基于城域網的中小學信息化2.0計劃整體構架研究

吳良秋 孫楓霞

摘? 要 為落實教育信息化2.0行動計劃，介紹基于城域網與GPON組網的中小學信息化2.0計劃整體構架。教育城域網核心交換層采用萬兆光通信設備，光纖到班，且每個教室獨享50 M帶寬。基于這樣的硬件基礎，通過物聯感知、情感計算、圖像識別等先進技術采集基礎數據，然后把海量的教育數據智能化、富媒體化并高性能利用，以解決教育資源不均衡的難題。在城域網基礎上實現智慧教室、學科教室、未來教室、教學資源、名師資源等教育應用，構成一套智能生態系統。最后分別從資源訪問速度、資金投入、維護工作量等幾個方面分析傳統組網和GPON組網模式的性能。

關鍵詞 教育信息化;教育城域網;GPON;教育資源

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0024-04

1 引言

2018年4月，教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》[1]，指出2022年基本實現“三全、兩高、一大、三變、三新”。根據行動計劃的要求，各地相關部門紛紛形成合力，很快從部門單獨行動向跨部門協同創新轉變。中小學教育信息化成為國家信息化建設的主陣地，隨著光纖技術的逐步成熟，光纖成本逐漸下降，部署大芯數光纜已經成為當前光纖物理網建設的趨勢，基于城域網與GPON組網是理想選擇。教育城域網把同一城市內所有學校、教研中心、教育機構通過網絡互聯，使教育資源整合、開放、共享，達到整體信息化集成運用的寬帶網絡。

2 整體構架

基礎支撐? GPON（Gigabit-Capable PON）主要由OLT、

無源光分配網和ONU組成，采用單纖雙向傳輸機制，是目前接入城域網實現業務寬帶化、綜合化改造的理想技術。因此，教育城域網建設采用10 G PON[2]及ONT網絡，由核心層、匯聚層和接入層構成，包括中心網、教育行政部門子網和學校子網，在保證三級網絡互通互訪的同時，必須讓各級網絡在邏輯上相互獨立可控（圖1、圖2）。

1）基本網絡結構。教育城域網核心數據交換可以交由運營商代維，相關核心數據交換設備放在核心機房，匯聚層可采用OLT雙上聯城域網[3]：當OLT負載超負荷，可觸發備用OLT分擔負載，以達到均衡負載目的;當OLT出現斷點，可自動切換到備用OLT鏈路承載，保證教室終端正常訪問城域網資源。城域網故障時，任一學校子網內資源不受影響。教育城域網通過各種教育應用平臺和教育資源來為教育管理者、教學人員、學生、家長等人群提供多方面服務。

2）漫游認證。對于城域網內無線網絡身份認證采用統一授權、分級管理策略，中心網部署身份策略管理系統，對各個子網下發管理策略，各子網的賬戶實時同步到中心網賬戶數據庫。子網賬戶上網時，首先在子網認證，認證失敗轉到中心網認證，中心網認證失敗則說明賬戶是非法用戶，拒絕登錄（圖3）。各學校用戶可在城域網內無感知網絡漫游認證，從A學校到B學校采用相同的賬號可以正常訪問網絡資源（圖4）。

3）網絡安全與可視化運維。網絡劃分為不同的功能區域，用于部署不同的應用，使得整個網絡的架構具備可伸縮性、靈活性和高可用性。通過防火墻實現安全區域的邊界隔離與訪問控制，行為審計對城域網用戶違規操作進行阻斷，按照等級保護相關要求實施保護。利用網絡設備、服務器、中間件、數據庫、存儲設備，通過建設全面的監控管理平臺將各個業務系統中的各種設備、軟件、業務應用納入監控平臺中可視化運維。

軟件應用? 教育城域網內所有軟件應用都是以教育教學和學校管理為核心，按需、逐個破解數據孤島、應用孤島、硬件孤島三大孤島。基于城域網，把應用系統分為兩個層

次：把數據量大、利用率高的資源放于中心網;各學校和教育行政部門自建系統分別放于各自所處的子網。

如圖5所示，電子政務系統、人教數字資源、互動教學直播平臺、視頻監控系統、數字化圖書館、班班通分析系統、教學診斷質量檢測平臺等服務教育教學及管理的核心系統部署在中心網，其他子網用戶通過中心網核心交換設備請求數據。

如圖6所示，校園卡管理系統、校園廣播系統、自建OA系統等主要滿足本子網用戶使用，存在數據量較小、利用率較低的特點，因此，服務器資源存放在相應的子網即可。這樣一方面可以節約帶寬資源，減輕上層數據交換設備的數據吞吐量;另一方面可以對學校自建系統的安全性起到一定的保護作用。

成本? 相比傳統組網，萬兆教育城域網需要投入一定量的人員和設備，后期維護工作量有一定的減少。由于光纜線路與設備故障處理需要專業工具，并且對維護人員的要求也提升了一個檔次，因此只能全部依賴運營商，效率有一定的下降。

3 性能比較

教育教學資源部署于中心機房，用戶可以通過外網和城域網訪問相關資源，但是需要的時間不同。以下兩個實驗均是在這兩種情況下完成的。

實驗一：測試網絡響應時間

1）實驗描述。在沒有組建城域網之前，教學資源軟件部署于核心機房，用戶通過外網訪問資源;在部署城域網后，教學資源軟件部署于處于中心網的核心機房，用戶通過城域網訪問資源，其他條件保持不變。

2）評價指標。利用Ping命令測試網絡連接速度[4]，每次向軟件資源服務器發送請求32個字節數據，連續請求四次，求平均值;用連續35次記錄來判斷資源訪問速度的穩定狀況。

3）實驗分析。從外網訪問核心機房的教學資源時，受帶寬影響較大，由于當前學校內局域網用戶共同分享學校僅有的帶寬，測試學校帶寬為專線50 M，訪問核心機房教學資源穩定情況與當前學校用戶訪問外網用戶數有直接關系，網絡情況不太穩定，會出現較大幅度的波動。從教育城域網訪問處于中心網的教學資源時，網絡情況比較穩定，不會出現大幅度的波動。當用戶向服務器發送請求時，只需要在城域網內進行數據交換，不需要出城域網，由于學校出口帶寬較小，一般沒有Qos控制，因此，使用人數越多速度越慢。然而在教育城域網，在每個用戶獨享50 M，互不影響，上下速度對等情況下，速度能達到6.25 M/S，當前局域網內訪問外網用戶數對用戶訪問城域網資源的影響很小，可以忽略。網絡訪問情況見圖7。

實驗二：測試并發量對資源獲取時間的影響

1）實驗描述。在外網網絡和城域網兩種情況下，訪問資源所需要時間為：

其中，T為所需要的時間;S為中心機房資源，取常量1000;W1為學校專線網絡帶寬，取50;W2為中心機房專線網絡帶寬，取200;學校每個用戶（同時上網人數為N1）

獲取資源機會均等，用戶占用中心機房資源機會均等（用戶數為N2），N1、N2為正整數。

2）實驗變量：測試學校使用網絡人數（N1）、被訪問資源占用人數（N2）。

3）評價指標：獲取中心機房教學資源（S）所需要的時間（T）大小。

4）實驗分析。在廣域網中訪問中心機房資源，資源大小一定時，所需要的時間隨著測試學校使用網絡人數和被訪問資源占用人數上升而無限變長。城域網中心網速度可達萬兆，學校用戶獨享50 M，因此，在獲取資源時所需時間與學校使用網絡人數無關，只與萬兆中心網資源占用情況有關：當中心網資源被占有用戶數小于200人時，只與學校用戶獨享的50 M有關;當超過200人時，隨著占有中心網資源的用戶數增多，相應的時間變長（圖8、圖9）。

4 結論

萬兆城域網，終端獨享50 M帶寬甚至更大，有效地避免帶寬資源浪費，節約資源獲取所需時間。當并發量小于200時，網絡情況很穩定;并發量大于200時，隨著并發量上升，網絡速度開始下降。以中心網為主，輻射全市所有學校，充分實現教育資源共享，對學校信息化建設、教學研培、優質資源共享起到較大的推動作用。

5 問題

城域網建設完成后，雖然內部資源得到充分共享，但是一個開放的局域網內部環境給網絡管理者帶來新的挑

戰：一方面，城域網內所有設備互通，網絡安全[5]需要投入較大的軟硬件和人力成本，特別是建設初期;另一方面，光纖到班，增大了學校自身網絡管理人員處理故障的難度，由于光纖線路維護設備昂貴，因此只能完全依賴于運營商，造成偏遠農村學校的故障處理效率較低。

參考文獻

[1]教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]房超.10G GPON技術及相關標準研究[J].電信網技術，2011（10）：14-18.

[3]廖偉全，喻林峰，李繼龍，等.基于城域網與GPON組網的OLT雙上聯流量均衡研究與應用[J].通信技術，2018（9）：2153-2158.

[4]吉米.如何利用“Ping”命令測試網絡連接速度[J].電腦界：應用文萃，2000（5）：83.

[5]信文博.中小城市寬帶IP城域網網絡優化技術的研究[J].中國新通信，2018（6）：97.