高校學生公寓網絡建設方案設計實例研究

摘? 要：隨著信息技術的發展和高校智慧校園建設的推進，高校園區網中承載業務越來越豐富，傳統以太網絡架構的各種弊端開始逐步顯現，校園網網絡建設面臨著新挑戰。基于PON技術的POL出現給智慧校園建設帶來了新的契機。全文分析和研究以太網架構下校園網運行狀況，以實際案例探討了智慧校園場景下學生公寓全光網絡覆蓋的設計方案。

關鍵詞：POL;PON;XGPON

中圖分類號：TP393.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0063-05

A Case Study on the Design of the University Student Apartment

Network Construction Project

——Take Hubei University of EconomicsStudent Apartment Network Construction as an Example

YAO Shengjun

（Hubei University of Economics，Wuhan? 430205，China）

Abstract：With the development of information technology and the advancement of the construction of smart campuses in colleges and universities，the carrying services in the campus network of colleges and universities are becoming more and more abundant. Various drawbacks of the traditional Ethernet network architecture are beginning to appear gradually，and the construction of campus networks is facing new challenges. The emergence of POL based on PON technology has brought new opportunities to the construction of smart campuses. The full text analyzes and studies the operation status of the campus network under the Ethernet architecture，and discusses the design scheme of the all-optical network coverage of student apartments in the smart campus scenario with actual cases.

Keywords：POL;PON;XGPON

0? 引? 言

高校園區網經歷了由數字校園向智慧校園演進，傳統的以太網技術現階段已不能很好適應多業務、多終端、移動化的特點。傳統網絡在運維管理和升級改造中也存在線路老化、故障點多、承載空間緊張等缺點。為了解決這些問題，高校園區網絡建設中開始引入全光園區網（Passive Optical LAN，POL）網絡技術。

1? 現狀

湖北經濟學院（以下簡稱經濟學院）校園網經過多年的持續建設，已經完成了校園有線網絡和無線網的全覆蓋，形成了一卡通專網、安防專網的多張業務網并存的局面?，F階段學校校園網在運維工作中主要面臨以下三方面的問題。

1.1? 多網并存

由于網絡建設周期、業務需求和職能部門的不同，經濟學院校園網中有線網、無線網和安防監控網、一卡通專網等多張業務網獨立運維。業務網絡煙囪式重復建設，導致網絡設備和鏈路的利用率普遍不高;部分樓棟存在主干纖芯資源爭用的情況，無法保證上行鏈路的冗余，網絡穩定性得不到保障。

1.2? 運維工作量大

學校校園網雖然已經完成了用戶網的大二層扁平化改造，但各業務子網還是采用傳統的三層網絡架構，易生成環路，引起廣播風暴，也容易發生網絡攻擊，影響網絡的穩定。因網絡資源的受限，部分樓棟業務專網復用用戶接入網，導致設備配置多樣化，管理和維護工作量巨大。

1.3? 改造升級困難

校園網樓棟內采用傳統的銅纜鋪設，存在傳輸距離有限、抗干擾差、易氧化等諸多弊端。同時銅纜占用空間較大，網絡改造時往往受弱電橋架和管線空間的限制。另外銅纜還存在不易鋪設，中間有源節點多，故障率高、無法完全做到端到端的集中式網管等問題。

2? 建設目標

智慧校園學生公寓網絡的建設的總體目標是：滿足該區域內師生學習、科研和生活等方面的用網需求，建成一張特色鮮明、符合學校發展的園區網絡，為社會培養“有思想、有能力、有擔當，實踐、實用、實干”型人才，為學生提供更好的學習經歷營造良好的網絡環境。智慧校園學生公寓網絡建設目標如圖1所示。

作為智慧校園的重要組成部分，學生公寓網絡需構建成一張“有線、無線網絡與業務專網融合、一體化認證、多業務承載、高帶寬、大范圍覆蓋、安全可信”的新一代校園網網絡。

2.1? 高帶寬大容量

為保障學生在公寓內每個區域的流暢上網需求，有線、無線統一出口，公寓的出口網絡需高帶寬大容量。本著科學設計、合理部署、降低安裝工作量與維護點的原則，合理部署各區域設備類型與數量，實現萬兆到骨干、千兆到桌面的網絡覆蓋方式。

2.2? 多網融合

使用一張網絡同時承載用戶有線、無線網絡與各業務子網，高效利用網絡資源，節約網絡投資。合理設計網絡的架構，保障網絡的穩定性，方便網絡的升級和擴展。

2.3? 安全可靠

設計時充分考慮網絡匯聚層、接入層的冗余度，降低鏈路故障和設備故障對用戶用網體驗的影響。同時網絡應具有較強的抗干擾、防雷能力。

2.4? 簡化管理

通過統一的入口監控設備運行狀態和網絡鏈路狀況，能及時對網絡故障進行預警。確保網絡設備的配置統一，做到即插即用;減少網絡鏈路上的故障點，減輕網絡運維工作量。

3? 網絡選型

網絡作為學生公寓的一項關鍵基礎設施，建設的好壞對提升學生公寓服務水平和學生學習經歷體驗有著至關重要的作用。

3.1? 組網方式

POL是一種新型的園區網組網方式，近兩年在高校開始蓬勃發展，POL是基于PON技術的新型局域網組網方式，優化了局域網的基礎布線和網絡結構，網絡結構更加扁平和簡潔。POL網絡具有大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優點。PON技術與以太網技術的對比如表1所示。

圖2為以太網組網方式的傳統網絡方案和POL組網方式的全光園區方案拓撲對比，圖中可以看出，POL組網方式為經典的二層網絡架構，省去了中間的匯聚層設備，除了局端OLT設備和用戶側ONU設備需要供電外，中間環節均采用無源設備，抗干擾強，維護簡單。

在學生公寓網絡設計中，從建設成本、施工工期、運維管理和升級擴容等方面進行比較，可以得出在智慧校園場景下采用POL全光方案是當前建設學生公寓網絡較理想的選擇。

3.2? 網絡協議

POL網絡架構基于PON技術可分為GPON和EPON兩種技術路線，其技術演進路線如圖3所示。其中，XG-PON為非對稱模式10G-GPON;XGS-PON為對稱模式10G-GPON;NG-EPON（Next Generation EPON）也稱為下一代EPON技術;而下一代GPON技術有可分為WDM-PON（Wavelength Division Multiplexed PON，波分復用）和TWDM-PON（Time and Wavelength Division Multiplexed PON，時波分復用PON）兩種技術，相關技術參數如表2所示。

通常學生的網絡的流量特征是下行需求遠高于上行需求。在學生公寓網絡需求中僅有少量業務如安防監控、一卡通等需占用一定的上行帶寬，而用戶用網需求中絕大部分為下行需求。綜合建網的費用、學生公寓用網需求和后期網絡升級擴展考慮，使用XG-PON（非對稱10G-PON）技術是性價比最高的一種方案。

3.3? 分光比

全光網絡規劃中分光比是需要考慮的一個重要因素，它直接關系著用戶的用網體驗。表3是XGPON分光后上下行帶寬統計表。

如表3所示，分光比是2：16時，分配到每臺ONU設備的非共享上行帶寬為156 M，下行帶寬為625 M;分光比為2：8時，分配到每臺ONU設備的非共享上行帶寬為313 M，下行帶寬為1 250 M。

學生公寓平均每間宿舍4人，網絡規劃及設備選型時可以配置4端口XG-PON ONU設備。綜合學生用網的共享比，可以看出學生公寓宿舍內是使用2：16的分光比較理想。而公共區域無線覆蓋使用2：4的分光比，每個ONU帶寬可用帶寬為2 500 M，能輕松承載WiFi6的無線AP，可帶來很好的無線體驗。

4? 詳細設計

學生公寓網絡建設總體架構如圖4所示，該設計方案通過全光網絡實現了有線、無線網的一體化覆蓋，同時也承載了一卡通、監控、智能門鎖、通道閘機等業務網絡的各類啞終端。該方案既避免了各類業務網絡煙囪式建設重復投資，又方便網絡的維護和管理，便于后期擴展與升級。

4.1? 骨干層設計

OLT上行用8條萬兆鏈路采用鏈路聚合的方式與認證網關相連，雙向鏈路轉發檢測（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）實現上行端口的保護和流量突發的應急保障。BFD可以實現故障的快速檢測，實現電信級的保護倒換。OLT到主備網關分別啟動BFD、主備網關間也啟動BFD。BFD檢測結合VRRP+、VRRP、Smart Link、OSPF等保護方案，可以實現50 ms的故障倒換，滿足電信級業務開展的要求。

4.2? 分配層設計

分配層的設備用來轉發本區域用戶到其他區域用戶的橫向流量，同時發送本區域用戶流量到骨干層。分配層將大量用戶接入到互聯的網絡中，模塊化擴展接入骨干層設備的用戶數量。分配層具有高帶寬、高端口密度、高轉發性能等特點，用于支撐該匯聚層下各業務部門之間的流量。

全光園區網的分配層由ODN（光分布網絡）和OLT（光線路終端）組成。其中ODN網絡P2MP、無源的優勢相比傳統網絡大大簡化了網絡架構。園區網絡需根據用戶性質、用戶密度的分布情況、地理環境、管道資源、原有光纜的容量等多種因素綜合考慮選擇合適的結構和配纖方式。

OLT設備上行接口可采用4個10GE捆綁，上行到骨干交換機，下行接口可采用XG-PON下行接入ONU或ONT。部署期間匯聚OLT的所有關鍵硬件做到冗余熱備，保障匯聚點99.999%的可靠性。具體冗余配置如下：

（1）采用OLT雙設備支持Type B雙歸冗余保護，保護主干光纖和設備異地容災;不需要OLT冗余的場景，可以考慮部署Type B單歸保護;

（2）OLT主控板冗余備份：系統配置雙主控板，保證主用主控板故障時，備主控板可以保證業務不受影響。

（3）OLT電源板冗余備份：系統配置雙電源板，保證主用電源板故障時，備電源板可以保證設備正常運行。

（4）OLT上行冗余備份：系統配置多個上行接口，上行接口通過LACP進行聚合。當主用上行口故障時，可以通過備用上行口上行。上行接口保護對實現端口故障檢測、保護倒換和業務恢復。

OLT PON口和分光器之間的光纖鏈路使用Type B雙歸屬技術進行鏈路保護。Type B保護雙歸屬主要對OLT、OLT PON口和主干光纖鏈路進行保護，當OLT、OLT PON口或光纖鏈路發生故障時，可以自動切換到另外一個OLT、OLT PON口所在的光纖鏈路。

4.3? 接入層設計

接入層是最靠近終端用戶的網絡，為用戶提供各種接入方式，一般部署二層設備，雙歸屬接入分配層的匯聚OLT。接入層除了需豐富的二層特性外，還需具備部署簡單、安全可靠等特性。學生公寓網絡需滿足如下場景：

（1）學生宿舍、值班室生活網絡接入;

（2）安防監控、一卡通業務網絡接入;

（3）智能水表、門禁、智能電表、門鎖智能網關等物聯網設備接入。

4.4? 無線網絡覆蓋

移動終端在網絡中的占比越來越大，以我校為例有接近85%的網絡用戶使用無線終端上網。在學生公寓網絡設計過程中，要充分做好無線網絡的覆蓋和持續優化。本次設計中每個學生宿舍內使用面板式AP覆蓋;室內公共區域通過放裝AP覆蓋;室外公共區域可采用立桿承載室外AP覆蓋。所有AP通過無線控制器統一管控，做好持續監控與優化。

5? 結? 論

采用POL全光網絡覆蓋可有效簡化網絡結構，方便網絡擴展，做到極簡運維、平滑升級、節能降耗、安全可靠。在智慧校園場景下，采用POL建設基礎網絡不失是一種較為可行的網絡建設方案。但是，現階段各廠商POL產品不能很好地兼容，部分廠商受美國制裁相關產品延續性得不到保障，因此，在POL全光園區網絡建設中要綜合考慮多方面因素。

參考文獻：

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作者簡介：姚圣軍（1979—），男，漢族，湖北天門人，網絡管理部工程師，網絡規劃設計師，研究生，研究方向：網絡安全、基于數據挖掘的網絡行為分析、分布式數據庫。