基于POL技術(shù)的全光校園網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘文基 王麗磊

摘? 要：近年來(lái)，行業(yè)的智能化和信息化呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢(shì)，高清視頻會(huì)議、云服務(wù)、移動(dòng)辦公等應(yīng)用的需求日益增多。與此同時(shí)，帶寬升級(jí)、三網(wǎng)融合等網(wǎng)絡(luò)新要求也變得越來(lái)越迫切，介質(zhì)升級(jí)成為企業(yè)解決網(wǎng)絡(luò)難題的一個(gè)新選擇。POL全光網(wǎng)絡(luò)傳輸性能強(qiáng)、架構(gòu)簡(jiǎn)單、部署便捷、升級(jí)擴(kuò)容靈活，作為面向未來(lái)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，為新一輪的應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)發(fā)展契機(jī)。文章以廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院POL全光校園網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例，深入剖析POL技術(shù)的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：POL技術(shù)；全光校園網(wǎng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN915? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0026-04

Abstract： In recent years， the industry's intelligence and informatization have shown a trend of accelerated development， and the demand for high-definition video conferencing， cloud services， mobile office and other applications is increasing. At the same time， new network requirements such as bandwidth upgrade and tri networks integration have become more and more urgent， and media upgrade has become a new choice for enterprises to solve network problems. POL all-optical network has strong transmission performance， simple architecture， convenient deployment， and flexible upgrade and expansion. As a future oriented infrastructure， POL is initiating a new round of application scenario development opportunities. This paper takes the design and implementation of POL all-optical campus network of Guangxi Vocational and Technical College of Water Resources and Electric Power as an example to analyze deeply the typical application of POL technology.

Keyword： POL technology; all-optical campus network; design and implementation; practical application

0? 引? 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，語(yǔ)音、視頻、圖片、云計(jì)算業(yè)務(wù)等流量大幅增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)面對(duì)日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬提升需求，迫切需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造升級(jí)。而傳統(tǒng)基于銅纜布線的網(wǎng)絡(luò)由于連接復(fù)雜，走線和維護(hù)難度大，升級(jí)擴(kuò)容困難，正在逐漸被全光網(wǎng)絡(luò)（POL）取代。全光網(wǎng)絡(luò)把傳統(tǒng)的銅纜傳輸替換為光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)光纖到戶的整體融合，寬帶網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)音視頻、無(wú)線Wi-Fi、CATV等多種業(yè)務(wù)均可在光纖網(wǎng)絡(luò)中承載。

1? POL全光網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)源光纖局域網(wǎng)（Passive Optical Local Access Network， POL）是將銅纜替換成光纖，基于PON技術(shù)的一種新型園區(qū)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式。POL全光網(wǎng)絡(luò)是指?jìng)鬏敽徒粨Q過(guò)程全部通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)傳輸和交換的過(guò)程中信號(hào)始終以光的形式存在，省去了中間光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，可大大提高網(wǎng)絡(luò)帶寬[1]。

在傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)搭建中，網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)主要有銅纜和光纜，銅纜（雙絞線）由于其組網(wǎng)簡(jiǎn)單，施工工藝要求不高曾是接入網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸介質(zhì)，但銅纜的內(nèi)芯材料是銅，成本較高，且傳輸距離有限，傳輸速度難以大幅提升。光纖作為新型網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，因其成本低、質(zhì)量輕、柔韌性好、體積小巧、可獲得性高，且光纖傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，越來(lái)越受使用者的青睞?；诠饫w傳輸?shù)木薮髢?yōu)勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商的傳輸網(wǎng)絡(luò)早已采用光纖傳輸，2008年三大運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始啟動(dòng)接入網(wǎng)的“光進(jìn)銅退”改造工程，以FTTB/FTTH模式將光纖部署到樓道和入戶，大幅改善了家庭用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。實(shí)施改造工程以來(lái)，我國(guó)已建成世界上最大的光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)，全面實(shí)現(xiàn)“光進(jìn)銅退”，千兆光網(wǎng)已飛入尋常百姓家。

接入網(wǎng)的“光進(jìn)銅退”使用的是無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network， PON）技術(shù)，在傳輸介質(zhì)采用光纖替代銅纜的同時(shí)，PON采用無(wú)源的點(diǎn)到多點(diǎn)（Point to Multiple Point， P2MP）技術(shù)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革，使得網(wǎng)絡(luò)扁平化，部署成本更低[2]。PON的介質(zhì)和架構(gòu)優(yōu)勢(shì)同樣適用于行業(yè)園區(qū)場(chǎng)景的局域網(wǎng)建設(shè)，即POL。POL繼承了PON網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了局域網(wǎng)的基礎(chǔ)布線和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平和簡(jiǎn)潔，能更好地滿足于客戶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，解決了現(xiàn)有園區(qū)網(wǎng)絡(luò)帶寬低、多網(wǎng)并存、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)困難，以及管理難等問(wèn)題。

2? 基于POL全光校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1? 設(shè)計(jì)思路

全光校園網(wǎng)按照核心層、匯聚層、接入層三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，全網(wǎng)采用光纖傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。在核心層部署核心交換機(jī)和光線路終端（OLT）設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)；在匯聚層部署無(wú)源分光器（POS），采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，無(wú)須額外配置獨(dú)立機(jī)房為設(shè)備供電，減少了中間有源設(shè)備的故障點(diǎn)；在接入層使用光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU/ONT），為每個(gè)教室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室部署一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)終端，光纖直接進(jìn)入教室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室，校園的教學(xué)、辦公、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一承載在全光校園網(wǎng)絡(luò)中[3]。

2.2? 設(shè)計(jì)原則

2.2.1? 開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化原則

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的開(kāi)放性，具備與多種協(xié)議計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)互連互通的特性，并遵循統(tǒng)一開(kāi)放的通信標(biāo)準(zhǔn)，使用符合這些標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。

2.2.2? 實(shí)用性和先進(jìn)性原則

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中注重以使用為原則，緊密結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，建設(shè)滿足業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還要結(jié)合當(dāng)前及未來(lái)主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建設(shè)成熟、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，避免技術(shù)陳舊也要杜絕采用不成熟的新技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

2.2.3? 安全性和可靠性原則

由于校園網(wǎng)絡(luò)的特殊性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注重網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，所建設(shè)的校園網(wǎng)絡(luò)既要保證安全性，避免存在漏洞被攻擊、被破壞，數(shù)據(jù)傳輸被竊聽(tīng)，也要提高可靠性，減少網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4? 可維護(hù)性原則

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)具備優(yōu)良的可維護(hù)性，不僅要保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可靠有效，還應(yīng)當(dāng)配備網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)診斷工具以及部署網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)方便精準(zhǔn)定位故障并及時(shí)解決故障問(wèn)題。

2.3? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

POL全光校園網(wǎng)絡(luò)主要由核心交換機(jī)、光線路終端（OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN），以及光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）組成，如圖1所示。

2.3.1? 核心交換機(jī)

在全光校園網(wǎng)中，在信息中心部署核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)以及保障網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。核心交換機(jī)部署在數(shù)據(jù)中心機(jī)房，向下連接OLT設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)，向上連接路由器（防火墻），實(shí)現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)旁接學(xué)校各種應(yīng)用系統(tǒng)，保障工作業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

2.3.2? 光線路終端

光線路終端（Optical Line Terminal， OLT）部署在中心機(jī)房，向上連接核心交換機(jī)，接入核心網(wǎng)絡(luò)主干，向下連接所屬ODN的分光器等設(shè)備，提供集中帶寬分配、控制各ODN、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行維護(hù)管理等功能。

2.3.3? 光分配網(wǎng)絡(luò)ODN

光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network， ODN）采用光傳輸介質(zhì)和無(wú)源光器件，在OLT和ONU之間提供光傳輸通道，在校園網(wǎng)光分配網(wǎng)絡(luò)ODN設(shè)計(jì)中，分為五個(gè)子系統(tǒng)[4]：

1）中心機(jī)房子系統(tǒng)。位于中心機(jī)房?jī)?nèi)，包含從OLT出來(lái)的大量光纖跳纖的管理和維護(hù)，以及大芯數(shù)室外光纜的端接。

2）主干光纜子系統(tǒng)。ODN中從OLT到光分配點(diǎn)的光纖鏈路，節(jié)點(diǎn)設(shè)備通常包含室外交接箱和接頭盒。

3）配線光纜子系統(tǒng)。ODN中從光分配點(diǎn)到用戶接入點(diǎn)的光纖鏈路，通常包含交接箱、分光器、分纖箱等。

4）入戶線光纜子系統(tǒng)。ODN中從用戶接入點(diǎn)到用戶光纖面板的光纖鏈路，完成多芯數(shù)光纜到單芯入戶光纜的轉(zhuǎn)變。

5）光纖終端子系統(tǒng)。ODN中從用戶光纖面板到用戶ONU的光纖鏈路，完成室內(nèi)布線部分的工作。

2.3.4? 光網(wǎng)絡(luò)單元ONU

光網(wǎng)絡(luò)單元ONU部署在用戶端，承載終端用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，是光纖接入的終端設(shè)備。光網(wǎng)絡(luò)單元的主要功能是選擇接收OLT發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)，響應(yīng)OLT發(fā)出的測(cè)距及功率控制命令并做出相應(yīng)的調(diào)整，對(duì)用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并在OLT分配的發(fā)送窗口中向上行方向發(fā)送。

2.4? 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

所設(shè)計(jì)的無(wú)源光纖局域網(wǎng)繼承了無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)高帶寬、高可靠性、運(yùn)維簡(jiǎn)單、業(yè)務(wù)融合度高、安全性高等特點(diǎn)，更適合于在校園網(wǎng)中使用。

2.4.1? 網(wǎng)絡(luò)帶寬高升級(jí)方便

無(wú)源光纖局域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中使用的是光纖傳輸，網(wǎng)絡(luò)帶寬最高可達(dá)10 Gbit/s，并且后期可較為方便地?cái)U(kuò)容至40 Gbit/s、100 Gbit/s，升級(jí)網(wǎng)絡(luò)帶寬僅需更換兩端的設(shè)備或光模塊即可，無(wú)須重新布線組網(wǎng)，帶寬提升便捷，節(jié)約成本。

2.4.2? 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)維容易

無(wú)源光纖局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)簡(jiǎn)單，有源設(shè)備只部署在核心層和接入層，信號(hào)從光線路終端（OLT）直達(dá)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU/ONT），減少了網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，也減少了網(wǎng)絡(luò)的故障點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，更加便于管理維護(hù)[3]。

2.4.3? 一線多用業(yè)務(wù)融合度高

與傳統(tǒng)的綜合布線中需要部署電話線、視頻線、雙絞線等多套網(wǎng)絡(luò)支撐多種業(yè)務(wù)需求不同，無(wú)源光纖局域網(wǎng)的光纖能傳輸語(yǔ)音、視頻、網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)，一根光纖承載多種業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了一線多用，融合度高。

2.4.4? 安全性更高

無(wú)源光纖局域網(wǎng)傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)而不是電信號(hào)，能有效避免電磁干擾，解決電磁泄露等問(wèn)題，規(guī)避了物理線路傳輸信息被竊聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，POL設(shè)備支持網(wǎng)卡物理地址綁定、802.1x認(rèn)證等，避免非法用戶接入網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備支持用戶隔離、廣播抑制、防DOS攻擊等功能，防止已接入網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)設(shè)備和其他用戶進(jìn)行攻擊的行為[5]。

3? 全光校園網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)多采用的是核心交換機(jī)到匯聚交換機(jī)最后到接入交換機(jī)的三層架構(gòu)，包括核心層、匯聚層、接入層三個(gè)層次，在中心機(jī)房部署核心層交換機(jī)，在樓宇匯聚處部署匯聚層交換機(jī)，在每個(gè)樓層弱電間部署接入層交換機(jī)，是一個(gè)典型的三級(jí)組網(wǎng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

POL全光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)在中心機(jī)房部署了核心交換機(jī)和OLT設(shè)備；在匯聚層采用無(wú)源分光器替代傳統(tǒng)的匯聚層交換機(jī)，采用光纖替代銅纜，采用無(wú)源設(shè)備替代有源設(shè)備，減少了網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生率；在接入層采用ONU替代接入交換機(jī)，ONU充當(dāng)了接入交換機(jī)的角色，提供部分二層交換的功能，為用戶提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、IPTV、無(wú)線、安防監(jiān)控等業(yè)務(wù)訪問(wèn)，層級(jí)更簡(jiǎn)單，如圖2所示。

4? 全光校園網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析

廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院在新校區(qū)校園網(wǎng)建設(shè)中采用POL網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，POL無(wú)源光組網(wǎng)方式組網(wǎng)成本低，部署快，后期維護(hù)容易，已經(jīng)在校園中得到大面積的應(yīng)用，POL網(wǎng)絡(luò)在機(jī)房到ONU之間，鋪設(shè)的是光纖而不是網(wǎng)線，杜絕了電磁干擾，提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬，未來(lái)帶寬升級(jí)僅需更換光模塊或兩端設(shè)備即可，步驟簡(jiǎn)單，高效便捷，同時(shí)POL網(wǎng)絡(luò)層級(jí)簡(jiǎn)單，省去了中間易出故障的有源設(shè)備，提高了可靠性。

但在實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的POL設(shè)備品牌眾多，性能、質(zhì)量參差不齊。在校園網(wǎng)中使用大量的ONU設(shè)備，也增加了故障節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，需要一套集中管理軟件，才能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)維，POL網(wǎng)絡(luò)中所有的橫向數(shù)據(jù)均需上升到OLT設(shè)備中進(jìn)行交換，再返回至客戶端，對(duì)于需要大量共享的網(wǎng)絡(luò)存在一定的制約。

5? 實(shí)際應(yīng)用

廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院通過(guò)建設(shè)基于POL技術(shù)的全光校園網(wǎng)，與傳統(tǒng)基于網(wǎng)線的千兆以太網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)際應(yīng)用中得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

由數(shù)據(jù)分析可知，相較于傳統(tǒng)基于網(wǎng)線的千兆以太網(wǎng)，基于POL的全光校園網(wǎng)最大網(wǎng)絡(luò)帶寬由1 000 Mbit/s提升到10 Gbit/s，網(wǎng)絡(luò)帶寬更高；承載業(yè)務(wù)數(shù)量由1個(gè)提升到4個(gè)，業(yè)務(wù)融合度更好；網(wǎng)絡(luò)層級(jí)由三層減少為兩層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單；網(wǎng)絡(luò)故障率、安全事件發(fā)生次數(shù)大幅減少，如圖3所示。

因此，基于POL技術(shù)的全光校園網(wǎng)提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬，增強(qiáng)了安全性，減少了故障發(fā)生率，是現(xiàn)階段的最佳選擇。

6? 結(jié)? 論

全光網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，不斷地更新升級(jí)，技術(shù)已趨于成熟，發(fā)展前景廣闊。通過(guò)對(duì)學(xué)校校園網(wǎng)無(wú)源全光網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造，無(wú)源光設(shè)備已取代了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一根光纖可替代大量網(wǎng)線，將數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)、一卡通網(wǎng)等各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合在一起，構(gòu)建一張“全融合、廣承載、泛連接”的校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，為職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展賦能，為智慧校園建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖斌.智慧校園網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu) [J].福建電腦，2022，38（4）：40-43.

[2] 董涵.POL與以太網(wǎng)組網(wǎng)方式在高校應(yīng)用中的對(duì)比研究 [J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2017（10）：222.

[3] 蘇虎.以太網(wǎng)，GPON與EPON三種組網(wǎng)方式在高校應(yīng)用中的對(duì)比研究 [J].中國(guó)新通信，2020，22（23）：61-62.

[4] 胡搏.智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的研究 [J].中國(guó)新通信，2019，21（4）：84-89.

[5] 余翔.基于GPON技術(shù)的接入網(wǎng)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：鐘文基（1981.09—），男，漢族，廣西靈山人，副教授，高級(jí)技師，碩士，主要研究方向：信息技術(shù)和職業(yè)教育教學(xué)改革；王麗磊（1985.03—），女，漢族，河北張家口人，工程師，碩士，主要研究方向：信道通信技術(shù)。