无线网桥在校园网络中的应用

无线网桥在校园网络中的应用蓝箭王永利(上海大学自动化系，上海延长路149号200072)摘要：本文概述了用无线网桥设计组建局域网的具体方法，讨论了无线桥接的三种模式，研究了无线网络协议的兼容性对速率的影响，以及环境与天线设备对无线网络信号的影响，对无线网络安全的设置等方面进行探讨，阐述了无线网桥在校园网中的应用。关键词：无线网桥，802.11，网络安全TheApplicationofWirelessBridgeinCampusNetworkLanJianWangYongli(DepartmentofAutomationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:Thepaperdescribestheparticularmethodtoorganizeanddesignwirelessbridgelan,anddiscussesthethreelinkmodesofwirelessbridge，andstudiesthespeedinfluence,causedbywirelesslanstandardprotocolcompatibility,andthewirelesssignalinfluence,causedbysettingentironmentandantennaequipment.Itisalsodiscussedthesettingofwirelesslansecurityandexpoundedtheapplicationofwirelessbridgeincampusnetwork.KeyWords:WirelessBridge，802.11，LanSecurity一．引言在当今科学技术高速发展的时代，无线网络在人们实际工作和生活中的应用越来越广泛，尤其是在校园网络中的应用。在一个大型校园中，一些老式的建筑由于没有考虑网络的规划，如果再采用有线网络，不但影响建筑的美观，还需要投入大量成本，因此无线网络被大量采用。同时无线网络信号在校园中进行大面积覆盖，可以满足很多笔记本、PDA等无线上网用户的需要，加快现代化校园网络建设，丰富同学们的课余生活。本文逐步探讨利用无线网桥设计组建无线局域网的问题，阐述了无线网桥在校园网中的具体应用。二．无线网桥概述无线网桥是与传统网桥相对而言的，两者之间信息传输的媒介不同。传统网桥以双绞线、同轴电缆等线缆传输信息，而无线网桥以空气作为传输介质，以微波的形式传输信息。与传统的网桥相比，其内部数据交换技术并没有本质的区别。无线网桥与传统网桥相比有移动性好、灵活性高、成本低廉、安装简便等优势。由于其传输方式的特殊性，不需要布线，容易维护。网桥是一种工作在OSI参考模型的第二层数据链路层的存储转发设备，它根据MAC地址来转发数据帧，从一个局域网接收MAC帧，拆封、校对、校验后按照另一个局域网的格式重新组装，发往它的物理层。在网络互联中它起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用。按照设计方案来分，网桥分为两种：透明网桥和源路由网桥。透明网桥对用户来说是完全透明的，不需要人工参与，它采用扩散算法转发数据，采用逆向学习算法收集MAC地址与端口的对应关系，主要用在CSMA/CD和令牌总线网络。源路由网桥需要人工参与，其发送的数据中包含路由信息，网络中的网桥根据路由信息来进行数据收发，主要用在令牌环网络。三．无线网桥组网设计利用无线网桥组网总体设计要从无线桥接方式、无线标准协议的兼容性、环境与天线设备对无线信号的影响以及网络安全设置等四个方面进行考虑。1.无线桥接的方式利用无线网桥设计网络首先要根据现场实际情况，决定采用什么样的桥接方式。采用合理的桥接方式是设计高性能无线桥接网络的基础，既达到高速稳定的连接要求，又可实现节约成本的目的。无线网桥的连接方式有三种：点对点方式(PTP)、点对多点方式(PTMP)、中继方式。1.1点对点方式（PTP）点对点方式适用于两点之间可视，视野开阔，物理设备之间没有障碍物阻挡，没有电磁干扰或者干扰比较小，且距离不是太远，符合网桥设备通讯距离的要求。一般由一对无线网桥、一对无线网卡和一对天线组成。天线可以是定向天线，也可以是全向天线。天线与网桥之间用馈线相连，网桥通过双绞线或同轴电缆等与局域网的交换机或HUB相连。如图1所示：图1无线桥接点对点方式1.2点对多点方式（PTMP）点对多点方式适用于多个局域网之间相连，结构较为复杂，设备比较多。如果有n个局域网相连，则需要n个网桥、网卡、和天线，可以使用全向天线或者定向天线。图2所示为4个局域网之间相连，局域网1、2、4均直接连接至局域网3。图2无线桥接点对多点方式1.3中继方式中继方式适用于两个局域网之间相距太远或者两局域网物理设备之间有障碍物且影响到局域网之间的连接，而第三点与这两个局域网之间均可通过无线网桥正常连接，这时候就需要在第三点接入一个无线网桥，起到信号中继的作用。利用无线网桥中继方式可以加强无线信号，增加传输距离，保证网络带宽和传输质量。如图3所示。图3无线桥接中继方式2．无线标准协议的兼容性对速率的影响无线设备使用的标准协议及协议的兼容性对设备间的连接和速率影响比较大，不同协议的最高速率不同。无线网络标准协议是由IEEE制定的802.11协议族，最初是802.11，速率可达2Mbps。随着无线微波扩频技术的发展和无线网络要求的提高，IEEE随后制定了802.11a、802.11b、802.11g，各标准协议间的差异见表1：表1无线网络标准协议族802.11802.11a802.11b802.11g工作频率(GHz)2.4～2.48355.725～5.8502.4～2.48352.4～2.4835最高速率2Mbps54Mbps11Mbps54Mbps扩频技术DSSS、FHSSOFDMDSSSDSSS、OFDM非重叠信道数31233业务类型语音、数据语音、数据、图像语音、数据、图像语音、数据、图像DSSS----DirectSequenceSpreadSpectrum直接序列扩频FHSS----FrequencyHoppingSpreadSpectrum跳频扩频技术OFDM----OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交频分多路复用802.11a协议与其它协议工作的频段不同，相互之间不兼容，不能连接。如果两个无线设备使用的协议不同但相互兼容，则两设备间协调工作在低速率状态，不能发挥设备优势。因此最好选择同一品牌同一型号的产品，以免因网桥内部技术的差别或使用标准协议的不同引起速率的下降。3.环境与天线设备对无线信号的影响无线设备工作在2.4G赫兹频段或5G赫兹频段，频率高，波长短，穿透障碍物的能力弱。无线设备的发射功率不大，一般较大的为100mw，如果周围电磁干扰比较大，或者用在比较封闭的环境，数据传输效果反而不好，甚至不能进行稳定连接。微波信号穿透一层木板，信号衰减4dB；穿透一堵砖墙，信号衰减8dB；穿透钢筋混凝土墙，信号衰减15dB。无线设备发射出的信号穿过一堵墙后就变得比较微弱了。给无线网络设备选择比较合适的安装位置，尽量减少盲区和障碍物隔离数，使信号衰减最小。如果位置选定后信号还是非常微弱，可以选择合适的天线加强发射信号。天线一般有全向天线和定向天线。全向天线辐射与接收无最大方向，多用在点对多点通信的中心台。定向天线有一个或多个辐射与接收能力最大方向，能量集中，抗干扰能力强，适合远距离通信。一般天线的增益在2.6dB，可以穿透两堵墙。高增益全向天线增益为8.5dB，定向天线增益为12dB。在学校、酒店等应用场合，一般使用全向天线，以满足使用笔记本无线上网用户的需求。4.网络安全设置由于无线网络传输介质与传输方式的特殊性，与有线网络相比，其安全性要相对差一些，传输数据容易被偷窃。无线网络的安全主要从三个方面进行设置：SSID（ServiceSetID）、MAC地址过滤、WEP（WiredEquivalentPrivacy）加密。其中SSID和MAC地址过滤是对用户访问进行控制，防止未经授权的用户接入网络；WEP加密是对传输数据进行加密，防止数据被攻击者窃听。SSID设置可以防止未经授权的用户接入网络，并可以方便地对用户群体分组。每个无线网桥设备都有一个SSID，当用户企图接入网络时，无线网桥设备首先会判断访问者的SSID与自己的是否相匹配，如果匹配，准许接入并给予服务，否者，拒绝接入，保证接入用户的可靠性。MAC地址过滤也可以防止未经授权的用户接入网络。每个网卡都有全世界唯一的物理地址（MAC地址），在无线网桥内建立一个准许接入的MAC地址表，只有表中包含的地址可以访问网络，防止非法用户的接入，保证网络的安全性。MAC地址过滤一般应用在家庭、办公室等用户固定且数量比较少的情况，便于管理。对于酒店、学校等环境，因为人员流动性比较大，且用户较多，使用MAC地址过滤不合适。WEP加密算法可以对传输数据进行64位或128位加密，防止数据被攻击者窃听、恶意纂改或伪造。在校园网的应用中一般使用64位加密，这样既保证了数据的安全性，又保正无线传输速率不会因为加密算法的使用而降低。四．无线网桥在校园网中的应用学校有相邻的两栋楼教学楼和实验楼，其中教学楼上面接有教育网宽带，实验楼未引入宽带网络。两楼相距约50米，中间是水泥混凝土路面的广场，没有任何障碍物。要在实验楼的部分实验室引入网络，约15台机器上网。按照传统的做法，要在两栋楼之间挖一条沟，铺设钢管，穿光缆，把宽带网经光缆从教学楼引到实验楼。可想而知，开地面挖沟，埋钢管，穿墙打洞，穿光缆，买光电转换器等网络设备，土建施工非常困难，设备成本高，工期长，灵活性差，特别不经济。如果采用无线网络和有线网络相结合的方式，用两个无线网桥分别连接两栋楼的局域网，使用无线网桥点对点连接方式将两个有线局域网连接起来，实现无线网络与有线网络的无缝结合，既达到了实验室上网的目的，又节约了成本，还给使用笔记本用户或无线网卡上网的用户提供了方便，而且土建施工也非常方便，只需要在实验楼无线网桥接入的位置往其它需要上网的实验室铺设超五类双绞线即可。系统图如图4所示。图4无线网桥桥接系统图无线桥接在室内的传输距离50米时的折合损耗为：105-3-117-接收灵敏度发射天线增益总衰减折合损耗9dB………………………………………………………………………（1）由无线微波在自由空间中的损耗公式20lgd20lgf32.45Ls…………………………………………………………（2）其中Ls为损耗，f为频率，d为距离得出当距离增加一倍时，信号损耗3dB。例如初始距离为0d，当距离增加一倍即1d=20d时，dB3=d2d20lg20lgd+20lgf+32.45-20lgd+20lgf+32.45=Ls-Ls=Ls000101而此时传输速率约降为原来的1/2。由于折合损耗为9dB，为3个3dB，传输速率将为原来的1/6。如果无线网桥最高速率为54Mbps，则在50米远的距离时速率为：54Mbps/6=9Mbps，此时折算到室外的传输速率为：9Mbps*3=27Mbps。表2给出了不同距离时的桥接速率理论计算值。表2不同距离时的桥接速率理论值距离40米50米60米70米总衰减113dB117dB121dB124dB折合损耗5dB9dB13dB16dB理论速率48.6Mbps27Mbps18.7Mbps15.2Mbps采用无线桥接模式实现两楼之间的网络连接，与楼内有线局域网相结合的连接方式是经济实惠、灵活方便的方案选择，且网桥间理论值为27Mbps的连接速度，实验楼内部局域网速率为100Mbps，完全满足要求。实际速率测试测试方案：两台计算机分别与两无线网桥用双绞线连接，用软件SiSoftwareSandra测试两计算机之间的连接速度。共测5次，求其平均值。如图5所示：图5速率实测系统图测试结果为次数12345速率（KBps）313431363136314