PON技術在高校校園網中部署的利弊研究

顏偉 姜海濤

摘要：PON技術作為一種新的組網方式，被廣泛應用于運營商網絡中。對高校校園網而言，PON技術組網模式還處于探索階段。文章從高校校園網應用實際出發，結合PON技術的優缺點，對PON技術在校園網中部署的利弊進行分析，提出高校采用基于PON技術的網絡架構可能出現的問題，對PON技術在校園網中部署的可行性提出了理性思考。

關鍵詞：PON；校園網；網絡架構；全光網；以太網

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0094-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著智慧校園建設的不斷深入，如何建設一張高帶寬、易擴展、好運維的校園網，從而更好地滿足未來各種校園新型業務的需求，成為高校的“剛需”。PON網絡利用光纖作為傳輸媒介，激光作為信號載體，可以減少電磁、灰塵、溫度與雷電影響。實際應用中，PON在校園網內僅解決接入到匯聚這一段的組網問題，而從核心層到匯聚層再加上最后一米的有線信息接口，依然是以太網技術，對于用戶身份的管理、優先級、業務分類等也需要通過以太網方式傳遞給其他校園網設備，這就使得PON在校園網中的部署和應用必然要想方設法適配以太網技術。

對于一些正在觀望、還未部署PON技術網絡的高校而言，由于對全光網的部署條件不甚了解，正處于適不適合上全光網的衡量階段，在“光進銅退”的背景下，各高校是否建設全光校園網還需要進行探討。

1 高校校園網組網現狀概述

校園網作為高校重要信息基礎設施，是為學校教學、科研、管理和生活提供先進技術支撐的局域網絡。校園網的特點主要表現在高速、交互、專業、安全等方面。一方面，校園網是開展正常教學、科研和管理的基礎，需要滿足師生對大容量、高速率、高質量數據傳輸的要求；另一方面，由于校園網承載著大量技術成果、身份認證信息、高校教務教學管理信息等龐大的數據資源，需要有更高的安全可靠性要求。

目前各高校校園網主流實現技術是以太網，一般為基于核心層、匯聚層、接入層3層網絡架構[1]。

2 PON技術架構網絡概念

PON，全稱為無源光網絡（Passive Optical Network，PON） ，是一種點到多點（Point 2 Multiple Point，P2MP） 的光纖接入技術。一個PON架構網絡包括部署在中心機房的光線路終端（Optical Line Terminal，OLT） 、部署于用戶場所的光網絡單元（Optical Network Unit，ONU） 以及連接OLT和ONU的光分配網絡（Optical Distribution Network，ODN） 。所謂“無源”是指在光配線網絡ODN中不含任何有源電子器件及電子電源等設備中繼。

在PON網絡中，核心技術是無源分光，分光一般是通過光無源分光器Splitter實現。無源分光器按照2的指數進行分光，包括1：8，1：16，1：32等，由于分光有損耗，分光的路數越多，損耗越大。為保證網絡數據傳輸質量，分光比通常不超過1：64。

PON架構網絡中，上行方式和下行數據的傳輸方式不同，采用時分多址接入（Time Division Multiple Access，TDMA） 方式實現數據上行，采用被動廣播方式實現數據下行[2]。

目前主流技術是EPON和GPON。PON的典型拓撲結構一般如圖2所示。

3 PON技術的優勢

作為通信技術中的一項新興技術，PON技術被廣泛應用于運營商網絡中，非常好地解決了整體成本、傳輸速率、使用壽命、傳輸距離等一系列問題。

3.1 網絡架構優化

PON技術采用扁平化二層架構，符合網絡扁平化發展趨勢。相比系統以太網的核心機、匯聚、接入的三層架構，PON網絡最突出的優點是減少了中間的有源節點——匯聚交換機。PON架構網絡中只有在匯聚層部署的OLT設備和在接入層部署ONU設備為有源設備，在中間ODN部署的分光器為無源的，通過采用OLT和無源的分光器代替傳統以太網的有源的匯聚層，變成全光的二層架構，實現網絡的扁平化，這樣既可以減少匯聚機房的空間占用和供電需求，也可以節省匯聚機房的制冷設備，進而有效減少匯聚機房的安全隱患。

為提高鏈路的安全性、穩定性和可靠性，PON組網方案中一般在核心交換機和OLT之間配置鏈路聚合，實現OLT的雙上聯、雙歸屬保護。OLT和分光器之間主干鏈路配置TypeB雙歸屬保護，實現分光器雙上聯至OLT。

3.2 介質成本相對低，占用空間小

目前接入機房到ONU常用2芯蝶形皮線光纜連接。皮線光纜具有體積小、質量輕的優點，同六類非屏蔽雙絞線相比，截面積不到四分之一，體積約為三分之一，重量約為四分之一，價格約為四分之一到二分之一，對布線橋架容積、弱電間施工安裝空間等環境要求較低，相對雙絞線部署具有明顯的成本優勢，同時也可以顯著降低弱電橋架、線槽的空間占用和稱重負荷。

3.3 光纖傳輸損耗低，中繼距離長

相比雙絞線，單模光纖在傳輸光信號時傳輸損耗低，PON技術網絡一般采用單模光纜布線。單模光纖的傳輸距離的限制因素是其衰減系數，單模光纖的衰減特性有隨波長遞增而減小的趨勢，但工作波長在11310～1600nm窗口區間時衰減趨于平坦，因此目前組網一般都使用1310nm波長的激光和1550nm波長的激光作為信號載體。單純從衰減系數考慮，1550nm波長的光在G.652D光纖上傳輸時的衰減系數最接近最低衰減系數0.2dB/km，因此長距離光纖傳輸系統都采用1550nm波長區[3]。

工作波長為1550nm的光在G.652D標準光纖中傳輸時衰減系數不大于 0.22dB/km，以此可以測算出，10GPON在1：32的分光比條件下（插入損耗為17.5dB） ，光信號無電中繼傳輸距離可超過30km[1]。因此，PON在超大型樓宇和樓宇群的傳輸需求中距離優勢明顯。

4 PON技術在校園網部署的劣勢

PON技術主要源于運營商推廣，適合居民小區場景應用。這種場景中用戶密度小、網絡中流量南北縱向大、東西橫向流量小，用戶之間基本上沒有數據交換。高校校園網是特殊的局域網，基于以太網技術建設，校園面積及跨距一般不大，PON技術組網的優勢不明顯，有時甚至成為性能瓶頸。

4.1 可靠性不足，單點故障風險增加

PON的匯聚層無源是“雙刃劍”，無源即無腦，使得PON網絡嚴重依賴于OLT，這意味著多業務承載的環境中，任何一個報文的網絡策略都需要上送到OLT及背后的核心交換機完成，而且業務種類越多、權限復雜度越高，對OLT及背后交換機的壓力就越大，對整體性能的影響越大，單點發生故障的風險越高。

4.2 共享帶寬，傳輸效率低

從架構看PON網絡中ONU之間共享到OLT的帶寬，不能根據實際需求進行靈活調整。例如：1G的OLT板卡采用1：32分光，每個ONU只有1000/32=31M，ONU下如果有多用戶，帶寬更低[4]。

PON網絡中數據上行傳輸采用TDMA模式，上行鏈路被分成不同的時隙Slot，為防止由于ONU無序發送數據造成相同波長光信號疊加從而使得OLT接收后無法讀取數據的情況發生，由OLT對時隙進行統一調度和授權，ONU不能主動發送數據，ONU在自己的授權時隙內有通信需求時發送數據，無通信需求插入空白幀。這種機制不能根據ONU上的流量情況進行實時調整各ONU的時隙授權和上行帶寬，承載突發性比較強的業務時帶寬利用率比較低，存在性能瓶頸。

4.3 靈活性差，線路成本優勢不明顯

PON技術網絡使用光纖傳輸激光信號，終端用戶必須通過光電收發設備進行光電轉換才能聯網，增加了設備成本，且分光路徑比較固定，一旦完成部署，難以靈活調整和擴容。

無源分光是PON的一把“雙刃劍”，ONU之間共享帶寬，校園網中東西橫向流量需求大，經過分光過后的帶寬無法滿足需求，而不采用分光，使用1：1下行，OLT下行光口的成本也將被逐漸拉高，PON技術在路線成本上的優勢也不復存在。

4.4 兼容性差，適應性不強

PON各品牌廠商均采用各自的私有協議，ONU與OLT之間存在已知較多的兼容性問題。一旦選擇了某個品牌的PON網絡設備，未來進行升級擴容或更新設備時一般只能使用該品牌的設備，用戶容易被廠商方案綁定，幾乎沒有可選擇性，資金投入風險較高[3]。

4.5 皮線光纜布線煩瑣，后期維護困難

光纖用玻璃纖維傳導光信號，纖芯較為脆弱，不能過度彎曲，入戶穿線時容易折斷，接頭位置也不能存在較大震動，所以不能大規模預埋布線，后期使用過程中還存在動物咬斷、其他工程施工破壞以及長時間環境磨損等，如果使用鎧裝光纖或進行套管保護，又增加了建設成本。

光纜發生故障時，需對光纜纖芯的玻璃纖維進行熔接。熔接光纖需要專門的熔接設備和較高的技術門檻，熔纖操作時須嚴格遵守施工規范，謹防雜質或灰塵污染光纖端面，確保光纖的熔接質量，否則會造成鏈路傳輸質量下降，影響通信效果[5]。

4.6 運維成本高，效率低

從網絡架構看，PON是二層網絡，需要維護的設備較少，但是通過實際運維發現，PON網絡包括核心層、OLT設備層、無源分光器層、ONU設備，是典型的四層網絡。而且PON架構網絡配置復雜，分光器這種啞設備無法在網絡中被發現，傳輸鏈路出現問題時故障定位及排除難度較大，對運維人員技術要求高。為了解決這些問題，功能強大的網管系統必不可少，第三方網管平臺在對ONU的數據獲取上存在困難，而設備廠商的網管系統需要單獨購買，增加了建設成本。運維過程中需要再增加配備打光筆、光衰減器儀、光功率計、光纖熔接機等專業運維工具，運維成本較高。

4.7 資源共享受限

PON技術組網時，ONU是獨立單元，默認相互隔離，無法直接互訪，存在橫向資源共享受限問題，如ONU打印機不能共享使用。如果要實現跨ONU資源共享，則需要在OLT上增加相關配置，這樣會加大OLT的系統資源消耗，導致性能瓶頸。如果取消OLT的端口隔離功能，則PON技術網絡的安全性能就會大打折扣。

4.8 ONU設備取電困難，安裝位置不好確定

目前，ONU設備的供電方式有兩種，一是就近取電，在ONU用戶房間就近為ONU供電；二是在距離允許的情況下，從接入機房隨皮線光纜一塊布放電線給ONU設備供電。

第一種方式，ONU的電源供應由使用者自主管理，運維人員難以主動發現從分光器到ONU段的鏈路故障。第二種方式，ONU自帶電源供應，雖然可以保證供電的穩定性和可靠性，有助于網管人員主動發現設備線路故障，但背離了PON網絡在中間節點無源的初衷和優勢，同時，隨光纜布設電線，又額外增加了原材料成本和施工成本。

另外，ONU設備的安裝位置也是個難題，本身ONU設備不能像雙絞線的信息面板一樣可以嵌入式安裝，只能在墻上顯式安裝。安裝位置過低，在日常使用中容易被人為破壞，環境中的水汽、灰塵等也會影響ONU的通信質量和使用壽命，安裝位置過高，既影響房間美觀，也不利于后期的巡檢維修等工作。

5 結束語

基于PON的組網方案源于運營商推廣，是一種新的組網方式，可以采用多種不同的技術路線具體實施，不能簡單地說哪種技術更好，必須實事求是，結合建設場景進行綜合分析論證。 PON技術組網方式在校園網中的實際應用案例并不多，在網絡開放性、兼容性、穩定性、可靠性、靈活性、安全性、強性價比、網絡控制策略性和對智慧校園業務支撐等方面仍有些經驗不足，對校園網管理者來說，可供借鑒的經驗近乎為零，對實際的建設效果和建設投入有諸多顧慮。但是PON技術組網的無源適應性、多業務承載能力等優勢對校園網的性能提升具有一定的借鑒作用。

目前各高校校園網主流實現技術是傳統以太網，這種組網方式在高校校園網多年的運行管理實踐中已經形成了相對成熟的體系和穩定的方案。因此，在校園網的建設改造過程中，各校應根據自己的實際情況，結合建設場景，充分考慮校園網的用戶高密度、多元化應用需求強烈、智慧校園業務承載能力強、內部數據交換流量大、網絡控制策略復雜等特點，結合PON技術的優點來選擇施工方案，實現新技術與傳統架構的“優勢互補”，將所有網絡通信業務都整合到一張二層大網中，更有利于校園網的扁平化，更好地應對校園網應用的需求，為學校的教學、科研、管理提供更加優質、快捷的服務。

參考文獻：

[1] 黃清海.PON在校園網部署的利與弊[J].中國教育網絡，2022（7）：67-68.

[2] 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.

[3] 全光網絡技術及發展[EB/OL].（2022-02-09）[2022-12-20].https：//www.renrendoc.com/paper/192434493.html.

[4] 園區網的建設方案對比：PON和以太網[EB/OL].（2020-05-11）[2022-12-20].https：//www.sundray.com.cn/feedback/1880.html.

[5] 陳永杰.眾議：高校如何部署全光網？[J].中國教育網絡，2021（12）：13-17.

【通聯編輯：代影】