基于POL技术的全光校园网设计与实现

钟文基 王丽磊

摘  要：近年来，行业的智能化和信息化呈现加速发展趋势，高清视频会议、云服务、移动办公等应用的需求日益增多。与此同时，带宽升级、三网融合等网络新要求也变得越来越迫切，介质升级成为企业解决网络难题的一个新选择。POL全光网络传输性能强、架构简单、部署便捷、升级扩容灵活，作为面向未来的基础网络设施，为新一轮的应用场景带来发展契机。文章以广西水利电力职业技术学院POL全光校园网设计与实现为例，深入剖析POL技术的典型应用。

关键词：POL技术；全光校园网；设计与实现；实践应用

中图分类号：TN915    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）08-0026-04

Abstract： In recent years， the industry's intelligence and informatization have shown a trend of accelerated development， and the demand for high-definition video conferencing， cloud services， mobile office and other applications is increasing. At the same time， new network requirements such as bandwidth upgrade and tri networks integration have become more and more urgent， and media upgrade has become a new choice for enterprises to solve network problems. POL all-optical network has strong transmission performance， simple architecture， convenient deployment， and flexible upgrade and expansion. As a future oriented infrastructure， POL is initiating a new round of application scenario development opportunities. This paper takes the design and implementation of POL all-optical campus network of Guangxi Vocational and Technical College of Water Resources and Electric Power as an example to analyze deeply the typical application of POL technology.

Keyword： POL technology; all-optical campus network; design and implementation; practical application

0  引  言

随着互联网技术的飞速发展，语音、视频、图片、云计算业务等流量大幅增长，对网络带宽的要求越来越高，传统的园区网络面对日益增长的网络带宽提升需求，迫切需要进行网络改造升级。而传统基于铜缆布线的网络由于连接复杂，走线和维护难度大，升级扩容困难，正在逐渐被全光网络（POL）取代。全光网络把传统的铜缆传输替换为光纤传输，实现光纤到户的整体融合，宽带网络、语音视频、无线Wi-Fi、CATV等多种业务均可在光纤网络中承载。

1  POL全光网络概述

无源光纤局域网（Passive Optical Local Access Network， POL）是将铜缆替换成光纤，基于PON技术的一种新型园区网络组网方式。POL全光网络是指传输和交换过程全部通过光纤实现的网络，因为在网络传输和交换的过程中信号始终以光的形式存在，省去了中间光电转换和电光转换的环节，可大大提高网络带宽[1]。

在传统的园区网络搭建中，网络的传输介质主要有铜缆和光缆，铜缆（双绞线）由于其组网简单，施工工艺要求不高曾是接入网络的主要传输介质，但铜缆的内芯材料是铜，成本较高，且传输距离有限，传输速度难以大幅提升。光纤作为新型网络传输介质，因其成本低、质量轻、柔韧性好、体积小巧、可获得性高，且光纤传输容量大、传输距离远、性能稳定、抗干扰能力强、保密性好，越来越受使用者的青睐。基于光纤传输的巨大优势，运营商的传输网络早已采用光纤传输，2008年三大运营商开始启动接入网的“光进铜退”改造工程，以FTTB/FTTH模式将光纤部署到楼道和入户，大幅改善了家庭用户的网络体验。实施改造工程以来，我国已建成世界上最大的光纖宽带网络，全面实现“光进铜退”，千兆光网已飞入寻常百姓家。

接入网的“光进铜退”使用的是无源光网络（Passive Optical Network， PON）技术，在传输介质采用光纤替代铜缆的同时，PON采用无源的点到多点（Point to Multiple Point， P2MP）技术带来网络架构的变革，使得网络扁平化，部署成本更低[2]。PON的介质和架构优势同样适用于行业园区场景的局域网建设，即POL。POL继承了PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优点，优化了局域网的基础布线和网络架构，网络架构更加扁平和简洁，能更好地满足于客户网络业务需求，解决了现有园区网络带宽低、多网并存、网络升级困难，以及管理难等问题。

2  基于POL全光校园网设计

2.1  设计思路

全光校园网按照核心层、汇聚层、接入层三层網络架构进行建设，全网采用光纤传输数据信号。在核心层部署核心交换机和光线路终端（OLT）设备，实现数据的高速转发；在汇聚层部署无源分光器（POS），采用无源光网络设计，无须额外配置独立机房为设备供电，减少了中间有源设备的故障点；在接入层使用光网络终端（ONU/ONT），为每个教室、实验室、办公室部署一个光网络终端，光纤直接进入教室、实验室、办公室，校园的教学、办公、视频监控等业务系统统一承载在全光校园网络中[3]。

2.2  设计原则

2.2.1  开放性和标准化原则

网络设计应具有良好的开放性，具备与多种协议计算机通信网络互连互通的特性，并遵循统一开放的通信标准，使用符合这些标准的计算机系统进行网络互联互通。

2.2.2  实用性和先进性原则

网络设计中注重以使用为原则，紧密结合实际业务需求，建设满足业务需求的网络，同时还要结合当前及未来主流的网络技术，建设成熟、先进的网络架构，避免技术陈旧也要杜绝采用不成熟的新技术进行方案设计。

2.2.3  安全性和可靠性原则

由于校园网络的特殊性，在设计过程中要注重网络的安全性和可靠性，所建设的校园网络既要保证安全性，避免存在漏洞被攻击、被破坏，数据传输被窃听，也要提高可靠性，减少网络故障点，降低网络中断的风险。

2.2.4  可维护性原则

网络设计应具备优良的可维护性，不仅要保证网络设计可靠有效，还应当配备网络故障检测诊断工具以及部署网络管理设备，在网络出现故障时方便精准定位故障并及时解决故障问题。

2.3  网络设计

POL全光校园网络主要由核心交换机、光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN），以及光网络单元（ONU）组成，如图1所示。

2.3.1  核心交换机

在全光校园网中，在信息中心部署核心交换机，实现数据的高速转发以及保障网络的互联互通。核心交换机部署在数据中心机房，向下连接OLT设备，实现数据的高速转发，向上连接路由器（防火墙），实现接入互联网，同时旁接学校各种应用系统，保障工作业务的正常进行。

2.3.2  光线路终端

光线路终端（Optical Line Terminal， OLT）部署在中心机房，向上连接核心交换机，接入核心网络主干，向下连接所属ODN的分光器等设备，提供集中带宽分配、控制各ODN、实时监控、运行维护管理等功能。

2.3.3  光分配网络ODN

光分配网络（Optical Distribution Network， ODN）采用光传输介质和无源光器件，在OLT和ONU之间提供光传输通道，在校园网光分配网络ODN设计中，分为五个子系统[4]：

1）中心机房子系统。位于中心机房内，包含从OLT出来的大量光纤跳纤的管理和维护，以及大芯数室外光缆的端接。

2）主干光缆子系统。ODN中从OLT到光分配点的光纤链路，节点设备通常包含室外交接箱和接头盒。

3）配线光缆子系统。ODN中从光分配点到用户接入点的光纤链路，通常包含交接箱、分光器、分纤箱等。

4）入户线光缆子系统。ODN中从用户接入点到用户光纤面板的光纤链路，完成多芯数光缆到单芯入户光缆的转变。

5）光纤终端子系统。ODN中从用户光纤面板到用户ONU的光纤链路，完成室内布线部分的工作。

2.3.4  光网络单元ONU

光网络单元ONU部署在用户端，承载终端用户的业务数据，是光纤接入的终端设备。光网络单元的主要功能是选择接收OLT发送的广播数据，响应OLT发出的测距及功率控制命令并做出相应的调整，对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送。

2.4  设计优点

所设计的无源光纤局域网继承了无源光网络高带宽、高可靠性、运维简单、业务融合度高、安全性高等特点，更适合于在校园网中使用。

2.4.1  网络带宽高升级方便

无源光纤局域网在网络中使用的是光纤传输，网络带宽最高可达10 Gbit/s，并且后期可较为方便地扩容至40 Gbit/s、100 Gbit/s，升级网络带宽仅需更换两端的设备或光模块即可，无须重新布线组网，带宽提升便捷，节约成本。

2.4.2  网络结构简单运维容易

无源光纤局域网网络层级简单，有源设备只部署在核心层和接入层，信号从光线路终端（OLT）直达光网络单元（ONU/ONT），减少了网络层级，也减少了网络的故障点，网络可靠性更高，更加便于管理维护[3]。

2.4.3  一线多用业务融合度高

与传统的综合布线中需要部署电话线、视频线、双绞线等多套网络支撑多种业务需求不同，无源光纤局域网的光纤能传输语音、视频、网络等数据，一根光纤承载多种业务，实现了一线多用，融合度高。

2.4.4  安全性更高

无源光纤局域网传输的是光信号而不是电信号，能有效避免电磁干扰，解决电磁泄露等问题，规避了物理线路传输信息被窃听的风险。同时，POL设备支持网卡物理地址绑定、802.1x认证等，避免非法用户接入网络；设备支持用户隔离、广播抑制、防DOS攻击等功能，防止已接入网络用户对设备和其他用户进行攻击的行为[5]。

3  全光校园网络与传统校园网络的区别

传统以太局域网多采用的是核心交换机到汇聚交换机最后到接入交换机的三层架构，包括核心层、汇聚层、接入层三个层次，在中心机房部署核心层交换机，在楼宇汇聚处部署汇聚层交换机，在每个楼层弱电间部署接入层交换机，是一个典型的三级组网架构网络。

POL全光网络组网在中心机房部署了核心交换机和OLT设备；在汇聚层采用无源分光器替代传统的汇聚层交换机，采用光纤替代铜缆，采用无源设备替代有源设备，减少了网络故障的发生率；在接入层采用ONU替代接入交换机，ONU充当了接入交换机的角色，提供部分二层交换的功能，为用户提供数据、语音、IPTV、无线、安防监控等业务访问，层级更简单，如图2所示。

4  全光校园网设计优缺点分析

广西水利电力职业技术学院在新校区校园网建设中采用POL网络设计，经过多年的实践，POL无源光组网方式组网成本低，部署快，后期维护容易，已经在校园中得到大面积的应用，POL网络在机房到ONU之间，铺设的是光纤而不是网线，杜绝了电磁干扰，提升了网络带宽，未来带宽升级仅需更换光模块或两端设备即可，步骤简单，高效便捷，同时POL网络层级简单，省去了中间易出故障的有源设备，提高了可靠性。

但在实践过程中，也发现当前的POL设备品牌众多，性能、质量参差不齐。在校园网中使用大量的ONU设备，也增加了故障节点的风险，需要一套集中管理软件，才能对网络进行运维，POL网络中所有的横向数据均需上升到OLT设备中进行交换，再返回至客户端，对于需要大量共享的网络存在一定的制约。

5  实际应用

广西水利电力职业技术学院通过建设基于POL技术的全光校园网，与传统基于网线的千兆以太网进行对比，在实际应用中得到如表1所示的数据。

由数据分析可知，相较于传统基于网线的千兆以太网，基于POL的全光校园网最大网络带宽由1 000 Mbit/s提升到10 Gbit/s，网络带宽更高；承载业务数量由1个提升到4个，业务融合度更好；网络层级由三层减少为两层，网络结构更简单；网络故障率、安全事件发生次数大幅减少，如图3所示。

因此，基于POL技术的全光校园网提升了网络带宽，增强了安全性，减少了故障发生率，是现阶段的最佳选择。

6  结  论

全光网络经过多年的应用，不断地更新升级，技术已趋于成熟，发展前景广阔。通过对学校校园网无源全光网络的升级改造，无源光设备已取代了传统网络设备，一根光纤可替代大量网线，将数据网、电话网、监控网、一卡通网等各業务网络融合在一起，构建一张“全融合、广承载、泛连接”的校园基础网络，为职业教育高质量发展赋能，为智慧校园建设提供强有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 肖斌.智慧校园网络新架构 [J].福建电脑，2022，38（4）：40-43.

[2] 董涵.POL与以太网组网方式在高校应用中的对比研究 [J].计算机产品与流通，2017（10）：222.

[3] 苏虎.以太网，GPON与EPON三种组网方式在高校应用中的对比研究 [J].中国新通信，2020，22（23）：61-62.

[4] 胡搏.智能光网络技术特点及未来发展趋势的研究 [J].中国新通信，2019，21（4）：84-89.

[5] 余翔.基于GPON技术的接入网方案设计与应用 [D].北京：北京邮电大学，2012.

作者简介：钟文基（1981.09—），男，汉族，广西灵山人，副教授，高级技师，硕士，主要研究方向：信息技术和职业教育教学改革；王丽磊（1985.03—），女，汉族，河北张家口人，工程师，硕士，主要研究方向：信道通信技术。