计算机网络实验中的无线组网方式研究与探索

刘进 王宗武 樊克利 孙翠娟

摘要：针对传统计算机通信与网络实验教学中教学内容局限于有线网络的问题，以加深学生对无线技术基础理论知识的理解，提高学生对无线网络管理与测试能力为目标，实践探索出计算机通信与网络实验教学中无线网络的组网方式、无线网络的管理与测试实验教学内容，拟在为计算机专业实验课教师有效开展无线组网实验教学提供参考。

关键词： 计算机通信与网络; 无线技术; 组网方式;无线网络管理与测试

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）10-0063-02

无线局域网（WLAN）是无线通信技术与网络技术结合的产物，网络设备之间通过无线信道来实现移动化、个性化和宽带化的无线通信。众所周知，有线网络架设成本较高，在穿墙凿壁、空中飞线等应用场景中布线难度大，而且存在光纤成本高、双绞线远距离信号较弱、复杂布线影响市容形象等众多问题。无线网络具有安装快速简单、设备安装和位置调整灵活、通信范围不受环境条件的限制、网络布线等综合成本低的显著优势，有效解决了有线网络中遇到的网络架设成本高、布线数量剧增及布线难度大等问题，使网络用户任意对有线网络进行扩展和延伸[1]，将是未来发展的必然。

随着无线技术和无线网络的日益成熟，无线网络应用的逐渐推广，仅局限于有线网络的教学内容显然已经不能适应当前本科生实验能力培养的需要，急需为学生开设无线局域网组建、管理与测试有关的实验[2-5]。在此背景下，笔者在计算机通信与网络实验教学中引入无线组网的实验内容，尝试实践了加深学生对无线技术基础理论知识的理解，培养学生对无线网络管理与测试能力的达成。

论文结构主要分为以下几部分：第一部分，旨在加深学生对无线技术基础知识理论的理解;第二部分，旨在让学生了解目前主流的无线组网架构;第三部分，拟为学生教授无线网络配置和管理的基本操作;第四部分，指导学生掌握基本的无线网络测试手段，验证网络配置的正确性，并进一步加深对无线网络基础理论知识的理解和认识。

1 无线技术基础理论知识

1.1了解无线理论知识

通信技术可以分为有线通信和无线通信两大类。通信双方如果借助电缆、网线、光纤等有线介质传播数据使用的就是有线通信技术;如果借助电磁波在空气中传播数据，利用的就是无线通信技术。在有线介质上传播信息，传输数据速率很高，以光纤为例，单条光纤最大速度可以达到26Tbps，而目前主流的4G LTE无线通信理论速率只有 150Mbps。因此，信息数据在空中通过电磁波传播部分才是移动通信的瓶颈所在。所以，现在人们所说的5G移动通信，就是要实现无线终端设备端到端的高速率信息数据传输，重点则是要突破信息数据在无线传输部分的瓶颈 。

无线技术的基本原理可以用光速等于波长乘以频率这么一个简单的物理学公式进行描述，早期的1G、2G、3G通信技术，以及现在主流的4G甚至于5G移动通信技术，都是基于这个公式开展研究。随着无线通信技术的发展，电波使用的频率是越来越高，能够使用的频率资源越丰富，传输速率也就越高。目前全球主流的 4G LTE 技术标准，属于特高频和超高频（0.3GHz～30GHz），而5G移动通信目前国际上主要使用 28GHz 进行試验，利用光速和通信频率可以计算出5G移动通信使用的电磁波波长约为10.7mm，因此 5G技术的一个显著特点就是使用毫米波进行通信。

1.2了解IEEE 802.11系列无线网络标准

目前常见的无线网络标准以IEEE 802.11系列为主[6]。它是IEEE国际电气和电子工程师协会制定的一个通用无线局域网标准。目前电子产品中最常见的标准是802.11n/b/g，802.11a，802.11ac等标准。区别这些802.11标准重要参考指标就是工作频段，比如802.11n/b/g主要的工作频段就是2.4GHz，而802.11a/ac工作的主要频段就是5GHz。目前几乎所有的无线设备都支持802.11n标准，也就是支持2.4GHz的工作频段的连接。而如果使用的无线终端设备如手机、平板等或者无线路由设备支持802.11ac标准，就可以判定它支持5GHz频段连接。

2 无线组网方式

目前主流的无线网络组网方式采用无线瘦AP（access point，无线接入点或者无线访问节点）的方式，即AC（access control，接入控制器）来统一管理AP的方式进行组建。其中，AP主要提供无线工作站对有线局域网和从有线局域网对无线工作站的访问，是无线网络与有线网络之间沟通的桥梁，也是组建无线网络的核心;AC是无线接入的控制服务器，负责把来自不同AP的数据进行汇聚并接入Internet，同时完成AP设备的配置管理，如无线用户的认证、管理及宽带访问、安全控制等控制功能。当AP数量增加时，就可以接入无线AC从而形成一个大型的集中管理系统。

目前在高校实验室现有条件下开展无线网络实验，可以尝试采用以下三种方式：一是采用虚拟仿真的实验形式[7-8]，即采用思科的Cisco Packet Tracer 或者华为的eNSP仿真软件开展无线网络仿真实验，优点是投入成本低，缺点是学生无法操作实际的网络管理设备，实验过程也不够直观;二是采用无线控制器AC和无线接入点AP设备构建无线网络环境，但是考虑到学生数量较多，如果每个学生都能实际操作无线控制器AC设备管理AP设备，那么需要采购的无线控制器AC数量就很多，考虑到无线控制器AC的单价较高和数量较多，无线网络实验环境建设成本较高;三是借助有线网络实验中用到的路由器设备中的内置无线AC功能，如国内知名网络设备厂家新华三H3C的MSR 830 5BEI-Winet等型号路由器设备实现了有线网络和无线网络融合，路由器已经集成 AC 管理功能，可对 H3C 公司的对应型号的 AP 设备进行统一管理，有效地将有线网络和无线网络融为一体，降低网络投资成本和组网的复杂度。因此，在现有有线网络教学中使用路由器设备的基础上，只需要购买与路由器内置AC相匹配型号的AP设备就可以开展无线网络实验，大大节约了无线组网实验开展所需投入的成本。

3 无线网络的配置与管理

在无线网络实验环境组建完成后，学生在无线网络环境下，需要掌握的无线网络配置管理实验内容主要可以归纳为以下几部分：

3.1 配置AC与AP建立CAPWAP隧道

AP和AC间采用CAPWAP（Controlling and Provisioning of Wireless Access Point，无线接入点控制与供应）隧道进行通信。配置的方式有创建手工AP和自动AP两种方式：创建手工AP是指用户根据AP的型号、序列号和MAC 地址等实际信息，在AC上手动创建AP;然而，当无线网络中部署的AP 数量较多时，采用手动配置AP的方式比较烦琐，开启自动 AP功能可以简化配置。

3.2AP射频管理

射频是一种高频交流变化电磁波，表示具有远距离传输能力、可以辐射到空间的电磁频率。WLAN 是利用射频作为传输媒介，进行数据传输的无线通信技術之一。射频的频率介于 300KHz 和300GHz 之间，WLAN 使用的射频频率范围为 2.4GHz 频段（2.4GHz～2.4835GHz）和 5GHz 频段（5.150GHz～5.350GHz 和 5.725GHz～5.850GHz）。射频的管理操作主要实现对AP设备的射频参数如信道、带宽、发射功率等参数的配置与管理。

3.3配置AP组

配置AP 组用来实现批量对一组 AP 进行配置和管理，AP 继承其所属组的配置来达到简化配置的目的。 在大规模无线网络中，同一 AC 管理的 AP 数量可达几千台，对每一台 AP 逐一配置将导致网络管 理难度极大提高。AP 组用来降低逐个配置 AP 的操作成本，用户可以创建多个组，对不同的组用户可以根据需要进行不同的 AP 配置。

3.4配置AP无线加密功能

WLAN 用户安全协议主要包括 Pre-RSNA、802.11i 和 802.11w。其中，Pre-RSNA 机制最早出现，安全机制不太完善;802.11i 协议是对 Pre-RSNA 的增强，但仅对无线网络的数据报文进行了加密 保护;802.11w 建立在 802.11i 框架上，对无线网络的管理帧进行保护，进一步增强了无线网络的安全性。实验中可以选择配置密钥管理模式为PSK模式、加密套件为CCMP、安全信息元素为WPA。

4无线网络的测试与验证

无线网络的测试与验证采用学生分小组合作实验的方式进行，每组4到6名学生，使用一台集成 AC 管理功能的路由器和2个对应的AP设备，构建一个小型的无线网络，完成无线网络的基础配置后，在此基础上指导开展无线漫游和无线频谱导航等测试实验，学生可以在此基础上，自己设计并完成拓展测试内容。

4.1无线漫游测试

在无线网络环境中，其中一名学生负责手持无线客户端（手机、笔记本、IPAD的无线终端设备），从一个AP的信号覆盖范围，移动到另外一个AP的覆盖范围，即WLAN 客户端从一个 AP 上接入转移到另 一个 AP 上接入的过程称为漫游。在漫游期间，其余学生观察并记录无线客户端的 IP 地址、授权信息等是否发生改变。

4.2频谱导航的测试

在无线网络环境中，学生使用的无线客户端（手机、笔记本、IPAD的无线终端设备）有些只能工作在 2.4GHz 频段上，有些客户端在 2.4GHz 频段和 5GHz 频段都可以工作，这就可能会导致 2.4GHz 射频过载，5GHz 射频相对空余。在这种情况下，指导学生配置和使用频谱导航功能，将支持双频工作的客户端优先接入 5GHz 射频，使得两个频段上的客户端数量相对均衡，从而提高整网性能。

5 结束语

学生通过学习无线局域网组建、配置管理和测试验证等无线组网实验课程的学习，将进一步加深对无线网络技术基础理论知识、发展现状及无线网络行业标准的理解，学习现在主流的无线AC+瘦 AP的无线网络架构，熟悉无线网络设备配置与管理、无线网络测试与分析等内容，提高学生对无线网络管理与测试的实践能力，同时也为学生今后在无线网络组建、管理和优化等方向理论的进一步深入研究和实践奠定基础。

参考文献：

[1] 朱鹏，胡平霞.浅析某高校无线局域网技术在校园网的应用[J].计算机时代，2020（7）：34-36.

[2] 程香.无线网络课程实验碎片化设计与实践[J].高校实验室工作研究，2016（4）：39-41.

[3] 左明慧.基于IEEE802.11高校无线校园网络覆盖设计研究[J].价值工程，2018，37（36）：199-201.

[4] 董雪.《无线局域网的组建》技术实验项目教学设计[J].中国信息技术教育，2019（11）：23-25.

[5] 陈杰，欧冬秀.WLAN无线局域网测试与分析实验设计[J].教育教学论坛，2019（1）：254-257.

[6] 刘纯勤， 李安涛. IEEE 802.11无线局域网标准[J]. 通信技术， 1998（1）：55-58.

[7] 曹雪峰，孟伟，陈日升.基于eNSP的WLAN实验设计与实现[J].实验室研究与探索，2017，36（7）：127-131.

[8] 甘卫民，李检辉.Packet Tracer中无线网络的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（34）：41-42，52.

【通联编辑：王力】