关于智慧校园全光网建设的探讨与应用.pdf

电子乐园2023.01088电气电压 Electrical voltage1 引言根据意见的要求，到 2025 年，我国将建立一个具有结构优化、集约高效、安全可靠的教育新型基础设施体系，不断深化改革，不断完善实施，持续改进，以实现长远、全面的发展。意见提出，要加快建设教育专网，拓展学校出口带宽，使中小学固定宽带网络达到万兆、千兆、百兆的水平；同时，要加强校园 LAN 的升级，确保校内资源和应用的高效访问；此外，还要利用5G网络、千兆WMAN等技术，实现校园 WiFi 的全面覆盖，以提升教育质量，提升学生的学习体验。2 校园网建设概述近年来，“三通两平台”、“三全两高一大”和“班班通”的出台，不仅促进了学校的信息化水平的飞速提升，而且极大拓宽了校园网络资源的获取渠道，让师生可以获取更多的在线资源。由于新一代信息技术的出现，比如云计算、大数据、物联网、人工智能和虚拟现实，让许多教育机构拥有了更多的可能性，有效促进了教育的发展。随着新兴技术的发展，传统的教育模式已经发生了巨大的变化，校园内的网络带宽、速度和时延也得到了显著提升。由于教学终端的多样化以及设备的快速发展，网络的扩展面临巨大的挑战，同时也让安装和维护新设备变得更为困难。目前，校园网络仍然依赖于三层或更多层的技术架构，但这种架构也带来了一些问题，如层层叠加、设备故障检测和维护较为复杂。随着科学技术的发展，现代校园教育信息化建设迫切需要一个结构紧凑、运行迅速、管理容易、安全可靠的网络环境。为此，政府采取了光进铜退的战略，并将全光技术普遍应用于公共网络，而将其应用于行业专网则是当前解决方案的核心任务，以实现网络的扁平化、无源化和低碳节能，这也成为当今校园网建设的重要手段。3 校园全光网方案设计全光网是一种采用全光纤布线的网络技术，它具有极高的传输效率、可靠性和安全性，而且成本低廉，可以进行大规模的带宽升级。全光网的最大优势在于它能够提供更高的传输速度、更强的处理能力和更强的抗干扰能力，因此已经成为当今网络构建的首选技术。基于现阶段网络建设方面的技术和资源优势，可以提出 PON 全光网和以太全光网两种不同的网络建设方案，以满足当前校园网络的发展需求。根据学校的不同规模，将校园网划分为类（大型）、类（中型）和类（小型）三个类别。为了达到最佳的覆盖效果和使用体验，我们需要根据学校的实际情况，选择合适的建设方案和产品型号，以确保整体的性能和功能的统一。3.1 PON 全光网3.1.1 PON 全光网PON（数据链路层）技术提供了一种有效的光纤传输与连接方法，它可以将 OLT、ODN 以及 ONU 等设备连接起来，从而实现远程的数据交换与连接。PON 全光网络架构是一种先进的技术，它通过二层设计，使得网络的性能、可靠性、数据传输速度、容量都得到了显著改善。OLT 和 ONU关于智慧校园全光网建设的探讨与应用文/王旭平 丁 娇摘 要：随着科技的飞速发展，学校对网络资源和功能的需求日益增长，为满足智慧化的教育环境，亟需构建一套具有先进技术、可拓展性强的校园网络。为此，本文深入探讨了 PON 全光网与以太全光网两种网络架构，以满足日益增长的网络需求。经过仔细比较，根据学校的具体条件，采取适当的措施，以确保建设的有效性和可持续性。关键词：智慧校园；PON；以太全光2023.01电子乐园089Electrical voltage 电气电压均为有源设备，ODN 只有无源分光器，从而大大节省楼层弱电机房的空间，降低供电需求，满足当前网络扁平化的发展趋势。当前，GPON 技术已成为主流，其下行带宽高达 2.488G，而上行带宽则达到 1.244G。此外，PON 口还具有 164 台ONU 的分光比例，可以根据用户的不同需求，进行合理的分配。随着 GPON 的发展，XCPON 和 XGSPON 技术也在不断改进，特别是 10GPON，它的 PON 带宽已经达到了万兆，分光比高达 1:256，10CPON 可以实现光纤到桌面（FTTD），从而使得终端设备（如计算机、教学设备等）能够直接通过光器材连接，从而提升网络的效率和安全性，实现完整的光纤连接，使得整个网络都能够获得连接。3.1.2 具体部署OLT 和 ODN 是 PON 网络的两个重要组成部分，OLT 通常被部署在学校的机房、核心交换机和安全网关。ODN 通常由光缆、配线架、分路器和皮线光缆组成，它们可以被配置在弱电室或机房，分光比例取决于实际情况。以改善校园网络的接入率，通常采用 1:4 或 1:8 的分光比率；将 ONU 设备配置在使用者端（教室、办公室等），并经由双绞线连接到 ONU 设备。3.1.3 无线网络接入一是 AP 无线经由双绞线接入 ONU 的邻近装置（PON电源接口）进行访问；二是利用光纤接口 AP 单片机，实现与 OLT 的直接连接，同时采用 AC 控制器对无线网络进行集中管理，整个光网可以实现 WiFi6 的 A 路接入要求，提高无线网络接入速率。3.2 以太全光网3.2.1 以太全光网以太光网的体系结构，可以使用核心层一一连接到应用层的体系，将光纤引入课堂，将学生带入课堂，从而达到一种覆盖整个学校的全光网，并在学校内进行多个服务的传输。以太 1:1 的带宽接入到课堂，达成网络扩充一劳永逸的效果。以太全光网的体系结构是二层网络架构，核心是一种高性能的全光开关，在中低端，利用被动 ODF 纤维布线架实现对光纤网络的访问；该系统的主要功能是满足 4-8 个光纤接入要求，提供高容量的 POE+电源，以实现千兆对台式机的访问和满足 2.5G 多业务的需要。3.2.2 特定的配置根据校园网的特性，采用两级体系结构，以太全光网的体系结构主要采用两级体系，在校区中央机房配置全光纤交换机，中部采用被动式，为了提高建筑物的电气安全性，可以在弱电井中配置 ODF 配线架。通过光缆，将上层建筑物与中央机房相连，而下层建筑物则通过皮线光缆与终端设备相连。在用户端，配置 48 口交换机。3.2.3 无线电上网与 PON 全光网相同的是，AP 采用双绞式光纤连接带有 PON电源端的终端光纤开关；二是采用光纤接口AP单片机，与机房内的光纤开关进行连接，采用 AC 控制器进行无线网络的统一调度，同时可实现 WiFi6 的 AP 访问要求，提高了无线网络的访问速度。4 方案对比4.1 带宽性能 GPON 接口的上行频段高达 2.488G，而下行频段仅有 1.244G，由于它的结构是一对多的，多个 ONU 之间的频带共享会导致系统的性能受到影响。混合使用 GPON 和10GPON 可以实现稳定的网络扩展，提供更高的带宽。全光网络采用全双工以太网技术，具有 1:1 的带宽和下限，光纤交换口的带宽是分开的，不会有任何的共享，可以实现千兆/万兆人的网络。4.2 兼容性与保障性 GPON 的优势是显而易见的，具有很大的频宽，更新升级较为平滑，但各个厂家的互联程度也不高，且 GPON的双链路防护功能不能完全满足电力系统中的关键设备的安全性要求。以太全光网络具有更好的兼容性和安全性，可适配市面的大部分产品，同时还能兼容现有的一些设施，便于老旧的更新，从而减少改造费用。在以太全光网络的组网模式中，采用双链路的方法对关键节点进行安全防护，从而达到了较高的成本效益。4.3 经济性随着以太全网用户数量的不断增加，GPON 网络的建设成本也在不断上升，但它具有可分光的特点，因此在不增加设备成本的情况下，GPON 网络的经济性要远远超过以太全光网。5 应用实践通过实际应用比较，结果表明，若 GPON 与以太全光网的局部节点（OLT 及核心交换器）以及最终设备（ONU 及终端交换器）的投资费用相当，则由用户终端数目来确定其建造费用。通过对高校校园网的成本进行了研究，发现当用户规模达到某一规模时，GPON的用户平均费用具有明显的优越性。因此 GPON 光纤网非常适用于中小型的、大的网络应用场电子乐园2023.01090电气电压 Electrical voltage合，尤其是在中学、高中等。以太全光网适用于小学、幼儿园等小规模的网络应用，并且在利旧的需要下，以太全光网络可以与现有的一些网络设施并存，从而减少建造费用。而GPON 不能与原来的校园网装置共享，原有的设备没有任何利用价值，导致一些网络设施被废弃。在校园网中，特别是在办公室中，大多区域都以无线网络为中心，主要由 POE 交换器和双绞线组成，而 GPON 和Ethernet 的所有用户终端都可以使用 POE 接口，使用起来更方便，便于后期的维修。AP 也可以直接使用光端口，不过这样会加大设备的投资，且不会带来太大的成本效益。5.1 访问平台以 SDN/NFV 为基础，通过 X86 服务器来实现各种网络单元的功能，其中 SDN/NFV 主要由 v-Bras、v-Nat、v-Log等组成。SDN/NFV 网元、3A 认证计费系统和网管系统等可以在相同的硬件环境下工作，核心网使用一般的硬件，扩展仅需增加一个服务器即可。BRAS 装置能够实现多个运营商的网络集成，从而实现多个业务的集成；提供智能化的端口选项，增强了系统的鲁棒性和经济性；验证系统具有多种管理方法，能完成多维的数据和深层的外部界面；提供门户、微信小程序、短信、PPPoE 等多种身份验证访问方法；在进行快速的网络访问的时候，可以不需要通过身份验证来访问。5.2 MEC(MEC)MEC 是 5G 网中一个关键的网元，它是 5G 和全光网的结合，成为强大的智能校园网的一座桥梁。MEC 具备 5G接入、超强运算、切片、流控和多重计费特性等多种功能，并在 MEC 的适当配置下，形成 5G+全光网络的智能校园内网。5.3 OLT（Optical Line Terminal）是一种用于多服务的光学传送装置，具有较少的设备容量和没有电源线的中央机房；具有大容量的用户访问能力，大带宽容量，支撑范围广泛；易于日常的网络维修，易于更新和进化；采用光纤网络，仅需要一次施工，在以后基本上不需要移动；扩展仅要求扩大光学放大镜或者增加 OLT 的接口。5.4 ONU/ONU_G(Optical Network Unit/Gateway）是一种光学网络设备/网关，其每个室具有一个 ONU/ONU_G，不需要在任何地方进行配置，与 OLT 结合构成被动全光纤网，从而可以进行有线、无线的综合服务；具有报警功能，确保了系统运行的简单；支持因特网、WiFi、电视等多种业务的多业务访问。5.5 智慧 Al（Artificial Intelligence）维护体系包括网络管理模块、维护工单模块、网络机器狗、策略分析服务模块；利用网管和 NetDog 对不同的网络状况进行收集，再由政策业务模块对其进行分析，分发政策使NetDog 形成一个闭环的自我学习和维修体系；NetDog 具备网络探测和发布任务的能力，网络 Dog 能够探测到链路层、网络层和应用层，能够仿真网络用户的网络行为，从而实现对网络的真实体验，便于维护和管理，易于发现问题结点，无须维修。6 建设效果经过优化的光纤接入技术大大提升了网络的传输速度，使得网络的稳定性和可靠性得到极大的保障；此外，光纤入户的应用也为校园网的 IP 化宽带业务提供了便利的接入环境；而全光网的普及，让学生们可以通过手机微信、电脑网页等多种渠道轻松访问校园网，从而丰富和拓展网络的功能。通过引入光纤入户技术，能够显著改善学生的学习热情和主动性，同时也可以改善整个校园的网络资源管理和应用服务，降低运维的难度。通过实施校园信息公开，可以有效降低综合成本，包括节约人力、办公费用、提高学校各部门、广大师生的参与度，并且有助于加快工程验收和后期维护的进程。此外，还可以有效减少电脑设备的采购和维护成本，缩短网络设备的安装时间，从而节约办公场地费用，进一步提升办公效率。7 结束语随着信息化的普及，智能化的校园网络面临着前所未有的挑战。GPON 光网络和以太全光网技术是当今校园网络的主流，学校应该着重考虑它们的特点，比如网络的容量、终端的数量、网络的传输速度、资源的使用方式，并采取相应的措施，以提升教育的效率。随着科学技术的飞速发展，以及供应链的日益完善，全光网络已经成为智慧校园建设的重要组成部分，它的广泛使用将极大地推动未来教育信息化的深度融合，从而为未来的教育改革奠定坚实的基础。作者简介：王旭平（1986）性别：男，民族：汉族，籍贯：河南，学历：本科，职称：中级工程师，研究方向主要：信息技术管理。作者单位：浙江省通信产业服务有限公司湖州市分公司