一种基于10G以太网无源光网络技术的校园网络优化方案

马永新

(天津商业大学 天津 300134)

0 引 言

伴随着整个社会信息化的高速发展，高校对于信息化的需求也变得越来越强烈，高校校园正在向着数字化、智慧化方向发展，校园用户对于校园网络的带宽和稳定性要求不断提高。在传统的局域网(LAN)组网模式下，比较容易在汇聚节点处形成带宽瓶颈，导致网络不稳定，影响用网体验，如果迟迟不能解决，可能会导致校园网用户怨声载道，甚至形成网络舆情，一发不可收拾。为此学校网络管理部门必须针对这类楼宇进行网络改造，消除带宽瓶颈，提升用网体验。如何在最短的时间内，以最低的成本利用已有各类资源实现网络带宽的有效提高，成为迫切需要考虑和解决的问题。基于以太网技术的无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技术作为新一代的接入网技术，具有组网方式灵活、业务安全性高、传输距离远及带宽高等众多优点，可以很好地满足智慧校园各项业务接入的需求[1]。

1 PON网络

PON是英文名Passive Optical Network的缩写，即无源光纤网络。PON技术是一点到多点的光纤接入技术，一个PON网络包括一个安装于中心控制站的光线路终端(OLT)，一批配套的安装于用户场所的光网络单元(ONUs)，以及在OLT与ONU之间的光配线网(ODN)[2]，其中ODN包含了光纤以及无源分光器或者耦合器，而没有其他贵重的有源电子器件。所谓“无源”便是指在光配线网中不包含任何有源电子器件或电子电源，全部都由光分路器等无源器件组成，如图1所示。

图1 PON网络参考模型 Fig.1 Reference model of PON network

PON网络系统由于使用单芯光纤进行信号传输，加上其多级分光的传输模式，使得所需光纤数量大为减少，甚至完全可以使用现有光纤进行改造。只需采购一定数量的PON设备(OLT+ONU+分光器)，而且PON系统的管理维护也比较简单。另外，PON是一种纯介质网络，很大程度上能够避免其他设备的电磁干扰以及雷电造成的影响，从而减少线路和设备的故障率，系统可靠性得到有效提高，同时也能节省维护成本。总的来说，同有源网络系统相比，PON网络系统具有节省光缆资源、带宽资源可共享、节省机房和设备投资、系统安全性高、组网速度快、综合建网成本低等优点[3]。目前，PON技术在运营商网络中的应用已经比较广泛，甚至可以说是占有绝对主导地位的网络接入技术，说明该技术已经相当成熟，其优势地位已得到了充分体现。

2 10G EPON

在PON出现至今的20多年发展史上，已形成了窄带PON、APON/BPON、EPON和GPON等一系列产品。其中EPON，即基于以太网的无源光网络，是光接入技术中的重要组成部分，具体特征为：一是采用以太网帧结构，与传统以太网天然兼容；二是采用一对多的PON 网络拓扑[4]。目前运营商网络中正在大量使用PON 接入技术的标准主要为10G EPON标准和10G GPON(即XPON)标准。而其中10G EPON 技术作为下一代PON 技术中比较成熟的技术，在某些方面来说更符合现代社会对通信网络发展的要求。因为它同时具备带宽高、可支持分光比高、与EPON 天然兼容、可在原有网管基础上平滑升级等优势。由于10G EPON与EPON一脉相承，几乎将上一代PON网络的网速提高了10 倍，且与国内几家主要电信运营商的宽带规划完美匹配，可支撑国内主要电信运营商中远期网络建设规划目标的实现，也可以大力支撑通信运营商在互联网数据中心(IDC)业务、政企客户业务、家庭客户等方面的持续拓展[5]，尤其适合用于光纤入户(FTTH)的建网场景。正是鉴于它所拥有的这一系列优点，加上相比于传统以太网造价更低廉且与以太网天然兼容的特性，使其成为校园网局部网络改造过程中的一个颇具前景的选择。

3 10G EPON在校园网改造中的应用场景

传统校园网多采用以太网3层架构(核心层、汇聚层及接入层)，其中核心层设备一般位于中心机房，汇聚和接入层设备位于各楼宇内部，属于典型的FTTB组网模式。随着信息化的不断发展，这种传统的有源网络逐渐出现了明显的网络吞吐性能瓶颈，这一问题尤其以上网用户特别集中的学生宿舍区域最为明显。

一般来说，学校范围内不同的区域在建筑结构、网络业务类型、带宽需求等方面存在较大的差异，组网设计也需要根据不同特点考虑采用相应的方式以实现各类网络业务的接入。校园学生宿舍区域属于用户密集型区域，同时存在用户并发数大、带宽需求高、忙时流量集中等特点，而且有相当一部分经常使用实时性业务(视频、游戏等)的用户对于网络质量的要求比较高，传统以太网难以完全满足用网需求。可以选择的组网方式有光纤到楼道和光纤到房间2种模式：对于新建宿舍楼或网络改造难度较小的旧宿舍楼，比较适合采用FTTH的组网方式，使用该方式组网的安全性更好、带宽更高，可以更好地满足当前及今后各类网络业务应用的需要；而对于楼内布线改造难度较大、改造时间和预算较为紧张的老宿舍楼，根据已有线路资源情况更适合采用光纤到楼道(FTTB)的组网方式，该方式可以很好地利用原有线路，快速实现各类网络业务的提供。下面将以学校某宿舍区域的校园网络改造过程为例，说明在校园网优化工作中的方案选择及方向。

如图2所示，本校园网优化方案涉及的学生宿舍区域一共包含1300余间宿舍，每间宿舍4个以太网口，共有超过5000名校园网用户，141台接入设备，5台汇聚设备，也就是说平均每台汇聚设备需要承担约28台接入设备的上行流量。而配置的交换机(包括汇聚交换机和接入交换机)为千兆交换机，同时又受限于当前的光纤资源，该区域网络状况只能是1G(接入层)或者2G捆绑(汇聚层)上行，接入交换机以4～5台堆叠的方式、24～48口混堆，每一组堆叠的交换机接口数量在150个左右，显然这是一种典型的FTTB组网模式。

图2 优化前网络架构 Fig.2 Network architecture before optimization

而当前的网络应用多以云端为主，并且这些网络应用大部分对带宽需求比较高，如视频点播、直播等。加之高清视频、内容加速系统等的应用推广，使得用户在校园网内获取资源的速度可以很快，快到基本上可以将用户侧带宽跑满。这就使得该区域经常会出现很多校园网用户反映网络频繁掉线的问题，网络使用高峰期情况更甚。经技术人员深入现场仔细查看分析，确定问题确实普遍存在，进而分析得知出现该问题的根源就是网络带宽瓶颈，尤其是在汇聚交换机侧的瓶颈问题。

从图3可以很直观地看出，该区域的每一台汇聚交换机需要提供5～6组接入设备堆叠组的上下行数据处理能力，假设每个堆叠组的上行线路利用率达到100%，则需要汇聚设备具备10～12G的上行速率才能保证所有数据连接能顺利通行，而实际上每台汇聚交换机的上行带宽能力仅为2G，其能力显然不能满足高峰期网络数据的连接需求，所以才导致前面提到的经常掉线的问题。

图3 网络瓶颈示意图 Fig.3 Sketch map of network bottleneck

综上所述，该宿舍区域的网络改造势在必行。除了前面提到的PON方案，还有一个当时比较流行的备选方案，即扁平化网络改造方案。简单说就是抛弃原来的汇聚交换机设置，让接入交换机直接上联到数据中心机房的核心高速交换机。扁平化网络改造方案有其较为明显的优点，尤其是能够比较好地解决汇聚设备的带宽瓶颈问题，但这种方案的一个更明显的缺点也是众所周知的，那就是造价昂贵，施工复杂。因为这种改造方案会涉及到大量核心高速交换机及其板卡的采购和光纤链路的布放工程等，而且，结合当时学校的网络建设特征来看，校园网络基础建设已基本成型，新敷设光缆难度较大，造价高，时间长，且会对学校现有路面和建筑内部造成破坏，影响在校师 生的正常工作生活。因此，需要尽量使用校园网络中现有的管线和光纤资源进行改造。

正是由于以上的种种情况，经过学校信息化部门的综合考量以及调研，决定尝试引入前文提到的10G Epon技术对校园网进行区域性的改造。具体改造方式为：将原有的汇聚设备抽离(可作为其他区域网络建设和改造工程利旧使用)，在核心交换机和接入交换机堆叠组之间部署10G EPON相关设备和链路，即OLT、ONU等，如图4所示。在这样的情况下，同样是5～6个接入交换机堆叠组上行链路能够得到的理论带宽支持能力达到10G，相较于改造前的方案有很大的提升，如图5所示。

图4 10G EPON网络改造方案拓扑图 Fig.4 Network optimization scheme topology with 10G EPON

图5 优化前后带宽保障情况比较 Fig.5 Comparison of bandwidth guarantee before and after optimization

通过优化改造，除了能够在很大程度上解决带宽瓶颈问题之外，基于10G EPON技术的校园网改造方案还有如下好处：

①从物理上实现扁平化，所有汇聚的区域全部变成无源的光器件，大幅降低了设备的配置和维护工作量，也减少了故障点数量和故障发生的概率；

②实现端到端的管理，ONU基本零配置，大部分配置在OLT上完成，且配置完后基本不需要调整，也从另一个方面减少设备维护工作量；

③占用的光纤芯数更少了，原本每台汇聚设备需占用2芯光纤，使用10G EPON方案后变成1芯，节省下来的光纤可供备用链路使用。

4 结 语

本文所描述的校园网络优化方案目前已经落地实施，并经过了几年的使用验证，带宽保障效果显著。自从方案实施以来，该区域校园网用户几乎没有出现过类似之前的网络频繁掉线的情况，也极少出现 其他需要赴现场处理的设备或链路相关问题。通过流量监控平台实时监控也能看出，相应区域的上行链路实时和平均流量较改造之前均有明显提升。实践证明，10G EPON的技术方案在校园网改造中具有很好的实践意义。■