“互聯網+義務教育”背景下學?；谌饩W絡的設計研究

◆胡赟 汪峰 呂德剛

“互聯網+義務教育”背景下學校基于全光網絡的設計研究

◆胡赟 汪峰 呂德剛

（中國電信股份有限公司浙江分公司 浙江 310000）

近年來興起的互動課堂、電子書包、VR教學等多媒體教學手段在全面推進“互聯網+義務教育”的建設過程中發揮著重要作用。多媒體教學有效地提高了教學水平、提升了教育質量，大力推進了優質基礎教育的均衡發展，因此進一步優化課堂信息化環境的需求勢不容緩?；谌獾木W絡環境可以實現高帶寬、低時延、配置靈活的接入能力，加快構建“互聯網+義務教育”信息化的有效實施路徑。以中國電信PON網絡架構為基礎，設計打造有效可行的全光網絡教室。

互聯網+教育；全光網絡；光纖進班；PON

黨的十九大以來，全國教育信息化進程實現了前所未有的快速發展，2019年國務院常務會議更是強調了推進“互聯網+教育”的重要性，加快建設教育專網，到2022年實現所有學校接入快速穩定的互聯網。從教育信息化1.0時代邁入2.0時代，意味著從原來簡單的寬帶到校，升級到了千兆光纖進校、百兆光纖進班的教育城域網階段，并逐步實現云上教育資源和教育專網的有機結合，助力學校將信息技術手段有效地應用到教學與科研之中。根據教育主管部門和學校對教學手段的要求，教育信息化2.0時代的網絡設計應滿足以下五個方面：

（1）大帶寬接入保障：為了提升各類多媒體設施的有效利用，實現遠程教育、互動教學、電子書包、VR教學等多媒體教學手段，需要為學校、班級提供大帶寬的網絡接入能力。

（2）專用網絡通道：學校師生的教學流量、互聯網訪問流量、辦公管理類流量需要分類隔離，以保障教育網絡的服務質量，實現專網專用，具備可管可控能力。

（3）多網互聯：安全有效地連接互聯網、教育網和教育云，為資源訪問提供便利。教育網內部實現班與班、校與校之間的高效互聯互通。

（4）教育資源上云：提供一體化的云網服務，實現簡單、快速、安全的云上資源訪問能力。

（5）安全審計及可視化管理：提供可靠的信息安全管理能力和統一的可視化管理能力，不但滿足統一認證和安全審計要求，同時對各類故障和安全事件的監測、管控，提供了協作的集成化環境和能力。

1 全光組網方案設計

PON是無源光網絡的簡稱，該技術的應用優勢主要體現在以下方面：通過PON技術的應用，能夠有效節約光纖資源；單點對多點的樹狀拓撲結構，使PON的服務區域實現擴大；可實現光纖及網絡設備等資源的共享，為用戶提供較高的帶寬[1]?；赑ON技術接入方式的高速網絡通道，可以保障每個班級的獨立帶寬接入，并且利用EPON/GPON技術可以實現光纖進班，提供千兆以上的接入能力。EPON技術和GPON技術均為PON技術的常見類型，二者的具體性能比較如表1所示：

表1 EPON技術與 GPON技術的性能比較[1]

從表1中可以看出，GPON技術在大部分性能參數上優于EPON技術，應優先考慮。從設備側選擇，OLT設備作為整個校園網絡業務匯聚和出口的核心節點，應選擇大容量、高性能的設備類型。ONU設備作為用戶側業務接入節點，應選擇具備豐富接口類型，能滿足多種業務類型接入的設備[2]在帶寬方面，建議普通班級接入上行50M，下行100M帶寬；多媒體教室接入上行100M，下行1000M帶寬；單校提供1G以上帶寬，采用10G PON口。在網絡設計上，要能提供可保障帶寬的專用通道，在接入層、IP骨干層、傳輸層采用相關網絡保障手段；要能提供多網接入功能，可同時訪問互聯網、教育專網和云資源，并提供網間互訪功能；要能提供云網一體服務，依托電信天翼云在各地的資源池，就近部署教育資源，也要能提供針對校園內部網絡的安全保障服務，包括訪問控制、上網審計、抗DDoS攻擊、網站完全防護等[2]設計的總體原則為接入段光纖帶寬不高于1000M需求，并具備未來平滑演進至XG-PON或10G EPON的能力，根據學校的實際需求和網絡資源情況，并通過VPN+QoS方式給予滿足，在利用現有PON端口資源開通教育專網時，啟用OLT切片功能，以保證教育專網與現有PON承載業務安全隔離，并實現PON系統資源的靈活調度、能力按需部署、個性化業務的開通和差異化運維管理。

在城域網部分，OLT匯聚后通過MSE/BRAS直連CR，CR直連Chinanet核心，實現扁平化組網，快速訪問互聯網。對于班級同時訪問互聯網和教育專網的場景，要盡量保證教學流量和公網流量的隔離，通過VPN+QoS方式或物理專線直連實現，根據賬戶屬性區分路由，在MSE/BRAS分配不同的私網IP地址，并基于源地址實現對訪問目的地的控制。

城域網網絡設計改造如圖1所示：

圖1 城域網網絡示意圖

具體業務流向說明：

（1）VPN方式訪問教育網業務流向：教室—OLT—MSE/BRAS—CR—教育網PE—教育網平臺。

（2）光纖直連方式訪問教育網業務流向：教室—OLT—MSE/BRAS—教育網平臺。

（3）訪問互聯網流向：教室—OLT—MSE/BRAS—互聯網出口。

（4）原校/班級訪問互聯網流向：原有教室—教育專網—互聯網出口。

對于班級訪問天翼云或第三方資源的場景，可采用云專網方案，該方案也可以同時提供訪問互聯網的能力，設計方案如圖2所示：

圖2 云專網方案示意圖

在接入網部分，教育專網采用GPON技術為主，EPON技術為輔，從教室終端開始，到互聯網出口或數據中心，全程網絡實現光纖連接，接入段最高可達1G帶寬，在有條件的區域具備平滑演進XGPON或10GEPON能力。在ODN建設的FTTH覆蓋過程中，分光點要設置在配線光節點（校園）、引入光節點（教學樓）、用戶光節點（教學樓樓層）中的兩個位置。根據接入帶寬需求和保證光功率（減小光衰）的要求下，GPON采用1：32總分光，EPON采用1：16總分光，并根據學校的大小和單層教室數量設置二級分光點。在OLT部分的大網接入模式下，通過新增板卡/PON口的方式實現教育專網和其他業務流量的隔離，采用OLT切片技術實現上聯端口在業務共享的情況下單獨承載教育專網業務。在校園地理位置集中、業務流量大的區域，PON OLT可以考慮建設集中專網，OLT可以部署在電信機房，也可以根據需要下沉到校園網內，同時滿足邊緣云、教育資源存儲在本地的業務轉發需求。

在終端部分，可考慮采用政企網關類產品，按需配置支持入云子接口、WiFi、VXLan、智能專網等功能，也可采用MDU型ONU形態。為保障對教室的集中監測管理能力，普通教室應不少于4個1000M端口，多媒體教室一般不少于8個1000M端口。WiFi應具備雙頻 11AC及以上接入能力，接入終端能力不低于40個，也可通過外接AP實現教室內部的無線終端接入，選擇具備POE功能的政企網關。具有電子書包應用場景的教室，應配置WiFi6接入能力，并適當外接天線進行布設。教室內的教學輔助設備，如電子黑板、教學主機、攝像頭等終端應通過有線網絡接入政企網關。

在網絡安全方面，根據不同的組網方式和需求，應該在教育專網和互聯網出口側集約部署上網安全審計設備集群，將雙向流量引入安全能力池，實現全流量的安全升級功能。同時，應向教育主管部門提供統一的可視化網絡運營管理平臺，以圖形、圖表方式呈現學校的網絡運行狀態、數據分析、上網行為管理等功能。

2 典型場景分析

場景一：已接入教育專網，需提升班級互聯網訪問帶寬。該場景下，需要保護原有網絡建設投資，保留原有網絡，新建全光網絡，滿足高速互聯網訪問、教育專網資源訪問和班級、校園間的局域網互訪。設計改造方案如圖3所示：

圖3 典型場景一設計改造示意圖

城域網建設主要包括對MSE/BRAS的改造和配置，開通專線與教育網高速對接，實現與原有班級、校園的互訪。

場景二：已具備互聯網專線接入，需新接入教育專網。該場景下，保留部分原有接入網中的局域網資源，采用光纖進班方式對其進行改造，使其滿足與原校園局域網間的互訪，兩張網均需要能高速訪問互聯網和教育專網。設計改造方案如圖4所示：

圖4 典型場景二設計改造示意圖

接入網采用PON技術進行全面改造，可以將原有網絡升級為專網。將校園網原出口改為PON接入方式，占用獨立PON口資源，原局域網地址可以保持不變，通過出口路由器進行地址映射訪問外部網絡。城域網可采用三層MPLS VPN、IPRAN專線等方式接入到云專網中。對MSE/BRAS進行改造和配置，以實現互聯網訪問，同時在MSE/BRAS同一下聯端口下，配置不同VLAN之間的互通，實現與原有校園班級之間的互訪。

場景三：校園局域網全部替換為光纖進班方式。該場景下，新建光網能同時滿足接入互聯網、教育網和云資源，并實現班級、學校間的互訪。設計改造方案如圖5所示。

接入網部分采用全部新建光纖進班，接入政企網關，如有邊緣云等個性化需求，OLT可考慮采用下沉到學校的形式。城域網部分通過MSE/BRAS改造，在城域網和CN2網絡上配置MPLS VPN，構建教育專網。云平臺以補點方式接入，在政企網關上配置互聯網和云專網子接口，實現多方同時訪問。

圖5 典型場景三設計改造示意圖

3 總結

由于應用規模和網絡復雜度的限制，本文僅在一定范圍內基于全光網絡進入班級進行了組網和場景設計研究，在實際應用中還有很多問題值得進一步深入剖析。本文提出的“基于PON技術的全光網絡”在滿足學校各種應用場景下，與互聯網專線、云專線、裸纖、MSTP、IPRAN等其他電路相比成本低、部署靈活，具有廣泛的應用前景和推廣價值，對提升學校信息化能力，推進基礎教育均衡發展，打造互聯網+義務教育起到積極的促進作用。通過對基于PON技術全光網絡的分析，初步探討了該組網設計模式的可行性和可靠性。

[1]霍偉.PON技術的光纖寬帶接入網規劃淺談[J].網絡安全技術與應用，2020（05）：22.

[2]尚逢亮，張靜.基于PON承載的智慧校園業務解決方案探討[J].光通信技術，2013，37（03）：41-44.