GPON網絡在移動校園網中的應用

【摘要】GPON技術是基于ITU-TG.984.x標準的最新一代寬帶無源光綜合接入標準，具有高帶寬，高效率，大覆蓋范圍，用戶接口豐富等眾多優(yōu)點，被視為實現(xiàn)接入網業(yè)務寬帶化首選技術。本文結合GPON技術產品的應用實踐，提出了GPON技術在移動校園網市場的基本應用模式。

【關鍵詞】GPON;校園網

1.GPON基本原理

PON技術起源于1995年開始逐漸形成的 ATMPON技術標準。而GPON（Gigabit-Capable PON） 最早由FSAN組織于2002年9月提出， ITU-T在此基礎上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1 和G.984.2的制定，2004年2 月和6月完成了G.984.3的標準化。

基于GPON技術的設備基本結構與已有的PON類似，也是由局端的OLT（光線路終端），用戶端的ONT/ONU（光網絡終端或稱作光網絡單元），連接前兩種設備由單模光纖（SM fiber）和無源分光器（Splitter）組成的ODN（光分配網絡）以及網管系統(tǒng)組成。

對于其他的PON標準而言，GPON標準提供了前所未有的高帶寬，下行速率高達2.5Gbit/s，其非對稱特性更能適應寬帶數(shù)據業(yè)務市場。提供QoS的全業(yè)務保障，同時承載ATM信元和（或）GEM幀，有很好的提供服務等級、支持QoS保證和全業(yè)務接入的能力。承載GEM幀時，可以將TDM業(yè)務映射到GEM幀中，使用標準的 8kHz（125μs）幀能夠直接支持TDM業(yè)務。作為電信級的技術標準，GPON還規(guī)定了在接入網層面上的保護機制和完整的OAM功能。

在GPON標準中，明確規(guī)定需要支持的業(yè)務類型包括數(shù)據業(yè)務（Ethernet業(yè)務，包括IP業(yè)務和MPEG視頻流）、PSTN業(yè)務（POTS，ISDN業(yè)務）、專用線（T1，E1，DS3，E3和ATM業(yè)務）和視頻業(yè)務（數(shù)字視頻）。

2.兩大主流的PON技術——GPON和EPON比較

GPON技術相比其他運營商EPON技術具有以下優(yōu)點：GPON覆蓋范圍比EPON更廣;同樣的PON端口下，GPON允許接入的用戶數(shù)是EPON的3-4倍;GPON允許光路損耗更大，施工更加方便和簡單，對ODN網絡要求低;保護倒換和維護管理等標準定義清晰完善;支持OLS光纖線路檢測功能，及時排障和事前預警;GPON是全同步系統(tǒng)，傳輸窄帶業(yè)務時延小，時鐘精度非常高;GPON的QoS帶寬分配機制更靈活，支持“保障帶寬”模型，帶寬利用效率更高;GPON下行有效帶寬是EPON的2.5倍，上行有效帶寬是EPON的1.3倍，業(yè)務體驗更好;定義了多種業(yè)務類型，更適合IP/TDM混合接入，而EPON適合純IP接入;GPON可以實現(xiàn)無線/有線全業(yè)務接入，提供語音/數(shù)據/視頻等基本業(yè)務的同時，還能夠提供VPN/微蜂窩承載/專線等補充業(yè)務;全業(yè)務運營接入網優(yōu)選FTTX接入技術，優(yōu)選GPON;FTTX是現(xiàn)階段光接入網較為適宜的技術，同時也是未來網絡發(fā)展趨勢;GPON標準完善、帶寬大、分光比高。截至目前，EPON的應用主要集中在中、日、韓，GPON在北美、西歐、澳洲、中東發(fā)達地區(qū)和新加坡均已啟動商用部署進程，巴西、加拿大、意大利、俄羅斯、東南亞等地區(qū)處于試點和試商用階段。

3.GPON校園網

整體校園網采取GPON網絡，各個部分結構見下：

核心層，采取兩臺MSCG和兩臺OLT作為核心設備，核心節(jié)點之間采用萬兆連接，核心到匯聚也均采用萬兆連接。

匯聚層，每棟樓設置一個分光器，下連MDU。

接入層，寬帶接入為48口兩層交換機，MDU作為匯聚，上連分光器。接入交換機的具體要求是：用于學生宿舍網的接入交換機為智能交換機，必須同時支持WEB認證和802.1x認證，支持防ARP攻擊功能，具有硬件ACL能力等特性。

學生寬帶業(yè)務用到的主要是視頻教學、上網瀏覽等，參考移動的視頻會議帶寬，每個端口2M流量可以滿足需求。考慮80%的并發(fā)率，每個端口的流量可以達到2.5M。按樓宇網絡點估算，樓宇接入3個或者2個下行2.5G上行1.25G的端口可滿足需求。IP PBX提供校園區(qū)語音交換，支持綜合VPMN，可實現(xiàn)校園網固話和手機短號虛擬網業(yè)務，校園網固話和手機短號互撥。當容量過大時，可以通過多臺堆疊實現(xiàn)。

圖1 校園網拓撲圖

4.安全規(guī)劃

目前數(shù)字化校園建設中，常見的，需要重點關注的安全主要為：校園網內網整網安全;數(shù)據中心的安全。校園網出口是整個校園網對外的唯一通道，也是病毒和網絡攻擊的入口，需要使用安全設備進行區(qū)域的劃分和訪問控制，而數(shù)據中心則是校園內各種業(yè)務數(shù)據的核心，是所有運營業(yè)務的匯接點。考慮在校園網的出口設置兩臺熱備的防火墻，并在核心交換機部署一臺入侵檢測系統(tǒng)IPS;而在數(shù)據中心的出口則另外獨立設置兩臺熱備的防火墻。

傳統(tǒng)的安全解決方案中，防火墻和入侵檢測系統(tǒng)（IDS，Intrusion Detection System）已經被普遍接受，防火墻是最主流也是最重要的安全產品，是邊界安全解決方案的核心。它可以對整個網絡進行區(qū)域分割，提供基于IP地址和TCP/IP服務端口等的訪問控制;對常見的網絡攻擊，如拒絕服務攻擊、端口掃描、IP欺騙、IP盜用等進行有效防護。但僅僅有防火墻和IDS還不足以完全保護網絡不受攻擊。防火墻作為一個網絡層的安全設備，不能充分地分析應用層協(xié)議數(shù)據中的攻擊信號，而IDS也不能直接阻擋檢測到的攻擊，即使排除兼容性問題能夠與防火墻進行聯(lián)動，也存在一定的響應延時。以入侵防御系統(tǒng) （IPS，Intrusion Prevention System）為代表的應用層安全設備，作為防火墻的重要補充，很好的解決了應用層防御的問題，并且變革了管理員構建網絡防御的方式。通過在線部署，IPS可以檢測并直接阻斷惡意流量。

基于GPON架構的QOS保障。GPON作為新一代的光接入設備，具有高速率、多業(yè)務的特點。GPON在組網方式上主要以樹型拓撲結構為主（包括星型和鏈型），網絡業(yè)務開通后，數(shù)據的轉發(fā)路徑基本固定。接入模型如圖2所示。

圖2 GPON寬帶接入網模型

在上行方向，由于是低速線路的流量匯聚到高速線路上，在沒有流量收斂的場合，將不會出現(xiàn)擁塞，因此可以不考慮QOS處理的問題;對于有流量收斂的場合，可以通過在每個節(jié)點進行簡單的優(yōu)先級或WRR調度，來保證業(yè)務的QOS，如在ONU節(jié)點，可以通優(yōu)先級調度，保證IAD的流量優(yōu)先轉發(fā)，在OLT節(jié)點，可以通過WRR調度，來實現(xiàn)ONU之間“公平地”占用帶寬資源。在下行方向，由于是高速線路的流量轉發(fā)到低速線路上，如果不進行QOS處理，將可能出現(xiàn)擁塞，從而導致承載業(yè)務的QOS不能夠得到保證。如果BRAS/路由器能夠根據報文的轉發(fā)路徑和從BRAS/路由器到終端的所有鏈路的承載能力，對報文在接入網中的轉發(fā)過程中是否會出現(xiàn)擁塞進行“預知”，并采取相應的QOS處理，例如：流量整形，將可以避免接入網出現(xiàn)擁塞。由于從BRAS/路由器到終端要經過BRAS/路由器、LAN Switch、GPON OLT、ONU和終端等設備，并且鏈路速率逐步遞減，例如4-1圖中鏈路速率依次為2.5G POS、10GE/GE、GPON LINK，F(xiàn)E，因此這里需要一個分層的QOS處理過程。在GPON系統(tǒng)中，業(yè)務承載層主要分為三層：GTC、GEM、ETH/TDM，針對每一個承載層具備相應的QoS處理機制。

GTC：PON系統(tǒng)架構是下行方向為廣播方式，上行方向為TDMA方式，所以只對上行方向的業(yè)務流提供QoS處理。QoS處理的最小單元是T-CONT，T-CONT可以看作是ONU業(yè)務流的承載容器，調度機制是DBA（動態(tài)帶寬分配）。

DBA的算法是GTC的QoS處理性能的關鍵。

GEM：在GEM層主要是針對每個GEM Port進行業(yè)務流分類，類似于DSLAM的單PVC多業(yè)務的處理方式。針對流分類后的業(yè)務分別進行優(yōu)先級修改、流量監(jiān)管和轉發(fā)處理。

ETH/TDM：TDM業(yè)務（非電路仿真方式）為面向連接，系統(tǒng)可以通過靜態(tài)配置帶寬嚴格保證面向連接的QoS。

ETH業(yè)務（包括電路仿真方式的TDM業(yè)務）主要是基于二層VLAN、COS等標識進行業(yè)務的QoS處理，QoS主要處理機制分為流分類、監(jiān)管、隊列調度、擁塞處理、整形，它們的實現(xiàn)復雜度是影響QoS處理性能的關鍵。

5.計費認證簡介

5.1 IP PBX分機內部通話

原則上不計費，在IP PBX內部閉環(huán)。

但是涉及虛擬IP PBX業(yè)務的計費比較特殊，因為同一個IP PBX下的不同虛擬IP PBX屬于不同的集團用戶。他們之間的呼叫需要通過鐵通長號，要到前置機上繞一圈。取前置機上的話單，按照普通通話計費。

5.2 IP PBX分機出局與校園網外部用戶通話

IP PBX分機作為被叫時不計費。

IP PBX分機作為主叫時在前置機（GMSC2）出相應的話單，可通過FTP接口提供CDR話單到計費中心。

5.3 至CMNet的流量計費

新增的兩臺MSCG雙機與移動的AAA系統(tǒng)的數(shù)據鏈路需要打通，與MSCG之間使用100M電口，中間需要使用傳輸設備進行傳輸。對于學生和教學樓上CMNet的計費和認證請求，由MSCG使用Radius協(xié)議發(fā)給AAA系統(tǒng)，AAA系統(tǒng)進行鑒權和計費。AAA系統(tǒng)定期（5分鐘）產生計費話單，并且使用FTP傳輸?shù)紹OSS系統(tǒng)。AAA系統(tǒng)與BOSS通過MDCN網絡聯(lián)通，前期移動高校WLAN項目的時候已經調試過，目前具備時長和流量的兩種計費模式。本次宿舍區(qū)由MSCG來實現(xiàn)認證和鑒權，由移動的AAA服務器來實現(xiàn)計費。

6.總結

使用GPON技術在接入網層面上提供一個統(tǒng)一的接入平臺，其廣覆蓋、高帶寬、雙纖保護等特點，并且位于室外的光分配網中只有物理介質特性非常穩(wěn)定的光纖和無源分光器，沒有任何有源設備;使得網絡具有高可靠性，節(jié)約了運營商維護和處理故障的成本;鑒于目前校園移動通信業(yè)務是我省國競爭最激烈的通信業(yè)務，利用GPON技術搭建好校園網絡，對于進一步鞏固和擴大校園市場，對于提高中國移動在移動校園市場的競爭地位，有著重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。