基于GPON技術的中小學校園綜合組網模式探索

雒凱峰

（南京市旭東中學，江蘇 南京 210044）

隨著科學技術的飛速發(fā)展，互聯(lián)網技術和大數(shù)據平臺在我國各行業(yè)的應用日益廣泛。近年來，中小學文化教育逐漸進入以“物聯(lián)網技術、智能化、科技化”為基礎的智能化階段，全國智慧校園建設全面推進。但是，在智慧校園建設過程中，仍然面臨諸多問題亟待解決，本文通過對GPON 技術在中小學校園綜合組網模式下的探索，尋求解決目前中小學校園網絡建設中面臨的困境。

一、目前中小學信息化建設中面臨的問題

從當前校園網的分布構架圖分析，傳統(tǒng)的校園網構架只適用信息化時代剛起步的階段，隨著智慧校園和中小學校園信息化業(yè)務的增多，對于校園網網絡精細化管理要求越來越嚴格，而在現(xiàn)實中的運行也存在諸多問題。

一是網絡“擁堵”，業(yè)務開展受阻。隨著中小學校園業(yè)務急速速增加，校園網要承載教師辦公、VR/AR 教室、電子班牌、刷臉系統(tǒng)、視頻會議、數(shù)字廣播、多媒體教室、計算機教室、一卡通、安防監(jiān)控、校園電臺、pad 教室等多種業(yè)務的信息傳輸，普遍出現(xiàn)網絡“擁堵”，部分業(yè)務無法開展的問題。

二是網絡升級擴展難。教室信息點增多，橋架里的網線已是滿滿當當，橋架壓力大，網絡改造難，雙絞線無法平滑升級，難以支撐新業(yè)務。

三是網絡管理難度大。大部分中小學校園網主要以單層、匯聚層和多層架構為主，雖然這種網絡結構層次清晰，但是在實際使用過程中，最明顯的特征就是網絡層次復雜，會加大設備維修故障的難度，加之缺乏專業(yè)人員的維修，導致設備維護管理困難重重。

四是網絡體驗要求高。教育數(shù)字資源的使用，互動教學、網絡空間教學、平板教學、VR/AR 教師的應用需要更大的帶寬和更低的時延網絡要求，網絡性能要求提高。

五是網絡故障頻發(fā)，管理壓力大。中小學校園網因為網絡層次復雜，校園內放置交換機分散，內網之間缺乏隔離和管控，所以在網絡配置的過程中，存在重復嵌套部署的情況，一旦網絡部署不到位及管理疏漏，容易導致校園網絡遭受攻擊，從而給日常的網絡運行和維護帶來壓力。

綜上所述，基于層次和復雜層次的網絡構架已經不能滿足校園互聯(lián)網管理和維護，采用構架扁平化的校園網建設已成為目前智慧校園建設中必不可少的一部分，光纖和全用光纖已經普遍運用到校園網的建設中。光纖和全用光纖在中小學校園網的應用中具備安全可靠、耐用等特點，可極大降低校園網管理維護難度。

二、GPOL全光網絡概述

（一）什么是GPOL全光網絡

GPON 是新款無源光綜合網絡，這個網絡具備高傳輸、覆蓋廣等特點，目前以無源光綜合接入標準為主的技術也被廣泛應用到中小學及大學校園網建設中。在實際使用階段，GPOL 全光網絡主要借助全光網絡傳輸和交換過程，全部通過光纖來進行光信號的傳遞，從而承載寬帶、語音、視頻、Wi-Fi、CATV、辦公等業(yè)務。

同所有PON 系統(tǒng)一樣，GPON 由ONU、OLT 和無源光分配網組成，見圖1 所示。

OLT 作為網絡接入點和核心網的主要接口，在連接整個網絡的過程中，主要通過ODN 與各ONU 連接。OLT 作為PON 的核心功能設備，在實際運行過程中，具備寬帶分配、接口控制、網絡信息監(jiān)控、運行維護管理等功能。在整個網絡拓撲圖中，ONU 作為接入網側接口，在進行接口接入過程中，可以提供預約、數(shù)據、視頻等多業(yè)務傳輸，從而提高OLT 接口的轉化率，讓網絡信息源更好地通過各接口的控制點進行網絡信息交互、雙向傳輸及數(shù)據上傳功能。GPOL 全光網絡在校園網的應用中，其實還是借助光分路器和PON 等結構來提升網絡的安全和生存性。對比傳統(tǒng)的多層次網絡拓撲結構而言，GPOL 全光網絡的應用，除了滿足智能化校園建設需求，也可以在校園信息傳遞過程中，依靠OLT、ODN、ONU 等網絡節(jié)點更好地傳輸上下行數(shù)據。

（二）GPOL全光網絡的優(yōu)勢

GPOL 全光網絡在實際生活中使用，給校園網的建設和后期維護帶來了諸多便利。因為GPOL 全光網絡具備傳輸快、讀寫和錄入便捷等特點，在實際使用階段，GPOL 全光網絡的具體優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.GPOL 全光網絡能夠通過大寬帶。因為GPOL 全光網絡在應用過程中，采用全光網絡信號在光域中進行信號交換和傳遞，相比傳統(tǒng)銅線光纖而言，它的傳輸容量更大。

2.GPOL 全光網絡具有傳輸透明性的特點。在實際使用階段，GPOL 全光網絡采用光路交替，即采用信號波長選擇對應的路由器，所以在信號源的傳遞過程中，GPOL 全光網絡更加注重傳輸數(shù)據的透明和公開。

3.GPOL 全光網絡的兼容性更好。在實際場景使用階段，GPOL 全光網絡可以和現(xiàn)有網絡兼容，也可以在未來網絡升級或者寬帶業(yè)務升級的基礎上，依舊能很好地對整個業(yè)務數(shù)據網進行有效升級，從而起到提升網絡傳輸速度的效果。

4.GPOL 全光網絡具備擴展性特征。在網絡互通互聯(lián)的基礎上，GPOL 全光網絡的介入，除了不影響之前的網絡結構和節(jié)點設備，也可以更好地拓展節(jié)點設備，以持續(xù)提升校園網利用率。

5.GPOL 全光網絡具有可重構性。對于通信設備容量需求、動態(tài)地址和網絡結構等資源的配置方面，接入GPOL 全光網絡技術，可以通過光波長對連接進行恢復、建立和拆除。

6.GPOL 全光網絡采用無源器件，從而避免電光和其他轉換設備的植入，增加維護成本，而且GPOL 全光網絡在實際使用階段，除了整體的交換速度尚可外，它的安全性和可靠性也比傳統(tǒng)的銅線通信設備更好。

7.GPOL 全光網絡支持多種協(xié)議業(yè)務。在應用階段，可以通過波分復用基礎，來持續(xù)提供多種協(xié)議業(yè)務，完成校園網的實際使用需求。

8.GPOL 全光網絡組網靈活，在任何節(jié)點接入和抽出，都不影響網絡通信的使用。

9.GPOL 全光網絡的安全性更高。實際傳輸和下載的過程中，它全程采用波長信號的方式傳遞數(shù)據，在數(shù)據讀寫和傳輸階段，GPOL 全光網絡不具備交換和存儲的功能，它的穩(wěn)定性和安全性也明顯優(yōu)于其他設備。

10.GPOL 全光網絡的壽命較長。目前設備采用的光纖壽命30年，玻璃芯/塑料芯耐腐蝕。超長傳輸距離，能解決很多布線的問題；而銅線布線占用大量的管線資源，一般在10年左右容易老化，需要重新部署，傳輸距離限制100 米。

此外，GPOL 全光網絡采用光纖設備，不需要借助其他輔助，就能完成網絡信號的傳輸。全光網組網簡單，設備成本和線路成本遠低于傳統(tǒng)組網；網絡升級換代更快捷，只需對局端OLT 進行升級。

三、GPOL全光網的管理及設備部署

（一）GPOL全光網的管理

針對GPOL 全光網絡的管理問題，對于大部分中小學校園網技術而言，在GPOL 全光網絡的優(yōu)勢下，這個網絡技術會借助OLT 的光時域反射儀進行鏈路信號建設和異常數(shù)據的自動預警和分析，當整個通信網絡出現(xiàn)故障和風險時，GPOL 全光網絡會提升釋放信號，確保維修人員第一時間找到故障，并且快捷定位故障位置，實現(xiàn)高效修復的效果。

此外，GPOL 全光網絡在進行全光網的可視化管理過程中，更多利用全網拓撲對整個網絡資源和設備進行監(jiān)控，然后借助平臺的業(yè)務功能，進行自動傳輸、發(fā)送簡化業(yè)務。

（二）GPOL全光網絡設備的部署

想要更好地利用GPOL 全光網絡，還需要在校園網搭建的過程中，合理利用OLT、ONU、ODN 等設備的優(yōu)點，對現(xiàn)有的網絡進行數(shù)據調試和上下行傳輸GPOL 全光網絡設備的部署如下：

1.OLT設備部署

在GPOL 全光網絡的應用中，OLT 作為數(shù)據上下行傳輸過程中的交換機，在進行網絡信號發(fā)射過程中，其實是基于IP 和以太網，對業(yè)務流量進行集中信號發(fā)放和監(jiān)控的過程。

OLT 設備在GPOL 全光網絡的部署下，借助它容量大，傳輸強的特點，可在校園網搭建過程中減少網絡交換機的使用，從而起到降低網絡運營費用和成本的目的效果。而且在業(yè)務配置的過程中，OLT 設備可以借助IP規(guī)劃和VLAN 數(shù)據規(guī)劃實現(xiàn)不同端口的VLAN 區(qū)分機網格管理。

2.ONU設備部署

ONU 作為網絡客戶端，主要功能是為用戶提供各種業(yè)務接口。在校園網和中小學網絡搭建過程中，通過ONU 設備的部署，可以更輕松靈活地將用戶的接口、業(yè)務進行互通互聯(lián)。就比較復雜的網絡層次結構而言，ONU 設備在部署階段，除了具備場景靈活配置的效果外，可基于域名或IP 地址更好地識別HIS、IPIV 等不同的通信業(yè)務。

另外，在網絡通信傳輸技術應用中，ONU 作為一款即插即用的設備，可以通過OLT 下發(fā)的信號進行配置，更好實現(xiàn)語音業(yè)務和數(shù)據業(yè)務的信號傳輸過程。

3.ODN網絡部署

ODN 是光分配網，在進行GPOL 全光網絡的應用階段，它可以借助多個無源分光器POS 設備、OLT 和ONU的傳輸通道進行作業(yè)。在整個作業(yè)過程中，ODN 網絡部署設備不需要進行配置和供電就可以正常作業(yè)，而且在信號傳輸和數(shù)據傳輸過程中，這些設備不需要對數(shù)據的傳輸和寫入進行處理，在整個運行階段，降低設備的故障發(fā)生率。

在GPOL 全光網絡的應用階段，OLT 至ONU 的傳輸系統(tǒng)指標（L）將影響分光器比以及網絡結構的選擇。傳輸系統(tǒng)指標計算公式為：

L＝( T－P－M－S－0.5?N )/r（公式的參數(shù)含義及取值如表1 所示）

表1 公式的參數(shù)含義及取值

雖然說ODN 在進行光分配網的過程中，會通過樹形結構的布局完成對應場景業(yè)務的數(shù)據光信號傳輸，但是因為設備的型號、用途等差異，用戶在選擇GPOL全光網絡的過程中，還需要結合用戶規(guī)模、用途等進行甄選。

四、校園GPOL全光網絡組網案例分析

（一）網絡架構分析（如圖2所示）

圖2 對比組網圖

此圖為全光網校園基礎網絡架構，想要更好地將GPOL 全光網絡應用到校園網基礎建設中，還需要對校園內網及各機房的建設做好部署，才能在GPOL 全光網絡功能的優(yōu)勢中，更好地釋放校園網的功能。

（二）組網需求分析

1.校園網整體按照三層點到多點星型拓撲，千兆接入，萬兆主干；光網絡終端進房間，按照一個教室或功能室一個終端模式部署，學校各業(yè)務系統(tǒng)集中在數(shù)據中心機房統(tǒng)一管理。

2.按照核心－匯聚－接入三層結構進行建設，核心和接入設備為有源設計，匯聚層為無源光網絡設計，核心層使用OLT，接入層使用光網絡終端ONU，匯聚層使用無源ODN 器件組網。

3.功能密集區(qū)，如教室、電腦機房、未來教室、圖書館，采用光纖直接進入教室，支持POE 的24 端口大規(guī)格光網絡終端覆蓋校園網絡、電子班牌、投影設備、電教設備、視頻監(jiān)控、教學廣播、無線覆蓋和錄播系統(tǒng)的接入要求，完全滿足教育主管機構對于教室的信息點接入要求。

4.普通功能室中等密集，采用光纖直接進入各功能教室，支持POE 的8 端口中等規(guī)格光網絡終端覆蓋辦公、電話、無線覆蓋、門禁、PC、校園廣播接入要求。

5.走廊、樓梯、操場等室外區(qū)域和校園周界為低密集區(qū)，采用光纖到壁掛機柜或弱電間機柜，支持POE 的24端口大規(guī)格光網絡終端覆蓋視頻監(jiān)控、無線AP 覆蓋和校園廣播接入。

6.校園的教學、辦公、視頻監(jiān)控等業(yè)務系統(tǒng)統(tǒng)一承載在校園光網絡中，各業(yè)務系統(tǒng)集中在學校數(shù)據中心機房管理。

7.安防系統(tǒng)，包括攝像頭、門禁、道閘控制在光網絡中做網絡隔離，控制與管理系統(tǒng)設置在校園安保中心。

8.網絡可管可控，針對小學和中學配置不同規(guī)格出口防火墻。

9.匯聚層使用單模光纖，室內光纖采用蝶型加強纜。

（三）GPOL全光網擴展

結合圖3 的網絡布置情況，在進行校園網絡搭建過程中，需要做好相應的部署和準備工作：

1.針對核心教室業(yè)務系統(tǒng)多、教學裝備技術更新快、帶寬需求越來越大等特點，為保障教室業(yè)務的現(xiàn)有帶寬需求并預留后續(xù)業(yè)務擴容空間，現(xiàn)設計核心教室ONU不使用分光器分光，采用光纖直通OLT 的方式，每教室ONU 獨 享2.5G 帶寬。

2.針對非核心教室的功能房間，采用樓層分光方案，分光器部署于樓層匯聚機箱，每分光器最大下掛8 個ONU，最大迸發(fā)時可確保每個ONU 有不低于300M 帶寬（由于網絡流量的突發(fā)性每個ONU 實際帶寬要大于此計算結果）。

3.如后續(xù)有更大的帶寬需求，可通過以下方式進行帶寬擴容，足以滿足智慧校園應用需求，確保多年不落后。

第一種方案：調整分光器下掛ONU 數(shù)量，并增加分光器——如原每分光器下掛8 個ONU，每個ONU 分配帶寬為312.5M；ONU 帶寬/臺=2500/8=312.5M；如需升級帶寬為600M，可減少分光器下掛數(shù)量為4 個，并相應增加一倍的分光器數(shù)量，ONU 帶寬/臺=2500/4=625M。

第二種方案：通過更換OLT PON 板與ONU 上行光模塊，將接入層帶寬從千兆升級至萬兆——OLT 的GPON 板 更 換 成10GPON 板，ONU 上行GPON 光 模 塊更換為10GPON 光模塊，在不改變布線系統(tǒng)的前提下將網絡帶寬平滑升級至10G。

借助以上方案，除了可以改善校園網層級復雜的情況，在GPOL 全光網絡的輔助下，也可以讓校園網絡在實際使用過程中傳輸效率高、響應速度快、耗能降低。

綜上所述，隨著中小學校園網和智慧校園的搭建，學校對網絡的依賴也會越來越高，因此大二層的網絡拓撲架構和GPOL 全光網絡的應用也在中小學智慧校園建設中扮演關鍵角色，全光網可根據實際業(yè)務需求和未來業(yè)務的拓展情況，對OLT 和ONU 設備進行部署，這種部署除了可以滿足當前的業(yè)務需求，也可以提供系統(tǒng)預留的空位，對未來假想的空間和業(yè)務進行管理，從而實現(xiàn)高效光網的運維和管理。因此，對于中小學的智慧校園建設而言，想要降低后續(xù)的維護和維修成本，選擇GPOL 全光網絡應用實屬明智之選。