基于无源光网络的学生宿舍网络设计与实现

张祖琼 郭小明 李晨晖

摘   要：文章结合学生宿舍无源光网络建设项目，探讨有线无线一体化设计方案，进行业务规划，并考虑用户认证、网络管理、实施等问题，将无源光网络接入到传统校园网中，配置OLT以实现业务流。

关键词：无源光网络;网络设计;网络实现;接入网;校园网

中图分类号：TP393.18 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）23-0081-04

一、引言

PON（Passive Optical Network，无源光网络）技术因其业务支撑能力强、覆盖距离远、带宽分配灵活、节省主干光纤资源、方便管理运营、相对成本低等优点而广泛被运营商用于小区家用宽带建设。[1]

而校园网的网络环境更为复杂、要求更高。用户需要在校园内随时随地能上网。随着智慧化校园的开展及物联网、云服务的逐步应用，各种各样的设备包括摄像头、电力监控设施、一卡通终端等都有不同的网络需求。此外，校园网除了基本的上网需求，还涉及网络安全、用户认证、IPv6的推行、网络建设成本、运维管理等多维度问题。

本校校园网目前采用的是传统“接入-汇聚-核心”的三层网络结构，现对新建学生宿舍楼群采用PON的建设方案，探讨将其与传统网络融合的问题，实现宿舍的有线无线网络覆盖。

二、GPON网络结构

PON是一点到多点结构的无源光网络，其光配线网不含有任何电子器件及电子电源。GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network，千兆无源光网络）是目前应用范围最广的PON技术，每个GPON口最大下行速率2.5Gbit/s，最大上行速率1.25Gbit/s。

GPON网络由3部分组成，[2]如图1所示。

OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）是用于连接光纤干线的终端设备，是终结PON协议的汇聚设备，一般放在中心机房，上行接入核心网络。具有光/电转换、带宽分配、控制各ONU的连接、实时监控、管理及维护功能。

ONU（Optical Network Unit，光网络单元）是给用户提供各种接口的用户侧单元或终端，如家用的“光猫”设备，可以接电话、电脑、网络电视等设备，承载多类型业务。

ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）是由光纤、一级或多级分光器等无源光器件组成，连接OLT和ONU，并提供光通道，使OLT和ONU互相通信。分光器可以对光信号进行耦合、分支和分配，用于分发下行数据和集中上行数据。常见的分光比有1∶8、1∶16、1∶32、1∶64。分光器一般放置在楼宇外光交箱内或楼道中。一般来说，光纤距离越远，分光支数越大，接头越多，光衰减越大。

三、宿舍网络设计

1.有线无线一体化方案

用户PC机通过ONU的以太网口实现有线连接。

GPON网络的无线方案主要分为2种。[3]一种是ONU自带无线，用户通过内置无线信号接入网络;另一种是ONU上外接企业级AP（Access Point，无线接入点），用户通过AP入网，但大批量的无线AP的统一部署和控制需要另外由AC（Access Controller，无线接入控制器）来完成，结构如图2所示。

内置无线的ONU类似家用路由器，可在每个ONU上以Web管理方式设置无线参数，包括无线信号、认证方式等，其支持的接入用户数有限，通常在10个用户以内。缺点是统一下发配置困難、信号覆盖范围有限。且各ONU是独立的无线接入点，彼此割裂，无法实现无线漫游。

ONU外接AP的方案可由AC下发配置，对AP进行统一管理，包括无线用户的认证、接入安全控制、射频智能管理等，能实现无线漫游。可以根据使用场所灵活选择不同承载量的AP，以满足不同的用户接入数需求。缺点是设备增加太多，成本几乎翻倍。如果AP取电不方便，就要选择带POE（Power Over Ethernet，以太网供电）功能的ONU，成本较高。通常还会部署主备多个AC模式使系统更可靠。设备过多，增加网络复杂度，也会带来更多维护管理问题。

本项目主要是宿舍区，宿舍的房型、房间大小、每个房间的人数比较固定，采用ONU自带无线的方案比较节省成本，又能满足基本需求。统一下发无线配置的问题可以靠管理软件来辅助实现。无线漫游问题虽不能解决，但可以靠延长用户下线的空闲等待时间等方式来弱化掉线感。

如果是大型密集场所如体育馆、会议室、教室，采用带POE功能的ONU外接AP的方案更好。办公场所可以根据具体环境和需求来选择。

本项目中，OLT采用华为MA5800，ONU选用带4个千兆以太网口、支持2.4GHZ、5GHZ双频无线的华为EG8145V5，管理软件采用华为eSight。

2.分光级数及分光比的选择

运营商为了施工灵活，加上线路成本等因素，多采用二级分光。本项目为了避免线路接头过多造成光衰太大、降低日后光路故障排查难度，采用一级分光，将分光器放置于宿舍的楼栋弱电间内。

本校学生宿舍的网络线路是校园网和运营商共用，在出口处设置代拨设备实现校园网、运营商网络选路分流。为满足运营商用户的高弹性高带宽需求，需要保证较大的基础带宽，采用1∶8的分光比。2.5Gbps的GPON下行带宽约2488Mbps，经过1∶8的分光比后，理论上每个ONU平均分得带宽311Mbps，业务并发比为50%时，ONU平均带宽622Mbps。每个宿舍一个ONU，分给宿舍4～6人使用，比较合理。

3.VLAN及业务规划

本项目中，主要有学生的有线无线上网需求、宿舍区的一卡通和电控管理等特殊网络需求。规划将每栋楼的有线业务各划为1个VLAN，每种特殊业务各1个VLAN。该片宿舍区的所有楼栋的无线划为1个大一点的VLAN，这样从一个无线接入点移动到另外一个无线接入点后，IP地址不变，避免频繁弹出认证页面，弱化掉线感。

3.创建线路模板

线路模板主要用于绑定DBA带宽分配方案到T-CONT，以及配置GEM与T-CONT的绑定关系，并映射到VLAN。

ont-lineprofile gpon profile-id 6 profile-name "1#"

tcont 1 dba-profile-id 1

gem add 1 eth tcont 1

gem add 4 eth tcont 1

gem mapping 1 0 vlan 101

gem mapping 4 0 vlan 300

commit

quit

4.配置业务模板

业务模板为采用OMCI方式管理的ONU提供了业务配置渠道，此处配置ONU的端口类型、数量为自适应方式，也可以根据实际情况手动设置ETH以太网端口、语音端口的数量。

ont-srvprofile gpon profile-id 3 profile-name "1#"

ont-port eth adaptive

commit

quit

5.手動注册添加ONU并配置4个千兆口

手动注册添加ONU时绑定线路模板和业务模板，以SN号的方式添加。并配置4个千兆口的缺省VLAN。如SN号为“1234567890123456”的配置如下：

interface gpon 0/1

ont add 0 1 sn-auth "1234567890123456" omci ont-lineprofile-id 6 ont-srvprofile-id 3 desc "1#-101"

ont port native-vlan 0 1 eth 1 vlan 101

ont port native-vlan 0 1 eth 2 vlan 101

ont port native-vlan 0 1 eth 3 vlan 101

ont port native-vlan 0 1 eth 4 vlan 101

6.创建业务流以承载具体业务

service-port vlan 101 gpon 0/1/0 ont 1 gemport 1 multi-service user-vlan 101  tag-transform translate

service-port vlan 300 gpon 0/1/0 ont 1 gemport 4 multi-service user-vlan 300  tag-transform translate

五、实施结果

配置完OLT后，将ONU通过ODN光信道连接到位，ONU能实现自动注册，并通过OLT下发有线配置。为OLT添加管理和SNMP配置项，通过虚拟机上部署的eSight管理平台管理OLT，实现为ONU下发无线配置功能。通过宿舍ONU的有线、无线方式均能接入到校园网。在访问外网时都能弹出Web认证页面，并能分别使用校园网账号认证和运营商代拨认证。通过DHCP服务器能正确下发IPv6地址给宿舍用户，并能正常访问IPv6网站。GPON下的一卡通及电控管理终端能与传统局域网中的服务器及终端设备互通。从eSight管理软件中可以查看OLT、ONU的状态、配置、错误报警等信息。1.5km距离范围内ONU端接收光功率均在-27dbm～-8dbm正常区间内。

六、结束语

本项目采用1∶8的分光比，分支较少，主干光缆芯数较传统交换机布线方式并未减少太多。但楼宇内不用六类网线，而是用皮线光缆，大大减少了桥架的空间，弱化了楼宇的弱电间功能。

因本项目还涉及强电施工，仅有线无线上网业务来说较传统布线方式节省不了太多建设成本。但光缆比铜缆的使用寿命高几倍，若能统一规划校园监控、语音等业务，减少重复性建设，整体上可大大降低成本。

eSight虽管理方便，但传统网络存在很多别的厂家的网络设备，无法统一管理。可以在老校区设备老化统一布线的情况下考虑GPON整体方案。

另外，本项目没考虑ONU上联OLT链路的可靠性问题，可配置GPON TypeB保护，将主干光缆设计为双链路模式。

参考文献：

[1]邢晓溪.基于GPON技术的小区接入网应用分析[J].电子产品世界，2016（10）：55-56，60.

[2]ITU-TG.984.1 Gigabit-capable passive optical networks （GPON）：General characteristics，2008.

[3]左明慧.基于IEEE802.11高校无线校园网络覆盖设计研究[J].价值工程，2018（36）：199-201.

[4]ITU-TG.984.4 Gigabit-capable passive optical networks （G-PON）：ONT management and control interface specification，2008.

[5]徐梅香，张艳.XG-PON 在FTTH 网络中的应用策略研究[J].光通信技术，2018（5）：37-40.

（编辑：王天鹏）