高校学生公寓网络建设方案设计实例研究

摘  要：随着信息技术的发展和高校智慧校园建设的推进，高校园区网中承载业务越来越丰富，传统以太网络架构的各种弊端开始逐步显现，校园网网络建设面临着新挑战。基于PON技术的POL出现给智慧校园建设带来了新的契机。全文分析和研究以太网架构下校园网运行状况，以实际案例探讨了智慧校园场景下学生公寓全光网络覆盖的设计方案。

关键词：POL;PON;XGPON

中图分类号：TP393.1      文献标识码：A 文章编号：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

高校园区网经历了由数字校园向智慧校园演进，传统的以太网技术现阶段已不能很好适应多业务、多终端、移动化的特点。传统网络在运维管理和升级改造中也存在线路老化、故障点多、承载空间紧张等缺点。为了解决这些问题，高校园区网络建设中开始引入全光园区网（Passive Optical LAN，POL）网络技术。

1  现状

湖北经济学院（以下简称经济学院）校园网经过多年的持续建设，已经完成了校园有线网络和无线网的全覆盖，形成了一卡通专网、安防专网的多张业务网并存的局面。现阶段学校校园网在运维工作中主要面临以下三方面的问题。

1.1  多网并存

由于网络建设周期、业务需求和职能部门的不同，经济学院校园网中有线网、无线网和安防监控网、一卡通专网等多张业务网独立运维。业务网络烟囱式重复建设，导致网络设备和链路的利用率普遍不高;部分楼栋存在主干纤芯资源争用的情况，无法保证上行链路的冗余，网络稳定性得不到保障。

1.2  运维工作量大

学校校园网虽然已经完成了用户网的大二层扁平化改造，但各业务子网还是采用传统的三层网络架构，易生成环路，引起广播风暴，也容易发生网络攻击，影响网络的稳定。因网络资源的受限，部分楼栋业务专网复用用户接入网，导致设备配置多样化，管理和维护工作量巨大。

1.3  改造升级困难

校园网楼栋内采用传统的铜缆铺设，存在传输距离有限、抗干扰差、易氧化等诸多弊端。同时铜缆占用空间较大，网络改造时往往受弱电桥架和管线空间的限制。另外铜缆还存在不易铺设，中间有源节点多，故障率高、无法完全做到端到端的集中式网管等问题。

2  建设目标

智慧校园学生公寓网络的建设的总体目标是：满足该区域内师生学习、科研和生活等方面的用网需求，建成一张特色鲜明、符合学校发展的园区网络，为社会培养“有思想、有能力、有担当，实践、实用、实干”型人才，为学生提供更好的学习经历营造良好的网络环境。智慧校园学生公寓网络建设目标如图1所示。

作为智慧校园的重要组成部分，学生公寓网络需构建成一张“有线、无线网络与业务专网融合、一体化认证、多业务承载、高带宽、大范围覆盖、安全可信”的新一代校园网网络。

2.1  高带宽大容量

为保障学生在公寓内每个区域的流畅上网需求，有线、无线统一出口，公寓的出口網络需高带宽大容量。本着科学设计、合理部署、降低安装工作量与维护点的原则，合理部署各区域设备类型与数量，实现万兆到骨干、千兆到桌面的网络覆盖方式。

2.2  多网融合

使用一张网络同时承载用户有线、无线网络与各业务子网，高效利用网络资源，节约网络投资。合理设计网络的架构，保障网络的稳定性，方便网络的升级和扩展。

2.3  安全可靠

设计时充分考虑网络汇聚层、接入层的冗余度，降低链路故障和设备故障对用户用网体验的影响。同时网络应具有较强的抗干扰、防雷能力。

2.4  简化管理

通过统一的入口监控设备运行状态和网络链路状况，能及时对网络故障进行预警。确保网络设备的配置统一，做到即插即用;减少网络链路上的故障点，减轻网络运维工作量。

3  网络选型

网絡作为学生公寓的一项关键基础设施，建设的好坏对提升学生公寓服务水平和学生学习经历体验有着至关重要的作用。

3.1  组网方式

POL是一种新型的园区网组网方式，近两年在高校开始蓬勃发展，POL是基于PON技术的新型局域网组网方式，优化了局域网的基础布线和网络结构，网络结构更加扁平和简洁。POL网络具有大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点。PON技术与以太网技术的对比如表1所示。

图2为以太网组网方式的传统网络方案和POL组网方式的全光园区方案拓扑对比，图中可以看出，POL组网方式为经典的二层网络架构，省去了中间的汇聚层设备，除了局端OLT设备和用户侧ONU设备需要供电外，中间环节均采用无源设备，抗干扰强，维护简单。

在学生公寓网络设计中，从建设成本、施工工期、运维管理和升级扩容等方面进行比较，可以得出在智慧校园场景下采用POL全光方案是当前建设学生公寓网络较理想的选择。

3.2  网络协议

POL网络架构基于PON技术可分为GPON和EPON两种技术路线，其技术演进路线如图3所示。其中，XG-PON为非对称模式10G-GPON;XGS-PON为对称模式10G-GPON;NG-EPON（Next Generation EPON）也称为下一代EPON技术;而下一代GPON技术有可分为WDM-PON（Wavelength Division Multiplexed PON，波分复用）和TWDM-PON（Time and Wavelength Division Multiplexed PON，时波分复用PON）两种技术，相关技术参数如表2所示。

通常学生的网络的流量特征是下行需求远高于上行需求。在学生公寓网络需求中仅有少量业务如安防监控、一卡通等需占用一定的上行带宽，而用户用网需求中绝大部分为下行需求。综合建网的费用、学生公寓用网需求和后期网络升级扩展考虑，使用XG-PON（非对称10G-PON）技术是性价比最高的一种方案。

3.3  分光比

全光网络规划中分光比是需要考虑的一个重要因素，它直接关系着用户的用网体验。表3是XGPON分光后上下行带宽统计表。

如表3所示，分光比是2：16时，分配到每台ONU设备的非共享上行带宽为156 M，下行带宽为625 M;分光比为2：8时，分配到每台ONU设备的非共享上行带宽为313 M，下行带宽为1 250 M。

学生公寓平均每间宿舍4人，网络规划及设备选型时可以配置4端口XG-PON ONU设备。综合学生用网的共享比，可以看出学生公寓宿舍内是使用2：16的分光比较理想。而公共区域无线覆盖使用2：4的分光比，每个ONU带宽可用带宽为2 500 M，能轻松承载WiFi6的无线AP，可带来很好的无线体验。

4  详细设计

学生公寓网络建设总体架构如图4所示，该设计方案通过全光网络实现了有线、无线网的一体化覆盖，同时也承载了一卡通、监控、智能门锁、通道闸机等业务网络的各类哑终端。该方案既避免了各类业务网络烟囱式建设重复投资，又方便网络的维护和管理，便于后期扩展与升级。

4.1  骨干层设计

OLT上行用8条万兆链路采用链路聚合的方式与认证网关相连，双向链路转发检测（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）实现上行端口的保护和流量突发的应急保障。BFD可以实现故障的快速检测，实现电信级的保护倒换。OLT到主备网关分别启动BFD、主备网关间也启动BFD。BFD检测结合VRRP+、VRRP、Smart Link、OSPF等保护方案，可以实现50 ms的故障倒换，满足电信级业务开展的要求。

4.2  分配层设计

分配层的设备用来转发本区域用户到其他区域用户的横向流量，同时发送本区域用户流量到骨干层。分配层将大量用户接入到互联的网络中，模块化扩展接入骨干层设备的用户数量。分配层具有高带宽、高端口密度、高转发性能等特点，用于支撑该汇聚层下各业务部门之间的流量。

全光园区网的分配层由ODN（光分布网络）和OLT（光线路终端）组成。其中ODN网络P2MP、无源的优势相比传统网络大大简化了网络架构。园区网络需根据用户性质、用户密度的分布情况、地理环境、管道资源、原有光缆的容量等多种因素综合考虑选择合适的结构和配纤方式。

OLT设备上行接口可采用4个10GE捆绑，上行到骨干交换机，下行接口可采用XG-PON下行接入ONU或ONT。部署期间汇聚OLT的所有关键硬件做到冗余热备，保障汇聚点99.999%的可靠性。具体冗余配置如下：

（1）采用OLT双设备支持Type B双归冗余保护，保护主干光纤和设备异地容灾;不需要OLT冗余的场景，可以考虑部署Type B单归保护;

（2）OLT主控板冗余备份：系统配置双主控板，保证主用主控板故障时，备主控板可以保证业务不受影响。

（3）OLT电源板冗余备份：系统配置双电源板，保证主用电源板故障时，备电源板可以保证设备正常运行。

（4）OLT上行冗余备份：系统配置多个上行接口，上行接口通过LACP进行聚合。当主用上行口故障时，可以通过备用上行口上行。上行接口保护对实现端口故障检测、保护倒换和业务恢复。

OLT PON口和分光器之间的光纤链路使用Type B雙归属技术进行链路保护。Type B保护双归属主要对OLT、OLT PON口和主干光纤链路进行保护，当OLT、OLT PON口或光纤链路发生故障时，可以自动切换到另外一个OLT、OLT PON口所在的光纤链路。

4.3  接入层设计

接入层是最靠近终端用户的网络，为用户提供各种接入方式，一般部署二层设备，双归属接入分配层的汇聚OLT。接入层除了需丰富的二层特性外，还需具备部署简单、安全可靠等特性。学生公寓网络需满足如下场景：

（1）学生宿舍、值班室生活网络接入;

（2）安防监控、一卡通业务网络接入;

（3）智能水表、门禁、智能电表、门锁智能网关等物联网设备接入。

4.4  无线网络覆盖

移动终端在网络中的占比越来越大，以我校为例有接近85%的网络用户使用无线终端上网。在学生公寓网络设计过程中，要充分做好无线网络的覆盖和持续优化。本次设计中每个学生宿舍内使用面板式AP覆盖;室内公共区域通过放装AP覆盖;室外公共区域可采用立杆承载室外AP覆盖。所有AP通过无线控制器统一管控，做好持续监控与优化。

5  结  论

采用POL全光网络覆盖可有效简化网络结构，方便网络扩展，做到极简运维、平滑升级、节能降耗、安全可靠。在智慧校园场景下，采用POL建设基础网络不失是一种较为可行的网络建设方案。但是，现阶段各厂商POL产品不能很好地兼容，部分厂商受美国制裁相关产品延续性得不到保障，因此，在POL全光园区网络建设中要综合考虑多方面因素。

参考文献：

[1] KATZ D，WARD D. RFC 5880-Bidirectional Forwarding Detection （BFD） [EB/OL].[2020-09-10].https：//www.ietf.org/rfc/rfc5880.html.

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作者简介：姚圣军（1979—），男，汉族，湖北天门人，网络管理部工程师，网络规划设计师，研究生，研究方向：网络安全、基于数据挖掘的网络行为分析、分布式数据库。