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南京航空航天大学校园全光网络建设的思考与实践
来源:高校信息化应用 | 作者:刘勇 | 发布时间: 2022-03-02 | 563 次浏览 | 分享到:
伴随教育信息化2.0的推出,高校的教育信息化建设也“游”入深水期,高校纷纷把夯实信息化基础、提升信息化水平作为了高校信息化建设的“重头戏”。在网络建设上,有很多全光网建设高校和南京航空航天大学一样,面临着一些现实问题。基于网络建设面临的突出问题,南京航空航天大学在大的政策环境下,对网络技术发展趋势进行充分的分析研判,并结合学校教育教学对网络的切实需求,开始着手推进校园全光网络建设。

刘勇 南京航空航天大学信息化处副处长


今年“两会”,“千兆光网”首次被写入政府工作报告,明确要加大5G网络和千兆光网建设力度,丰富应用场景。国家《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中也提出,要加快推广升级千兆光纤网络。“千兆光网”作为我国“十四五”期间“新基建”的重点建设方向,与5G并列和协同互补发展,则意味其已成为了国家新发展阶段的一项重点工作。




在政策支持下,我国的“千兆光网”快速发展,目前已实现29个省(直辖市、自治区)的千兆套餐商用,70个省级运营商的千兆套餐商用。毫无疑问,我国固网宽带正在加速迈入F5G时代。


F5G是以10GPON、Wi-Fi6和200G/400G等技术为代表的第五代固定网络,主要服务固网、光纤、宽带的接入服务。


2019年6月,中国宽带发展联盟发布的《千兆宽带网络商业应用场景白皮书》指出,F5G的10大典型商业应用场景包括在线教育、智慧家庭、平安城市、智能制造、企业上云、远程医疗、CloudVR、社交、游戏、云桌面。


2020年2月,欧洲电信标准协会(ETSI)面向全球发布ISGF5G,同年,ETSIISGF5G主席在BBWF2020线上F5GPanel会议上发布《F5G代际定义》,归纳总结了F1G到F5G各个代际的关键特征,明确了F5G的超大宽带(eFBB)、全光联接(FCC)、极致体验(GRE)三大特征。事实也表明,从F1G的语音时代开始,F3G的视频时代改变了我们的生活,F5G的VR/千兆时代则正在悄无声息地改变着我们的社会,其中就包括其对高校教育教学的改变。


伴随教育信息化2.0的推出,高校的教育信息化建设也“游”入深水期,高校纷纷把夯实信息化基础、提升信息化水平作为了高校信息化建设的“重头戏”。在网络建设上,有很多全光网建设高校和南京航空航天大学一样,面临着一些现实问题。


  一是空间资源上,校园网接入系统和铜缆不断增多,空间趋于饱和,限制学校信息化发展。


  二是网络适应上,原有网络规划不能完全适应现在的教学、办公、生活、娱乐等多方位需求。


  三是网络性能上,网络接入速率不高、无线信号不强,影响师生上网体验和工作效率。


  四是维护难度上,弱电间设备及线路多,潜在故障点较多,可靠性低且维护困难加大。


  五是安全隐患上,弱电间有源设备较多,对温湿度、电力、环境等均有要求,存在一定的消防安全隐患。


基于网络建设面临的突出问题,南京航空航天大学在大的政策环境下,对网络技术发展趋势进行充分的分析研判,并结合学校教育教学对网络的切实需求,开始着手推进校园全光网络建设。



中国工程院院士,中国互联网协会理事长邬贺铨指出,F5G应该是固定的、固网的、光纤的,面向5G时代及未来,实现全联接。F5G全光网络将构建坚实的承载基座,支撑“千兆光网”建设发展,与其它通信技术相比,具有着优越的技术特点。


架构方面,全光网络在核心层放置OLT,接入层放置ONU,无源分光器代替了传统网络的汇聚交换机。架构上与传统网络对比,一是实现网络扁平化,大大节省了机房和布线,且大二层架构能够灵活应对新业务需求;二是实现无源光网络,优势在于免取电、免弱电机房,ODN免运维,减少故障点并提高系统可靠性,网络容量可根据分光比调节,减少了潜在的火灾风险;三是实现一网多业务,在数据、安防、PC、传统语音一网承载的同时,还避免多网建设和维护。


传输介质方面,全光网络具有传输介质超长寿命、超长传输距离和减少重量及节省空间的三个优势。首先,全光网络传输介质超长寿命,升级免改动。光纤以玻璃芯、塑料套、加强筋为材质,耐腐蚀且抗高盐、高湿环境,使用寿命可达到30年。其次,光纤传输距离长,是普通网线的400倍。光纤能够覆盖40/60km,半径20km的全光无源网络,一次部署,预留带宽升级空间。最后,以接入相同业务所需要的布线来进行比较,光纤减少重量、节省空间。与网线对比,光纤可节省90%的重量和空间。


技术演进方面,下一代全光接入支持100GPON演进,并能实现“一纤多业务”。在优势上,一方面带宽平滑演进且无需更换平台,带宽随业务增长且布线免更换;另一方面,校园网、物联网、无线网、安防网、IPTV、语音等校园多种承载网合一,新业务上线灵活可扩展。


成本方面,所有技术上的优势,最后转化成为成本上的优势。相对比,全光网络省设备、网络、用电、开通、维护、升级、空间、线缆,在时间成本和经济成本上都有明显优势。



“十二五”期间,南京航空航天大学对教育信息化的投入不多,校园网络建设整体较为缓慢。为满足教育教学的各种需求,学校在“十三五”期间集中发力全光网络建设,校园网络发展逐渐进入快车道。


2017年,南京航空航天大学开始借鉴运营商、家庭宽带接入经验,考虑校园全光网络建设方案,并进行方案论证。2018年,正式开始智慧教室网络建设和标准化考场专网建设。从2019年到现在,完成了天目湖校区校园网建设和南京教学办公区光网络改造。目前,一些新建改造项目已经正式启动实施。


南京航空航天大学于2018年首次采用PON技术构建校园网,对将军路校区的一栋教学楼采用GPON架构,并选用三种不同类型的ONU,其中,8口POE、4口POE主要用于录播、WiFi等流量较大设备的接入,普通4口ONU主要用于接入电脑终端、数字时钟等设备。随后,学校又在明故宫校区和将军路校区两个校区分别进行了标准化考场高清升级,在校园内大规模采用PON技术独立组网,通过延续将军路校区教学楼的GPON组网方案,满足了标准化考场高清视频监控上传的带宽需求。


天目湖校区全光网建设在2019年正式启动实施,建设项目按照超宽、极简、开放、智慧、安全的设计理念,对校区全光校园网络进行设计。


  校区楼宇采用10GGPON架构,PON口下行速率10Gbit/s、上行速率2.5Gbit/s;


  宿舍区采用1:32分光比、办公区采用1:16分光比;


  会议室、实验室等采用24口ONU,其余全部采用8口ONU部署。


同时,为避免业务更改频繁进入核心机房,在核心机房附近设置专用光纤接入机房,内部设置若干光纤交接箱。


项目建设体现出了“大带宽、高安全、低延时、高可靠”的特点:“大带宽”即单波100G,助力多校区多院系科研交流、多业务综合承载;“高安全”即一网多用,光层电层管道硬隔离,OTN网络天然确保业务高安全;“低延时”即硬管道确保时延可控,误码可优,高品质传输;“高可靠”即环网冗余链路,保证可靠。最终实现三校区光纤波分高速互联。


学校明故宫校区和将军路校区教学科研区光网络改造的一期建设内容涵盖两个校区的所有办公区、实验区、教室、食堂等建筑,并希望通过对这些建筑的改造来实现三个目标。


  首先,要在现有扁平化架构的校园网基础上采用光纤入室设计,建设一张覆盖全校区的光接入网,以一根光纤融合承载有线接入、无线接入、语音电话等业务,实现多场景和全业务的统一承载,降低建设成本。


  其次,使用无源ODN网络替代弱电间有源设备,减少有源设备和弱电间数量,消除弱电间的安全隐患,并通过光网络的特性提供比传统网络更高的可靠性、稳定性,简化日常运维、配置和管理工作。


  最后,通过室内ONU承载无线AP,优化室内无线信号的同时,实现有线无线的融合,增强用户互联网使用体验。


通过两校区全光网络改造的实施,实现了光纤入室,万兆到房间、千兆到桌面,有线接入速度大幅提升,预留出大的升级空间;实现了教学办公区无线网络高质量覆盖,食堂、教室、会议室等场所使用户无线体验大幅提升;实现了弱电间无源化,极大消除了安全隐患;退出了57间不再使用的弱电间;线缆大幅减少,实现线缆清晰整洁和智慧感知。



在校园全光网络建设的过程中,南京航空航天大学的教育信息化从业者,从F5G与5G融合、多业务融合、PON网络保护等维度,对校园网络建设进行了深入思考,以及对未来的展望。


一是F5G与5G融合的思考。考虑设置专用APN和公共APN,普通业务使用专用APN高优先级默认承载,用户通过MEC连接本地IDC,连接内网和Internet;普通消费者业务,使用公共APN建立默认承载,通过大网5GC核心网连接Internet。目前,学校已开始探索MEC部署方案,计划在用户侧机房部署MEC节点,分析需要对接的承载网络,判断具体需要对接网络。方案落地后,校园大规模的业务流量在本地产生、本地终结,并通过下沉部署的MEC将本地业务数据直接分流到本地部署的服务器,避免流量在核心网的迂回,减少了业务传输时延。


二是多业务融合的思考。一方面,探索ONU的数据流汇聚到OLT,进入校园核心网;另一方面,探索ONU的语音流通过OLT与运营商IMS系统连接,完成固话语音的接入。


三是PON网络保护的思考。PON网络保护包括Type B保护和Type C保护,两种保护又有单归属、双归属两种形式。Type B保护方面,在双归属的组网场景中,两台OLT处于主备状态,不能同时转发报文,当出现主用OLT上的光纤断裂、主用OLT故障、主用OLT PON口故障、主用OLT上行链路故障(仅在联动倒换场景下)、主用线路质量劣化的情况时,便会触发自动保护倒换。Type C保护方面,在双归属的组网场景中,ONU与两台OLT之间的两条PON线路分别处于主备状态,同样不能同时转发报文,当出现输入光信号丢失(LOS)、ONU掉线、OLT或ONU硬件故障、OLT上行链路故障(仅在联动倒换场景下)的情况时,会触发自动保护倒换。




(本文根据南京航空航天大学信息化处副处长刘勇在“2021年CERNET华东北地区教育信息化技术研讨会网络建设分论坛”上的报告整理,整理:李伟)




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