基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)設(shè)計研究

羅大偉 王朝斌 胡伽率

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，為滿足高校師生教學(xué)、科研、辦公和日常生活對校園網(wǎng)越來越高的需求，建設(shè)能滿足智慧校園以及未來新型應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境十分必要。本文對校園網(wǎng)現(xiàn)狀進行了深入分析，采用吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）技術(shù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行升級改造，降低了交換設(shè)備成本和維護難度，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，增加了校園網(wǎng)的用戶接入數(shù)上限，有效解決了有線網(wǎng)與無線網(wǎng)分離的問題。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；智慧校園；校園網(wǎng)；吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)傳輸速率

中圖分類號：TN913.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-5072（2023）03-0311-07

校園網(wǎng)是一個寬帶多媒體局域網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著為學(xué)校辦公、教學(xué)以及科研實驗提供先進信息化基礎(chǔ)的重要任務(wù)［1］。諸多應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)平臺的發(fā)展以及智慧教室的普及，使師生對校園網(wǎng)的要求越來越高。同時，教育行業(yè)為了更好地接軌社會信息化環(huán)境，應(yīng)推動校園信息化建設(shè)由數(shù)字校園逐步向智慧校園邁進，智慧校園的建設(shè)也依托于穩(wěn)定、強大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)［2-3］。在信息化高度發(fā)展和智慧校園建設(shè)的推動下，高校作為多人員、高密度的教學(xué)辦公場所，對校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、安全性、穩(wěn)定性和擴展性都有著更高的要求［4］。目前大部分高校仍然采用三層以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)主干采用光纜傳輸介質(zhì)，萬兆互聯(lián)，接入網(wǎng)采用銅纜傳輸介質(zhì)，百兆到室內(nèi)。隨著各高校校園網(wǎng)的不斷建設(shè)和《信息安全等級保護管理辦法》系列標(biāo)準(zhǔn)［5］的推出，大部分高校核心網(wǎng)絡(luò)的性能和安全性已得到充分提高，但是接入網(wǎng)仍存在傳輸速率低、交換設(shè)備分散、升級改造難以及有線網(wǎng)與無線網(wǎng)分離等問題，成為了高校整體校園網(wǎng)性能發(fā)展的瓶頸。因此，設(shè)計研究一個具有高性能接入網(wǎng)的校園網(wǎng)具有非常重要的意義。

針對校園網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究有很多，目前比較常見的有基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Soft Define Network，SDN）技術(shù)、基于以太無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Networks，EPON）技術(shù)及融合多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方法。SDN技術(shù)的核心思想是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，通過集中式管理實現(xiàn)分布式的控制［6］。馬亞英［7］提出將SDN技術(shù)用于智慧校園網(wǎng)的建設(shè)，用以解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以擴展部署新業(yè)務(wù)等問題。雖然在一定程度上提高了校園網(wǎng)的性能，但是仍不能打破校園接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。EPON技術(shù)是基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，用光導(dǎo)纖維作為接入網(wǎng)的傳輸，以提高接入網(wǎng)的性能［8］。唐伍中和胡金初［9］將EPON技術(shù)應(yīng)用到校園網(wǎng)中，以解決“最后一英里”的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，EPON技術(shù)較吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（Gigabit-capable Passive Optical Networks，GPON）技術(shù)在帶寬、傳輸速率、服務(wù)質(zhì)量、安全性等方面稍顯不足［10］。趙振杰［11］提出將GPON技術(shù)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)融合的方式對校園網(wǎng)進行改造建設(shè)，篩選出適合GPON技術(shù)的應(yīng)用場景，對于適合的場景使用GPON技術(shù)，不適合的場景沿用傳統(tǒng)以太網(wǎng)方式。這個方式可以讓網(wǎng)絡(luò)性能得到提升，且能控制一定的成本，但是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，又會形成后續(xù)校園網(wǎng)升級改造中的新瓶頸。

針對上述方法的不足之處，本文以西華師范大學(xué)校園網(wǎng)為例，設(shè)計研究一個基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)建設(shè)方案，用以解決當(dāng)前高校校園網(wǎng)存在的傳輸速率低、升級改造難及有線網(wǎng)與無線網(wǎng)分離等問題。

1 校園網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 校園網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

西華師范大學(xué)校園網(wǎng)經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，教育網(wǎng)200 MiB帶寬、電信網(wǎng)與移動網(wǎng)各1 GiB 帶寬均通過主備雙鏈路方式接入學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心機房。南北向流量10 G以太網(wǎng)線路通過核心交換機流向數(shù)據(jù)中心區(qū)域，保障教務(wù)系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)、招生就業(yè)平臺、Web主頁、OA辦公、監(jiān)控和門禁以及各種科研實驗服務(wù)器數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。東西向流量40 G以太網(wǎng)線路通過核心交換機流向?qū)W生宿舍、辦公樓、實驗樓和教學(xué)樓等接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)主干萬兆互聯(lián)，千兆到接入交換設(shè)備，百兆到接入終端，實現(xiàn)了所有教學(xué)辦公區(qū)的有線覆蓋。學(xué)校校園網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)拓撲如圖1所示。

1.2 校園網(wǎng)目前存在的問題

1）網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低。當(dāng)前校園網(wǎng)接入層采用五類雙絞線作為有線傳輸介質(zhì)，最大傳輸率為100 Mibit·s-1，最大傳輸距離為100 m。在不考慮數(shù)據(jù)在傳輸過程中損耗的情況下，當(dāng)接入交換機某端口下連接有50名用戶同時使用網(wǎng)絡(luò)時，平均網(wǎng)絡(luò)速率只有接近2 Mibit·s-1。

2）接入網(wǎng)線路占用管道空間大、線路改造和維護難度高。五類雙絞線電纜直徑為5 mm，橫截面積約為19.625 mm2，100 m五類雙絞線電纜重量接近5 kg。

3）網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備陳舊。在7×24 h滿負荷工作模式下，大部分交換機已超過標(biāo)準(zhǔn)使用年限（3～5年），亟待更新。已經(jīng)超過使用年限仍在繼續(xù)工作的交換機占72.65%，而未超過使用年限的交換機中約60%是近3年內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級改造中用于核心區(qū)域，因此接入層交換設(shè)備使用時間超5年的占85%以上。

4）學(xué)校目前用于匯聚和接入的交換機約130臺，每臺交換機單獨占用一個弱電間，物理位置分散，占用空間大，對電力的依賴性大，向外散發(fā)熱量，存在安全隱患，且對自然環(huán)境造成一定負面影響。

5）接入層線路不利于升級改造。目前校園網(wǎng)在接入層的布線方式采用“接入交換機—配線架—走線槽—布線管道—墻體—RJ45（Registered Jack 45）接口面板”的模式。當(dāng)線路老化、損壞以及需要升級改造時，若從相同位置更換新的雙絞線，可實施性差；若重新布線，會造成線路紊亂、維護困難等問題。

6）有線網(wǎng)與無線網(wǎng)分離。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之初只為用戶終端提供了有線接入端口。智能手機的高速普及極大提高了用戶對無線網(wǎng)絡(luò)的需求，在這種需求的推動下，學(xué)校采取由互聯(lián)網(wǎng)運營商承建的方式提供學(xué)校無線覆蓋，造成了有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線路和管理分離的局面。有線網(wǎng)與無線網(wǎng)分離會阻礙“三網(wǎng)合一”“一碼通”等信息化建設(shè)進程。

基于此情況，經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)將GPON技術(shù)用于校園網(wǎng)的建設(shè)可以有效解決現(xiàn)有校園網(wǎng)存在的諸多問題，提高校園網(wǎng)的擴展性，滿足智慧校園不斷增加的新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求。

2 GPON技術(shù)

2.1 GPON介紹

無源光纖網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Networks，PON）［12］架構(gòu)是近年來公認的接入網(wǎng)發(fā)展方向。GPON技術(shù)是PON發(fā)展多年來形成的最新一代接入標(biāo)準(zhǔn)。同樣由PON發(fā)展而來的還有寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)（Broadband Passive Optical Networks，BPON）和EPON。

GPON標(biāo)準(zhǔn)比另外2個標(biāo)準(zhǔn)有更多的優(yōu)勢，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示：GPON技術(shù)具有更高的安全性、更靈活的分路比與更高的上下行速率［13-15］，更符合高校校園網(wǎng)的使用需求。基于以上考慮，本文基于GPON技術(shù)對校園網(wǎng)進行研究設(shè)計，用以承載各種教學(xué)、科研、辦公等業(yè)務(wù)。

2.2 GPON的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

GPON主要由光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）以及光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）［16-17］三部分組成。OLT主要部署在匯聚節(jié)點，向上接入核心網(wǎng)絡(luò)主干，向下連接所屬ODN的分光器等設(shè)備，具有集中帶寬分配、控制各ODN、實時監(jiān)控、運行維護管理等功能。ODN采用光傳輸介質(zhì)和無源光器件，在OLT和ONU間提供光通道。ONU向用戶端設(shè)備提供有線和無線接口，主要功能是選擇性接收來自O(shè)LT的廣播包，同時將用戶的數(shù)據(jù)上行到OLT。GPON網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

GPON的下行傳輸速率可達2.430 Gibit·s-1，上行傳輸速率可達1.215 Gibit·s-1。GPON的高傳輸速率取決于它的傳輸介質(zhì)、信號復(fù)用技術(shù)和數(shù)據(jù)封裝方式。GPON技術(shù)采用光纖作為傳輸介質(zhì)，光纖的信號傳輸方式和物理屬性決定了它的高傳輸速率。

GPON使用波分復(fù)用技術(shù)（Wavelength Division Multiplexing，WDM）以實現(xiàn)使用單纖進行雙向傳輸。使用1 290～1 330 nm波段作為上行數(shù)據(jù)傳輸波長，使用1 480～1 500 nm波段作為下行數(shù)據(jù)傳輸波長。

GPON提供面向連接的通信［18］。OLT端數(shù)據(jù)的下行方式是將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在GPON中采用GPON封裝模式（GPON Encapsu-lation Mode，GEM）廣播到該端口下的所有ONU設(shè)備，ONU成幀子層的過濾器對GEM幀頭中的Port-ID進行過濾，篩選出帶有符合條件的Port-ID的GEM幀，將其解封裝后送入用戶終端設(shè)備。GPON的下行數(shù)據(jù)工作模式如圖3所示。

在GPON中，使用一種可實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配［19］的傳輸容器（Transmission Container，T-CONT）來完成ONU端數(shù)據(jù)的上行工作。T-CONT與OLT端的GEM Port呈映射關(guān)系，且被Alloc-ID唯一標(biāo)識。當(dāng)上行的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被封裝成GEM幀后，ONU設(shè)備根據(jù)T-CONT與GEM Port的映射規(guī)則，將其通過對應(yīng)T-CONT隊列發(fā)送到OLT設(shè)備。OLT接收到上行的GEM幀后，將其解封裝，并通過上行口將數(shù)據(jù)發(fā)送到核心網(wǎng)絡(luò)中去。GPON的上行數(shù)據(jù)工作模式如圖4所示。

3 基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

1）高性能。一個優(yōu)秀的校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能輕松承載各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的上線，能滿足各種極端情況下用戶對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和帶寬的需求。

2）穩(wěn)定性。采用成熟、適用的設(shè)備和技術(shù)以保證教學(xué)、辦公、科研等工作的順利進行。

3）安全性。安全性在整個網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中占首要地位，搭建牢固的網(wǎng)絡(luò)防御系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以保證學(xué)校師生網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的健康和安全，確保學(xué)校辦公、科研數(shù)據(jù)的保密性和完整性。

4）擴展性。擴展性是校園網(wǎng)建設(shè)必須提前規(guī)劃的重點，配備的軟件、硬件設(shè)備以及鋪設(shè)的線纜都應(yīng)具有高擴展性，以應(yīng)對隨著信息化高速發(fā)展而出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)新需求。

3.2 基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

本方案在校園網(wǎng)出口位置部署2臺萬兆防火墻，配置為熱備模式，做到無感知自動主備切換，保證校園網(wǎng)整體的安全性和穩(wěn)定性。在中心機房部署2臺具有高性能、高擴展性，支持AP接入控制、多電源的交換機，采用堆疊的工作模式作為整個校園網(wǎng)絡(luò)的核心交換機。核心交換機旁掛1套行為認證和行為管理服務(wù)器，對校內(nèi)師生上互聯(lián)網(wǎng)進行認證和管理。在數(shù)據(jù)中心出口放置2臺萬兆防火墻和2臺入侵防御設(shè)備，對服務(wù)器區(qū)域進行深層次保護。在數(shù)據(jù)中心管理區(qū)部署運維審計系統(tǒng)（又稱堡壘機）、反向代理服務(wù)器、漏洞掃描服務(wù)器、態(tài)勢感知系統(tǒng)以及日志審計系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)中心區(qū)域各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全性，強化對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的管理能力。部署無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)用網(wǎng)人數(shù)和場景的不同選擇不同類型的無線接入點（Access Point，AP）。ONU自帶無線接入功能，辦公室、寢室等場所無需再部署其他無線AP，教學(xué)樓、辦公樓走廊與過道部署普通AP，大會議廳、教室、食堂等場所采用高密放裝AP以滿足高密度用戶場景WIFI接入。OLT設(shè)備的選型視場景而定。教學(xué)樓、學(xué)生公寓、辦公樓等區(qū)域匯聚機房配置2臺具有2個萬兆上行接口，8個PON口的OLT設(shè)備，實現(xiàn)1+1冗余備份及雙上聯(lián)保護。食堂、體育館等PON接入需求較小，配置2臺具有2個萬兆上行接口，4個PON口的OLT設(shè)備即可。OLT旁掛一臺無線接入控制器（Access Client，AC），對無線接入點進行集中管理。ONU設(shè)備的選擇需依據(jù)每個場景所需網(wǎng)絡(luò)接入點來決定，學(xué)生寢室4人間采用4以太網(wǎng)接口+WIFI的型號，大于4人的寢室采用8以太網(wǎng)接口+WIFI的型號，小辦公室（小于或等于4個工位）采用4以太網(wǎng)接口+WIFI的型號，大辦公室（大于4個工位）采用8以太網(wǎng)接口+WIFI的型號。

OLT下行采用光纖到戶（Fiber To The Home，F(xiàn)TTH）［20］接入方式，使師生的網(wǎng)絡(luò)接入位置更加靈活。在布線上擯棄傳統(tǒng)的雙絞線傳輸介質(zhì)以及穿墻布線的方式，沿墻頂布線，使用卡扣式方形PVC走線槽在外層對光纖進行保護和固定。OLT上行采用B類型雙歸屬保護［21］，以提高網(wǎng)絡(luò)鏈路容錯性。根據(jù)方案設(shè)計的基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)整體拓撲如圖5所示。

4 應(yīng)用效果

將GPON技術(shù)用于校園網(wǎng)建設(shè)，對比當(dāng)前校園網(wǎng)具有顯著的效果提升，不僅在參數(shù)上具有優(yōu)勢，同時也解決了很多當(dāng)前校園網(wǎng)存在的問題，主要包括：

1）提高了終端接入傳輸速率。在不考慮傳輸損耗的情況下，當(dāng)接入設(shè)備某端口下同時上網(wǎng)人數(shù)在1～20時，當(dāng)前校園網(wǎng)接入用戶的平均傳輸速率高于4 Mibit·s-1，基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)接入用戶的平均網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高于50 Mibit·s-1，滿足大部分用網(wǎng)需求；當(dāng)接入設(shè)備某端口下同時上網(wǎng)人數(shù)在21～50時，當(dāng)前校園網(wǎng)接入用戶的平均傳輸速率介于2～4 Mibit·s-1，已有部分高網(wǎng)速需求的平臺和應(yīng)用不能滿足，而基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)接入用戶的平均網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高于20 Mibit·s-1；當(dāng)接入設(shè)備某端口下同時上網(wǎng)人數(shù)在 50～100時，當(dāng)前校園網(wǎng)接入用戶的平均傳輸速率已介于1～2 Mibit·s-1，能明顯感受到視頻延遲、資源下載速率慢的現(xiàn)象，而基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)接入用戶的平均網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高于10 Mibit·s-1，仍能滿足大部分用網(wǎng)需求。基于GPON技術(shù)校園網(wǎng)的終端接入傳輸速率與當(dāng)前校園網(wǎng)終端接入傳輸速率對比如圖6所示。

2）增加了接入用戶數(shù)上限。當(dāng)前校園網(wǎng)使用的接入交換機以太網(wǎng)端口數(shù)為24，在不增加其他設(shè)備的情況下，只能支持24個用戶終端的有線接入?；贕PON技術(shù)的校園網(wǎng)支持的光分路比可達1∶128，且ONU設(shè)備可提供8個有線接口和無線信號接入，即OLT的1個PON口可支持大于1 024個用戶終端接入。

3）接入端口的增設(shè)更加容易。當(dāng)室內(nèi)用網(wǎng)終端增加時，可靈活更換提供更多接入端口的ONU設(shè)備，以滿足更多用戶終端的接入使用。

4）減少了交換設(shè)備占用的空間。基于GPON技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)不使用接入交換機，無需在每一樓層設(shè)置單獨的弱電間，在減少設(shè)備占用空間的同時也減少了學(xué)校電力消耗和熱量釋放。

5）降低了網(wǎng)絡(luò)維護、改造的難度。采用FTTH接入方式，全程使用光纖作為傳輸介質(zhì)，沿墻頂布線，使用卡扣式方形PVC走線槽在外層對光纖進行保護和固定，可以輕松增加新的線路，更換故障光纖也更方便。

6）解決了接入交換設(shè)備陳舊的問題?；贕PON技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)不使用接入交換機，所以不用規(guī)劃購入新的接入交換設(shè)備，降低了校園網(wǎng)建設(shè)的成本。

7）有效解決了有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)分離的問題。提供終端接入的ONU設(shè)備自帶無線接入功能，能有效為用戶提供無線網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié) 語

GPON技術(shù)是最新一代的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將其應(yīng)用在校園網(wǎng)中，不僅解決了學(xué)校當(dāng)前校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備多、線路占用空間大、對電力依賴性大、有線網(wǎng)和無線網(wǎng)分離、不利于升級改造等問題，而且對智慧校園的不斷深入發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。后續(xù)將探索研究5G技術(shù)與GPON技術(shù)的融合，建設(shè)一個具有性能更強、擴展性更高、結(jié)構(gòu)更簡單的校園網(wǎng)，以滿足5G時代背景下校園新型業(yè)務(wù)的需求，進一步推動高校智慧校園的建設(shè)發(fā)展。

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Abstract：Following the continuous development of Internet applications，it is necessary to build a network environment that can meet the needs of smart campuses and new applications in the future so as to meet the increasingly higher demands on campus networks for teaching，scientific research，office and daily life of teachers and students in colleges and universities.This paper has conducted an in-depth analysis of the current situation of campus networks，and adopted Gigabit-capable Passive Optical Network（GPON） technology to upgrade the existing network.The cost of switching equipment and the difficulty of maintenance are reduced.The network transmission rate is increased，and the upper limit of the number of campus network users is increased，effectively solving the separation of wired network and wireless network.

Keywords：Internet；smart campuses；campus network；Gigabit-capable Passive Optical Network（GPON）；network transmission rate

基金項目：西華師范大學(xué)英才科研基金項目（17YC498）

作者簡介：羅大偉（1995—），男，碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)安全研究。

通信作者：王朝斌（1970—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事網(wǎng)絡(luò)安全與算法研究。E-mail：cbwang@cwnu.edu.cn

引文格式：羅大偉，王朝斌，胡伽率.基于GPON技術(shù)的校園網(wǎng)設(shè)計研究［J］.西華師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，44（3）：311-317.