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PON在校园网改造中的应用分析
◆ 黄国林
摘要：随着PON技术的发展，运营商在商业网络中得到广泛应用，但在校园网络中还处于探索阶段。本文结合PON技术的优缺点，针对高校家属区的应用场景进行分析，讨论PON在校园网中不同区域适用的组网方式。随着技术的发展和建设成本的降低，PON在校园网所扮演的角色会越来越重要。
关键词：无源光网络（PON）；校园网；光纤到户（FTTH）；光纤到楼（FTTB）
一、前言
随着高校信息化的发展，师生对智慧化校园的需求日渐强烈，并对校园网提出了高带宽，高稳定性的需求。以往单纯基于以太网方式建设的校园网已难以满足智慧校园的高速发展。无源光网络（PON）作为一种新的组网技术，具有组网适应性强、安全性高、传输距离远、带宽高等众多优点，更易于满足校园网的业务接入需求。
大多数高校由于建设年代不同，教学楼、宿舍楼等建筑结构有一定差异，网络需求也各不相同，甚至部分网络接入并未按弱电标准实施，但改造网络需以不影响现有网络使用为前提，于是，各方面因素导致校园网络改造工程具有场景多、周期短、布线难度大等特点。如何整合现有资源，提升校园网用户的上网体验，是迫切要思考并完成的任务。本文将从PON技术原理入手，探讨针对校园网不同场景的网络改造方案。
二、PON技术简介
PON技术是指在ODN（Optical Distribution Network，光配线网）中不含有任何电子器件及电子电源的网络。其中，ODN全部由光分路器等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。一个无源光网络由一个光线路终端（OLT）以及一批光网络单元（ONUs）组成。前者安装在中心控制站，后者则安装于用户场所。在OLT与ONU之间的ODN包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。其典型的网络拓扑结构如下：
UNISNIONUONUODNOLT核心路由交换ONU用户端接入链路网络端图 1 PON拓扑结构
在PON拓扑结构中，核心技术是无源分光，一般通过ODN的无源分光器实现，但由于分光有损耗，为保证网络传输质量，从OLT到ONU的全程光衰减不超过-28db，分
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信息系统工程 │ 2019.4.20
光一般不能超过1:128。按执行标准分类，常见的PON技术可分为EPON与GPON两种。前者传输码流采用以太网的帧格式，传输速率为上下行对称的1.25Gb/s（因此又称GEPON），普遍使用1:16的分光比例。EPON标准最大程度继承了以太网长期、大规模积累下来的宝贵技术经验，具有分层简单，系统实现容易等优点，支持FTTH（光纤到户），FTTB（光纤到楼）+LAN、FTTB+DSL等接入方式，单个用户可以体验的带宽为10M~20Mb/s左右；。后者更注重多业务的支撑能力，采用ATM的帧格式，采用非对称速率传输，其中上行速率2.5Gb/s，下行速率1.25Gb/s，GPON普遍采用1:32的光分路比，而接入方式主要支持FTTH，单个用户可体验的带宽为20M~40Mb/s左右。两种技术各有千秋，应根据实际需求进行选择。由于高校校园网普遍采用以太网的组网方式，EPON（或10G EPON）更为适用（下文中PON默认指的是EPON）。
PON网络与传统的以太网相比，最突出的优点是减少了中间的有源节点，楼宇内突破了以太网传输距离的瓶颈，消除了因距离超长而增加中间设备的忧虑，同时降低了设备宕机所导致的网络故障的风险。随着技术的发展，PON网络已实现对10G的支持，传输速率接近以太网。另外，ONU设备除了提供有线接口，还能实现无线路由功能。
三、 应用试点
按区域划分，我校校园网主要可分为教学办公区、学生宿舍区、家属区等，网络改造前均采用核心、汇聚、接入的三层以太网结构，再到用户桌面。
目前，我校计划对部分网络老旧的楼宇进行网络改造，特挑选一栋教学办公楼以及4栋家属住宅采用PON网络进行
试点。其中，教学办公楼采用FTTB+LAN的方式，家属住宅采用FTTH的方式。
教学办公楼房间结构比较复杂，网络结构多变，人员网络需求多样化，假如单纯采用FTTH的方式，若遇到房间网
络需求变化时，将牵涉到ODN与ONU的重新部署，增加维护的工作量。因此一般使用FTTB+LAN的方式，房间内保留接入交换机，需要网络调整时把影响范围缩小到房间内部。
家属区房间结构相对统一，网络结构相对简单，采用FTTH的接入方式，楼内的接入交换机直接通过PON网络接
入到核心交换机。由于我校家属区为雷电高发区，减少有源设备后，首先，降低了设备遭受雷击风险的同时，节约了设备维护成本；其次，减少了因中间设备较多，而造成的瓶颈问题；再次，避免了因汇聚设备宕机而影响整个区域网络的情况。以上对网络稳定性与速度的提升具有积极意义。
采用FTTH的接入方式，比FTTD减少了楼栋接入交换机的影响，降低了受电磁干扰的影响。用户端只需要配置ONU就能正常上网，速度更快的同时，网络的稳定性更高。但由于入户线缆从双绞线变为光纤，而光纤比较脆弱，容易折断。
PON对网络管理人员是个全新的东西，维护内容发生变化。从以前以太网的ARP攻击、双绞线故障，向PON网络的光损耗、光纤折断等故障转变。熔接光纤、光功率测试成为网管人员新的知识点。
四、优缺点分析
根据家属区与教学办公区的试点情况，可见PON的优点如下：
（1）成本相对低，易维护，方便扩展。PON网络传输过程中不涉及电源，敷设简单，投入使用后，基本无需维护，长期使用可降低运营成本与维护成本。
（2）部署范围广。PON网络通过介质传输，能避免电磁干扰、雷电、温度、灰尘等影响，适合在自然条件恶劣的地区部署。
（3）安全性高。由于只通过介质传输，终端设备需注册才能通信，信息不容易被监听，减少了中间有源设备，在一定程度避免了用电的安全隐患。
（4）占用资源少。PON网络采用分光技术，能缓解光纤资源紧张问题，减少光纤资源重复建设。
（5）支持多业务。不同业务可在端局共享光纤资源，便于实现“三网合一”。
除了以上优点之外，PON网络仍有一些问题，具体如下：（1）短期运行成本高。虽然PON网络长期运营成本比较低，但由于光纤资源成本目前仍比双绞线高，在接入规模比较低时，建设成本要比传统以太网高。
（2）运维难度大。虽然维护成本低，但因光纤直径小，韧性差，一旦折断，接续难度比双绞线大。
（3）灵活性差。由于信号在光纤中传输，终端必须要进行光电转换，而且分光固定，一旦完成部署，扩展与调整难度大。因此，PON一般适合网络业务固定的场合。
（4）运维技术转型难。现有的网管人员普遍熟悉以太网，但PON网络是完全不同的组网方式，需要对网管人员进行新知识点的培训，以适应新的维护模式。
通过以上优缺点的分析，家属区业务相对固定，比较适合PON网络来建设，而教学办公区则偏向使用FTTB+LAN的方式。
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五、其他应用场景
高校中的学生宿舍区与家属区有相似之处。分析如下：（1）学生宿舍在同一栋楼内布局统一，结构简单。根据传统的PON结构，从机房端的OLT设备按1:16或1:32的比例，经过二次分光后，一芯光纤最多可实现32X32=1024个房间的网络接入需求。同时，由于ONU设备也具有无线功能，可节省在终端AP的布放，长期运营，成本比传统以太网要低。
（2）学生宿舍人数相对固定，2至6人间居多，一个ONU设备可满足其网络接入需求。
（3）学生宿舍总体的上网需求固定，以日常上网为主，只要保障带宽与稳定性即可。
六、结语
随着近几年国家的大力推动以及“光进铜退”的趋势，PON技术在商业方面得到快速发展。PON技术相比传统以太网，有不少优点，但也存在不足。根据实际情况，校园中的家属区与学生宿舍适用于PON技术，但教学办公区使用FTTB+LAN的方式组网更合适。随着PON技术的不断发展以及建设成本的降低，预计在校园网改造过程中扮演的角色将愈发重要。H参考文献
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（作者单位：华南理工大学信息网络工程研究中心）
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