彭遠 梁唯寧

【摘要】本文基于國家對教育網(wǎng)絡建設的要求，分析教育網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀及無源光網(wǎng)絡的特點，通過實際案例分析將無源光網(wǎng)絡運用于教育城域網(wǎng)建設的可行性，為教育城域網(wǎng)建設提供參考。

【關鍵詞】教育信息化 無源光網(wǎng)絡 教育城域網(wǎng)

【中圖分類號】G43 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）19-0011-03

教育部等六部門2021年印發(fā)的《關于推進教育新型基礎設施建設構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導意見》提出了“到2025年，基本形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集約高效、安全可靠的教育新型基礎設施體系，并通過迭代升級、更新完善和持續(xù)建設，實現(xiàn)長期、全面的發(fā)展”的目標，并就建設教育專網(wǎng)、升級校園網(wǎng)絡提出了具體要求。教育城域網(wǎng)作為教育新型基礎設施的重要組成部分，在推動區(qū)域教育數(shù)字轉(zhuǎn)型、支撐教育高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。在教育城域網(wǎng)建設中，以光纖為傳輸介質(zhì)的接入網(wǎng)技術具有明顯優(yōu)勢。其中，無源光網(wǎng)絡因其建設和運維成本低、抗干擾能力強、易于擴展升級等優(yōu)點，成為備受歡迎的接入技術。本文主要探討無源光網(wǎng)絡在教育城域網(wǎng)建設中的應用。

一、教育網(wǎng)絡發(fā)展現(xiàn)狀及教育城域網(wǎng)的概念

隨著教育信息化的快速發(fā)展，我國絕大多數(shù)地區(qū)的學校都接入了互聯(lián)網(wǎng)，很多學校實現(xiàn)了多媒體教育設備全覆蓋。但是，當前的教育網(wǎng)絡建設仍存在一些問題：一是多數(shù)中小學校接入的網(wǎng)絡缺乏規(guī)范管理，安全管控薄弱，師生難以做到綠色上網(wǎng)；二是偏遠農(nóng)村學校網(wǎng)絡不穩(wěn)定，難以滿足包括“三個課堂”在內(nèi)的在線教學需求；三是大多數(shù)教育資源分散在公共互聯(lián)網(wǎng)上，優(yōu)質(zhì)教育資源難以有效匯聚和共享。

隨著教育信息化進入2.0時代，信息技術已經(jīng)滲透到教育教學的各個方面，這就對教育信息技術基礎建設提出了更高的要求。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要均對建設高質(zhì)量教育體系做出了總體部署，廣西教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃也明確提出要著力解決教育領域發(fā)展不平衡不充分的問題，加快建設高質(zhì)量教育體系。在新時代背景下，建設高質(zhì)量教育體系必須有教育新基建作為支撐，亟需建好教育“一張網(wǎng)”，讓優(yōu)質(zhì)教育資源通過高速網(wǎng)絡覆蓋每一所學校，幫助農(nóng)村學校開足開齊國家規(guī)定課程，共享優(yōu)質(zhì)教育資源。

教育網(wǎng)是指由教育行政部門統(tǒng)一管理，覆蓋教育行政部門、各級各類學校、教育事業(yè)單位，提供高速、便捷、綠色、安全網(wǎng)絡服務的邏輯專網(wǎng)，包括國家主干網(wǎng)、省級教育網(wǎng)和校園網(wǎng)等各級網(wǎng)絡。教育網(wǎng)覆蓋各級各類學校，集數(shù)據(jù)、語音、視頻服務于一體，擁有統(tǒng)一管理的公共IP地址及統(tǒng)一管理的全球域名，能滿足“云、網(wǎng)、端”架構(gòu)下開展各級各類教育教學的需要。本文提出的教育城域網(wǎng)是指在省級教育網(wǎng)布局下的以縣域為單位建立的通信網(wǎng)絡，包括縣級教育網(wǎng)絡中心、本縣所轄學校和縣域其他教育單位網(wǎng)絡等。

目前，國內(nèi)教育城域網(wǎng)有線寬帶接入一般為銅芯雙絞線非對稱數(shù)字用戶線路、基于光纖和雙絞線的局域網(wǎng)、基于光纖的無源光網(wǎng)等。從發(fā)展歷程看，教育城域網(wǎng)大致分為四個階段：第一階段為各學校獨立建設校園網(wǎng)，通過ADSL（非對稱數(shù)字用戶線路）撥號方式接入網(wǎng)絡業(yè)務提供商，實現(xiàn)基本上網(wǎng)功能，線路帶寬為512k—2m；第二階段為教育行政部門主導規(guī)劃基礎網(wǎng)絡建設，在第一階段的基礎上，大多數(shù)學校通過VPN（虛擬專網(wǎng)）與電教部門互聯(lián)，基本實現(xiàn)統(tǒng)一出口，但沒有改變ADSL的接入網(wǎng)方式，線路帶寬為2m—10m；第三階段為整個城域網(wǎng)通過自建、租用裸光纖或運營商提供專網(wǎng)等形式完成，學校通過電教部門統(tǒng)一出口接入，實現(xiàn)有線、無線、VPN等多種接入方式統(tǒng)一管理，學校接入城域網(wǎng)的帶寬為100m—1 000m；第四階段是在第三階段基礎上的優(yōu)化，關注業(yè)務的整合和網(wǎng)絡接入的可控性，實現(xiàn)用戶身份認證管理。

由此可見，教育城域網(wǎng)建設具有從分散走向混合、從混合走向統(tǒng)一的發(fā)展趨勢，接入網(wǎng)技術也從ADSL發(fā)展為基于光纖的寬帶技術。

二、無源光網(wǎng)絡簡介及其特點

（一）無源光網(wǎng)絡概述

無源光網(wǎng)絡英文縮寫為PON（Optical Access Network），是以光纖為傳輸介質(zhì)，利用光波作為光載波傳送信號的接入網(wǎng)技術，其最長傳輸距離為20km。無源光網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)由OLT（光線路終端）、ODN（光分配網(wǎng)）和ONU（光網(wǎng)絡單元）組成。OLT是光電一體設備，其作用是為光接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡側(cè)與本地交換機之間的接口，并經(jīng)ODN與ONU通信，實現(xiàn)對用戶端設備ONU的控制管理與測距。ODN由饋線光纜、光分路器配線光纜及入戶光纜組成，主要的無源光器件包括單模光纖、光分路器、光纖連接器（包括活動連接器和冷接子），其作用是為OLT與ONU之間提供光傳輸手段，完成光信號功率的分配任務；ONU處于ODN的用戶側(cè)，其作用是為光接入網(wǎng)提供用戶接口，ODN的光纖用于處理光信號，并為多個用戶提供業(yè)務接口。

在無源光網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)中，其核心技術在于無源分光，ODN中不含任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。無源光網(wǎng)絡采用單纖雙向的信號傳輸方式，其下行采用TDM（地面數(shù)字網(wǎng)）廣播方式，使用1 490nm、1 577nm、1 596—1 603nm、1 340—1 344nm等波長；上行采用TDMA（時分多址）方式，使用1 310nm、1 270nm、1 524—1 544nm等波長；以廣播方式傳輸CATV信號時為下行方式，使用1 550nm波長。

（二）無源光網(wǎng)絡特點

無源光網(wǎng)絡是純介質(zhì)網(wǎng)絡，具有以下優(yōu)點：一是維護簡單，它簡化了傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的有源節(jié)點，運維成本低，易于維護；二是組網(wǎng)靈活，可以支持樹型、星型、總線型、混合型、沉魚型等網(wǎng)絡拓撲；三是抗干擾能力強，不受電磁干擾和信號衰減等影響，傳輸信號穩(wěn)定；四是傳輸速率高，無源光網(wǎng)絡可以提供高達10Gbps的傳輸速率，能滿足各類教育教學應用對帶寬的需求。

受限于無源分光、一根主纖承載所有業(yè)務的特點，無源光網(wǎng)絡也存在一些不足。一是在共享OLT的情況下，不便于網(wǎng)絡邊界劃分。ONU通過OLT設備進行管理，但從OLT至ONU之間是由光分路器等無源器件組成，在網(wǎng)絡中間無法增加安全邊界設備，只能將安全邊界設置在OLT出口，無法實現(xiàn)單用戶的安全管理。二是上下行帶寬資源不平衡，接入終端較多的情況下速率無法保證。以當前電信行業(yè)流行的10G無源光網(wǎng)絡為例，每個PON口下行有效速率約為8.7Gbps，上行總速率為2.5Gbps，上下行速率不對稱。按每個PON口下聯(lián)1∶32分光器及每個分光器滿配ONU測算，忽略GEM封裝包頭、開窗測距等額外開銷，平均每個ONU可獲得下行速率為272Mbps，上行速率為78Mbps。在接入終端較多如分光比達到1∶64時，用戶理論上能分配到的最大下行速率約為136Mbps，最大上行速率約為39Mbps，扣除各種網(wǎng)絡及編碼開銷，實際能分配到的更少，這也是家庭寬帶在網(wǎng)絡使用高峰期經(jīng)常感到網(wǎng)絡卡、上網(wǎng)慢的根本原因。三是無源光網(wǎng)絡內(nèi)資源共享較為困難。PON技術一般適用于南北縱向流量大、東西橫向流量小、內(nèi)部交換少的網(wǎng)絡場景，在無源光網(wǎng)絡橫向之間資源共享難，ONU之間配置端口二層隔離，跨ONU的終端無法直接連通，如跨辦公室無法共享打印機等。

三、無源光網(wǎng)絡在教育城域網(wǎng)中的應用分析

（一）教育城域網(wǎng)的組網(wǎng)要求

教育城域網(wǎng)一般連接本地小學、幼兒園、高中學校，其組網(wǎng)應滿足以下幾項要求。一要滿足應用。萬兆到縣、千兆入校、百兆到班，能支持各種高帶寬、低延時的教學應用場景，能滿足數(shù)字教育資源共享、視頻會議、同步互動教學、網(wǎng)絡教研、網(wǎng)絡學習空間應用等各類需求。二要穩(wěn)定可靠。要充分考慮網(wǎng)絡架構(gòu)、鏈路和設備的適度冗余，結(jié)合已有應用和業(yè)務需要科學設計網(wǎng)絡模塊，保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量。三要安全可控。可從物理、技術、管理等方面綜合考慮，采用硬件備份、冗余等可靠技術提高網(wǎng)絡安全可靠性，設置有效的安全邊界隔離。四要靈活擴展。組網(wǎng)方式必須具備良好的可擴展性和靈活性，能夠滿足系統(tǒng)業(yè)務不斷深入發(fā)展的需要，方便擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍、擴大網(wǎng)絡容量和提高網(wǎng)絡各層次節(jié)點功能。五要適度超前。要充分考慮教育信息化發(fā)展的需求，采用先進、成熟的設計思想、技術和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，采用覆蓋率高、標準化和技術成熟的軟硬件產(chǎn)品，滿足業(yè)務需求的同時兼顧相關的管理需求，使整個網(wǎng)絡在相當一段時期內(nèi)保持技術先進性，能夠適應信息化發(fā)展的需要。

（二）無源光網(wǎng)絡在教育城域網(wǎng)建設中的部署方式

在教育城域網(wǎng)中，無源光網(wǎng)絡主要用于學校ONU到縣域MSE（多業(yè)務網(wǎng)關）之間的通信。一般為每所學校安裝并配置ONU，通過ODN就近接入運營商機房的教育專用OLT，再通過教育網(wǎng)絡專用通道上行至縣域的MSE，縣域MSE可上行至教育城域網(wǎng)匯聚設備，通過教育城域網(wǎng)匯聚設備訪問互聯(lián)網(wǎng)和教育骨干網(wǎng)，從而實現(xiàn)用戶在互聯(lián)網(wǎng)和教育網(wǎng)內(nèi)的信息訪問。同時，學校通過在ONU上根據(jù)業(yè)務劃分的方式，在一套無源光網(wǎng)絡中實現(xiàn)視頻教學、監(jiān)控、WI-FI覆蓋校園等，實現(xiàn)一纖承載所有業(yè)務。

教育城域網(wǎng)安全建設必須遵循國家網(wǎng)絡安全等級保護標準，保證教育城域網(wǎng)達到二級等保要求。在教育城域網(wǎng)絡出口區(qū)域，針對互聯(lián)網(wǎng)、教育網(wǎng)分別進行安全防護建設，配置上網(wǎng)行為審計、防火墻等網(wǎng)絡安全設備，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全、邊界防護、訪問控制、入侵防范、惡意代碼防范等；在安全管理區(qū)域，配置態(tài)勢感知系統(tǒng)，通過流量監(jiān)控方式對學校無源光網(wǎng)絡的所有流量進行統(tǒng)一監(jiān)管，進行攻擊檢測、病毒木馬檢測、未知威脅檢測等，對學校無源光網(wǎng)絡存在的安全風險及時告警，并對發(fā)現(xiàn)問題的學校采取流量控制措施，防止各類非法攻擊行為。

為保證學校接入帶寬達到要求，應按照學校班級規(guī)模配置充足的無源光網(wǎng)口，并合理規(guī)劃分光比。在校園內(nèi)采用1∶16總分光，一級采用1∶4、二級采用1∶4，一級分光器下掛二級分光器的數(shù)量不超過4個，每個無源光網(wǎng)口下聯(lián)的ONU數(shù)量為16個，確保各班級接入帶寬達到要求。

為實現(xiàn)教育城域網(wǎng)內(nèi)學校無源光網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，在運營商MSE設備配置MPLS VPN，可通過三層MPLS VPN技術組建覆蓋所有學校的教育虛擬專網(wǎng)，學校與學校之間的網(wǎng)絡互訪通過三層路由方式進行通信。另外，還可在學校專用OLT配置ARP代理，或者取消跨ONU的端口二層隔離功能，實現(xiàn)跨ONU設備之間直接連通、班級與班級之間相互通信。

（三）無源光網(wǎng)絡運用于教育城域網(wǎng)的案例分析

為具體分析無源光網(wǎng)絡在教育城域網(wǎng)中的應用情況，我們團隊對我區(qū)A縣的教育城域網(wǎng)運行情況進行測試：東西橫向測試不同學校之間的網(wǎng)絡狀況，南北縱向測試學校與教育城域網(wǎng)匯聚端之間的網(wǎng)絡狀況，通過網(wǎng)絡時延、下載速度等指標來體現(xiàn)無源光網(wǎng)絡的通信質(zhì)量。A縣境內(nèi)主要是丘陵地形，夏季高溫多雨，學校分布相對集中，已建成相對完善的光纖光纜網(wǎng)絡。A縣以無源光網(wǎng)絡的方式組建教育城域網(wǎng)，已完成建設并初步投入使用，覆蓋全部中小學校及教學點，學校班級數(shù)量普遍規(guī)模較大。其中，學校網(wǎng)端到教育城域網(wǎng)匯聚端的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)見圖1，校園網(wǎng)出口用光纖上聯(lián)城域網(wǎng)匯聚端，校園網(wǎng)采用無源光網(wǎng)絡連接教室、計算機教室、辦公室等學校各區(qū)域設備終端。

我們團隊在A縣隨機挑選分屬不同學校的兩間教室進行測試。一是通過下載大文件觀測下載速度，以判斷網(wǎng)絡帶寬是否達到要求；二是測試中全程打開課堂直播軟件以直觀地觀測網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，同時全程使用Ping命令觀測網(wǎng)絡抖動情況。

測試一：在當?shù)亟逃W(wǎng)絡中心（網(wǎng)絡匯聚處）搭建FTP服務器，兩個教室打開直播軟件，并到FTP服務器下載大文件，主要驗證南北縱向，即學校與教育城域網(wǎng)匯聚端之間的網(wǎng)絡狀況。本次測試發(fā)現(xiàn)，課堂直播軟件全程無卡頓，網(wǎng)絡連接穩(wěn)定可靠；兩個班級到當?shù)亟逃W(wǎng)絡中心的下載速度分別達到135Mbps和38Mbps，按標準換算，兩個班級的帶寬分別為1 080Mbps和320Mbps，達到了教育部要求的教室下行帶寬不小于100Mbps的標準。

測試二：兩間教室打開直播軟件，以點對點互傳的方式互相下載文件，主要驗證東西橫向，學校與學校之間的網(wǎng)絡狀況。本次測試發(fā)現(xiàn)，課堂直播軟件全程無卡頓，網(wǎng)絡連接穩(wěn)定可靠；兩個班級的下載速度分別為97.9Mbps和118.0Mbps，校際間傳輸穩(wěn)定可靠。

通過上述測試可以發(fā)現(xiàn)，該縣教育城域網(wǎng)的下載及上傳速率、時延、丟包率等網(wǎng)絡質(zhì)量指標均已達到教育城域網(wǎng)的建設要求，可以滿足學校日常信息化教育教學的需求。

綜上所述，無源光網(wǎng)絡具有組網(wǎng)靈活、建設成本低、應用支持廣、故障定位快等優(yōu)勢。在當前的網(wǎng)絡基礎條件下，如何達到“全面覆蓋各級各類學校，提供快速、穩(wěn)定、綠色、安全的網(wǎng)絡服務”要求，成為當前各地教育行政部門應重點思考的問題。從建設成本、項目可行性角度考慮，運用無源光網(wǎng)絡組網(wǎng)或混合組網(wǎng)將成為各地組建教育城域網(wǎng)的重要選擇，有利于推動當?shù)亟逃畔⒒哔|(zhì)量發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：彭遠（1980— ），廣西陽朔人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡技術和教育信息化；梁唯寧（1996— ），廣西平南人，碩士研究生，主要研究方向為教育信息化。

（責編 歐金昌）