網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)教學科研網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計研究

摘 要： 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開設(shè)時間短、教學實驗條件不完備、科研力量薄弱等特點，在此根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)課程的實驗教學需要，綜合NGB應(yīng)用環(huán)境下的多種技術(shù)，設(shè)計出一套針對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)相關(guān)課程和科研需要的實驗網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺由前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和接入網(wǎng)系統(tǒng)3部分組成，可開展寬帶網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，交互式數(shù)字電視系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)等方面的實驗和科研工作。該系統(tǒng)的建立和完善，不僅有助于開展實驗教學和科研項目的開發(fā)、測試等工作，還對下一步物聯(lián)網(wǎng)平臺的規(guī)劃設(shè)計具有一定的參考價值。

關(guān)鍵字： NGB； 接入網(wǎng)； DVB； IPTV

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0032?03

Design of teaching and and scientific research network platform for network

engineering course

LU Quan?he1， FENG Li1， MIAO Fang2

（1. The 573 Station of State Press and Publication Administration of Radio， Film and Television， Beijing 102209， China；

2. College of Information Engineering， Communication University of China， Beijing 102218， China ）

Abstract： In combination with characteristics of short creation time， incomplete teaching experimental conditions， and weak scientific research of network engineering course， according to the experimental teaching demands of network engineering course， a experimental network platform was designed to meet the curriculum and scientific research needs related to network engineering course by means of variety of techniques in NGB application environment. The platform consists of the front end section of business system， transmission system and access network system， can carry out experiment and research of broadband network access systems， interactive digital TV system and IPTV system. The establishment and improvement of the system are a great help to carry out the development of experimental teaching and scientific research projects， and have a certain reference value for the planning and design of the next generation IOT platform.

Keywords： NGB； access network； DVB； IPTV

0 引 言

寬帶網(wǎng)絡(luò)作為實現(xiàn)信息化的重要載體，是經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，也是提升國家競爭力的關(guān)鍵要素[1]。在三網(wǎng)融合、NGB、物聯(lián)網(wǎng)的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展的背景下，信息工程學院新開設(shè)了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)。目前其他專業(yè)課程同網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程一樣，一方面需要一個網(wǎng)絡(luò)平臺進行教學、實驗；另一方面相關(guān)科研項目的研發(fā)、測試、演示的過程中也需要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持。

目前學院還沒有比較完備的科研、教學網(wǎng)絡(luò)平臺，只有一些分散的和使用多年的設(shè)備或系統(tǒng)。比如涉及接入網(wǎng)相關(guān)的課程，只有一套ADSL教學系統(tǒng)。當涉及寬帶網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字有線電視系統(tǒng)，廣電網(wǎng)雙向改造等教學實驗時，僅是去學校的計算機網(wǎng)絡(luò)中心進行參觀，無法進行更深入的實驗，這主要是因為網(wǎng)絡(luò)中心的系統(tǒng)和設(shè)備不能改動和調(diào)試。在科研項目中當需要網(wǎng)絡(luò)支持進行開發(fā)或測試時只能為每個項目臨時搭建環(huán)境，利用率不高[2]。因此，設(shè)計和搭建一個能夠作為日常教學和科研、測試使用的網(wǎng)絡(luò)平臺具有現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)狀和需求

目前校內(nèi)計算機網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)中心統(tǒng)一管理，采用實名制上網(wǎng)，端口結(jié)合賬號的管理方式。校園網(wǎng)的核心由三臺Cisco 5609交換機組成萬兆光纖環(huán)狀拓撲。辦公區(qū)和教學區(qū)內(nèi)主要采用100M以太網(wǎng)，家屬區(qū)有部分PON光纖到戶和CMTS的部署。主樓、綜合樓等主要區(qū)域通過Cisco4506，5750等交換機由千兆光纖接口匯入核心網(wǎng)絡(luò)。校內(nèi)有線電視信號也是網(wǎng)絡(luò)中心提供。網(wǎng)絡(luò)中心的有線信號，模擬頻道資源比較豐富，以及少量數(shù)字節(jié)目源。業(yè)務(wù)上只有直播節(jié)目，沒有點播互動等應(yīng)用。

學院目前沒有專門實驗網(wǎng)絡(luò)。有一套xDSL的接入實驗系統(tǒng)，包括6個ADSL/VDSL終端和MA5300DSLAM以及BRAS設(shè)備。涉及有線電視或交互電視類的項目多采用碼流播放器、調(diào)制器等搭建測試環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計主要是面向?qū)W院相關(guān)課程實驗教學和相關(guān)科研項目的需求。應(yīng)用電信寬帶網(wǎng)絡(luò)和廣電寬帶網(wǎng)絡(luò)的較新技術(shù)，能夠開展主流的業(yè)務(wù)。

目前與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的科研項目主要集中在新媒體、新業(yè)態(tài)、接入技術(shù)、雙向改造技術(shù)、智能家居，物聯(lián)網(wǎng)等方面。由于學院的歷史積累和定位，在骨干網(wǎng)方面開展的研究較少，因此骨干網(wǎng)絡(luò)簡略設(shè)計，主要是接入網(wǎng)和前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將來再根據(jù)需要進行擴展[3]。

該實驗網(wǎng)絡(luò)涉及接入網(wǎng)主流技術(shù)包括xDSL，DOCSIS，PON，EOC，WiFi等。網(wǎng)絡(luò)能開展的業(yè)務(wù)包括寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，高標清電視節(jié)目直播，雙向互動業(yè)務(wù)，點播時移，以及配合終端的融合通信，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。包含DVB系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)。接入終端面向個人電腦，機頂盒，電視機，智能手機，平板電腦等。

2 網(wǎng)絡(luò)平臺規(guī)劃與設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)平臺按功能區(qū)域分為前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)部分，傳輸系統(tǒng)和接入網(wǎng)系統(tǒng)部分。按業(yè)務(wù)系統(tǒng)來劃分可以分為寬帶網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，交互式數(shù)字電視系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)。

實驗網(wǎng)絡(luò)在實際系統(tǒng)中屬于接入層到匯聚層，前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)和接入網(wǎng)之間省略了骨干網(wǎng)，城域網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，以及針對互聯(lián)網(wǎng)和流媒體業(yè)務(wù)的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)出口是通過匯聚層交換機和寬帶接入服務(wù)器接入校園網(wǎng)，校園網(wǎng)作為該實驗網(wǎng)絡(luò)平臺的外網(wǎng)[4]。

2.1 前端業(yè)務(wù)平臺

前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括DVB系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)，信號源來自校園網(wǎng)有線電視信號，衛(wèi)星接收機，自辦節(jié)目或是科研項目需要的自備碼流，并且采用全IP的組網(wǎng)形式。

對于數(shù)字的有線電視信號，采用RF接口卡的多路編碼器，輸出IP封裝的MPTS/SPTS流到千兆交換機。每塊接口卡能夠接收一個頻點的多路復(fù)用TS流。

對于模擬的有線電視信號，采用解調(diào)器輸出視頻信號，再用AV接口卡的多路編碼器進行MPEG2編碼，輸出IP封裝的SPTS流。每塊接口卡能夠接收一套模擬節(jié)目。

對于自備的碼流通過碼流播出卡ASI接口輸出，以ASI接口卡進入多路編碼器，輸出IP封裝的MPTS/SPTS流。

多路編碼器對多種接口的視頻源進行綜合處理，統(tǒng)一成MPEG2編碼的IP流，方便后續(xù)的處理。實際上起到DVBIP網(wǎng)關(guān)的作用。

多路編碼器的輸出流通過千兆交換機配置組播，同時供DVB系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)作為節(jié)目源。根據(jù)需要每路碼流組播到IPQAM通過DVB系統(tǒng)進行廣播。同時組播到轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，由轉(zhuǎn)碼服務(wù)器轉(zhuǎn)碼為H.264或WMV9的碼流，再以單播或組播的形式推送到OLT進行IPTV的直播。IPTV業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一起通過PON傳輸。根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的配置，轉(zhuǎn)碼后的視頻節(jié)目可以存在流媒體服務(wù)器供點播業(yè)務(wù)使用。

2.2 接入網(wǎng)平臺

接入網(wǎng)的設(shè)計包含主流的接入方式，包括xDSL，EPON FTTH，EPON+EOC，EPON+LAN，CMTS+CM，WiFi等。除ADSL以雙絞線傳輸至DSLAM接入前端外，傳輸系統(tǒng)以單纖三波的EPON的方式實現(xiàn)，以節(jié)省PON口和光纖。IPQAM和CMTS的下行使用1 550 nm，OLT下行采用1 490 nm，經(jīng)過WDM混合后通過PON網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶端光節(jié)點。實驗網(wǎng)絡(luò)光分路器采用1∶16分光即可滿足一般的實驗和測試需要。

接入終端選擇不同配置的ONU。

對于光纖到戶的接入用戶端，ONU直接輸出RF接口的有線電視信號到機頂盒，以太網(wǎng)接口供PC上網(wǎng)。ONU下也可以接以太網(wǎng)交換機或WiFi無線路由器帶更多用戶。

對于EOC方式，可以選擇HiNOC或MOCA等幾種方式，方便開展相關(guān)的實驗和研究。ONU下接EOC局端設(shè)備，再經(jīng)同軸電纜網(wǎng)絡(luò)分配到EOC終端設(shè)備，供計算機接入和收看電視應(yīng)用。

對于CMTS+Cable modem方式，CM的上行信號和ONU的上行信號一起使用1 310 nm波長。CM上行信號經(jīng)OLT、交換機以及LMSR（Last Mile Subscriber Return）進入CMTS處理。

系統(tǒng)通過劃分VLAN對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和IPTV業(yè)務(wù)進行隔離。以劃分子網(wǎng)隔離前端系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)以及用戶。IPQAM也可以直接通過同軸電纜接機頂盒，構(gòu)成不經(jīng)過光傳輸?shù)臄?shù)字電視系統(tǒng)。實驗網(wǎng)絡(luò)平臺的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3 結(jié) 語

本文所述實驗網(wǎng)絡(luò)平臺適用于網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)課程的實驗教學需要，綜合了多種主流的接入技術(shù)，以及實現(xiàn)了數(shù)字電視系統(tǒng)和IPTV系統(tǒng)的主要功能。可以為計算機網(wǎng)絡(luò)，寬帶接入網(wǎng)，有線電視網(wǎng)，NGB相關(guān)應(yīng)用，廣電網(wǎng)雙向改造，三網(wǎng)融合等相關(guān)科研項目提供基礎(chǔ)平臺。

該網(wǎng)絡(luò)主體使用光纖接入技術(shù)，帶寬設(shè)計滿足NGB需要[5]。本文所設(shè)計討論的部分為一個基礎(chǔ)的框架，還有如交互業(yè)務(wù)系統(tǒng)，EPG系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)，認證鑒權(quán)，條件接收等功能需要進一步擴充。作為實驗室的系統(tǒng)不太可能使用運營商的完整業(yè)務(wù)系統(tǒng)，可以直接購買輕量級的軟件產(chǎn)品，也可以考慮自行開發(fā)軟件來實現(xiàn)基本的業(yè)務(wù)功能，有助于提升自身科研和創(chuàng)新能力。考慮到循序漸進的原則，本文沒有涉及到物聯(lián)網(wǎng)平臺的規(guī)劃設(shè)計，可以在以后的平臺建設(shè)規(guī)劃中逐步完善。

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