基于GPON技术的中小学校园综合组网模式探索

雒凯峰

（南京市旭东中学，江苏 南京 210044）

随着科学技术的飞速发展，互联网技术和大数据平台在我国各行业的应用日益广泛。近年来，中小学文化教育逐渐进入以“物联网技术、智能化、科技化”为基础的智能化阶段，全国智慧校园建设全面推进。但是，在智慧校园建设过程中，仍然面临诸多问题亟待解决，本文通过对GPON 技术在中小学校园综合组网模式下的探索，寻求解决目前中小学校园网络建设中面临的困境。

一、目前中小学信息化建设中面临的问题

从当前校园网的分布构架图分析，传统的校园网构架只适用信息化时代刚起步的阶段，随着智慧校园和中小学校园信息化业务的增多，对于校园网网络精细化管理要求越来越严格，而在现实中的运行也存在诸多问题。

一是网络“拥堵”，业务开展受阻。随着中小学校园业务急速速增加，校园网要承载教师办公、VR/AR 教室、电子班牌、刷脸系统、视频会议、数字广播、多媒体教室、计算机教室、一卡通、安防监控、校园电台、pad 教室等多种业务的信息传输，普遍出现网络“拥堵”，部分业务无法开展的问题。

二是网络升级扩展难。教室信息点增多，桥架里的网线已是满满当当，桥架压力大，网络改造难，双绞线无法平滑升级，难以支撑新业务。

三是网络管理难度大。大部分中小学校园网主要以单层、汇聚层和多层架构为主，虽然这种网络结构层次清晰，但是在实际使用过程中，最明显的特征就是网络层次复杂，会加大设备维修故障的难度，加之缺乏专业人员的维修，导致设备维护管理困难重重。

四是网络体验要求高。教育数字资源的使用，互动教学、网络空间教学、平板教学、VR/AR 教师的应用需要更大的带宽和更低的时延网络要求，网络性能要求提高。

五是网络故障频发，管理压力大。中小学校园网因为网络层次复杂，校园内放置交换机分散，内网之间缺乏隔离和管控，所以在网络配置的过程中，存在重复嵌套部署的情况，一旦网络部署不到位及管理疏漏，容易导致校园网络遭受攻击，从而给日常的网络运行和维护带来压力。

综上所述，基于层次和复杂层次的网络构架已经不能满足校园互联网管理和维护，采用构架扁平化的校园网建设已成为目前智慧校园建设中必不可少的一部分，光纤和全用光纤已经普遍运用到校园网的建设中。光纤和全用光纤在中小学校园网的应用中具备安全可靠、耐用等特点，可极大降低校园网管理维护难度。

二、GPOL全光网络概述

（一）什么是GPOL全光网络

GPON 是新款无源光综合网络，这个网络具备高传输、覆盖广等特点，目前以无源光综合接入标准为主的技术也被广泛应用到中小学及大学校园网建设中。在实际使用阶段，GPOL 全光网络主要借助全光网络传输和交换过程，全部通过光纤来进行光信号的传递，从而承载宽带、语音、视频、Wi-Fi、CATV、办公等业务。

同所有PON 系统一样，GPON 由ONU、OLT 和无源光分配网组成，见图1 所示。

OLT 作为网络接入点和核心网的主要接口，在连接整个网络的过程中，主要通过ODN 与各ONU 连接。OLT 作为PON 的核心功能设备，在实际运行过程中，具备宽带分配、接口控制、网络信息监控、运行维护管理等功能。在整个网络拓扑图中，ONU 作为接入网侧接口，在进行接口接入过程中，可以提供预约、数据、视频等多业务传输，从而提高OLT 接口的转化率，让网络信息源更好地通过各接口的控制点进行网络信息交互、双向传输及数据上传功能。GPOL 全光网络在校园网的应用中，其实还是借助光分路器和PON 等结构来提升网络的安全和生存性。对比传统的多层次网络拓扑结构而言，GPOL 全光网络的应用，除了满足智能化校园建设需求，也可以在校园信息传递过程中，依靠OLT、ODN、ONU 等网络节点更好地传输上下行数据。

（二）GPOL全光网络的优势

GPOL 全光网络在实际生活中使用，给校园网的建设和后期维护带来了诸多便利。因为GPOL 全光网络具备传输快、读写和录入便捷等特点，在实际使用阶段，GPOL 全光网络的具体优势主要表现在以下几个方面：

1.GPOL 全光网络能够通过大宽带。因为GPOL 全光网络在应用过程中，采用全光网络信号在光域中进行信号交换和传递，相比传统铜线光纤而言，它的传输容量更大。

2.GPOL 全光网络具有传输透明性的特点。在实际使用阶段，GPOL 全光网络采用光路交替，即采用信号波长选择对应的路由器，所以在信号源的传递过程中，GPOL 全光网络更加注重传输数据的透明和公开。

3.GPOL 全光网络的兼容性更好。在实际场景使用阶段，GPOL 全光网络可以和现有网络兼容，也可以在未来网络升级或者宽带业务升级的基础上，依旧能很好地对整个业务数据网进行有效升级，从而起到提升网络传输速度的效果。

4.GPOL 全光网络具备扩展性特征。在网络互通互联的基础上，GPOL 全光网络的介入，除了不影响之前的网络结构和节点设备，也可以更好地拓展节点设备，以持续提升校园网利用率。

5.GPOL 全光网络具有可重构性。对于通信设备容量需求、动态地址和网络结构等资源的配置方面，接入GPOL 全光网络技术，可以通过光波长对连接进行恢复、建立和拆除。

6.GPOL 全光网络采用无源器件，从而避免电光和其他转换设备的植入，增加维护成本，而且GPOL 全光网络在实际使用阶段，除了整体的交换速度尚可外，它的安全性和可靠性也比传统的铜线通信设备更好。

7.GPOL 全光网络支持多种协议业务。在应用阶段，可以通过波分复用基础，来持续提供多种协议业务，完成校园网的实际使用需求。

8.GPOL 全光网络组网灵活，在任何节点接入和抽出，都不影响网络通信的使用。

9.GPOL 全光网络的安全性更高。实际传输和下载的过程中，它全程采用波长信号的方式传递数据，在数据读写和传输阶段，GPOL 全光网络不具备交换和存储的功能，它的稳定性和安全性也明显优于其他设备。

10.GPOL 全光网络的寿命较长。目前设备采用的光纤寿命30年，玻璃芯/塑料芯耐腐蚀。超长传输距离，能解决很多布线的问题；而铜线布线占用大量的管线资源，一般在10年左右容易老化，需要重新部署，传输距离限制100 米。

此外，GPOL 全光网络采用光纤设备，不需要借助其他辅助，就能完成网络信号的传输。全光网组网简单，设备成本和线路成本远低于传统组网；网络升级换代更快捷，只需对局端OLT 进行升级。

三、GPOL全光网的管理及设备部署

（一）GPOL全光网的管理

针对GPOL 全光网络的管理问题，对于大部分中小学校园网技术而言，在GPOL 全光网络的优势下，这个网络技术会借助OLT 的光时域反射仪进行链路信号建设和异常数据的自动预警和分析，当整个通信网络出现故障和风险时，GPOL 全光网络会提升释放信号，确保维修人员第一时间找到故障，并且快捷定位故障位置，实现高效修复的效果。

此外，GPOL 全光网络在进行全光网的可视化管理过程中，更多利用全网拓扑对整个网络资源和设备进行监控，然后借助平台的业务功能，进行自动传输、发送简化业务。

（二）GPOL全光网络设备的部署

想要更好地利用GPOL 全光网络，还需要在校园网搭建的过程中，合理利用OLT、ONU、ODN 等设备的优点，对现有的网络进行数据调试和上下行传输GPOL 全光网络设备的部署如下：

1.OLT设备部署

在GPOL 全光网络的应用中，OLT 作为数据上下行传输过程中的交换机，在进行网络信号发射过程中，其实是基于IP 和以太网，对业务流量进行集中信号发放和监控的过程。

OLT 设备在GPOL 全光网络的部署下，借助它容量大，传输强的特点，可在校园网搭建过程中减少网络交换机的使用，从而起到降低网络运营费用和成本的目的效果。而且在业务配置的过程中，OLT 设备可以借助IP规划和VLAN 数据规划实现不同端口的VLAN 区分机网格管理。

2.ONU设备部署

ONU 作为网络客户端，主要功能是为用户提供各种业务接口。在校园网和中小学网络搭建过程中，通过ONU 设备的部署，可以更轻松灵活地将用户的接口、业务进行互通互联。就比较复杂的网络层次结构而言，ONU 设备在部署阶段，除了具备场景灵活配置的效果外，可基于域名或IP 地址更好地识别HIS、IPIV 等不同的通信业务。

另外，在网络通信传输技术应用中，ONU 作为一款即插即用的设备，可以通过OLT 下发的信号进行配置，更好实现语音业务和数据业务的信号传输过程。

3.ODN网络部署

ODN 是光分配网，在进行GPOL 全光网络的应用阶段，它可以借助多个无源分光器POS 设备、OLT 和ONU的传输通道进行作业。在整个作业过程中，ODN 网络部署设备不需要进行配置和供电就可以正常作业，而且在信号传输和数据传输过程中，这些设备不需要对数据的传输和写入进行处理，在整个运行阶段，降低设备的故障发生率。

在GPOL 全光网络的应用阶段，OLT 至ONU 的传输系统指标（L）将影响分光器比以及网络结构的选择。传输系统指标计算公式为：

L＝( T－P－M－S－0.5⋆N )/r（公式的参数含义及取值如表1 所示）

表1 公式的参数含义及取值

虽然说ODN 在进行光分配网的过程中，会通过树形结构的布局完成对应场景业务的数据光信号传输，但是因为设备的型号、用途等差异，用户在选择GPOL全光网络的过程中，还需要结合用户规模、用途等进行甄选。

四、校园GPOL全光网络组网案例分析

（一）网络架构分析（如图2所示）

图2 对比组网图

此图为全光网校园基础网络架构，想要更好地将GPOL 全光网络应用到校园网基础建设中，还需要对校园内网及各机房的建设做好部署，才能在GPOL 全光网络功能的优势中，更好地释放校园网的功能。

（二）组网需求分析

1.校园网整体按照三层点到多点星型拓扑，千兆接入，万兆主干；光网络终端进房间，按照一个教室或功能室一个终端模式部署，学校各业务系统集中在数据中心机房统一管理。

2.按照核心－汇聚－接入三层结构进行建设，核心和接入设备为有源设计，汇聚层为无源光网络设计，核心层使用OLT，接入层使用光网络终端ONU，汇聚层使用无源ODN 器件组网。

3.功能密集区，如教室、电脑机房、未来教室、图书馆，采用光纤直接进入教室，支持POE 的24 端口大规格光网络终端覆盖校园网络、电子班牌、投影设备、电教设备、视频监控、教学广播、无线覆盖和录播系统的接入要求，完全满足教育主管机构对于教室的信息点接入要求。

4.普通功能室中等密集，采用光纤直接进入各功能教室，支持POE 的8 端口中等规格光网络终端覆盖办公、电话、无线覆盖、门禁、PC、校园广播接入要求。

5.走廊、楼梯、操场等室外区域和校园周界为低密集区，采用光纤到壁挂机柜或弱电间机柜，支持POE 的24端口大规格光网络终端覆盖视频监控、无线AP 覆盖和校园广播接入。

6.校园的教学、办公、视频监控等业务系统统一承载在校园光网络中，各业务系统集中在学校数据中心机房管理。

7.安防系统，包括摄像头、门禁、道闸控制在光网络中做网络隔离，控制与管理系统设置在校园安保中心。

8.网络可管可控，针对小学和中学配置不同规格出口防火墙。

9.汇聚层使用单模光纤，室内光纤采用蝶型加强缆。

（三）GPOL全光网扩展

结合图3 的网络布置情况，在进行校园网络搭建过程中，需要做好相应的部署和准备工作：

1.针对核心教室业务系统多、教学装备技术更新快、带宽需求越来越大等特点，为保障教室业务的现有带宽需求并预留后续业务扩容空间，现设计核心教室ONU不使用分光器分光，采用光纤直通OLT 的方式，每教室ONU 独 享2.5G 带宽。

2.针对非核心教室的功能房间，采用楼层分光方案，分光器部署于楼层汇聚机箱，每分光器最大下挂8 个ONU，最大迸发时可确保每个ONU 有不低于300M 带宽（由于网络流量的突发性每个ONU 实际带宽要大于此计算结果）。

3.如后续有更大的带宽需求，可通过以下方式进行带宽扩容，足以满足智慧校园应用需求，确保多年不落后。

第一种方案：调整分光器下挂ONU 数量，并增加分光器——如原每分光器下挂8 个ONU，每个ONU 分配带宽为312.5M；ONU 带宽/台=2500/8=312.5M；如需升级带宽为600M，可减少分光器下挂数量为4 个，并相应增加一倍的分光器数量，ONU 带宽/台=2500/4=625M。

第二种方案：通过更换OLT PON 板与ONU 上行光模块，将接入层带宽从千兆升级至万兆——OLT 的GPON 板 更 换 成10GPON 板，ONU 上行GPON 光 模 块更换为10GPON 光模块，在不改变布线系统的前提下将网络带宽平滑升级至10G。

借助以上方案，除了可以改善校园网层级复杂的情况，在GPOL 全光网络的辅助下，也可以让校园网络在实际使用过程中传输效率高、响应速度快、耗能降低。

综上所述，随着中小学校园网和智慧校园的搭建，学校对网络的依赖也会越来越高，因此大二层的网络拓扑架构和GPOL 全光网络的应用也在中小学智慧校园建设中扮演关键角色，全光网可根据实际业务需求和未来业务的拓展情况，对OLT 和ONU 设备进行部署，这种部署除了可以满足当前的业务需求，也可以提供系统预留的空位，对未来假想的空间和业务进行管理，从而实现高效光网的运维和管理。因此，对于中小学的智慧校园建设而言，想要降低后续的维护和维修成本，选择GPOL 全光网络应用实属明智之选。