GPON技術(shù)在職業(yè)學(xué)?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用

徐辰

摘要：高帶寬的校園網(wǎng)是職業(yè)學(xué)校今后智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)保障。GPON是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入的重要技術(shù)，被運(yùn)營(yíng)商廣泛應(yīng)用。其技術(shù)特點(diǎn)符合職業(yè)學(xué)校基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的要求。本文從GPON技術(shù)概念、GPON組網(wǎng)原則和結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)帶寬與分光設(shè)計(jì)、ODN光損耗控制等方面進(jìn)行了闡述。為職業(yè)學(xué)校改建、新建校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)給出了一種重要選擇方案。

關(guān)鍵詞：校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；GPON；分光；光損耗

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）16-0046-03

2016年江蘇省教育廳發(fā)布了推進(jìn)職業(yè)學(xué)校智慧校園建設(shè)的通知，該通知中指出“智慧校園建設(shè)的核心內(nèi)容是支持職業(yè)教育教學(xué)模式和管理服務(wù)體系的技術(shù)系統(tǒng)和相應(yīng)的組織體系。智慧校園為學(xué)生、教師、管理人員和校外人員等提供集成的智慧化的教學(xué)、科研、管理、公共服務(wù)、文化生活、社會(huì)服務(wù)和決策支持服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生和教師信息化職業(yè)素養(yǎng)的全面發(fā)展”[2]。同時(shí)公布了《江蘇省職業(yè)學(xué)校智慧校園建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（2015版）》，從師生發(fā)展、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)字資源、基礎(chǔ)設(shè)施、組織保障五個(gè)部分提出了具體的建設(shè)要求。建好、用好智慧校園，是職業(yè)學(xué)校適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的重點(diǎn)工作。

智慧校園的建設(shè)涵蓋多個(gè)方面，應(yīng)用服務(wù)和數(shù)字資源建設(shè)目前增長(zhǎng)速度最快，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建議也提出了更高的要求。2015年教育部發(fā)布了《職業(yè)院校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范》，指出“職業(yè)院校校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)實(shí)用、高速、運(yùn)行穩(wěn)定可靠以及安全可控的校園網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)校的資源共享、教育教學(xué)、職業(yè)訓(xùn)練、學(xué)校管理和網(wǎng)絡(luò)文化生活等校園信息化應(yīng)用和服務(wù)提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境”[1]。所以建設(shè)一個(gè)高效、穩(wěn)定、可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是智慧校園穩(wěn)定可靠運(yùn)行的保障。

1目前職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)現(xiàn)狀

在目前發(fā)展時(shí)代，對(duì)于職業(yè)學(xué)校的校園網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)各級(jí)行政部門已經(jīng)制定，如江蘇省教育廳制定的《江蘇省職業(yè)學(xué)校智慧校園建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（2015版）》中，對(duì)于校園網(wǎng)的要求是：萬兆校園網(wǎng)；有線無線全覆蓋；光纖接入，出口帶寬高；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全、運(yùn)行穩(wěn)定。目前為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，在網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)建設(shè)方面，各職業(yè)學(xué)校主要采用了三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（核心層、匯聚層、接入層）來建設(shè)校園網(wǎng)絡(luò)。采用萬兆的核心層、匯聚層的交換機(jī)和千兆的接入層交換機(jī)，來保證整個(gè)校園網(wǎng)的正常運(yùn)行。

隨著智慧校園的進(jìn)一步建設(shè)，職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)不只是滿足基本上網(wǎng)功能，更加要求能在校園網(wǎng)上承載更多的業(yè)務(wù)功能。特別是為師生提供更加豐富便利的學(xué)習(xí)條件，如提供多樣化的數(shù)字網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源（視音頻、文本等）、虛擬仿真實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)資源、數(shù)字圖書資源等。云技術(shù)的快速發(fā)展，使得云桌面技術(shù)、私有云等應(yīng)用也逐漸在職業(yè)學(xué)校中出現(xiàn)。這些應(yīng)用和技術(shù)的使用，會(huì)產(chǎn)生更多的網(wǎng)絡(luò)流量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境提出了更高的要求。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)更趨于南北方向的流向，終端用戶向中心服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)是校園網(wǎng)中主要數(shù)據(jù)流。傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是不能充分發(fā)揮設(shè)備性能來滿足這些帶寬密集型應(yīng)用的需求，容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。

職業(yè)學(xué)校與高等院校相比，校本的網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)力量是比較匱乏的，技術(shù)水平也相對(duì)較低。往往在保障校園網(wǎng)高效運(yùn)行方面顯得力不從心。經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，不少學(xué)校的銅纜布線系統(tǒng)也逐漸出現(xiàn)各種各樣的問題，需要進(jìn)行更新。

因此便于易管理、易部署、易維護(hù)、高性能、高可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案是職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)在改建、新建時(shí)的首選方案。無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）是一種可供選擇的技術(shù)方案。

2 GPON網(wǎng)絡(luò)概述

PON（無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）最早于20世紀(jì)80年代由英國(guó)電信公司的研究人員提出。PON技術(shù)主要有三種形式：APON、EPON、GPON。

GPON（Gigabit-Capable PON） 技術(shù)是基于ITU-TG.984.x標(biāo)準(zhǔn)的無源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)，GPON最早由FSAN組織于2002年9月提出，ITU-T在此基礎(chǔ)上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1 和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的標(biāo)準(zhǔn)化。從而最終形成了GPON的標(biāo)準(zhǔn)族[3]。

無源光網(wǎng)絡(luò)在用戶和局端之間只要通過光纖和光分路器等無源光器件進(jìn)行連接。其典型結(jié)構(gòu)如圖1：

GPON的構(gòu)成與所有的無源光網(wǎng)絡(luò)一樣，由OLT（光線路終端）、ONU/ONT（光網(wǎng)絡(luò)單元/光網(wǎng)絡(luò)終端）和ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）三部分構(gòu)成。OLT是無源光網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。其部署在局端，向上連核心網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備，向下匯聚用戶側(cè)ONU/ONT。ONU/ONT為用戶側(cè)提供多種接口接入網(wǎng)絡(luò)，可以為用戶提供數(shù)據(jù)、語音、TV等多種業(yè)務(wù)的接入。ODN由無源分光器和單模光纖組成，連接OLT和ONU/ONT。

GPON技術(shù)能夠同時(shí)承載多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，能夠很好地完成數(shù)據(jù)、語音、TV的三網(wǎng)融合。其主要特點(diǎn)有：

l 可靠性高：GPON屬于無源光學(xué)網(wǎng)，從局端到用戶側(cè)之間無有源電子器件，這意味著基于有源設(shè)備存在的潛在故障在GPON系統(tǒng)中大大降低，同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)組件數(shù)量少，因此故障點(diǎn)也將相應(yīng)減少。

l 傳輸距離遠(yuǎn)：在GPON環(huán)境下OLT到ONU的最遠(yuǎn)物理傳輸距離可達(dá)20公里。

l 傳輸速度快：可支持上下行對(duì)稱和不對(duì)稱多種線路速率，下行速率2.488Gb/s，上行標(biāo)稱速率支持1.244Gb/s。

l 安全性高：根據(jù)GPON的信號(hào)傳輸原理，ONU不能監(jiān)聽其他ONU上行信號(hào)。同時(shí)OLT和ONU之間采用ONU注冊(cè)機(jī)制和密鑰機(jī)制，保障合法ONU才能接入網(wǎng)絡(luò)。提高了網(wǎng)絡(luò)接入安全防范性能。

l 可擴(kuò)展能力強(qiáng)：由于OLT與ONU之間是無源連接，當(dāng)有擴(kuò)容需求，只要通過增加相應(yīng)的OLT業(yè)務(wù)接口板卡擴(kuò)展PON接口和增加光分路器即可增加ONU連接數(shù)量，擴(kuò)容非常方便，同時(shí)目前的GPON可過渡到10GPON。

l 維護(hù)方便：GPON系統(tǒng)能夠提供集中的運(yùn)營(yíng)管理與維護(hù)，支持對(duì)OLT、ONU的集中管理/遠(yuǎn)處監(jiān)控/遠(yuǎn)處調(diào)測(cè)/遠(yuǎn)程維護(hù)/遠(yuǎn)程在線升級(jí)等功能。ONU配置信息可自動(dòng)從OLT獲取，當(dāng)用戶端ONU損壞時(shí)只要換上新的ONU即可獲得相關(guān)配置信息，無須手工配置，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)管理人員的維護(hù)工作量。

正是因?yàn)镚PON的諸多特點(diǎn)，使得GPON成為目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供家庭高速寬帶連接的主要方式。運(yùn)營(yíng)商的廣泛使用也證明了GPON是非常適合終端用戶高速、便捷的接入核心網(wǎng)。

3基于GPON的職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

在無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，根據(jù)光纖深入用戶的程度，可分為FTTC（光纖到路邊）、FTTZ（光纖到小區(qū)）、FTTB（光纖到大樓）、FTTF（光纖到樓層）、FTTO（光纖到辦公室）、FTTH（光纖到用戶）等。在校園網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，為了便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護(hù)管理、隔離用戶、提高用戶網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，綜合考慮各方影響，建議采用FTTH的組網(wǎng)方式，使光纖到達(dá)終端用戶。

具體設(shè)計(jì)需包含以下幾個(gè)方面：

（1）總體設(shè)計(jì)原則

校園網(wǎng)是一種用戶高密度的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中既有大量用戶，還有大量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如監(jiān)控、傳感器等）。因此校園網(wǎng)一般包含了數(shù)據(jù)網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)兩個(gè)基本功能網(wǎng)絡(luò)，職業(yè)學(xué)校的校園網(wǎng)應(yīng)建成易管理、易部署、易維護(hù)、高性能、高可靠的網(wǎng)絡(luò)。校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)原則：

扁平化：借鑒網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的家庭寬帶接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的思路，校園網(wǎng)總體架構(gòu)應(yīng)采用扁平化架構(gòu)。所謂扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為業(yè)務(wù)控制層和寬帶接入層。寬帶接入層由匯聚和接入層設(shè)備構(gòu)成，僅提供基本的用戶高帶寬接入功能和相互之間的 VLAN二層隔離功能；業(yè)務(wù)控制層則由核心層設(shè)備構(gòu)成，提供網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入控制、業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)等復(fù)雜功能[4]。

精細(xì)化：傳統(tǒng)的職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)通常是只滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)互通需要，從而缺乏用戶管理控制。精細(xì)化管理網(wǎng)絡(luò)是強(qiáng)調(diào)基于用戶的控制，他可以基于用戶賬號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于用戶的控制。能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的使用者，實(shí)現(xiàn)基于用戶身份的行為控制、流量訪問記錄和審計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者身份、網(wǎng)絡(luò) IP 地址及訪問行為的識(shí)別[5]。對(duì)于用戶接入校園網(wǎng)，通過準(zhǔn)入準(zhǔn)出認(rèn)證實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)名制訪問和精細(xì)化管理。

（2）GPON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的抽象示意圖，基于GPON的校園網(wǎng)可以采用如圖2所示的基本結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中OLT和ONU組成了接入網(wǎng)，OLT通常和核心交換機(jī)一起安放在網(wǎng)絡(luò)中心，下行通過ODN和ONU與最終用戶和設(shè)備終端相連。校園網(wǎng)核心通過核心交換機(jī)和BRAS設(shè)備完成業(yè)務(wù)層功能，實(shí)現(xiàn)用戶精細(xì)化管理。

（3）帶寬規(guī)劃及分光方案

GPON的下行速率為2.488Gb/s，為滿足用戶到核心之間100Mbps的基本帶寬。在ODN系統(tǒng)中建議采用一級(jí)分光，無源分光器采用1：8分光比。ONU使用4口千兆ONU。按此方式可初步計(jì)算出到ONU的帶寬為311Mbps?？紤]到分光器的冗余度，分光器端口使用率在60%左右，即用5個(gè)下行分光口，則可計(jì)算出每個(gè)ONU的帶寬可達(dá)497Mbps。該帶寬均為用戶端直接到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中心的帶寬，優(yōu)于采用匯集+接入交換機(jī)模式下的帶寬。

ODN中分光器設(shè)置在樓層弱電間，通過皮線光纜連接到終端用戶所在房間。

（4）光通道損耗規(guī)劃

GPON網(wǎng)絡(luò)中連接中心和終端用戶的ODN采用全光路方式，只有ONU到用戶電腦直接才會(huì)使用極短的銅纜。因此ODN的光通道損耗值是GPON網(wǎng)絡(luò)下最重要的性能指標(biāo)。光通道損耗主要由分光器的插入損耗、光纜本身的損耗、光纜熔接點(diǎn)損耗、尾纖/跳纖通過適配器端口連接的插入損耗構(gòu)成，各部分損耗可參照光損耗參數(shù)表（表1）。GPON網(wǎng)中ODN的光通道損耗必須控制在26dB以下。

ODN光通道損耗計(jì)算公式為：損耗=L×a+n1×b+n2×c+n3×d+e+f （dB）。其中a表示光纖每公里平均損耗（dB/km），L為光纖總長(zhǎng)度（Km）；b表示光纖熔接點(diǎn)損耗（dB），n1表示熔接點(diǎn)的數(shù)目；c表示光纖機(jī)械接續(xù)點(diǎn)損耗（dB），n2表示機(jī)械接續(xù)點(diǎn)的數(shù)目；d表示連接器損耗（dB），n3表示連接器數(shù)目；e表示光分路器損耗（dB）；f表示工程余量，一般取3dB。

為降低光通道損耗，必須減少機(jī)械連接點(diǎn)數(shù)量，減少分光級(jí)數(shù)。為此在ODN光通道設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用一級(jí)分光。光纖連接部分盡量采用熔接方式，減少機(jī)械連接。因此當(dāng)選用1：8光分路器，光纜總長(zhǎng)度在5Km以內(nèi)，只在OLT接口、分光器接口和ONU接口處使用機(jī)械連接，其余需連接處全部采用熔接方法（4段計(jì)），另外考慮工程余量。則ODN光通道損耗總計(jì)為5*0.25+0.1*4+0.5*3+10.5+3=16.65dB，小于26dB，完全可以滿足工程要求。

（5）中心設(shè)備的選擇

根據(jù)GPON方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載主要集中在網(wǎng)絡(luò)中心的OLT設(shè)備和核心交換機(jī)上。目前主要的OLT設(shè)備的背板交換能力可達(dá)7 Tbit/s，核心交換機(jī)的交換容量也在50Tbps以上，包轉(zhuǎn)發(fā)率在7200Mpps以上，能很好地處理用戶的并發(fā)請(qǐng)求。在OLT和核心交換機(jī)之間才有多個(gè)萬兆口進(jìn)行連接，可以保障網(wǎng)絡(luò)高效通信。

4 總結(jié)

信息化技術(shù)在職業(yè)學(xué)校中廣泛應(yīng)用，必然要求職業(yè)學(xué)校校園網(wǎng)能夠?yàn)樾畔⒒虒W(xué)活動(dòng)保駕護(hù)航。GPON技術(shù)目前技術(shù)成熟度高，在家庭高速網(wǎng)絡(luò)接入中被廣泛應(yīng)用。其維護(hù)管理比較方便，用戶之間的干擾小，故障率低，技術(shù)架構(gòu)符合扁平化發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)光纖布線系統(tǒng)的使用壽命要比銅纜布線系統(tǒng)長(zhǎng)，單位價(jià)格又遠(yuǎn)低于銅纜。目前已經(jīng)有不少院校已經(jīng)開始使用GPON技術(shù)建設(shè)校園網(wǎng)，如江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、常州工學(xué)院、南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、南京師范大學(xué)附屬中學(xué)等。因此GPON技術(shù)是職業(yè)學(xué)?；A(chǔ)骨干網(wǎng)絡(luò)新建和改造的重要選擇之一。

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