GPON技术在职业学校基础网络建设中的应用

徐辰

摘要：高带宽的校园网是职业学校今后智慧校园建设的基础保障。GPON是实现网络接入的重要技术，被运营商广泛应用。其技术特点符合职业学校基础网络建设的要求。本文从GPON技术概念、GPON组网原则和结构、网络带宽与分光设计、ODN光损耗控制等方面进行了阐述。为職业学校改建、新建校园基础网络给出了一种重要选择方案。

关键词：校园基础网络；GPON；分光；光损耗

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）16-0046-03

2016年江苏省教育厅发布了推进职业学校智慧校园建设的通知，该通知中指出“智慧校园建设的核心内容是支持职业教育教学模式和管理服务体系的技术系统和相应的组织体系。智慧校园为学生、教师、管理人员和校外人员等提供集成的智慧化的教学、科研、管理、公共服务、文化生活、社会服务和决策支持服务，促进学生和教师信息化职业素养的全面发展”[2]。同时公布了《江苏省职业学校智慧校园建设评价指标体系（2015版）》，从师生发展、应用服务、数字资源、基础设施、组织保障五个部分提出了具体的建设要求。建好、用好智慧校园，是职业学校适应新时代发展的重点工作。

智慧校园的建设涵盖多个方面，应用服务和数字资源建设目前增长速度最快，因此对网络基础设施建议也提出了更高的要求。2015年教育部发布了《职业院校数字校园建设规范》，指出“职业院校校园网络建设目标是建设一个实用、高速、运行稳定可靠以及安全可控的校园网络，为学校的资源共享、教育教学、职业训练、学校管理和网络文化生活等校园信息化应用和服务提供满足服务质量要求的网络支撑环境”[1]。所以建设一个高效、稳定、可靠的基础网络是智慧校园稳定可靠运行的保障。

1目前职业学校校园网络基础现状

在目前发展时代，对于职业学校的校园网基础建设的标准各级行政部门已经制定，如江苏省教育厅制定的《江苏省职业学校智慧校园建设评价指标体系（2015版）》中，对于校园网的要求是：万兆校园网；有线无线全覆盖；光纤接入，出口带宽高；网络运行安全、运行稳定。目前为达到这个目标，在网络硬件基础建设方面，各职业学校主要采用了三层网络架构（核心层、汇聚层、接入层）来建设校园网络。采用万兆的核心层、汇聚层的交换机和千兆的接入层交换机，来保证整个校园网的正常运行。

随着智慧校园的进一步建设，职业学校校园网不只是满足基本上网功能，更加要求能在校园网上承载更多的业务功能。特别是为师生提供更加丰富便利的学习条件，如提供多样化的数字网上学习资源（视音频、文本等）、虚拟仿真实习实训资源、数字图书资源等。云技术的快速发展，使得云桌面技术、私有云等应用也逐渐在职业学校中出现。这些应用和技术的使用，会产生更多的网络流量，对网络基础环境提出了更高的要求。同时网络中数据更趋于南北方向的流向，终端用户向中心服务器获取数据是校园网中主要数据流。传统三层网络架构是不能充分发挥设备性能来满足这些带宽密集型应用的需求，容易产生网络拥塞现象。

职业学校与高等院校相比，校本的网络管理维护力量是比较匮乏的，技术水平也相对较低。往往在保障校园网高效运行方面显得力不从心。经过近十几年的发展，不少学校的铜缆布线系统也逐渐出现各种各样的问题，需要进行更新。

因此便于易管理、易部署、易维护、高性能、高可靠的网络技术方案是职业学校校园网在改建、新建时的首选方案。无源光网络（GPON）是一种可供选择的技术方案。

2 GPON网络概述

PON（无源光网络技术）最早于20世纪80年代由英国电信公司的研究人员提出。PON技术主要有三种形式：APON、EPON、GPON。

GPON（Gigabit-Capable PON） 技术是基于ITU-TG.984.x标准的无源光综合接入标准，GPON最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1 和G.984.2的制定，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化。从而最终形成了GPON的标准族[3]。

无源光网络在用户和局端之间只要通过光纤和光分路器等无源光器件进行连接。其典型结构如图1：

GPON的构成与所有的无源光网络一样，由OLT（光线路终端）、ONU/ONT（光网络单元/光网络终端）和ODN（光分配网络）三部分构成。OLT是无源光网络的核心设备。其部署在局端，向上连核心网络侧设备，向下汇聚用户侧ONU/ONT。ONU/ONT为用户侧提供多种接口接入网络，可以为用户提供数据、语音、TV等多种业务的接入。ODN由无源分光器和单模光纤组成，连接OLT和ONU/ONT。

GPON技术能够同时承载多种业务数据，能够很好地完成数据、语音、TV的三网融合。其主要特点有：

l 可靠性高：GPON属于无源光学网，从局端到用户侧之间无有源电子器件，这意味着基于有源设备存在的潜在故障在GPON系统中大大降低，同时，由于网络组件数量少，因此故障点也将相应减少。

l 传输距离远：在GPON环境下OLT到ONU的最远物理传输距离可达20公里。

l 传输速度快：可支持上下行对称和不对称多种线路速率，下行速率2.488Gb/s，上行标称速率支持1.244Gb/s。

l 安全性高：根据GPON的信号传输原理，ONU不能监听其他ONU上行信号。同时OLT和ONU之间采用ONU注册机制和密钥机制，保障合法ONU才能接入网络。提高了网络接入安全防范性能。

l 可扩展能力强：由于OLT与ONU之间是无源连接，当有扩容需求，只要通过增加相应的OLT业务接口板卡扩展PON接口和增加光分路器即可增加ONU连接数量，扩容非常方便，同时目前的GPON可过渡到10GPON。

l 维护方便：GPON系统能够提供集中的运营管理与维护，支持对OLT、ONU的集中管理/远处监控/远处调测/远程维护/远程在线升级等功能。ONU配置信息可自动从OLT获取，当用户端ONU损坏时只要换上新的ONU即可获得相关配置信息，无须手工配置，极大地降低了网络管理人员的维护工作量。

正是因为GPON的诸多特点，使得GPON成为目前网络运营商提供家庭高速宽带连接的主要方式。运营商的广泛使用也证明了GPON是非常适合终端用户高速、便捷的接入核心网。

3基于GPON的职业学校校园网设计

在无源光网络技术中，根据光纤深入用户的程度，可分为FTTC（光纤到路边）、FTTZ（光纤到小区）、FTTB（光纤到大楼）、FTTF（光纤到楼层）、FTTO（光纤到办公室）、FTTH（光纤到用户）等。在校园网的设计中，为了便于网络设备的维护管理、隔离用户、提高用户网络质量，综合考虑各方影响，建议采用FTTH的组网方式，使光纤到达终端用户。

具体设计需包含以下几个方面：

（1）总体设计原则

校园网是一种用户高密度的网络，在网络中既有大量用户，还有大量联网设备（如监控、传感器等）。因此校园网一般包含了数据网和设备网两个基本功能网络，职业学校的校园网应建成易管理、易部署、易维护、高性能、高可靠的网络。校园基础网络总体设计原则：

扁平化：借鉴网络运营商的家庭宽带接入网络建设的思路，校园网总体架构应采用扁平化架构。所谓扁平化的网络架构，将网络划分为业务控制层和宽带接入层。宽带接入层由汇聚和接入层设备构成，仅提供基本的用户高带宽接入功能和相互之间的 VLAN二层隔离功能；业务控制层则由核心层设备构成，提供网络中的用户接入控制、业务功能实现等复杂功能[4]。

精细化：传统的职业学校校园网通常是只满足用户的网络互通需要，从而缺乏用户管理控制。精细化管理网络是强调基于用户的控制，他可以基于用户账号，实现基于用户的控制。能够对网络中的使用者，实现基于用户身份的行为控制、流量访问记录和审计，实现对使用者身份、网络 IP 地址及访问行为的识别[5]。对于用户接入校园网，通过准入准出认证实现用户的实名制访问和精细化管理。

（2）GPON网络拓扑结构

网络拓扑结构是网络的抽象示意图，基于GPON的校园网可以采用如图2所示的基本结构。在该结构中OLT和ONU组成了接入网，OLT通常和核心交换机一起安放在网络中心，下行通过ODN和ONU与最终用户和设备终端相连。校园网核心通过核心交换机和BRAS设备完成业务层功能，实现用户精细化管理。

（3）带宽规划及分光方案

GPON的下行速率为2.488Gb/s，为满足用户到核心之间100Mbps的基本带宽。在ODN系统中建议采用一級分光，无源分光器采用1：8分光比。ONU使用4口千兆ONU。按此方式可初步计算出到ONU的带宽为311Mbps。考虑到分光器的冗余度，分光器端口使用率在60%左右，即用5个下行分光口，则可计算出每个ONU的带宽可达497Mbps。该带宽均为用户端直接到达网络中心的带宽，优于采用汇集+接入交换机模式下的带宽。

ODN中分光器设置在楼层弱电间，通过皮线光缆连接到终端用户所在房间。

（4）光通道损耗规划

GPON网络中连接中心和终端用户的ODN采用全光路方式，只有ONU到用户电脑直接才会使用极短的铜缆。因此ODN的光通道损耗值是GPON网络下最重要的性能指标。光通道损耗主要由分光器的插入损耗、光缆本身的损耗、光缆熔接点损耗、尾纤/跳纤通过适配器端口连接的插入损耗构成，各部分损耗可参照光损耗参数表（表1）。GPON网中ODN的光通道损耗必须控制在26dB以下。

ODN光通道损耗计算公式为：损耗=L×a+n1×b+n2×c+n3×d+e+f （dB）。其中a表示光纤每公里平均损耗（dB/km），L为光纤总长度（Km）；b表示光纤熔接点损耗（dB），n1表示熔接点的数目；c表示光纤机械接续点损耗（dB），n2表示机械接续点的数目；d表示连接器损耗（dB），n3表示连接器数目；e表示光分路器损耗（dB）；f表示工程余量，一般取3dB。

为降低光通道损耗，必须减少机械连接点数量，减少分光级数。为此在ODN光通道设计中应尽量采用一级分光。光纤连接部分尽量采用熔接方式，减少机械连接。因此当选用1：8光分路器，光缆总长度在5Km以内，只在OLT接口、分光器接口和ONU接口处使用机械连接，其余需连接处全部采用熔接方法（4段计），另外考虑工程余量。则ODN光通道损耗总计为5*0.25+0.1*4+0.5*3+10.5+3=16.65dB，小于26dB，完全可以满足工程要求。

（5）中心设备的选择

根据GPON方案的结构特点，整个网络的流量负载主要集中在网络中心的OLT设备和核心交换机上。目前主要的OLT设备的背板交换能力可达7 Tbit/s，核心交换机的交换容量也在50Tbps以上，包转发率在7200Mpps以上，能很好地处理用户的并发请求。在OLT和核心交换机之间才有多个万兆口进行连接，可以保障网络高效通信。

4 总结

信息化技术在职业学校中广泛应用，必然要求职业学校校园网能够为信息化教学活动保驾护航。GPON技术目前技术成熟度高，在家庭高速网络接入中被广泛应用。其维护管理比较方便，用户之间的干扰小，故障率低，技术架构符合扁平化发展趋势。同时光纤布线系统的使用寿命要比铜缆布线系统长，单位价格又远低于铜缆。目前已经有不少院校已经开始使用GPON技术建设校园网，如江苏经贸职业技术学院、常州工学院、南京工业职业技术学院、南京师范大学附属中学等。因此GPON技术是职业学校基础骨干网络新建和改造的重要选择之一。

参考文献：

[1] 教育部.教育部关于发布《职业院校数字校园建设规范》的通知[EB/OL].[2015-01-15].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A07/moe_967/s3054/201501/t20150119_189492.html.

[2] 江苏省教育厅.江苏省教育厅关于推进职业学校智慧校园建设的通知[EB/OL].[2016-01-15].http：//www.jsve.edu.cn/articles/2016/01/21/58802.htm.

[3] 百度百科.GPON[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=yWU2ZzU3G0h0ceqvHlGfVsYtWUZ-q3dcNnoCcO16AzViZIIj-L8X2zoT29KZCJJuhDNAHkM135Pcvaqce8gbO_

[4] 张代华，陈宓宓，章翔飞，马骏，蒋玉宇，. 基于扁平化和精细化管理的校园网基础平台建设[J]. 软件，2014，（8）.

[5] 李白燕. 基于扁平化架构精细化管理校园网络方式探究[J]. 中国教育信息化，2016，（17）.