校園無線網(wǎng)的建設(shè)及應(yīng)用研究

杜 煉，鄒時(shí)雨，丁桂元

（湖北開放大學(xué)，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著各種無線智能終端設(shè)備的普及，無線網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)高速發(fā)展，無線網(wǎng)在日常的教學(xué)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。一方面其使用的場(chǎng)景逐漸豐富，如視頻會(huì)議、智能教室以及多功能實(shí)訓(xùn)室對(duì)無線網(wǎng)的使用率不斷上升；另一方面使用的質(zhì)量要求逐漸上升，如校園對(duì)云視頻資源的訪問，實(shí)訓(xùn)室對(duì)智能物聯(lián)設(shè)備的無線管理，智慧校園對(duì)平臺(tái)移動(dòng)端的互動(dòng)無不要求高質(zhì)高量的無線連接。因此，穩(wěn)定、安全、高帶寬以及低延時(shí)的無線網(wǎng)成為未來高校信息化基礎(chǔ)建設(shè)中的重要一環(huán)。在此背景下，為了提高信息化教學(xué)水平，使師生可以更加充分、高效地利用校園網(wǎng)開展各類教學(xué)活動(dòng)，提升用戶體驗(yàn)，湖北開放大學(xué)開展了長(zhǎng)期的無線網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)。

多年的無線網(wǎng)優(yōu)化實(shí)踐工作使筆者認(rèn)知到，對(duì)無線網(wǎng)的優(yōu)化若只靠管理平臺(tái)的策略優(yōu)化和傳輸設(shè)備介質(zhì)的升級(jí)，則不能從根本上解決無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量低下的問題，最終關(guān)鍵還是要回歸到對(duì)無線網(wǎng)實(shí)際使用問題的解決上來。本文以湖北開放大學(xué)校園無線網(wǎng)架構(gòu)為例，詳細(xì)描述了在校園無線網(wǎng)的實(shí)際使用過程中師生用戶實(shí)際遇到過的疑難問題，分析存在的問題并提出對(duì)應(yīng)的解決方案。經(jīng)過一段時(shí)間的驗(yàn)證，無線網(wǎng)優(yōu)化取得了一定的成效，希望能為其他高校校園無線網(wǎng)的優(yōu)化建設(shè)提供參考思路。

1 校園無線網(wǎng)架構(gòu)

1.1 建設(shè)情況

湖北開放大學(xué)分為兩個(gè)校區(qū)，全日制學(xué)生規(guī)模近萬人。目前已完成全部辦公區(qū)、教學(xué)區(qū)以及公共區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，共部署無線訪問接入點(diǎn)（Wireless Access Point，AP）642個(gè)，其中包含15個(gè)備用，詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量詳情

兩個(gè)校區(qū)通過互聯(lián)網(wǎng)光纖連接，采用3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，出口設(shè)在魯巷校區(qū)，通過安全防火墻等安全設(shè)備連接到4臺(tái)高性能核心交換機(jī)，匯聚層采用萬兆全光口交換機(jī)，接入層采用萬兆POE交換機(jī)，除了數(shù)據(jù)交換功能外，還為無線AP設(shè)備提供供電。無線接入點(diǎn)采用802.11N或802.11AC標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)使用場(chǎng)景的不同對(duì)應(yīng)部署不同型號(hào)的設(shè)備。兩校區(qū)分別部署了一臺(tái)無線控制器，即交流電（Alternating Current，AC）設(shè)備，以提供高性能的無線網(wǎng)管理功能，對(duì)無線信號(hào)、流量以及AP實(shí)施統(tǒng)一的配置與監(jiān)測(cè)。同時(shí)，采用上網(wǎng)認(rèn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校區(qū)內(nèi)有線、無線統(tǒng)一身份認(rèn)證與接入控制。建成后的無線網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 湖北開放大學(xué)無線網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 應(yīng)用情況

校園無線網(wǎng)絡(luò)建成后，全校600多名教職員工通過統(tǒng)一發(fā)放的認(rèn)證賬號(hào)開始移動(dòng)辦公。電子商務(wù)班、會(huì)計(jì)班等專業(yè)的師生通過智能終端開始移動(dòng)教學(xué)。全校會(huì)議室的終端設(shè)備開始使用無線連接。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，無線網(wǎng)開戶人數(shù)為1 246人，每日在線人數(shù)平均為300人，每日300M帶寬基本滿負(fù)荷運(yùn)行。

2 校園無線網(wǎng)應(yīng)用階段出現(xiàn)的問題

在湖北開放大學(xué)無線網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化過程中，出現(xiàn)的問題主要分為網(wǎng)絡(luò)使用不流暢、不穩(wěn)定的質(zhì)量問題、應(yīng)用和資源不足的問題以及無線網(wǎng)的宣傳與維護(hù)問題這3類。

2.1 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題

2.1.1 AP信號(hào)弱

AP信號(hào)弱的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在無線網(wǎng)建設(shè)后的初始階段，該問題主要是由學(xué)校技術(shù)人員在校園網(wǎng)絡(luò)巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為無線終端設(shè)備的信號(hào)格數(shù)少，移動(dòng)過程中信號(hào)會(huì)出現(xiàn)無連接現(xiàn)象，經(jīng)過對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的實(shí)地查看及AP密度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)主要由以下原因引起。一是建筑結(jié)構(gòu)阻隔。學(xué)校的辦公室場(chǎng)地很多采用鋼混墻壁，有些辦公室擺放了鐵皮文件柜，會(huì)阻擋AP信號(hào)，另外部分室外場(chǎng)地有大量密植被，也會(huì)遮擋AP信號(hào)。二是AP部署稀疏。部分會(huì)議室、階梯教室等場(chǎng)地的占地面積大，會(huì)存在使用人數(shù)密集的時(shí)段。三是信號(hào)漫游不成功。部分場(chǎng)地AP設(shè)備經(jīng)測(cè)試狀態(tài)正常，無明顯遮擋物，但存在信號(hào)弱的問題。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該場(chǎng)所位于多處AP信號(hào)范圍內(nèi)，當(dāng)終端從別處移動(dòng)過來時(shí)，信號(hào)仍連接在遠(yuǎn)處AP，沒有產(chǎn)生漫游。

2.1.2 AP無法連接

此類問題主要出現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)使用的成熟期階段，具體表現(xiàn)為無線信號(hào)為滿格或強(qiáng)信號(hào)，但連接不上網(wǎng)絡(luò)，主要由以下原因造成。一是其對(duì)用戶的終端限制。無線網(wǎng)投入使用時(shí)，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)帶寬只有300M，在勉強(qiáng)提供有線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)辦公使用的情況下，只能劃分小部分帶寬到無線網(wǎng)。同時(shí)，分配給每個(gè)用戶的無線設(shè)備只提供了3臺(tái)設(shè)備的認(rèn)證數(shù)量上限，在用戶開啟3臺(tái)無感認(rèn)證后會(huì)自動(dòng)讓舊設(shè)備用戶下線。二是蘋果版本問題。無線網(wǎng)投入使用時(shí)，收到了部分使用蘋果設(shè)備的用戶反饋，在使用“HUBSTC-1X”信道時(shí)出現(xiàn)無法連接的問題，其原因是蘋果設(shè)備iOS 11.0.1以上版本操作系統(tǒng)與銳捷無線網(wǎng)絡(luò)不兼容。

2.1.3 信號(hào)干擾問題

在同層的走廊有時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)但無法連接的故障。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，出現(xiàn)這種問題的位置一般都會(huì)接收到附近幾個(gè)AP的信號(hào)，并且這些AP的信號(hào)強(qiáng)度都很相近，原因如下[1]。

首先，在這種情況下，因?yàn)榻K端附近幾個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度都很相近，所以此終端在選擇接入AP的時(shí)候會(huì)有很大的不確定性，不能保證該終端按照AP規(guī)劃的覆蓋范圍來接入。即使該終端已經(jīng)連接上規(guī)劃范圍內(nèi)正確的AP，但此時(shí)也會(huì)因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)有很多其他信號(hào)強(qiáng)度相近的AP信號(hào)而導(dǎo)致該終端的連接不穩(wěn)定。

其次，根據(jù)AP的退避機(jī)制，同一時(shí)間多個(gè)相鄰AP之間會(huì)共享同一信道，當(dāng)一個(gè)AP在下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰的AP會(huì)暫停數(shù)據(jù)的下發(fā)，并且AP的下發(fā)流量一般是接收流量的兩倍，因此在AP布置的密集區(qū)，AP下發(fā)的數(shù)據(jù)流量越大，信道的利用率就越低。

最后，AP的同頻退避機(jī)制會(huì)造成終端的丟包率大幅增加。例如，一個(gè)終端同時(shí)能收到4個(gè)AP的同頻信號(hào)，該終端需要連接的是4號(hào)AP的信號(hào)，而此時(shí)1號(hào)AP造成了其他AP的退避，導(dǎo)致4號(hào)AP無法響應(yīng)終端的連接，但此時(shí)終端并不知道此現(xiàn)象是AP的退避機(jī)制造成的，依舊會(huì)重復(fù)向4號(hào)AP發(fā)送數(shù)據(jù)，因此造成丟包率的大幅增加，導(dǎo)致通信的連接速率下降，響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。

2.1.4 不能上網(wǎng)或網(wǎng)速慢

在湖北開放大學(xué)帶寬未擴(kuò)容前，為保障有線網(wǎng)絡(luò)正常的教學(xué)辦公需求，對(duì)無線網(wǎng)做了帶寬限制，每用戶終端帶寬限速為1 MB/s。當(dāng)出現(xiàn)用網(wǎng)高峰時(shí)段，如學(xué)生機(jī)房上課時(shí)，網(wǎng)速會(huì)明顯下降。有狀態(tài)異常的機(jī)器出現(xiàn)收發(fā)大量數(shù)據(jù)包的情況，一般是終端被病毒感染或被攻擊造成的。另外，校園無線網(wǎng)出現(xiàn)過AP信號(hào)強(qiáng)可以連接，但只能訪問校內(nèi)網(wǎng)站，而在訪問校外網(wǎng)站時(shí)無法正常連接的狀況。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，是域名解析（Domain Name Server，DNS）服務(wù)出現(xiàn)故障造成的。

2.2 應(yīng)用和資源不足的問題

無線網(wǎng)建成初期，其定位主要是校園有線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)延伸。由于沒有移動(dòng)端的應(yīng)用及資源做支撐，師生沒能充分體驗(yàn)到校內(nèi)無線網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與吸引力。此外，由于缺乏移動(dòng)辦公、移動(dòng)教學(xué)、移動(dòng)支付、移動(dòng)宣傳等方面的信息系統(tǒng)以及便于手機(jī)端傳播的教學(xué)視頻、課件、文檔，無線校園網(wǎng)陷入了尷尬境地。

2.3 無線網(wǎng)的宣傳和維護(hù)問題

傳統(tǒng)有線校園網(wǎng)開機(jī)即可用，而為了規(guī)范管理無線網(wǎng)，增加了上網(wǎng)認(rèn)證的操作環(huán)節(jié)，使用戶需經(jīng)歷一段適應(yīng)的過程。在這個(gè)過程中，由于師生對(duì)“無縫漫游”和“多次連接免認(rèn)證”等特性不了解，難免會(huì)誤認(rèn)為有線網(wǎng)更方便。

無線網(wǎng)在試運(yùn)行期間，由于不斷進(jìn)行調(diào)優(yōu)設(shè)置，影響了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，加之用戶已經(jīng)習(xí)慣了使用移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量，因此在宣傳和培訓(xùn)工作沒有及時(shí)跟上的情況下，用戶對(duì)無線校園網(wǎng)產(chǎn)生了誤解。此外，網(wǎng)絡(luò)管理人員尚缺乏無線網(wǎng)的知識(shí)儲(chǔ)備與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，使其運(yùn)維效率不如傳統(tǒng)有線網(wǎng)，從而降低了用戶體驗(yàn)感。

3 校園無線網(wǎng)優(yōu)化方案

為解決無線網(wǎng)使用中的疑難雜癥，創(chuàng)造高質(zhì)量的校園無線網(wǎng)使用體驗(yàn)，筆者所在團(tuán)隊(duì)針對(duì)每個(gè)問題提出了解決思路，并通過了實(shí)踐驗(yàn)證與檢驗(yàn)。

3.1 優(yōu)化校園網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)連接

3.1.1 AP信號(hào)弱解決過程

對(duì)于無線網(wǎng)實(shí)際使用過程中的建筑結(jié)構(gòu)阻隔問題以及AP部署稀疏問題，解決方式應(yīng)因地制宜。在辦公教學(xué)密集區(qū)可增加AP密度或改放裝AP為高密AP，對(duì)多隔層辦公場(chǎng)地可采用面板AP和調(diào)整AP位置的措施。對(duì)于信號(hào)漫游問題，首先從全局上調(diào)整信號(hào)漫游機(jī)制，然后針對(duì)在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)或用戶反饋的故障，針對(duì)每一個(gè)故障點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)而做細(xì)節(jié)化調(diào)整。

3.1.2 AP無連接解決過程

帶寬資源的不足是湖北開放大學(xué)無線網(wǎng)使用體驗(yàn)不佳的最主要原因。在無線網(wǎng)建設(shè)完工前，學(xué)校開始著手增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的事宜，現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出口帶寬已從300M增加到2G，學(xué)校開放給每個(gè)用戶的無線設(shè)備連接數(shù)從1臺(tái)增加到3臺(tái)，無線網(wǎng)質(zhì)量有了極大提升。對(duì)于部分蘋果設(shè)備版本連接“HUBSTC-1X”信道時(shí)無法彈出認(rèn)證頁面的故障，學(xué)校聯(lián)系了該項(xiàng)目具體實(shí)施公司的網(wǎng)絡(luò)專家，對(duì)設(shè)備配置做了優(yōu)化。

3.1.3 信號(hào)干擾問題的解決方案

關(guān)于信號(hào)干擾問題的解決方案主要有以下幾點(diǎn)。一是調(diào)整AP的輸出功率，解決同頻AP相互干擾的問題。這種問題一般出現(xiàn)在空曠密集區(qū)，通過降低AP的輸出功率，將AP的輸出功率調(diào)小到12 dBm左右。經(jīng)測(cè)試，終端在目標(biāo)區(qū)域以外接收到的AP信號(hào)明顯降低，同時(shí)達(dá)到了降低AP同頻干擾的目的[1]。二是啟用請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS），避免隱藏節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)。RTS/CTS協(xié)議相當(dāng)于一種握手協(xié)議，主要用來解決“隱藏終端”的問題[2]。三是做好虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）的隔離，提高通信速率。在無線網(wǎng)運(yùn)維中，筆者發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)中會(huì)存在大量的廣播報(bào)文，在同一VLAN中，這種廣播報(bào)文會(huì)向所有網(wǎng)段的AP進(jìn)行廣播發(fā)送，并且采用最低速率。因此，同一網(wǎng)段內(nèi)的AP終端越多，帶寬的利用率就越受影響[3]。于是在二層交換機(jī)上對(duì)不同的用戶段進(jìn)行VLAN的詳細(xì)劃分，啟用VLAN的隔離避免大網(wǎng)段的出現(xiàn)，這樣既減少了無線網(wǎng)的廣播流量，又提高了通信速率。

3.1.4 上網(wǎng)慢的問題解決方案

針對(duì)上網(wǎng)慢的問題可采取以下解決方案。首先，在網(wǎng)絡(luò)帶寬提高到2G后，對(duì)每用戶終端的帶寬限制開放為5M，對(duì)多媒體教室、機(jī)房采用統(tǒng)一網(wǎng)段劃分的方式，將原來的自動(dòng)獲取IP改為手動(dòng)設(shè)置的獨(dú)立IP，以方便統(tǒng)一管理。其次，采購(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)安全結(jié)構(gòu)布局，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及流量的使用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常終端點(diǎn)。最后，把學(xué)校的DNS服務(wù)器地址加入交換設(shè)備下發(fā)地址，實(shí)現(xiàn)DNS雙解析保障。

3.2 加強(qiáng)移動(dòng)端的資源建設(shè)

在進(jìn)行校園無線網(wǎng)優(yōu)化的過程中，還要加強(qiáng)移動(dòng)端的資源建設(shè)。學(xué)校投入3×106元建設(shè)數(shù)字化校園平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目，不僅將教務(wù)、財(cái)務(wù)、人事、后勤以及學(xué)工等核心數(shù)據(jù)打通共享，還專門建設(shè)了移動(dòng)端的應(yīng)用軟件App來實(shí)現(xiàn)辦公、辦事、查工資以及訪問校內(nèi)信息等多種功能。學(xué)生通過移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)查課、借閱圖書等多種功能。不僅如此，還建設(shè)了網(wǎng)站群系統(tǒng)，把全校各類網(wǎng)站集中改版并統(tǒng)一納入網(wǎng)站群管理，對(duì)大部分網(wǎng)站配套建設(shè)相應(yīng)的手機(jī)版本。另外，通過建設(shè)高品質(zhì)的虛擬演播室，錄播一批便于多終端傳播的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源。

3.3 加強(qiáng)宣傳，提高服務(wù)質(zhì)量

學(xué)校制作了詳實(shí)的上網(wǎng)流程文檔以供下載，且建立各部門網(wǎng)絡(luò)管理員團(tuán)隊(duì)及學(xué)生團(tuán)隊(duì)以實(shí)時(shí)提供服務(wù)。積極推動(dòng)無線網(wǎng)的應(yīng)用，通過網(wǎng)站、QQ群以及宣傳標(biāo)識(shí)牌等形式向全校師生推廣。積極處理師生使用過程中出現(xiàn)的故障問題，主動(dòng)巡檢、調(diào)研、收集大家的意見和建議并加以診斷與改進(jìn)。此外，以移動(dòng)迎新和移動(dòng)辦公為抓手，完善網(wǎng)上應(yīng)用的功能，讓師生體會(huì)到移動(dòng)校園網(wǎng)帶來的便捷[4,5]。

4 工作成效

通過幾年的建設(shè)，學(xué)校完成了教學(xué)區(qū)域、辦公區(qū)域以及公共區(qū)域的無線網(wǎng)全覆蓋，基本解決了無線網(wǎng)無信號(hào)、信號(hào)弱、無連接等問題。校園主干帶寬已提升至萬兆，校園網(wǎng)出口帶寬達(dá)到2G，校園無線網(wǎng)單用戶的下行速度達(dá)到5 MB/s。加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全配置，讓學(xué)校師生可以流暢、安全地通過無線終端訪問網(wǎng)絡(luò)資源。建立了數(shù)字化校園平臺(tái)，打通學(xué)校教務(wù)、財(cái)務(wù)、人事、后勤以及學(xué)工等部門的核心數(shù)據(jù)通道，讓教職工通過統(tǒng)一身份認(rèn)證后可以方便地在網(wǎng)上辦公、教學(xué)并管理。建設(shè)了學(xué)校網(wǎng)站群，開放網(wǎng)站群的移動(dòng)版，同時(shí)學(xué)校利用數(shù)字化校園平臺(tái)進(jìn)行迎新工作，移動(dòng)報(bào)名與信息審核等都在無線網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行操作，此外開展了多次大型校園移動(dòng)OA辦公系統(tǒng)的培訓(xùn)會(huì)議。

5 結(jié) 論

無線網(wǎng)投入使用以來，以強(qiáng)大的便捷性與自由性不斷提高在用戶使用中的占比，隨著校園信息化的高速發(fā)展，校園師生對(duì)無線網(wǎng)的應(yīng)用需求將越來越高，無線網(wǎng)的質(zhì)量將成為校園信息化發(fā)展過程中的關(guān)鍵。而無線網(wǎng)的質(zhì)量問題并不會(huì)隨著WiFi6、全光扁平網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的更新?lián)Q代而消失，如硬件兼容、同頻調(diào)優(yōu)、資源建設(shè)以及使用培訓(xùn)等優(yōu)化方法將會(huì)繼續(xù)使用。