高校學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案設(shè)計實(shí)例研究

摘? 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展和高校智慧校園建設(shè)的推進(jìn)，高校園區(qū)網(wǎng)中承載業(yè)務(wù)越來越豐富，傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各種弊端開始逐步顯現(xiàn)，校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨著新挑戰(zhàn)?；赑ON技術(shù)的POL出現(xiàn)給智慧校園建設(shè)帶來了新的契機(jī)。全文分析和研究以太網(wǎng)架構(gòu)下校園網(wǎng)運(yùn)行狀況，以實(shí)際案例探討了智慧校園場景下學(xué)生公寓全光網(wǎng)絡(luò)覆蓋的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：POL;PON;XGPON

中圖分類號：TP393.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0063-05

A Case Study on the Design of the University Student Apartment

Network Construction Project

——Take Hubei University of EconomicsStudent Apartment Network Construction as an Example

YAO Shengjun

（Hubei University of Economics，Wuhan? 430205，China）

Abstract：With the development of information technology and the advancement of the construction of smart campuses in colleges and universities，the carrying services in the campus network of colleges and universities are becoming more and more abundant. Various drawbacks of the traditional Ethernet network architecture are beginning to appear gradually，and the construction of campus networks is facing new challenges. The emergence of POL based on PON technology has brought new opportunities to the construction of smart campuses. The full text analyzes and studies the operation status of the campus network under the Ethernet architecture，and discusses the design scheme of the all-optical network coverage of student apartments in the smart campus scenario with actual cases.

Keywords：POL;PON;XGPON

0? 引? 言

高校園區(qū)網(wǎng)經(jīng)歷了由數(shù)字校園向智慧校園演進(jìn)，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)階段已不能很好適應(yīng)多業(yè)務(wù)、多終端、移動化的特點(diǎn)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)維管理和升級改造中也存在線路老化、故障點(diǎn)多、承載空間緊張等缺點(diǎn)。為了解決這些問題，高校園區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中開始引入全光園區(qū)網(wǎng)（Passive Optical LAN，POL）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1? 現(xiàn)狀

湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院（以下簡稱經(jīng)濟(jì)學(xué)院）校園網(wǎng)經(jīng)過多年的持續(xù)建設(shè)，已經(jīng)完成了校園有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)的全覆蓋，形成了一卡通專網(wǎng)、安防專網(wǎng)的多張業(yè)務(wù)網(wǎng)并存的局面?，F(xiàn)階段學(xué)校校園網(wǎng)在運(yùn)維工作中主要面臨以下三方面的問題。

1.1? 多網(wǎng)并存

由于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期、業(yè)務(wù)需求和職能部門的不同，經(jīng)濟(jì)學(xué)院校園網(wǎng)中有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和安防監(jiān)控網(wǎng)、一卡通專網(wǎng)等多張業(yè)務(wù)網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)維。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)煙囪式重復(fù)建設(shè)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和鏈路的利用率普遍不高;部分樓棟存在主干纖芯資源爭用的情況，無法保證上行鏈路的冗余，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性得不到保障。

1.2? 運(yùn)維工作量大

學(xué)校校園網(wǎng)雖然已經(jīng)完成了用戶網(wǎng)的大二層扁平化改造，但各業(yè)務(wù)子網(wǎng)還是采用傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，易生成環(huán)路，引起廣播風(fēng)暴，也容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)攻擊，影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。因網(wǎng)絡(luò)資源的受限，部分樓棟業(yè)務(wù)專網(wǎng)復(fù)用用戶接入網(wǎng)，導(dǎo)致設(shè)備配置多樣化，管理和維護(hù)工作量巨大。

1.3? 改造升級困難

校園網(wǎng)樓棟內(nèi)采用傳統(tǒng)的銅纜鋪設(shè)，存在傳輸距離有限、抗干擾差、易氧化等諸多弊端。同時銅纜占用空間較大，網(wǎng)絡(luò)改造時往往受弱電橋架和管線空間的限制。另外銅纜還存在不易鋪設(shè)，中間有源節(jié)點(diǎn)多，故障率高、無法完全做到端到端的集中式網(wǎng)管等問題。

2? 建設(shè)目標(biāo)

智慧校園學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)的總體目標(biāo)是：滿足該區(qū)域內(nèi)師生學(xué)習(xí)、科研和生活等方面的用網(wǎng)需求，建成一張?zhí)厣r明、符合學(xué)校發(fā)展的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，為社會培養(yǎng)“有思想、有能力、有擔(dān)當(dāng)，實(shí)踐、實(shí)用、實(shí)干”型人才，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)經(jīng)歷營造良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。智慧校園學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)如圖1所示。

作為智慧校園的重要組成部分，學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)需構(gòu)建成一張“有線、無線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)專網(wǎng)融合、一體化認(rèn)證、多業(yè)務(wù)承載、高帶寬、大范圍覆蓋、安全可信”的新一代校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2.1? 高帶寬大容量

為保障學(xué)生在公寓內(nèi)每個區(qū)域的流暢上網(wǎng)需求，有線、無線統(tǒng)一出口，公寓的出口網(wǎng)絡(luò)需高帶寬大容量。本著科學(xué)設(shè)計、合理部署、降低安裝工作量與維護(hù)點(diǎn)的原則，合理部署各區(qū)域設(shè)備類型與數(shù)量，實(shí)現(xiàn)萬兆到骨干、千兆到桌面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式。

2.2? 多網(wǎng)融合

使用一張網(wǎng)絡(luò)同時承載用戶有線、無線網(wǎng)絡(luò)與各業(yè)務(wù)子網(wǎng)，高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)投資。合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，方便網(wǎng)絡(luò)的升級和擴(kuò)展。

2.3? 安全可靠

設(shè)計時充分考慮網(wǎng)絡(luò)匯聚層、接入層的冗余度，降低鏈路故障和設(shè)備故障對用戶用網(wǎng)體驗(yàn)的影響。同時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾、防雷能力。

2.4? 簡化管理

通過統(tǒng)一的入口監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)鏈路狀況，能及時對網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行預(yù)警。確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置統(tǒng)一，做到即插即用;減少網(wǎng)絡(luò)鏈路上的故障點(diǎn)，減輕網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維工作量。

3? 網(wǎng)絡(luò)選型

網(wǎng)絡(luò)作為學(xué)生公寓的一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)的好壞對提升學(xué)生公寓服務(wù)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)歷體驗(yàn)有著至關(guān)重要的作用。

3.1? 組網(wǎng)方式

POL是一種新型的園區(qū)網(wǎng)組網(wǎng)方式，近兩年在高校開始蓬勃發(fā)展，POL是基于PON技術(shù)的新型局域網(wǎng)組網(wǎng)方式，優(yōu)化了局域網(wǎng)的基礎(chǔ)布線和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平和簡潔。POL網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點(diǎn)。PON技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)的對比如表1所示。

圖2為以太網(wǎng)組網(wǎng)方式的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案和POL組網(wǎng)方式的全光園區(qū)方案拓?fù)鋵Ρ龋瑘D中可以看出，POL組網(wǎng)方式為經(jīng)典的二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，省去了中間的匯聚層設(shè)備，除了局端OLT設(shè)備和用戶側(cè)ONU設(shè)備需要供電外，中間環(huán)節(jié)均采用無源設(shè)備，抗干擾強(qiáng)，維護(hù)簡單。

在學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，從建設(shè)成本、施工工期、運(yùn)維管理和升級擴(kuò)容等方面進(jìn)行比較，可以得出在智慧校園場景下采用POL全光方案是當(dāng)前建設(shè)學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)較理想的選擇。

3.2? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

POL網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于PON技術(shù)可分為GPON和EPON兩種技術(shù)路線，其技術(shù)演進(jìn)路線如圖3所示。其中，XG-PON為非對稱模式10G-GPON;XGS-PON為對稱模式10G-GPON;NG-EPON（Next Generation EPON）也稱為下一代EPON技術(shù);而下一代GPON技術(shù)有可分為WDM-PON（Wavelength Division Multiplexed PON，波分復(fù)用）和TWDM-PON（Time and Wavelength Division Multiplexed PON，時波分復(fù)用PON）兩種技術(shù)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

通常學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)的流量特征是下行需求遠(yuǎn)高于上行需求。在學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)需求中僅有少量業(yè)務(wù)如安防監(jiān)控、一卡通等需占用一定的上行帶寬，而用戶用網(wǎng)需求中絕大部分為下行需求。綜合建網(wǎng)的費(fèi)用、學(xué)生公寓用網(wǎng)需求和后期網(wǎng)絡(luò)升級擴(kuò)展考慮，使用XG-PON（非對稱10G-PON）技術(shù)是性價比最高的一種方案。

3.3? 分光比

全光網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中分光比是需要考慮的一個重要因素，它直接關(guān)系著用戶的用網(wǎng)體驗(yàn)。表3是XGPON分光后上下行帶寬統(tǒng)計表。

如表3所示，分光比是2：16時，分配到每臺ONU設(shè)備的非共享上行帶寬為156 M，下行帶寬為625 M;分光比為2：8時，分配到每臺ONU設(shè)備的非共享上行帶寬為313 M，下行帶寬為1 250 M。

學(xué)生公寓平均每間宿舍4人，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及設(shè)備選型時可以配置4端口XG-PON ONU設(shè)備。綜合學(xué)生用網(wǎng)的共享比，可以看出學(xué)生公寓宿舍內(nèi)是使用2：16的分光比較理想。而公共區(qū)域無線覆蓋使用2：4的分光比，每個ONU帶寬可用帶寬為2 500 M，能輕松承載WiFi6的無線AP，可帶來很好的無線體驗(yàn)。

4? 詳細(xì)設(shè)計

學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)建設(shè)總體架構(gòu)如圖4所示，該設(shè)計方案通過全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了有線、無線網(wǎng)的一體化覆蓋，同時也承載了一卡通、監(jiān)控、智能門鎖、通道閘機(jī)等業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的各類啞終端。該方案既避免了各類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)煙囪式建設(shè)重復(fù)投資，又方便網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理，便于后期擴(kuò)展與升級。

4.1? 骨干層設(shè)計

OLT上行用8條萬兆鏈路采用鏈路聚合的方式與認(rèn)證網(wǎng)關(guān)相連，雙向鏈路轉(zhuǎn)發(fā)檢測（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）實(shí)現(xiàn)上行端口的保護(hù)和流量突發(fā)的應(yīng)急保障。BFD可以實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測，實(shí)現(xiàn)電信級的保護(hù)倒換。OLT到主備網(wǎng)關(guān)分別啟動BFD、主備網(wǎng)關(guān)間也啟動BFD。BFD檢測結(jié)合VRRP+、VRRP、Smart Link、OSPF等保護(hù)方案，可以實(shí)現(xiàn)50 ms的故障倒換，滿足電信級業(yè)務(wù)開展的要求。

4.2? 分配層設(shè)計

分配層的設(shè)備用來轉(zhuǎn)發(fā)本區(qū)域用戶到其他區(qū)域用戶的橫向流量，同時發(fā)送本區(qū)域用戶流量到骨干層。分配層將大量用戶接入到互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)中，模塊化擴(kuò)展接入骨干層設(shè)備的用戶數(shù)量。分配層具有高帶寬、高端口密度、高轉(zhuǎn)發(fā)性能等特點(diǎn)，用于支撐該匯聚層下各業(yè)務(wù)部門之間的流量。

全光園區(qū)網(wǎng)的分配層由ODN（光分布網(wǎng)絡(luò)）和OLT（光線路終端）組成。其中ODN網(wǎng)絡(luò)P2MP、無源的優(yōu)勢相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大大簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。園區(qū)網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)用戶性質(zhì)、用戶密度的分布情況、地理環(huán)境、管道資源、原有光纜的容量等多種因素綜合考慮選擇合適的結(jié)構(gòu)和配纖方式。

OLT設(shè)備上行接口可采用4個10GE捆綁，上行到骨干交換機(jī)，下行接口可采用XG-PON下行接入ONU或ONT。部署期間匯聚OLT的所有關(guān)鍵硬件做到冗余熱備，保障匯聚點(diǎn)99.999%的可靠性。具體冗余配置如下：

（1）采用OLT雙設(shè)備支持Type B雙歸冗余保護(hù)，保護(hù)主干光纖和設(shè)備異地容災(zāi);不需要OLT冗余的場景，可以考慮部署Type B單歸保護(hù);

（2）OLT主控板冗余備份：系統(tǒng)配置雙主控板，保證主用主控板故障時，備主控板可以保證業(yè)務(wù)不受影響。

（3）OLT電源板冗余備份：系統(tǒng)配置雙電源板，保證主用電源板故障時，備電源板可以保證設(shè)備正常運(yùn)行。

（4）OLT上行冗余備份：系統(tǒng)配置多個上行接口，上行接口通過LACP進(jìn)行聚合。當(dāng)主用上行口故障時，可以通過備用上行口上行。上行接口保護(hù)對實(shí)現(xiàn)端口故障檢測、保護(hù)倒換和業(yè)務(wù)恢復(fù)。

OLT PON口和分光器之間的光纖鏈路使用Type B雙歸屬技術(shù)進(jìn)行鏈路保護(hù)。Type B保護(hù)雙歸屬主要對OLT、OLT PON口和主干光纖鏈路進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)OLT、OLT PON口或光纖鏈路發(fā)生故障時，可以自動切換到另外一個OLT、OLT PON口所在的光纖鏈路。

4.3? 接入層設(shè)計

接入層是最靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供各種接入方式，一般部署二層設(shè)備，雙歸屬接入分配層的匯聚OLT。接入層除了需豐富的二層特性外，還需具備部署簡單、安全可靠等特性。學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)需滿足如下場景：

（1）學(xué)生宿舍、值班室生活網(wǎng)絡(luò)接入;

（2）安防監(jiān)控、一卡通業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接入;

（3）智能水表、門禁、智能電表、門鎖智能網(wǎng)關(guān)等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入。

4.4? 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

移動終端在網(wǎng)絡(luò)中的占比越來越大，以我校為例有接近85%的網(wǎng)絡(luò)用戶使用無線終端上網(wǎng)。在學(xué)生公寓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，要充分做好無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和持續(xù)優(yōu)化。本次設(shè)計中每個學(xué)生宿舍內(nèi)使用面板式AP覆蓋;室內(nèi)公共區(qū)域通過放裝AP覆蓋;室外公共區(qū)域可采用立桿承載室外AP覆蓋。所有AP通過無線控制器統(tǒng)一管控，做好持續(xù)監(jiān)控與優(yōu)化。

5? 結(jié)? 論

采用POL全光網(wǎng)絡(luò)覆蓋可有效簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方便網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，做到極簡運(yùn)維、平滑升級、節(jié)能降耗、安全可靠。在智慧校園場景下，采用POL建設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)不失是一種較為可行的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。但是，現(xiàn)階段各廠商POL產(chǎn)品不能很好地兼容，部分廠商受美國制裁相關(guān)產(chǎn)品延續(xù)性得不到保障，因此，在POL全光園區(qū)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中要綜合考慮多方面因素。

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作者簡介：姚圣軍（1979—），男，漢族，湖北天門人，網(wǎng)絡(luò)管理部工程師，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計師，研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全、基于數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)絡(luò)行為分析、分布式數(shù)據(jù)庫。