基于校園網(wǎng)的PON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

鄭宇鴻

摘要：光纖接入是互聯(lián)網(wǎng)新的重要的發(fā)展趨勢之一，它的低成本高帶寬的特點(diǎn)使各大院校紛紛引入應(yīng)用。本文解釋了什么是PON網(wǎng)絡(luò)及它的特點(diǎn)，并以校園網(wǎng)使用GPON網(wǎng)絡(luò)接入作為典型案例，圍繞PON網(wǎng)絡(luò)在校園網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用展開研究分析，找出一條有效的PON接入策略，構(gòu)建校園“光接入”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：PON接入技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)；GPON；應(yīng)用

引言

考慮到高校中越來越大的帶寬需求和更多的寬帶應(yīng)用，更多的院校注意到校園網(wǎng)接入層帶寬對整個(gè)校園網(wǎng)使用的影響，認(rèn)識(shí)到早期校園網(wǎng)組網(wǎng)方式存在的“瓶頸”。目前，與接入層網(wǎng)絡(luò)的連接，光纖接入是最好的選擇，是迄今為止最好的傳輸媒介。它將帶來生活方式、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式的根本性改變，光纖網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)接入將成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)接入的熱點(diǎn)。正因如此，光纖接入是目前最行之有效的接入方式，光纖網(wǎng)絡(luò)接入逐漸引起各高校的注意，而隨著教育信息化的進(jìn)一步發(fā)展，各高校對互聯(lián)網(wǎng)帶寬的要求仍會(huì)不斷提高。

1.PON接入技術(shù)

PON（Passive Optical Network）是一種點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）結(jié)構(gòu)的無源光網(wǎng)絡(luò)，PON屬于純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，徹底避免了電磁干擾和雷電影響，能適應(yīng)各種自然條件。PON接入技術(shù)是接入網(wǎng)目前發(fā)展的方向，一方面是由于PON提供的帶寬可以滿足現(xiàn)在和未來多種寬帶業(yè)務(wù)的需要，另一方面，無論在設(shè)備成本還是運(yùn)維管理開銷方面，其費(fèi)用都較低，綜合經(jīng)濟(jì)分析表明，目前PON是實(shí)現(xiàn)FTTB/FTTH的主要技術(shù)。GPON（Gigabit Passive Optical Network）是PON技術(shù)中的一種，是由ITU-T G.984.x系列標(biāo)準(zhǔn)定義的千兆比特PON技術(shù)。

類似于PON的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，GPON也是由放置在局端用于聯(lián)接PON協(xié)議的OLT匯聚設(shè)備、位于用戶側(cè)以提供接口的ONU設(shè)備，以及在兩者之間提供無源光通道的ODN設(shè)備組成。中間的光通道由無源器件組成，故障率低，可靠性高，節(jié)省了大量戶外設(shè)備的維修費(fèi)用。

GPON技術(shù)相比其他PON技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳輸距離更遠(yuǎn)：由于采用光纖傳輸技術(shù)，接入層覆蓋的物理距離至少為20km，最大理論覆蓋半徑可達(dá)60km。有效的解決了銅纜接入距離和帶寬的矛盾。

（2）帶寬更高：每個(gè)端口的最大下行速率為2.5Gbit/ s，最大上行速率為1.25Gbit/ s。滿足用戶對高帶寬服務(wù)的需求，如HDTV、直播等。

（3）QoS（Quality of Service）提供靈活的全業(yè)務(wù)體驗(yàn)，GPON能同時(shí)承載ATM信元和GEM幀，有很好的服務(wù)等級(jí)，支持QoS 保證和全業(yè)務(wù)接入的能力，針對不同的業(yè)務(wù)提供響應(yīng)的Qos保證，提供區(qū)分用戶和用戶業(yè)務(wù)的流量控制，保證多用戶的多業(yè)務(wù)帶寬，為不同的用戶業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)。

（4）分光特性：局端單根光纖在光分裂后，可以對應(yīng)多根光纖到用戶側(cè)，支持的最大分光比為1：128，節(jié)省主干光纖資源，降低運(yùn)營維護(hù)成本。

（5）支持全業(yè)務(wù)：包括語音（TDM、SONET/SDH）、PDH、以太網(wǎng)、ATM、使用GEM 承載各種用戶業(yè)務(wù)等。

2.PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在校園網(wǎng)的應(yīng)用

濟(jì)南大學(xué)是較典型的使用GPON接入方式改造的校園網(wǎng)。隨著濟(jì)南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和學(xué)生數(shù)量的不斷攀升，大學(xué)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上廣大師生的需求，為了解決這一問題，讓廣大師生擁有一個(gè)更好的網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境和通訊環(huán)境，因此學(xué)校決定對校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造。整個(gè)工程計(jì)劃通過GPON方式接入，提升學(xué)生外網(wǎng)訪問感知，并更好的兼容校園內(nèi)網(wǎng)的接入。

該校分為東校區(qū)和西校區(qū)，校園網(wǎng)的改造使用GPON接入方式，替換原有二層交換機(jī)組網(wǎng)。整個(gè)組網(wǎng)使用GPON+PTN混合方式接入，實(shí)現(xiàn)校區(qū)內(nèi)FTTB寬帶接入全覆蓋。并與客戶校園內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)融合服務(wù)。

濟(jì)南大學(xué)校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)改造計(jì)劃新增151臺(tái)24口ONU設(shè)備和208臺(tái)16口ONU設(shè)備，通過院校光交內(nèi)新增的分光器，聯(lián)接濟(jì)南大學(xué)西校區(qū)圖書館機(jī)房內(nèi)的新增的2臺(tái)OLT設(shè)備。OLT通過2個(gè)10GE光口上聯(lián)西校區(qū)圖書館機(jī)房的BRAS設(shè)備，向上經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)接入波分設(shè)備，通過本地網(wǎng)波分上聯(lián)最終接入萬維網(wǎng)。在院校BRAS設(shè)備新增端口，劃分單獨(dú)VLAN用于跟用戶校園網(wǎng)絡(luò)對接，實(shí)現(xiàn)與校園網(wǎng)的互通。

3.PON系統(tǒng)內(nèi)帶寬測算

在對PON口下行容量計(jì)算時(shí)，主要需要結(jié)合大學(xué)的用戶業(yè)務(wù)的帶寬需求來估算可以通過PON端口訪問的用戶數(shù)量。為了確保每個(gè)服務(wù)的正常使用，業(yè)務(wù)所需的總帶寬必須小于單個(gè)PON端口提供的帶寬上限。根據(jù)高校的實(shí)際情況，按公式計(jì)算分析了用戶的上限。當(dāng)單個(gè)端口用戶的數(shù)量超過閾值時(shí)，需要將新的端口添加到應(yīng)用中。

（1）PON系統(tǒng)內(nèi)帶寬測算

PON系統(tǒng)內(nèi)帶寬=客戶用戶數(shù)*單戶預(yù)留帶寬*并發(fā)率+無線熱點(diǎn)數(shù)*單熱點(diǎn)預(yù)留帶寬*并發(fā)率+其他專線數(shù)*專線預(yù)留平均帶寬*并發(fā)率

根據(jù)前期數(shù)據(jù)規(guī)劃，高校用戶按照20M高速上網(wǎng)，故上述公式可簡化為：

PON系統(tǒng)內(nèi)帶寬=客戶用戶數(shù)*單戶預(yù)留帶寬*并發(fā)率

設(shè)n為單個(gè)PON口接入的寬帶用戶數(shù)，并發(fā)率取80%，取GPON接入時(shí)有效帶寬為2300M：

n*（20M）*80%≤2300M

得，n≤144。即每PON口所帶用戶不超過144，按照每個(gè)房間100M帶寬核算，即每PON口所帶房間不超過29個(gè)。

（2）OLT上聯(lián)帶寬測算

上行帶寬=∑（業(yè)務(wù)分配帶寬×業(yè)務(wù)用戶比率×集中比×流量占空比）×總用戶數(shù)/帶寬冗余系數(shù)

業(yè)務(wù)用戶比率、總用戶數(shù)：確定局端設(shè)備上聯(lián)帶寬規(guī)劃時(shí)，應(yīng)綜合考慮OLT設(shè)備下掛的所有用戶。

集中并發(fā)比：根據(jù)高校的應(yīng)用環(huán)境，可以取80%。

流量占空比：一般可取50%。

帶寬冗余系數(shù)：OLT上聯(lián)取100%

根據(jù)前期數(shù)據(jù)規(guī)劃，濟(jì)南大學(xué)用戶按照20M高速上網(wǎng)，在校學(xué)生約3.7萬（東校5550人，西校31418人，共計(jì)約3.7萬人），按預(yù)計(jì)50%用戶有訪問需求，這樣?xùn)|校計(jì)為2775人，西校計(jì)為15709人。

故東校上行帶寬=20M×80%×50%×2775/100%=22200M

故西校上行帶寬=20M×80%×50%×15709/100%=125672M

其中，上聯(lián)端口可用帶寬，GE可取900Mbps，10GE可取9000Mbps，上聯(lián)鏈路冗余系數(shù)取0.65

東校OLT上聯(lián)端口數(shù)=22200/（9000×0.65）=3.8個(gè)

西校OLT上聯(lián)端口數(shù)=125672/（9000×0.65）=21.4個(gè)

故，東校上行4*10GE可滿足終期需求，西校上行22*10GE可滿足終期需求，共需26*10GE可滿足終期需求。

（3）BRAS設(shè)備上聯(lián)帶寬測算

上行帶寬=∑（業(yè)務(wù)分配帶寬×業(yè)務(wù)用戶比率×集中比×流量占空比）×總用戶數(shù)/帶寬冗余系數(shù)

業(yè)務(wù)用戶比率、總用戶數(shù)：確定局端設(shè)備上聯(lián)帶寬規(guī)劃時(shí)，應(yīng)綜合考慮OLT設(shè)備下掛的所有用戶。

集中并發(fā)比：仍以80%取值。

流量占空比：一般可取50%。

帶寬冗余系數(shù)：BRAS上聯(lián)取100%

高校用戶主要業(yè)務(wù)為20M高速上網(wǎng)。

在校學(xué)生約3.7萬（東校5550人，西校31418人，共計(jì)約3.7萬人），按50%用戶開通業(yè)務(wù)，注冊用戶約18500人。

故上行帶寬=20M×80%×50%×18500/100%=148000M

BRAS上聯(lián)端口數(shù)≥BRAS上聯(lián)帶寬/（上聯(lián)端口可用帶寬*上聯(lián)鏈路冗余系數(shù)）

其中，BRAS上聯(lián)端口可用帶寬，GE可取900Mbps，10GE可取9000Mbps，上聯(lián)鏈路冗余系數(shù)取1

上聯(lián)端口數(shù)=148000/（9000）=16.44個(gè)，故，BRAS上行17*10GE可滿足終期需求。

4.安全規(guī)劃

校園建設(shè)中，校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)的安全尤其重要。防火墻技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)、入侵監(jiān)測等技術(shù)的實(shí)施，能很好的保障校園網(wǎng)絡(luò)安全。

防火墻技術(shù)作為近年發(fā)展的最快，也是最流行適用范圍最廣泛的安全技術(shù)，它的設(shè)置形成了本網(wǎng)與外網(wǎng)之間的安全屏障，它能在很大程度上提高安全性，并過濾不安全的服務(wù)以降低風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，它允許和避免特定信息的流入和流出，對所有事件持續(xù)偵測，既能夠保證內(nèi)網(wǎng)多種服務(wù)功能的高效穩(wěn)定，又能保障不被惡意損害。防火墻不僅增強(qiáng)了安全策略，優(yōu)化了安全配置，而且形成了統(tǒng)一穩(wěn)定的安全系統(tǒng)。入侵檢測通過收集網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵點(diǎn)的信息，并且對這些信息進(jìn)行分析，從而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全，檢查網(wǎng)絡(luò)中是否有安全風(fēng)險(xiǎn)，是否有違反安全策略的行為。入侵檢測技術(shù)通常和防火墻一起構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的安全體系，它是防火墻之后的又一道強(qiáng)有力的防御措施?；跐?jì)南大學(xué)的組網(wǎng)情況，應(yīng)考慮在校園網(wǎng)和BRAS對接出口設(shè)置兩臺(tái)熱備的防火墻，學(xué)校對接入側(cè)核心交換機(jī)部署一臺(tái)入侵檢測系統(tǒng)IDS，可以較大程度保障校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全。

5.總結(jié)

通過使用GPON技術(shù)對校園網(wǎng)進(jìn)行改造，有效提高了校園網(wǎng)接入層的帶寬，改善了學(xué)生和教職工的使用感知，同時(shí)也使校園網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性有了較大提高，節(jié)約了維護(hù)成本。目前校園內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)的競爭是目前行業(yè)中最激烈的競爭，通過將GPON這一新型接入技術(shù)應(yīng)用到高校中，能進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大運(yùn)營商的校園市場。