園區(qū)無線局域網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與優(yōu)化

李江龍

（遵義醫(yī)科大學計算機網(wǎng)絡(luò)管理中心 貴州省遵義市 563000）

1 引言

近年來，中國的移動5G 網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)新興產(chǎn)業(yè)也隨之得到極大發(fā)展，但作為使用時間長，用戶接受度強的WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)，在短時間內(nèi)不可能被取締，在未來還將繼續(xù)為大量用戶提供無線服務。雖然許多大型公共場所都建設(shè)有WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)，但多數(shù)用戶體驗不佳，導致這樣結(jié)果的原因有很多，主要是WLAN無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量巨大，設(shè)計難度大，維護成本高，使得遇到問題時網(wǎng)絡(luò)管理員不愿意及時處理，這就導致小問題日積月累，最后變成難以梳理，無法解決的難題[1]。對于用戶來講，公共場合的WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)無法使用已經(jīng)習以為常，部分用戶擔心信息泄露等安全問題也不愿意接入網(wǎng)絡(luò)，但不論怎樣，既然投入了大量財力建設(shè)，就應該物盡其用，讓其充分發(fā)揮功能，為用戶服務。所以梳理和解決WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)在管理和使用中的常見問題，對網(wǎng)絡(luò)進行不斷優(yōu)化，具有很好的現(xiàn)實意義[2]。

2 基本概念

2.1 無線局域網(wǎng)[3]

WLAN 是Wireless Local Area Network 的簡稱，指應用無線通信技術(shù)將計算機設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成可以互相通信和實現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系。無線局域網(wǎng)本質(zhì)的特點是不再使用通信電纜將計算機與網(wǎng)絡(luò)連接起來，而是通過無線的方式連接，從而使網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和終端的移動更加靈活。

2.2 無線控制器[4]

無線控制器（Wireless Access Point Controller）是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用來集中化控制無線AP，是一個無線網(wǎng)絡(luò)的核心，負責管理無線網(wǎng)絡(luò)中的所有無線AP，對AP 管理包括：下發(fā)配置、修改相關(guān)配置參數(shù)、射頻智能管理、接入安全控制等。

2.3 無線訪問接入點[4]

無線AP（Access Point）：即無線接入點，它是用于無線網(wǎng)絡(luò)的無線交換機，也是無線網(wǎng)絡(luò)的核心。無線AP 是移動計算機用戶進入有線網(wǎng)絡(luò)的接入點，主要用于寬帶家庭、大樓內(nèi)部以及園區(qū)內(nèi)部，無線信號可以覆蓋幾十米至上百米。

2.4 頻率[5]

頻率是指某樣事物在單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，在無線網(wǎng)絡(luò)中，無線電波的頻率是指在單位時間內(nèi)出現(xiàn)相同波形的次數(shù)。

2.5 頻段[5]

頻段是指某個頻率范圍，目前規(guī)定的WLAN 工作頻段有兩個，2.4GHZ 和5GHZ，2.4GHZ 的工作范圍是2.4GHZ—2.4835GHZ，5GHZ 的 工作范圍是5.15GHZ—5.35GHZ 以 及5.725GHZ—5.875GHZ。

2.6 信道[6]

圖1：隧道轉(zhuǎn)發(fā)和本地轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

圖2：無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

我們將2.4GHZ 頻段又繼續(xù)劃分為14 個相互交叉重疊的頻寬為20MHZ 的信道，將5GHZ 劃分為24 個頻寬為20MHZ 的信道，其中每個信道有中心頻率，相鄰信道中心頻率的間隔為5MHZ。

2.7 漫游[7]

WLAN 中的漫游是指移動用戶從一個AP 的覆蓋范圍到達另一個AP 的覆蓋范圍，斷開與原AP 的連接，并與新AP 建立連接的程中保持網(wǎng)絡(luò)連接不間斷的技術(shù)。

2.8 隧道集中轉(zhuǎn)發(fā)和本地轉(zhuǎn)發(fā)[8]

在AC+AP 的架構(gòu)中，存在兩類報文，一類是AC 管理AP 的報文叫做控制報文，一類是用戶數(shù)據(jù)報文，叫做業(yè)務報文。AC 和AP 之間會建立CAPWAP 隧道進行通信，控制報文只在AC 和AP之間通過隧道傳輸，而業(yè)務報文有兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式，即隧道轉(zhuǎn)發(fā)和本地轉(zhuǎn)發(fā)，前者會將業(yè)務報文通過隧道發(fā)至AC，再由AC 進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)，后者業(yè)務報文不用進入隧道，無需AC 轉(zhuǎn)發(fā)，兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式的報文流向示意圖如圖1所示。

圖3：無線AP 安裝設(shè)計圖

圖4：2.4GHZ 無線信道蜂窩式布局示意圖

圖5：校內(nèi)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)鳥瞰圖

圖6：無線信道規(guī)劃圖

3 無線網(wǎng)絡(luò)場景及設(shè)計方案

3.1 WLAN的場景

遵義醫(yī)科大學新浦校區(qū)占地約1800 余畝，其中建筑單體共有31棟，占地179畝。包括綜合性教學樓3棟，專業(yè)實驗性教學樓10棟，學生宿舍樓10 棟，食堂3 棟，行政辦公樓2 棟，體育館2 棟，會堂1 棟。

WLAN 的設(shè)計規(guī)劃為：將無線信號充分覆蓋到除廁所外的各個室內(nèi)和室外區(qū)域，具體分為以下幾種場景：

3.1.1 室內(nèi)場景

室內(nèi)場景主要包括學生宿舍，大小教室，辦公室，大小會議室，食堂，大小實驗室，體育館，會堂。其中教室、實驗室和會議室的大小標準以能夠容納的人數(shù)來判斷，能容納20 人到60 人的教室稱為小教室，能容納60 人以上200 人以下的稱為大教室，會議室與實驗室與之同標準。

3.1.2 室外場景

室外場景主要包括體育場，室外人行道，山體及人工造景休閑公共區(qū)域等。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

我校的無線網(wǎng)絡(luò)采用扁平化設(shè)計，整個網(wǎng)絡(luò)中包括四類設(shè)備，即AC，AP，POE 交換機以及核心交換機，網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

3.3 無線AP安裝設(shè)計方案

為滿足WLAN 的實用性，安全性，可靠性，先進性，可擴展性和可管理性，學校的無線局域網(wǎng)設(shè)計方案如下：

總體采用AC+FIT AP 的組網(wǎng)模式，AP 只負責無線信號的處理，對于用戶的管理，AP 的相關(guān)配置集中到AC 進行，可以簡化無線網(wǎng)絡(luò)的管理。采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡化網(wǎng)絡(luò)組建的復雜度。具體方案按照無線覆蓋場景細化：

3.3.1 學生宿舍

我校的學生宿舍均為標準4 人間，考慮到性價比，所以采用兩間寢室共用一個AP，對AP 的要求較低，但數(shù)量較大，上行處理能力要求較高。宿舍內(nèi)AP 安放示意圖如圖3所示。

如圖3所示的相鄰四間宿舍，在宿舍1 和宿舍3 的相應位置放置AP，正確調(diào)整AP 方向，和射頻功率，使得AP1 的無線信號能夠覆蓋宿舍1 和宿舍2，AP2 的無線信號能夠覆蓋宿舍3 和宿舍4。

3.3.2 小面積室內(nèi)場景

小面積室內(nèi)場景包括小教室，小會議室，小實驗室，這類場景選用普通放裝AP，每一間小教室放置一個AP。

3.3.3 大面積室內(nèi)場景

大面積室內(nèi)場景包括大教室，大會議室，大實驗室，食堂，體育館，會堂，這類場景選用高性能放裝AP，每一間大教室放置一個AP，若教室能夠容納超過80 人，視情況放置多臺AP。

3.3.4 室外場景

室外場景選用防水防塵性能好的室外AP，根據(jù)AP 的覆蓋距離，在適當?shù)牡攸c安放AP。

3.4 無線信道優(yōu)化設(shè)計方案

WLAN 的無線頻段為2.4GHZ 和5GHZ，前者被分為14 個頻寬為20MHZ 的信道，而每一個信道的中心頻率間隔是5MHZ，這樣劃分，對于2.4GHZ 頻段來說，可以找到3 個完全不重合的信道，即信道1，信道6和信道11。5GHZ頻段的信道數(shù)量遠遠超過2.4GHZ，其中完全不重合的信道更是有22 個。由于信道的重合會產(chǎn)生極大的干擾，用戶體驗度會大幅降低，所以在設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)方案的時候，必須包含信道優(yōu)化方案，5GHZ 因為完全不重合的信道很多，這些信道間干擾不強，所以無需刻意優(yōu)化，信道優(yōu)化主要針對2.4GHZ頻段。

著名的信道優(yōu)化方案是蜂窩式布局方案，能夠在保證相鄰的兩個無線AP 的信道完全不重疊的情況下最密集的部署AP，與一個AP 相鄰部署的AP 最多可達到6 個，蜂窩式布局示意圖如圖4所示。

但在實際應用中，在室內(nèi)部署的無線AP 的密度一般會小于上述情況，也就是說與某一個AP 相鄰的AP 數(shù)量小于6 個，我校的建筑內(nèi)部均為中間走道，房間分部兩側(cè)的布局，其鳥瞰圖如圖5所示。

針對這樣的布局，其信道優(yōu)化比蜂窩式布局更簡單，總體原則即為保證相鄰兩個AP 信道不重疊，對于一棟五層的建筑，其信道規(guī)劃如圖6所示。

每一行表示一個樓層，每一個格子表示一個房間，格子里的數(shù)字表示信道編號，這樣規(guī)劃無線信道，可將信道干擾降至最低。

對于室外AP 的信道規(guī)劃，也按照上述原則，降低相互間的信道干擾。

3.5 無線漫游設(shè)計方案

大型園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)與家庭無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最大的區(qū)別在于漫游的設(shè)計與實現(xiàn)，在一個區(qū)域中若存在多個AP，便涉及到終端漫游，漫游的目的是為了保障終端從一個AP 移動到另一個AP 的過程中網(wǎng)絡(luò)不間斷。我校的漫游設(shè)計方案為，將各AP 配置相同的SSID，綁定相同的服務模板即可實現(xiàn)漫游功能。

4 無線網(wǎng)絡(luò)存在的問題和優(yōu)化

4.1 信號干擾

在無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期只對信道進行了規(guī)劃，沒有考慮信號強弱的干擾，對于無線網(wǎng)絡(luò)，為了保障漫游效果，使終端始終與AP 保持連接，在整個無線信號覆蓋的范圍內(nèi)，存在很多信號重疊的區(qū)域，若用戶長時間停留的地方恰好處于這樣的區(qū)域，終端很可能會選擇效果不好的AP 而摒棄效果優(yōu)越的AP。針對這樣的情況，可以從三個方面進行優(yōu)化：

4.1.1 調(diào)整AP 射頻卡的發(fā)射功率

調(diào)小信號重疊區(qū)域無線信號質(zhì)量較弱的AP 的射頻卡發(fā)射功率，讓終端與之斷開連接，再與質(zhì)量較好的AP 建立連接。

4.1.2 終端自主選擇

某些較高級的終端可以設(shè)置弱信號閾值，達到這個值后可以自動斷開連接，再選擇質(zhì)量較好的信號重新連接。

4.1.3 啟用AP 拒絕和剔除弱信號終端功能

在無線通信過程中，除了AP 會發(fā)送無線信號，終端也會發(fā)射無線信號，在AP 上設(shè)置兩個弱信號閾值，一個用于拒絕AP 接入，另一個用于剔除弱信號終端，為了避免終端反復接入又被反復剔除，前者應當小于后者，考慮到實際場景中的無線信號強度波動及誤差，兩者的差值設(shè)置在3dBm 到5dBm 為宜。

4.2 跨AC漫游問題

由于我校網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，設(shè)備多，考慮到性能問題，我們采用的是雙AC 架構(gòu)，在后期使用中，發(fā)現(xiàn)終端在單臺AC 管控下的AP之間漫游沒有問題，但是跨AC 漫游不可實現(xiàn)，表現(xiàn)為終端在兩臺不同AC 控制的AP 之間移動時，無法實現(xiàn)漫游，尤其是在信號重疊區(qū)域，只要沒有達到AP 的剔除信號閾值，終端不會主動切換到信號質(zhì)量較好的AP 上來，導致用戶體驗度下降。

針對上述情況，我們利用vlan-group 技術(shù)來實現(xiàn)跨AC 漫游，其配置思路為：

（1）在兩臺AC 上分別創(chuàng)建相同的業(yè)務vlan 組，配置命令如下：

vlan-group roam//roam 為vlan 組的名稱

vlan-list 3001 to 3128//vlan 組里包含vlan3001 到vlan3128

（2）將兩臺AC 上與核心交換機連接的端口配置成為Trunk模式，并允許vlan 組里的所有vlan 通過，配置命令如下：

port trunk permit vlan 3001 to 3128

（3）在配置AP 使用服務模板時，綁定的vlan 為vlan 組的名稱，配置命令如下：

service-template WIFI vlan-group roam//WIFI 為服務模板的名稱

（4）在兩臺AC 上配置漫游組，具體配置如下：

wlan mobility-group ZMU//ZMU 為漫游組名稱

source ip 1.1.1.1//1.1.1.1 為本AC 的ip 地址

member ip 2.2.2.2//2.2.2.2 為另一臺AC 的ip 地址

4.3 隧道集中轉(zhuǎn)發(fā)性能瓶頸問題

AC 默認配置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式為隧道集中轉(zhuǎn)發(fā)，由于我校用網(wǎng)高峰期時在線用戶數(shù)量大，導致AC 負荷過高，使得用戶數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴重丟包現(xiàn)象，此時需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式變更為本地轉(zhuǎn)發(fā)，隧道集中轉(zhuǎn)發(fā)與本地轉(zhuǎn)發(fā)的區(qū)別為前者的業(yè)務數(shù)據(jù)會進行封裝進入隧道傳向AC，再由AC 進行集體轉(zhuǎn)發(fā)，后者業(yè)務數(shù)據(jù)直接由終端發(fā)往AP，再發(fā)往核心交換機，不用經(jīng)歷封裝過程，也不用經(jīng)過AC，這樣做大幅降低了AC 的運行壓力，避免了由于AC 性能瓶頸帶來的丟包問題，有效提高了用戶體驗度。

5 結(jié)束語

WLAN 是使用最為廣泛，技術(shù)也相對成熟的無線接入方式，但在多數(shù)大型園區(qū)中的應用總會存在各種問題，導致用戶體驗不佳。對于網(wǎng)絡(luò)管理員來講，巨大數(shù)量的設(shè)備維護也是一件令人頭疼的事情，所以本文梳理了我校無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以來遇到的一些常見問題以及解決優(yōu)化的方案，從實際應用效果來看，這些優(yōu)化方法會起到立竿見影的效果。雖然5G 時代已經(jīng)來臨，但WLAN 由于大量的使用，依然會長時間活躍在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，不斷解決和優(yōu)化在WLAN 使用中的難題，對于用戶和管理員來說都具有重要的現(xiàn)實意義。