PON技术在高校校园网中部署的利弊研究

颜伟 姜海涛

摘要：PON技术作为一种新的组网方式，被广泛应用于运营商网络中。对高校校园网而言，PON技术组网模式还处于探索阶段。文章从高校校园网应用实际出发，结合PON技术的优缺点，对PON技术在校园网中部署的利弊进行分析，提出高校采用基于PON技术的网络架构可能出现的问题，对PON技术在校园网中部署的可行性提出了理性思考。

关键词：PON；校园网；网络架构；全光网；以太网

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）35-0094-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着智慧校园建设的不断深入，如何建设一张高带宽、易扩展、好运维的校园网，从而更好地满足未来各种校园新型业务的需求，成为高校的“刚需”。PON网络利用光纤作为传输媒介，激光作为信号载体，可以减少电磁、灰尘、温度与雷电影响。实际应用中，PON在校园网内仅解决接入到汇聚这一段的组网问题，而从核心层到汇聚层再加上最后一米的有线信息接口，依然是以太网技术，对于用户身份的管理、优先级、业务分类等也需要通过以太网方式传递给其他校园网设备，这就使得PON在校园网中的部署和应用必然要想方设法适配以太网技术。

对于一些正在观望、还未部署PON技术网络的高校而言，由于对全光网的部署条件不甚了解，正处于适不适合上全光网的衡量阶段，在“光进铜退”的背景下，各高校是否建设全光校园网还需要进行探讨。

1 高校校园网组网现状概述

校园网作为高校重要信息基础设施，是为学校教学、科研、管理和生活提供先进技术支撑的局域网络。校园网的特点主要表现在高速、交互、专业、安全等方面。一方面，校园网是开展正常教学、科研和管理的基础，需要满足师生对大容量、高速率、高质量数据传输的要求；另一方面，由于校园网承载着大量技术成果、身份认证信息、高校教务教学管理信息等庞大的数据资源，需要有更高的安全可靠性要求。

目前各高校校园网主流实现技术是以太网，一般为基于核心层、汇聚层、接入层3层网络架构[1]。

2 PON技术架构网络概念

PON，全称为无源光网络（Passive Optical Network，PON） ，是一种点到多点（Point 2 Multiple Point，P2MP） 的光纤接入技术。一个PON架构网络包括部署在中心机房的光线路终端（Optical Line Terminal，OLT） 、部署于用户场所的光网络单元（Optical Network Unit，ONU） 以及连接OLT和ONU的光分配网络（Optical Distribution Network，ODN） 。所谓“无源”是指在光配线网络ODN中不含任何有源电子器件及电子电源等设备中继。

在PON网络中，核心技术是无源分光，分光一般是通过光无源分光器Splitter实现。无源分光器按照2的指数进行分光，包括1：8，1：16，1：32等，由于分光有损耗，分光的路数越多，损耗越大。为保证网络数据传输质量，分光比通常不超过1：64。

PON架构网络中，上行方式和下行数据的传输方式不同，采用时分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA） 方式实现数据上行，采用被动广播方式实现数据下行[2]。

目前主流技术是EPON和GPON。PON的典型拓扑结构一般如图2所示。

3 PON技术的优势

作为通信技术中的一项新兴技术，PON技术被广泛应用于运营商网络中，非常好地解决了整体成本、传输速率、使用寿命、传输距离等一系列问题。

3.1 网络架构优化

PON技术采用扁平化二层架构，符合网络扁平化发展趋势。相比系统以太网的核心机、汇聚、接入的三层架构，PON网络最突出的优点是减少了中间的有源节点——汇聚交换机。PON架构网络中只有在汇聚层部署的OLT设备和在接入层部署ONU设备为有源设备，在中间ODN部署的分光器为无源的，通过采用OLT和无源的分光器代替传统以太网的有源的汇聚层，变成全光的二层架构，实现网络的扁平化，这样既可以减少汇聚机房的空间占用和供电需求，也可以节省汇聚机房的制冷设备，进而有效减少汇聚机房的安全隐患。

为提高链路的安全性、稳定性和可靠性，PON组网方案中一般在核心交换机和OLT之间配置链路聚合，实现OLT的双上联、双归属保护。OLT和分光器之间主干链路配置TypeB双归属保护，实现分光器双上联至OLT。

3.2 介质成本相对低，占用空间小

目前接入机房到ONU常用2芯蝶形皮线光缆连接。皮线光缆具有体积小、质量轻的优点，同六类非屏蔽双绞线相比，截面积不到四分之一，体积约为三分之一，重量约为四分之一，价格约为四分之一到二分之一，对布线桥架容积、弱电间施工安装空间等环境要求较低，相对双绞线部署具有明显的成本优势，同时也可以显著降低弱电桥架、线槽的空间占用和称重负荷。

3.3 光纤传输损耗低，中继距离长

相比双绞线，单模光纤在传输光信号时传输损耗低，PON技术网络一般采用单模光缆布线。单模光纤的传输距离的限制因素是其衰减系数，单模光纤的衰减特性有随波长递增而减小的趋势，但工作波长在11310～1600nm窗口区间时衰减趋于平坦，因此目前组网一般都使用1310nm波长的激光和1550nm波长的激光作为信号载体。单纯从衰减系数考虑，1550nm波长的光在G.652D光纤上传输时的衰减系数最接近最低衰减系数0.2dB/km，因此长距离光纤传输系统都采用1550nm波长区[3]。

工作波长为1550nm的光在G.652D标准光纤中传输时衰减系数不大于 0.22dB/km，以此可以测算出，10GPON在1：32的分光比条件下（插入损耗为17.5dB） ，光信號无电中继传输距离可超过30km[1]。因此，PON在超大型楼宇和楼宇群的传输需求中距离优势明显。

4 PON技术在校园网部署的劣势

PON技术主要源于运营商推广，适合居民小区场景应用。这种场景中用户密度小、网络中流量南北纵向大、东西横向流量小，用户之间基本上没有数据交换。高校校园网是特殊的局域网，基于以太网技术建设，校园面积及跨距一般不大，PON技术组网的优势不明显，有时甚至成为性能瓶颈。

4.1 可靠性不足，单点故障风险增加

PON的汇聚层无源是“双刃剑”，无源即无脑，使得PON网络严重依赖于OLT，这意味着多业务承载的环境中，任何一个报文的网络策略都需要上送到OLT及背后的核心交换机完成，而且业务种类越多、权限复杂度越高，对OLT及背后交换机的压力就越大，对整体性能的影响越大，单点发生故障的风险越高。

4.2 共享带宽，传输效率低

从架构看PON网络中ONU之间共享到OLT的带宽，不能根据实际需求进行灵活调整。例如：1G的OLT板卡采用1：32分光，每个ONU只有1000/32=31M，ONU下如果有多用户，带宽更低[4]。

PON网络中数据上行传输采用TDMA模式，上行链路被分成不同的时隙Slot，为防止由于ONU无序发送数据造成相同波长光信号叠加从而使得OLT接收后无法读取数据的情况发生，由OLT对时隙进行统一调度和授权，ONU不能主动发送数据，ONU在自己的授权时隙内有通信需求时发送数据，无通信需求插入空白帧。这种机制不能根据ONU上的流量情况进行实时调整各ONU的时隙授权和上行带宽，承载突发性比较强的业务时带宽利用率比较低，存在性能瓶颈。

4.3 灵活性差，线路成本优势不明显

PON技术网络使用光纤传输激光信号，终端用户必须通过光电收发设备进行光电转换才能联网，增加了设备成本，且分光路径比较固定，一旦完成部署，难以灵活调整和扩容。

无源分光是PON的一把“双刃剑”，ONU之间共享带宽，校园网中东西横向流量需求大，经过分光过后的带宽无法满足需求，而不采用分光，使用1：1下行，OLT下行光口的成本也将被逐渐拉高，PON技术在路线成本上的优势也不复存在。

4.4 兼容性差，适应性不强

PON各品牌厂商均采用各自的私有协议，ONU与OLT之间存在已知较多的兼容性问题。一旦选择了某个品牌的PON网络设备，未来进行升级扩容或更新设备时一般只能使用该品牌的设备，用户容易被厂商方案绑定，几乎没有可选择性，资金投入风险较高[3]。

4.5 皮线光纜布线烦琐，后期维护困难

光纤用玻璃纤维传导光信号，纤芯较为脆弱，不能过度弯曲，入户穿线时容易折断，接头位置也不能存在较大震动，所以不能大规模预埋布线，后期使用过程中还存在动物咬断、其他工程施工破坏以及长时间环境磨损等，如果使用铠装光纤或进行套管保护，又增加了建设成本。

光缆发生故障时，需对光缆纤芯的玻璃纤维进行熔接。熔接光纤需要专门的熔接设备和较高的技术门槛，熔纤操作时须严格遵守施工规范，谨防杂质或灰尘污染光纤端面，确保光纤的熔接质量，否则会造成链路传输质量下降，影响通信效果[5]。

4.6 运维成本高，效率低

从网络架构看，PON是二层网络，需要维护的设备较少，但是通过实际运维发现，PON网络包括核心层、OLT设备层、无源分光器层、ONU设备，是典型的四层网络。而且PON架构网络配置复杂，分光器这种哑设备无法在网络中被发现，传输链路出现问题时故障定位及排除难度较大，对运维人员技术要求高。为了解决这些问题，功能强大的网管系统必不可少，第三方网管平台在对ONU的数据获取上存在困难，而设备厂商的网管系统需要单独购买，增加了建设成本。运维过程中需要再增加配备打光笔、光衰减器仪、光功率计、光纤熔接机等专业运维工具，运维成本较高。

4.7 资源共享受限

PON技术组网时，ONU是独立单元，默认相互隔离，无法直接互访，存在横向资源共享受限问题，如ONU打印机不能共享使用。如果要实现跨ONU资源共享，则需要在OLT上增加相关配置，这样会加大OLT的系统资源消耗，导致性能瓶颈。如果取消OLT的端口隔离功能，则PON技术网络的安全性能就会大打折扣。

4.8 ONU设备取电困难，安装位置不好确定

目前，ONU设备的供电方式有两种，一是就近取电，在ONU用户房间就近为ONU供电；二是在距离允许的情况下，从接入机房随皮线光缆一块布放电线给ONU设备供电。

第一种方式，ONU的电源供应由使用者自主管理，运维人员难以主动发现从分光器到ONU段的链路故障。第二种方式，ONU自带电源供应，虽然可以保证供电的稳定性和可靠性，有助于网管人员主动发现设备线路故障，但背离了PON网络在中间节点无源的初衷和优势，同时，随光缆布设电线，又额外增加了原材料成本和施工成本。

另外，ONU设备的安装位置也是个难题，本身ONU设备不能像双绞线的信息面板一样可以嵌入式安装，只能在墙上显式安装。安装位置过低，在日常使用中容易被人为破坏，环境中的水汽、灰尘等也会影响ONU的通信质量和使用寿命，安装位置过高，既影响房间美观，也不利于后期的巡检维修等工作。

5 结束语

基于PON的组网方案源于运营商推广，是一种新的组网方式，可以采用多种不同的技术路线具体实施，不能简单地说哪种技术更好，必须实事求是，结合建设场景进行综合分析论证。 PON技术组网方式在校园网中的实际应用案例并不多，在网络开放性、兼容性、稳定性、可靠性、灵活性、安全性、强性价比、网络控制策略性和对智慧校园业务支撑等方面仍有些经验不足，对校园网管理者来说，可供借鉴的经验近乎为零，对实际的建设效果和建设投入有诸多顾虑。但是PON技术组网的无源适应性、多业务承载能力等优势对校园网的性能提升具有一定的借鉴作用。

目前各高校校园网主流实现技术是传统以太网，这种组网方式在高校校园网多年的运行管理实践中已经形成了相对成熟的体系和稳定的方案。因此，在校园网的建设改造过程中，各校应根据自己的实际情况，结合建设场景，充分考虑校园网的用户高密度、多元化应用需求强烈、智慧校园业务承载能力强、内部数据交换流量大、网络控制策略复杂等特点，结合PON技术的优点来选择施工方案，实现新技术与传统架构的“优势互补”，将所有网络通信业务都整合到一张二层大网中，更有利于校园网的扁平化，更好地应对校园网应用的需求，为学校的教学、科研、管理提供更加优质、快捷的服务。

参考文献：

[1] 黄清海.PON在校园网部署的利与弊[J].中国教育网络，2022（7）：67-68.

[2] 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.

[3] 全光网络技术及发展[EB/OL].（2022-02-09）[2022-12-20].https：//www.renrendoc.com/paper/192434493.html.

[4] 园区网的建设方案对比：PON和以太网[EB/OL].（2020-05-11）[2022-12-20].https：//www.sundray.com.cn/feedback/1880.html.

[5] 陈永杰.众议：高校如何部署全光网？[J].中国教育网络，2021（12）：13-17.

【通联编辑：代影】