F5G全光网在转化医学中心应用的研究.pdf

DIGITCW技术 应用Technology Application116DIGITCW2023.10目前，我国新建的转化医学中心主要依托著名大学和综合实力较强的医院联合创办，在重大疾病防治、药物研发、临床治疗新技术方面起着重大作用。区别于传统医院，转化医学中心的建设不仅包括诊区和普通病区的建设，还包括基础研究平台、临床研究及试验平台、研究型病房以及科研数据中心等场景的建设。由于大量的专业医学设备、实验设备需要联网，在原本复杂的医疗信息化建设基础上又增加了不少信息化应用，这对网络的规划部署带来了严峻的挑战。使用光纤到房间方式相比传统网线组网的部署方式会更灵活，具有更高的带宽、更低的延时，支持带宽演进，更适应未来业务拓展。1 F5G全光网络技术F5G全光网络是以单模光纤为传输介质，采用10G GPON、Wi-Fi 6为主的第五代固定接入技术构建的园区网络1，采用F5G的XGS-PON/GPON技术，点到多点的架构。F5G全光网络与传统以太网络最大的区别就是全光网络最大限度地采用光纤作为传输介质，由于光纤本身抗电磁干扰、抗氧化能力比网线强，并且光纤体积小，不易腐蚀，传输距离远，带宽大，因而传输带宽可达到T比特，寿命长，可长达30年以上，并有利于带宽易演进。F5G技术在转化医学中心的应用主要是构建F5G作者简介：黎永东（1988-），男，广东珠海人，本科，工程师，研究方向为通信技术。F5G全光网在转化医学中心应用的研究黎永东（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 珠海 519000）摘要：传统以太网络接入方案一般采用千兆网线作为传输介质，综合布线一般采用固定布点方式，在转化医学中心规划建设前期中往往容易出现设置错或设置少，后期补点难的问题。另外，不同的专业医疗设备和实验室设备对带宽要求不同，传统以太网络难以适配设备的迭代升级所带来的带宽需求。利用F5G全光网络技术，以单模光纤作为传输介质，采用光纤到房间的综合布线方式，能够通过设置不同的分光比，在不同场景选型适合的ONU，以实现不同场景信息点的灵活部署，并支持对新技术的信息化应用进行调优。关键词：F5G全光网络；无源光网络PON；光网络单元ONU；无源光局域网POL；转化医学；医疗信息化doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.10.038中图分类号：TN 929.1，R-05 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2023）10-0116-03Research on the Application of F5G All Optical Network in Translational Medicine CenterLI Yongdong(Guangdong Southern Telecom Planning and Consulting Design Institute Co.,Ltd.,Zhuhai 519000,China)Abstract:The traditional Ethernet network access scheme generally uses gigabit network cable as the transmission medium,and the generic cabling generally uses the fixed distribution mode.It is easy to set incorrectly or set less in the early stage of the planning and construction of translational medicine center,and it is difficult to make up points later.In addition,different professional medical equipment and laboratory equipment have different bandwidth requirements,and traditional Ethernet networks are difficult to adapt to the bandwidth requirements brought by the iterative upgrade of equipment.Utilizing F5G all optical network technology,using single-mode optical fiber as the transmission medium,adopting a comprehensive cabling method from fiber to room,selecting suitable ONUs in different scenarios by setting different light splitting ratios to achieve flexible deployment of information points in different scenarios,and supporting optimization of information applications of new technologies.Key words:F5G all optical network;passive optical network(PON);optical network unit(ONU);passive optical local area network(POL);translational medicine;medical informatizationDCWTechnology Application技术应用117数字通信世界2023.10无源光局域网POL。POL采用一种点到多点的网络架构，由光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）以及光网络单元（ONU）组成2。OLT主要汇聚所有ONU的接入，完成数据交换和转发的功能；ODN由分光器和光纤组成；ONU提供用户终端业务接入功能。在转化医学中心的全光网建设中，主要是采用GPON技术和XGS-GPON技术组网。以太网络和F5G全光网络在技术标准上区别见表1。表1 以太网络和F5G全光网络技术标准区别技术参数IEEE 802.3（Ethernet）ITU-T G.984(GPON)ITU-T G.9807(XGS-GPON)下行1000 MbpsGPON：2500 MbpsXGS-PON：10000 Mbps上行1000 MbpsGPON：1250 MbpsXGS-PON：10000 Mbps下行效率最大97.5%，最小54.8%92%（采用NRZ扰码开销8%）收益带宽975 MbpsGPON：2300 MbpsXGS-PON：10000 Mbps2 总体网络架构目前，大部分医院网络基于传统以太网络分三层建设，转化医学中心网络构建不仅需要考虑与原有医院网络实现互联互通，还需要考虑业务数据分流，业务承载能力，以及网络出口的规划，并遵循“分区分域”设计的原则。总体网络架构设计见图1。从业务数据分流、业务承载能力、运营维护以及网络扩展性综合考虑，创新性地应用“一院双核心”方案，并采用IP+POL创新融合架构。新建内网逻辑架构分为三层，分别是核心层、汇聚层、接入层。核心层部署数据中心级以太网核心交换机，两台核心交换采用双机堆叠方式实现网络高可用，通过单模光纤连接医院内网核心交换机，实现内部医疗信息系统互连互通。汇聚层部署OLT设备，用户汇聚所有ONU设备的接入。接入层根据场景需求部署不同端口的ONU设备，连接各种医疗设备、计算机、IP电话、打印机、监控摄像头、无线AP等。无源分光器可部署在楼宇和楼层弱电间，根据不同场景要求，选择采用Type B/Type C双归属保护技术，可以对主干光缆、分支光缆，OLT及上行链路进行端到端保护，保护倒换时间小于 50 ms，保障业务不间断运行。在整个网络中业务数据流主要分为科研类数据流和医疗类数据流，转化中心的医疗类数据通过互连光纤回传到原医院数据中心统一汇聚，并且通过统一的医疗专网出口与院外系统对接；而科研类数据则通过转化医学中心新建的内网汇聚到转化医学数据中心，未来可以根据多中心科研协助或专科联盟的相关发展情况，在转化医学内网单独设置安全可靠的互联访问区，实现院内科研业务与区域产业的融合。双核心、双数据中心、双互联访问区的设置，有利于科研类和医疗类数据分流。此外，在业务内网和外网之间设置安全边界，通过部署防火墙和双向网闸，实现高敏感与低敏感网络之间拦截TCP/IP连接，过滤丢弃TCP/IP封装，还原上层应用数据并经过安全处理后，以数据摆渡的方式实现应用数据在内外网中安全交换。在实现应用数据的往返传输的同时，保证内外网络在任何时候没有联通的电气连接。为保障内网的安全管理以及统一运维，单独设置内网安全运维区，并通过光纤与2个核心互连。区域内根据等级保护三级的相关要求并结合用户安全管理需求，部署日志审计系统、数据库审计系统、运维安全审计系统、终端安全管理系统等相关安全设备。3 网络规划设计3.1 IP地址规划（1）终端用户IP地址：可以通过DHCP服务器，为中心网络中的终端用户自动分配IP地址和DNS。（2）网络设备IP地址：通过分配固定的IP地址作为设备管理地址，实现与终端用户的IP地址严格区分。图1 总体网络架构DIGITCW技术 应用Technology Application118DIGITCW2023.10（3）Loopback地址：为了方便管理，会为每一台路由器/核心交换机/OLT创建一个Loopback接口，并在该接口上单独指定一个IP地址作为管理地址。Loopback地址务必使用32位掩码的地址。3.2 VLAN规划在IP+POL融合架构中，IP网络要求核心交换机、防火墙、路由器基于三层IP路由转发，三层网关设置在核心交换机上，业务之间的互访通过路由策略、防火墙策略进行控制。POL是一个二层转发网络，各类型业务的区分与隔离主要通过VLAN来实现，需严格限制不同业务间的互访。VLAN规划既可以进行业务的逻辑隔离，保证业务流量之间在OLT不能直接进行二层访问，避免不同业务的业务流量互相影响，又能够解决ARP请求过多占用网络带宽的问题3。划分规则建议如下。（1）根据不同业务区域划分VLAN：可以在院内划分两个大的VLAN段，以区分研究业务和医疗业务。（2）根据数据中心的应用系统服务器划分VLAN：由于医院信息系统对互联互通要求比较高，大部分应用系统需要互联互通，根据实际经验，尽可能保证应用服务在同一个VLAN段，贸然增加VLAN划分，容易增加网络的复杂性，除特殊应用需求外，不建议单独另外设置VLAN段。（3）根据不同的业务科室划分VLAN：由于各个业务科室的网络接入相对集中，数量相当，这样划分能够解决ARP请求过多占用带宽的问题。（4）对特殊场景应单独进行VLAN划分：如超算中心、冷冻电镜中心等。（5）应尽可能在优化网络的前提下，简化VLAN划分，不设置过多的VLAN以至于增加网络的复杂性，影响医学中心网络的互联互通。3.3 QoS规划全光网络与传统以太网络一样，支持QoS功能配置。QoS规划分为优先级规划和带宽规划。（1）优先级规划：全光网络设备中所有的物理端口，都具备8个优先级队列。报文进入优先级队列主要根据报文中VLAN的IEEE 802.1p优先级，也可以设置根据报文中IP优先级进入队列，业务优先级规划的原则是：第一，业务的重要程度，越重要的业务规划越高的优先级；第二，对丢包敏感和时延更敏感的业务尽量规划高优先级。（2）带宽规划：对于OLT上端口，在新建床位在1 000以上的转化医学中心，可以选择4080 Gbps。根据不同楼层的业务需求，可按需选用XGS-PON或GPON技术，并且采用不同的分光比，分光器的分光只是对光功率的进行分配，并不会对GPON端口带宽或者XGS-PON端口带宽进行平均划分，每个ONU上下行的带宽都可以灵活配置，均可以达到PON端口的最大速率，但是一个PON端口下所有用户的保证带宽之和不能超过物理端口带宽。当重要业务的对网络有要求时，可以采用硬管道隔离QoS，如影像中心对影像阅片带宽有要求，可以设置硬管道切片独享固定带宽。3.4 可靠性规划POL可采用Type B和Type C的保护方式。当出现单光纤链路故障或者设备故障时，可自动触发保护倒换。Type B双归属保护，分光器设置2根上行光纤接到2台OLT的2个不同PON端口。Type C双归属保护，ONU的2根上行光纤分别接到2台分光器，2台分光器通过上行光纤分别接到不同OLT的不同PON端口进行保护。以上两种双归属保护均上连接入至不同OLT，由于单归属均接入至同一台OLT，存在单点故障风险，不推荐使用。4 结束语利用F5G全光技术与以太网技术混合组网，不仅可以实现中心内各种医疗设备之间的快速数据传输和共享，还可以帮助医院快速传输和分析大量的医学数据和基因数据，为疾病的病因分析提供更加高效、准确的支持。F5G全光网在转化医学中的应用潜力还有待进一步挖掘。随着F5G全光网的推广和应用，我们将看到更多基于F5G全光网的转化医学建设项目的出现。同时，我们也需要加强相关技术标准的制定和完善，确保F5G全光网在转化医学中心应用的稳定性和可靠性。参考文献1 任立全基于F5G的无源光局域网在智慧医院的应用J智能建筑电气技术，2021,15(6):89-92.2 路明春，吕周平，朱岁松F5G夯实智慧医院网络底座建设J中国医院院长，2022,18(21):68-70.3 张宇VLAN技术在医院网络建设中的应用J电子技术与软件工程，2019(8):4-5.