一種基于10G以太網無源光網絡技術的校園網絡優化方案

馬永新

(天津商業大學 天津 300134)

0 引 言

伴隨著整個社會信息化的高速發展，高校對于信息化的需求也變得越來越強烈，高校校園正在向著數字化、智慧化方向發展，校園用戶對于校園網絡的帶寬和穩定性要求不斷提高。在傳統的局域網(LAN)組網模式下，比較容易在匯聚節點處形成帶寬瓶頸，導致網絡不穩定，影響用網體驗，如果遲遲不能解決，可能會導致校園網用戶怨聲載道，甚至形成網絡輿情，一發不可收拾。為此學校網絡管理部門必須針對這類樓宇進行網絡改造，消除帶寬瓶頸，提升用網體驗。如何在最短的時間內，以最低的成本利用已有各類資源實現網絡帶寬的有效提高，成為迫切需要考慮和解決的問題。基于以太網技術的無源光網絡(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技術作為新一代的接入網技術，具有組網方式靈活、業務安全性高、傳輸距離遠及帶寬高等眾多優點，可以很好地滿足智慧校園各項業務接入的需求[1]。

1 PON網絡

PON是英文名Passive Optical Network的縮寫，即無源光纖網絡。PON技術是一點到多點的光纖接入技術，一個PON網絡包括一個安裝于中心控制站的光線路終端(OLT)，一批配套的安裝于用戶場所的光網絡單元(ONUs)，以及在OLT與ONU之間的光配線網(ODN)[2]，其中ODN包含了光纖以及無源分光器或者耦合器，而沒有其他貴重的有源電子器件。所謂“無源”便是指在光配線網中不包含任何有源電子器件或電子電源，全部都由光分路器等無源器件組成，如圖1所示。

圖1 PON網絡參考模型 Fig.1 Reference model of PON network

PON網絡系統由于使用單芯光纖進行信號傳輸，加上其多級分光的傳輸模式，使得所需光纖數量大為減少，甚至完全可以使用現有光纖進行改造。只需采購一定數量的PON設備(OLT+ONU+分光器)，而且PON系統的管理維護也比較簡單。另外，PON是一種純介質網絡，很大程度上能夠避免其他設備的電磁干擾以及雷電造成的影響，從而減少線路和設備的故障率，系統可靠性得到有效提高，同時也能節省維護成本。總的來說，同有源網絡系統相比，PON網絡系統具有節省光纜資源、帶寬資源可共享、節省機房和設備投資、系統安全性高、組網速度快、綜合建網成本低等優點[3]。目前，PON技術在運營商網絡中的應用已經比較廣泛，甚至可以說是占有絕對主導地位的網絡接入技術，說明該技術已經相當成熟，其優勢地位已得到了充分體現。

2 10G EPON

在PON出現至今的20多年發展史上，已形成了窄帶PON、APON/BPON、EPON和GPON等一系列產品。其中EPON，即基于以太網的無源光網絡，是光接入技術中的重要組成部分，具體特征為：一是采用以太網幀結構，與傳統以太網天然兼容；二是采用一對多的PON 網絡拓撲[4]。目前運營商網絡中正在大量使用PON 接入技術的標準主要為10G EPON標準和10G GPON(即XPON)標準。而其中10G EPON 技術作為下一代PON 技術中比較成熟的技術，在某些方面來說更符合現代社會對通信網絡發展的要求。因為它同時具備帶寬高、可支持分光比高、與EPON 天然兼容、可在原有網管基礎上平滑升級等優勢。由于10G EPON與EPON一脈相承，幾乎將上一代PON網絡的網速提高了10 倍，且與國內幾家主要電信運營商的寬帶規劃完美匹配，可支撐國內主要電信運營商中遠期網絡建設規劃目標的實現，也可以大力支撐通信運營商在互聯網數據中心(IDC)業務、政企客戶業務、家庭客戶等方面的持續拓展[5]，尤其適合用于光纖入戶(FTTH)的建網場景。正是鑒于它所擁有的這一系列優點，加上相比于傳統以太網造價更低廉且與以太網天然兼容的特性，使其成為校園網局部網絡改造過程中的一個頗具前景的選擇。

3 10G EPON在校園網改造中的應用場景

傳統校園網多采用以太網3層架構(核心層、匯聚層及接入層)，其中核心層設備一般位于中心機房，匯聚和接入層設備位于各樓宇內部，屬于典型的FTTB組網模式。隨著信息化的不斷發展，這種傳統的有源網絡逐漸出現了明顯的網絡吞吐性能瓶頸，這一問題尤其以上網用戶特別集中的學生宿舍區域最為明顯。

一般來說，學校范圍內不同的區域在建筑結構、網絡業務類型、帶寬需求等方面存在較大的差異，組網設計也需要根據不同特點考慮采用相應的方式以實現各類網絡業務的接入。校園學生宿舍區域屬于用戶密集型區域，同時存在用戶并發數大、帶寬需求高、忙時流量集中等特點，而且有相當一部分經常使用實時性業務(視頻、游戲等)的用戶對于網絡質量的要求比較高，傳統以太網難以完全滿足用網需求。可以選擇的組網方式有光纖到樓道和光纖到房間2種模式：對于新建宿舍樓或網絡改造難度較小的舊宿舍樓，比較適合采用FTTH的組網方式，使用該方式組網的安全性更好、帶寬更高，可以更好地滿足當前及今后各類網絡業務應用的需要；而對于樓內布線改造難度較大、改造時間和預算較為緊張的老宿舍樓，根據已有線路資源情況更適合采用光纖到樓道(FTTB)的組網方式，該方式可以很好地利用原有線路，快速實現各類網絡業務的提供。下面將以學校某宿舍區域的校園網絡改造過程為例，說明在校園網優化工作中的方案選擇及方向。

如圖2所示，本校園網優化方案涉及的學生宿舍區域一共包含1300余間宿舍，每間宿舍4個以太網口，共有超過5000名校園網用戶，141臺接入設備，5臺匯聚設備，也就是說平均每臺匯聚設備需要承擔約28臺接入設備的上行流量。而配置的交換機(包括匯聚交換機和接入交換機)為千兆交換機，同時又受限于當前的光纖資源，該區域網絡狀況只能是1G(接入層)或者2G捆綁(匯聚層)上行，接入交換機以4～5臺堆疊的方式、24～48口混堆，每一組堆疊的交換機接口數量在150個左右，顯然這是一種典型的FTTB組網模式。

圖2 優化前網絡架構 Fig.2 Network architecture before optimization

而當前的網絡應用多以云端為主，并且這些網絡應用大部分對帶寬需求比較高，如視頻點播、直播等。加之高清視頻、內容加速系統等的應用推廣，使得用戶在校園網內獲取資源的速度可以很快，快到基本上可以將用戶側帶寬跑滿。這就使得該區域經常會出現很多校園網用戶反映網絡頻繁掉線的問題，網絡使用高峰期情況更甚。經技術人員深入現場仔細查看分析，確定問題確實普遍存在，進而分析得知出現該問題的根源就是網絡帶寬瓶頸，尤其是在匯聚交換機側的瓶頸問題。

從圖3可以很直觀地看出，該區域的每一臺匯聚交換機需要提供5～6組接入設備堆疊組的上下行數據處理能力，假設每個堆疊組的上行線路利用率達到100%，則需要匯聚設備具備10～12G的上行速率才能保證所有數據連接能順利通行，而實際上每臺匯聚交換機的上行帶寬能力僅為2G，其能力顯然不能滿足高峰期網絡數據的連接需求，所以才導致前面提到的經常掉線的問題。

圖3 網絡瓶頸示意圖 Fig.3 Sketch map of network bottleneck

綜上所述，該宿舍區域的網絡改造勢在必行。除了前面提到的PON方案，還有一個當時比較流行的備選方案，即扁平化網絡改造方案。簡單說就是拋棄原來的匯聚交換機設置，讓接入交換機直接上聯到數據中心機房的核心高速交換機。扁平化網絡改造方案有其較為明顯的優點，尤其是能夠比較好地解決匯聚設備的帶寬瓶頸問題，但這種方案的一個更明顯的缺點也是眾所周知的，那就是造價昂貴，施工復雜。因為這種改造方案會涉及到大量核心高速交換機及其板卡的采購和光纖鏈路的布放工程等，而且，結合當時學校的網絡建設特征來看，校園網絡基礎建設已基本成型，新敷設光纜難度較大，造價高，時間長，且會對學校現有路面和建筑內部造成破壞，影響在校師 生的正常工作生活。因此，需要盡量使用校園網絡中現有的管線和光纖資源進行改造。

正是由于以上的種種情況，經過學校信息化部門的綜合考量以及調研，決定嘗試引入前文提到的10G Epon技術對校園網進行區域性的改造。具體改造方式為：將原有的匯聚設備抽離(可作為其他區域網絡建設和改造工程利舊使用)，在核心交換機和接入交換機堆疊組之間部署10G EPON相關設備和鏈路，即OLT、ONU等，如圖4所示。在這樣的情況下，同樣是5～6個接入交換機堆疊組上行鏈路能夠得到的理論帶寬支持能力達到10G，相較于改造前的方案有很大的提升，如圖5所示。

圖4 10G EPON網絡改造方案拓撲圖 Fig.4 Network optimization scheme topology with 10G EPON

圖5 優化前后帶寬保障情況比較 Fig.5 Comparison of bandwidth guarantee before and after optimization

通過優化改造，除了能夠在很大程度上解決帶寬瓶頸問題之外，基于10G EPON技術的校園網改造方案還有如下好處：

①從物理上實現扁平化，所有匯聚的區域全部變成無源的光器件，大幅降低了設備的配置和維護工作量，也減少了故障點數量和故障發生的概率；

②實現端到端的管理，ONU基本零配置，大部分配置在OLT上完成，且配置完后基本不需要調整，也從另一個方面減少設備維護工作量；

③占用的光纖芯數更少了，原本每臺匯聚設備需占用2芯光纖，使用10G EPON方案后變成1芯，節省下來的光纖可供備用鏈路使用。

4 結 語

本文所描述的校園網絡優化方案目前已經落地實施，并經過了幾年的使用驗證，帶寬保障效果顯著。自從方案實施以來，該區域校園網用戶幾乎沒有出現過類似之前的網絡頻繁掉線的情況，也極少出現 其他需要赴現場處理的設備或鏈路相關問題。通過流量監控平臺實時監控也能看出，相應區域的上行鏈路實時和平均流量較改造之前均有明顯提升。實踐證明，10G EPON的技術方案在校園網改造中具有很好的實踐意義。■