基于GPON技術(shù)的智慧校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

趙文斌

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的快速發(fā)展，校園信息化建設(shè)進(jìn)入智慧校園階段，智慧信息服務(wù)[1]在學(xué)校教學(xué)、科研、管理和校園生活中的作用越來越大。智慧校園以其對校園全面的數(shù)據(jù)化及對數(shù)據(jù)的廣泛使用，來實(shí)現(xiàn)智慧校園的“智慧”；而校園業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸離不開高性能的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。昆山二中專將于2019年8月整體遷入新校園，新校園的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及智能化項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)，以江蘇省職業(yè)學(xué)校智慧校園建設(shè)評價體系為引導(dǎo)，綜合考慮未來5-10年智慧校園的發(fā)展趨勢，遵循“三網(wǎng)融合”的理念，基于GPON技術(shù)制定了合理的、可擴(kuò)展的、適當(dāng)超前的規(guī)劃方案。

關(guān)鍵詞：智慧校園；智慧信息服務(wù)；基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；GPON技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0017-03

Abstract： With the rapid development of Internet technology， Internet of things technology， cloud computing and big data analysis technology， campus information construction has entered the stage of intelligent campus. intelligent information service [1] plays an increasingly important role in school teaching， scientific research， management and campus life. Smart Campus realizes the "wisdom" of Smart Campus with its comprehensive data and wide use of data， and the collection， transmission and storage of campus business data can not be separated from the high-performance basic network. Kunshan No.2 Technical Secondary School will move to the new campus as a whole in August， 2019. The planning and design of the basic network and intelligent project of the new campus will be guided by the construction evaluation system of the intelligent campus of Jiangsu Vocational Schools. The development trend of the intelligent campus in the next 5-10 years will be considered comprehensively. The concept of "three networks integration" will be followed and the GPON technology will be adopted. Reasonable， extensible and appropriate advance planning.

Key words： smart campus； intelligent information service； basic network； GPON technology

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的快速發(fā)展，校園信息化建設(shè)進(jìn)入智慧校園階段，智慧的信息服務(wù)在學(xué)校教學(xué)、科研、管理和校園生活中的作用越來越大[2]。智慧校園的綜合信息服務(wù)平臺基于全面智能感知的環(huán)境數(shù)據(jù)，提供面向師生的個性化定制服務(wù)；智慧信息服務(wù)全面進(jìn)入學(xué)校的學(xué)習(xí)與服務(wù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)共享與協(xié)作；大數(shù)據(jù)分析為校園精準(zhǔn)扶貧、防欺凌預(yù)測與心理健康分析等提供了依據(jù)，為智慧管理提供了基礎(chǔ)。

2014年江蘇省昆山第二中等專業(yè)學(xué)校（以下簡稱昆山二中專）《一體化學(xué)校服務(wù)平臺及移動校園建設(shè)項(xiàng)目》獲批蘇州市智慧校園示范校建設(shè)項(xiàng)目，經(jīng)過方案評審及現(xiàn)場答辯，學(xué)校被列為蘇州市首批智慧校園示范校建設(shè)單位。經(jīng)過近四年的建設(shè)，于2017年12月順利通過專家組的現(xiàn)場驗(yàn)收。2019年8月昆山二中專將會整體遷入330畝的新校園，新校園業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸離不開高性能的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)遵循“三網(wǎng)融合”理念、基于GPON技術(shù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)顯得十分必要。

1 智慧校園概念

隨著教育信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，校園信息化建設(shè)已演變?yōu)橹腔坌@建設(shè)，各級教育主管部門和學(xué)校都在積極推進(jìn)智慧校園的建設(shè)。智慧校園的核心是堅(jiān)持以人為本，以服務(wù)為導(dǎo)向，利用信息技術(shù)來方便師生的學(xué)習(xí)與校園生活。智慧校園以其對校園全面的數(shù)據(jù)化及對數(shù)據(jù)的廣泛使用，來實(shí)現(xiàn)智慧校園的“智慧”，如智能考勤、能源監(jiān)管、學(xué)習(xí)行為分析、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，涉及面廣，應(yīng)用廣泛，前景誘人。

2 GPON 技術(shù)

2.1 GPON 技術(shù)的系統(tǒng)組成

GPON（Gigabit-capable Passive Optical Networks）是一種靈活的每秒吉比特級光纖接入網(wǎng)，它以ATM信元和GEM幀承載多業(yè)務(wù)，更簡單、通用、高效地支持全業(yè)務(wù)。GPON系統(tǒng)主要由OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）、ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)絡(luò)）、ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）三部分組成[4]。

OLT是GPON的核心設(shè)備，與各建筑物內(nèi)的分光器通過光纖連接，是核心網(wǎng)與ODN之間的接口，OLT具有管理ONU、實(shí)時監(jiān)控、帶寬分配和運(yùn)行維護(hù)等功能；分光器與ONU連接，ONU位于工作區(qū)，向終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)、視頻、語音等業(yè)務(wù)。ODN是由OLT和ONU之間的光纜以及無源器件組成的網(wǎng)絡(luò)[5]。GPON系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.2 GPON 技術(shù)優(yōu)勢

隨著GPON技術(shù)普及和商用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，GPON組網(wǎng)設(shè)備及配件成本逐年下降，GPON組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的全光網(wǎng)成本已經(jīng)與傳統(tǒng)的“光纖+銅纜”組網(wǎng)模式成本接近。同時光纖具有傳輸距離遠(yuǎn)、不受電磁干擾、高帶寬、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定等特性，使其成為最合適的組網(wǎng)用傳輸介質(zhì)。

GPON的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面：（1）高帶寬、遠(yuǎn)距離傳輸。采用光纖傳輸，接入層的覆蓋半徑20KM；GPON技術(shù)下行速度2.5Gb/s，上行速度1.25Gb/s（物理層）[6]；（2）綠色節(jié)能，維護(hù)簡單。GPON組網(wǎng)ODN中設(shè)備均采用無源器件，線路和終端設(shè)備易于維護(hù)。（3）支持全業(yè)務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)融合”，滿足高帶寬業(yè)務(wù)的需求，如課堂直播、高清視頻等。

3智慧校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

昆山二中專新校區(qū)占地330畝，容納師生規(guī)模約為6000人，建筑物總共有五種：宿舍樓（4棟）、教學(xué)&辦公樓（6棟，普通教室201間、實(shí)訓(xùn)室57間、教師辦公室106間）、圖書館（閱覽室、會議室、接待室、辦公室、舞臺等）、食堂（學(xué)生餐廳、教師餐廳、辦公室）、體育館（健身房、舞蹈教室、小球室、庫房、休息室、看臺等）。校園網(wǎng)絡(luò)采用無線和有線相結(jié)合的方式，有線網(wǎng)絡(luò)采用GPON全光網(wǎng)，光纖入室，無線網(wǎng)絡(luò)通過AP置于公共走廊或者室內(nèi)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬及充足的覆蓋面以滿足學(xué)校多媒體交互教學(xué)、視頻錄播、在線學(xué)習(xí)點(diǎn)播、視頻會議等廣泛應(yīng)用的需求，并且網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該覆蓋到學(xué)校所有教育和管理的活動場所，實(shí)現(xiàn)全校師生的快速聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用交互。校園網(wǎng)應(yīng)具備良好的可靠性和穩(wěn)定性，同時具備良好的QoS保證及安全性，并且還要具備先進(jìn)性和可擴(kuò)充性。校園網(wǎng)絡(luò)要建設(shè)成完整統(tǒng)一、組網(wǎng)靈活、易擴(kuò)充的彈性網(wǎng)絡(luò)平臺，能夠隨著需求變化，留有擴(kuò)充的余地[7]。

3.2 總體設(shè)計(jì)

采用GPON網(wǎng)絡(luò)覆蓋宿舍樓、教學(xué)&辦公樓、圖書館、食堂、體育館等，光纖入室；接入層選用一臺OLT設(shè)備作為接入網(wǎng)的核心。OLT設(shè)備與兩臺校園網(wǎng)核心交換機(jī)分別采用3條萬兆鏈路互聯(lián)，與設(shè)備網(wǎng)核心交換機(jī)采用2條萬兆鏈路互聯(lián)，如圖2所示。在校園網(wǎng)的核心部署用戶接入認(rèn)證和計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與核心交換間采用萬兆口互聯(lián)，承載多運(yùn)營商。

在校園網(wǎng)的核心出口部署兩臺BRAS設(shè)備，既作為用戶接入認(rèn)證和計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)又作為校園網(wǎng)核心出口路由器，兩臺設(shè)備間啟用VRRP+，BFD for FRR等冗余保障及鏈路故障倒換協(xié)議[8]，使得兩臺設(shè)備互為熱備，在用戶接入會話數(shù)和流量上進(jìn)行1：1負(fù)載分擔(dān)。由BRAS設(shè)備提供集中的業(yè)務(wù)控制和管理，便于功能和業(yè)務(wù)的部署[9]，確保設(shè)備具備較好的處理性能，BRAS設(shè)備采用熱備或虛擬化技術(shù)，保障業(yè)務(wù)和設(shè)備的高可靠性。接入設(shè)備提供二層透傳和VLAN隔離功能，不涉及業(yè)務(wù)功能，在全網(wǎng)部署新業(yè)務(wù)和新應(yīng)用時，只需包含基礎(chǔ)功能，設(shè)備運(yùn)行可靠高、穩(wěn)定。

3.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)主干布線圖

校園內(nèi)建筑物根據(jù)用途和規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房采用48芯、24芯、12芯單模光纖連接，設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.3.2 綜合布線詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)對學(xué)校的需求調(diào)研以及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，規(guī)劃出建筑物內(nèi)詳細(xì)布線方案，下面以宿舍樓為例，對綜合布線進(jìn)行詳細(xì)分析與說明：

（1）宿舍樓每棟樓有一個弱電井；

（2）工作區(qū)：每間宿舍設(shè)置1個多媒體信息箱、1個面板AP、3個信息點(diǎn)?；顒邮摇⒐芾碛梅?、配套用房各設(shè)置1個信息點(diǎn)；

（3）水平區(qū)：寢室信息點(diǎn)需要預(yù)留管到信息箱，每個信息點(diǎn)預(yù)留86盒和空白面板。寢室間信息點(diǎn)施工界面為敷設(shè)管盒以及空白面板。面板AP需要預(yù)留管到信息箱，水平線纜采用六類非屏蔽雙絞線，穿線時需要經(jīng)過多媒體信息箱再到樓層管理間；

（4）弱電間：1#、2#宿舍樓弱電間分布在3F、5F、8F、11F、13F，其中8F為主干光纖入樓界面。3#、4#宿舍樓管理間分布在3F、6F、9F、12F，其中6F為主干光纖入樓界面；

（5）垂直干線：相應(yīng)樓層弱電間敷設(shè)12芯單模光纜，并直接熔接至主干48芯單模光纜上。1#、2#樓3F、5F、11F、13F每根垂直光纜熔接9芯到主干光纜上，8F熔接12芯到主干光纜上。3#、4#樓每根垂直光纜熔接12芯到主干光纜上。

3.3.3 接入認(rèn)證設(shè)計(jì)

本方案中，所有用戶或設(shè)備必須經(jīng)過認(rèn)證后，才可以接入校園網(wǎng)。終端設(shè)備種類繁多，BRAS可以針對不同接入場景使用不同的認(rèn)證方式，只有認(rèn)證通過后才有訪問權(quán)限。學(xué)生宿舍區(qū)、辦公樓等地用戶集中，可以使用PPPoE、Portal方式認(rèn)證，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將用戶的賬號/密碼發(fā)送到認(rèn)證計(jì)費(fèi)服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證，決定用戶是否合法。認(rèn)證通過由網(wǎng)關(guān)設(shè)備給用戶分配IP地址等信息，同時后臺記錄用戶獲取地址的相關(guān)信息。例如：用戶MAC地址、IP地址、上線時間、上線區(qū)域等信息。

辦公區(qū)域打印機(jī)等設(shè)備采用DHCP獲取IP地址，且由BRAS做dhcp bind策略，從而達(dá)到設(shè)備每次獲取固定IP地址。移動設(shè)備因多數(shù)無法使用客戶端撥號軟件進(jìn)行撥號，所以使用portal認(rèn)證方式。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案以滿足實(shí)際教育需求為基本前提，圍繞教學(xué)和管理的核心需求展開，基于先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展和新型教育理念進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，力爭為師生提供一個智慧的、便捷的、人文的智慧校園。智慧校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)過華為技術(shù)論證和昆山市信息中心的審核，目前正處于施工招標(biāo)階段，預(yù)計(jì)于2019年4月完成全部施工和調(diào)試。該方案中可能存在不足，將會在實(shí)際施工中根據(jù)情況進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹東玉.面向智慧城市的智慧檔案館信息服務(wù)研究[D].山西大學(xué)，2017.

[2] 阮旭.物聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 智慧校園[J].信息系統(tǒng)工程，2011（10）：144-146.

[3] 陳培林.關(guān)于私有云建設(shè)的實(shí)踐與思考——以常州衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校為例[J].電腦知識與技術(shù)， 2016， 12（35）：11-12.

[4] 李洪民.基于GPON的高校學(xué)生宿舍網(wǎng)方案設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014（6）：123-123.

[5] 薛皖蓮.ONT技術(shù)在GPON系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D].華東理工大學(xué)，2013.

[6] 陶生明.白銀公司十字街小區(qū)GPON光纖接入網(wǎng)改造設(shè)計(jì)[D].蘭州交通大學(xué)，2015.

[7] 張?jiān)坪＃盅?某地市廣電城域網(wǎng)升級優(yōu)化方案分析[J].江蘇科技信息，2017（34）：48-50.

[8] 董獻(xiàn)芬.民辦高校校園網(wǎng)升級改造建設(shè)研究[D].山東大學(xué)，2016.

[9] 史壽樂.基于QinQ協(xié)議的校園網(wǎng)扁平化改造設(shè)計(jì)[D].安徽大學(xué)，2014.

【通聯(lián)編輯：代影】