GPON 光纖技術在山東地震信息網絡中的應用1

吳 晨 張 坤 房曉亮 張 芹 胡旭輝

（山東省地震局，濟南 250014）

引言

為了促進山東省防震減災事業(yè)更好地發(fā)展，山東省地震局在濟南市東郊新征土地，開始了地震監(jiān)測中心臺的建設。為了實現(xiàn)地震臺網中心技術系統(tǒng)（包括測震臺網、強震臺網、前兆臺網、信息網絡和應急指揮中心）遷移至新址，保證技術系統(tǒng)的正常運行，需在現(xiàn)有建筑工程建設的基礎上，新建和遷移部分技術系統(tǒng)，實現(xiàn)地震臺網中心業(yè)務的正常運行。臺網中心技術系統(tǒng)包括：新建辦公樓的綜合布線、數(shù)據(jù)中心機房、數(shù)據(jù)通信網絡、信息化基礎平臺、應急指揮中心等。本文將介紹新建臺網中心數(shù)據(jù)通信網絡系統(tǒng)的設計背景、需求和采用較為先進的光纖組網設計方案，而先進的光纖組網方式在全國地震系統(tǒng)乃是首次采用，所以此次項目建設在地震系統(tǒng)也具有一定的示范和標桿意義。

1 建設背景及需求

在此次中心臺技術系統(tǒng)建設中，山東省地震局決定按照“系統(tǒng)化、智能化、模塊化、集成化”的建設思路，充分調研各技術系統(tǒng)的功能需求和指標要求。功能和性能指標的需求遵循“實用、先進、前瞻”的原則，既要滿足現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)運行和管理的需要，又要滿足未來至少10—15年地震事業(yè)發(fā)展的需求。網絡系統(tǒng)建成后應滿足山東省地震行業(yè)網絡通信系統(tǒng)的應用需要，網絡通信系統(tǒng)分為“互聯(lián)網、行業(yè)網、內部辦公網、電子政務內（外）網、備用網”等。各子網相互物理隔離，不允許相互訪問（吳晨等，2012a；2012b）。

互聯(lián)網建設需求：為用戶提供互聯(lián)網上網業(yè)務，可采用有線或無線兩種方式接入該網，訪問Internet資源。

行業(yè)網建設需求：①局域網：要求采用有線的方式接入該網，進行地震觀測數(shù)據(jù)、前兆數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、地震應急數(shù)據(jù)、會商數(shù)據(jù)、數(shù)字圖書館等的處理和訪問。②廣域網：將現(xiàn)有臺網中心的廣域網匯聚功能，切換至新建臺網中心三層核心機房。采用“扁平化”的思路和下一代網絡技術建設理念，各業(yè)務節(jié)點依據(jù)通信需求，統(tǒng)一接入運營商提供的通信平臺。其中運營商通信平臺選擇目前以點對點通信為主，包括中國聯(lián)通提供的2M SDH線路和中國地震局組建的衛(wèi)星通信應急網。本次主要是規(guī)劃多鏈路、多點的組網模式，包括基于不同運營商的MSTP專線組網模式、運營商提供的基于3層的MPLS VPN組網模式（李剛等2012），以及充分利用省政府提供的政府專網；同時采用衛(wèi)星、3G（以及未來的4G）等無線通信方式，解決現(xiàn)場應急通信、無人值守臺站等通信傳輸。用戶端通信接入：省、市、縣（臺站）的通信接入設備（核心路由、3層交換設備等）主要采用以太網方式，接入到運營商提供的通信平臺。3G、衛(wèi)星接入方式的節(jié)點采用專用的無線接入設備。其他行業(yè)或部門（新聞媒體、與地震災害密切聯(lián)系的相關部門如氣象、國土等）的通信接入在省中心，實現(xiàn)路由匯總。

內部辦公網建設需求：內部辦公網主要服務于電子政務、公文傳輸、人事、發(fā)展與財務、審計等部門的內部應用，要求采用有線方式接入該網。臺網中心一層的指揮大廳和二層的值班中心對此網絡的可靠性要求非常高，需要重點保障。

電子政務內（外）網建設需求：電子政務內（外）網需求用戶數(shù)量較少，對可靠性要求也不高，只需采用有線的方式接入該網。

資源預留：預留一定的機房空間資源、電源資源、線纜資源等供新建網絡使用。

2 建設目標及技術思路

此次網絡系統(tǒng)建設的目標是：建成集辦公、指揮、決策、服務為一體的信息網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)辦公自動化、信息共享化和管理科學化，并與其它各類公用網絡進行安全聯(lián)接。地震行業(yè)數(shù)據(jù)通信網絡建設要能夠為山東省地震行業(yè)提供一個高可靠、高性能的網絡平臺，全面考慮網絡的穩(wěn)定性、兼容性和擴展能力，同時，結合地震行業(yè)特殊的業(yè)務內容，網絡的安全要予以特殊保障。高效和安全是地震行業(yè)進行網絡建設的核心要求（吳晨等，2012a；2012b）。為此，網絡系統(tǒng)的建設要根據(jù)此次建設的具體要求以及網絡技術發(fā)展狀況綜合考慮。

針對信息技術的發(fā)展和此次中心臺建設的實際情況：建設面積大（所有院落面積100畝左右）、信息點多、專業(yè)多（還有遍布樓宇和院落的監(jiān)控、門禁等），以及山東省地震行業(yè)實際應用需要和為防震減災事業(yè)信息化的發(fā)展預留足夠的空間，組網時考慮采用以太網交換機與PON設備混合組網的模式。核心層采用雙機機制配置核心交換機；在接入層對重點樓層臺網中心一層的指揮大廳和二層的值班中心，采用接入交換機的模式雙上聯(lián)到核心交換機上；其他樓層采用PON設備組網，OLT設備放置到核心機房；在各個樓的各個樓層根據(jù)需求配置分光器，在每個辦公室根據(jù)具體需求配置ONU設備，做到光纖到桌面。PON（Passive Optical Network）翻譯為中文為無源光纖網絡，是指光配線網中不含有任何電子器件及電子電源，光配線網絡（ODN）全部由光分路器等無源器件組成。一個無源光網絡包括中心局端設備光線路終端（OLT）及用戶終端設備光網絡單元（ONU）。ODN用于連接OLT與ONU，包括光纖以及無源分光器，耦合器。能承載以太網、語音、視頻、高清晰可視網等業(yè)務，從OLT~i|ONU使用的是光纜接入，ONU至用戶設備可以使用電纜或以太網線。PON技術屬于點到多點的光纖按入技術，目前已經是全世界主流的寬帶接入技術，與點到點的有源光網絡技術相比，PON技術的成本不高、維護起來較為簡單、其傳輸帶寬較寬。隨著上網的人數(shù)越來越多，對網絡的帶寬要求也越來越高，PON技術能夠滿足帶寬需求的快速增長。圖1是對Gpon技術的一個簡單、直觀的介紹。

圖1 Gpon技術簡要介紹示意圖Fig. 1 Gpon technical brief sketch

核心層：臺網中心三層機房是本次建設的核心機房，各網絡的核心交換機均放置在此。核心交換機為數(shù)據(jù)處理的核心節(jié)點，考慮到網絡安全和穩(wěn)定，采用雙機機制。2臺核心交換機負責與OLT設備或樓層交換機的鏈接，并負責與現(xiàn)有網絡的對接?？紤]到充分利用現(xiàn)有資源，互聯(lián)網的2臺核心交換機利用現(xiàn)有2臺Cisco6509。行業(yè)網承載各大業(yè)務系統(tǒng)，對交換機的性能需求比較高，此次行業(yè)網核心交換機配置2臺高性能的云交換機Cisco N7009。辦公網對網絡交換機性能要求不高，考慮節(jié)省投資，本次建設的辦公網與行業(yè)網共用這2臺云交換機，同時為了滿足網絡物理隔離的要求，利用Cisco N7009的特性通過VDC許可將1臺Cisco N7009劃分成2臺獨立交換機使用。

接入層：接入層采用PON設備組網，OLT設備放置到核心機房，在各個樓的各個樓層根據(jù)需求配置分光器，在每個辦公室根據(jù)具體需求配置ONU設備，做到光纖到桌面。

PON技術的發(fā)展經歷了APON/BPON、EPON和GPON的過程，正向10G PON和WDM PON演進。PON技術因部署靈活、成本逐步降低，已經被廣泛采用，成為當前固定寬帶接入的主要方式（曲志堅等，2012）。圖2是對Pon技術演化的簡單介紹。

目前，技術成熟且應用較為廣泛的PON技術為EPON和GPON。EPON的標準是IEEE 802.3 ah，以千兆以太網技術為基礎，通過MAC層之上的點到多點控制協(xié)議（MPCP）來實現(xiàn)PON的點到多點傳輸方式，協(xié)議實現(xiàn)簡單，但OAM能力稍弱。GPON的標準是ITU-T G.984系列，沿用了APON的標準協(xié)議框架，增加了GEM這一新的TC層幀封裝方式，對QoS和OAM有嚴格規(guī)定，承載TDM業(yè)務的能力較強，協(xié)議相對復雜。GPON傳輸速率高，分路比大，能夠提供高定時精度的TDM業(yè)務。EPON和GPON的演進技術為10G EPON和10G GPON，可由現(xiàn)有的千兆組網平滑過渡到萬兆組網。前期運營商主要用EPON設備組網，近來隨著GPON設備價格的降低，GPON應用越來越多（王先枝等，2012）。GPON速率更高，支持的分光比更大，并且從設備本身來說GPON設備是電信級設備，可靠性更高，所以本次建設方案采用GPON設備。圖3是EPON與GPON的比較示意圖。

圖2 Gpon技術標準化進程示意圖Fig. 2 Process of standardization of Gpon technology

圖3 EPON與GPON比較示意圖Fig. 3 Comparison of EPON and GPON

本方案優(yōu)點：用以太網交換機和 PON設備混合組網的模式，既保障了核心網絡的安全和穩(wěn)定，又實現(xiàn)了重點樓層的高可靠性；利用光纖替代傳統(tǒng)的傳輸介質延伸到用戶終端，使用戶終端全程通過光纖實現(xiàn)網絡接入，這樣即節(jié)省了大量的布線成本（黃銅價格近年來在不斷上漲，而光纖的價格卻在逐漸降低），也為今后業(yè)務的發(fā)展預留了足夠的空間（在光纖組網成為未來發(fā)展趨勢的同時，支持光端口的終端設備也越來越多）。從核心交換機設備上來講，行業(yè)網采用云交換機不僅滿足了山東省地震局自身10—15年內的需求，還為將來與國家中心組成“雙活”數(shù)據(jù)中心做好了充足的準備。從PON組網設備上來講，OLT設備放置在核心機房，分光器放置到各個大樓的各個樓層，分光器是無源設備，減少了故障點。從傳輸介質上來講，光纖可支持更遠距離、更高帶寬的傳輸。光纖是非金屬物質，數(shù)據(jù)在光波上傳輸，可以避免外界的電磁干擾和無線電頻干擾，并且纖芯之間無串擾，信號也不會對外泄露，起到了很好的保密作用；光纖使用環(huán)境溫度范圍寬，通訊不帶電，可用于易燃易爆場所，使用安全；光纖耐化學腐蝕，使用壽命長；不同的護套材料和內部結構，可應付惡劣的布線環(huán)境；隨著光通信技術的發(fā)展，原材料成本有下降的趨勢，安裝施工也變得越來越簡單（姚美菱等，2012）。

由于上述原因，光纖到桌面的應用變成了未來的一種發(fā)展趨勢，本次建設在這方面體現(xiàn)了網絡建設的先進性，并且網絡建成后便于后期的網絡維護管理。

3 建設方案

為實現(xiàn)地震行業(yè)網絡系統(tǒng)的建設目標，使其具有安全性、可靠性、先進性、良好的擴展性和靈活的接入能力，并易于管理、易于維護，網絡結構設計如下：

互聯(lián)網、行業(yè)網、內部辦公網、電子政務內網、電子政務外網在組網上均設計采用LAN+FTTD的方式。核心交換機為數(shù)據(jù)處理的核心節(jié)點，考慮到互聯(lián)網、行業(yè)網、內部辦公網對網絡安全和可靠性要求高，建議這3個網的核心交換機采用雙機機制。電子政務內網、電子政務外網主要解決用戶接入的需求，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，建議這2個網的核心交換機為1臺?；ヂ?lián)網、行業(yè)網、辦公網、電子政務內網和電子政務外網在核心層交換機、匯聚層設備（OLT）與接入層設備（分光器/ONU）上均實行物理隔離（吳晨等，2012a；2012b）。結合實際工作需求，互聯(lián)網采用有線+無線相結合的方式進行覆蓋，部署無線局域網，采用無線路由覆蓋全部辦公區(qū)域（含院落），提供無線方式接入網絡。

3.1 互聯(lián)網建設方案

在臺網中心三層核心機房部署 2臺 Cisco6509（利舊）作為互聯(lián)網的核心交換機，這 2臺交換機通過千兆光纖上聯(lián)到2臺防火墻（利舊）上，通過防火墻實現(xiàn)與運營商網絡的互通；在臺網中心三層核心機房部署1臺OLT作為互聯(lián)網的匯聚層設備，OLT通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上；分別在觀測中心、臺網中心、災備中心和工程中心的各樓層根據(jù)需求設置分光器，在每個辦公室部署ONU設備，負責用戶終端的接入，同時部署無線局域網，提供無線方式接入網絡。在臺網中心重要樓層一層和二層，根據(jù)具體需求部署24口/48口以太網接入交換機，所有接入交換機通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上。本次WLAN建設，擬采用瘦AP組網方式，全部采用802.11n設備。無線AP設備安裝在每層機房和樓道內吊頂上。圖4是互聯(lián)網網絡拓撲結構示意圖。

3.2 行業(yè)網建設方案

在臺網中心三層核心機房部署2臺Cisco N7009（新增）作為行業(yè)網的核心交換機，這2臺交換機通過千兆光纖上聯(lián)到2臺路由器上，通過路由器實現(xiàn)與地震系統(tǒng)行業(yè)網的互通；在臺網中心三層核心機房部署1臺OLT作為行業(yè)網的匯聚層設備，OLT通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上；分別在觀測中心、臺網中心、災備中心和工程中心的各樓層根據(jù)需求設置分光器，分別在各辦公室部署 ONU設備，負責用戶終端的接入。在臺網中心重要樓層一層和二層，根據(jù)具體需求部署24口/48口以太網接入交換機，所有接入交換機通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上。圖5是行業(yè)網網絡拓撲結構示意圖。

圖4 互聯(lián)網網絡拓撲結構示意圖Fig. 4 Internet network topology diagram

圖5 行業(yè)網網絡拓撲結構示意圖Fig. 5 Industry network topology diagram

3.3 辦公網建設方案

辦公網與行業(yè)網共用在臺網中心三層核心機房新部署的2臺Cisco N7009上作為核心交換機，根據(jù)需求辦公網與行業(yè)網要實現(xiàn)物理隔離，根據(jù)N7009的特性，1臺N70009可以劃分成2臺獨立的交換機使用，滿足了辦公網與行業(yè)網物理隔離的要求。在臺網中心三層核心機房部署1臺OLT作為辦公網的匯聚層設備，OLT通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上；分別在觀測中心、臺網中心、災備中心和工程中心的各樓層根據(jù)需求設置分光器，分別在各辦公室部署 ONU設備，負責用戶終端的接入。在臺網中心重要樓層一層和二層，根據(jù)具體需求部署24口/48口以太網接入交換機，所有接入交換機通過千兆光纖分別上聯(lián)到2臺核心交換機上。圖6是辦公網網絡拓撲結構示意圖。

圖6 辦公網網絡拓撲結構示意圖Fig. 6 Office network topology diagram

3.4 電子政務內（外）網建設方案

在臺網中心三層核心機房部署1臺Cisco3560X（新增）作為電子政務內（外）網的核心交換機，這臺交換機通過千兆光纖上聯(lián)電子政務內網上，實現(xiàn)與電子政務內（外）網的互通；在臺網中心三層核心機房部署1臺OLT作為電子政務內網的匯聚層設備，OLT通過千兆光纖上聯(lián)到核心交換機上；分別在觀測中心、臺網中心、災備中心和工程中心的各樓層根據(jù)需求設置分光器和ONU設備，負責用戶終端的接入。圖7是電子政務內（外）網網絡拓撲結構示意圖。

4 結語

該技術系統(tǒng)的設計方案已經通過了專家評審，其先進的光網絡設計思路也得到了專家的好評，現(xiàn)在已經進入了工程實施階段。在施工過程中光纖組網的一些優(yōu)勢已經體現(xiàn)出來，尤其是在后期的設備加載、系統(tǒng)聯(lián)調及維護使用中，該組網模式為我們的業(yè)務系統(tǒng)帶來高效、穩(wěn)定的同時，也為今后地震事業(yè)的發(fā)展開拓了廣闊的空間。在工程實施完成、項目建設順利驗收后，作者將對工程實施、系統(tǒng)調試、運維過程中遇到的技術難題和解決過程，進行分析研究和總結，希望能對兄弟省局進行技術系統(tǒng)建設起到借鑒作用，也希望能在防震減災事業(yè)信息化發(fā)展的道路上盡一份力量。

圖7 電子政務內（外）網網絡拓撲結構示意圖Fig. 7 E-government inner (outer) network topology diagram

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