WLAN的工作原理及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)是應(yīng)用無線通信技術(shù)將計算機設(shè)備互聯(lián)起來，構(gòu)成相互通信和實現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)體系，無線局域網(wǎng)的特點是不再使用通信電纜。無線傳輸媒體可使通信終端在一定范圍內(nèi)靈活、簡便、移動地接入通信網(wǎng)，因此無線局域網(wǎng)作為有線局域網(wǎng)的延伸，具有廣闊的發(fā)展前景。但是在WLAN工程建設(shè)和維護(hù)過程中也出現(xiàn)了一些問題：
1) 在線用戶數(shù)量較大、網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)流量較大的情況下，整個網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量就會急劇惡化。表現(xiàn)為：鏈路上數(shù)據(jù)包丟棄嚴(yán)重；網(wǎng)絡(luò)速度下降、異常掉線；用戶終端要等待長時間才能獲得網(wǎng)絡(luò)地址。
2) 用戶移動造成跨VLAN信道切換時，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，需等待一段時間后才能獲得網(wǎng)絡(luò)地址，重新認(rèn)證入網(wǎng)。

WLAN的工作原理及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 WLAN的工作原理
WLAN由無線網(wǎng)卡、接入控制器設(shè)備(Access Controller，AC)、無線接入點(Access Point，AP)、計算機和有關(guān)設(shè)備組成。下面以最廣泛使用的無線網(wǎng)卡為例說明WLAN的工作原理。
一個無線網(wǎng)卡主要包括網(wǎng)卡(NIC)單元、擴頻通信機和天線三個組成功能塊。NIC單元屬于數(shù)據(jù)鏈路層，由它負(fù)責(zé)建立主機與物理層之間的連接。擴頻通信機與物理層建立了對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)無線電信號的接收與發(fā)射。當(dāng)計算機要接收信息時，擴頻通信機通過網(wǎng)絡(luò)天線接收信息，并對該信息進(jìn)行處理，判斷是否要發(fā)給NIC單元，如是則將信息幀上交給NIC單元，否則丟棄。如果擴頻通信機發(fā)現(xiàn)接收到的信息有錯，則通過天線發(fā)送給對方一個出錯信息，通知發(fā)送端重新發(fā)送此信息幀。當(dāng)計算機要發(fā)送信息時，主機先將待發(fā)送的信息傳送給NIC單元，由NIC單元首先監(jiān)測信道是否空閑，若空閑立即發(fā)送，否則暫不發(fā)送，并繼續(xù)監(jiān)測?？梢钥闯?，WLAN的工作方式與IEEE802.3定義的有線網(wǎng)絡(luò)的載體監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)工作方式很相似[1]。

1.2 WLAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
WLAN使用的端口訪問技術(shù)IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)支持兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]，一種是如圖1所示基于AP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有工作站都直接與AP無線連接，由AP承擔(dān)無線通信的管理及與有線網(wǎng)絡(luò)連接的工作，是理想的底功耗工作方式?？梢酝ㄟ^放置多個AP來擴展無線覆蓋范圍，并允許便攜機在不同AP之間漫游，如圖2所示[3]。目前實際應(yīng)用的WLAN建網(wǎng)方案中，一般采用這種結(jié)構(gòu)，同時考慮到安全因素，AP必須和交換機各端口進(jìn)行兩層隔離。交換機采用IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN方式。VLAN對接入交換機每一端口的AP都必須分配一個網(wǎng)內(nèi)唯一的VLAN ID。另一種是如圖2所示基于p2p(Peer to Peer)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于連接PC或POCKET PC，允許各臺計算機在無線網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍內(nèi)移動并自動建立點到點的連接。

圖1 基于AP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖2 基于p2p的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)測試
針對所出現(xiàn)的問題，本文選擇四川成都錦江賓館作為測試點，其WLAN是基于AP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很具有代表性。錦江賓館WLAN覆蓋范圍包括賓館大堂、盧浮花園、錦江廳A廳、B廳、四季廳、商務(wù)中心等主要場所。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，WLAN用戶終端通過無線網(wǎng)卡連接到AP，AP通過雙絞線連接到交換機，使用微波設(shè)備接入位于移動機房的AC，進(jìn)而連接到Internet。
2.1 外部傳輸測試
首先對錦江賓館WLAN網(wǎng)絡(luò)基本性能進(jìn)行了測試，包括無線信號強度、綜合布線質(zhì)量、數(shù)據(jù)包丟包率、帶寬等，所有指標(biāo)均符合規(guī)范要求。
1) 模擬大量用戶終端通過WLAN網(wǎng)絡(luò)同時向AC發(fā)起連接請求，并且訪問Internet，出現(xiàn)了一些問題：一部分終端無法登陸網(wǎng)絡(luò)；另一部分終端在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)成功后有異常掉線現(xiàn)象。掉線后終端卻很難獲得網(wǎng)絡(luò)地址，并且獲得的網(wǎng)絡(luò)地址很容易老化，需手工執(zhí)行釋放、獲取網(wǎng)絡(luò)地址操作，但重新獲取的網(wǎng)絡(luò)地址同樣很快老化。為了分段收集數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立了三個測試點A、B、C，如圖3所示。
2) 當(dāng)通過無線方式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的A點終端出現(xiàn)問題，在B點使用有線方式直接連接交換機進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的終端也有相同狀況。遠(yuǎn)程登錄到AC上，發(fā)現(xiàn)接入端口反復(fù)出現(xiàn)掉線/上線(DOWN/UP)現(xiàn)象。原AC接入端口的模式被設(shè)置為AUTO，結(jié)果AC與微波設(shè)備協(xié)商成100 M半雙工工作模式。如果將AC接入端口的模式手動設(shè)置為100 M半雙工工作模式，端口仍然反復(fù)DOWN/UP。
3) 在AC與微波設(shè)備之間增加一臺交換機，以增強對微波設(shè)備接口的適應(yīng)能力，同時減小AC的負(fù)擔(dān)。交換機端口9與AC連接，端口設(shè)置為100 M全雙工工作模式；交換機端口10與微波設(shè)備連接，端口設(shè)置為100M全雙工工作模式。在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，錦江賓館網(wǎng)絡(luò)情況恢復(fù)正常，再未發(fā)生任何問題。而C點的終端也能正常進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

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圖3 錦江賓館WLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.2 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)測試
為測試AP工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，在交換機上劃分兩個VLAN。使AP1和AP2位于同一個VLAN內(nèi)，AP3和 AP4位于另一個VLAN內(nèi)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 交換機與AP的連接
1) 使用兩臺終端以DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)方式，第三臺終端配置為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址方式，通過AP1進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。通過 AP1持續(xù)PING AP2。發(fā)現(xiàn)DHCP終端偶爾會發(fā)生掉線現(xiàn)象，掉線時無線連接狀態(tài)仍然很好，但無法PING通網(wǎng)關(guān)，且需要使用認(rèn)證/刷新(CONFIG/RENEW)多次才能夠重新分配到網(wǎng)絡(luò)地址。此時靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址的終端與 AP2的通信始終正常。
2) 使用兩臺終端以DHCP方式，通過AP1進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，同時第三臺終端直接通過有線連接到交換機上，以DHCP方式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)無論是無線用戶還是有線用戶都會產(chǎn)生掉線的現(xiàn)象，這說明網(wǎng)絡(luò)掉線的問題與主干傳輸質(zhì)量和上層協(xié)議有關(guān)。
3) 終端從AP1切換到 AP3下后，終端無法正常分配到網(wǎng)絡(luò)地址。于是將終端配置為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址，通過 AP3 PING AP4的終端，發(fā)現(xiàn)始終能夠正常通信，這證明在切換過程中無論是無線側(cè)還是有線側(cè)始終是工作正常的。
4) 在移動切換方面，讓終端工作在兩個AP信號強度接近的地方，終端能夠穩(wěn)定的與某一個AP保持連接，不會任意切換。但是如果將終端移到較遠(yuǎn)的另一區(qū)域，原有連接信號很弱，則終端會自動連接到信號強的AP上。如果這兩個AP不是處于同一個VLAN下，那么這樣切換后不能立即PING通網(wǎng)關(guān)。同時如果是通過認(rèn)證登陸網(wǎng)絡(luò)的終端，切換后也不能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，必須重新認(rèn)證。如果這兩個AP處在同一個VLAN下，那么切換后立刻能夠PING通網(wǎng)關(guān)，并且也能夠繼續(xù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)果與分析
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的測試數(shù)據(jù)，可以歸納影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的問題有下面三點：
1) AC端口工作模式無法與微波設(shè)備完全匹配，微波設(shè)備的端口模式也存在先天不足。在大量用戶同時進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)鏈路上數(shù)據(jù)流量較大的情況下，就會因為傳輸瓶頸導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量惡化，數(shù)據(jù)包丟棄嚴(yán)重，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)速度下降。同時，AC因在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到從終端返回的在線回應(yīng)數(shù)據(jù)包，而將分配給終端的網(wǎng)絡(luò)地址釋放，導(dǎo)致終端異常下線。當(dāng)然也可以在AC上將網(wǎng)絡(luò)地址保留時間延長，但這就會產(chǎn)生一個新的問題，用戶在跨VLAN切換后會因老的網(wǎng)絡(luò)地址遲遲不能被釋放，而不能獲得新的網(wǎng)絡(luò)地址。
2) AP對同時能接入的用戶數(shù)量有一定限制。一般最多能為30位用戶提供可靠的服務(wù)。但AP出廠時的默認(rèn)設(shè)置一般為接入用戶數(shù)不限，所以，同一個AP接入用戶達(dá)到臨界狀態(tài)后，如果又有新的用戶接入請求，AP在響應(yīng)請求的同時就會因硬件機能制約將已建立連接的一個用戶丟棄，導(dǎo)致在線用戶掉線。
3) 用戶移動造成跨VLAN信道切換時，會因MAC地址沖突導(dǎo)致上網(wǎng)中斷[4]，須等待一段時間后才能獲得網(wǎng)絡(luò)地址重新認(rèn)證入網(wǎng)。

WLAN工程建設(shè)中出現(xiàn)的問題及解決方案