出整體方案設(shè)計。并從出口網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)部署方案、無線信號覆蓋、接入認(rèn)證計費、無線網(wǎng)絡(luò)管理等方面進行詳細的論述。根據(jù)學(xué)校的不同場景進行規(guī)劃，部署兩臺無線控制器對下屬的所有AP進行管控，以冗余熱備的方式保證無線校園網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。認(rèn)證計費系統(tǒng)可實現(xiàn)無感知等多種認(rèn)證方式，日志審計系統(tǒng)可滿足網(wǎng)絡(luò)安全的要求，運維管理系統(tǒng)可對所有無線設(shè)備進行統(tǒng)一管理。

1? 研究概述

1.1? 研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)思維的不斷發(fā)展，我國高等院校接連不斷地提出很多智慧校園解決方案，解決校園環(huán)境下的用戶全面感知、校方智能決策、師生智慧學(xué)習(xí)、智慧后勤等一系列服務(wù)問題。校園網(wǎng)就是這些信息化基礎(chǔ)的設(shè)施之一，互聯(lián)網(wǎng)和校園核心應(yīng)用場景的深度融合已經(jīng)納入到高等院校的發(fā)展戰(zhàn)略中。隨之而來的就是對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，需要網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、高存儲、高并發(fā)、高移動性等優(yōu)良性能。

1.2? 研究意義

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，高等院校的校園網(wǎng)多數(shù)是由光纖、網(wǎng)線、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成校園有線局域網(wǎng)，部分地方會用到無線路由器等設(shè)備，但這也僅僅是對有線網(wǎng)絡(luò)的一個有利補充，這種布局方式嚴(yán)重影響了師生對網(wǎng)絡(luò)的靈活使用需求，同時也制約了學(xué)校教育信息化的進程。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的逐步普及，補充無線局域網(wǎng)對高等院校來說刻不容緩。

2? 無線校園網(wǎng)設(shè)計概述

2.1? 總體目標(biāo)與建設(shè)內(nèi)容

總體建設(shè)目標(biāo)：通過此次全校無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，扭轉(zhuǎn)學(xué)?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法跟上信息化建設(shè)步伐的現(xiàn)狀，建設(shè)更加便捷、靈活、安全的校園網(wǎng)接入方式，讓師生對校園網(wǎng)的訪問不受時空限制，學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部可控、可管、可信、可回溯，為學(xué)校的教學(xué)、辦公、科研、管理和服務(wù)提供優(yōu)質(zhì)的信息化支撐，建成后可推進學(xué)校整體信息化建設(shè)水平，提高學(xué)校的綜合競爭力，提高學(xué)生滿意度。

建設(shè)內(nèi)容主要包括：（1）全校公共區(qū)域無線覆蓋，其中包括教學(xué)樓、圖書館、實驗樓、行政樓以及室外公共區(qū)域等。（2）學(xué)生宿舍區(qū)域無線覆蓋。（3）出口網(wǎng)絡(luò)行為審計。（4）加強無線運營和管理水平，實現(xiàn)有線無線統(tǒng)一認(rèn)證和管理。（5）建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的光纖并進行網(wǎng)線施工。

2.2? 無線相關(guān)技術(shù)

當(dāng)前常用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是Bluetooth、IEEE 802.11和Radio Frequency等。高校都具有廣闊的校園、復(fù)雜的使用環(huán)境和龐大的用戶群，因此IEEE 802.11技術(shù)在高校中應(yīng)用最為廣泛。

802.11是由美國電氣與電子工程師學(xué)會（IEEE）開發(fā)的一組無線局域網(wǎng)（LANs）規(guī)范。

IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)與802.11b相同，工作在2.4 GHz頻段下，傳輸速率為54 Mbit/s，凈傳輸速率和802.11a相同約為24.7 Mbit/s。

IEEE 802.11ac是802.11無線計算器網(wǎng)上的一個通信標(biāo)準(zhǔn)（目前正在發(fā)展中），它在5 GHz頻段下工作。

IEEE 802.11ax（Wi-Fi6）是一項無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。802.11ax支持2.4 GHz和5 GHz頻段，向下兼容11a/b/g/n/ac。目標(biāo)是支持室內(nèi)室外場景、提高頻譜效率和實現(xiàn)密集用戶環(huán)境下4倍實際吞吐量提升。Wi-Fi聯(lián)盟將802.11ax商業(yè)名稱定義為Wi-Fi6，其是新一代的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。

2.3? 無線校園網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

學(xué)校目前已搭建完善的有線網(wǎng)絡(luò)，教學(xué)樓、圖書館、實驗樓、行政樓都實現(xiàn)了信息通過光纖傳輸?shù)綄W(xué)校中心機房的目標(biāo)，經(jīng)過前期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，其架構(gòu)已具有很高的先進性，網(wǎng)絡(luò)使用穩(wěn)定，各類應(yīng)用及業(yè)務(wù)系統(tǒng)均可實現(xiàn)快速上線部署。隨著新技術(shù)和應(yīng)用的日益發(fā)展，學(xué)校的信息化建設(shè)也將穩(wěn)步發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化校園的重要基礎(chǔ)平臺，在未來的辦公和教學(xué)方面也將起到不可或缺的重要作用。

無線校園網(wǎng)的建設(shè)也將依托于現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)，并且可與學(xué)校各類應(yīng)用系統(tǒng)無縫兼容。

3? 無線校園網(wǎng)建設(shè)需求分析

3.1? 無線信號覆蓋需求

校內(nèi)各區(qū)域無線信號覆蓋需求主要有：（1）辦公區(qū)。包含行政辦公樓、校企合作樓、教學(xué)樓。（2）教學(xué)區(qū)。主要為教學(xué)實訓(xùn)樓。（3）學(xué)生聚集區(qū)。包含餐廳、禮堂。（4）住宿區(qū)。主要為學(xué)生宿舍樓。（5）室外區(qū)。包括體育場、主干道。

3.2? 無線用戶體驗需求

本次新建的無線校園網(wǎng)將為全校師生提供無線終端的接入服務(wù)，讓用戶能夠獲得良好的使用體驗。有了無線校園網(wǎng)，教師可以在校園內(nèi)的任意位置進行辦公和教學(xué)，同時，學(xué)生也可以隨時隨地在校園內(nèi)學(xué)習(xí)和娛樂。

3.3? 用戶認(rèn)證計費需求

按照中華人民共和國公安部令（第82號）要求，校內(nèi)師生均需完成實名認(rèn)證，以保證用戶上網(wǎng)行為有證可查，有據(jù)可依，并且將日志內(nèi)容保留180天。當(dāng)學(xué)生用戶訪問校內(nèi)和校外資源時，系統(tǒng)提供多種靈活的認(rèn)證和計費方式，確保接入用戶身份的合法性，這大大提升了無線網(wǎng)絡(luò)的安全性[3]。

3.4? 無線網(wǎng)絡(luò)管理需求

無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，在用設(shè)備的數(shù)量將大幅增加，同時，由于無線網(wǎng)絡(luò)的特殊性，使得學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)管理員在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時沒辦法像維護有線網(wǎng)絡(luò)一樣輕松快速地找到問題所在。正因為無線網(wǎng)絡(luò)的這種看不見、摸不著的特性，讓可視化網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的構(gòu)建成為本次網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作中至關(guān)重要的一環(huán)。本次構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，不僅能夠管理本次網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的所有設(shè)備，同時還要實現(xiàn)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的集中管理和控制。

4? 學(xué)校無線網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

4.1? 設(shè)計原則

4.1.1? 無縫覆蓋

高校無線網(wǎng)建設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11ax網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)全校范圍內(nèi)的室內(nèi)外區(qū)域無縫覆蓋。

4.1.2? 高性能

對于學(xué)校無線信號所覆蓋的辦公區(qū)、教學(xué)區(qū)等，需要為區(qū)域內(nèi)用戶提供流暢的網(wǎng)絡(luò)訪問和數(shù)據(jù)接入服務(wù)，讓學(xué)生、老師可以安全穩(wěn)定快速地訪問校內(nèi)資源。首先需要保證終端的認(rèn)證頁面彈出速度快，其次保證其上網(wǎng)速度快，通過這些高性能來保證用戶的極致體驗。

4.1.3? 易運營

實現(xiàn)對學(xué)生、教師用戶的精細化管理和運營（認(rèn)證計費），實現(xiàn)對教師用戶的靈活管理，簡化無線網(wǎng)絡(luò)使用的復(fù)雜程度，繼續(xù)保持學(xué)校信息中心對于網(wǎng)絡(luò)的管理權(quán)限，是無線校園網(wǎng)建設(shè)中最為重要的組成部分。

4.1.4? 兼容性

本次無線校園網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計，主要是利用現(xiàn)有的有線資源實現(xiàn)有線、無線混合組網(wǎng)，從而為學(xué)校節(jié)約投資支出。本次建設(shè)的無線網(wǎng)絡(luò)可以與現(xiàn)有的校園網(wǎng)很好地兼容，校園師生可通過無線網(wǎng)使用學(xué)校當(dāng)前所有的應(yīng)用管理系統(tǒng)，實現(xiàn)有線無線的綜合管理。

4.2? 方案設(shè)計

從圖1中可以看出，高校無線校園網(wǎng)的建設(shè)在很大程度上依賴于現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)，兩種類型的無線AP（放裝、天線入室）通過千兆雙絞線連接POE接入交換機，進而接入校園網(wǎng)，為師生提供上網(wǎng)服務(wù)。中心機房將部署兩臺無線控制器，用于對下屬的所有AP進行管控，通過冗余熱備的方式保證無線校園網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。

4.3? 學(xué)校出口網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用銳捷高校大出口疏堵控解決方案實現(xiàn)出口的升級改造，滿足學(xué)校統(tǒng)一出口的建設(shè)需求。

出口設(shè)備采用1臺RG-7708系列專業(yè)出口路由，RG-7708可實現(xiàn)高性能的NAT功能，NAT轉(zhuǎn)換性能直接影響用戶上網(wǎng)速度，RG-7708具備特有的REF快轉(zhuǎn)功能，有效解決了出口設(shè)備的性能瓶頸問題，充分利用帶寬資源，RG-7708具備20 Gbps的吞吐性能，可滿足更高帶寬接入需求。

4.4? 無線網(wǎng)絡(luò)部署方案設(shè)計

采用先進的無線控制器設(shè)備，實現(xiàn)了TCP加速，小數(shù)據(jù)包高效轉(zhuǎn)發(fā)，高性能MIPS處理等功能。完全可以實現(xiàn)10 Gbps的萬兆線速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

4.5? 信號覆蓋設(shè)計

4.5.1? 辦公教學(xué)場景設(shè)計

室內(nèi)有很多的開放區(qū)域，如教學(xué)樓區(qū)、行政辦公區(qū)、餐廳區(qū)、圖書館區(qū)等，這些區(qū)域有一個共同的特征，即開放性，用戶范圍較廣，并發(fā)用戶數(shù)量比較大。建議在這些區(qū)域部署放裝型無線AP。

目前，放裝型AP多采用雙通道雙頻設(shè)計，可同時在802.11ax和802.11n模式下工作，支持壁掛安裝，可以安裝在墻壁、天花板等任意位置。支持兩種空間流技術(shù)，實現(xiàn)這些區(qū)域的雙頻、雙流覆蓋，整機提供1 100 Mbps以上的接入速率，無線信號強度>-60 dBm，近千兆的極速無線網(wǎng)讓性能不再成為瓶頸。

放裝型AP可支持的用戶最大并發(fā)數(shù)（雙頻）超過100人，滿足室內(nèi)開放區(qū)域的用戶并發(fā)數(shù)較大的需求。我院未來在經(jīng)歷舉辦大型學(xué)術(shù)研討會等超高密度的場景時，可選擇增加AP伴侶，通過級聯(lián)方式增加可接入人數(shù)，用盡可能少的AP接入盡可能多的用戶，在信道資源有限的情況下讓組網(wǎng)架構(gòu)更合理[4-6]。

4.5.2? 宿舍場景設(shè)計

如圖2所示，對于宿舍這種長走廊、房間多、用戶并發(fā)數(shù)量大的使用場景，使用傳統(tǒng)的放裝型AP，信號不能全部覆蓋，存在信道沖突等問題。

針對宿舍樓這種特殊的使用場景，主要采用微AP設(shè)備，該類型設(shè)備適用于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，可保證每個房間被信號完美覆蓋，還可實現(xiàn)多個用戶在房間內(nèi)的同時訪問，每個房間單獨廣播MIMO信號，可以實現(xiàn)在2.4 GHz和5.8 GHz雙頻段下房間的雙流覆蓋。

天線入室型AP的組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

4.6? 無線接入認(rèn)證計費設(shè)計

通過認(rèn)證計費系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對用戶的準(zhǔn)入準(zhǔn)出一體化認(rèn)證與實名流控，即訪問學(xué)校內(nèi)部資源免費，訪問互聯(lián)網(wǎng)資源按需收費，收費系統(tǒng)可與運營商BOSS系統(tǒng)無縫對接，學(xué)校擁有自主的管理權(quán)限，可監(jiān)督聯(lián)通端對用戶的收費情況。

而在無線用戶的認(rèn)證計費設(shè)計上，可使用以下多種不同的認(rèn)證和計費方式，但無論采用哪種方式都不會影響學(xué)校現(xiàn)有的使用模式，保證用戶使用習(xí)慣不改變，學(xué)校管理方式不改變。

5? 測試與評估

5.1? 測試方法

無線網(wǎng)絡(luò)的好處在于部署便捷。但是在評估一個無線網(wǎng)絡(luò)好壞與否的時候，我們總是缺少一定的判斷依據(jù)和手段。本文利用4個層面的判斷標(biāo)準(zhǔn)來評估無線網(wǎng)絡(luò)，即AC總體狀況、無線覆蓋情況、各AP狀況和用戶狀況。

如表1、表2、表3所示，通過筆記本電腦等硬件測試工具，安裝測試軟件對學(xué)校有代表性的測試地點的AP進行連接，通過運維管理平臺查看運行狀態(tài)，逐一進行信號強度測試、流量測試、吞吐量測試、無線漫游測試、收發(fā)報文丟包率測試、AP在線數(shù)據(jù)測試、認(rèn)證測試、AP隔離功能測試等。

5.2? 評估指標(biāo)

5.2.1? 忙時AC轉(zhuǎn)發(fā)流量評估

主要評估分析AC設(shè)備繁忙時的轉(zhuǎn)發(fā)流量情況或資源占用情況。在網(wǎng)絡(luò)使用高峰期內(nèi)統(tǒng)計以下數(shù)據(jù)：（1）總流量。通過獲取上行有線口的使用百分比可大致判斷從所有AP上的總空口流量。（2）平均每AP的流量。通過總空口流量除以AP數(shù)量獲取。（3）平均每用戶的流量。通過總空口流量除以所有在線用戶數(shù)量獲取。

5.2.2? 熱點區(qū)域覆蓋評估

熱點區(qū)域中AP是彼此鄰近、相互影響的。因此，按熱點區(qū)域評估，可以看出相關(guān)聯(lián)的WLAN設(shè)備的整體情況：（1）流量指標(biāo)。包括區(qū)域涵蓋的所有AP的總流量、平均每AP的流量/AP最高流量、平均每用戶的流量/用戶最高流量。（2）發(fā)送報文狀況指標(biāo)。發(fā)送報文平均丟包率、發(fā)送報文平均重傳率、發(fā)送報文ACK回應(yīng)平均失敗率、發(fā)送高速率報文平均比例（注：通過儀表獲取）。（3）接收報文狀況指標(biāo)。接收報文平均錯包率、接收高速率報文平均比例。（4）用戶狀態(tài)指標(biāo)。平均每AP在線用戶數(shù)、用戶平均漫游次數(shù)（注：平均每AP在線用戶數(shù)、用戶平均漫游次數(shù)在網(wǎng)管獲?。?。

熱點區(qū)域WLAN網(wǎng)絡(luò)總體評估指標(biāo)如表4所示。

5.2.3? AP空口評估

AP的空口評估可以反映出設(shè)備的成功接入率和干擾情況，因此通過測試單AP非忙時、忙時相關(guān)指標(biāo)即可判斷其情況：（1）流量指標(biāo)。該AP的總流量。（2）發(fā)送報文狀況指標(biāo)。發(fā)送報文丟包率、發(fā)送報文重傳率、發(fā)送報文ACK回應(yīng)失敗率、發(fā)送高速率報文比例。（3）接收報文狀況指標(biāo)。接收報文錯包率、接收高速率報文比例。（4）用戶狀態(tài)指標(biāo)。該AP在線用戶數(shù)、低RSSI用戶比例、用戶中出現(xiàn)漫游過程的比例、發(fā)送低速用戶比例、接收低速用戶比例。（注：通過儀表獲取，AP在線用戶數(shù)、低RSSI用戶比例、用戶中出現(xiàn)漫游過程的比例、發(fā)送低速用戶比例、接收低速用戶比例為瞬時值，需手工統(tǒng)計。用戶關(guān)聯(lián)成功率：指無線鏈路層用戶接續(xù)到AP設(shè)備的成功接入比例，在一定程度上反映無線空口的質(zhì)量，當(dāng)關(guān)聯(lián)成功率低，反映無線空口質(zhì)量差，網(wǎng)絡(luò)丟包、時延等增加。）

單AP非忙時、忙時狀況評估指標(biāo)如表5、表6所示。

5.2.4? 用戶體驗評估

每個用戶所感受到的射頻環(huán)境都有所不同，通過相關(guān)指標(biāo)可以了解體驗比較好的用戶和比較差的用戶，在高峰時段統(tǒng)計以下數(shù)據(jù)：（1）流量指標(biāo)。該用戶的總流量。（2）發(fā)送報文狀況指標(biāo)。包括發(fā)送報文丟包率、發(fā)送速率、發(fā)送高速率報文比例。（3）接收報文狀況指標(biāo)。包括接收報文錯包率、接收速率、接收高速率報文比例。（4）射頻信號指標(biāo)。包括RSSI值、信噪比。（5）體驗指標(biāo)。包括漫游次數(shù)、RF Ping丟包與延時情況。

單用戶單次評估指標(biāo)如表7所示。

5.3? 評估結(jié)果與分析

經(jīng)過測試評估，山東華宇工學(xué)院無線網(wǎng)測試結(jié)果如表8所示。

從表8可見，本文所設(shè)計的無線校園網(wǎng)建設(shè)方法經(jīng)過測試和調(diào)試，基本實現(xiàn)了山東華宇工學(xué)院室內(nèi)外的無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在實際的應(yīng)用中也驗證了該方案的各項指標(biāo)均符合要求。

6? 結(jié)? 論

本論文從無線校園網(wǎng)是學(xué)校智慧校園建設(shè)基礎(chǔ)的角度，探討了打造無線校園網(wǎng)的重要意義，研究無線局域網(wǎng)的幾大主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析無線局域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)模式。最后結(jié)合個人經(jīng)歷，對山東華宇工學(xué)院的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了具體的建設(shè)方案，并在建成后進行了了對無線網(wǎng)絡(luò)的測試，最后得出各項指標(biāo)均符合要求，可以正常使用。隨著社會信息化水平的不斷提升，無線網(wǎng)絡(luò)正在覆蓋我們生活的方方面面，隨著5G、IPv6的普及，更快速、更高效的無線網(wǎng)絡(luò)勢必會徹底改變我們的生活。

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作者簡介：智慧（1987.03—），男，漢族，山東德州人，助教，本科，研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù)、信息化校園。