中南大学全光网赋能高校创新发展

文/黎胤 王斌 文叶青

2021 年3 月，教育部发布《高等学校数字校园建设规范（试行）》，指明了高等学校智慧校园的规划、设计、建设和实施的标准，指出校园网络的建设目标是构建包含无线网络、有线网络和物联网等多种形式的融合网络，为学校的人、事、物提供随时随地的接入，支撑学校教学、科研、管理、服务和园区运行业务的信息流转。2021 年7 月，教育部等六部门联合发布的《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》中指出，教育新基建重点方向之一是信息网络新型基础设施，要提升学校网络质量，提供高速、便捷、绿色、安全的网络服务。

为适应新基建国家战略和未来网络趋势，加快推进“互联网+教育”的步伐，提升教育教学质量，满足师生日益增长的信息化服务需求，中南大学信息化建设开始探索智慧校园的“中南模式”。以“三个千兆”网络（千兆光网、5G、WiFi 6）为载体，以“F5G+5G+物联网”为核心技术构建一个全联接、全感知、全智能的智慧校园一张网，建立健全学校智慧校园治理体系，实现人人、时时、处处的泛在智慧教育目标。

F5G 全光承载 开启“一张网”工程

中南大学建设规模大，占地面积317 万平方米，6 个校区，校区位置分散，在校学生6 万余人，教职工6 千余人，校区拥有13500 余间宿舍，500 余间教室，3000 余间办公室，用网需求量大，业务场景复杂。在核心网络方面，校区间互联无保护链路，组网架构存在隐患。在师生用网方面，学生宿舍区和教学办公区有海量终端业务，场景复杂、综合布线混乱，设备故障率高，存在安全隐患。部分区域没有无线网络覆盖，网速慢，师生体验感较差。在教学科研方面，校内科研、医务、会议、教学等专网传输对资源要求高，网络设备安装环境复杂。在网络运维方面，缺少极简易懂的可视化管理，校内部署和网络管理效率低，运维成本高。

针对现有网络问题，中南大学开展智慧校园“一张网”工程建设，采用F5G（第五代固定网络）技术统一承载，即建设一张稳定可靠、多网融合的全光校园网络，实现高带宽、大流量，无线网络全覆盖，高效智能运维，提升师生网络应用的幸福感，全面促进智慧教育创新发展。

升级核心网络 构建新型技术底座

中南大学智慧校园“一张网”工程采用统一规划、分期建设的思路，项目自2021 年开始实施，实现了核心网络的升级改造，构建了校区互联环网，完成了教学办公区网、学生宿舍网、学术资源专网、教学业务专网以及科研专网等多种业务网络，多网统一承载，有线无线一体化升级，WiFi 6 无线网络全覆盖，网络管理平台智能化管理，全面构建了智慧校园新型技术底座。中南大学校园网络总体架构如图1 所示。

图1 中南大学校园网络总体架构

搭建校区骨干环网

“一张网”工程首先对校园核心网络进行升级改造，将核心网骨干带宽从80G升级到200G，部署SDN控制器，实现一网多用，业务智能部署。通过F5G 的光传输技术OTN 设备将各校区核心互联，构建OTN 环网。学校在核心机房部署100G 的OTN 光传送设备，形成50 毫秒快速切换保护的环网，应用DWDM（密集波分复用）技术的OTN 支撑全校多校区专线快速部署。通过波分复用，实现最大单纤4T 业务容量，校区间互联带宽自主掌控，校区环网的建设为视频会议、财务专网、大仪共享专网、平安校园、阳光厨房等专网提供独立通信通道，加强网络保护，提升自愈能力，能够满足未来10 年的校际互联传送带宽需求。

升级全光承载网络

校园网络总体架构进行了全光网改造，一张物理网络对科研、办公、教学、宿舍、物联、一卡通、医疗和财务专网进行统一承载，业务逻辑隔离、按需开通。宿舍区和教学办公区实现有线无线融合一张网，实现高带宽接入，支持物联网扩展，通过SDN 控制器交换机、PON、无线设备统一管理，实现全网设备的自动化上线，有线无线的上网、认证策略统一执行。

1.XGS-PON+IoT 的全光宿舍网。学生宿舍区采用XGSPON+IoT 的全光网，根据部署区域及接入业务的带宽需要，灵活布放ODN（光纤分配网）网络设备，通过光纤将ONU 设备延伸到每个宿舍。ONU 多端口统一承载学生上网、水电表等物联网业务，线缆资源可节约80%，大大提高业务应用效率。部署了统一的认证、计费平台，对学生上网行为统一认证、权限控制、流量计费和行为审计。

2.XGS-PON+WiFi 6 的全光教学办公网。教学办公区采用XGS-PON+WiFi 6 的全光网，光纤部署到每个房间，根据场景需求部署接入设备，实现万兆光纤到房间，千兆到桌面。采用10G PON 时隙隔离的方式进行业务隔离，匹配不同业务的时延、带宽要求，支持实验室，计算机实训室，智慧教室等多场景教学任务。

建设全光科研专网

中南大学学科门类齐全，涵盖哲学、经济学、法学、教育学、文学、理学、工学、医学、管理学、艺术学10 大学科门类，有国家级重点学科19 个，国家级创新平台28 个，附属医院4 个。校内专设教务教学、大型仪器共享、科研服务等业务专网，对网络资源要求高，网络设备安装环境复杂。中南大学采用XGSPON+5G 切片技术支撑中南大学冶金、轨交、医学（远程诊疗、远程紧急救护）等学科的应用创新。利用光纤优势，解决实验室场景线缆易被化工物质腐蚀、电磁干扰严重问题。机房部署OLT，下沉ONU，解决设备种类多、空间跨度大、部署难等痛点。

1.有色金属。学校有色金属学科涵盖了“地、采、选、冶、材、工”体系链，担负引领和支撑国家有色金属产业发展的重任。学科实验需要进行开采场景模拟、冶炼化工废弃物处理等，对网络传输介质的抗腐蚀、抗氧化能力及广覆盖能力有极高要求。

2.轨道交通。轨道交通学科涵盖了完备的轨道交通学科体系群，支撑我国铁路的六次大提速，助力城市轨道交通发展领跑世界。模拟系统中传输网络需要屏蔽信号的干扰，对稳定传输控制信号的稳定性有极高要求。

针对学校有色金属、轨道交通特色学科的信息化，中南大学采用XGS-PON 技术有效解决了设备种类多、电磁干扰严重、粉尘及化工物质易于附着、普通线缆易被腐蚀老化、空间跨度大等难题。无源分光网络的扩展能力大大提升了有色金属和轨道交通特色学科信息化改造的效率和可靠性。

3.医学临床。作为我国创办最早的西医高等学校之一，中南大学医疗学科体系集群享誉中外。如今，中南大学湘雅医院已发展成为我国重要的临床诊疗、医学教育与科技创新中心。医学学科承担多个重大研究课题，需要网络具备超大带宽、超低时延、超高安全性、融合5G 切片等技术能力，能够支撑远程诊疗、教学融合。

针对医学学科的信息化，学校在院内利用XGS-PON 技术的良好扩展性及大带宽能力，有效整合诊疗仪器和专家资源。XGS-PON 打造一张全光物联网，满足一秒钟下载1000 张PETCT 影像的高速率要求。同时，院内引入专用切片的5G 网络搭建了低时延接入网络，通过下沉的UPF 实现医疗数据与公网数据隔离，保障医疗数据安全性，与运营商5G 医疗专网对接实现了院内外医患资源对接。XGS-PON 加持5G 切片技术支撑了中南大学及下属学科远程诊疗及远程紧急救护。

统一网络运维管理

学校建设了校园网统一运营运维管理平台，集“监-控-管-视-析”于一体，统一监控，智能分析，自动运维，流程高效，实现了监、控、管、营、服全生命周期管理。统一网管系统对动环、机柜、主机、网络、应用等在校多层级设备进行统一监管，校园网络设备在线情况直观可视。多种图像图表可对园区内数据、资源、故障实时感知，并且告警、报错，可实现运维操作自动化。平台可以有线、无线、波分一体化运维，利于设备间联动问题查找，方便管理员实时查看。设备即插即用，即换即通，分钟级上线，ONU 可配置模板统一下发，缩短设备上线与开通时间，大大降低了设备部署成本。

完善网络设施 改善用户体验

中南大学打造了一张面向未来的网络，建设了教学办公网、学生宿舍网、无线覆盖网三张示范性网络，智能管理运维平台对校内网络做到精细化管理，大仪共享平台、校园一卡通、教学专线、智能物联网等网络服务质量提升，大大改善了师生用网体验，构建了全联接、全感知、全智能的智慧校园。

核心网络稳定保障智慧教育有序开展

校园网络升级后，能为校园提供“高速、便捷、绿色、安全”的网络服务。全光网络极简架构，10G PON 速率上下行对称10G，实现万兆入室，千兆到桌面，充分发挥大带宽、高并发的优势，实现极速性能、可靠体验、智慧组网。网络时延倒换持续小于50 毫秒，网络时延再度降低，整体降低50%，设备故障率降低80%，高速可靠。无源光网络减少了机房、桥架、防灾等设施，无源光器件代替汇聚交换机，减少了80%的弱电机房空间，节省了弱电机房的建设费用和日常运行电力资源消耗，节约30%的网络运营费用。光纤介质低碳环保，生命周期长，面向未来可持续扩展。

融合网络构建智慧教育泛在连接环境

学校采用F5G 全光网技术实现校园有线无线融合部署，全校13500 余间宿舍完成有线无线一体化改造，83 栋教学办公楼完成光网改造，500 间公共教室实现无线网全覆盖，统一身份认证上网流程及配置，构建了时时、处处、人人可学的泛在网络环境。如图2 所示，师生可以在办公区、教室、宿舍、图书馆等场景随时随地接入网络，上网课、看视频、语音通话畅通无阻，连接稳定且快速移动不掉线，移动办公、学习、校园生活管理需求得到满足。学校开通教学业务专网，充分保障跨校区教学业务稳定可靠，教学设备远程可管、可控、可视，教室环境物联网智能管理。同时，满足视频会议网络稳定、大带宽、低延迟的特殊要求，较好支撑了多校区视频会议业务。

图2 中南大学智慧教育教学办公多种业务场景

全光园区部署智慧教育多元应用专网

F5G 全光网络解决了传统教学科研网络难题，实现了教学基础网络与轨道交通、医疗、金属冶炼等特色专业的深入融合，将学校建设成集教学、科研、生产和社会服务于一体的综合性校区。具体内容如下：

1.全面升级医疗场景下的湘雅校区。湘雅校区通过XGSPON 技术的良好扩展性及大带宽能力将诊疗仪器、专家资源有效整合。如图3 所示，校区网络支持远程医疗教学，同时设置培训室，可离线、在线学习，直观展示手术现场，远程展示医疗器械的使用。在影像会诊室、远程门诊中，无需抵达现场即可远程医疗会诊，给医患双方带来了极大的便利。校内专设医疗教学、医疗研究实验室，助力人才培养和科研产出，支撑医教研一体化，有效提升医学校区智慧医疗场景。

图3 中南大学湘雅校区全光园区场景

2.全光网络有效支撑复杂科研场景。铁道校区拥有土木工程和交通运输工程2 个一级学科国家重点学科，实验区设备数量多、种类杂，实验厂房多粉尘，电磁环境复杂。铁道园区建设，采用两层有源架构，机房部署OLT，ONU 下沉，解决设备种类多、空间跨度大等难题，实现140 公里长距覆盖，“0”机柜部署，部署效率提升30%。光纤替代双绞线，抗电磁干扰，带宽不受限，平滑演进至50G，TCO 下降30%。科研网、安防网、办公网三网合一，无源器件免运维，故障率低，运维效率提升了60%。充分利用光纤，解决实验室场景线缆易被化工物质腐蚀、电磁干扰严重等问题。

运维平台智能提升智慧教育服务质量

校园网统一运营运维管理平台建设完成后，校园网络管理更加智能化和专业化。平台包含了管理、运维和服务等功能，实现了有线网络、无线网络和物联网的统一管控，大幅降低管理运维难度，节省了人力成本。运维人员轻松上手，一人管理一园区，多种垂直业务专网智能纳管，集中部署，精准识别校园网络内外连接情况、网络整体健康情况、设备联网状况、业务情况等网络运营状态，排查潜在风险，做到精细化管理，高效保障智慧教育网络质量。图4 为F5G 校园网统一运营运维管理平台效果图。

图4 F5G 校园网统一运营运维管理平台效果

面向未来 耕耘不辍

这些年，中南大学持续深化校企合作，与基础电信企业、互联网企业加强技术攻关和协同创新，共同促进全光网络生态繁荣。中南大学F5G 智慧校园建设，实现了教学更智能、科研更创新、管理更高效。“中南模式”智慧校园全光网解决方案，经受住了全校6万多用户的考验，为高校信息化建设提供了新思路和新范式。

目前来看，建设智慧校园，打造更加智能化的新型学校环境是现代学校数字化转型的必然趋势。面对数字时代的冲击，高校如何进一步提升网络服务质量，提高网络整体效能，精细网络运营运维，网络配置更加智能便捷，科学挖掘网络数据支撑教学、科研以及人才培养？这仍旧需要各个高校信息化工作者行而不辍、持续探索，为高校智慧校园建设探寻新模式、新路径，夯实智慧校园数字底座，有效促进高等教育创新发展。