PON技術(shù)在高校校園網(wǎng)中部署的利弊研究

顏偉 姜海濤

摘要：PON技術(shù)作為一種新的組網(wǎng)方式，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)高校校園網(wǎng)而言，PON技術(shù)組網(wǎng)模式還處于探索階段。文章從高校校園網(wǎng)應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，結(jié)合PON技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)PON技術(shù)在校園網(wǎng)中部署的利弊進(jìn)行分析，提出高校采用基于PON技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可能出現(xiàn)的問題，對(duì)PON技術(shù)在校園網(wǎng)中部署的可行性提出了理性思考。

關(guān)鍵詞：PON；校園網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；全光網(wǎng)；以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）35-0094-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著智慧校園建設(shè)的不斷深入，如何建設(shè)一張高帶寬、易擴(kuò)展、好運(yùn)維的校園網(wǎng)，從而更好地滿足未來各種校園新型業(yè)務(wù)的需求，成為高校的“剛需”。PON網(wǎng)絡(luò)利用光纖作為傳輸媒介，激光作為信號(hào)載體，可以減少電磁、灰塵、溫度與雷電影響。實(shí)際應(yīng)用中，PON在校園網(wǎng)內(nèi)僅解決接入到匯聚這一段的組網(wǎng)問題，而從核心層到匯聚層再加上最后一米的有線信息接口，依然是以太網(wǎng)技術(shù)，對(duì)于用戶身份的管理、優(yōu)先級(jí)、業(yè)務(wù)分類等也需要通過以太網(wǎng)方式傳遞給其他校園網(wǎng)設(shè)備，這就使得PON在校園網(wǎng)中的部署和應(yīng)用必然要想方設(shè)法適配以太網(wǎng)技術(shù)。

對(duì)于一些正在觀望、還未部署PON技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的高校而言，由于對(duì)全光網(wǎng)的部署條件不甚了解，正處于適不適合上全光網(wǎng)的衡量階段，在“光進(jìn)銅退”的背景下，各高校是否建設(shè)全光校園網(wǎng)還需要進(jìn)行探討。

1 高校校園網(wǎng)組網(wǎng)現(xiàn)狀概述

校園網(wǎng)作為高校重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，是為學(xué)校教學(xué)、科研、管理和生活提供先進(jìn)技術(shù)支撐的局域網(wǎng)絡(luò)。校園網(wǎng)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在高速、交互、專業(yè)、安全等方面。一方面，校園網(wǎng)是開展正常教學(xué)、科研和管理的基礎(chǔ)，需要滿足師生對(duì)大容量、高速率、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅涣硪环矫?，由于校園網(wǎng)承載著大量技術(shù)成果、身份認(rèn)證信息、高校教務(wù)教學(xué)管理信息等龐大的數(shù)據(jù)資源，需要有更高的安全可靠性要求。

目前各高校校園網(wǎng)主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)是以太網(wǎng)，一般為基于核心層、匯聚層、接入層3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]。

2 PON技術(shù)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)概念

PON，全稱為無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON） ，是一種點(diǎn)到多點(diǎn)（Point 2 Multiple Point，P2MP） 的光纖接入技術(shù)。一個(gè)PON架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括部署在中心機(jī)房的光線路終端（Optical Line Terminal，OLT） 、部署于用戶場(chǎng)所的光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU） 以及連接OLT和ONU的光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN） 。所謂“無源”是指在光配線網(wǎng)絡(luò)ODN中不含任何有源電子器件及電子電源等設(shè)備中繼。

在PON網(wǎng)絡(luò)中，核心技術(shù)是無源分光，分光一般是通過光無源分光器Splitter實(shí)現(xiàn)。無源分光器按照2的指數(shù)進(jìn)行分光，包括1：8，1：16，1：32等，由于分光有損耗，分光的路數(shù)越多，損耗越大。為保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，分光比通常不超過1：64。

PON架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，上行方式和下行數(shù)據(jù)的傳輸方式不同，采用時(shí)分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA） 方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行，采用被動(dòng)廣播方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下行[2]。

目前主流技術(shù)是EPON和GPON。PON的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般如圖2所示。

3 PON技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

作為通信技術(shù)中的一項(xiàng)新興技術(shù)，PON技術(shù)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中，非常好地解決了整體成本、傳輸速率、使用壽命、傳輸距離等一系列問題。

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

PON技術(shù)采用扁平化二層架構(gòu)，符合網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展趨勢(shì)。相比系統(tǒng)以太網(wǎng)的核心機(jī)、匯聚、接入的三層架構(gòu)，PON網(wǎng)絡(luò)最突出的優(yōu)點(diǎn)是減少了中間的有源節(jié)點(diǎn)——匯聚交換機(jī)。PON架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中只有在匯聚層部署的OLT設(shè)備和在接入層部署ONU設(shè)備為有源設(shè)備，在中間ODN部署的分光器為無源的，通過采用OLT和無源的分光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)以太網(wǎng)的有源的匯聚層，變成全光的二層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的扁平化，這樣既可以減少匯聚機(jī)房的空間占用和供電需求，也可以節(jié)省匯聚機(jī)房的制冷設(shè)備，進(jìn)而有效減少匯聚機(jī)房的安全隱患。

為提高鏈路的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，PON組網(wǎng)方案中一般在核心交換機(jī)和OLT之間配置鏈路聚合，實(shí)現(xiàn)OLT的雙上聯(lián)、雙歸屬保護(hù)。OLT和分光器之間主干鏈路配置TypeB雙歸屬保護(hù)，實(shí)現(xiàn)分光器雙上聯(lián)至OLT。

3.2 介質(zhì)成本相對(duì)低，占用空間小

目前接入機(jī)房到ONU常用2芯蝶形皮線光纜連接。皮線光纜具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，同六類非屏蔽雙絞線相比，截面積不到四分之一，體積約為三分之一，重量約為四分之一，價(jià)格約為四分之一到二分之一，對(duì)布線橋架容積、弱電間施工安裝空間等環(huán)境要求較低，相對(duì)雙絞線部署具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以顯著降低弱電橋架、線槽的空間占用和稱重負(fù)荷。

3.3 光纖傳輸損耗低，中繼距離長

相比雙絞線，單模光纖在傳輸光信號(hào)時(shí)傳輸損耗低，PON技術(shù)網(wǎng)絡(luò)一般采用單模光纜布線。單模光纖的傳輸距離的限制因素是其衰減系數(shù)，單模光纖的衰減特性有隨波長遞增而減小的趨勢(shì)，但工作波長在11310～1600nm窗口區(qū)間時(shí)衰減趨于平坦，因此目前組網(wǎng)一般都使用1310nm波長的激光和1550nm波長的激光作為信號(hào)載體。單純從衰減系數(shù)考慮，1550nm波長的光在G.652D光纖上傳輸時(shí)的衰減系數(shù)最接近最低衰減系數(shù)0.2dB/km，因此長距離光纖傳輸系統(tǒng)都采用1550nm波長區(qū)[3]。

工作波長為1550nm的光在G.652D標(biāo)準(zhǔn)光纖中傳輸時(shí)衰減系數(shù)不大于 0.22dB/km，以此可以測(cè)算出，10GPON在1：32的分光比條件下（插入損耗為17.5dB） ，光信號(hào)無電中繼傳輸距離可超過30km[1]。因此，PON在超大型樓宇和樓宇群的傳輸需求中距離優(yōu)勢(shì)明顯。

4 PON技術(shù)在校園網(wǎng)部署的劣勢(shì)

PON技術(shù)主要源于運(yùn)營商推廣，適合居民小區(qū)場(chǎng)景應(yīng)用。這種場(chǎng)景中用戶密度小、網(wǎng)絡(luò)中流量南北縱向大、東西橫向流量小，用戶之間基本上沒有數(shù)據(jù)交換。高校校園網(wǎng)是特殊的局域網(wǎng)，基于以太網(wǎng)技術(shù)建設(shè)，校園面積及跨距一般不大，PON技術(shù)組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)不明顯，有時(shí)甚至成為性能瓶頸。

4.1 可靠性不足，單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)增加

PON的匯聚層無源是“雙刃劍”，無源即無腦，使得PON網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重依賴于OLT，這意味著多業(yè)務(wù)承載的環(huán)境中，任何一個(gè)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)策略都需要上送到OLT及背后的核心交換機(jī)完成，而且業(yè)務(wù)種類越多、權(quán)限復(fù)雜度越高，對(duì)OLT及背后交換機(jī)的壓力就越大，對(duì)整體性能的影響越大，單點(diǎn)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)越高。

4.2 共享帶寬，傳輸效率低

從架構(gòu)看PON網(wǎng)絡(luò)中ONU之間共享到OLT的帶寬，不能根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。例如：1G的OLT板卡采用1：32分光，每個(gè)ONU只有1000/32=31M，ONU下如果有多用戶，帶寬更低[4]。

PON網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)上行傳輸采用TDMA模式，上行鏈路被分成不同的時(shí)隙Slot，為防止由于ONU無序發(fā)送數(shù)據(jù)造成相同波長光信號(hào)疊加從而使得OLT接收后無法讀取數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，由OLT對(duì)時(shí)隙進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和授權(quán)，ONU不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，ONU在自己的授權(quán)時(shí)隙內(nèi)有通信需求時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，無通信需求插入空白幀。這種機(jī)制不能根據(jù)ONU上的流量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整各ONU的時(shí)隙授權(quán)和上行帶寬，承載突發(fā)性比較強(qiáng)的業(yè)務(wù)時(shí)帶寬利用率比較低，存在性能瓶頸。

4.3 靈活性差，線路成本優(yōu)勢(shì)不明顯

PON技術(shù)網(wǎng)絡(luò)使用光纖傳輸激光信號(hào)，終端用戶必須通過光電收發(fā)設(shè)備進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換才能聯(lián)網(wǎng)，增加了設(shè)備成本，且分光路徑比較固定，一旦完成部署，難以靈活調(diào)整和擴(kuò)容。

無源分光是PON的一把“雙刃劍”，ONU之間共享帶寬，校園網(wǎng)中東西橫向流量需求大，經(jīng)過分光過后的帶寬無法滿足需求，而不采用分光，使用1：1下行，OLT下行光口的成本也將被逐漸拉高，PON技術(shù)在路線成本上的優(yōu)勢(shì)也不復(fù)存在。

4.4 兼容性差，適應(yīng)性不強(qiáng)

PON各品牌廠商均采用各自的私有協(xié)議，ONU與OLT之間存在已知較多的兼容性問題。一旦選擇了某個(gè)品牌的PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，未來進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容或更新設(shè)備時(shí)一般只能使用該品牌的設(shè)備，用戶容易被廠商方案綁定，幾乎沒有可選擇性，資金投入風(fēng)險(xiǎn)較高[3]。

4.5 皮線光纜布線煩瑣，后期維護(hù)困難

光纖用玻璃纖維傳導(dǎo)光信號(hào)，纖芯較為脆弱，不能過度彎曲，入戶穿線時(shí)容易折斷，接頭位置也不能存在較大震動(dòng)，所以不能大規(guī)模預(yù)埋布線，后期使用過程中還存在動(dòng)物咬斷、其他工程施工破壞以及長時(shí)間環(huán)境磨損等，如果使用鎧裝光纖或進(jìn)行套管保護(hù)，又增加了建設(shè)成本。

光纜發(fā)生故障時(shí)，需對(duì)光纜纖芯的玻璃纖維進(jìn)行熔接。熔接光纖需要專門的熔接設(shè)備和較高的技術(shù)門檻，熔纖操作時(shí)須嚴(yán)格遵守施工規(guī)范，謹(jǐn)防雜質(zhì)或灰塵污染光纖端面，確保光纖的熔接質(zhì)量，否則會(huì)造成鏈路傳輸質(zhì)量下降，影響通信效果[5]。

4.6 運(yùn)維成本高，效率低

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)看，PON是二層網(wǎng)絡(luò)，需要維護(hù)的設(shè)備較少，但是通過實(shí)際運(yùn)維發(fā)現(xiàn)，PON網(wǎng)絡(luò)包括核心層、OLT設(shè)備層、無源分光器層、ONU設(shè)備，是典型的四層網(wǎng)絡(luò)。而且PON架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜，分光器這種啞設(shè)備無法在網(wǎng)絡(luò)中被發(fā)現(xiàn)，傳輸鏈路出現(xiàn)問題時(shí)故障定位及排除難度較大，對(duì)運(yùn)維人員技術(shù)要求高。為了解決這些問題，功能強(qiáng)大的網(wǎng)管系統(tǒng)必不可少，第三方網(wǎng)管平臺(tái)在對(duì)ONU的數(shù)據(jù)獲取上存在困難，而設(shè)備廠商的網(wǎng)管系統(tǒng)需要單獨(dú)購買，增加了建設(shè)成本。運(yùn)維過程中需要再增加配備打光筆、光衰減器儀、光功率計(jì)、光纖熔接機(jī)等專業(yè)運(yùn)維工具，運(yùn)維成本較高。

4.7 資源共享受限

PON技術(shù)組網(wǎng)時(shí)，ONU是獨(dú)立單元，默認(rèn)相互隔離，無法直接互訪，存在橫向資源共享受限問題，如ONU打印機(jī)不能共享使用。如果要實(shí)現(xiàn)跨ONU資源共享，則需要在OLT上增加相關(guān)配置，這樣會(huì)加大OLT的系統(tǒng)資源消耗，導(dǎo)致性能瓶頸。如果取消OLT的端口隔離功能，則PON技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的安全性能就會(huì)大打折扣。

4.8 ONU設(shè)備取電困難，安裝位置不好確定

目前，ONU設(shè)備的供電方式有兩種，一是就近取電，在ONU用戶房間就近為ONU供電；二是在距離允許的情況下，從接入機(jī)房隨皮線光纜一塊布放電線給ONU設(shè)備供電。

第一種方式，ONU的電源供應(yīng)由使用者自主管理，運(yùn)維人員難以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)從分光器到ONU段的鏈路故障。第二種方式，ONU自帶電源供應(yīng)，雖然可以保證供電的穩(wěn)定性和可靠性，有助于網(wǎng)管人員主動(dòng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備線路故障，但背離了PON網(wǎng)絡(luò)在中間節(jié)點(diǎn)無源的初衷和優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，隨光纜布設(shè)電線，又額外增加了原材料成本和施工成本。

另外，ONU設(shè)備的安裝位置也是個(gè)難題，本身ONU設(shè)備不能像雙絞線的信息面板一樣可以嵌入式安裝，只能在墻上顯式安裝。安裝位置過低，在日常使用中容易被人為破壞，環(huán)境中的水汽、灰塵等也會(huì)影響ONU的通信質(zhì)量和使用壽命，安裝位置過高，既影響房間美觀，也不利于后期的巡檢維修等工作。

5 結(jié)束語

基于PON的組網(wǎng)方案源于運(yùn)營商推廣，是一種新的組網(wǎng)方式，可以采用多種不同的技術(shù)路線具體實(shí)施，不能簡單地說哪種技術(shù)更好，必須實(shí)事求是，結(jié)合建設(shè)場(chǎng)景進(jìn)行綜合分析論證。 PON技術(shù)組網(wǎng)方式在校園網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用案例并不多，在網(wǎng)絡(luò)開放性、兼容性、穩(wěn)定性、可靠性、靈活性、安全性、強(qiáng)性價(jià)比、網(wǎng)絡(luò)控制策略性和對(duì)智慧校園業(yè)務(wù)支撐等方面仍有些經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)校園網(wǎng)管理者來說，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)近乎為零，對(duì)實(shí)際的建設(shè)效果和建設(shè)投入有諸多顧慮。但是PON技術(shù)組網(wǎng)的無源適應(yīng)性、多業(yè)務(wù)承載能力等優(yōu)勢(shì)對(duì)校園網(wǎng)的性能提升具有一定的借鑒作用。

目前各高校校園網(wǎng)主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)是傳統(tǒng)以太網(wǎng)，這種組網(wǎng)方式在高校校園網(wǎng)多年的運(yùn)行管理實(shí)踐中已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的體系和穩(wěn)定的方案。因此，在校園網(wǎng)的建設(shè)改造過程中，各校應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況，結(jié)合建設(shè)場(chǎng)景，充分考慮校園網(wǎng)的用戶高密度、多元化應(yīng)用需求強(qiáng)烈、智慧校園業(yè)務(wù)承載能力強(qiáng)、內(nèi)部數(shù)據(jù)交換流量大、網(wǎng)絡(luò)控制策略復(fù)雜等特點(diǎn)，結(jié)合PON技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來選擇施工方案，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與傳統(tǒng)架構(gòu)的“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”，將所有網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)都整合到一張二層大網(wǎng)中，更有利于校園網(wǎng)的扁平化，更好地應(yīng)對(duì)校園網(wǎng)應(yīng)用的需求，為學(xué)校的教學(xué)、科研、管理提供更加優(yōu)質(zhì)、快捷的服務(wù)。

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[5] 陳永杰.眾議：高校如何部署全光網(wǎng)？[J].中國教育網(wǎng)絡(luò)，2021（12）：13-17.

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