基于全光網絡的高職智慧學生公寓設計與實現

楊勇 鄭定成

（德宏職業學院 云南省德宏傣族景頗族自治州 678400）

近年來，隨著網絡技術的不斷發展，高職院校學生公寓由過去的提供居住空間逐漸演變為集學習、生活和娛樂一體的學生生活社區。而網絡是這一切的基礎，為了向學生提供更加方便快速的上網環境，過去的校園網建設成本高，施工周期長制約了學生公寓網絡的發展。隨著光纜技術的發展，網絡覆蓋成本不斷下降，校園網的覆蓋范圍已經從辦公區和教學區逐步向學生公寓進行覆蓋。學生公寓網絡成為高職院校校園網的重要組成部分，也是集教學、科研和行政管理的重要基礎設施之一。學生享受網絡帶來便捷的同時，也為學校的管理帶來更多的挑戰，為了既滿足學生的需求，又方便學校管理，于是智慧公寓概念也孕育而出。先進的技術需要配合完善的設計是智慧學生公寓建設的成敗關鍵，接下來將從以下幾個方面進行設計，盡可能的完善基于全光網絡的智慧學生公寓功能設計實現。

1 現有公寓網絡的挑戰

隨著云教育、遠程教育的普及應用，越來越多的高職院校的學生對自身知識儲備不斷提高和對國內外優質教學資源的渴望，現有傳統的線下教育已經難以滿足其需求。各類名校的微課、網課等越來越受到高職學生的青睞。學生公寓成為學生線上學習的主要地點，但傳統的學生公寓網絡存在以下幾個問題。

1.1 信息點數量少，接入方式單一

學生公寓傳統設計的網絡存在信息點數量少，大部分為有線接入，需要學生加裝無線路由器等設備，給學生造成經濟負擔，也加大了學校對網絡的管理難度。

1.2 帶寬小、速率低

云教育、遠程教育大部分為視頻教學資源，某些教學資源需要開啟虛擬設備實訓，占用大量帶寬，學生公寓內上課的學生數量多時，會造成學生公寓的網絡阻塞甚至癱瘓，難以適應海量信息傳輸需求。

1.3 可擴展性問題

互聯網發展迅速，各類流量越來越多，路由表呈指數級增長路由器性能對網絡產生制約。學生公寓網絡設計時僅作為數據接入業務，對于新型的智慧校園建設難以滿足其智慧場景的擴展。若需要建設智慧學生公寓，傳統的網絡難以支持有線數據接入、無線數據接入、視頻接入、語音接入等功能，需要另外投資建設。

1.4 施工難度大、成本高

傳統金屬線纜傳輸距離短，在局域網中交換機到信息點的傳輸距離僅為0.1 千米，交換機需要獨立供電。布線施工難度大，成本高。

隨著學生公寓的信息量獲取越來越大，帶寬要求也越來越高。傳統以太網難以滿足學生在公寓內上網學習和學校對學生公寓的管理需求。對學生公寓的網絡改造必須采用高帶寬、高速率、多業務原則進行設計。

2 全光網絡的優勢

全光網絡目前主要采用GPON 標準，GPON 是一種點到多點結構的無源光網絡，采用WDM 技術，實現單纖雙向傳輸，一個典型的GPON 系統由OLT、ONT、ODN 組成。 OLT 放在中心機房，ONT 為用戶端設備。ODN 是光配線網，主要由一個或數個分光器來連接OLT 和ONT，它的功能是分發下行數據并集中上行數據。OLT 替代以太網中的匯聚交換機，提供面向無源光纖網絡的光纖接口。OLT 提供網絡集中和接入的功能外，還可以進行網絡管理配置。分光器是一個簡單設備，它不需要電源，一個分光器的分線率為2、4、8、16 和32，并可以多級連接。ONT 替代以太網的接入交換機，實現成本低廉的以太網交換功能，在GPON 中，OLT 到ONT 間的距離最大可達20 千米。

2.1 抗干擾性

光纖具有極好的抗干擾性能，而且可在極細的光纖導管內通過很寬的帶寬。而金屬線極易受外界電磁脈沖干擾，而且通過帶寬非常狹窄，光信號傳輸回損耗比電信號損耗低，特別是畸變小。

2.2 保密性

光纖重量比金屬線輕，材料成本也不高。光纖信息對外界的輻射也非常小，光纖電纜埋入地下不容易被探測與竊聽，保密性能好。

2.3 可擴展性

多端口ONT（ONT 是一種光網絡終端設備，能夠通過光信號接收語音、數據和視頻并以相應的格式傳輸給相應的用戶，還附帶無線功能模塊）、PoE 等功能滿足學生公寓等區域的多終端接入。每間宿舍僅需要一根光纖即可，節省布線，管理簡便。全光網絡同時提供數據、語音、視頻接口，實現三網融合。利用虛波長通道技術，在加入新的節點時，可不影響原有網絡和設備，直接實現網絡的擴展，節約了網絡資源，降低了網絡成本。擴容也很方便，如一條帶寬為 2M 的標準光纖專線很容易就可以升級到 4M、 10M、 20M，最大可達 100M，并且無需更換任何設備。

2.4 無源性

光纜具有傳輸距離長，速率快等優點。其分光節點不依靠電源就能進行傳播，因此比傳統以太網信號傳輸上免去了強電布線降低了施工成本和后期的使用成本。使用單芯光纖，采用波分復用（WDM）技術進行復用，通過無源分光器逐級分光擴展，可以節省光纖和光模塊成本。分光器到ONT 之間全部是無源的，能耗低，安靜，故障率低 。

2.5 靈活性

體積小、重量輕、便于施工維護，設備按需配置、進一步節省初期成本。可以僅僅安裝少數的ONT 設備，隨著用戶數的增多，才會逐步增加ONT 設備的數量。如果是傳統以太網LAN 部署方式，需要滿配交換機端口來支持“即開即用”模式。無源分光器可以靈活部署在任何環境，滿足遠距離學生公寓的覆蓋，上電后可以自動發現和添加ONT，完成ONT 設備部署、遠程軟調，大大提高部署效率，運維效率。

2.6 壽命長

圖1：全光網絡學生宿舍拓撲圖

光纖的壽命平均為30年，金屬網線普遍壽命不足10年，而且光纖比較細，穿孔小，對房屋結構破壞少，一次性投資，30年不需要重復布線。

隨著“光進銅退”趨勢的進一步發展，光纖將逐步取代傳統的銅纜。目前全光網絡也是各大運營商為家庭提供高速寬帶鏈接的主要方式，該接入方式僅由一根細細的光纜就能為家庭提供了電視、電話、有線數據接入、無線數據接入和家庭監控業務。運營商的廣泛使用也證明全光網絡是非常適合終端用戶高速、便捷的接入。

3 智慧學生公寓的模塊設計

智慧學生公寓的模塊設計因遵循先進性、可擴展性和安全性的原則。學生公寓的網絡需求大致為高帶寬、高速率、無縫漫游、多業務擴展等。

3.1 全面覆蓋的高速上網模塊

采取光纖入房間的設計思路，每個房間用合適的ONT 可以實現有線無線的網絡覆蓋，同時光纜能夠提供千兆以上的傳輸速率，為學生公寓的每個房間提供了有線和無線的高速網絡接入，同時也為學生公寓的智慧業務提供基礎網絡的接入口。

3.2 實名上網認證模塊

傳統的學生公寓網絡通常只提供用戶網絡的接入需要，忽略了學校對學生公寓網絡的管理控制。實名上網認證模塊的加入，可以基于學生上網賬號對學生的上網行為進行管理控制。

3.3 緩存服務器模塊

在校園網內設置緩存服務器模塊。緩存指的是將需要頻繁訪問的網絡內容存放在離用戶較近、訪問速度更快的系統中，以提高內容訪問速度的一種技術。緩存服務器就是存放頻繁訪問內容的服務器。這樣能夠為學生提高了再次訪問線上資源的速度。

3.4 人臉識別模塊

在學生公寓樓棟主要出入口處，通過安裝人臉識別功能的前端智能攝像機，設定各種考勤規則。當學生人臉出現時，攝像機能夠自動識別人臉信息通過與人臉數據庫進行對比，識別畫面中的人員。極大的方便學校對學生公寓的日常管理。

3.5 防擁擠和防翻越識別模塊

在學生公寓的主要過道和公寓的圍墻邊安裝具有流量分析功能和防止翻閱圍墻功能的前端智能攝像機，當主要學生通道出現人員擁擠或學生翻閱圍墻的情況，攝像機將通過設定的擁擠和翻越規則發出報警，并能在學校監控中心快速切換擁擠或翻越視頻畫面，防止學生出現踩踏事件。

3.6 快速報警模塊

在學生公寓區域設置報警路燈桿，日常做路燈使用，在緊急情況時可以通過路燈桿上的報警按鈕快速向學校安全保衛部門進行報警。

3.7 智能水電表

房間內應安裝智能水電表，通過水電系統自動結算，方便管理，同時能快速檢測故障，也方便學生自助充值。

3.8 各種自助和擴展模塊

如自動售貨機、自助洗衣、自助充水電、自助廚房、自助電吹風等各種各樣的無人自助場景。

4 全光網絡智慧學生公寓的設計與實現

全光網絡的特點結合智慧學生公寓的設計模塊要求。其總體設計原則應易管理、易部署、易維護、高性能、高可靠的網絡，其總體設計借鑒網絡運營商的家庭寬帶接入網絡建設思路，采用扁平化架構，扁平化的網絡架構是將網絡劃分為業務控制層和寬帶接入層的二層網絡結構。采用全光網絡的學生公寓網絡拓撲如圖1 所示。

4.1 工作區子系統設計實現

光纖直接進入學生公寓的每個房間，在每個房間內安裝ONT設備，這樣ONT 設備能夠為該宿舍提供有線數據連接、無線數據連接。在工作區信息點的擴展上還能夠為學生宿舍提供了語音接口和視頻接口，為未來智慧校園功能擴展提供了如人臉識別考勤查寢、獨立宿舍廣播以及其他物聯網控制等豐富應用場景。

4.2 干線子系統設計實現

全光網采用了二層網絡結構，光纖傳輸距離長，不需要強電配套，同時免去了匯聚層設備，能夠使干線子系統的敷設變的簡單方便。干線的敷設在設計初應考慮使用多芯數光纜，以備學生公寓的未來擴展需要。從建筑群子系統到學生公寓區域，在學生公寓區域設置光纖分纖箱，可以取消各棟公寓的設備間子系統，在樓層區域的配線設備替換為光纖分光器。

4.3 中心機房設計實現

中心機房的采用OLT 設備（OLT 是全光網的局端設備，相當于傳統以太網的核心交換機或路由器支持IP 業務為ONT 分配帶寬，）作為全光網絡的核心路由設備與互聯網連接。可加裝防火墻及上網行為管理等設備方便對學生公寓網絡進行管理。

5 結論

綜上所述，基于全光網絡的技術成熟度高、維護方便、干擾小、布線距離長、壽命長、價格比銅纜低優勢，在高職智慧學生公寓的構建工作中可以起到很好的支撐作用，保證了學生對高帶寬的網絡信息需求，其易于擴展的優勢也為未來更加豐富的智慧學生公寓的智慧場景提供了各項基礎支撐，給學校和廣大師生帶來更好的網絡使用體驗和管理模式。學生公寓作為學生課外生活和線上學習的重要場所，全光網絡技術是學校對學生公寓網絡新建和改造的重要選擇之一。