基于校园网的PON网络应用

郑宇鸿

摘要：光纖接入是互联网新的重要的发展趋势之一，它的低成本高带宽的特点使各大院校纷纷引入应用。本文解释了什么是PON网络及它的特点，并以校园网使用GPON网络接入作为典型案例，围绕PON网络在校园网建设中的应用展开研究分析，找出一条有效的PON接入策略，构建校园“光接入”网络环境。

关键词：PON接入技术；网络；GPON；应用

引言

考虑到高校中越来越大的带宽需求和更多的宽带应用，更多的院校注意到校园网接入层带宽对整个校园网使用的影响，认识到早期校园网组网方式存在的“瓶颈”。目前，与接入层网络的连接，光纤接入是最好的选择，是迄今为止最好的传输媒介。它将带来生活方式、生产方式和商业模式的根本性改变，光纤网络的组网接入将成为当前网络接入的热点。正因如此，光纤接入是目前最行之有效的接入方式，光纤网络接入逐渐引起各高校的注意，而随着教育信息化的进一步发展，各高校对互联网带宽的要求仍会不断提高。

1.PON接入技术

PON（Passive Optical Network）是一种点到多点（P2MP）结构的无源光网络，PON属于纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，能适应各种自然条件。PON接入技术是接入网目前发展的方向，一方面是由于PON提供的带宽可以满足现在和未来多种宽带业务的需要，另一方面，无论在设备成本还是运维管理开销方面，其费用都较低，综合经济分析表明，目前PON是实现FTTB/FTTH的主要技术。GPON（Gigabit Passive Optical Network）是PON技术中的一种，是由ITU-T G.984.x系列标准定义的千兆比特PON技术。

类似于PON的网络结构，GPON也是由放置在局端用于联接PON协议的OLT汇聚设备、位于用户侧以提供接口的ONU设备，以及在两者之间提供无源光通道的ODN设备组成。中间的光通道由无源器件组成，故障率低，可靠性高，节省了大量户外设备的维修费用。

GPON技术相比其他PON技术具有以下优点：

（1）传输距离更远：由于采用光纤传输技术，接入层覆盖的物理距离至少为20km，最大理论覆盖半径可达60km。有效的解决了铜缆接入距离和带宽的矛盾。

（2）带宽更高：每个端口的最大下行速率为2.5Gbit/ s，最大上行速率为1.25Gbit/ s。满足用户对高带宽服务的需求，如HDTV、直播等。

（3）QoS（Quality of Service）提供灵活的全业务体验，GPON能同时承载ATM信元和GEM帧，有很好的服务等级，支持QoS 保证和全业务接入的能力，针对不同的业务提供响应的Qos保证，提供区分用户和用户业务的流量控制，保证多用户的多业务带宽，为不同的用户业务提供差异化服务。

（4）分光特性：局端单根光纤在光分裂后，可以对应多根光纤到用户侧，支持的最大分光比为1：128，节省主干光纤资源，降低运营维护成本。

（5）支持全业务：包括语音（TDM、SONET/SDH）、PDH、以太网、ATM、使用GEM 承载各种用户业务等。

2.PON网络技术在校园网的应用

济南大学是较典型的使用GPON接入方式改造的校园网。随着济南大学网络规模的不断扩大和学生数量的不断攀升，大学的现有网络设备已经远远跟不上广大师生的需求，为了解决这一问题，让广大师生拥有一个更好的网上学习环境和通讯环境，因此学校决定对校园网的网络进行升级改造。整个工程计划通过GPON方式接入，提升学生外网访问感知，并更好的兼容校园内网的接入。

该校分为东校区和西校区，校园网的改造使用GPON接入方式，替换原有二层交换机组网。整个组网使用GPON+PTN混合方式接入，实现校区内FTTB宽带接入全覆盖。并与客户校园内网互联，实现校园网的网络融合服务。

济南大学校园网的网络改造计划新增151台24口ONU设备和208台16口ONU设备，通过院校光交内新增的分光器，联接济南大学西校区图书馆机房内的新增的2台OLT设备。OLT通过2个10GE光口上联西校区图书馆机房的BRAS设备，向上经传输网络接入波分设备，通过本地网波分上联最终接入万维网。在院校BRAS设备新增端口，划分单独VLAN用于跟用户校园网络对接，实现与校园网的互通。

3.PON系统内带宽测算

在对PON口下行容量计算时，主要需要结合大学的用户业务的带宽需求来估算可以通过PON端口访问的用户数量。为了确保每个服务的正常使用，业务所需的总带宽必须小于单个PON端口提供的带宽上限。根据高校的实际情况，按公式计算分析了用户的上限。当单个端口用户的数量超过阈值时，需要将新的端口添加到应用中。

（1）PON系统内带宽测算

PON系统内带宽=客户用户数*单户预留带宽*并发率+无线热点数*单热点预留带宽*并发率+其他专线数*专线预留平均带宽*并发率

根据前期数据规划，高校用户按照20M高速上网，故上述公式可简化为：

PON系统内带宽=客户用户数*单户预留带宽*并发率

设n为单个PON口接入的宽带用户数，并发率取80%，取GPON接入时有效带宽为2300M：

n*（20M）*80%≤2300M

得，n≤144。即每PON口所带用户不超过144，按照每个房间100M带宽核算，即每PON口所带房间不超过29个。

（2）OLT上联带宽测算

上行带宽=∑（业务分配带宽×业务用户比率×集中比×流量占空比）×总用户数/带宽冗余系数

业务用户比率、总用户数：确定局端设备上联带宽规划时，应综合考虑OLT设备下挂的所有用户。

集中并发比：根据高校的应用环境，可以取80%。

流量占空比：一般可取50%。

帶宽冗余系数：OLT上联取100%

根据前期数据规划，济南大学用户按照20M高速上网，在校学生约3.7万（东校5550人，西校31418人，共计约3.7万人），按预计50%用户有访问需求，这样东校计为2775人，西校计为15709人。

故东校上行带宽=20M×80%×50%×2775/100%=22200M

故西校上行带宽=20M×80%×50%×15709/100%=125672M

其中，上联端口可用带宽，GE可取900Mbps，10GE可取9000Mbps，上联链路冗余系数取0.65

东校OLT上联端口数=22200/（9000×0.65）=3.8个

西校OLT上联端口数=125672/（9000×0.65）=21.4个

故，东校上行4*10GE可满足终期需求，西校上行22*10GE可满足终期需求，共需26*10GE可满足终期需求。

（3）BRAS设备上联带宽测算

上行带宽=∑（业务分配带宽×业务用户比率×集中比×流量占空比）×总用户数/带宽冗余系数

业务用户比率、总用户数：确定局端设备上联带宽规划时，应综合考虑OLT设备下挂的所有用户。

集中并发比：仍以80%取值。

流量占空比：一般可取50%。

带宽冗余系数：BRAS上联取100%

高校用户主要业务为20M高速上网。

在校学生约3.7万（东校5550人，西校31418人，共计约3.7万人），按50%用户开通业务，注册用户约18500人。

故上行带宽=20M×80%×50%×18500/100%=148000M

BRAS上联端口数≥BRAS上联带宽/（上联端口可用带宽*上联链路冗余系数）

其中，BRAS上联端口可用带宽，GE可取900Mbps，10GE可取9000Mbps，上联链路冗余系数取1

上联端口数=148000/（9000）=16.44个，故，BRAS上行17*10GE可满足终期需求。

4.安全规划

校园建设中，校园网内网的安全尤其重要。防火墙技术、数据加密技术、入侵监测等技术的实施，能很好的保障校园网络安全。

防火墙技术作为近年发展的最快，也是最流行适用范围最广泛的安全技术，它的设置形成了本网与外网之间的安全屏障，它能在很大程度上提高安全性，并过滤不安全的服务以降低风险。与此同时，它允许和避免特定信息的流入和流出，对所有事件持续侦测，既能够保证内网多种服务功能的高效稳定，又能保障不被恶意损害。防火墙不仅增强了安全策略，优化了安全配置，而且形成了统一稳定的安全系统。入侵检测通过收集网络中关键点的信息，并且对这些信息进行分析，从而监控网络的安全，检查网络中是否有安全风险，是否有违反安全策略的行为。入侵检测技术通常和防火墙一起构成了网络的安全体系，它是防火墙之后的又一道强有力的防御措施。基于济南大学的组网情况，应考虑在校园网和BRAS对接出口设置两台热备的防火墙，学校对接入侧核心交换机部署一台入侵检测系统IDS，可以较大程度保障校园网内网数据的安全。

5.总结

通过使用GPON技术对校园网进行改造，有效提高了校园网接入层的带宽，改善了学生和教职工的使用感知，同时也使校园网的稳定性和安全性有了较大提高，节约了维护成本。目前校园内的通信网络的竞争是目前行业中最激烈的竞争，通过将GPON这一新型接入技术应用到高校中，能进一步巩固和扩大运营商的校园市场。