基于POL技術的全光校園網設計與實現

鐘文基 王麗磊

摘? 要：近年來，行業的智能化和信息化呈現加速發展趨勢，高清視頻會議、云服務、移動辦公等應用的需求日益增多。與此同時，帶寬升級、三網融合等網絡新要求也變得越來越迫切，介質升級成為企業解決網絡難題的一個新選擇。POL全光網絡傳輸性能強、架構簡單、部署便捷、升級擴容靈活，作為面向未來的基礎網絡設施，為新一輪的應用場景帶來發展契機。文章以廣西水利電力職業技術學院POL全光校園網設計與實現為例，深入剖析POL技術的典型應用。

關鍵詞：POL技術；全光校園網；設計與實現；實踐應用

中圖分類號：TN915? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0026-04

Abstract： In recent years， the industry's intelligence and informatization have shown a trend of accelerated development， and the demand for high-definition video conferencing， cloud services， mobile office and other applications is increasing. At the same time， new network requirements such as bandwidth upgrade and tri networks integration have become more and more urgent， and media upgrade has become a new choice for enterprises to solve network problems. POL all-optical network has strong transmission performance， simple architecture， convenient deployment， and flexible upgrade and expansion. As a future oriented infrastructure， POL is initiating a new round of application scenario development opportunities. This paper takes the design and implementation of POL all-optical campus network of Guangxi Vocational and Technical College of Water Resources and Electric Power as an example to analyze deeply the typical application of POL technology.

Keyword： POL technology; all-optical campus network; design and implementation; practical application

0? 引? 言

隨著互聯網技術的飛速發展，語音、視頻、圖片、云計算業務等流量大幅增長，對網絡帶寬的要求越來越高，傳統的園區網絡面對日益增長的網絡帶寬提升需求，迫切需要進行網絡改造升級。而傳統基于銅纜布線的網絡由于連接復雜，走線和維護難度大，升級擴容困難，正在逐漸被全光網絡（POL）取代。全光網絡把傳統的銅纜傳輸替換為光纖傳輸，實現光纖到戶的整體融合，寬帶網絡、語音視頻、無線Wi-Fi、CATV等多種業務均可在光纖網絡中承載。

1? POL全光網絡概述

無源光纖局域網（Passive Optical Local Access Network， POL）是將銅纜替換成光纖，基于PON技術的一種新型園區網絡組網方式。POL全光網絡是指傳輸和交換過程全部通過光纖實現的網絡，因為在網絡傳輸和交換的過程中信號始終以光的形式存在，省去了中間光電轉換和電光轉換的環節，可大大提高網絡帶寬[1]。

在傳統的園區網絡搭建中，網絡的傳輸介質主要有銅纜和光纜，銅纜（雙絞線）由于其組網簡單，施工工藝要求不高曾是接入網絡的主要傳輸介質，但銅纜的內芯材料是銅，成本較高，且傳輸距離有限，傳輸速度難以大幅提升。光纖作為新型網絡傳輸介質，因其成本低、質量輕、柔韌性好、體積小巧、可獲得性高，且光纖傳輸容量大、傳輸距離遠、性能穩定、抗干擾能力強、保密性好，越來越受使用者的青睞。基于光纖傳輸的巨大優勢，運營商的傳輸網絡早已采用光纖傳輸，2008年三大運營商開始啟動接入網的“光進銅退”改造工程，以FTTB/FTTH模式將光纖部署到樓道和入戶，大幅改善了家庭用戶的網絡體驗。實施改造工程以來，我國已建成世界上最大的光纖寬帶網絡，全面實現“光進銅退”，千兆光網已飛入尋常百姓家。

接入網的“光進銅退”使用的是無源光網絡（Passive Optical Network， PON）技術，在傳輸介質采用光纖替代銅纜的同時，PON采用無源的點到多點（Point to Multiple Point， P2MP）技術帶來網絡架構的變革，使得網絡扁平化，部署成本更低[2]。PON的介質和架構優勢同樣適用于行業園區場景的局域網建設，即POL。POL繼承了PON網絡大帶寬、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等優點，優化了局域網的基礎布線和網絡架構，網絡架構更加扁平和簡潔，能更好地滿足于客戶網絡業務需求，解決了現有園區網絡帶寬低、多網并存、網絡升級困難，以及管理難等問題。

2? 基于POL全光校園網設計

2.1? 設計思路

全光校園網按照核心層、匯聚層、接入層三層網絡架構進行建設，全網采用光纖傳輸數據信號。在核心層部署核心交換機和光線路終端（OLT）設備，實現數據的高速轉發；在匯聚層部署無源分光器（POS），采用無源光網絡設計，無須額外配置獨立機房為設備供電，減少了中間有源設備的故障點；在接入層使用光網絡終端（ONU/ONT），為每個教室、實驗室、辦公室部署一個光網絡終端，光纖直接進入教室、實驗室、辦公室，校園的教學、辦公、視頻監控等業務系統統一承載在全光校園網絡中[3]。

2.2? 設計原則

2.2.1? 開放性和標準化原則

網絡設計應具有良好的開放性，具備與多種協議計算機通信網絡互連互通的特性，并遵循統一開放的通信標準，使用符合這些標準的計算機系統進行網絡互聯互通。

2.2.2? 實用性和先進性原則

網絡設計中注重以使用為原則，緊密結合實際業務需求，建設滿足業務需求的網絡，同時還要結合當前及未來主流的網絡技術，建設成熟、先進的網絡架構，避免技術陳舊也要杜絕采用不成熟的新技術進行方案設計。

2.2.3? 安全性和可靠性原則

由于校園網絡的特殊性，在設計過程中要注重網絡的安全性和可靠性，所建設的校園網絡既要保證安全性，避免存在漏洞被攻擊、被破壞，數據傳輸被竊聽，也要提高可靠性，減少網絡故障點，降低網絡中斷的風險。

2.2.4? 可維護性原則

網絡設計應具備優良的可維護性，不僅要保證網絡設計可靠有效，還應當配備網絡故障檢測診斷工具以及部署網絡管理設備，在網絡出現故障時方便精準定位故障并及時解決故障問題。

2.3? 網絡設計

POL全光校園網絡主要由核心交換機、光線路終端（OLT）、光分配網絡（ODN），以及光網絡單元（ONU）組成，如圖1所示。

2.3.1? 核心交換機

在全光校園網中，在信息中心部署核心交換機，實現數據的高速轉發以及保障網絡的互聯互通。核心交換機部署在數據中心機房，向下連接OLT設備，實現數據的高速轉發，向上連接路由器（防火墻），實現接入互聯網，同時旁接學校各種應用系統，保障工作業務的正常進行。

2.3.2? 光線路終端

光線路終端（Optical Line Terminal， OLT）部署在中心機房，向上連接核心交換機，接入核心網絡主干，向下連接所屬ODN的分光器等設備，提供集中帶寬分配、控制各ODN、實時監控、運行維護管理等功能。

2.3.3? 光分配網絡ODN

光分配網絡（Optical Distribution Network， ODN）采用光傳輸介質和無源光器件，在OLT和ONU之間提供光傳輸通道，在校園網光分配網絡ODN設計中，分為五個子系統[4]：

1）中心機房子系統。位于中心機房內，包含從OLT出來的大量光纖跳纖的管理和維護，以及大芯數室外光纜的端接。

2）主干光纜子系統。ODN中從OLT到光分配點的光纖鏈路，節點設備通常包含室外交接箱和接頭盒。

3）配線光纜子系統。ODN中從光分配點到用戶接入點的光纖鏈路，通常包含交接箱、分光器、分纖箱等。

4）入戶線光纜子系統。ODN中從用戶接入點到用戶光纖面板的光纖鏈路，完成多芯數光纜到單芯入戶光纜的轉變。

5）光纖終端子系統。ODN中從用戶光纖面板到用戶ONU的光纖鏈路，完成室內布線部分的工作。

2.3.4? 光網絡單元ONU

光網絡單元ONU部署在用戶端，承載終端用戶的業務數據，是光纖接入的終端設備。光網絡單元的主要功能是選擇接收OLT發送的廣播數據，響應OLT發出的測距及功率控制命令并做出相應的調整，對用戶的以太網數據進行緩存，并在OLT分配的發送窗口中向上行方向發送。

2.4? 設計優點

所設計的無源光纖局域網繼承了無源光網絡高帶寬、高可靠性、運維簡單、業務融合度高、安全性高等特點，更適合于在校園網中使用。

2.4.1? 網絡帶寬高升級方便

無源光纖局域網在網絡中使用的是光纖傳輸，網絡帶寬最高可達10 Gbit/s，并且后期可較為方便地擴容至40 Gbit/s、100 Gbit/s，升級網絡帶寬僅需更換兩端的設備或光模塊即可，無須重新布線組網，帶寬提升便捷，節約成本。

2.4.2? 網絡結構簡單運維容易

無源光纖局域網網絡層級簡單，有源設備只部署在核心層和接入層，信號從光線路終端（OLT）直達光網絡單元（ONU/ONT），減少了網絡層級，也減少了網絡的故障點，網絡可靠性更高，更加便于管理維護[3]。

2.4.3? 一線多用業務融合度高

與傳統的綜合布線中需要部署電話線、視頻線、雙絞線等多套網絡支撐多種業務需求不同，無源光纖局域網的光纖能傳輸語音、視頻、網絡等數據，一根光纖承載多種業務，實現了一線多用，融合度高。

2.4.4? 安全性更高

無源光纖局域網傳輸的是光信號而不是電信號，能有效避免電磁干擾，解決電磁泄露等問題，規避了物理線路傳輸信息被竊聽的風險。同時，POL設備支持網卡物理地址綁定、802.1x認證等，避免非法用戶接入網絡；設備支持用戶隔離、廣播抑制、防DOS攻擊等功能，防止已接入網絡用戶對設備和其他用戶進行攻擊的行為[5]。

3? 全光校園網絡與傳統校園網絡的區別

傳統以太局域網多采用的是核心交換機到匯聚交換機最后到接入交換機的三層架構，包括核心層、匯聚層、接入層三個層次，在中心機房部署核心層交換機，在樓宇匯聚處部署匯聚層交換機，在每個樓層弱電間部署接入層交換機，是一個典型的三級組網架構網絡。

POL全光網絡組網在中心機房部署了核心交換機和OLT設備；在匯聚層采用無源分光器替代傳統的匯聚層交換機，采用光纖替代銅纜，采用無源設備替代有源設備，減少了網絡故障的發生率；在接入層采用ONU替代接入交換機，ONU充當了接入交換機的角色，提供部分二層交換的功能，為用戶提供數據、語音、IPTV、無線、安防監控等業務訪問，層級更簡單，如圖2所示。

4? 全光校園網設計優缺點分析

廣西水利電力職業技術學院在新校區校園網建設中采用POL網絡設計，經過多年的實踐，POL無源光組網方式組網成本低，部署快，后期維護容易，已經在校園中得到大面積的應用，POL網絡在機房到ONU之間，鋪設的是光纖而不是網線，杜絕了電磁干擾，提升了網絡帶寬，未來帶寬升級僅需更換光模塊或兩端設備即可，步驟簡單，高效便捷，同時POL網絡層級簡單，省去了中間易出故障的有源設備，提高了可靠性。

但在實踐過程中，也發現當前的POL設備品牌眾多，性能、質量參差不齊。在校園網中使用大量的ONU設備，也增加了故障節點的風險，需要一套集中管理軟件，才能對網絡進行運維，POL網絡中所有的橫向數據均需上升到OLT設備中進行交換，再返回至客戶端，對于需要大量共享的網絡存在一定的制約。

5? 實際應用

廣西水利電力職業技術學院通過建設基于POL技術的全光校園網，與傳統基于網線的千兆以太網進行對比，在實際應用中得到如表1所示的數據。

由數據分析可知，相較于傳統基于網線的千兆以太網，基于POL的全光校園網最大網絡帶寬由1 000 Mbit/s提升到10 Gbit/s，網絡帶寬更高；承載業務數量由1個提升到4個，業務融合度更好；網絡層級由三層減少為兩層，網絡結構更簡單；網絡故障率、安全事件發生次數大幅減少，如圖3所示。

因此，基于POL技術的全光校園網提升了網絡帶寬，增強了安全性，減少了故障發生率，是現階段的最佳選擇。

6? 結? 論

全光網絡經過多年的應用，不斷地更新升級，技術已趨于成熟，發展前景廣闊。通過對學校校園網無源全光網絡的升級改造，無源光設備已取代了傳統網絡設備，一根光纖可替代大量網線，將數據網、電話網、監控網、一卡通網等各業務網絡融合在一起，構建一張“全融合、廣承載、泛連接”的校園基礎網絡，為職業教育高質量發展賦能，為智慧校園建設提供強有力的技術支撐。

參考文獻：

[1] 肖斌.智慧校園網絡新架構 [J].福建電腦，2022，38（4）：40-43.

[2] 董涵.POL與以太網組網方式在高校應用中的對比研究 [J].計算機產品與流通，2017（10）：222.

[3] 蘇虎.以太網，GPON與EPON三種組網方式在高校應用中的對比研究 [J].中國新通信，2020，22（23）：61-62.

[4] 胡搏.智能光網絡技術特點及未來發展趨勢的研究 [J].中國新通信，2019，21（4）：84-89.

[5] 余翔.基于GPON技術的接入網方案設計與應用 [D].北京：北京郵電大學，2012.

作者簡介：鐘文基（1981.09—），男，漢族，廣西靈山人，副教授，高級技師，碩士，主要研究方向：信息技術和職業教育教學改革；王麗磊（1985.03—），女，漢族，河北張家口人，工程師，碩士，主要研究方向：信道通信技術。