全光网会客厅 | 四川大学：校园光网建设的研究与思考

栏目介绍

伴随“光进铜退”时代的到来，基于新一代信息技术演化生成的通信网络基础设施——全光网的建设，对促进各领域高质量发展起到关键的支撑作用。尤其是在高教领域，当“光”与教育信息化相遇，便一拍即合地碰撞出无限的智慧创新火花。为此，《高校信息化应用》联合锐捷网络共同推出“全光网会客厅”栏目，邀请作为高教领域全光网探索者、参与者、建设者的专家和学者，分享以往的建设实践和成功经验，探讨未来的建设规划和发展方向，为以全光网为坚实“底座”的高校智慧校园建设献策献力。

自2008年开始，中国移动、联通和电信接连启动了光接入网的建设，但由于政策、产业、技术发展、管理服务等多种原因，并没能普及建设。直到2012年《宽带网络基础设施“十二五”规划》发布，光网络开始规模化在小区部署，逐步实现光纤入户，到2021年我国固定宽带光纤入户占比已达到94%。

随着教育部等六部门《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》、教育部《高等学校数字校园建设规范（试行）》的发布，高校对校园信息化基础设施建设更加重视，纷纷加大投入，进行校园网等基础设施的升级改造，尤其伴随着校园无线网络全覆盖的进程，校园网络在FTTB（光纤到楼）或FTTF（光纤到楼层）的基础上升级至FTTR（光纤入室）实现全光校园网的应用案例越来越多，不断有高校宣布在局部区域或者某个校区建成全光校园网。

通过对全国高校全光网建设情况进行调研不难发现，当下全光网建设主要采用两种模式：一是基于以太网协议的光网建设模式，二是基于GPON/EPON协议的无源光网络建设模式。

四川大学从2020年开始进行大规模无线网建设，计划三年内达到3.5万个AP部署，加之新科研大楼、高层公寓乃至新校（园）区的建设，都需要我们对网络技术进行审慎研究，确定符合学校实际的建设方案。本文尝试对上述两种光网络技术方案对比，及对高校不同场景的需求进行解析，进而提出对校园光网建设的研究与思考，以期为高校全光校园网建设提供借鉴和指导。

光网络技术路线发展状况

以太网作为一种局域网（LAN）技术，自1973年发明以来，已经历40多年的发展历程，成为当前应用最为普遍的局域网技术。从最初3—10Mbit/s的传输速度开始，目前以太网技术已可支持400Gbit/s的传输速度。为了适应场景与应用的多样化，以太网技术也支持2.5Gbit/s、5Gbit/s、25Gbit/s等差异化速率。目前园区以太网物理架构通常由核心、汇聚、接入三层构建，基本已实现FTTF，校园网全光改造将实现FTTR。体量较小的学校也可简化结构，由核心、接入两层构建校园网，而体量大的学校如果条件具备可以将核心和汇聚层放在一起，通过波分技术提高光缆资源利用率，实现校园网从核心机房到接入侧的无源传输。在下一代互联网技术领域，我国主导完成多项IETF标准，在IPv4/IPv6互通、路由协议、网络安全等领域影响力显著。

GPON是基于ITU（国际电信联盟）2004年制定的宽带无源光综合接入标准，其组网架构由局端设备OLT、用户端设备ONU/ONT以及光分配网ODN组成，其上行速率约为1.25Gbps，下行速率约为2.5Gbps；2016年10G GPON(XG-PON)标准通过发布，其上行速率约为2.5Gbps，下行速率约为10Gbps。2021年4月ITU-T通过了50G PON系列标准。

EPON技术由IEEE802.3 EFM工作组进行标准化。2004年6月，IEEE802.3EFM工作组发布了EPON标准——IEEE802.3ah （2005年并入IEEE802.3-2005标准）。在该标准中将以太网和PON技术结合，在物理层采用PON技术，在数据链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现以太网接入。2020年7月IEEE 802.3ca工作组 25G/50G EPON标准获得批准。

光网络技术对比

以太全光网与PON在技术特性以及管理上，有诸多不同，下面将从以下几个方面进行对比：

多业务专网融合

在电话网、计算机网和有线电视网三网融合上，运营商在家庭用户中广泛使用了PON技术。相比而言，在校园网中，业务需求更为复杂。以教室为例，教室中设备繁多，业务复杂，全光网建设必然需要在一张网络上承载多种业务与应用，目前无论是以太全光网还是PON在功能上均可实现专网业务的划分与管理。在实现方式上PON可以基于ONU设备、ONU以太网端口以及波长进行专网的划分，以太网主要以虚拟专网、波分复用等形式实现。

宽带保障

按照目前网络主流的带宽配置，无论以太光网还是PON网络都能满足日常应用。以太光网是上下行对称，PON中则有上下行对称与不对称之分，而终端带宽与分光比相关。在横向流量传输上，PON因所有流量须绕行OLT，在传输效率及带宽保障上稍逊于以太光网，虽然采用上下行对称方案可以解决上行带宽保障问题，但是建设成本将大大提升。以太光网的二层流量则可以直接本地转发，效率更高。

安全性

在限制病毒扩散方面，因为在同一网络中以太网相邻主机在接入二层交换机下即可完成互通，PON则须绕行OLT实现互通，PON更容易管控。在多种不同场景下的安全监控方面，以太光网在接入端的安全控制、流量识别、安全协防、网络质量监控等功能更加丰富，从而有更多手段进行管控。在IPv6环境下，为了加强源地址验证，以太网中可以进行SAVI/SAVA技术，对真实源地址进行定位和溯源，但当前PON组网下对IPv6下SAVA与SAVI还无法支持。在不同专网间的隔离方面，PON可以进行切片的硬隔离，以太光网主要以虚拟专网和波分复用的方式实现。

稳定性

PON组网中，由于分光器是无源器件，汇聚稳定性上优势明显；分光器到OLT采用单条光纤链路连接，单点故障风险高、影响面广，如果进行双归属保护技术，则会明显提高光纤占用以及建设成本。以太光网可以使用虚拟化技术，通过端口聚合技术实现两条光纤同时工作，在保障业务高可用的情况下还增加了带宽保障。因此在主干链路及设备保障上以太光网更有成本优势。

配置管理

校园光网建成后，大量的ONU或交换机如何便捷地管理与维护就显得格外重要。PON组网和以太光网均可对大量的设备进行灵活的管理维护，可以实现设备的批量配置下发、即插即用、快速替换等。

弱电间管理

EPON和GPON技术很好地解决了全光网络最后一公里问题。主干光纤到小区或楼栋后，采用分光器分成多根光纤入室，每个（套）房间共享带宽，大量节省了主干光纤资源的同时还回避了取电难的问题，在设备汇聚层就可以无源建设，汇聚机房将更加绿色节能。以太光网汇聚机房仍需有源的交换机，当用电功率大，还需要考虑通风、制冷等问题，也可像前面所述采用将核心和汇聚放在一起，通过波分复用技术提高光缆资源利用率，实现校园网从核心机房到接入侧的无源传输，但此种方案相对PON来说对核心机房和管道资源的要求还要高。

建设成本

随着现在网络应用的发展趋势，新建网络基本上都是10G以上汇聚，XGPON建设成本与以太全光网相差不大，XGSPON的建设成本还相对较高。另外，不同厂家的PON产品很难兼容，这将对用户的后期设备更新及扩容的成本控制造成很大困扰。

应用研究与实践

由于高校校园网除了给用户提供基础的网络服务，还需支持对网络应用的研究与实践，如IPv6下的SAVI技术研究、网络技术试验、反向组播业务等，这些研究与实践更多是基于以太网环境。

校园网不同场景下业务需求对比

高校校园网主要应用场景为：教学、科研、办公、宿舍等场景，其中，教学、科研、办公场景的网络需求都较为复杂，在网络建设中我们将这三类场景归为一类。

1. 教学、科研、办公场景主要特点

网络需求多样化。教学场景中，多数高校已建成规模化智慧教室，教室内部署多种教学设备，如中控、摄像头、大屏、电子班牌，小组互动屏等都需要接入网络，用于支撑教学、直播、录播、远程互动、教学督导等业务，师生个人终端也需要随时接入网络开展课堂互动教学；科研场景中，则存在有线无线上网、科研设备入网、共享打印机入网、科研系统入网等多业务网络需求，以及物联网、计算机应用、网络安全等专业基于网络的科学研究需求等；办公场景中，除了有线无线上网，也存在特殊业务系统入网、打印机等共享设备入网、监控及报警系统入网等需求。以上需求对网络带宽、时延、高可靠性、特殊带宽保障、横向流量等性能都提出了更高、更多个性化的要求。

管理维护难度大。高校里网络建设及运维基本都是由信息化部门统一管理，学院及业务部门众多，教学、科研、办公环境不定期的改造、装修甚至是改变布局是常态，由此对网络点位、功能的需求经常变化，网络管理和维护难度大，对网络的冗余提出了更高要求。

网络部署环境比较友好。在教学、科研、办公楼宇里，基本做到每层楼都有弱电间（井），楼道桥架也基本都有设计，房间和公共空间取电也比较便利。

2. 宿舍场景主要特点

网络需求相对单一。和教学、科研、办公场景相比，学生宿舍的网络主要需求是个人有线无线上网，不存在复杂的教学、科研、办公设备入网需求，而门禁、远程抄表等网络需求在实际中一般都由专网负责。

管理维护简单。学生宿舍由学校宿舍管理部门统一管理，不存在随时发生布局改动等可能，网络点位、功能的需求在较长的时期内不会发生变化，管理维护工作重点在于新生入校前做好全面检修，以及日常为学生提供技术指导。

网络部署环境比较苛刻。在学生寝室取电涉及学生电费、电路负载、寝室是否通宵供电等因素而不易实现，老旧寝室里也不易有合适位置安装ONU或交换机，新建学生宿舍可以在设计时一并解决。

不同场景下光网络方案的选择

基于以上分析及学校网络的实际情况，在光网络改造实践中，我们确定了以下原则：

教学、教科、办公场景

                            

优先选择以太光网络方案，并根据现有楼宇条件（比如楼宇大小、弱电间条件、主干光缆资源等），结合核心机房情况，选择采用无源或有源的以太光网络。新校区建设，则采用以太无源光网络方案。

宿舍场景

已有宿舍楼宇选择以太光网络方案，寝室光AP采取集中供电方式进行供电。新建宿舍或整体改造的宿舍场景下，PON网络方案与以太光网络方案均能满足需要，学校将根据项目体量、区域环境、技术成本等综合考虑，选择合适的技术方案，寝室光AP采取本地取电，对于非通宵供电寝室，则需单独铺设电路。

（作者：四川大学 信息化建设与管理办公室 崔亚强 冯雯 姜少杰 顾震苏）