基于F5G 全光網(wǎng)的高校信息化基礎(chǔ)建設(shè)研究

摘要：隨著國家“十四五”信息化建設(shè)的深入開展，信息化進入加快數(shù)字化發(fā)展、建設(shè)數(shù)字中國的新階段。其中，隨著數(shù)字校園網(wǎng)建設(shè)的推進，校園網(wǎng)絡(luò)對承載和傳輸能力的要求越來越高，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為制約學校教學、辦公以及科研業(yè)務(wù)開展的因素。全光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，其中以F5G為代表的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON），有效地拓展了高校信息化建設(shè)的方向。在此背景下本文以北京衛(wèi)生職業(yè)學院校園網(wǎng)絡(luò)信息化基礎(chǔ)建設(shè)為例，介紹基于F5G 全光網(wǎng)的高校信息化建設(shè)研究，為高校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞： 全光網(wǎng)絡(luò)；F5G；PON；信息化建設(shè)；高校信息化

一、引言

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)與各個行業(yè)的深度融合，為各個領(lǐng)域帶來了新方向、新動能，需要把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來的歷史性機遇。在此背景下，全國各高校數(shù)字校園建設(shè)工作持續(xù)推進，教科研場景不斷豐富，對信息化的深度、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?、教科研融合的廣度要求越來越高。如何提升師生教學體驗，滿足教育教學不斷發(fā)展需求，對高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型以更高的要求。當前中國的在線教育、在線辦公、在線娛樂等產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了爆發(fā)式的發(fā)展：2020年中國在線教育的用戶規(guī)模將達到3億[1]。傳統(tǒng)校園網(wǎng)逐漸跟不上時代的步伐，在此背景下全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案應(yīng)運而生，逐步成為高校信息化基礎(chǔ)建設(shè)的主流趨勢。本文以北京衛(wèi)生職業(yè)學院為例，探討網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)思路。

二、學?，F(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

北京衛(wèi)生職業(yè)學院2016年完成了數(shù)字校園建設(shè)，實現(xiàn)了校園網(wǎng)主干萬兆網(wǎng)建設(shè)，學校目前三址辦公辦學，基于條件因素限制，前期網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀如下。

（一）學校網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

學校主干網(wǎng)絡(luò)為傳統(tǒng)模式萬兆校園網(wǎng)，即采用傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，以萬兆敏捷型交換機為核心設(shè)備，為師生提供高性能數(shù)據(jù)交換服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]；各院區(qū)匯聚交換機主要型號為全光口交換機連接上下行線路，接入層設(shè)備由于歷史原因品牌不一。有線網(wǎng)絡(luò)終端使用六類雙絞線連接，無線網(wǎng)絡(luò)采用POE供電設(shè)備目前只覆蓋主院區(qū)、行政辦公區(qū)及某院區(qū)宿舍區(qū)域。

（二）三校區(qū)互聯(lián)

學校分三個校區(qū)，三址辦公辦學，使用光纖互聯(lián)，日常辦公使用中視頻會議需求對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較大，目前存在使用壓力?；ヂ?lián)網(wǎng)運營商雙出口，但總出口帶寬低于同類學校。

（三）網(wǎng)絡(luò)安全防護

從網(wǎng)絡(luò)安全防護制度上，學校嚴格依據(jù)信息系統(tǒng)等級保護二級要求對6個業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行了定級備案工作。建立長效機制，按照上級單位要求每兩年進行一次等保測評工作。從網(wǎng)絡(luò)安全防護行動上，漏洞掃描設(shè)備每三個月進行一次漏掃工作，學校分為定期或不定期對設(shè)備進行安全檢查。從網(wǎng)絡(luò)安全防護設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)安全邊界配有堡壘機、入侵檢測系統(tǒng)、行為管理、出口防火墻、WAF等安全設(shè)備[4]，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

三、信息化建設(shè)需要解決的問題

學校緊跟校園信息化建設(shè)方向，明確了信息化建設(shè)的發(fā)展目標，對學校整體信息化建設(shè)做好頂層設(shè)計，打通信息孤島，提升信息化應(yīng)用水平，但目前仍有一些信息化亟需解決的問題：

（一）出口帶寬

現(xiàn)有帶寬不能滿足整體教育教學需求，例如信息化資源庫的建設(shè)、大型會議系統(tǒng)的運行、重要活動的實時轉(zhuǎn)播、多班級同時在線網(wǎng)課的運行等均需要高帶寬的支持。按照目前學校五千至六千師生的帶寬需求，總出口帶寬需要增加一倍以上。

（二）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

網(wǎng)絡(luò)接入層設(shè)備部署品牌較雜，兼容性有待提高，存在傻瓜式交換機和路由器。網(wǎng)絡(luò)運行中易造成ARP病毒攻擊、MAC地址漂移等問題。部分區(qū)域無線AP部署不夠密集，5G頻段穿墻能力差，不能達到全覆蓋，以上問題造成上網(wǎng)體驗差等問題。

（三）網(wǎng)絡(luò)管理

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理方式單一，以基礎(chǔ)維護為主，不具備精細化服務(wù)能力，無協(xié)同團隊處理模式，管理模式需要徹底改變提升。需要建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理平臺，從網(wǎng)絡(luò)交換機等基礎(chǔ)設(shè)施基線管理、服務(wù)器管理、業(yè)務(wù)管理、終端管理、數(shù)據(jù)管理多方面提供支持響應(yīng)?？茖W規(guī)范部門分工，在平臺及數(shù)據(jù)支撐下提升工作效率。

（四）網(wǎng)絡(luò)支撐

根據(jù)目前職業(yè)教育信息化發(fā)展趨勢，智慧教室、實訓室、多媒體機房、課程錄播教室等均對網(wǎng)絡(luò)時延有較高要求?，F(xiàn)有行為管理設(shè)備僅對上網(wǎng)行為有規(guī)范管理作用，對于帶寬分配、各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不能有效做到流量監(jiān)管、隊列調(diào)整、避免堵塞等，需要在提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量上進行改進。

（五）網(wǎng)絡(luò)共用情況

學校目前網(wǎng)絡(luò)缺乏物理或邏輯分割管理，總體還是一個網(wǎng)絡(luò)共用，在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時缺乏統(tǒng)一聯(lián)動集中管控，增加緊急事件處理難度。并且存在大量弱電機房，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)三層機構(gòu)有大量匯聚及接入交換機24小時不間斷運行，安全檢查消耗大量人力物力。

四、引入F5G全光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

F5G（The 5th Generation Fixed Network）是由中國提出的，歐洲電信標準協(xié)會ETSI接納，由業(yè)界廣泛參與的最新一代（第五代）固定網(wǎng)絡(luò)， 它以10G PON、Wi-Fi 6、200G/400G和OSU-OTN等技術(shù)為代表，相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，光纖傳輸介質(zhì)具備抗電磁干擾、抗氧化、抗腐蝕、體積小、傳輸距離遠，高帶寬等眾多優(yōu)勢。

應(yīng)用F5G技術(shù)構(gòu)建高校基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的主要方式，是建設(shè)一個基于POL（無源光局域網(wǎng)）為點到多點的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。包括OLT（光線路終端），用于連接光纖干線的終端設(shè)備；ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)），連接 OLT 與其級聯(lián) ONU 的光纖光纜、光連接器、分光器合稱為 ODN；ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元），提供終端接入。在高校信息化基礎(chǔ)建設(shè)中，可以考慮使用GPON技術(shù)和XGS-GPON技術(shù)組網(wǎng)，相比于 EPON 技術(shù)，GPON 擁有更高的傳輸速率（下行 2.488Gbps、上行 1.244Gbps）、更高的分光比（最大分裂比 1：128）、更長的傳輸距離 （最高 20KM）。具體對比可見表1。

綜上，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以成為高校傳統(tǒng)以太網(wǎng)綜合改造、新建校園網(wǎng)信息化基礎(chǔ)建設(shè)、實用新型場景建設(shè)的理想技術(shù)。F5G在不斷發(fā)展中不斷體現(xiàn)出自身優(yōu)勢。具備可持續(xù)發(fā)展，綠色環(huán)保、較低成本、信息安全等諸多優(yōu)點。

五、基于F5G全光網(wǎng)絡(luò)的學校信息化構(gòu)建

北京衛(wèi)生職業(yè)學院新院區(qū)信息化構(gòu)建以F5G全光網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。構(gòu)建不僅考慮原有校園網(wǎng)的設(shè)備利舊遷移、互聯(lián)互通、帶寬升級、還要考慮業(yè)務(wù)承載能力的提升，可以通過一次設(shè)計分布建設(shè)的方式，進行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，信息化構(gòu)建如下：

（一）網(wǎng)絡(luò)核心穩(wěn)定性設(shè)計

考慮到業(yè)務(wù)承載能力、網(wǎng)絡(luò)擴展能力、網(wǎng)絡(luò)極簡維護等各項需求。網(wǎng)絡(luò)核心交換可采用雙核心設(shè)計，整體采用融合架構(gòu)。OLT設(shè)備主控板、電源雙備份，出現(xiàn)問題時自動切換。校內(nèi)采用光纖與核心連接，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)信息系統(tǒng)互通。通過核心層OLT設(shè)備部署，匯聚所有ONU設(shè)備，無源分光讓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加扁平化，消除弱電間傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有源隱患。根據(jù)OLT數(shù)量或?qū)嶋H應(yīng)用要求，校園網(wǎng)絡(luò)可采用Type B雙歸屬保護技術(shù)，實現(xiàn)對OLT設(shè)備，主干和分支光纜，以及上行鏈路的端到端保護。與此同時，Type B雙歸屬保護技術(shù)還能夠講保護倒換時間限制在50ms以內(nèi)，從而保障業(yè)務(wù)運行的連貫性，確保業(yè)務(wù)不中斷。接入層依據(jù)終端用戶的具體場景，確定ONU設(shè)備端口數(shù)量。校園終端除日常辦公用計算機、打印機、無線AP、智能教學設(shè)備外，應(yīng)充分考慮智能教室、教學實訓室、智能錄課等新一代應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求，既要有冗余也要避免浪費。F5G全光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

（二）室內(nèi)外光節(jié)點設(shè)計

利用F5G全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)符合校園需求場景的信息點靈活部署，已逐漸成為主要需求。解決方案之一是以單模光纖作為傳輸介質(zhì)，借助光纖到房間的綜合布線方式，通過設(shè)置不同的分光比，在不同場景適配對應(yīng)的ONU，并支持對新技術(shù)的信息化應(yīng)用進行調(diào)優(yōu)[2]。

ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)絡(luò)，在FTTH中主要指OLT到ONT段，在學校網(wǎng)絡(luò)中主要指OLT到ONU段）的典型距離為 5 至 10千米，學校網(wǎng)絡(luò)從機房到終端會途經(jīng)戶外地下、戶外街邊、戶外抱桿、掛墻、樓內(nèi)豎井、室內(nèi)場景等，本質(zhì)是為了對光纜起到連接和保護作用。在機房內(nèi)，通常采用落地的ODF（光纖配線架）進行設(shè)備連接和光纜連接。如遇空間受限可采用19英寸或21英寸單元框安裝在綜合機柜和其他主設(shè)備柜中，也可以選用掛墻ODF，一般要求IP2X。在戶外地下我們通常采用SSC（光纜接頭盒）對光纜進行接續(xù)延長，對抗腐蝕要求較高，要求IP68。戶外街邊一般采用FDT（光纜交接箱）連接饋線光纜和配線光纜，需要抵抗惡劣天氣變化和工作環(huán)境，要求IP55。FAT（光纖分纖箱）實現(xiàn)光纖入戶接續(xù)與配線功能。由于是室外環(huán)境，要求防護等級IP55或IP65。在完成了戶外連接后，光纜會進入高樓或入戶場景，高樓場景通常用FAT（光纖分纖箱）進行光纜接續(xù)、分光和配線。FAT通常采用掛墻安裝，因為室內(nèi)環(huán)境，一般防護要求為IP43。進入房間后，通常在光纖終端盒上成端，便于跳線連接至ONT。ATB（光纖終端盒）通常采用室內(nèi)掛墻或嵌入墻壁方式，防護等級要求IP4X。

（三）VLAN設(shè)計原則

VLAN設(shè)計原則，一是依據(jù)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)搭建要求進行規(guī)劃，二是依據(jù)學校使用場景進行規(guī)劃，三是依據(jù)帶寬分配需求進行規(guī)劃，四是依據(jù)安全要求進行規(guī)劃，五是考慮特殊用途進行規(guī)劃。

（四）網(wǎng)絡(luò)地址劃分

IP地址段劃分原則，要充分結(jié)合VLAN設(shè)計，充分考慮現(xiàn)有辦公教學對網(wǎng)絡(luò)功能、運維、互通、安全等因素的需求。IP設(shè)計要方便未來終端用戶使用，固定地址、DHCP的選用要與學?，F(xiàn)有流控設(shè)備、行為管理設(shè)備和安全設(shè)備做好對接。對于需要持續(xù)運行的設(shè)備，例如安防監(jiān)控、閘機、主干網(wǎng)絡(luò)交換機、公網(wǎng)設(shè)備、虛擬機集群和超融合服務(wù)器、校內(nèi)服務(wù)器；以及日常辦公中使用的常開型設(shè)備，例如打印機、機房電腦等設(shè)備，可采用固定IP地址，臨時設(shè)備或其它無特別要求的設(shè)備，可以考慮使用DHCP。為網(wǎng)絡(luò)管理工作打好基礎(chǔ)并為新增設(shè)備做好預留準備。

（五）業(yè)務(wù)資源分級管理

通過配置 Qos 解決網(wǎng)絡(luò)延遲、阻塞問題，對帶寬資源采用合理研判后再分配的方式，滿足不同用戶對網(wǎng)絡(luò)的各種要求，合理適時運用優(yōu)先級限制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管、擁塞避免等技術(shù)手段，配置帶寬、限制抖動、降低時延、最大程度避免丟包現(xiàn)象的發(fā)生。

在接入核心方向設(shè)備中，配置流策略將視頻、數(shù)據(jù)、語音等不同業(yè)務(wù)報文進行優(yōu)先級設(shè)定，在內(nèi)部設(shè)備中應(yīng)用DS域，將802.1P優(yōu)先級映射為服務(wù)等級，在出方向，根據(jù)服務(wù)等級重新標記DSCP優(yōu)先級。各層設(shè)備根據(jù)優(yōu)先級將不同 報文送入不同隊列進行差分服務(wù)。

（六）PON網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計

POL網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用現(xiàn)有的TypeB和TypeC兩種保護方式，其目的是避免在遇到網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單光纖鏈路故障或設(shè)備故障時發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)中斷，該方式能夠自動觸發(fā)保護切換。

兩種保護模式又分為單歸屬保護和雙歸屬保護，TypeB和TypeC均為雙歸屬保護。在Type B模式下，分光器設(shè)置2根上行光纖連接至2臺OLT的2個不同PON端口[3]。而對于TypeC來說，ONU的2根上行光纖分別接到2臺分光器，2臺分光器通過上行光纖分別接到不同OLT設(shè)備的不同PON端口上。在新校區(qū)頂層設(shè)計中，單歸屬方案由于存在單點故障風險被棄用。TypeB和TypeC結(jié)構(gòu)如圖2所示。

六、F5G全光網(wǎng)絡(luò)信息化的優(yōu)點

（一）無線網(wǎng)絡(luò)打造校園網(wǎng)絡(luò)全覆蓋

校園網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋已經(jīng)是信息化校園建設(shè)的必要條件，校園信息化建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計一定要具備技術(shù)前瞻性。WLAN進入Wi-Fi7時代，無線網(wǎng)絡(luò)從GPON/XGS-PON到50G PON平滑升級，為學校辦公、教科研需求無線網(wǎng)絡(luò)能保證10年內(nèi)的先進性，讓無線網(wǎng)絡(luò)作為有線網(wǎng)絡(luò)的有益補充，實現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)下師生通過校園網(wǎng)進行辦公、教科研、會議等活動。

（二）F5G全光網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建智慧校園

全光網(wǎng)絡(luò)大幅提升了校園網(wǎng)絡(luò)的承載能力和擴展性，5G 雙域融合網(wǎng)絡(luò)解決了傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡(luò)因地域邊界導致的資源訪問阻礙。在教育領(lǐng)域，學校建設(shè)中多媒體智慧教室、遠程視頻會議、多媒體機房、多功能實驗室等組成的智慧校園，對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、速度、延時性等要緊較高，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)能為智慧校園的建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)，保障了網(wǎng)絡(luò)負載能力，為智慧化校園的建設(shè)提供了平臺。

七、結(jié)束語

當前，F(xiàn)5G技術(shù)向F5GA邁進全光網(wǎng)的應(yīng)用進入千行百業(yè)，F(xiàn)5G全光網(wǎng)具有全光連接、超高帶寬、極致體驗的特性，從產(chǎn)業(yè)趨勢來看，不僅可以作為一個相較傳統(tǒng)以太網(wǎng)更好的替代方案，更能作為某些關(guān)鍵改變的新起點，甚至成為一些領(lǐng)域的競爭力的來源，無論選擇全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為一張網(wǎng)設(shè)計，還是選擇全光網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)混合模式建設(shè)，光網(wǎng)技術(shù)的各項優(yōu)勢，都為校園網(wǎng)建設(shè)注入新的活力。當前市場中光網(wǎng)技術(shù)也不僅限于F5G，以太全光網(wǎng)、彩光技術(shù)近幾年也有迅猛發(fā)展并獲得用戶認可，如何選擇光網(wǎng)技術(shù)，不僅要根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、終端數(shù)量、速率要求、經(jīng)費情況等因素，還要再充分調(diào)研基礎(chǔ)上結(jié)合自身情況。相信在今后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中全光網(wǎng)應(yīng)用會越來越多，滿足新時代新業(yè)務(wù)的需求，F(xiàn)5G全光網(wǎng)技術(shù)在高校信息化建設(shè)中的應(yīng)用潛力還有待深入挖掘，更值得相關(guān)人員深入學習和研究。

作者單位：王煒 王燚堂 北京衛(wèi)生職業(yè)學院

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