校园网无线覆盖解决方案.docx
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校园网无线覆盖解决方案
校园网无线覆盖解决方案
怀教网络技术服务有限公司
20014年1月
一.
概述
在“科教兴国”的政策的指引下，教育信息化建设得到了迅猛的发展。
在近两年，各学校、教育机关和相关机构的网络建设进入新一轮发展高潮，各大中小学校陆续建设起符合当今教学要求的校园网络。
在相对发达地区，不少学校甚至对已建立校园网络进行改造升级。
随着发展，新的应用需求也层出不穷，对网络建设、改造有了更高的需求：
个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到了广泛的应用。
为了实现使用户能够在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体发展。
无线时代正在来临，这意味着可以在任何便于工作的地方，在教室、实验室、图书馆、办公室、餐厅、会议室以及在室外，都能享受工作和学习的自由和灵活性。
无线局域网具有的高灵活性和可靠性正在成为每个学校根本的、必备的合作工具。
无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体化应用提供了潜在的手段。
在互联网高速发展的今天，无线局域网将是未来发展的趋势，必将最终代替传统的有线网络。
随着社会对计算机依赖性的迅速增加，用户要求互连的计算机数量更多，类型也更为复杂。
现代电子技术的发展，使人们可以根据不同的要求选择不同的网络方案，但传统有线网络由于受设计或环境条件的制约，在物理、逻辑和资金方面普遍存在着一系列问题，特别是当涉及到网络移动和重新布局时。
所以发展一种可行的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充已成为一种需要。
进入90年代以来，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到了广泛的应用。
为了实现使用户能够在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体发展，因此更进一步的推动了无线局域网（WirelessLAN，简称WLAN）的发展。
无线局域网有了突破性的进展是在IEEE802.11标准颁布以后，它的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。
802.11标准除了体现了无线局域网的优点和各种不同的性能以外，还使得各种不同厂商的无线产品得以兼容，从而促进了无线局域网的全面发展，结束了多种标准共存的混乱局面。
目前，802.11b标准已是最成熟的无线应用的标准，并且也是无线局域网当中应用最多协议标准，已经得到了无线移动环境的广泛接受，在未来的无线技术发展的过程中802.11g和802.11a标准将以更高的性能推动无线局域网WLAN的发展。
伴随着校园信息化水平的提高，学校的老师和学生对随时随地接入网络进行教学和科研的需求越来越普遍；与此同时，无线技术迅速发展，WLAN已经由最初只支持11Mbps速率的802.11b标准发展到支持54Mbps速率的802.11a和802.11g标准，目前支持300Mbps速率的802.11n产品也正在逐步标准化；无线终端日渐普及，伴随着笔记本电脑的普及，无线网卡成为笔记本电脑的标准配置之一；WLAN技术和学校需求相结合，推动了无线校园网技术的发展，根据权威机构调查，目前国内超过75%的985高校已经规模建设无线校园网，超过30%普通高校也已经完成无线校园网的规模部署。
二.无线局域网的特点及应用环境
1.有线局域网已成为移动办公的束缚
随着Internet的高速发展，局域网也越来越普及，不仅公司、企业、事业单位建立了局域网，许多办公室、家庭里面的小型局域网也纷纷的出现。
这种局域网一般都是需要综合布线的有线网络，它的出现解决了人们网络联通的问题，大大提高了办公效率，并且数据传输速率也日趋加快，但同时也存在着许多问题。
有线局域网大多将基础布线和设备隐蔽在墙壁之内或者埋在地下，因此综合布线将是非常令人头痛的事情。
设计线路的走向、开挖布线槽、敷设线路、调试……等等，既耗费人力财力又浪费大量时间。
不但如此，布线之后的线路维护、线路监测等事情更是费时费力。
而且，这种传统的有线网络不能摆脱线路的束缚，不能根据实际情况随意的改变网络的结构，更不能实现现代化移动办公的需要，也就不能进一步提高网络办公的工作效率。
2.无线局域网的特点
无线局域网的出现使有线网络所遇到的问题迎刃而解，它可以使用户任意对有线网络进行扩展和延伸。
只是在有线网络的基础上通过无线接入器、无线交换机、无线网卡、无线控制器等无线设备使无线通信得以实现。
在不进行传统的布线的同时，提供有线局域网的所有功能，并能够随着用户的需要随意的更改扩展网络，实现移动应用。
在园区无线局域网内可以使用一个或几个无线交换机来管理大量的AP或者用于混合有线/无线局域网。
当AP的增加时，就可增加无线交换机而形成一个大型的集中管理系统。
由于扩展简便，支持下一代高速AP的千兆速率和支持企业范围内网间漫游的三层路由，无线交换机提供一个架构，简化并且一体化了一个特别复杂的WLAN环境，轻松的为将来的技术升级准备了一个现有的网络。
无线局域网具有传统有线网络无法比拟的特点：
⏹灵活性，不受线缆的限制，可以随意增加和配置工作站；
⏹低成本，无线局域网不再需要大量的工程布线，同时节省了线路维护的费用；
⏹移动性，不受时间、空间的限制，用户可在网络中漫游；
⏹易安装，对于有线网络来说，无线局域网的组建、配置和维护更为容易。
而且，通信范围不受环境条件的限制，网络传输覆盖范围大大的拓展，室外可以传输几百米、室内可以传输数十、几百米。
在网络数据传输方面也有与有线网络等效的安全加密措施。
3.无线局域网应用的环境
所有这些无线局域网的特点使其可以广泛使用在以下的领域：
⏹移动办公的环境：
大型企业、医院等移动工作的人员应用的环境；
⏹难以布线的环境：
历史建筑、校园、工厂车间、城市建筑群、大型的仓库等不能布线或者难于布线的环境；
⏹频繁变化的环境：
活动的办公室、零售商店、售票点、医院、以及野外勘测、试验、军事、公安和银行金融等，以及流动办公、网络结构经常变化或者临时组建的局域网；
⏹特殊项目的局域网：
航空公司、机场、货运公司、码头、展览和交易会等；
⏹小型网络用户：
办公室、家庭办公室（SOHO）用户；
三.无线局域网技术介绍
1.无线网络标准
⏹IEEE802.11标准
IEEE802.11标准是无线局域网的标准之一，是无线领域目前最为成熟的网络标准。
该标准定义了OSI七层模型中的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的协议规范，其中MAC层是重点。
它的制定使得各厂商之间的无线产品在物理层上实现互操作，而逻辑链路层（LLC）是一致的，即MAC层以下对网络应用是透明的。
在MAC层以下，802.11规定了三种发送及接收技术：
扩频（SpreadSpectrum）技术；红外（Infared）技术；窄带（NarrowBand）技术。
扩频技术又分为直接序列（DirectSequence,DS）扩频技术和跳频（FrequencyHopping,FH）扩频技术。
2000年8月，802.11标准得到了进一步的修订和完善，并成为IEEE/ANSI和ISO/IEC的一个联合标准。
此次修订的内容包括用一个基于SNMP的MIB来取代原来基于OSI协议的MIB。
另外还增加了两项新的内容：
802.11a——它扩充了802.11物理层，规定该层使用5GHz的频带，采用正交频分复用（OFDM）调制数据，传输速率范围为6Mbps～54Mbps，这样的速率既能满足室内的应用，也能满足室外的无线应用。
802.11b——它是802.11标准的另一个补充，规定使用2.4GHz的频带，采用补偿码键控（CCK）的调制方法。
传输速率可以在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间自动的调整。
它是目前应用最广泛的无线局域网协议，得到了世界各大无线产品厂商的广泛支持。
⏹HiperLAN2标准
HiperLAN2是欧洲电信标准协会（ETSI）正在开发的无线网络标准，它跟802.11a标准物理层相似，同样工作在5Ghz的频带，采用正交频分复用（OFDM）调制方法。
他支持高达54Mbps的传输速率。
它的特点是：
高速传输、面向连接、支持QoS、自动频率配置、支持小区切换、安全保密、网络与应用无关。
HiperLAN标准定义了许多支持无线网络功能的信令和测量方法，包括动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等。
HiperLAN2标准是对目前无线接入系统的补充，与其它蜂窝系统比较，它的户外移动性虽然受到限制，但适用面广，可在典型的应用环境如办公室、家庭、展览厅、机场、火车站等热点地区，向终端用户提供高速数据传输。
⏹HomeRF标准
HomeRF是由家庭无线联网业界团体制定的标准，是专门为家庭用户设计的。
世界上有80多家公司支持HomeRF标准。
HomeRF工作在2.4GHz的频带，采用跳频的扩频技术，通过家庭中的一台主机在移动设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多路访问/冲突避免协议提供数据通信服务。
同时，HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。
但目前HomeRF的传输速率仅为2Mbps。
⏹Bluetooth标准
Bluetooth，蓝牙技术是1995年爱立信首先提出的概念。
是由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝等5家公司联合制定的近距离无线通讯的技术标准。
它工作在2.4GHz频带，传输速率为1Mbps，是一种无线数据与语音通信的开放性标准。
它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，使得近距离内各种信息设备能够实现无缝的资源共享。
它的主要优点是：
可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的可移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM、DECT等，引入了身份识别以后可以灵活实现漫游；功耗低，对人体危害小；集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于推广。
将来肯定会广泛的应用到通信电器设备中。
2.IEEE802.11b标准
起先，无线局域网由于传输速率低、成本高、产品系列有限、不同厂家产品不兼容等问题，致使发展缓慢，802.11标准的出现推动了无线网络的发展，但是由于传输速率只有1~2Mbps，仍不能得到广泛的推广应用。
802.11b标准的颁布给无线局域网带来了新的发展商机，它最高11Mbps的传输速率从根本上改变了无线局域网的设计和应用现状，满足了人们在一定区域内实现不间断移动办公的要求，逐渐成为全世界普遍接受的无线局域网标准，扩大了无线局域网的应用领域。
802.l1b标准工作在2.4GHz的频带，采用补偿码键控（CCK）的调制技术,传输速率最高可达到11Mbps。
802.l1b对无线局域网的最大贡献就是根据无线通信状况的变化支持物理层传输速率的动态速率的漂移，可以在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间动态的速率调整。
在MAC层，提供了CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避免技术，从而大大减小了网络上信号冲突发生的概率，大副的提高了网络效率。
并且802.11b提供了访问控制和40bit/128bitWEP加密机制。
1）802.11b传输技术
⏹直接序列扩频技术（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）
●直接序列扩频技术原理
DSSS是扩频技术的一种，802.11b标准就采用这种传输技术，它工作在ISM2.4GHz频段内，是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序去进行解码，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行摸二加。
例如:
在发射端将"1"用11000100110代替，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频；而在接收端只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"、是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。
这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机信噪比。
●DSSS扩频通信技术特点：
◆抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一，因信号接收需要扩频编码进行相关解码处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。
正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。
◆隐蔽性和保密性好
因为信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其它电信设备构成干扰。
◆易于实现码分多址（CDMA）
直接扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。
充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，可以区别不同的用户的信号，从而实现了频率复用。
发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。
◆抗多径干扰
无线通信中由于电波反射、折射所形成的多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。
◆直序扩频通信速率高
直序扩频通信速率可达2Mbps，5.5Mbps，11Mbps，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。
2）802.11b技术特点
⏹可靠的通信
抗干扰和抗多径干扰能力强，能够高速的、高质量的传输数据。
⏹低成本
节省了网络综合布线高额费用、节省租用线路月租费和线路的维护费用。
⏹灵活性
无线缆限制，可任意增加和配置工作站。
⏹移动性
允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，可在无线网络覆盖的范围内自动漫游。
⏹高吞吐量
可以实现11Mbps的数据传输速率，并可以在5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间自动速率调整。
3）802.11b网络安全机制
802.11b提供了MAC层的访问控制和加密机制，就是指的WEP（等效有线加密），为无线局域网提供了与有线网络相同级别的安全保护。
802.11b标准提供了可选的RSA40及128位的共享密钥RC4PRNG算法。
4）802.11b网络协议
⏹CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避免技术
为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD相类似的CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）协议。
CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络的集中管理。
因传输介质不同，CSMA/CD和CSMA/CA的检测方式也不同。
CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三中检测信道空闲的方式。
⏹RCT/CTS
RCT/CTS协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题。
3.IEEE802.11a标准
和802.11b相比，IEEE802.11a在整个覆盖范围内提供了更高的速度，其速率高达54Mbps。
它工作在5GHz频段，与802.11b一样采用CSMA／CA协议。
物理层采用正交频分复用OFDM代替802.11b的DSSS来传输数据。
4.IEEE802.11g标准
为了解决IEEE802.11a与802.11b的产品因为频段与物理层调制方式不同而无法互通的问题，IEEE又在2001年11月批准了新的802.11g标准。
802.11g既适应传统的802.11b标准，在2.4GHz频率下提供每秒11Mbps的传输速率；也符合802.11a标准，在5GHz频率下提供54Mbps的传输速率。
802.11g中规定的调制方式包括802.11a中采用的OFDM与802.11b中采用的CCK。
通过规定两种调制方式，既达到了用2.4GHz频段实现802.11a54Mbps的数据传送速度，也确保了与802.11b产品的兼容。
5.IEEE802.11n标准
802.11n是最新一代的无线传输标准协议，无论是无线信号的传输距离和无线数据的传输速度对比802.11a，802.11b，802.11g协议802.11n都有一个很大幅度的提升。
随着802.11n新技术的发展，目前越来越多的笔记本无线都进入了11n时代，802.11n将成为市场的主流已毋庸置疑。
1）802.11n技术的先进性
新兴的802.11n在吞吐量上有比较大的突破，是下一代的无线网络技术的标准，提供了对于带宽敏感应用所需的速率、范围和可靠性等方面的保障。
2）802.11n的优越性
⏹传输速率大幅提升
802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11g提供的54Mbps/108Mbps提高到300Mbps。
即在理想状况下，802.11n将可使WLAN传输速率达到目前传输速率的10倍左右，拷贝需要30分钟时间的视频文件，在最高数据传输率上，用802.11b拷贝文件需要耗时42分钟。
⏹覆盖范围更大
802.11n采用智分天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列系统，动态地调整波束的方向，802.11n保证让用户接收到稳定的信号，并减少其它噪音信号的干扰，覆盖范围提供出众的全家覆盖，消除死角，这使得原来需要多台11g设备的地方，只需要一台11n产品就可以了，不仅方便了使用，还减少了原来多台11g产品互联通时可能出现的信号盲点，移动性大大增强。
⏹全面兼容各标准
802.11n采用软件无线电技术解决了不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式造成系统间难以互通、移动性差的问题，这样，不但保障了与以往的802.11a、11b、11g标准的兼容，而且还可以实现与无线广域网络的结合，极大的保护了用户的投资。
6.常见的无线局域网拓扑结构
无线局域网由无线网卡、无线接入点（AP）、计算机和有关设备组成，利用天线发送信息，而无线接入点则接收与发送信息，通过以太网线连接用户计算机和公共网络。
通常采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个基本服务组（BasicServiceSet,BSS），BSS的组成通常有以下两种形式：
一种是Ad-Hoc模式，点对点的直接连接方式；一种是Infrastructure模式，通过接入点相连接的方式。
1）Ad-Hoc模式
Ad-Hoc模式是一种分布对等模式，它没有中枢链路基础结构，至少包括两个无线站点，可以是点对点也可以是点对多点，这种模式基本满足控制一个较小的区域。
Ad-Hoc模式，如下图所示：
2）Infrastructure模式
Infrastructure模式是WLAN最典型的工作模式，无线客户端可以通过无线接入器AP（AccessPoint）接入以太网共享网络资源，多个AP分布在相邻的区域可实现无线客户端的移动漫游。
如下图所示：
7.无线局域网的漫游
由于无线局域网传输距离的限制，因此若脱离其无线服务覆盖范围时通信便会中断，为解决此一问题须构建无缝的漫游连接。
如下所示以802.11b为例以三个不重迭信道1、6、11为基础向外扩充，如此当无线网卡由信道11之覆盖区漫游至信道6之覆盖区时，便能自动切换至信道6之服务区而不中断联机。
同理可再由信道6之覆盖区漫游至信道1之覆盖区。
四.校园无线局域网组网设计
1.设计目标
1）建设目的
校园网WLAN项目是建设数字化校园的重要组成部分之一，数字化校园是利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校与教学、科研、管理和生活服务有关的所有信息资源进行全面的数字化；并用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制；把学校建设成面向校园内，也面向社会的一个超越时间、超越空间的虚拟校园。
2）在校园网有线网络上构建WLAN系统
WLAN系统的基本构成主要包括接入点AP和接入控制器AC。
结合网络情况和骨干网，以及全网集中的认证，为最终用户提供移动数据网的接入服务和相关业务服务。
现有网络
3）建设范围
校园无线局域网的建设覆盖范围的确定，依据以下三条准则：
⏹有线网络无法接入的范围
主要是指室外场所，包括体育场餐厅楼道。
这些场所是很难实现有线接入网络的，采用无线的方式就可以实现大范围室外空间的覆盖，实现无线接入网络。
⏹有线网络使用不便或受限的室内空间
主要是指各会议室、大教室、办公室、图书馆阅览室、大厅、体育馆等。
这些地点空间较大，而且会有很多人同时接入网络的要求，这时采用有线的方式只能提供少量接口，不能满足该要求。
在这种情况下，就非常适合用无线网络覆盖来解决，可以允许相当数量的移动设备同时访问网络。
⏹研究需要的范围
由于该无线局域网同时要作为研究试验网，因此一定要覆盖到研究需要的范围。
综上所述，校园网的无线应用范围如下：
室内：
利用室内型AP220-E为校园热点地区，如图书馆、餐厅等场所提供无线互联网接入；室内型AP应用于办公楼、教学楼、小型会议厅等场所提供无线办公网、互联网接入；室内型AP220-E还可应用于学生公寓，为学生提供无线校园网、互联网接入。
室外：
利用室外型无线AP220-H实现对校园分散的教学楼之间的操场等户外场所，为用户提供无线网络连接服务，利用室外型AP220-H对广场、操场以及室外休憩等场所的覆盖，提供校园网、互联网接入。
2.无线局域网设计原则
根据校园的实际情况，考虑用户需求、覆盖范围、用户密度、建筑结构、业务构成等各方面的需求，校园无线局域网建设的主要是作为校园有线网络的补充，利用无线网络技术进一步扩展对学校各个大楼和室外部分区域的覆盖范围，使全校师生在学校内部能够随时随地、方便高效地使用校园网络资源；促进教学和科研发展，进一步拓展研究空间；提升校园网络环境，提高管理水平和效率，推动学校信息化建设。
因此，在设计网络方案时根据下列原则进行学校无线局域网的设计：
⏹侧重实际应用，覆盖范围要求覆盖学校内大部分区域，尤其是包括各会议室、办公室、图书资料室和大厅等教学楼、会议室和体育场场等有线网络不易覆盖的区域，为教学和学习生活提供切实可用的无线网络环境；
⏹采取通行的网络协议标准：
目前无线局域网普遍采用802.11系列标准，因此校园无线局域网将主要支持802.11a/b/g/n标准以提供可供实际应用的相对稳定的网络通讯服务；
⏹全面的无线网络支撑系统，以避免无线设备及软件之间的不兼容性或网络管理的混乱而导致的问题；
⏹保证网络访问的安全性；
⏹安全、认证、管理要求。
为了阻止非授权用户访问无线网络，以及防止对无线局域网数据流的非法侦听，无线网络要具有相应的安全手段，主要包括：
物理地址（MAC）过滤、服务区标识符（SSID）匹配、有线等效保密（WEP）、二层隔离、WPA支持等。
3.校园无线局域网设计整体架构
校园无线局域网设计可以分为室内无线局域网及室外无线局域网二部分，室内室外无线网络都可以和校园的原有的有线网络组成一个整体，校园网原有的网络系统基本不需要改变，新增的无线局域网可以作为校园网络系统的一个补
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