數(shù)字教育背景下高速泛在校園網(wǎng)絡(luò)的融合和重構(gòu)研究

摘要：隨著VR等新型交互媒體以及5G在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中開始應(yīng)用，新型泛在學(xué)習(xí)空間對(duì)智慧校園網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋、高并發(fā)、高帶寬、高彈性、低延時(shí)等提出了新的要求。應(yīng)用5G、全光網(wǎng)、彈性物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)邊緣計(jì)算等新技術(shù)重構(gòu)校園網(wǎng)絡(luò)，DPI技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘分析，發(fā)揮數(shù)據(jù)智能，提升數(shù)據(jù)價(jià)值，形成新一代數(shù)字教育網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：全光網(wǎng)；5G專網(wǎng)；邊緣計(jì)算；DPI；數(shù)字教育

引言

2023年，教育部實(shí)施國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，用數(shù)字教育構(gòu)建智慧教育新生態(tài)，積極推進(jìn)基于5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新基建技術(shù)的應(yīng)用。通過智能化的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用所產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)，進(jìn)一步應(yīng)用大模型，形成數(shù)據(jù)智能，推進(jìn)智慧校園應(yīng)用的深度和廣度。應(yīng)用新基建技術(shù)規(guī)劃一體化超融合網(wǎng)絡(luò)，以全光有線網(wǎng)、Wi-Fi 6無線局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）把5G虛擬教育專網(wǎng)與校園網(wǎng)深度融合，建設(shè)彈性物聯(lián)網(wǎng)。把互聯(lián)網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)四網(wǎng)融為一體，用深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)（deep packet inspection，DPI）和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與智能分析，提升智慧校園網(wǎng)絡(luò)的數(shù)智能力。

1. 構(gòu)建無源全光基礎(chǔ)網(wǎng)

構(gòu)建校園全光基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，全光網(wǎng)的信號(hào)傳輸和交換一直以光的形式存在，只在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，無源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）[1]，是一種點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，用光節(jié)點(diǎn)替代電節(jié)點(diǎn)，中間不需要交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)成直接光纖通信網(wǎng)絡(luò)。光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光信號(hào)完全透明，在光信號(hào)傳輸過程中，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都不處理客戶信息，實(shí)現(xiàn)了客戶信息的透明傳輸。無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及架構(gòu)可直接用于校園網(wǎng)絡(luò)的整體更新和改造。

基于PON設(shè)備的全光網(wǎng)ODN包括光線路終端（OLT）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）兩種主要設(shè)備，OLT是連接光纖中繼終端的設(shè)備，是全光網(wǎng)中重要的中央設(shè)備，用于上聯(lián)上層網(wǎng)絡(luò)的上行接入，再通過光纖和無源分光器POS下連ONU設(shè)備，通過單根光纖與用戶端互連分光器，分光器下連到ONU設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶終端設(shè)備ONU的控制和測(cè)距。OLT和ONU設(shè)備都是光電集成設(shè)備，光網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)如圖1所示。

使用全光網(wǎng)架構(gòu)的校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，相比交換路由設(shè)備的弱電組網(wǎng)具有明顯優(yōu)勢(shì)：（1）網(wǎng)絡(luò)吞吐率高。光網(wǎng)絡(luò)大幅提升了吞吐能力，理論上帶寬沒有限制，只受限于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)出時(shí)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的帶寬限制，如10Gpon光網(wǎng)可輕松應(yīng)對(duì)4K以上超高清及VR等應(yīng)用。（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單——大二層結(jié)構(gòu)。OLT經(jīng)分光器后直接連接ONU設(shè)備，ONU直接連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)采用透明光通路鏈接，不需要價(jià)格較高且性能和帶寬受限的交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，不受雙絞線100米超距問題的影響，極大地提高了傳輸容量和傳輸質(zhì)量。（3）組網(wǎng)成本低。全光網(wǎng)絡(luò)使用單光纖連接，光纖數(shù)量少，單位長(zhǎng)度的光纖成本低于網(wǎng)絡(luò)電纜，用于鋪設(shè)線纜的橋架也可以更小，建筑安裝成本更低，同時(shí)節(jié)約了建筑空間。OLT和ONU設(shè)備整體成本也低于交換路由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。（4）開放擴(kuò)展性強(qiáng)。用光不同波長(zhǎng)作為路由選擇以兼容不同的協(xié)議、頻率、制式和速率，實(shí)現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)。使用虛波長(zhǎng)通道技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展加入新節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響到原有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備。（5）業(yè)務(wù)重構(gòu)能力強(qiáng)?？芍苯有陆ㄖ蓖ü馔ǖ栏淖兙W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，在不同節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由選擇實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重建。（6）高可靠易維護(hù)。因使用無源的光信號(hào)處理元件，整體易于維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)的可靠程度高。

2. 融合5G虛擬教育專網(wǎng)

隨著5G網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)，應(yīng)用場(chǎng)景逐步豐富，對(duì)于構(gòu)建高速泛在的數(shù)字教育空間有著天然的優(yōu)勢(shì)，可以在智慧校園中應(yīng)用5G新技術(shù)，構(gòu)建5G虛擬教育專網(wǎng)。

2.1 使用5G獨(dú)立組網(wǎng)

5G有獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種方式。非獨(dú)立組網(wǎng)方式是4G向5G過渡的一種方案。獨(dú)立組網(wǎng)是一種全新的組網(wǎng)方式，核心網(wǎng)和終端都采用5G標(biāo)準(zhǔn)，是端到端的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]，采用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及邊緣計(jì)算等新技術(shù)，以滿足各種新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。建設(shè)5G虛擬教育專網(wǎng)，需要使用獨(dú)立組網(wǎng)方式。

2.2 建設(shè)5G室分系統(tǒng)

室分系統(tǒng)是室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，新型室分系統(tǒng)可以同時(shí)支持SA（獨(dú)立）和NSA（非獨(dú)立）兩種組網(wǎng)方式，是目前5G室分建設(shè)的主流方案。運(yùn)營(yíng)商端基帶元（BBU）光纖入校，通過匯聚單元（PB），使用光電復(fù)合線纜連接到各個(gè)樓道上的射頻單元，建筑物內(nèi)部主要通過射頻單元進(jìn)行5G信號(hào)的收發(fā)，5G室分系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

與4G系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)的頻段相對(duì)更高，信號(hào)傳播與穿墻中的消耗隨之增加[3]，僅依靠運(yùn)營(yíng)商在校園周圍的基站，并不能完成校園建筑物內(nèi)部信號(hào)的有效覆蓋。以電信5G的頻段為例，采用3400MHz～3500MHz的帶寬，信號(hào)頻率比4G高，信號(hào)傳輸距離較短，穿透損耗大，5G校園虛擬專網(wǎng)需要有完好的室外以及室內(nèi)的信號(hào)覆蓋，所以，在規(guī)劃5G校園虛擬專網(wǎng)時(shí)，要同步建設(shè)5G室分系統(tǒng)，5G室分系統(tǒng)是5G專網(wǎng)質(zhì)量的重要保證。

2.3 5G切片形成專網(wǎng)

5G校園虛擬專網(wǎng)需要在運(yùn)營(yíng)商5G大網(wǎng)中進(jìn)行劃分，需要使用5G切片技術(shù)。切片是將物理網(wǎng)絡(luò)按需進(jìn)行邏輯劃分的一種技術(shù)，在原有5G網(wǎng)絡(luò)中按用戶要求劃分出一層虛擬網(wǎng)絡(luò)，形成“5G接入網(wǎng)+傳輸網(wǎng)+核心網(wǎng)”組成的一個(gè)按需定制的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

5G切片與5G網(wǎng)絡(luò)都是端到端的，但5G切片網(wǎng)絡(luò)具備定制性和專用性，可以為某個(gè)特殊場(chǎng)景提供通信網(wǎng)絡(luò)，為某些終端提供專用網(wǎng)絡(luò)。引入切片后，一張物理網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶需求從邏輯層面劃分為不同的專用網(wǎng)絡(luò)，從而可以實(shí)現(xiàn)資源隔離和網(wǎng)絡(luò)復(fù)用。每個(gè)切片所構(gòu)成的虛擬網(wǎng)絡(luò)都可以為用戶提供不同方面的能力。例如，遠(yuǎn)程校企協(xié)作實(shí)訓(xùn)對(duì)于低時(shí)延要求特別高，那么可以創(chuàng)建低時(shí)延切片；而有些高密場(chǎng)景需要的是大帶寬，那么就可以創(chuàng)建大帶寬切片。此外，可以根據(jù)校園的規(guī)模及應(yīng)用特性，定制低時(shí)延、大帶寬、高并發(fā)相對(duì)均衡的一個(gè)切片，形成5G虛擬專網(wǎng)，也可在大規(guī)模校園網(wǎng)中按需定制低延時(shí)或者高帶寬不同特性的多個(gè)5G切片網(wǎng)絡(luò)。

2.4 5G專網(wǎng)融合校園網(wǎng)

移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC），是一個(gè)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣運(yùn)行特定任務(wù)的云服務(wù)器[4]，MEC是一個(gè)資源池，把5G與MEC進(jìn)行結(jié)合，把各種服務(wù)部署到MEC中，在靠近MEC的位置部署5G的用戶面功能（user plane function，UPF）。在5G核心網(wǎng)的控制下，在UPF上對(duì)終端要訪問的業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，如果UPF識(shí)別到業(yè)務(wù)流是訪問MEC的，就把這些數(shù)據(jù)分流轉(zhuǎn)發(fā)到MEC上，如果UPF發(fā)現(xiàn)終端訪問的是專網(wǎng)外的，則不做分流，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到大網(wǎng)上去。這個(gè)分流功能是5G網(wǎng)絡(luò)專門為MEC這類場(chǎng)景設(shè)計(jì)的。學(xué)校將主要業(yè)務(wù)平臺(tái)部署到MEC平臺(tái)上，可直接實(shí)現(xiàn)就近訪問，這樣更能發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)終端訪問MEC上的應(yīng)用的時(shí)候，終端與應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)交互不需要出學(xué)校的專網(wǎng)，數(shù)據(jù)更安全。在學(xué)校中應(yīng)用“5G+MEC”就可以創(chuàng)建安全的、本地化的5G專網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)與校園網(wǎng)的互通。

3. 擴(kuò)展Wi-Fi 6無線校園網(wǎng)

Wi-Fi 6是第六代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最高速率達(dá)9.6Gbps，比上一代性能提升4倍。針對(duì)高密部署場(chǎng)景采用了頻分復(fù)用、增加多用戶多輸入多輸出數(shù)量、1024的正交幅度調(diào)制、空分復(fù)用和基本服務(wù)集著色機(jī)制、長(zhǎng)正交頻分復(fù)用符號(hào)發(fā)送機(jī)制、目標(biāo)喚醒時(shí)間等幾項(xiàng)核心技術(shù)。該技術(shù)可智能分頻，容量提升4倍，多設(shè)備并發(fā)，時(shí)延降低三分之二，終端設(shè)備采用按需喚醒的方式，功耗降低30%左右。Wi-Fi 6具備大帶寬、高并發(fā)、低時(shí)延、低功耗的優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是高密度和高容量的無線接入業(yè)務(wù)。在學(xué)校應(yīng)用中恰好就有很多這樣的場(chǎng)景，如體育場(chǎng)、圖書館、食堂、教室、會(huì)議室等，可輕松滿足4K/8K/VR大帶寬視頻傳輸?shù)刃枨?。由于Wi-Fi 6波段穿透力相對(duì)較弱，設(shè)計(jì)校園Wi-Fi 6的AP點(diǎn)位時(shí)要合理布局。例如，在水泥墻阻隔的情況下，如果教室內(nèi)部沒有放置AP，只用走廊上的AP，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不夠強(qiáng)的情況，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量；如果強(qiáng)行調(diào)高AP的功率，表面上看信號(hào)強(qiáng)度足夠了，但網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量又會(huì)出現(xiàn)問題。

5G和Wi-Fi 6都是無線技術(shù)，采用了相同的底層物理技術(shù)，都具備大帶寬、低延時(shí)等關(guān)鍵的共同特征。在智慧校園無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的時(shí)候，要理清二者的關(guān)系再進(jìn)行規(guī)劃。兩種網(wǎng)絡(luò)各有分工，Wi-Fi 6以室內(nèi)終端無線上網(wǎng)接入為主，而5G主要以移動(dòng)通信為主。5G的系統(tǒng)更復(fù)雜，成本更高。學(xué)?？筛鶕?jù)需要在Wi-Fi 6基礎(chǔ)上增加5G專網(wǎng)。從無線管理的角度來看，兩種無線網(wǎng)絡(luò)管理控制有所不同，學(xué)?？梢詫?duì)Wi-Fi進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證、漫游等有效管理，而5G網(wǎng)絡(luò)管理主體在運(yùn)營(yíng)商。

4. 架構(gòu)邊緣計(jì)算彈性物聯(lián)網(wǎng)

新型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品具備智能互聯(lián)、感知、計(jì)算、傳輸?shù)认到y(tǒng)化處理能力，要求物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)高度彈性，具備靈活的伸縮能力，因此把一部分計(jì)算和存儲(chǔ)資源移至設(shè)備或終端側(cè)邊緣，形成邊緣計(jì)算和靈活伸縮的彈性能力，部分?jǐn)?shù)據(jù)處理直接在邊緣計(jì)算服務(wù)平臺(tái)完成，使整個(gè)系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)處理效率、更低的延時(shí)和更強(qiáng)的靈活性。架構(gòu)一個(gè)統(tǒng)一的總控平臺(tái)進(jìn)行彈性化的管理和分配，中心云計(jì)算和邊緣計(jì)算平臺(tái)協(xié)同對(duì)全量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以邊緣計(jì)算服務(wù)平臺(tái)作為匯聚層，有線和無線智能網(wǎng)關(guān)作為接入層，對(duì)包含以太網(wǎng)、無線、總線等各種不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型終端進(jìn)行全網(wǎng)接入和全域監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化感知識(shí)別和管理能力?；谌庥芯€和Wi-Fi 6無線網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的部署和擴(kuò)展更為便捷，比如只需要在無線AP上擴(kuò)展使用物聯(lián)網(wǎng)通信接口，就可以擴(kuò)充無線物聯(lián)網(wǎng)。

5. 挖掘分析校園網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

數(shù)字教育大量應(yīng)用數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流轉(zhuǎn)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用價(jià)值，我們可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文解析檢測(cè)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析。普通報(bào)文解析檢測(cè)技術(shù)僅能對(duì)OSI模型中第二層到第四層的IP數(shù)據(jù)報(bào)文的源地址、目的地址、源端口、目的端口、協(xié)議類型進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析價(jià)值有限。而DPI復(fù)雜數(shù)據(jù)報(bào)文過濾技術(shù)，可以解析數(shù)據(jù)包的應(yīng)用層協(xié)議信息，提取應(yīng)用層的協(xié)議特征，進(jìn)而分析出不同應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)流量[5]。DPI不但檢測(cè)IP頭部，還會(huì)檢查TCP/UDP里面的內(nèi)容。通過特征字、應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)、行為模式、負(fù)載協(xié)議等識(shí)別技術(shù)，對(duì)第七層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的有效載荷進(jìn)行解析，進(jìn)行信息重組，識(shí)別出數(shù)據(jù)流實(shí)際業(yè)務(wù)內(nèi)容和各種應(yīng)用類型，是一種非常高效的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)。

DPI的應(yīng)用可以是軟件的形式，也可以被設(shè)計(jì)為硬件形式。把DPI設(shè)備在核心交換機(jī)旁路鏡像式掛載后，全光網(wǎng)、無線、物聯(lián)網(wǎng)以及經(jīng)過MEC管控后的5G專網(wǎng)數(shù)據(jù)流經(jīng)核心交換機(jī)，所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被復(fù)制到DPI系統(tǒng)中，按管理策略對(duì)流量進(jìn)行整形，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析校園網(wǎng)及應(yīng)用的數(shù)據(jù)流內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)站和應(yīng)用訪問情況。

應(yīng)用一：對(duì)異常流量進(jìn)行分析和管控，DPI對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的流量進(jìn)行構(gòu)成、性能和流向分析，根據(jù)分析結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)站和應(yīng)用的訪問情況，可以分析出DDoS攻擊、廣播風(fēng)暴、惡意病毒攻擊等行為導(dǎo)致的異常流量，制定合理的策略，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)流控制，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障。

應(yīng)用二：DPI可以分析網(wǎng)站和應(yīng)用的類型及訪問時(shí)間段分布等，理解用戶的上網(wǎng)行為，通過統(tǒng)計(jì)應(yīng)用類型的使用比率，優(yōu)化業(yè)務(wù)服務(wù)優(yōu)先級(jí)。通過訪問用戶分析，實(shí)現(xiàn)用戶群區(qū)分、終端分析、行為分析、趨勢(shì)分析等功能，在校園網(wǎng)管理及教育教學(xué)行為分析中起到特殊作用，可輔助學(xué)校進(jìn)行精準(zhǔn)決策和科學(xué)化管理。

結(jié)語(yǔ)

本文討論了一種新基建技術(shù)應(yīng)用的多網(wǎng)融合校園網(wǎng)架構(gòu)，以全光網(wǎng)作為有線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi 6和5G虛擬專網(wǎng)融合為無線網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)把5G和校園網(wǎng)融為一體，同時(shí)應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)彈性物聯(lián)網(wǎng)。DPI技術(shù)的應(yīng)用有效地提升了校園網(wǎng)絡(luò)的智能化，最終為數(shù)字教育應(yīng)用架構(gòu)了一個(gè)高帶寬、高并發(fā)、低延時(shí)、可靈活擴(kuò)展的智能化高速泛在校園網(wǎng)絡(luò)。

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作者簡(jiǎn)介：周立山，本科，高級(jí)講師，研究方向：智慧校園、信息化教學(xué)。