最高可达10KM级传输距离！校园全光网技术分析
全光网
指使用光纤取代铜缆作为入户网络传输介质的网络建设模式，包括：GPON（吉比特无源光网络）、EPON（以太无源光网络）及光纤以太网，而可以实现光交换功能的“all optical network”，短期内难以在高校普及。
全光网作为新的组网模式，自2011年初中国电信启动“宽带中国·光网城市”工程以来，已经在运营商行业使用十年，相关技术、设备、建设方案、运维经验已经成熟。
但是高校校园网当前主流模式还是光纤主干、铜缆入户的以太网架构，全光网组网模式还处于探索阶段。
北京城市学院顺义校区（图源学校官网）
2016年北京城市学院顺义校区二期建设采用GPON网络覆盖三个宿舍楼两千二百余间宿舍，拉开高校自建自管全光网的帷幕，并在随后五年不断摸索校园全光网建设、管理、运维经验，取得较好效果。
可以肯定，全光网必将成为校园网技术的重要组成部分，未来校园网必将是以太网、全光网、无线局域网、物联网、移动通讯网等多种组网技术相结合的成果。
校园全光网建设的必然性
2016年，北京城市学院开始建设GPON网络时，从决策角度看略显激进，从实施角度看具有一定风险，从运维角度看缺乏经验。
但是到2021年，校园全光网已经成为可以与传统以太网竞争的组网模式。相信到2025年，全光网应该会成为一种重要的校园有线网络组网模式。
全光网技术优势
作为新型组网模式，全光网入户网络传输线路采用满足G.657标准的弯曲衰减不敏感单模光纤光缆，替代当前主流的六类非屏蔽双绞线，并在户内采用相应设备实现有线、无线接入，甚至语音信号和闭路信号的接入。
光纤入户最大的优势在于带宽，六类非屏蔽双绞线目前最大带宽为1G，而全光网采用G.657标准单模光纤目前已经实现2.5G、10G带宽，根据香浓定理测算的潜在带宽在Tb量级，为六类非屏蔽双绞线的千倍以上，可以充分满足未来可预期的单户带宽需求。
其次，G.657标准光纤目前已经实现千米级的传输距离，最高可达10KM级传输距离，而六类线以太网标准传输距离在100米以内，因此全光网更适合大型、超大型楼宇和楼宇群的覆盖，整体网络架构更简单，网络设备集中安装更容易。
第三，全光网采用光纤作为传输媒介，激光作为信号载体，没有电磁泄漏，不容易被窃听；不受电磁干扰，信号更稳定；在雷雨多发的地域不容易遭受雷击，因此全光网更安全可靠。
全光网资源消耗优势
大量采用光纤替代铜线，能够显著节约铜资源，对于我国铜资源缺乏的现状，更符合国家战略层面的资源分配需求。
光纤信号传输所需功率更小，线路衰减更小，几乎没有热量损失，因此耗能更低，网络设备可以更小更简单，在环保节能方面具有明显优势。
目前常用的室内接入光纤为蝶形引入光缆（俗称皮线光缆），具有体积小，重量轻的优点。同传统六类线相比，其横截面不到四分之一，体积不到三分之一，重量约四分之一，对布线桥架容积，弱电间施工安装空间等环境要求较低，不仅适合新建楼宇布线，对老旧楼宇网络改造也更容易。
皮线光纤价格仅为铜线的四分之一到二分之一，如果采用无源光网（PON）架构，采用分光器代替传统接入交换机，在同等网络性能要求下，全光网造价不会超过铜网的三分之二。因此全光网能够显著减低建设成本、减轻维护工作量、减少供电安全隐患。
校园全光网组网模式分析
全光网最终一定会发展到基于光交换技术的完全的光通信网络，但是目前对高校而言，校园全光网应当是以光纤入户为特征的网络。
从物理层看，传统的楼层弱电间铜缆入户的布线模式，替换为采用皮线光纤入户。
从数据链路层看，接入层到汇聚层数据通讯协议除了以太网，还可以考虑GPON和EPON。
从网络设备看，对于GPON、EPON两种架构，采用OLT（光线路终端）替代楼宇群核心交换机或区域大汇聚交换机，采用分光器替代楼层接入交换机，室内增加ONU（光网络单元）为用户终端提供网络接入服务。
当前校园全光网可以有四种组网模式选择：
传统以太网光纤入户
第一种是传统以太网光纤入户方案。该方案完全采用目前以太网设备，使用普通室内多芯光缆连接上级交换机到户内交换机，户内设备包括盒式ODF（光纤配线架），光纤跳线，SFP双芯光纤模块，带SFP接口的网管交换机（或光电转换器）。
该方案主要问题在于光纤熔接需要专用设备，熔接工艺需要操作人员具有一定经验，整个室内系统成本较高。该方案适合目前所有主流网络厂家设备，兼容性高。
单芯光纤模块的以太网入户
第二种是基于WDM（波分复用）的单芯光纤模块的以太网入户方案。该方案采用单芯光纤（如G.657光纤）入户，光纤末端采用冷接头或热熔尾纤方式进行接口适配，模块可选用SFP单芯光纤模块，并配备带SFP接口的网管交换机（或光电转换器）完成户内终端接入。
该方案优点：光纤配线简单，接头制作成本低。楼宇网络架构采用楼宇（楼群）设备端口直接入户或楼层进行光纤复用，前者对楼宇垂直光缆和楼间水平光缆资源需求量大，后者需要在楼层放置交换机。
缺点在于，光模块两端需要不同波长模块配对使用，对运维工作有一定影响，同时单芯光纤模块最好由厂家提供。
10GEPON光纤入户
第三种是10GEPON（万兆以太网无源光网络）光纤入户方案。EPON标准出身于IEEE，保持了对以太网协议的兼容，支持基于用户侧设备ID的QoS能力。
该方案由于使用无源分光器完成入户光纤到楼层骨干光纤的复用，光传输线路两端设备必须要遵循EPON标准，上下行通信协议完全不同于以太网协议，但是数据帧依然与以太帧一致。
因此，可以在以太网交换机上安装业务板块实现向10GEPON的扩展。
10GEPON是EPON的升级，具备单业务口万兆下行能力，同时支持10GEPON、EPON业务端口混用，具有一定的利旧优势，是某厂商主推的全光网方案。
该方案优点：入户设备至上端接口之间无源，运维压力小，核心设备扩容至10GEPON方便。
缺点在于，由于DBA（动态带宽分配）机制，无源光网络不适合突发上传时延要求短的场景，如服务器区域。目前支持该标准的设备规格较少，需要户内进行传统以太网布线。EPON由于带宽低已经不适合目前建设，10GEPON可能成本较高。
GPON光纤入户
第四种是GPON光纤入户方案。GPON标准出生于ITU-T，同EPON相比，GPON通过GEM（GPON封装方式）实现不同二层协议的支持，使用T-CONT加强二层传输的QoS保证。GPON带宽可达下行2.5G，上行1.25G，单业务端口具有带宽优势。
但是，必须要看到，GPON本身是通信标准而不是计算机网络标准，GPON网络的核心设备只能作为校内的区域核心，而不能是校园网核心。
作为无源光网络技术，GPON依然不适合服务器区域接入。作为GPON的升级版，10GPON提供单业务端口万兆传输能力，目前成本较高，而且业务板不能兼容GPON端口，利旧能力弱。GPON目前是某些厂商的主推技术，经测试这些厂商的OLT和ONU兼容性尚可，可以混用。
全光宿舍网建设实践
2017年，北京城市学院顺义校区二期建设顺利完工，建成宿舍楼三栋共两千二百余个房间，入住师生超过一万人。
由于施工任务紧，施工现场环境复杂，楼宇规模大，房间密集等原因，决定采用GPON技术进行宿舍楼组网。具体实践过程如下：
1.网络需求
每间宿舍容纳4～6人，各宿舍采用一根皮线光纤入户，23～28个房间共用一个PON口，室内安装ONT（光网络终端）设备一台提供有线、无线接入。宿舍上网与认证计费系统对接，室内接入设备能够实现远程管理。
2.设备选型
根据网络需求及当时GPON技术发展情况，选择某厂商OLT一台作为这三栋宿舍楼的网络汇聚点，通过万兆光纤上联校园网核心交换机。
采用1:32分光器，下联各个宿舍ONT，每间宿舍安装ONT一台，提供802.11n标准无线接入能力及100M或1000M以太网接口四个。
3.网络规划
根据楼宇结构，每楼层规划用户VLAN（虚拟局域网）一个，用于宿舍用户终端接入业务，子网掩码21位，IP容量超过两千，采用认证计费系统完成动态IP地址分配。
各房间采用带密码保护的SSID（服务集标识符），无线信道手动分配。每层规划管理VLAN一个，用于宿舍接入设备远程管理业务，子网掩码21位，IP容量二百五十个，按房间号人工分配IP地址，远程管理通过WEB方式。
4.布线结构
每间宿舍于门框上方预留信息箱一个用于安放ONT设备，箱内预留皮线光纤引入管一根，以太网线引入管两根，ONT设备电源线引入管一根。
每层规划弱电间两个，每弱电间安装1:32分光器1～2个，12芯普通单模光缆一根。各层单模光缆汇聚至楼宇进线间，每楼宇布放72芯主干单模光缆一根。楼宇主干光缆汇聚至楼宇群设备间。
5.主要优点
采用全光网技术，省略了楼层接入交换机及楼宇汇聚交换机，大量减少需要管理的网络设备，节约日常运行耗电。
采用ONT设备替代室内ONU+AP的方案，大幅降低建设成本，后续可自由选择符合GPON标准的不同厂家兼容设备。
所有信息箱设备供电线路独立，不与室内照明、插座、动力共用空气开关，有效保障设备供电可靠性。
6.主要问题
受当时技术和设备限制，室内ONT只能提供802.11n标准无线接入能力，在18年以后，学生无线网络带宽、延迟等需求提高后，难以完全保障上网体验质量。
同时，作为家用级GPON接入设备，厂商当时尚未开发统一集中管理平台，用户服务人员日常远程管理ONT设备不方便且无法批量下发配置。
整个GPON系统前期日常运维工作缺乏经验，OLT设备配置、DBA策略优化、无线网络整体规划、光纤线路故障排查等方面历经一年半的摸索才相对成熟。
7.后续工作
随着校园全光网建设需求的提升，网络设备厂家推出了新的架构、新的产品、新的方案，ONU设备功能、性能目前已经能满足一般上网需求，同时也出现了一些新型的专用ONU设备用于特定系统的全光网接入需求。
经过多年运维工作，对网络需求、设备功能性能需求、配置策略要点及优化思路、日常线路检测及故障排查等方面的功能已经具备一定独立处置能力，自建自管经验储备有明显提升。
因此，北京城市学院将在顺义校区三期建设中对校园全光网技术进行更深入的调研和讨论，建设更适合学校信息化工作需要的校园网。
全光网建设要点分析
全光网是一种新的校园网组网模式，可以采用多种技术路线实现，这些技术各有优势，不能简单地说哪个技术方案更好，必须要结合建设场景进行综合分析。
相比传统以太网，全光网并不需要特殊的场地要求和环境要求，甚至对场地和环境要求更低。一般情况下，能够采用以太网组网就能采用全光网方式组网。但是对于数据机房、服务器机房、IDC这种场景，全光网组网就不合适了。
因此，全光网建设总体上还需先通过网络建设需求分析、总体技术方案确定、逻辑网络设计及设备选型、布线及设备安装调试、测试验收这些过程，然后进入网络运维管理生命期。在整个过程中，有以下几个方面需要着重考虑。
组网场景及网络需求
校园网络需求比较复杂，一方面要为师生提供网络接入服务；另一方面还需要为学校网站、业务系统等应用系统提供网络接入服务。
这两种网络接入服务在上下行带宽、延迟等网络质量需求上存在巨大差别；在以太网技术中没有本质区别。因此，组网场景和网络需求分析对选择全光网技术路线至关重要。
从组网场景看，高校大体上可以划分为办公场景、多媒体教学场景、专业实验室场景、宿舍场景、场馆及公共区域场景、服务器和IDC场景、专网场景等。
不同场景下，上下行带宽、延迟性、连接数、接入方式、稳定用户及终端数量、突发用户及终端数量、用户认证及计费、布线难度、取电方式、设备防盗防损保护各不相同。
因此在选择网络技术方案、规划组网方案、制定实施方案时需要对场景和需求进行认真分析，同时还要综合考虑学校建设经费预算、后期运维成本、建设项目主责部门、实际使用的现场管理部门等等非技术因素，才能制定更符合学校期望、更满足师生需要的组网方案。
全光网物理拓扑设计要点
校园网络设计包括逻辑拓扑设计和物理拓扑设计两大方面。
逻辑拓扑规划主要涉及VLAN规划、子网规划、路由规划、访问控制规划等要素。
物理拓扑规划主要是线路走向、线缆类型、线路汇聚点位置、线路配线和跳接方式等要素。
全光网作为一层、二层技术，对逻辑拓扑规划没有根本性变革，但是对物理拓扑规划会产生很大影响。
传统以太网物理拓扑常见模式是校内网络机房存在一个或多个核心交换机，通过光纤级联不同楼宇的汇聚交换机，各楼宇的汇聚交换机采用光纤或六类线级联不同楼层的接入交换机，接入交换机采用六类线入户连接用户侧设备（个人计算机、交换机、路由器、无线AP）。
而在以光纤入户为特征的全光网物理拓扑设计时，充分考虑皮线光纤千米级传输距离的优势，综合入户带宽需求、整体建设成本、二层网络传输质量保障要求、弱电间环境、设备耗电及电路安全等要求，可以出现两种设计方案：
第一种，采用楼层汇聚点方案，从汇聚设备到楼层汇聚点以普通多芯光缆作为主干，从楼层汇聚点到室内采用皮线光纤入户，汇聚点采用分光器或交换机进行线路复用，一般房间密集的楼宇，如宿舍楼、办公楼适合采用此方式。
第二种，汇聚交换机端口直接入户，即充分利用皮线光纤传输距离优势，终端设备至汇聚交换机中间只有线路，不存在线路复用和带宽共享，这种方式适合展馆、体育馆等空旷楼宇。由于校园全光网刚刚起步，线路汇聚点规划方法目前还需要更多案例和经验加以总结。
二层带宽控制技术
校园全光网如果确定采用皮线光纤入户，目前存在三种建设方式，即10GEPON、GPON，分别对应三种不同的二层传输标准，都能不同程度实现二层带宽控制。
标准以太网二层带宽控制基于802.1q优先级，从0（最低）到7（最高）共8个优先级，作用对象为VLAN。
需要首先确定全光网覆盖范围内存在哪些业务，然后对业务规划VLAN，再通过对VLAN定义优先级来保障重要业务的优先处理，但是同一业务内部不同用户只能共享优先级。
在10GEPON和GPON组网方案中，需要使用分光器代替标准以太网的交换机入户光纤到主干光纤的复用，而光信号目前无法保存和控制，不可能采用以太网交换机的“存储转发”线路复用机制，因此这两种方案中，需要采用动态带宽分配（DBA）的线路复用机制。
10GEPON方案中，DBA原理和处理过程较为复杂，但是DBA对带宽控制的作用对象是ONU设备，能够基于不同ONU实现固定带宽、保证带宽、尽力而为带宽的服务质量，控制和保证的用户范围相比标准以太网更精准。
在GPON组网方案中，由于GPON继承了ATM的一些技术优势，其DBA机制通过采用GEMPort、T-COUT、Mapping等配置，可以实现对特定PON端口下的特定业务实现五种不同带宽控制能力，同时结合GPON本身的多业务承载能力，可以对IP、语音、闭路等业务进行更强大的保障。如果采用10GEPON、GPON组网方案，DBA规划应当作为前期网络设计的重要内容。
全光网作为新的组网方式，在整体方案、配置规划、布线设计方面相比传统以太网组网有较大区别。除以上几点外，同时还需要注意光纤不能供电，因此POE（有源以太网）设备的使用在全光网环境受到很大限制，可以考虑安装本地供电插座供电，或者采用光电复合缆配合供电管控设备实现远程供电。
全光网运维工作，需要配备打光笔、光功率计作为巡线和线路故障排查工具，而线路维护工作人员要掌握光纤熔接等技能；宿舍区，由于房间密度大，用户终端多，无线网管理必须加强，否则可能出现由于无线网不稳定导致用户对全光网质量的误解。
以上世纪九十年代初建成的我国第一个校园计算机网络——清华大学校园网为标志，回顾高校校园网建设历程，约每十年会出现一个新的建设热点。
1995年左右以高校校园网初建为热点，2005年左右以快速以太网改造为热点，2015年左右以无线校园网为热点。就目前情况看，2025年左右，校园网建设热点应当是校园全光网。
但是必须要注意，校园网本身是基于IP协议的计算机网络，同时兼有ISP和ICP运营特征。因此，校园全光网建设不代表全光校园网建设，其它行业全光网场景，特别是运营商家宽场景的解决方案和规划目标不一定适用于校园网场景。
为了更好地建设全光网，需要高校网络管理同仁透彻理解国家政策导向，深入研究全光网技术要点，认真分析校园网不同应用场景，加强与厂商、系统集成商以及其他高校的技术交流，才能更好地利用全光网技术建设更高性能的校园基础网络平台。
作者：陈旭（北京城市学院网络中心）
责编：陈永杰
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