光联万物！高校如何推进全光网建设？
2020年2月25日，欧洲电信标准化协会（ETSI）面向全球宣布成立F5G产业工作组，提出了从“光纤到户”迈向“光联万物（Fibre to Everywhere）”的产业愿景，标志着F5G时代大幕正式开启。
F5G，就是The 5th Generation Fixed Networks，第五代网络。F5G与5G相对应，5G是移动通信网络技术，重点在于无线，主要服务于手机等移动终端接入，而F5G是固定通信网络技术，重点在于有线，主要业务是固网光纤宽带接入。
随着流量持续增长、宽带网络不断扩容提速，我国固网宽带正加速迈入以10G PON（无源光网络）、Wi-Fi 6、200G/400G为基础的第五代固定网络技术时代。
3月5日，国务院总理李克强在政府工作报告中指出，要“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”，“千兆光网”首次被写入了政府报告，并和5G并列，成为国家重点工作之一。
3月13日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》发布，强调“加快5G网络规模化部署，推广升级千兆光纤网络”。
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全光网的技术特点
全光网具有架构简单、演进灵活、运维高效以及绿色节能的优势。
从架构来看，传统网络是一个典型的三层架构，而全光网络架构，仅在汇聚层放置光线路终端（用于连接光纤干线的终端设备，Optical Line Terminal，以下简称OLT），在接入层放置光网络单兀终端（Optical Network Unit，以下简称ONU），通过采用OLT和无源的分光器替代了传统网络有源的汇聚层，变成全光二层架构，实现了网络的扁平化（图1）。
图1 传统LAN网络与PON网络架构对比
从演进来看，传统方案需要大量使用铜缆，带宽要求越高，需要使铜缆的类别就越高。传统网络方案的升级涉及楼宇布线的改造，现在铜线的价格持续不断上涨，整体的更换成本变得更高。
而对于光网络来说未来网络升级只涉及两端设备或者板卡的更换，不用去更改中间的线路，所以，全光网络的演进非常灵活。
从运维来看，全光网络的无源特性节省了机房空间和布线数量，同时降低了故障点，也减少了弱电机房因为有源设备持续发热带来的火灾风险。除了“三层变两层”和无源的优势之外，一网多业务也是其显著特点，避免了多网维护的问题。
从能耗来看，采用无源光网的组网架构，通过光纤直达房间，无须每个楼宇、每个楼层配置弱电间，大幅提升运维效率；同时，通过减少弱电间的供电和空调等配套设施，可节省30%整网能耗，网络更加绿色环保。
从介质来看，光纤为光网络的主要传输介质，对比铜线来说，光纤寿命更长，抗干扰性能更好，可以做到升级免改动。
光纤长达40km的传输距离相比网线100m传输提升了400倍，加上光网络多业务承载的特性，就接入相同业务数量所需要的水平布线来说，光纤会在重量和空间上节省90%。
现阶段，全光网络架构仍有一些不足之处，例如ONU设备上各网口上下行都可以达到较高速率，但各口之间的通讯效率较低；其次，全光网络作为近几年开始流行的技术架构，还存在着相对可选的设备型号有限、不同厂家之间的设备不能互通等缺点。
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南航全光网的建设实践
南航现有三个校区。其中，明故宫校区和将军路校区是老校区，网络基础设施建设时间较早，随着智慧校园建设的快速推进，各类智慧业务和应用不断涌现，师生对网络的需求日益提高，学校网络承担着巨大的压力。
另外，老校区由于校园网接入应用不断增多，弱电间内有源设备和线路随之不断增加，使得潜在故障点较多，管网空间趋于饱和，网络整体可靠性低且维护难度大，对温湿度、电力、环境等也均有要求，存在一定的消防安全隐患。
天目湖校区是新校区，学校提出了“多网融合、统一承载、简化运维、平滑演进”等网络建设目标，高起点打造与信息化发展趋势和学校改革发展需求相适应的智慧校园。
面对老校区网络改造及新校区网络建设的需求，全光网络可以较好地解决目前所面临的问题，实现既定的建设目标（图2）。
图2 南航全光网络建设历程
南航全光网络建设，总结下来有3个特点：
一是开始比较早，2017年开始借鉴运营商家庭宽带接入经验，设计校园全光网络建设方案；
二是类型比较丰富，南航的全光网络建设涵盖了学生宿舍楼、教学楼、办公楼、实验楼、食堂等多种不同楼宇类型和场景；
三是建设和改造的规模比较大，在新建的天目湖新校区全部采用全光网方案建设，建筑面积达60余万平米，在南京两校区进行了59幢楼教学科研区的光网络改造，目前正在规划剩余楼宇的改造。
1.智慧教室及标准化考场的光网络改造
2018年暑期，学校将将军路校区5号教学楼12间教室整体进行智慧教室改造，选用吉比特无源光网络（GPON）网络架构。
项目共布置OLT设备1台，对流量较大的录播、AP、IP广播、电子班牌等采用4口、8口带POE接口ONU设备，采用1:4分光比。
对流量较小的电脑、数字时钟等设备采用普通4口ONU，采用1:8分光比（图3）。这是南航首次采用PON技术架构建设校园网。
图3 南航智慧教室光网络建设拓扑
2018年底，配合学校标准化考场设施高清化升级，采用GPON架构对南京两校区372间教室进行了光网络改造。
项目在两校区各布置OLT设备1台，教室内部署4口ONU终端，采用1:16分光比，可以完全满足标准化考场高清视频监控上传的带宽需求（图4）。这是南航首次大规模采用PON技术独立组网。
图4 南航标准化考场光网络改造拓扑
2.新校区光网络建设
天目湖校区于2018年4月启动建设，2019年9月，第一批新生约2200人入驻天目湖校区。
天目湖校区（一期）建设包括教学楼、基础实验楼、体育场、风雨操场、学生食堂、学生宿舍及相关后勤附属设施等建筑物，总建筑面积达20余万平米。
按照超宽、极简、开放、智慧、安全的设计理念，天目湖校区全部采用全光网络架构建设。
南京航空航天大学天目湖校区（图源官博）
部署OLT设备2台，安装ONU终端设备1794台，无线AP设备2176台，全部采用10G PON架构，PON口下行速率10Gbit/s、上行速率2.5Gbit/s。
根据用途不同采用不同的分光比，其中宿舍区采用1:32分光比，办公区、实验区、教学区采用1:16分光比。
每栋楼宇设置光缆汇聚间，光纤汇聚间到每层弱电间布放96芯室内光缆；每栋楼宇到光纤接入机房布放96芯室外光缆；楼层弱电间根据不同场景，设置分光器。
南航天目湖校区是国内首家采用10G PON架构进行规模部署的高校，探索了新校区信息化建设和管理的新思路、新模式和新应用，入选2019年高等教育信息化创新应用案例。
3.南京两校区办公科研区的光网络改造
2020年暑期，学校对南京两校区59幢楼宇的网络进行了整体改造，新增OLT设备2台，部署ONU终端设备3800台，支持Wi-Fi 6的无线AP设备3740台，并根据办公室、会议室、实验室、食堂、教室等不同使用场景，选用不同的施工及布放方案（图5～7）。
图5 办公室场景
图6 实验室、食堂场景
图7 根据使用场景采取不同施工方案
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全光网的建设效果
南京两校区通过实施全光网络改造，得到了师生充分肯定，主要建设成效包括：
一是实现了网络接入速度和用户体验的大幅提升。实现了光纤入室，万兆到房间、千兆到桌面，有线接入速度大幅提升，并预留升级空间；通过采用面板式AP和放装式AP实现了教学办公区Wi-Fi 6无线网络高质量覆盖；食堂、教室、会议室等场所按照最大容纳人员数量的2倍配备高密放装式AP，实现无线终端密集接入，使校园网用户无线体验大幅提升。
二是实现了弱电间无源化。学校曾因弱电间设备过热而发生过火灾险情，光网改造后，弱电间内有源交换机均被更换为无源的分光设备，从而极大地消除了安全隐患。
三是退出大量弱电间，极大节省了房产资源。通过全光网络改造，退出不再使用的弱电间57间，节省使用面积超1000平米，交国资部门或改为备件仓库。
四是配合实施弱电间改造项目，实现线缆清晰整洁和智慧感知。在光网改造后线缆大幅减少的基础上，对弱电间进行了智能化改造，每个弱电间安装了温湿度传感器、水浸传感器、门窗传感器、摄像头、智能开关、插座、电子门锁，并且私有化部署了绿米云，实现弱电间环控智能感知。
天目湖校区的全新全光网络建设，实现了既定建设目标：
通过一张网络接入数据、语音、无线、视频等业务，网络结构更加扁平和简洁，建设成本降低；
使用无源分光器替代弱电间有源设备，减少有源设备和弱电间数量，消除弱电间的安全隐患；
通过光网络的特性提供比传统网络更高的可靠性、稳定性，简化日常运维、配置和管理工作；
通过室内ONU承载无线AP，实现有线无线的融合，增强用户互联网使用体验（图8）。
图8 弱电间改造前后对比
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相关经验与未来思路
基于南航天目湖校区新建光网络及南京两校区光网络改造实施，主要积累如下光网络建设经验：
第一，由于光纤本身不带电量，无法导电对末端设备供电，所以，全光网络ONU光终端需要近端取电，安装交付依赖于信息箱集成，前期规划设计阶段要提前规划网络信息箱位置及安装环境。
第二，无源光网络需进行熔纤，相较网线做水晶头技术要求更高，校园运维工程师需学习熔纤工具并具备熔纤技能，保证后期校园业务扩容。
在南航校园全光网的设计方案中，充分考虑三个校区之间的联动，选择以环状构网，通过波分设备实现异地校区间100G互联，提升三校区互联的可靠性。
未来，随着互联网不断发展，终端用户带宽需求不断增加，全光网络将在校园网络应用中发挥更大的优势。基于全光网络技术，可以直接升级OLT和ONU设备（比如PON升级到XG-PON、XGS-PON），既满足了当前需求，又能为未来扩展预留空间。
今后，随着5G技术的成熟，研究将探索5G和全光网技术的融合，通过建设一个结构简单、高速稳定、便于维护及安全可靠的智慧校园网络，更好地满足未来各种智慧校园新型业务的需求，进一步推动南航智慧校园的建设发展。
*本文系南京航空航天大学基本科研业务费前瞻性发展策略研究基金项目《“教育信息化2.0”时代高校智慧校园建设模式及实践探索的研究》的研究成果（项目编号NW2020003）。
作者：刘勇、钱鑫、徐晓红（南京航空航天大学信息化处）