校園無線網(wǎng)的建設及應用研究

杜 煉，鄒時雨，丁桂元

（湖北開放大學，湖北 武漢 430074）

0 引 言

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

多年的無線網(wǎng)優(yōu)化實踐工作使筆者認知到，對無線網(wǎng)的優(yōu)化若只靠管理平臺的策略優(yōu)化和傳輸設備介質的升級，則不能從根本上解決無線網(wǎng)絡質量低下的問題，最終關鍵還是要回歸到對無線網(wǎng)實際使用問題的解決上來。本文以湖北開放大學校園無線網(wǎng)架構為例，詳細描述了在校園無線網(wǎng)的實際使用過程中師生用戶實際遇到過的疑難問題，分析存在的問題并提出對應的解決方案。經(jīng)過一段時間的驗證，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)化建設提供參考思路。

1 校園無線網(wǎng)架構

1.1 建設情況

湖北開放大學分為兩個校區(qū)，全日制學生規(guī)模近萬人。目前已完成全部辦公區(qū)、教學區(qū)以及公共區(qū)域的無線網(wǎng)絡覆蓋，共部署無線訪問接入點（Wireless Access Point，AP）642個，其中包含15個備用，詳細的網(wǎng)絡設備如表1所示。

表1 網(wǎng)絡設備數(shù)量詳情

兩個校區(qū)通過互聯(lián)網(wǎng)光纖連接，采用3層網(wǎng)絡架構，出口設在魯巷校區(qū)，通過安全防火墻等安全設備連接到4臺高性能核心交換機，匯聚層采用萬兆全光口交換機，接入層采用萬兆POE交換機，除了數(shù)據(jù)交換功能外，還為無線AP設備提供供電。無線接入點采用802.11N或802.11AC標準，根據(jù)使用場景的不同對應部署不同型號的設備。兩校區(qū)分別部署了一臺無線控制器，即交流電（Alternating Current，AC）設備，以提供高性能的無線網(wǎng)管理功能，對無線信號、流量以及AP實施統(tǒng)一的配置與監(jiān)測。同時，采用上網(wǎng)認證系統(tǒng)，實現(xiàn)校區(qū)內有線、無線統(tǒng)一身份認證與接入控制。建成后的無線網(wǎng)拓撲如圖1所示。

圖1 湖北開放大學無線網(wǎng)拓撲結構

1.2 應用情況

校園無線網(wǎng)絡建成后，全校600多名教職員工通過統(tǒng)一發(fā)放的認證賬號開始移動辦公。電子商務班、會計班等專業(yè)的師生通過智能終端開始移動教學。全校會議室的終端設備開始使用無線連接。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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帶寬基本滿負荷運行。

2 校園無線網(wǎng)應用階段出現(xiàn)的問題

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

2.1 網(wǎng)絡質量問題

2.1.1 AP信號弱

AP信號弱的現(xiàn)象主要出現(xiàn)在無線網(wǎng)建設后的初始階段，該問題主要是由學校技術人員在校園網(wǎng)絡巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為無線終端設備的信號格數(shù)少，移動過程中信號會出現(xiàn)無連接現(xiàn)象，經(jīng)過對場地環(huán)境的實地查看及AP密度測試，發(fā)現(xiàn)主要由以下原因引起。一是建筑結構阻隔。學校的辦公室場地很多采用鋼混墻壁，有些辦公室擺放了鐵皮文件柜，會阻擋AP信號，另外部分室外場地有大量密植被，也會遮擋AP信號。二是AP部署稀疏。部分會議室、階梯教室等場地的占地面積大，會存在使用人數(shù)密集的時段。三是信號漫游不成功。部分場地AP設備經(jīng)測試狀態(tài)正常，無明顯遮擋物，但存在信號弱的問題。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該場所位于多處AP信號范圍內，當終端從別處移動過來時，信號仍連接在遠處AP，沒有產生漫游。

2.1.2 AP無法連接

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

2.1.3 信號干擾問題

在同層的走廊有時會出現(xiàn)網(wǎng)絡信號強但無法連接的故障。經(jīng)過現(xiàn)場測試，出現(xiàn)這種問題的位置一般都會接收到附近幾個AP的信號，并且這些AP的信號強度都很相近，原因如下[1]。

首先，在這種情況下，因為終端附近幾個AP的信號強度都很相近，所以此終端在選擇接入AP的時候會有很大的不確定性，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)劃范圍內正確的AP，但此時也會因為該范圍內有很多其他信號強度相近的AP信號而導致該終端的連接不穩(wěn)定。

其次，根據(jù)AP的退避機制，同一時間多個相鄰AP之間會共享同一信道，當一個AP在下發(fā)數(shù)據(jù)時，相鄰的AP會暫停數(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的同頻退避機制會造成終端的丟包率大幅增加。例如，一個終端同時能收到4個AP的同頻信號，該終端需要連接的是4號AP的信號，而此時1號AP造成了其他AP的退避，導致4號AP無法響應終端的連接，但此時終端并不知道此現(xiàn)象是AP的退避機制造成的，依舊會重復向4號AP發(fā)送數(shù)據(jù)，因此造成丟包率的大幅增加，導致通信的連接速率下降，響應時間變長。

2.1.4 不能上網(wǎng)或網(wǎng)速慢

在湖北開放大學帶寬未擴容前，為保障有線網(wǎng)絡正常的教學辦公需求，對無線網(wǎng)做了帶寬限制，每用戶終端帶寬限速為1 MB/s。當出現(xiàn)用網(wǎng)高峰時段，如學生機房上課時，網(wǎng)速會明顯下降。有狀態(tài)異常的機器出現(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信號強可以連接，但只能訪問校內網(wǎng)站，而在訪問校外網(wǎng)站時無法正常連接的狀況。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，是域名解析（Domain Name Server，DNS）服務出現(xiàn)故障造成的。

2.2 應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)絡的信號延伸。由于沒有移動端的應用及資源做支撐，師生沒能充分體驗到校內無線網(wǎng)的優(yōu)勢與吸引力。此外，由于缺乏移動辦公、移動教學、移動支付、移動宣傳等方面的信息系統(tǒng)以及便于手機端傳播的教學視頻、課件、文檔，無線校園網(wǎng)陷入了尷尬境地。

2.3 無線網(wǎng)的宣傳和維護問題

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

無線網(wǎng)在試運行期間，由于不斷進行調優(yōu)設置，影響了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，加之用戶已經(jīng)習慣了使用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡流量，因此在宣傳和培訓工作沒有及時跟上的情況下，用戶對無線校園網(wǎng)產生了誤解。此外，網(wǎng)絡管理人員尚缺乏無線網(wǎng)的知識儲備與維護經(jīng)驗，使其運維效率不如傳統(tǒng)有線網(wǎng)，從而降低了用戶體驗感。

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)造高質量的校園無線網(wǎng)使用體驗，筆者所在團隊針對每個問題提出了解決思路，并通過了實踐驗證與檢驗。

3.1 優(yōu)化校園網(wǎng)無線網(wǎng)絡連接

3.1.1 AP信號弱解決過程

對于無線網(wǎng)實際使用過程中的建筑結構阻隔問題以及AP部署稀疏問題，解決方式應因地制宜。在辦公教學密集區(qū)可增加AP密度或改放裝AP為高密AP，對多隔層辦公場地可采用面板AP和調整AP位置的措施。對于信號漫游問題，首先從全局上調整信號漫游機制，然后針對在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)或用戶反饋的故障，針對每一個故障點進行實地測試數(shù)據(jù)，進而做細節(jié)化調整。

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無線網(wǎng)使用體驗不佳的最主要原因。在無線網(wǎng)建設完工前，學校開始著手增加網(wǎng)絡帶寬的事宜，現(xiàn)網(wǎng)絡出口帶寬已從300M增加到2G，學校開放給每個用戶的無線設備連接數(shù)從1臺增加到3臺，無線網(wǎng)質量有了極大提升。對于部分蘋果設備版本連接“HUBSTC-1X”信道時無法彈出認證頁面的故障，學校聯(lián)系了該項目具體實施公司的網(wǎng)絡專家，對設備配置做了優(yōu)化。

3.1.3 信號干擾問題的解決方案

關于信號干擾問題的解決方案主要有以下幾點。一是調整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的輸出功率調小到12 dBm左右。經(jīng)測試，終端在目標區(qū)域以外接收到的AP信號明顯降低，同時達到了降低AP同頻干擾的目的[1]。二是啟用請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS），避免隱藏節(jié)點出現(xiàn)。RTS/CTS協(xié)議相當于一種握手協(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)運維中，筆者發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)中會存在大量的廣播報文，在同一VLAN中，這種廣播報文會向所有網(wǎng)段的AP進行廣播發(fā)送，并且采用最低速率。因此，同一網(wǎng)段內的AP終端越多，帶寬的利用率就越受影響[3]。于是在二層交換機上對不同的用戶段進行VLAN的詳細劃分，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

針對上網(wǎng)慢的問題可采取以下解決方案。首先，在網(wǎng)絡帶寬提高到2G后，對每用戶終端的帶寬限制開放為5M，對多媒體教室、機房采用統(tǒng)一網(wǎng)段劃分的方式，將原來的自動獲取IP改為手動設置的獨立IP，以方便統(tǒng)一管理。其次，采購網(wǎng)絡安全設備，調整網(wǎng)絡安全結構布局，實時監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)及流量的使用情況，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常終端點。最后，把學校的DNS服務器地址加入交換設備下發(fā)地址，實現(xiàn)DNS雙解析保障。

3.2 加強移動端的資源建設

在進行校園無線網(wǎng)優(yōu)化的過程中，還要加強移動端的資源建設。學校投入3×106元建設數(shù)字化校園平臺建設項目，不僅將教務、財務、人事、后勤以及學工等核心數(shù)據(jù)打通共享，還專門建設了移動端的應用軟件App來實現(xiàn)辦公、辦事、查工資以及訪問校內信息等多種功能。學生通過移動平臺可以實現(xiàn)查課、借閱圖書等多種功能。不僅如此，還建設了網(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，對大部分網(wǎng)站配套建設相應的手機版本。另外，通過建設高品質的虛擬演播室，錄播一批便于多終端傳播的優(yōu)質網(wǎng)絡資源。

3.3 加強宣傳，提高服務質量

學校制作了詳實的上網(wǎng)流程文檔以供下載，且建立各部門網(wǎng)絡管理員團隊及學生團隊以實時提供服務。積極推動無線網(wǎng)的應用，通過網(wǎng)站、QQ群以及宣傳標識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，主動巡檢、調研、收集大家的意見和建議并加以診斷與改進。此外，以移動迎新和移動辦公為抓手，完善網(wǎng)上應用的功能，讓師生體會到移動校園網(wǎng)帶來的便捷[4,5]。

4 工作成效

通過幾年的建設，學校完成了教學區(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、信號弱、無連接等問題。校園主干帶寬已提升至萬兆，校園網(wǎng)出口帶寬達到2G，校園無線網(wǎng)單用戶的下行速度達到5 MB/s。加強了網(wǎng)絡安全配置，讓學校師生可以流暢、安全地通過無線終端訪問網(wǎng)絡資源。建立了數(shù)字化校園平臺，打通學校教務、財務、人事、后勤以及學工等部門的核心數(shù)據(jù)通道，讓教職工通過統(tǒng)一身份認證后可以方便地在網(wǎng)上辦公、教學并管理。建設了學校網(wǎng)站群，開放網(wǎng)站群的移動版，同時學校利用數(shù)字化校園平臺進行迎新工作，移動報名與信息審核等都在無線網(wǎng)絡下進行操作，此外開展了多次大型校園移動OA辦公系統(tǒng)的培訓會議。

5 結 論

無線網(wǎng)投入使用以來，以強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，校園師生對無線網(wǎng)的應用需求將越來越高，無線網(wǎng)的質量將成為校園信息化發(fā)展過程中的關鍵。而無線網(wǎng)的質量問題并不會隨著WiFi6、全光扁平網(wǎng)絡等技術的更新?lián)Q代而消失，如硬件兼容、同頻調優(yōu)、資源建設以及使用培訓等優(yōu)化方法將會繼續(xù)使用。