校園無線網的建設及應用研究

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，無線網絡信息技術高速發展，無線網在日常的教學生活中發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，穩定、安全、高帶寬以及低延時的無線網成為未來高校信息化基礎建設中的重要一環。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優化建設。

多年的無線網優化實踐工作使筆者認知到，對無線網的優化若只靠管理平臺的策略優化和傳輸設備介質的升級，則不能從根本上解決無線網絡質量低下的問題，最終關鍵還是要回歸到對無線網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架構為例，詳細描述了在校園無線網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。經過一段時間的驗證，無線網優化取得了一定的成效，希望能為其他高校校園無線網的優化建設提供參考思路。

1 校園無線網架構

1.1 建設情況

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

表1 網絡設備數量詳情

兩個校區通過互聯網光纖連接，采用3層網絡架構，出口設在魯巷校區，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，除了數據交換功能外，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，根據使用場景的不同對應部署不同型號的設備。兩校區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管理功能，對無線信號、流量以及AP實施統一的配置與監測。同時，采用上網認證系統，實現校區內有線、無線統一身份認證與接入控制。建成后的無線網拓撲如圖1所示。

圖1 湖北開放大學無線網拓撲結構

1.2 應用情況

校園無線網絡建成后，全校600多名教職員工通過統一發放的認證賬號開始移動辦公。電子商務班、會計班等專業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。據數據統計，無線網開戶人數為1 246人，每日在線人數平均為300人，每日300M帶寬基本滿負荷運行。

2 校園無線網應用階段出現的問題

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

2.1 網絡質量問題

2.1.1 AP信號弱

AP信號弱的現象主要出現在無線網建設后的初始階段，該問題主要是由學校技術人員在校園網絡巡檢過程中發現的，具體表現為無線終端設備的信號格數少，移動過程中信號會出現無連接現象，經過對場地環境的實地查看及AP密度測試，發現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，會存在使用人數密集的時段。三是信號漫游不成功。部分場地AP設備經測試狀態正常，無明顯遮擋物，但存在信號弱的問題。經檢測發現，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

此類問題主要出現在無線網絡使用的成熟期階段，具體表現為無線信號為滿格或強信號，但連接不上網絡，主要由以下原因造成。一是其對用戶的終端限制。無線網投入使用時，學校網絡帶寬只有300M，在勉強提供有線網絡教學辦公使用的情況下，只能劃分小部分帶寬到無線網。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以上版本操作系統與銳捷無線網絡不兼容。

2.1.3 信號干擾問題

在同層的走廊有時會出現網絡信號強但無法連接的故障。經過現場測試，出現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規劃的覆蓋范圍來接入。即使該終端已經連接上規劃范圍內正確的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定。

其次，根據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在下發數據時，相鄰的AP會暫停數據的下發，并且AP的下發流量一般是接收流量的兩倍，因此在AP布置的密集區，AP下發的數據流量越大，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象是AP的退避機制造成的，依舊會重復向4號AP發送數據，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 不能上網或網速慢

在湖北開放大學帶寬未擴容前，為保障有線網絡正常的教學辦公需求，對無線網做了帶寬限制，每用戶終端帶寬限速為1 MB/s。當出現用網高峰時段，如學生機房上課時，網速會明顯下降。有狀態異常的機器出現收發大量數據包的情況，一般是終端被病毒感染或被攻擊造成的。另外，校園無線網出現過AP信號強可以連接，但只能訪問校內網站，而在訪問校外網站時無法正常連接的狀況。經檢測發現，是域名解析（Domain Name Server，DNS）服務出現故障造成的。

2.2 應用和資源不足的問題

無線網建成初期，其定位主要是校園有線網絡的信號延伸。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的優勢與吸引力。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以及便于手機端傳播的教學視頻、課件、文檔，無線校園網陷入了尷尬境地。

2.3 無線網的宣傳和維護問題

傳統有線校園網開機即可用，而為了規范管理無線網，增加了上網認證的操作環節，使用戶需經歷一段適應的過程。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更方便。

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

3 校園無線網優化方案

為解決無線網使用中的疑難雜癥，創造高質量的校園無線網使用體驗，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 優化校園網無線網絡連接

3.1.1 AP信號弱解決過程

對于無線網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現或用戶反饋的故障，針對每一個故障點進行實地測試數據，進而做細節化調整。

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使用體驗不佳的最主要原因。在無線網建設完工前，學校開始著手增加網絡帶寬的事宜，現網絡出口帶寬已從300M增加到2G，學校開放給每個用戶的無線設備連接數從1臺增加到3臺，無線網質量有了極大提升。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，學校聯系了該項目具體實施公司的網絡專家，對設備配置做了優化。

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。這種問題一般出現在空曠密集區，通過降低AP的輸出功率，將AP的輸出功率調小到12 dBm左右。經測試，終端在目標區域以外接收到的AP信號明顯降低，同時達到了降低AP同頻干擾的目的[1]。二是啟用請求發送/允許發送協議（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS），避免隱藏節點出現。RTS/CTS協議相當于一種握手協議，主要用來解決“隱藏終端”的問題[2]。三是做好虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）的隔離，提高通信速率。在無線網運維中，筆者發現無線網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段的AP進行廣播發送，并且采用最低速率。因此，同一網段內的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的隔離避免大網段的出現，這樣既減少了無線網的廣播流量，又提高了通信速率。

3.1.4 上網慢的問題解決方案

針對上網慢的問題可采取以下解決方案。首先，在網絡帶寬提高到2G后，對每用戶終端的帶寬限制開放為5M，對多媒體教室、機房采用統一網段劃分的方式，將原來的自動獲取IP改為手動設置的獨立IP，以方便統一管理。其次，采購網絡安全設備，調整網絡安全結構布局，實時監控網絡狀態及流量的使用情況，及時發現數據異常終端點。最后，把學校的DNS服務器地址加入交換設備下發地址，實現DNS雙解析保障。

3.2 加強移動端的資源建設

在進行校園無線網優化的過程中，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據打通共享，還專門建設了移動端的應用軟件App來實現辦公、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查課、借閱圖書等多種功能。不僅如此，還建設了網站群系統，把全校各類網站集中改版并統一納入網站群管理，對大部分網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質網絡資源。

3.3 加強宣傳，提高服務質量

學校制作了詳實的上網流程文檔以供下載，且建立各部門網絡管理員團隊及學生團隊以實時提供服務。積極推動無線網的應用，通過網站、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，完善網上應用的功能，讓師生體會到移動校園網帶來的便捷[4,5]。

4 工作成效

通過幾年的建設，學校完成了教學區域、辦公區域以及公共區域的無線網全覆蓋，基本解決了無線網無信號、信號弱、無連接等問題。校園主干帶寬已提升至萬兆，校園網出口帶寬達到2G，校園無線網單用戶的下行速度達到5 MB/s。加強了網絡安全配置，讓學校師生可以流暢、安全地通過無線終端訪問網絡資源。建立了數字化校園平臺，打通學校教務、財務、人事、后勤以及學工等部門的核心數據通道，讓教職工通過統一身份認證后可以方便地在網上辦公、教學并管理。建設了學校網站群，開放網站群的移動版，同時學校利用數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絡下進行操作，此外開展了多次大型校園移動OA辦公系統的培訓會議。

5 結 論

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