JIANG Kui,LU Lufan,PAN Ling,et al.Construction and practice of all-optical campus network based on gigabit-capable passive optical networks[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2020,37(Suppl.1):184-189.[doi:10.3724/SP.J.1249.2020.99184]
1)深圳大学信息中心,广东深圳 518060; 2)深圳大学电子与信息工程学院,广东深圳 518060
1)Information Center, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China2)College of Electronics and Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China
optical fiber communication technology; intelligent campus; all-optical network; gigabit-capable passive optical networks(GPON); campus network
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2020.99184
备注
为满足智慧校园建设所需的网络环境,针对现今高校传统3层校园网架构存在的弊端,探讨以千兆无源光网络(gigabit-capable passive optical networks, GPON)技术为基础的校园全光网建设.介绍深圳大学三校互联环网设计方案,结合深圳大学丽湖校区的GPON组网案例,进行全光校园网实际落地过程的相关问题探讨.
Regarding to the disadvantages of the traditional three-tier campus network, we discuss the construction of all-optical campus network based on gigabit-capable passive optical networks(GPON)technology to meet the needs of network environment for intelligent campus. At the same time, the design of the interconnections between the three campuses of Shenzhen University is introduced. And taking the GPON networking case of the Lihu Campus as an example, we discusse the problems related to the implementation process of all-optical campus network.
引言
科技的发展使各种互联网技术不断涌现,教育行业也开始应用新兴互联网技术,校园信息化建设逐步由数字校园向智慧校园迈进[1],高校校园网在整个校园信息化建设中起着至关重要的作用.现今的高校校园网主要还是以核心层、汇聚层及接入层为代表的3层或多层架构.该架构最明显的弊端在于网络层次较多,设备故障定位难度大,设备维护管理困难.除此之外,校园师生人口不断增多,上网并发量加大,对校园网络带宽的要求增大,网络性能要求增高,该架构在接入层尚不能满足用户高带宽的接入需求.同时,随着校园业务应用扩大,需要在原有主干网上新增大量异构子系统,这也加大了校园网管理难度[2].因此,传统的基于3层的校园网架构已不能适应由于校园智慧化进程所带来的校园网各类业务、应用的快速拓展以及对校园网络精细化管理的要求,校园网络架构扁平化是校园网建设的必然趋势[3].现代校园亟需一个结构简单、高速稳定、维护方便,以及安全可靠的网络.
自各运营商实施光进铜退战略以来,光纤和全光网技术得到广泛应用[4].全光网是一种利用光纤连接全网络节点的技术,通过利用光纤代替铜线,以光节点代替电节点,使信息在网络中以光的形式传输,能够极大提高信息的传输速率.相较于传统网络,全光网具有网络结构简单、低时延、高带宽、多场景多业务统一接入、纤芯资源耐用、安全可靠,以及集中管理等特点[5].将全光网技术应用于校园网,能够在一定程度上提高网络性能,并同时满足校园网络带宽需求,其全光二层架构减少了网络层级,能够大大降低校园网管理维护难度.本研究在简要阐述千兆无源光网络(gigabit-capable passive optical networks,GPON)技术基础上,介绍深圳大学三校互联全光网设计方案,并根据深圳大学丽湖校区的GPON组网实施案例,探讨校园全光网在实际落地过程中存在的问题及其解决思路.
1 GPON技术
随着宽带中国的持续推进,光纤接入即无源光网络(passive optical network, PON)接入方式已经成为最主要的接入方式[6].PON是一种光分配部分由无源器件组成,无需各类电子电源的网络架构.传统PON一般由光线路终端(optical line terminal, OLT)、光分配网络(optical distribution network, ODN)以及光网络单元(optical network unit,ONU)组成.PON技术从早期的窄带PON发展到如今的宽带PON,经历多个阶段,不同组织也制定了不同标准,本研究主要介绍深圳大学组网所用的GPON技术.
GPON是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准[7].这种宽带接入技术具有高效率、高带宽、覆盖范围广和用户接口多等优势,是目前接入网业务宽带化和综合化改造最理想的一种技术[8],其整体网络架构如图1.
GPON网络架构主要由3部分组成:① 光线路终端主要部署在中心机房等汇聚节点位置,其上接汇聚层,为整个网络提供与上层的接口,下连用户端分光器,实现对各类终端设备的控制与管理; ② 光分配网络上接OLT下连光网络单元,实际包括位于二者之间的所有基础元件[9],主要功能是分发下行数据并集中上行数据; ③ 光网络单元主要功能是选择性接收来自OLT的广播,同时将用户数据上行发送给OLT.
GPON的数据复用方式如图2,其利用单纤双向传输,整个系统采用波分复用技术,上下行采用不同波长进行数据承载,上行采用1 290~1 330 nm波长,下行采用1 480~1 500 nm波长.为分离同一根光纤上的多个用户信号,下行数据流采用广播技术,上行数据流采用时分多址(time division multiple access, TDMA)技术.
业务数据在GPON中是以GPON封装方式(GPON encapsulation mode,GEM)的形式传输,GPON还提供面向连接的通信.GPON数据下行方式如图3,业务数据被封装于GEM帧后通过GEM端口下行,广播到该GEM 端口下的所有ONU设备,ONU根据数据头部信息进行数据过滤,仅保留属于自己的业务数据,并将其解封装后送入用户设备中.
图4为GPON数据的上行方式,为完成上行传输数据时TDMA的时隙分配,GPON利用传输容器(transmission container, T-CONT)进行上行带宽分配.业务数据被封装成GEM帧之后,根据GEM 端口和T-CONT队列的映射规则将其放入对应的T-CONT队列中.T-CONT队列在其上传时隙中将数据发送至OLT,OLT接收后将其解封装,并从指定的上行端口发送出去.
2 深圳大学全光网设计方案
3 深圳大学丽湖校区全光网应用案例
3.1 全光网拓扑结构图7为丽湖校区全光网的拓扑结构.丽湖校区作为深圳大学的新校区,采用全光网的网络架构.丽湖校区全光网选择将OLT放置在4个汇聚机房,每个汇聚机房放置2台OLT,实现1+1冗余备份及双上联保护,主干链路Type B双归属保护.同时将校园网和设备网接入部分融合为一张网,通过无源光局域网共同承载,简化网络结构,融合后OLT上行采用10 GE光口分别与现有核心交换机对接.ONU设备选型则是多规格匹配,可满足校园全场景覆盖,不同类型的业务走不同的业务通道实现业务隔离,同时通过加密技术确保业务安全.
3.2 ONU及OLT的选型在全光网的实际落地过程中,需要全面考虑设备的选型问题.特别是ONU及OLT设备的选择,这不仅要考虑当前学校各个场景数据接入点的需求及设备的成本,还需考虑未来扩展的可能.
在OLT设备的选择上,根据不同场景所需的PON口数,配置不同的OLT设备.如丽湖校区北区宿舍PON口需求较大,考虑到未来扩展的可能,北区宿舍部署2台240个PON口接入能力的OLT,选择双归属保护,预留45个PON口接入能力.
而在ONU设备的选型上,需具体考虑每个场景所需要的数据和电话接入点.如传统的2人科研办公室,每个办公室需要2个数据接入点以及1个电话接入点,因此,选择部署1台4 GE+2 POTS用户接口ONU,覆盖2个科研办公室,实际用到了全部4个GE网口和2个POTS电话口.
教室作为未来智慧校园的重点建设目标则需要预留更多的接入点,如丽湖校区的计算机教室目前需要102个数据接入点,4个AP接入点以及1个监控点,理论上只需107个接入点,然而考虑到建设未来智慧教室需要加入的各种设备,在教室选择部署5台24个GE口的ONU,预留了13个GE口以备未来扩展.
3.3 全光网的管理针对整网光纤链路的管理问题,OLT利用光时域反射仪进行链路检测,通过网管平台对光纤链路实施主动监控轮询和异常自动预警,提前发现风险隐患,减少故障发生; 同时网管平台还提供精准故障定位,利用快捷的故障定位手段,缩短故障恢复时间,实现高效故障查找及修复.
除此之外,通过网管平台对全光网进行可视化管理,实现全网拓扑可视、详细资源可视及设备仿真面板可视,同时借助平台实现业务自动发放,简化业务发放过程.
4 结 语
随着智慧校园建设的不断深入,其对于校园网的依赖程度必定越来越高,大二层架构的全光网组网应用将以其独特优势在各大高校校园组网中日趋普遍.3校互联的全光网建设作为深圳大学“十四五”中的底层支撑体系,在智慧校园的建设中扮演关键角色.在其全光网的设计方案中,充分考虑3个校区之间的联动选择以环状构网,提升3校互联的可靠性; 结合学校现状以及未来发展需求建设OTN站点,提升3校互联的实用性; 通过各个校区OTN站点上部署的流量控制策略,提升3校互联的安全性.其中,在丽湖校区的全光网实际落地案例中,根据整个校区各个场景接入点需求以及未来扩展的可能来部署OLT和ONU设备,既满足了当前需求,又为未来扩展预留空间; 同时,通过网管平台对光链路进行管理,实现全光网的高效运维.今后,随着5G技术的成熟,研究将探索5G和全光网技术的融合,通过建设一个结构简单、高速稳定、便于维护及安全可靠的智慧校园网络,更好满足未来各种智慧校园新型业务的需求,进一步推动深圳大学智慧校园的建设发展.
2.1 深圳大学校园网现状深圳大学智慧校园建设的目标是努力成为中国高校智慧校园示范,建设智慧教育,实施创新驱动,为智慧深圳作相应支撑.当前深圳大学校园网存在以下问题:① 在基础设施上,学校地底的光纤数量不足,严重阻碍校园网建设; ② 在业务使用上,校园网不足以支持学校智慧校园应用系统,新旧楼宇间无线覆盖程度不一致,制约了一些应用的扩展; ③ 在网络架构上,传统的3层校园网架构网络层级多,网络存在单点故障,运维成本高.
因此,本研究提出支持智慧校园运行需完成的关键基础设施建设,包括:① 3个校区的环校地下光纤管网建设; ② 覆盖3个校区全楼宇及3校互联的全光网络; ③ 基于混合云模式构建的新一代数据中心.
全光网的建设向下依托于地下光纤管网,向上为数据中心提供高速连接服务,是3大关键基础设施建设中最为核心的内容,具有十分重要的意义.
2.2 深圳大学全光网设计深圳大学拥有粤海、沧海和丽湖3个校区,在“十三五”期间建设了连通粤海校区和丽湖校区的数据传输网络,但是沧海校区与其他两个校区间的数据通道尚未建设,缺乏有效的网络断点保护能力.本设计将建设覆盖3个校区互联互通的全光网络,提供100 Gbit带宽资源,后期可通过扩容板卡平滑扩展,在3校区开通N×100 Gbit带宽,充分满足校区间的数据传输需要,大大提升网络的可靠性.通过全光网建设,使校园网能够承载更多的业务,并提供更优质的服务,更好满足5G时代各方面业务和数据发展的需要.以下进一步阐述设计原则及设计方案.
2.2.1 设计原则1)统一规划,分段实施.
3校区要统一规划、网络体系结构以及通信协议标准.对于保障多业务支撑的整个支撑平台,可规划为多个功能模块和多级别带宽,同时可根据需要分期分段实施和扩容.
2)先进适用,方便扩展.
采用符合网络技术发展方向和先进、成熟、适用的技术与设备,为多业务发展预留足够的可扩展空间,以满足不断增加的新应用带宽需求,以及3校区之间的互联互通需求.
3)开放与统一标准.
3校区光传输网络(optical transport network,OTN)站点技术的选择必须符合相关国际和国内标准,避免个别厂家的私有标准或内部协议,以确保网络的开放性和互联互通.
4)建用结合,注重实效.
以建设促应用,通过校园网建设推动3校区之间各种智慧校园应用工作的顺利开展,真正发挥平台的作用.
5)超前性与实用性结合.
既要考虑先进性,但也不能过分超前,以避免造成设备投资的浪费与技术风险,注意超前性与实用性相结合,确保投资有效,使之能真正发挥相应作用.
6)安全性与可靠性.
安全性与可靠性是整个网络建设中的重中之重,要通过各种技术确保安全性和高度可靠性,保证网络业务的正常应用.
7)可管理性.
可管理是一项重要原则,通过选择全网的可管理性软件,支持良好的维护、测量和管理手段,提供网络统一实时监控功能,达到3校区统一管理.
8)可扩展性.
可扩展性是必须提前规划的重点,不仅要能够满足当前需要,而且随着后续教学方式的改变、智慧应用的增加以及技术的发展,网络需要承载更多的业务并提供更多优质服务.
2.2.2 设计方案本方案在3个校区数据机房分别建设一套OTN站点.每个站点之间通过租赁运营商光缆方式进行连接,将3个校区OTN设备构成环网,通过环形网络架构为3校区网络稳定性提供坚实基础.OTN站点建设需充分考虑学校现状及未来发展需求,采用40个波长通道(具备平滑演进到80个波长通道的能力),每个通道100 Gbit的配置能力,真正达到3校区三网合一,统一规划、统一管理,实现深圳大学粤海、沧海和丽湖3个校区网络的高速可靠、互联互通.
图5给出三校互联的网络拓扑图.目前丽湖校区和粤海校区各有一台波分设备通过两对运营商光纤互联,具备线路侧1+1保护.本项目将在粤海校区—沧海校区、丽湖校区—沧海校区之间新增两对运营商光缆,实现3个校区之间的线路侧光纤自动切换保护系统,同时通过子网连接保护方案,对线路板之间的所有单点故障提供保护,实现3校区之间每段光纤链路的业务级环网保护,在任一光缆出现故障时,网络可通过环形网络的另一端进行数据网络传输,极大提升骨干层网络可靠性,并实现智能数据传输路由,通过OTN站点设备进行流量控制分析以及安全策略部署,根据分析结果选择较空闲路由进行数据传输,通过策略部署提高整个环网的安全性.
图6为深圳大学全光网整体架构.目前丽湖校区已采用全光网络,下一步计划对粤海和沧海校区进行全光网络建设.3个校区通过OTN设备构成稳定的数据交换环网.校区核心交换机作为集中转发设备,OLT做为中心汇聚设备,上行N×100千兆以太网(gigabit ethernet, GE)连接上层设备,N×10 GE连接分校区数据中心,下行光纤到房间连接ONU,无线接入控制器(access client, AC)旁挂OLT,对无线接入点(access point, AP)进行集中管控.
OLT采用Type B双归属保护[10],确保整体光链路的端到端保护.针对智慧教室、虚拟现实以及增强现实教学、多媒体远程互动教学,本方案采用万兆无源光网络[11](10 Gbit/s passive optical network,XGPON)或万兆对称无源光网络[12](10 Gbit/s symmetric passive optical network,XGSPON),以提供大带宽、低时延承载,同时支持平滑向50 G PON演进,无需更改网络布线.除此之外,结合不同场景的业务带宽需求,可选用2:8、2:16及2:32的分光比,进行教学、办公、宿舍及监控等业务承载.同时整个网络在与5G网络的融合中,可支持5G前传,无需另建光纤网络.
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