北京大学无线局域网络的设计和实现

　　在北京大学主校区任何角落，只要有一台笔记本电脑或PDA，便可以随意无线上网。

　　北大计算中心主任黄达武认为:“北京大学正利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校与教学、科研等所有信息资源进行全面的数字化，并把学校建设成一个超越时间、超越空间的虚拟大学。”

　　突破传统局域网的呼声

　　北京大学无线局域网于2002年5月开始建设，同年6月底，主体工程基本完成。学校师生以及来访人员可以随时随地借助笔记本电脑、PDA等无线终端方便高效地使用网络，从而促进了北京大学教学、科研和管理水平的进一步提高，为创建世界一流大学的宏伟目标提供了更好的基础设施。

　　北京大学无线局域网的建设有其背景原因。当时，北京大学的校园网建设已经具备相当规模，但随着211工程和985创建世界一流大学项目的实施与深入，教学科研水平不断提高，学术交流日趋频繁，在会议中心、阶梯教室、图书馆阅览室、自习区等空旷场所提供网络服务的呼声越来越高。这些需求对现有的校园网提出了技术挑战。

　　传统的局域网存在铺设费用高、施工周期长、移动困难、维护成本高、覆盖面积小等问题，严重地限制了网络部署和扩展的灵活性。在一些公共场所，很多时候几乎无法或者很难提供足够的网络设施满足移动用户的使用要求。这种困惑在多空旷场所的校园里显得尤为突出。

　　分步建设的无线网络思路

　　无线局域网技术(Wireless Local Area Network, WLAN)的出现和发展，帮助我们摆脱了有线传输介质的束缚。WLAN是计算机网络与无线通信技术结合的产物。它不受电缆限制，可移动，满足各类便携设备入网要求，能实现计算机局域联网、远端接入、图文传真、电子邮件等多种功能。WLAN安装简单，具备可贵的灵活性和高度的弹性。网络上的各个节点可以根据需求而轻易地进入或脱离网络，使得网络各节点的变动不会受线缆的制约，满足了我们在一定区域内实现不间断移动办公的需求。

　　这一技术尤其适用于会议中心、图书馆、阅览室、阶梯教室、教学区周边等空间大、移动用户多、不宜铺设有线介质的场所，不仅经济有效，便于安装，而且要求的配置和维护最少。随着需求不断增加，学校可以迅速、方便地部署更多的节点，并且在需要的时间和地点经济有效地拓展连接能力，弥补了传统有线局域网在提供完善数据服务方面的不足，为校园网的建设，特别是解决校园内公共区域的局域网建设，提供了新的思路和解决方案。

　　北京大学无线网络拓扑图

　　北京大学无线局域网络定位为校园网基础设施的一个组成部分，其最大任务是对现存校园网作重要补充。鉴于无线网络技术处于快速发展的阶段，本着采用先进成熟技术、满足基本应用需求、追求高品质的性能和价格、观望最新技术发展的原则，我们采用了先解决有无，后解决温饱，逐步向小康过渡的分期建设思路。我们首先在急需使用的场所优先按空间覆盖完整的方式配置设备，这样较好地控制了经费的预算。由于无线网络有良好的可扩充性，当网络带宽无法满足实际需求时，可随时根据使用情况增加无线接入设备的配置。

　　250个AP覆盖每个角落

　　北京大学无线局域网络(Wireless PKU)是依靠在原有的有线局域网络(PUnet)基础上设计的，设计目标是作为有线局域网络的重要补充，和有线局域网络共同为北京大学的广大师生提供更完善和方便的网络接入服务。总体建设目标是以现有校园内有线局域网络为依托，利用无线网络技术，将校园网延伸到校内移动用户较多的主要公共教学科研办公区域之中，实现这些区域与校园网及Internet的高速联网。通过项目的建设，改善学校信息网络建设基础设施的环境，解决公共区域铺设网络电缆难的问题，进一步扩大校园网的使用范围，使全校师生在任何时间、任何地点都能方便高效地使用信息网络，促进北京大学的教学、科研和管理水平的提高。

　　无线网络通过接入点AP (Access Point) 和有线网络无缝连接，使有线网络得到延伸扩展。北京大学无线局域网络第一期工程一共使用了250个AP，灵活运用多种覆盖方式，基本上全面覆盖了北京大学的校园。从理科楼群、公共教室、会议中心，到校园内部的学生和教工宿舍，甚至是未名湖畔，几乎在北京大学的任何一个角落里，只要拥有一块无线网卡，任何计算机都可以通过无线网络接入到校园网，进而连接到CERNET和Internet。

　　北京大学无线局域网络初期主要采用IEEE 802.11b协议，最大连接速率可以达到11 Mbps，部分地区的AP具有升级为IEEE 802.11a的能力。这是因为当时多数厂家的AP还仅支持IEEE 802.11b及IEEE 802.11a协议，而802.11b是当时应用最广泛的无线局域网协议。同时，考虑到在未来的无线网络的发展中，IEEE 802.11g因为采用了与IEEE 802.11b相同的2.4G频段，同时最大速率可以达到54Mbps，向下兼容IEEE 802.11b，所以是IEEE 802.11b的理想升级换代技术。

　　为了方便学校师生和来访人员使用网络，北京大学无线网络中大部分的AP采用不加密方式，在一些重点部门根据实际需要，采用64 bit或者128 bit数据加密。IP地址分配使用DHCP动态地址分配，目前已经开放了4个C的国内地址空间，能够提供近1000台计算机同时上网的要求。

　　树荫和爬山虎成无线杀手

　　无线局域网络的实现与所处的环境紧密联系。在很多情况下，由于无线局域网络采用微波频段，信号传输的绕射和穿透能力比较弱，因此必须实地测量之后才能够真正定下具体实施的方案。比如在学校行政办公楼群(未名湖畔，红一楼到红四楼)，原计划是采用室外天线覆盖室内空间的设计，但是由于这一楼群是一个具有悠久历史的建筑组合，大部分建筑物的外墙一般厚0.5米左右，最厚可达1米，加上外侧铁质和铜质纱窗的屏蔽效应，所以无线微波信号几乎无法穿透，因此只能修改计划，全部采用室内覆盖方式实现。

　　北京大学校园是一个园林式风格的校园，学校在绿化建设上很有特色，但是因为水分子对无线微波信号的吸收效应，因此大量的树木也成为设计和实施工程中最需要考虑的因素。很多在地图上看似很普通的结构，在设计阶段的考察过程中就发现有大量树木存在，导致设计因此而发生变化。另外在夏天的实施阶段也发现，虽然已经考虑到了树木的影响程度，但是由于夏天树木的实际生长情况，又会影响到原先的设计效果，曾经被我们引以为自豪的树荫和可爱的爬山虎又一次成为我们施工中最棘手的问题。

　　北大校园网通过多年的努力，已经初见规模，已经拥有超过24000个有线网络端口。但是在实际施工过程中，在选择好无线网络的AP和天线位置后仍然发现很多地方还是需要有线网络的布线配合，另外如何解决AP的供电问题又是一个很大的难题。有时候不得不因为无法供电而改变原先的设计，在一些必要的地点只能对设备采用网络供电方式。在无线网络的施工中，我们深切体会到，无线局域网络的实施其实很大程度上依赖于有线局域网络的规模和布局。在一些新建的楼群中，布线系统遍及所有角落，这个时候实现无线局域网络和有线局域网络的连接就很简单。相反，在一些尚未进行布线系统改造的楼群，这样的布线工作占据了大部分的施工时间。

　　无线局域网络是有线局域网络的必要补充，在现在新楼的布线系统设计和老楼布线系统的改造中，我们已经适当修改了原先的方案，在设计中添加了对未来无线局域网络的布局和实施的考虑，这样，无线网络的实施实际上也对我们的有线局域网络的设计有了更深层和更广泛的思考。

　　不断增加的应用

　　根据北京大学校园网建设的总体规划，我们于2005年9月对无线网络进行了较大规模的升级，包括增加AP的布署密度，部分区域采用IEEE 802.11g协议，使接入速率达到54Mb/s。同时，在校园内安装了多个无线室外单元，进一步扩展了室外区域的覆盖范围，提高了校园内室外区域的信号强度和质量。

　　北京大学校园无线网络自建成以来，基于无线网络的应用日益丰富。在北京大学主校区的教室、办公室、运动场，甚至是校园草坪上，教师和学生都可以使用笔记本电脑和PDA，或查阅资料，或在电脑上完成论文并递交到导师信箱，或上网访问。据介绍，利用这一无线网将能够达到2～10兆的传输速度。

　　从2003年开始连续3年，学校的迎新工作都在无线网络环境下进行，学校各部门和院系集中在校园内，利用无线网络完成新生的报到、交费、宿舍安排等工作，为新生提供了很大的方便，也得到了学校各部门和院系的肯定。2005年9月开始，北京大学计算中心与网通宽带合作，以北京大学校园无线网络为依托，开展了基于无线网络的VoIP业务实验，学校的师生可以使用Wi-Fi手机在校园无线网的覆盖范围内拨打全国各地的市话和移动电话，实验进展顺利。

　　北大网络中心主任黄达武说:“北京大学在移动教育方面，正在研制开发基于有线网(互联网、电话网、光纤等)和无线网(卫星网络、移动通信网、 无线局域网、蓝牙等)的移动虚拟校园系统(MVC)。该系统为校园内的用户和校园外的用户提供了大规模的移动计算环境，可在任何时间、任何地点不间断访问LDPM的信息。已开发完成的系统有移动办公系统、移动BBS讨论系统、移动答疑系统、移动新闻系统、移动教室管理系统，其中移动教室管理系统正在试用。”

　　我们相信，随着技术的不断发展及接入设备成本的不断降低，基于无线网络的应用会越来越多，人们对无线网络的信赖程度也会越来越强，这同样会促进无线网络的进一步发展。

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　　移动教育系统的基本构架

　　移动教育(Mobile Education)是指依托目前比较成熟的无线移动网络、国际互联网以及多媒体技术，学生和教师通过使用移动设备(如手机等)来更为方便灵活地实现交互式教学活动。移动教育系统主要由四部分组成:国际互联网、移动教育网、移动台和教学服务器。

　　移动教育网:该网络是整个移动网络的一部分，由多个基站组成，用来发射或接收来自移动台以及互联网的信息，并通过空中接口将移动台与互联网实现无缝连接。

　　国际互联网:该网络即我们通常说的Internet，该网络是教育资源的有效载体。目前互联网技术已经非常成熟，与互联网连接的客户可方便地进行信息交换，并可访问互联网上的丰富资源。

　　教学服务器:该服务器与互联网相连，存放丰富的教学资源以及相应的服务程序。

　　移动台:移动设备，如手机等。目前一般指二代手机，即由通信硬件与SIM卡组成。通信硬件完成信号的接收以及协议识别，SIM卡保存用户的标志。对于该类设备来说，其内置的操作系统是封闭的，不具有扩充软件的功能。另外，许多公司正在研究或推出具有PDA功能的高档手机，该设备集成了通常手机和PDA的功能，其PDA部分具有一定的开放性，可在一定程度上扩充软件。由于二代手机的通信速度较低，不具有面向连接的通信协议，一般只能通过短信息的形式通过移动网与Internet通信。

　　从移动教育系统的构成来看，其国际互联网和教学服务器是教育资源的主要载体;而移动台和移动教育网则是连接用户和互连网的主要媒介，正是这种媒介才使得移动教育系统独具魅力。同时，随着移动通信技术的迅速发展，移动教育系统将给使用者提供更方便的服务。目前国际上众多移动厂商正在研发第三代移动通信协议，诺基亚、爱立信等都在试图推出三代通信产品。一般认为到2005年左右，第三代通信产品将趋于成熟。此时，移动通信的速度将大大增强，我们使用手机就可以浏览Web网页，此时的移动教育系统也会提高到新的水平。