全光网在校园网建设中的应用

宋 强

0 引言

校园网的建设，是将各种不同应用的信息资源，通过高性能的网络设备相互连接起来，形成校园区内部的 Intranet系统，对外通过路由设备接入广域网。

现代校园网的建设，需要以计算机辅助教学、办公自动化、现代计算机校园文化为核心，现代网络技术为依托。不单单局限在数据网络的连通上，同时也包括了学校公共广播、安防、一卡通、有线电视等诸多系统的应用。覆盖全校，能够将校园的教学、科研、办公、生活、服务、对外交流等，都在校园网上完成。随着数字化进程的不断推进，各种弱电系统，通过统一的校园网实现应用和管理成为大势所趋。

学校要跟上时代发展的脚步，需要建设现代化的数字网络环境，逐步完善数字教学环境，数字管理和工作环境，实现数字化学习、教育、数字科研和管理。要实现这个目标，必须要使网络平台具备高效数据兼容能力和交换能力，基础网络建设则是其中的重中之重。

1 全光网打造全新校园网络

传统校园网建设中，注重的是网络数据的传输，很多学校采用传统的三层架构来组建校园网主干，主干带宽达到千兆或万兆。到用户终端采用超5类或6类线缆，用户端带宽达到百兆或千兆。校园网建设方式，往往采用分步实施的方式，各子系统随着科技逐步充实到校园内。因而传统校园网结构层次复杂，由于子系统众多，会有很多异构子系统连接在网络中，异构系统之间的数据资源共享及交互操作难度较大，降低了系统的有效管理，这成为传统校园网建设方式一直难以解决的问题。

在校园网络的建设中，主干网选择何种网络技术对网络建设的成功与否，起着决定性的作用。选择适合学校网络需求的先进网络技术，不但能保证网络的高效性，还能保证学校网络系统的扩展性和先进性，使学校能够在未来向更新技术平滑过度，保护学校的投资。

而全光网能够很好地解决校园网建设中的问题，它具有广阔的应用前景，实现网络平台的高效、可靠、安全的目的，最重要的是可以扩展，并具有分步实施、滚动发展的特性，全光网架构，无疑能够成为校园网基础建设的新思路。

2 全光网在校园网中的应用形式

全光网络最大的优势在于其具有高传输能力、高处理能力、强抗干扰能力，在可以预见的将来，它将成为主流的网络构建方式，成为数据传输干线的首选技术。其交换形式可分为3种类型：空分光交换、时分光交换和波分光交换[2]。

全光网结构相对比较简单，光器件可以大量采用无源设备，具有较好的可靠性，减少通路中的光电转换，网路中沿途没有光电转换与存储，可以在很大程度上减轻学校在设备维护上的人力和资金投入。

可扩展性好。可以在不影响原有的网络结构和网络设备的情况下，对网络节点进行扩展，在网络规模和应用扩大规模的时候降低网络改造成本，网络升级可扩展用户数量、网络容量、应用种类等，有助于学校分阶段升级扩展。

传输透明性强。全光网能够依据多种协议提供业务，以波长选择路由，数据从源到目的传输始终在光网内，不需要进行多次的光电转换，可以不受限制地为学校提供端到端业务。

网络健壮度高。能够实现快速的自动网络恢复，恢复时间短至100ms。这样的恢复速度，能无损于绝大多数业务的进行，增强学校各种应用运行的可靠性。

组网灵活性高。可根据学校各种应用的增加和减少，动态地改变学校的网络结构，也可以为突发的应用提供临时连接，充分利用网络资源。具有网络可重组性。

业务扩展丰富。全光网提供多种宽带信息业务，包括数据、音频和视频通信，主要是传统数字信号业务、模拟信号业务、用户需要光接口业务。这些业务涵盖了局域网的互连、多路数字电话、以太网、数据专网、闭路电视（CATV）节目的多路传送、视频工作站、大规模数据库和多路高清晰度数字电视等。

这几种应用形态都是校园网内主要的应用形式，全光网的建设，实现覆盖整个校区网络贯通，完全能够满足大型校园多种类型应用的需要，并且能够充分发挥全光网的带宽和速度优势。所以，对学校光缆主干的设计，将考虑到未来数据传输交换的趋势，选择合理的系统结构，在满足用户目前需求的基础上，将来也能够快速而简便的升级到 SDH、DWDM等更先进的数据交换架构，适应技术不断的发展。为学校提供快捷、开放、易于管理的语音、数据、音视频等多业务信息基础传输平台。

3 全光网的校园网应用实例

上海某高校校园网，主要设计意图体现在满足以下几个方面的基本要求：整体规划安排；先进性、开放性和标准化相结合；结构合理，便于维护；高效实用；支持宽带多媒体业务；能够实现快速信息交流、协同工作。

对于学校来说， 校园网作为一种长期的投资，不仅要容纳网络中当前的用户及功能，而且还应当为网络保留至少3-5年的可扩展能力，保证满足 5～10年内进一步提升网络带宽的要求，以适应未来网络技术发展和网络应用对传输速率的要求。

通过对学校校园网的建设需求、应用功能的分析，结合学校的投资预算以及未来的发展要求，我们对于该项目校园网的建设提出了：初期搭建校内全光主干网络架构，后期逐步完善系统中间设备，采用环形+星型拓扑结构，预留系统升级空间的建设新思路。数据传输上以数字与模拟信号相结合的方式为主，逐步向全数字化传输方式过渡。

采用这种建设校园网建设思路，可以在有限的预算框架中，最大限度地满足学校在建立先进平台结构的基础上，兼顾其他信息子系统的数字化要求，并且为将来逐步提升整体系统的性能和应用范围，打下良好的基础。

3.1 网络拓扑构造

根据学校的现状和需求，设计了“两主两副”的网络核心节点，新老校区各自设置核心机房，分别设在老校区活动中心和新校区教学楼，另外在 POP机房及安防中心设置副节点。4个节点之间采用两根40芯单模光缆，两根光缆分别走不通的管道路由。新老校区主机房之间，另采用两根 40芯单模光缆连接。行政楼、食堂、宿舍、教学楼、实训楼等单体用光缆接入各自临近的核心机房。以此形成了核心间为环形，单体到核心为星型的网络拓扑结构，如图1所示：

图1 网络拓扑结构

采用此种拓扑方式，可以充分挖掘光纤的带宽潜力，极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适合未来高速宽带通信网的要求，而且与现有的通信网有较好的兼容性。主干采用大芯数双光缆方式连接，保证了系统的基础容量，分管道敷设的方式，使室外施工挖断光缆而导致系统瘫痪的可能性大为降低，从而增强了整体网络的强壮程度，使得网络主干具备自愈能力，这种保护机制可分为 3种结构：单项WDM通道保护环、四纤WDM共享保护环和两纤WDM共享保护环[3]。通过光自愈保护环，重要的系统运行不会因为线路的原因轻易中断。

项目中采用的环状中心网络结构，符合下一代通信网络SDH、DWDM、全光网等的需要，只要简单的增加或替换设备，即可完成学校通信主干的升级，提供更高速、高带宽的服务。

学校核心机房间采用核心环状拓扑结构，新校区各建筑内的卫星/有线系统和视频监控系统可以在新建行政办公楼的机房内，方便地通过光跳线跳接的方式，将信号分别与位于老校区的电视机房及监控机房完成传输。老校区各建筑内的监控系统，同样采取光纤跳接的方式与监控机房连接。这种方式相比较星型拓扑结构，大为减少了校内光缆的敷设长度和中间设备的数量。管理上也更趋于集中，管理人员在机房即可方便地完成系统的管理工作。，如图2所示：

图2 校园网核心环状结构

3.2 光缆的选用

对于校园全光网光缆的选用，方案的设计中，重点分析了学校的应用需求以及多模光缆和单模光缆的光学特性、性能表现、系统成本等多个方面的因素。

从分析来看，单模光缆能够较好地适应大容量数据长距离传输的要求，由于校区面积较大，采用多模光缆不能满足校内长距离万兆主干带宽信息传输的需要，而光纤网络跳接转换的要求，使得校内光纤能够统一类型，从而满足无缝跳转的要求。

对于单模光缆的选型，我们选用了 LEAF（Large Effective Area Fiber）单模非零色散位移光纤，这种光纤在1550nm窗口下工作；与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大功率承受能力，适于组成全光网络的掺饵光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。

3.3 网络攻击检测算法

由于该学校的特殊性质，对于网络安全性有较高的要求，全光网中的网络攻击的检测得到很高的重视。我们通过分析，认为全光网络中的攻击主要有两种类型：窃听和服务破坏。而适用于全光网的攻击方法常见的有3种：窃听、带内干扰和带外干扰攻击。

为解决学校对于网络攻击的忧虑，我们选择了参数比较法作为网络攻击检测的手段。

参数比较法基于被检测设备的输入、输出端信号，该信号应满足一定的数学关系。从器件的两端检测用于比较的光信号，其中提取的输入端信号加上被检测器件的固有延时r，然后将光信号通过光电转换后变成电信号，再通过参数比较得出输出函数C。

根据需要比较的参数类型(波长、相位、光信号的幅度等)以及被检测设备的固有特性，在普通运行的情况下，输出函数C=f(S1…Sn，R1…Rn)，作为输入和输出信号的复合函数，一旦有攻击存在时，输出函数C'=f'(S1'…Sn'，R1'…Rn')将产生变化。将C'和C比较，超过设定的阈值，说明产生了网络攻击行为，系统及时将攻击行为反映给网管，由网管进行处理，如图3所示：

图2 校园网攻击检测示意图

这种方法不涉及被检测设备的结构改变，也不涉及传输链路的比特率。但是检测过程中涉及光电转换，所以检测效率和光电转换时间有很大关系，而且同时要提取输入输出信号，会部分影响到信号功率。

3.4 系统过渡升级规划

学校目前在网络中运行的应用主要有专网系统、教科网系统、卫星/有线电视系统、视频监控系统、一卡通系统、会议系统远程音视频互传，以及多个楼宇间信息主干采用光缆信号传输的方式。不但实现了大量数据快速稳定的传输，而且能够轻松实现多个应用的物理隔离，使专用网络数据能够得到更高的安全保障。

同时，学校的网络需要的是面向未来的网络系统，需要在光纤构建的信息传输平台上，完成更多业务通信的需求。而在全光网中间设备上，设备厂家不断推出 WB、WSS等具有配置能力的功能型器件，使得全光网能够更快更有效地投入校园网的使用成为了可能。

与过去所使用的空分光交叉矩阵相比，新型器件的扩展性更好，而且成本低廉，提供更多的可配置性。采用这些器件能够使网络能根据应用的需求不断扩展，逐步向全光网的过渡，促进了全光网在校园网中的全面应用。

预计学校的网络应用的数据量将在3～5年内达到3倍左右的增长，学校也在信息化远景规划方案中提出：在 5到10年内，基于现有的网络基础平台，逐步更新升级光纤网络中间设备，进一步提高校园网络主干及终端数据传输速度及应用性能，将更多的信息化系统，完成数字化改造并纳入该网络平台。

4 全光网应用中需注意的问题

管理问题。目前该高校项目全光网络并非做到整个网络的全部光学化，而是主干信息流在传输和交换过程中以光数据传输的形式存在。对于学校来说，如何进行不同传输介质网络的管理，如何通过软件来对光网上的各种器件及设备进行管理，还是个空白。这在一定程度上，加大了管理人员的专业性要求和工作强度，降低了学校对网络平台的控制。

发展问题。全光网中的光网络传输标准还在完善过程中，光器件设备及中间件的大规模商用化还需推进，而光元件的技术发展速度还需观望，这些因素限制了校园网向全光网迈进的步伐。

故障问题。故障的定位在光网络中是一个难点，通过物理检测方法和光学检测方法，都难以准确反映网络故障的起因和故障位置。在故障管理技术有突破性进展之前，培养经验丰富的专业网络管理人员还是十分必要的。

成本问题。全光网中多业务并行还会产生波长阻塞的问题，解决这一问题必须配置冗余波长转换设备，在波长转换技术取得完善之前，学校在组建全光网络时，还必须考虑到设备成本的投入。

5 结束语

全光网作为光通信技术发展的最高阶段，随着光通信技术的发展，特别是高密度复用技术、光监控技术、长距离超长距离传输技术、全光波长转换技术、光交换交叉连接技术等的发展，全光网最终也会走向成熟；全光网在校园网中的应用也将越来越普遍，特别是对于校园面积较大、校园应用广泛、带宽及系统要求较高的高等院校来说，全光网具备更加显著的实用意义。

在不久的将来，随着光存储、光计算、光交换、光多路复用解复用器件技术的不断发展，光分组光包突发交换技术，将会引领校园全光网走向一个全动态的数字全光网，校园网的建设将迎来新的高潮。

[1]张海懿 100Gbit/s光传送技术的发展，[j]北京《通信世界》

[2]罗志诚 试论光纤通信技术的发展，[j]北京《科技资讯》2009年(第3期)

[3][李卫 全光网络中攻击的检测与定位 [j]陕西《现代电子技术》，2008年(第15期)