1. 引言
教育是关乎一个国家全体人民的大事，而教育离不开良好的校园环境。在传统的校园生活中，由于网络的限制，各种先进的教育手段难以普及，各大学校亟需建立一种能够满足多种教学业务的智慧校园。智慧校园是以物联网为核心的智慧化的校园学习、生活一体化的环境，通过信息化手段将教学、教务管理和校园生活进行充分融合，实现智慧化管理和服务的校园模式。
智慧校园对于网络有着较高的要求，例如高带宽、安全可靠、节能环保等等，而传统的铜缆网络传输性能弱，灵活性差，并且铜缆还会出现老化等问题，难以胜任智慧校园对于网络的要求，此外过度使用铜缆是对铜资源的浪费，铜缆的这些缺点导致其无缘智慧校园的部署 [1] 。
根据长江大学附属中学的智慧校园网络建设要求，需要满足多业务发展，符合未来技术发展方向，还需要考虑后续的机会成本，应当采用主流的、先进的技术和产品，保证基础支撑平台五至十年内不会被淘汰。在这种背景下，基于GPON的全光网络是十分值得考虑的方案。
2. GPON技术
2.1. GPON简介
GPON使用的是ITU-TG.984.x系列的标准，其提供卓越的服务质量并拥有动态带宽分配能力，十分适合园区网的部署。其中“千兆”一词表示它提供的最大速度，通常为下行2.488 Gbps和上行1.244 Gbps；“无源”表示全光网络的路径上不需要依赖任何电力设备。目前GPON在单纤上最高有1:64的比例，这表明GPON中的一根光纤通过光分可以向64个终端提供视频、数据和语音等业务接入，因此GPON减少了光纤网络中的光纤运行数量。GPON的另一个突出特点是使用异步传输模式编码，可以在同一网络上集成语音和数据流量等，完美做到三网融合。GPON在今天以更高的数据传输速率、更大的带宽、更远的传输距离以及更为安全的方式提供三重播放服务(数据、IPTV、VoIP)。
GPON的整体结构如图1所示，其中OLT (Optical Line Terminal)是光线路终端，相当于传统网络中的交换机或路由器，具有管理ONU (Optical Network Unit)、宽带分配以及运行维护等功能；ONU是光网络中的用户端设备，与OLT配合使用，实现以太网二层、三层功能；ODN (Optical Distribution Network)由一个或多个无源光分路器等无源光器件组成，用于连接OLT和ONU，其作用是在OLT和ONU之间提供光传输的通道。
Figure 1. Overall structure diagram of GPON
图1. GPON的整体结构图
2.2. GPON系统原理
GEM (GPON Encapsulation Mode)帧是GPON中最小的业务承载单元，一个GEM Port可以承载一种或多种业务，T-CONT (Transmission Container)是GPON上行方向承载业务的载体，一个T-CONT可以承载一个或多个GEM Port，GEM Port承载业务后先要映射到T-CONT单元进行上行业务调度，再由ONU为其配置不同业务类型，最后OLT通过DBA (Dynamic Bandwidth Assignment)调度的方式上行 [2] 。
在上行方向，各种业务先在ONU上映射到不同的GEM Port中，GEM Port携带业务再映射到不同类型的T-CONT中上行传输至OLT。T-CONT在OLT侧先将GEM Port单元解调出来，送入GPON MAC芯片将GEM Port净荷中的业务再解调出来，再送入相关的业务处理单元进行处理。在下行方向，所有的业务在GPON业务处理单元被封装到GEM Port中，然后广播到该GPON接口下的所有ONU上。ONU再根据GEM Port ID进行数据过滤，只保留属于该ONU的GEM Port并解封装后将业务从ONU的业务接口送入用户设备中。GPON的业务映射关系如图2所示。
Figure 2. GPON business mapping relationship
图2. GPON的业务映射关系
2.3. GPON部署优势
就智慧校园而言，首先应该满足其高带宽和多业务的需求，而GPON的上下行在目前主流网络中遥遥领先，此外，GPON支持ATM业务和IP业务，ONU可同时提供数据、语音和电视接口，做到了真正意义上的全业务，是为满足运营商在统一网络上支持多业务融合需求而量身定制的。与此同时，GPON的维护较为简单，且设备故障率低，绝大多数的管理工作都在OLT上进行，GPON厂商还会提供远程维护。在保证其高品质服务质量的同时，GPON的综合成本同样具有优势，GPON的分光比高，接入的用户更多，有效分摊OLT成本，且维护成本也更低，还能平滑过渡换代，保障在未来多年不会被淘汰。
3. 全光网络方案设计
3.1. 需求分析
本次的长江大学附属中学网络规划建设项目共涉及小学部和初中部，共约140余间教室及办公室的网络连接，未来还会扩充。其中涉及到计算机教室、录播室、会议室、多媒体教室等功能教室，不同的教室对于带宽的需求不同，具体规划如表1所示，此外还需要对食堂、图书馆、操场、宿舍、体育馆等场所进行网络覆盖，还有校园语音、视频、电话以及监控的部署，计划新建的网络做到光纤全覆盖。校园网络整体采用有线和无线相结合的方式，有线网络采用GPON全光网，无线网络通过AP置于公共走廊或者室内进行无线网络覆盖 [3] 。在网络质量上，校园网络应具有较高的网络传输带宽、稳定的网络质量以及充足的网络覆盖面来满足学校各种先进的教学方式，例如教师上课视频录播、学生在线视频点播、线上视频会议等。与此同时，校园网络应具备良好的安全性和稳定性，并且还需要保障其未来的可扩充性，在校园网的维护上尽可能的简单便捷。
Table 1. Various classroom network planning
表1. 各类教室网络规划
3.2. 方案设计
本方案在中心机房部署两台核心交换机，来实现核心交换层次的稳定和吞吐量；为保护服务器的安全，在校园网的出口部署两台万兆防火墙，防火墙向上连接荆州市城域网，城域网是一个承载多媒体、实时业务、数据业务等各种应用的复杂网络，可为长大附中提供桌面云、数字图书馆、远程教育、移动学习和虚拟实验等功能。为保障师生及访客校园网的安全连接以及网络身份的认证管理，在核心交换机旁部署一台管理和认证服务器；根据使用校园网人数的不同以及使用场景的不同，来部署不同类型的无线接入点AP。图书馆、食堂、教学楼等密集场所使用更密集的AP来保障WIFI网络的流畅，由于ONU本身具有无线接入的功能，教室、办公室以及寝室等场所则无需额外配置无线AP；教学楼与办公楼只需在走廊或过道部署低密度的AP；对于室外场景的无线网络覆盖来说，校园室外环境恶劣，选用室外能够防水防雷AP部署，采用2x2 MIMO技术 [4] 。为了对众多无线AP进行集中管理，在机房部署一台无线接入控制器AC；视频监控网络主要负责校园门禁、教室、考场、车辆以及其他安防终端，在监控接入点多的区域，例如考场教室以及教学楼，选用多端口MDU，在监控接入点需求少的区域，例如学校非主干道路，选用ONT，在供电不方便的区域，选用支持POE的MDU，直接为摄像头供电 [5] 。
本方案将长大附中校园网络分为四个区域来规划，分别为智慧教室、智慧办公、智慧宿舍以及平安校园，共配置2台OLT设备，每个分光器向上均连接两台OLT，当其中一条链路损坏后，网络仍能正常运行，保障了校园网络的鲁棒性。其中智慧教室对网络稳定性的要求最高，相比于传统的智慧教室，本方案在录播室、会议室、广播室使用单独的专线，确保网络的连接；对于多媒体教室以及会议室等，使用高带宽线路，确保网络的流畅；对于校园的监控系统，则为每台摄像机单独开通一个ip，同时为校园正门、校园主干道路以及食堂等重点地区的监控系统分配更大的带宽，提供高清的监控画面服务。最后对于OLT的带宽计算，这是保障全体师生网络畅通的关键，带宽过大会造成资源浪费，带宽过小则影响用户体验。若OLT上联链路带宽为X，终端用户承诺带宽为W，终端用户总数为N，占空比为K，用户业务并发率为E，带宽冗余系数为δ，则OLT上联链路带宽的计算如公式(1)所示：
(1)
GPON接口的下行容量需要考虑选用的分光器的能力，这里采用基于用户带宽规划的计算方法，其中PON口下行带宽为L，则每个PON口接入用户数N的计算如公式(2)所示：
(2)
为了保障校园师生的网络使用体验，本方案在原有的带宽基础上，减少一定的终端用户数量，来进一步提高网络的使用体验。本方案引入网络体验系数T，其中T > 1，具体的每个终端用户带宽W计算如公式(3)所示：
(3)
OLT下行采用FTTH (Fiber to the Home)接入方式，在GPON系统中，ODN可以进行二级分光，有业务需要时还可以在一级ODN下，再挂接一级ODN，通常ODN设备配置时选择1:64或者1:32的分光比，为校园网络预留足够接入点，还能够减少光纤的使用量，节能环保的同时使得校园的网络接入更加灵活多样。整体网络拓扑图如图3所示。
Figure 3. Network topology diagram of affiliated middle school
图3. 长大附中网络拓扑图
3.3. 校园接入网综合布线方案
两台OLT均放置在学校中心机房内，经ODF出主干光缆，主干光缆分别串联到各个楼栋一楼对应的弱电井内，在一楼弱电井内通过一级光分的连接到各楼层弱电井，分光比拟采用1:4，在各楼层弱电井采用二级光分连接到各个教室，分光比拟采用1:8，根据各个教室的功能需求配置不通数量的网络终端点。食堂及体训馆网络汇聚点设置在对应的弱电间，通过金属桥架到达到各个信息点。教学一体机、校园广播、网络信息点、AP的分配通过多口终端ONU分配。无线AP的供电则接入对应房间的强电，采用电源适配的方式 [6] 。整个布线方式采用二级分光，总分光比不超过1:16，从节约端口速率上考虑，分光比略有调整，其中多人办公室及计算机教室等信息点较多房间采用16路数据口 + 16路语音口及以上，区域光纤串联主干光缆直接到达OLT处。
3.4. 运维管理
校园网络中同时具有有线用户和无线用户，且需要对有线网络和无线网络的接入进行认证，保证接入网络的用户的合法性。针对长大附中校园的特点，在汇聚层交换机上部署Portal认证，对接入校园网的用户进行身份认证，在汇聚层交换机上配置ACL，准入服务器下发ACL号来控制用户的访问权限，并对校园人员进行身份分组，使得不同分组内的人员只能使用特定的资源与访问权限。最后在无线接入控制器上对无线用户作认证，这种认证方式适用各种校园终端的接入，方便灵活，管理维护方便 [7] 。
PON定义了完善的管理协议栈，绝大多数的设备与网络故障可以请求厂商远程处理，只需要少数的管理员进行校园网络运维。校园门禁使用人脸识别的方式，网络管理员可以更加清晰的了解学生进出校园的情况，也可辅助教职工与学生的考勤，同时降低校园安全隐患。
4. 结语
随着教育信息化的发展，传统的XDSL的接入方式己经无法承载智慧校园多业务的需求，智慧校园要求能满足多媒体教学等业务的同时，还需要进一步降低成本，本文针对长江大学附属中学的网络建设要求，提出基于GPON的全光网络设计方案，该方案围绕智慧的主题，力争为学生以及教职工提供一个智慧的、便捷、安全的校园。
随着学校人数的增多以及校园业务的变更，网络拓扑还需要不定期做出调整。且现阶段，GPON全光网络架构仍有一些短板，例如ONU设备上各网口之间的通讯效率较低；其次，全光网络作为近十年才开始广泛使用的技术架构，还存在灵活性较差，不同厂商的设备不能互通等缺点 [8] 。最后，该方案可能还存在一些设计上的不足，将会在后续施工的过程中实时完善和改进。
参考文献
NOTES
*通讯作者。