文/黎胤 王斌 文葉青

2021 年3 月，教育部發(fā)布《高等學校數(shù)字校園建設規(guī)范（試行）》，指明了高等學校智慧校園的規(guī)劃、設計、建設和實施的標準，指出校園網(wǎng)絡的建設目標是構(gòu)建包含無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)等多種形式的融合網(wǎng)絡，為學校的人、事、物提供隨時隨地的接入，支撐學校教學、科研、管理、服務和園區(qū)運行業(yè)務的信息流轉(zhuǎn)。2021 年7 月，教育部等六部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進教育新型基礎(chǔ)設施建設構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導意見》中指出，教育新基建重點方向之一是信息網(wǎng)絡新型基礎(chǔ)設施，要提升學校網(wǎng)絡質(zhì)量，提供高速、便捷、綠色、安全的網(wǎng)絡服務。

為適應新基建國家戰(zhàn)略和未來網(wǎng)絡趨勢，加快推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的步伐，提升教育教學質(zhì)量，滿足師生日益增長的信息化服務需求，中南大學信息化建設開始探索智慧校園的“中南模式”。以“三個千兆”網(wǎng)絡（千兆光網(wǎng)、5G、WiFi 6）為載體，以“F5G+5G+物聯(lián)網(wǎng)”為核心技術(shù)構(gòu)建一個全聯(lián)接、全感知、全智能的智慧校園一張網(wǎng)，建立健全學校智慧校園治理體系，實現(xiàn)人人、時時、處處的泛在智慧教育目標。

F5G 全光承載 開啟“一張網(wǎng)”工程

中南大學建設規(guī)模大，占地面積317 萬平方米，6 個校區(qū)，校區(qū)位置分散，在校學生6 萬余人，教職工6 千余人，校區(qū)擁有13500 余間宿舍，500 余間教室，3000 余間辦公室，用網(wǎng)需求量大，業(yè)務場景復雜。在核心網(wǎng)絡方面，校區(qū)間互聯(lián)無保護鏈路，組網(wǎng)架構(gòu)存在隱患。在師生用網(wǎng)方面，學生宿舍區(qū)和教學辦公區(qū)有海量終端業(yè)務，場景復雜、綜合布線混亂，設備故障率高，存在安全隱患。部分區(qū)域沒有無線網(wǎng)絡覆蓋，網(wǎng)速慢，師生體驗感較差。在教學科研方面，校內(nèi)科研、醫(yī)務、會議、教學等專網(wǎng)傳輸對資源要求高，網(wǎng)絡設備安裝環(huán)境復雜。在網(wǎng)絡運維方面，缺少極簡易懂的可視化管理，校內(nèi)部署和網(wǎng)絡管理效率低，運維成本高。

針對現(xiàn)有網(wǎng)絡問題，中南大學開展智慧校園“一張網(wǎng)”工程建設，采用F5G（第五代固定網(wǎng)絡）技術(shù)統(tǒng)一承載，即建設一張穩(wěn)定可靠、多網(wǎng)融合的全光校園網(wǎng)絡，實現(xiàn)高帶寬、大流量，無線網(wǎng)絡全覆蓋，高效智能運維，提升師生網(wǎng)絡應用的幸福感，全面促進智慧教育創(chuàng)新發(fā)展。

升級核心網(wǎng)絡 構(gòu)建新型技術(shù)底座

中南大學智慧校園“一張網(wǎng)”工程采用統(tǒng)一規(guī)劃、分期建設的思路，項目自2021 年開始實施，實現(xiàn)了核心網(wǎng)絡的升級改造，構(gòu)建了校區(qū)互聯(lián)環(huán)網(wǎng)，完成了教學辦公區(qū)網(wǎng)、學生宿舍網(wǎng)、學術(shù)資源專網(wǎng)、教學業(yè)務專網(wǎng)以及科研專網(wǎng)等多種業(yè)務網(wǎng)絡，多網(wǎng)統(tǒng)一承載，有線無線一體化升級，WiFi 6 無線網(wǎng)絡全覆蓋，網(wǎng)絡管理平臺智能化管理，全面構(gòu)建了智慧校園新型技術(shù)底座。中南大學校園網(wǎng)絡總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中南大學校園網(wǎng)絡總體架構(gòu)

搭建校區(qū)骨干環(huán)網(wǎng)

“一張網(wǎng)”工程首先對校園核心網(wǎng)絡進行升級改造，將核心網(wǎng)骨干帶寬從80G升級到200G，部署SDN控制器，實現(xiàn)一網(wǎng)多用，業(yè)務智能部署。通過F5G 的光傳輸技術(shù)OTN 設備將各校區(qū)核心互聯(lián)，構(gòu)建OTN 環(huán)網(wǎng)。學校在核心機房部署100G 的OTN 光傳送設備，形成50 毫秒快速切換保護的環(huán)網(wǎng)，應用DWDM（密集波分復用）技術(shù)的OTN 支撐全校多校區(qū)專線快速部署。通過波分復用，實現(xiàn)最大單纖4T 業(yè)務容量，校區(qū)間互聯(lián)帶寬自主掌控，校區(qū)環(huán)網(wǎng)的建設為視頻會議、財務專網(wǎng)、大儀共享專網(wǎng)、平安校園、陽光廚房等專網(wǎng)提供獨立通信通道，加強網(wǎng)絡保護，提升自愈能力，能夠滿足未來10 年的校際互聯(lián)傳送帶寬需求。

升級全光承載網(wǎng)絡

校園網(wǎng)絡總體架構(gòu)進行了全光網(wǎng)改造，一張物理網(wǎng)絡對科研、辦公、教學、宿舍、物聯(lián)、一卡通、醫(yī)療和財務專網(wǎng)進行統(tǒng)一承載，業(yè)務邏輯隔離、按需開通。宿舍區(qū)和教學辦公區(qū)實現(xiàn)有線無線融合一張網(wǎng)，實現(xiàn)高帶寬接入，支持物聯(lián)網(wǎng)擴展，通過SDN 控制器交換機、PON、無線設備統(tǒng)一管理，實現(xiàn)全網(wǎng)設備的自動化上線，有線無線的上網(wǎng)、認證策略統(tǒng)一執(zhí)行。

1.XGS-PON+IoT 的全光宿舍網(wǎng)。學生宿舍區(qū)采用XGSPON+IoT 的全光網(wǎng)，根據(jù)部署區(qū)域及接入業(yè)務的帶寬需要，靈活布放ODN（光纖分配網(wǎng)）網(wǎng)絡設備，通過光纖將ONU 設備延伸到每個宿舍。ONU 多端口統(tǒng)一承載學生上網(wǎng)、水電表等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，線纜資源可節(jié)約80%，大大提高業(yè)務應用效率。部署了統(tǒng)一的認證、計費平臺，對學生上網(wǎng)行為統(tǒng)一認證、權(quán)限控制、流量計費和行為審計。

2.XGS-PON+WiFi 6 的全光教學辦公網(wǎng)。教學辦公區(qū)采用XGS-PON+WiFi 6 的全光網(wǎng)，光纖部署到每個房間，根據(jù)場景需求部署接入設備，實現(xiàn)萬兆光纖到房間，千兆到桌面。采用10G PON 時隙隔離的方式進行業(yè)務隔離，匹配不同業(yè)務的時延、帶寬要求，支持實驗室，計算機實訓室，智慧教室等多場景教學任務。

建設全光科研專網(wǎng)

中南大學學科門類齊全，涵蓋哲學、經(jīng)濟學、法學、教育學、文學、理學、工學、醫(yī)學、管理學、藝術(shù)學10 大學科門類，有國家級重點學科19 個，國家級創(chuàng)新平臺28 個，附屬醫(yī)院4 個。校內(nèi)專設教務教學、大型儀器共享、科研服務等業(yè)務專網(wǎng)，對網(wǎng)絡資源要求高，網(wǎng)絡設備安裝環(huán)境復雜。中南大學采用XGSPON+5G 切片技術(shù)支撐中南大學冶金、軌交、醫(yī)學（遠程診療、遠程緊急救護）等學科的應用創(chuàng)新。利用光纖優(yōu)勢，解決實驗室場景線纜易被化工物質(zhì)腐蝕、電磁干擾嚴重問題。機房部署OLT，下沉ONU，解決設備種類多、空間跨度大、部署難等痛點。

1.有色金屬。學校有色金屬學科涵蓋了“地、采、選、冶、材、工”體系鏈，擔負引領(lǐng)和支撐國家有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重任。學科實驗需要進行開采場景模擬、冶煉化工廢棄物處理等，對網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)的抗腐蝕、抗氧化能力及廣覆蓋能力有極高要求。

2.軌道交通。軌道交通學科涵蓋了完備的軌道交通學科體系群，支撐我國鐵路的六次大提速，助力城市軌道交通發(fā)展領(lǐng)跑世界。模擬系統(tǒng)中傳輸網(wǎng)絡需要屏蔽信號的干擾，對穩(wěn)定傳輸控制信號的穩(wěn)定性有極高要求。

針對學校有色金屬、軌道交通特色學科的信息化，中南大學采用XGS-PON 技術(shù)有效解決了設備種類多、電磁干擾嚴重、粉塵及化工物質(zhì)易于附著、普通線纜易被腐蝕老化、空間跨度大等難題。無源分光網(wǎng)絡的擴展能力大大提升了有色金屬和軌道交通特色學科信息化改造的效率和可靠性。

3.醫(yī)學臨床。作為我國創(chuàng)辦最早的西醫(yī)高等學校之一，中南大學醫(yī)療學科體系集群享譽中外。如今，中南大學湘雅醫(yī)院已發(fā)展成為我國重要的臨床診療、醫(yī)學教育與科技創(chuàng)新中心。醫(yī)學學科承擔多個重大研究課題，需要網(wǎng)絡具備超大帶寬、超低時延、超高安全性、融合5G 切片等技術(shù)能力，能夠支撐遠程診療、教學融合。

針對醫(yī)學學科的信息化，學校在院內(nèi)利用XGS-PON 技術(shù)的良好擴展性及大帶寬能力，有效整合診療儀器和專家資源。XGS-PON 打造一張全光物聯(lián)網(wǎng)，滿足一秒鐘下載1000 張PETCT 影像的高速率要求。同時，院內(nèi)引入專用切片的5G 網(wǎng)絡搭建了低時延接入網(wǎng)絡，通過下沉的UPF 實現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)與公網(wǎng)數(shù)據(jù)隔離，保障醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性，與運營商5G 醫(yī)療專網(wǎng)對接實現(xiàn)了院內(nèi)外醫(yī)患資源對接。XGS-PON 加持5G 切片技術(shù)支撐了中南大學及下屬學科遠程診療及遠程緊急救護。

統(tǒng)一網(wǎng)絡運維管理

學校建設了校園網(wǎng)統(tǒng)一運營運維管理平臺，集“監(jiān)-控-管-視-析”于一體，統(tǒng)一監(jiān)控，智能分析，自動運維，流程高效，實現(xiàn)了監(jiān)、控、管、營、服全生命周期管理。統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)對動環(huán)、機柜、主機、網(wǎng)絡、應用等在校多層級設備進行統(tǒng)一監(jiān)管，校園網(wǎng)絡設備在線情況直觀可視。多種圖像圖表可對園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)、資源、故障實時感知，并且告警、報錯，可實現(xiàn)運維操作自動化。平臺可以有線、無線、波分一體化運維，利于設備間聯(lián)動問題查找，方便管理員實時查看。設備即插即用，即換即通，分鐘級上線，ONU 可配置模板統(tǒng)一下發(fā)，縮短設備上線與開通時間，大大降低了設備部署成本。

完善網(wǎng)絡設施 改善用戶體驗

中南大學打造了一張面向未來的網(wǎng)絡，建設了教學辦公網(wǎng)、學生宿舍網(wǎng)、無線覆蓋網(wǎng)三張示范性網(wǎng)絡，智能管理運維平臺對校內(nèi)網(wǎng)絡做到精細化管理，大儀共享平臺、校園一卡通、教學專線、智能物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡服務質(zhì)量提升，大大改善了師生用網(wǎng)體驗，構(gòu)建了全聯(lián)接、全感知、全智能的智慧校園。

核心網(wǎng)絡穩(wěn)定保障智慧教育有序開展

校園網(wǎng)絡升級后，能為校園提供“高速、便捷、綠色、安全”的網(wǎng)絡服務。全光網(wǎng)絡極簡架構(gòu)，10G PON 速率上下行對稱10G，實現(xiàn)萬兆入室，千兆到桌面，充分發(fā)揮大帶寬、高并發(fā)的優(yōu)勢，實現(xiàn)極速性能、可靠體驗、智慧組網(wǎng)。網(wǎng)絡時延倒換持續(xù)小于50 毫秒，網(wǎng)絡時延再度降低，整體降低50%，設備故障率降低80%，高速可靠。無源光網(wǎng)絡減少了機房、橋架、防災等設施，無源光器件代替匯聚交換機，減少了80%的弱電機房空間，節(jié)省了弱電機房的建設費用和日常運行電力資源消耗，節(jié)約30%的網(wǎng)絡運營費用。光纖介質(zhì)低碳環(huán)保，生命周期長，面向未來可持續(xù)擴展。

融合網(wǎng)絡構(gòu)建智慧教育泛在連接環(huán)境

學校采用F5G 全光網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)校園有線無線融合部署，全校13500 余間宿舍完成有線無線一體化改造，83 棟教學辦公樓完成光網(wǎng)改造，500 間公共教室實現(xiàn)無線網(wǎng)全覆蓋，統(tǒng)一身份認證上網(wǎng)流程及配置，構(gòu)建了時時、處處、人人可學的泛在網(wǎng)絡環(huán)境。如圖2 所示，師生可以在辦公區(qū)、教室、宿舍、圖書館等場景隨時隨地接入網(wǎng)絡，上網(wǎng)課、看視頻、語音通話暢通無阻，連接穩(wěn)定且快速移動不掉線，移動辦公、學習、校園生活管理需求得到滿足。學校開通教學業(yè)務專網(wǎng)，充分保障跨校區(qū)教學業(yè)務穩(wěn)定可靠，教學設備遠程可管、可控、可視，教室環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智能管理。同時，滿足視頻會議網(wǎng)絡穩(wěn)定、大帶寬、低延遲的特殊要求，較好支撐了多校區(qū)視頻會議業(yè)務。

圖2 中南大學智慧教育教學辦公多種業(yè)務場景

全光園區(qū)部署智慧教育多元應用專網(wǎng)

F5G 全光網(wǎng)絡解決了傳統(tǒng)教學科研網(wǎng)絡難題，實現(xiàn)了教學基礎(chǔ)網(wǎng)絡與軌道交通、醫(yī)療、金屬冶煉等特色專業(yè)的深入融合，將學校建設成集教學、科研、生產(chǎn)和社會服務于一體的綜合性校區(qū)。具體內(nèi)容如下：

1.全面升級醫(yī)療場景下的湘雅校區(qū)。湘雅校區(qū)通過XGSPON 技術(shù)的良好擴展性及大帶寬能力將診療儀器、專家資源有效整合。如圖3 所示，校區(qū)網(wǎng)絡支持遠程醫(yī)療教學，同時設置培訓室，可離線、在線學習，直觀展示手術(shù)現(xiàn)場，遠程展示醫(yī)療器械的使用。在影像會診室、遠程門診中，無需抵達現(xiàn)場即可遠程醫(yī)療會診，給醫(yī)患雙方帶來了極大的便利。校內(nèi)專設醫(yī)療教學、醫(yī)療研究實驗室，助力人才培養(yǎng)和科研產(chǎn)出，支撐醫(yī)教研一體化，有效提升醫(yī)學校區(qū)智慧醫(yī)療場景。

圖3 中南大學湘雅校區(qū)全光園區(qū)場景

2.全光網(wǎng)絡有效支撐復雜科研場景。鐵道校區(qū)擁有土木工程和交通運輸工程2 個一級學科國家重點學科，實驗區(qū)設備數(shù)量多、種類雜，實驗廠房多粉塵，電磁環(huán)境復雜。鐵道園區(qū)建設，采用兩層有源架構(gòu)，機房部署OLT，ONU 下沉，解決設備種類多、空間跨度大等難題，實現(xiàn)140 公里長距覆蓋，“0”機柜部署，部署效率提升30%。光纖替代雙絞線，抗電磁干擾，帶寬不受限，平滑演進至50G，TCO 下降30%?？蒲芯W(wǎng)、安防網(wǎng)、辦公網(wǎng)三網(wǎng)合一，無源器件免運維，故障率低，運維效率提升了60%。充分利用光纖，解決實驗室場景線纜易被化工物質(zhì)腐蝕、電磁干擾嚴重等問題。

運維平臺智能提升智慧教育服務質(zhì)量

校園網(wǎng)統(tǒng)一運營運維管理平臺建設完成后，校園網(wǎng)絡管理更加智能化和專業(yè)化。平臺包含了管理、運維和服務等功能，實現(xiàn)了有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一管控，大幅降低管理運維難度，節(jié)省了人力成本。運維人員輕松上手，一人管理一園區(qū)，多種垂直業(yè)務專網(wǎng)智能納管，集中部署，精準識別校園網(wǎng)絡內(nèi)外連接情況、網(wǎng)絡整體健康情況、設備聯(lián)網(wǎng)狀況、業(yè)務情況等網(wǎng)絡運營狀態(tài)，排查潛在風險，做到精細化管理，高效保障智慧教育網(wǎng)絡質(zhì)量。圖4 為F5G 校園網(wǎng)統(tǒng)一運營運維管理平臺效果圖。

圖4 F5G 校園網(wǎng)統(tǒng)一運營運維管理平臺效果

面向未來 耕耘不輟

這些年，中南大學持續(xù)深化校企合作，與基礎(chǔ)電信企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)加強技術(shù)攻關(guān)和協(xié)同創(chuàng)新，共同促進全光網(wǎng)絡生態(tài)繁榮。中南大學F5G 智慧校園建設，實現(xiàn)了教學更智能、科研更創(chuàng)新、管理更高效?！爸心夏Ｊ健敝腔坌@全光網(wǎng)解決方案，經(jīng)受住了全校6萬多用戶的考驗，為高校信息化建設提供了新思路和新范式。

目前來看，建設智慧校園，打造更加智能化的新型學校環(huán)境是現(xiàn)代學校數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然趨勢。面對數(shù)字時代的沖擊，高校如何進一步提升網(wǎng)絡服務質(zhì)量，提高網(wǎng)絡整體效能，精細網(wǎng)絡運營運維，網(wǎng)絡配置更加智能便捷，科學挖掘網(wǎng)絡數(shù)據(jù)支撐教學、科研以及人才培養(yǎng)？這仍舊需要各個高校信息化工作者行而不輟、持續(xù)探索，為高校智慧校園建設探尋新模式、新路徑，夯實智慧校園數(shù)字底座，有效促進高等教育創(chuàng)新發(fā)展。