一種基于10G以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的校園網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

馬永新

(天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134)

0 引 言

伴隨著整個社會信息化的高速發(fā)展，高校對于信息化的需求也變得越來越強(qiáng)烈，高校校園正在向著數(shù)字化、智慧化方向發(fā)展，校園用戶對于校園網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性要求不斷提高。在傳統(tǒng)的局域網(wǎng)(LAN)組網(wǎng)模式下，比較容易在匯聚節(jié)點(diǎn)處形成帶寬瓶頸，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，影響用網(wǎng)體驗(yàn)，如果遲遲不能解決，可能會導(dǎo)致校園網(wǎng)用戶怨聲載道，甚至形成網(wǎng)絡(luò)輿情，一發(fā)不可收拾。為此學(xué)校網(wǎng)絡(luò)管理部門必須針對這類樓宇進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造，消除帶寬瓶頸，提升用網(wǎng)體驗(yàn)。如何在最短的時間內(nèi)，以最低的成本利用已有各類資源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效提高，成為迫切需要考慮和解決的問題?；谝蕴W(wǎng)技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技術(shù)作為新一代的接入網(wǎng)技術(shù)，具有組網(wǎng)方式靈活、業(yè)務(wù)安全性高、傳輸距離遠(yuǎn)及帶寬高等眾多優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足智慧校園各項(xiàng)業(yè)務(wù)接入的需求[1]。

1 PON網(wǎng)絡(luò)

PON是英文名Passive Optical Network的縮寫，即無源光纖網(wǎng)絡(luò)。PON技術(shù)是一點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖接入技術(shù)，一個PON網(wǎng)絡(luò)包括一個安裝于中心控制站的光線路終端(OLT)，一批配套的安裝于用戶場所的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONUs)，以及在OLT與ONU之間的光配線網(wǎng)(ODN)[2]，其中ODN包含了光纖以及無源分光器或者耦合器，而沒有其他貴重的有源電子器件。所謂“無源”便是指在光配線網(wǎng)中不包含任何有源電子器件或電子電源，全部都由光分路器等無源器件組成，如圖1所示。

圖1 PON網(wǎng)絡(luò)參考模型 Fig.1 Reference model of PON network

PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于使用單芯光纖進(jìn)行信號傳輸，加上其多級分光的傳輸模式，使得所需光纖數(shù)量大為減少，甚至完全可以使用現(xiàn)有光纖進(jìn)行改造。只需采購一定數(shù)量的PON設(shè)備(OLT+ONU+分光器)，而且PON系統(tǒng)的管理維護(hù)也比較簡單。另外，PON是一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，很大程度上能夠避免其他設(shè)備的電磁干擾以及雷電造成的影響，從而減少線路和設(shè)備的故障率，系統(tǒng)可靠性得到有效提高，同時也能節(jié)省維護(hù)成本?？偟膩碚f，同有源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有節(jié)省光纜資源、帶寬資源可共享、節(jié)省機(jī)房和設(shè)備投資、系統(tǒng)安全性高、組網(wǎng)速度快、綜合建網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，PON技術(shù)在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，甚至可以說是占有絕對主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，說明該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其優(yōu)勢地位已得到了充分體現(xiàn)。

2 10G EPON

在PON出現(xiàn)至今的20多年發(fā)展史上，已形成了窄帶PON、APON/BPON、EPON和GPON等一系列產(chǎn)品。其中EPON，即基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)，是光接入技術(shù)中的重要組成部分，具體特征為：一是采用以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)天然兼容；二是采用一對多的PON 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄4]。目前運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中正在大量使用PON 接入技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)主要為10G EPON標(biāo)準(zhǔn)和10G GPON(即XPON)標(biāo)準(zhǔn)。而其中10G EPON 技術(shù)作為下一代PON 技術(shù)中比較成熟的技術(shù)，在某些方面來說更符合現(xiàn)代社會對通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求。因?yàn)樗瑫r具備帶寬高、可支持分光比高、與EPON 天然兼容、可在原有網(wǎng)管基礎(chǔ)上平滑升級等優(yōu)勢。由于10G EPON與EPON一脈相承，幾乎將上一代PON網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)速提高了10 倍，且與國內(nèi)幾家主要電信運(yùn)營商的寬帶規(guī)劃完美匹配，可支撐國內(nèi)主要電信運(yùn)營商中遠(yuǎn)期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也可以大力支撐通信運(yùn)營商在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)業(yè)務(wù)、政企客戶業(yè)務(wù)、家庭客戶等方面的持續(xù)拓展[5]，尤其適合用于光纖入戶(FTTH)的建網(wǎng)場景。正是鑒于它所擁有的這一系列優(yōu)點(diǎn)，加上相比于傳統(tǒng)以太網(wǎng)造價更低廉且與以太網(wǎng)天然兼容的特性，使其成為校園網(wǎng)局部網(wǎng)絡(luò)改造過程中的一個頗具前景的選擇。

3 10G EPON在校園網(wǎng)改造中的應(yīng)用場景

傳統(tǒng)校園網(wǎng)多采用以太網(wǎng)3層架構(gòu)(核心層、匯聚層及接入層)，其中核心層設(shè)備一般位于中心機(jī)房，匯聚和接入層設(shè)備位于各樓宇內(nèi)部，屬于典型的FTTB組網(wǎng)模式。隨著信息化的不斷發(fā)展，這種傳統(tǒng)的有源網(wǎng)絡(luò)逐漸出現(xiàn)了明顯的網(wǎng)絡(luò)吞吐性能瓶頸，這一問題尤其以上網(wǎng)用戶特別集中的學(xué)生宿舍區(qū)域最為明顯。

一般來說，學(xué)校范圍內(nèi)不同的區(qū)域在建筑結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型、帶寬需求等方面存在較大的差異，組網(wǎng)設(shè)計也需要根據(jù)不同特點(diǎn)考慮采用相應(yīng)的方式以實(shí)現(xiàn)各類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的接入。校園學(xué)生宿舍區(qū)域?qū)儆谟脩裘芗蛥^(qū)域，同時存在用戶并發(fā)數(shù)大、帶寬需求高、忙時流量集中等特點(diǎn)，而且有相當(dāng)一部分經(jīng)常使用實(shí)時性業(yè)務(wù)(視頻、游戲等)的用戶對于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求比較高，傳統(tǒng)以太網(wǎng)難以完全滿足用網(wǎng)需求?？梢赃x擇的組網(wǎng)方式有光纖到樓道和光纖到房間2種模式：對于新建宿舍樓或網(wǎng)絡(luò)改造難度較小的舊宿舍樓，比較適合采用FTTH的組網(wǎng)方式，使用該方式組網(wǎng)的安全性更好、帶寬更高，可以更好地滿足當(dāng)前及今后各類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要；而對于樓內(nèi)布線改造難度較大、改造時間和預(yù)算較為緊張的老宿舍樓，根據(jù)已有線路資源情況更適合采用光纖到樓道(FTTB)的組網(wǎng)方式，該方式可以很好地利用原有線路，快速實(shí)現(xiàn)各類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的提供。下面將以學(xué)校某宿舍區(qū)域的校園網(wǎng)絡(luò)改造過程為例，說明在校園網(wǎng)優(yōu)化工作中的方案選擇及方向。

如圖2所示，本校園網(wǎng)優(yōu)化方案涉及的學(xué)生宿舍區(qū)域一共包含1300余間宿舍，每間宿舍4個以太網(wǎng)口，共有超過5000名校園網(wǎng)用戶，141臺接入設(shè)備，5臺匯聚設(shè)備，也就是說平均每臺匯聚設(shè)備需要承擔(dān)約28臺接入設(shè)備的上行流量。而配置的交換機(jī)(包括匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī))為千兆交換機(jī)，同時又受限于當(dāng)前的光纖資源，該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)狀況只能是1G(接入層)或者2G捆綁(匯聚層)上行，接入交換機(jī)以4～5臺堆疊的方式、24～48口混堆，每一組堆疊的交換機(jī)接口數(shù)量在150個左右，顯然這是一種典型的FTTB組網(wǎng)模式。

圖2 優(yōu)化前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) Fig.2 Network architecture before optimization

而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多以云端為主，并且這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大部分對帶寬需求比較高，如視頻點(diǎn)播、直播等。加之高清視頻、內(nèi)容加速系統(tǒng)等的應(yīng)用推廣，使得用戶在校園網(wǎng)內(nèi)獲取資源的速度可以很快，快到基本上可以將用戶側(cè)帶寬跑滿。這就使得該區(qū)域經(jīng)常會出現(xiàn)很多校園網(wǎng)用戶反映網(wǎng)絡(luò)頻繁掉線的問題，網(wǎng)絡(luò)使用高峰期情況更甚。經(jīng)技術(shù)人員深入現(xiàn)場仔細(xì)查看分析，確定問題確實(shí)普遍存在，進(jìn)而分析得知出現(xiàn)該問題的根源就是網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸，尤其是在匯聚交換機(jī)側(cè)的瓶頸問題。

從圖3可以很直觀地看出，該區(qū)域的每一臺匯聚交換機(jī)需要提供5～6組接入設(shè)備堆疊組的上下行數(shù)據(jù)處理能力，假設(shè)每個堆疊組的上行線路利用率達(dá)到100%，則需要匯聚設(shè)備具備10～12G的上行速率才能保證所有數(shù)據(jù)連接能順利通行，而實(shí)際上每臺匯聚交換機(jī)的上行帶寬能力僅為2G，其能力顯然不能滿足高峰期網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連接需求，所以才導(dǎo)致前面提到的經(jīng)常掉線的問題。

圖3 網(wǎng)絡(luò)瓶頸示意圖 Fig.3 Sketch map of network bottleneck

綜上所述，該宿舍區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)改造勢在必行。除了前面提到的PON方案，還有一個當(dāng)時比較流行的備選方案，即扁平化網(wǎng)絡(luò)改造方案。簡單說就是拋棄原來的匯聚交換機(jī)設(shè)置，讓接入交換機(jī)直接上聯(lián)到數(shù)據(jù)中心機(jī)房的核心高速交換機(jī)。扁平化網(wǎng)絡(luò)改造方案有其較為明顯的優(yōu)點(diǎn)，尤其是能夠比較好地解決匯聚設(shè)備的帶寬瓶頸問題，但這種方案的一個更明顯的缺點(diǎn)也是眾所周知的，那就是造價昂貴，施工復(fù)雜。因?yàn)檫@種改造方案會涉及到大量核心高速交換機(jī)及其板卡的采購和光纖鏈路的布放工程等，而且，結(jié)合當(dāng)時學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)特征來看，校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)已基本成型，新敷設(shè)光纜難度較大，造價高，時間長，且會對學(xué)校現(xiàn)有路面和建筑內(nèi)部造成破壞，影響在校師 生的正常工作生活。因此，需要盡量使用校園網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的管線和光纖資源進(jìn)行改造。

正是由于以上的種種情況，經(jīng)過學(xué)校信息化部門的綜合考量以及調(diào)研，決定嘗試引入前文提到的10G Epon技術(shù)對校園網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域性的改造。具體改造方式為：將原有的匯聚設(shè)備抽離(可作為其他區(qū)域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和改造工程利舊使用)，在核心交換機(jī)和接入交換機(jī)堆疊組之間部署10G EPON相關(guān)設(shè)備和鏈路，即OLT、ONU等，如圖4所示。在這樣的情況下，同樣是5～6個接入交換機(jī)堆疊組上行鏈路能夠得到的理論帶寬支持能力達(dá)到10G，相較于改造前的方案有很大的提升，如圖5所示。

圖4 10G EPON網(wǎng)絡(luò)改造方案拓?fù)鋱D Fig.4 Network optimization scheme topology with 10G EPON

圖5 優(yōu)化前后帶寬保障情況比較 Fig.5 Comparison of bandwidth guarantee before and after optimization

通過優(yōu)化改造，除了能夠在很大程度上解決帶寬瓶頸問題之外，基于10G EPON技術(shù)的校園網(wǎng)改造方案還有如下好處：

①從物理上實(shí)現(xiàn)扁平化，所有匯聚的區(qū)域全部變成無源的光器件，大幅降低了設(shè)備的配置和維護(hù)工作量，也減少了故障點(diǎn)數(shù)量和故障發(fā)生的概率；

②實(shí)現(xiàn)端到端的管理，ONU基本零配置，大部分配置在OLT上完成，且配置完后基本不需要調(diào)整，也從另一個方面減少設(shè)備維護(hù)工作量；

③占用的光纖芯數(shù)更少了，原本每臺匯聚設(shè)備需占用2芯光纖，使用10G EPON方案后變成1芯，節(jié)省下來的光纖可供備用鏈路使用。

4 結(jié) 語

本文所描述的校園網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案目前已經(jīng)落地實(shí)施，并經(jīng)過了幾年的使用驗(yàn)證，帶寬保障效果顯著。自從方案實(shí)施以來，該區(qū)域校園網(wǎng)用戶幾乎沒有出現(xiàn)過類似之前的網(wǎng)絡(luò)頻繁掉線的情況，也極少出現(xiàn) 其他需要赴現(xiàn)場處理的設(shè)備或鏈路相關(guān)問題。通過流量監(jiān)控平臺實(shí)時監(jiān)控也能看出，相應(yīng)區(qū)域的上行鏈路實(shí)時和平均流量較改造之前均有明顯提升。實(shí)踐證明，10G EPON的技術(shù)方案在校園網(wǎng)改造中具有很好的實(shí)踐意義?！?/p>