基于GPON技术的智慧校园基础网络设计

赵文斌

摘要：随着互联网技术、物联网技术、云计算和大数据分析技术的快速发展，校园信息化建设进入智慧校园阶段，智慧信息服务[1]在学校教学、科研、管理和校园生活中的作用越来越大。智慧校园以其对校园全面的数据化及对数据的广泛使用，来实现智慧校园的“智慧”；而校园业务数据的采集、传输离不开高性能的基础网络。昆山二中专将于2019年8月整体迁入新校园，新校园的基础网络及智能化项目的规划设计，以江苏省职业学校智慧校园建设评价体系为引导，综合考虑未来5-10年智慧校园的发展趋势，遵循“三网融合”的理念，基于GPON技术制定了合理的、可扩展的、适当超前的规划方案。

关键词：智慧校园；智慧信息服务；基础网络；GPON技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0017-03

Abstract： With the rapid development of Internet technology， Internet of things technology， cloud computing and big data analysis technology， campus information construction has entered the stage of intelligent campus. intelligent information service [1] plays an increasingly important role in school teaching， scientific research， management and campus life. Smart Campus realizes the "wisdom" of Smart Campus with its comprehensive data and wide use of data， and the collection， transmission and storage of campus business data can not be separated from the high-performance basic network. Kunshan No.2 Technical Secondary School will move to the new campus as a whole in August， 2019. The planning and design of the basic network and intelligent project of the new campus will be guided by the construction evaluation system of the intelligent campus of Jiangsu Vocational Schools. The development trend of the intelligent campus in the next 5-10 years will be considered comprehensively. The concept of "three networks integration" will be followed and the GPON technology will be adopted. Reasonable， extensible and appropriate advance planning.

Key words： smart campus； intelligent information service； basic network； GPON technology

隨着互联网技术、物联网技术、云计算和大数据分析技术的快速发展，校园信息化建设进入智慧校园阶段，智慧的信息服务在学校教学、科研、管理和校园生活中的作用越来越大[2]。智慧校园的综合信息服务平台基于全面智能感知的环境数据，提供面向师生的个性化定制服务；智慧信息服务全面进入学校的学习与服务领域，实现共享与协作；大数据分析为校园精准扶贫、防欺凌预测与心理健康分析等提供了依据，为智慧管理提供了基础。

2014年江苏省昆山第二中等专业学校（以下简称昆山二中专）《一体化学校服务平台及移动校园建设项目》获批苏州市智慧校园示范校建设项目，经过方案评审及现场答辩，学校被列为苏州市首批智慧校园示范校建设单位。经过近四年的建设，于2017年12月顺利通过专家组的现场验收。2019年8月昆山二中专将会整体迁入330亩的新校园，新校园业务数据的采集、传输离不开高性能的基础网络，建设遵循“三网融合”理念、基于GPON技术的基础网络显得十分必要。

1 智慧校园概念

随着教育信息化进程的不断推进，校园信息化建设已演变为智慧校园建设，各级教育主管部门和学校都在积极推进智慧校园的建设。智慧校园的核心是坚持以人为本，以服务为导向，利用信息技术来方便师生的学习与校园生活。智慧校园以其对校园全面的数据化及对数据的广泛使用，来实现智慧校园的“智慧”，如智能考勤、能源监管、学习行为分析、互联网数据、物联网数据，涉及面广，应用广泛，前景诱人。

2 GPON 技术

2.1 GPON 技术的系统组成

GPON（Gigabit-capable Passive Optical Networks）是一种灵活的每秒吉比特级光纤接入网，它以ATM信元和GEM帧承载多业务，更简单、通用、高效地支持全业务。GPON系统主要由OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）、ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）、ONU（Optical Network Unit，光网络单元）三部分组成[4]。

OLT是GPON的核心设备，与各建筑物内的分光器通过光纤连接，是核心网与ODN之间的接口，OLT具有管理ONU、实时监控、带宽分配和运行维护等功能；分光器与ONU连接，ONU位于工作区，向终端设备提供数据、视频、语音等业务。ODN是由OLT和ONU之间的光缆以及无源器件组成的网络[5]。GPON系统组成如图1所示。

2.2 GPON 技术优势

随着GPON技术普及和商用规模的不断扩大，GPON组网设备及配件成本逐年下降，GPON组网实现的全光网成本已经与传统的“光纤+铜缆”组网模式成本接近。同时光纤具有传输距离远、不受电磁干扰、高带宽、传输质量稳定等特性，使其成为最合适的组网用传输介质。

GPON的技术优势主要体现在三个方面：（1）高带宽、远距离传输。采用光纤传输，接入层的覆盖半径20KM；GPON技术下行速度2.5Gb/s，上行速度1.25Gb/s（物理层）[6]；（2）绿色节能，维护简单。GPON组网ODN中设备均采用无源器件，线路和终端设备易于维护。（3）支持全业务，可以实现“三网融合”，满足高带宽业务的需求，如课堂直播、高清视频等。

3智慧校园网络设计

3.1 需求分析

昆山二中专新校区占地330亩，容纳师生规模约为6000人，建筑物总共有五种：宿舍楼（4栋）、教学&办公楼（6栋，普通教室201间、实训室57间、教师办公室106间）、图书馆（阅览室、会议室、接待室、办公室、舞台等）、食堂（学生餐厅、教师餐厅、办公室）、体育馆（健身房、舞蹈教室、小球室、库房、休息室、看台等）。校园网络采用无线和有线相结合的方式，有线网络采用GPON全光网，光纤入室，无线网络通过AP置于公共走廊或者室内进行无线网络覆盖。

校园网络应具有较高的网络传输带宽及充足的覆盖面以满足学校多媒体交互教学、视频录播、在线学习点播、视频会议等广泛应用的需求，并且网络应该覆盖到学校所有教育和管理的活动场所，实现全校师生的快速联网及应用交互。校园网应具备良好的可靠性和稳定性，同时具备良好的QoS保证及安全性，并且还要具备先进性和可扩充性。校园网络要建设成完整统一、组网灵活、易扩充的弹性网络平台，能够随着需求变化，留有扩充的余地[7]。

3.2 总体设计

采用GPON网络覆盖宿舍楼、教学&办公楼、图书馆、食堂、体育馆等，光纤入室；接入层选用一台OLT设备作为接入网的核心。OLT设备与两台校园网核心交换机分别采用3条万兆链路互联，与设备网核心交换机采用2条万兆链路互联，如图2所示。在校园网的核心部署用户接入认证和计费网关，网关与核心交换间采用万兆口互联，承载多运营商。

在校园网的核心出口部署两台BRAS设备，既作为用户接入认证和计费网关又作为校园网核心出口路由器，两台设备间启用VRRP+，BFD for FRR等冗余保障及链路故障倒换协议[8]，使得两台设备互为热备，在用户接入会话数和流量上进行1：1负载分担。由BRAS设备提供集中的业务控制和管理，便于功能和业务的部署[9]，确保设备具备较好的处理性能，BRAS设备采用热备或虚拟化技术，保障业务和设备的高可靠性。接入设备提供二层透传和VLAN隔离功能，不涉及业务功能，在全网部署新业务和新应用时，只需包含基础功能，设备运行可靠高、稳定。

3.3 系统详细设计

3.3.1 网络主干布线图

校园内建筑物根据用途和规模与网络中心机房采用48芯、24芯、12芯单模光纤连接，设计如图3所示。

3.3.2 综合布线详细设计

根據对学校的需求调研以及系统总体设计，规划出建筑物内详细布线方案，下面以宿舍楼为例，对综合布线进行详细分析与说明：

（1）宿舍楼每栋楼有一个弱电井；

（2）工作区：每间宿舍设置1个多媒体信息箱、1个面板AP、3个信息点。活动室、管理用房、配套用房各设置1个信息点；

（3）水平区：寝室信息点需要预留管到信息箱，每个信息点预留86盒和空白面板。寝室间信息点施工界面为敷设管盒以及空白面板。面板AP需要预留管到信息箱，水平线缆采用六类非屏蔽双绞线，穿线时需要经过多媒体信息箱再到楼层管理间；

（4）弱电间：1#、2#宿舍楼弱电间分布在3F、5F、8F、11F、13F，其中8F为主干光纤入楼界面。3#、4#宿舍楼管理间分布在3F、6F、9F、12F，其中6F为主干光纤入楼界面；

（5）垂直干线：相应楼层弱电间敷设12芯单模光缆，并直接熔接至主干48芯单模光缆上。1#、2#楼3F、5F、11F、13F每根垂直光缆熔接9芯到主干光缆上，8F熔接12芯到主干光缆上。3#、4#楼每根垂直光缆熔接12芯到主干光缆上。

3.3.3 接入认证设计

本方案中，所有用户或设备必须经过认证后，才可以接入校园网。终端设备种类繁多，BRAS可以针对不同接入场景使用不同的认证方式，只有认证通过后才有访问权限。学生宿舍区、办公楼等地用户集中，可以使用PPPoE、Portal方式认证，网关设备将用户的账号/密码发送到认证计费服务器进行认证，决定用户是否合法。认证通过由网关设备给用户分配IP地址等信息，同时后台记录用户获取地址的相关信息。例如：用户MAC地址、IP地址、上线时间、上线区域等信息。

办公区域打印机等设备采用DHCP获取IP地址，且由BRAS做dhcp bind策略，从而达到设备每次获取固定IP地址。移动设备因多数无法使用客户端拨号软件进行拨号，所以使用portal认证方式。

4 结语

该设计方案以满足实际教育需求为基本前提，围绕教学和管理的核心需求展开，基于先进信息技术的发展和新型教育理念进行创新设计，力争为师生提供一个智慧的、便捷的、人文的智慧校园。智慧校园基础网络设计方案已经过华为技术论证和昆山市信息中心的审核，目前正处于施工招标阶段，预计于2019年4月完成全部施工和调试。该方案中可能存在不足，将会在实际施工中根据情况进行实时的调整和改进。

参考文献：

[1] 曹东玉.面向智慧城市的智慧档案馆信息服务研究[D].山西大学，2017.

[2] 阮旭.物联网络 智慧校园[J].信息系统工程，2011（10）：144-146.

[3] 陈培林.关于私有云建设的实践与思考——以常州卫生高等职业技术学校为例[J].电脑知识与技术， 2016， 12（35）：11-12.

[4] 李洪民.基于GPON的高校学生宿舍网方案设计[J].电子世界，2014（6）：123-123.

[5] 薛皖莲.ONT技术在GPON系统中的研究与应用[D].华东理工大学，2013.

[6] 陶生明.白银公司十字街小区GPON光纤接入网改造设计[D].兰州交通大学，2015.

[7] 张云海，林炎.某地市广电城域网升级优化方案分析[J].江苏科技信息，2017（34）：48-50.

[8] 董献芬.民办高校校园网升级改造建设研究[D].山东大学，2016.

[9] 史寿乐.基于QinQ协议的校园网扁平化改造设计[D].安徽大学，2014.

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