全光網

指使用光纖取代銅纜作為入戶網絡傳輸介質的網絡建設模式，包括：GPON（吉比特無源光網絡）、EPON（以太無源光網絡）及光纖以太網，而可以實現光交換功能的“all optical network”，短期內難以在高校普及。

全光網作為新的組網模式，自2011年初中國電信啟動“寬帶中國·光網城市”工程以來，已經在運營商行業使用十年，相關技術、設備、建設方案、運維經驗已經成熟。

但是高校校園網當前主流模式還是光纖主干、銅纜入戶的以太網架構，全光網組網模式還處于探索階段。

北京城市學院順義校區（圖源學校官網）

2016年北京城市學院順義校區二期建設采用GPON網絡覆蓋三個宿舍樓兩千二百余間宿舍，拉開高校自建自管全光網的帷幕，并在隨后五年不斷摸索校園全光網建設、管理、運維經驗，取得較好效果。

可以肯定，全光網必將成為校園網技術的重要組成部分，未來校園網必將是以太網、全光網、無線局域網、物聯網、移動通訊網等多種組網技術相結合的成果。

校園全光網建設的必然性

2016年，北京城市學院開始建設GPON網絡時，從決策角度看略顯激進，從實施角度看具有一定風險，從運維角度看缺乏經驗。

但是到2021年，校園全光網已經成為可以與傳統以太網競爭的組網模式。相信到2025年，全光網應該會成為一種重要的校園有線網絡組網模式。

全光網技術優勢

作為新型組網模式，全光網入戶網絡傳輸線路采用滿足G.657標準的彎曲衰減不敏感單模光纖光纜，替代當前主流的六類非屏蔽雙絞線，并在戶內采用相應設備實現有線、無線接入，甚至語音信號和閉路信號的接入。

光纖入戶最大的優勢在于帶寬，六類非屏蔽雙絞線目前最大帶寬為1G，而全光網采用G.657標準單模光纖目前已經實現2.5G、10G帶寬，根據香濃定理測算的潛在帶寬在Tb量級，為六類非屏蔽雙絞線的千倍以上， 可以充分滿足未來可預期的單戶帶寬需求。

其次，G.657標準光纖目前已經實現千米級的傳輸距離，最高可達10KM級傳輸距離，而六類線以太網標準傳輸距離在100米以內，因此全光網更適合大型、超大型樓宇和樓宇群的覆蓋， 整體網絡架構更簡單，網絡設備集中安裝更容易。

第三，全光網采用光纖作為傳輸媒介，激光作為信號載體，沒有電磁泄漏，不容易被竊聽；不受電磁干擾，信號更穩定；在雷雨多發的地域不容易遭受雷擊， 因此全光網更安全可靠。

全光網資源消耗優勢

大量采用光纖替代銅線，能夠顯著節約銅資源，對于我國銅資源缺乏的現狀，更符合國家戰略層面的資源分配需求。

光纖信號傳輸所需功率更小，線路衰減更小，幾乎沒有熱量損失，因此耗能更低，網絡設備可以更小更簡單，在環保節能方面具有明顯優勢。

目前常用的室內接入光纖為蝶形引入光纜（俗稱皮線光纜），具有體積小，重量輕的優點。同傳統六類線相比，其橫截面不到四分之一，體積不到三分之一，重量約四分之一，對布線橋架容積，弱電間施工安裝空間等環境要求較低，不僅適合新建樓宇布線，對老舊樓宇網絡改造也更容易。

皮線光纖價格僅為銅線的四分之一到二分之一，如果采用無源光網（PON）架構，采用分光器代替傳統接入交換機，在同等網絡性能要求下，全光網造價不會超過銅網的三分之二。 因此全光網能夠顯著減低建設成本、減輕維護工作量、減少供電安全隱患。

校園全光網組網模式分析

全光網最終一定會發展到基于光交換技術的完全的光通信網絡，但是目前對高校而言，校園全光網應當是以光纖入戶為特征的網絡。

從物理層看，傳統的樓層弱電間銅纜入戶的布線模式，替換為采用皮線光纖入戶。

從數據鏈路層看，接入層到匯聚層數據通訊協議除了以太網，還可以考慮GPON和EPON。

從網絡設備看，對于GPON、EPON兩種架構，采用OLT（光線路終端）替代樓宇群核心交換機或區域大匯聚交換機，采用分光器替代樓層接入交換機，室內增加ONU（光網絡單元）為用戶終端提供網絡接入服務。

當前校園全光網可以有四種組網模式選擇：

傳統以太網光纖入戶

第一種是傳統以太網光纖入戶方案。該方案完全采用目前以太網設備，使用普通室內多芯光纜連接上級交換機到戶內交換機，戶內設備包括盒式ODF（光纖配線架），光纖跳線，SFP雙芯光纖模塊，帶SFP接口的網管交換機（或光電轉換器）。

該方案主要問題在于光纖熔接需要專用設備，熔接工藝需要操作人員具有一定經驗，整個室內系統成本較高。該方案適合目前所有主流網絡廠家設備，兼容性高。

單芯光纖模塊的以太網入戶

第二種是基于WDM（波分復用）的單芯光纖模塊的以太網入戶方案。該方案采用單芯光纖（如G.657光纖）入戶，光纖末端采用冷接頭或熱熔尾纖方式進行接口適配，模塊可選用SFP單芯光纖模塊，并配備帶SFP接口的網管交換機（或光電轉換器）完成戶內終端接入。

該方案優點：光纖配線簡單，接頭制作成本低。樓宇網絡架構采用樓宇（樓群）設備端口直接入戶或樓層進行光纖復用，前者對樓宇垂直光纜和樓間水平光纜資源需求量大，后者需要在樓層放置交換機。

缺點在于，光模塊兩端需要不同波長模塊配對使用，對運維工作有一定影響，同時單芯光纖模塊最好由廠家提供。

10GEPON光纖入戶

第三種是10GEPON（萬兆以太網無源光網絡）光纖入戶方案。EPON標準出身于IEEE，保持了對以太網協議的兼容，支持基于用戶側設備ID的QoS能力。

該方案由于使用無源分光器完成入戶光纖到樓層骨干光纖的復用，光傳輸線路兩端設備必須要遵循EPON標準，上下行通信協議完全不同于以太網協議，但是數據幀依然與以太幀一致。

因此，可以在以太網交換機上安裝業務板塊實現向10GEPON的擴展。

10GEPON是EPON的升級，具備單業務口萬兆下行能力，同時支持10GEPON、EPON業務端口混用，具有一定的利舊優勢，是某廠商主推的全光網方案。

該方案優點：入戶設備至上端接口之間無源，運維壓力小，核心設備擴容至10GEPON方便。

缺點在于，由于DBA（動態帶寬分配）機制，無源光網絡不適合突發上傳時延要求短的場景，如服務器區域。目前支持該標準的設備規格較少，需要戶內進行傳統以太網布線。EPON由于帶寬低已經不適合目前建設，10GEPON可能成本較高。

GPON光纖入戶

第四種是GPON光纖入戶方案。GPON標準出生于ITU-T，同EPON相比，GPON通過GEM（GPON封裝方式）實現不同二層協議的支持，使用T-CONT加強二層傳輸的QoS保證。 GPON帶寬可達下行2.5G，上行1.25G，單業務端口具有帶寬優勢。

但是，必須要看到，GPON本身是通信標準而不是計算機網絡標準，GPON網絡的核心設備只能作為校內的區域核心，而不能是校園網核心。

作為無源光網絡技術，GPON依然不適合服務器區域接入。作為GPON的升級版，10GPON提供單業務端口萬兆傳輸能力，目前成本較高，而且業務板不能兼容GPON端口，利舊能力弱。GPON目前是某些廠商的主推技術，經測試這些廠商的OLT和ONU兼容性尚可，可以混用。

全光宿舍網建設實踐

2017年，北京城市學院順義校區二期建設順利完工，建成宿舍樓三棟共兩千二百余個房間，入住師生超過一萬人。

由于施工任務緊，施工現場環境復雜，樓宇規模大，房間密集等原因，決定采用GPON技術進行宿舍樓組網。具體實踐過程如下：

1.網絡需求

每間宿舍容納4～6人，各宿舍采用一根皮線光纖入戶，23～28個房間共用一個PON口，室內安裝ONT（光網絡終端）設備一臺提供有線、無線接入。宿舍上網與認證計費系統對接，室內接入設備能夠實現遠程管理。

2.設備選型

根據網絡需求及當時GPON技術發展情況，選擇某廠商OLT一臺作為這三棟宿舍樓的網絡匯聚點，通過萬兆光纖上聯校園網核心交換機。

采用1:32分光器，下聯各個宿舍ONT，每間宿舍安裝ONT一臺，提供802.11n標準無線接入能力及100M或1000M以太網接口四個。

3.網絡規劃

根據樓宇結構，每樓層規劃用戶VLAN（虛擬局域網）一個，用于宿舍用戶終端接入業務，子網掩碼21位，IP容量超過兩千，采用認證計費系統完成動態IP地址分配。

各房間采用帶密碼保護的SSID（服務集標識符），無線信道手動分配。每層規劃管理VLAN一個，用于宿舍接入設備遠程管理業務，子網掩碼21位，IP容量二百五十個，按房間號人工分配IP地址，遠程管理通過WEB方式。

4.布線結構

每間宿舍于門框上方預留信息箱一個用于安放ONT設備，箱內預留皮線光纖引入管一根，以太網線引入管兩根，ONT設備電源線引入管一根。

每層規劃弱電間兩個，每弱電間安裝1:32分光器1～2個，12芯普通單模光纜一根。各層單模光纜匯聚至樓宇進線間，每樓宇布放72芯主干單模光纜一根。樓宇主干光纜匯聚至樓宇群設備間。

5.主要優點

采用全光網技術，省略了樓層接入交換機及樓宇匯聚交換機，大量減少需要管理的網絡設備，節約日常運行耗電。

采用ONT設備替代室內ONU+AP的方案，大幅降低建設成本，后續可自由選擇符合GPON標準的不同廠家兼容設備。

所有信息箱設備供電線路獨立，不與室內照明、插座、動力共用空氣開關，有效保障設備供電可靠性。

6.主要問題

受當時技術和設備限制，室內ONT只能提供802.11n標準無線接入能力，在18年以后，學生無線網絡帶寬、延遲等需求提高后，難以完全保障上網體驗質量。

同時，作為家用級GPON接入設備，廠商當時尚未開發統一集中管理平臺，用戶服務人員日常遠程管理ONT設備不方便且無法批量下發配置。

整個GPON系統前期日常運維工作缺乏經驗，OLT設備配置、DBA策略優化、無線網絡整體規劃、光纖線路故障排查等方面歷經一年半的摸索才相對成熟。

7.后續工作

隨著校園全光網建設需求的提升，網絡設備廠家推出了新的架構、新的產品、新的方案，ONU設備功能、性能目前已經能滿足一般上網需求，同時也出現了一些新型的專用ONU設備用于特定系統的全光網接入需求。

經過多年運維工作，對網絡需求、設備功能性能需求、配置策略要點及優化思路、日常線路檢測及故障排查等方面的功能已經具備一定獨立處置能力，自建自管經驗儲備有明顯提升。

因此，北京城市學院將在順義校區三期建設中對校園全光網技術進行更深入的調研和討論，建設更適合學校信息化工作需要的校園網。

全光網建設要點分析

全光網是一種新的校園網組網模式，可以采用多種技術路線實現，這些技術各有優勢，不能簡單地說哪個技術方案更好，必須要結合建設場景進行綜合分析。

相比傳統以太網，全光網并不需要特殊的場地要求和環境要求，甚至對場地和環境要求更低。一般情況下，能夠采用以太網組網就能采用全光網方式組網。但是對于數據機房、服務器機房、IDC這種場景，全光網組網就不合適了。

因此，全光網建設總體上還需先通過網絡建設需求分析、總體技術方案確定、邏輯網絡設計及設備選型、布線及設備安裝調試、測試驗收這些過程，然后進入網絡運維管理生命期。在整個過程中，有以下幾個方面需要著重考慮。

組網場景及網絡需求

校園網絡需求比較復雜，一方面要為師生提供網絡接入服務；另一方面還需要為學校網站、業務系統等應用系統提供網絡接入服務。

這兩種網絡接入服務在上下行帶寬、延遲等網絡質量需求上存在巨大差別；在以太網技術中沒有本質區別。 因此，組網場景和網絡需求分析對選擇全光網技術路線至關重要。

從組網場景看，高校大體上可以劃分為辦公場景、多媒體教學場景、專業實驗室場景、宿舍場景、場館及公共區域場景、服務器和IDC場景、專網場景等。

不同場景下，上下行帶寬、延遲性、連接數、接入方式、穩定用戶及終端數量、突發用戶及終端數量、用戶認證及計費、布線難度、取電方式、設備防盜防損保護各不相同。

因此在選擇網絡技術方案、規劃組網方案、制定實施方案時需要對場景和需求進行認真分析，同時還要綜合考慮學校建設經費預算、后期運維成本、建設項目主責部門、實際使用的現場管理部門等等非技術因素，才能制定更符合學校期望、更滿足師生需要的組網方案。

全光網物理拓撲設計要點

校園網絡設計包括邏輯拓撲設計和物理拓撲設計兩大方面。

邏輯拓撲規劃主要涉及VLAN規劃、子網規劃、路由規劃、訪問控制規劃等要素。

物理拓撲規劃主要是線路走向、線纜類型、線路匯聚點位置、線路配線和跳接方式等要素。

全光網作為一層、二層技術，對邏輯拓撲規劃沒有根本性變革，但是對物理拓撲規劃會產生很大影響。

傳統以太網物理拓撲常見模式是校內網絡機房存在一個或多個核心交換機，通過光纖級聯不同樓宇的匯聚交換機，各樓宇的匯聚交換機采用光纖或六類線級聯不同樓層的接入交換機，接入交換機采用六類線入戶連接用戶側設備（個人計算機、交換機、路由器、無線AP）。

而在以光纖入戶為特征的全光網物理拓撲設計時，充分考慮皮線光纖千米級傳輸距離的優勢，綜合入戶帶寬需求、整體建設成本、二層網絡傳輸質量保障要求、弱電間環境、設備耗電及電路安全等要求，可以出現兩種設計方案：

第一種，采用樓層匯聚點方案，從匯聚設備到樓層匯聚點以普通多芯光纜作為主干，從樓層匯聚點到室內采用皮線光纖入戶，匯聚點采用分光器或交換機進行線路復用，一般房間密集的樓宇，如宿舍樓、辦公樓適合采用此方式。

第二種，匯聚交換機端口直接入戶，即充分利用皮線光纖傳輸距離優勢，終端設備至匯聚交換機中間只有線路，不存在線路復用和帶寬共享，這種方式適合展館、體育館等空曠樓宇。由于校園全光網剛剛起步，線路匯聚點規劃方法目前還需要更多案例和經驗加以總結。

二層帶寬控制技術

校園全光網如果確定采用皮線光纖入戶，目前存在三種建設方式，即10GEPON、GPON，分別對應三種不同的二層傳輸標準，都能不同程度實現二層帶寬控制。

標準以太網二層帶寬控制基于802.1q優先級，從0（最低）到7（最高）共8個優先級，作用對象為VLAN。

需要首先確定全光網覆蓋范圍內存在哪些業務，然后對業務規劃VLAN，再通過對VLAN定義優先級來保障重要業務的優先處理，但是同一業務內部不同用戶只能共享優先級。

在10GEPON和GPON組網方案中，需要使用分光器代替標準以太網的交換機入戶光纖到主干光纖的復用，而光信號目前無法保存和控制，不可能采用以太網交換機的“存儲轉發”線路復用機制，因此這兩種方案中，需要采用動態帶寬分配（DBA）的線路復用機制。

10GEPON方案中，DBA原理和處理過程較為復雜，但是DBA對帶寬控制的作用對象是ONU設備，能夠基于不同ONU實現固定帶寬、保證帶寬、盡力而為帶寬的服務質量，控制和保證的用戶范圍相比標準以太網更精準。

在GPON組網方案中，由于GPON繼承了ATM的一些技術優勢，其DBA機制通過采用GEMPort、T-COUT、Mapping等配置，可以實現對特定PON端口下的特定業務實現五種不同帶寬控制能力，同時結合GPON本身的多業務承載能力，可以對IP、語音、閉路等業務進行更強大的保障。如果采用10GEPON、GPON組網方案，DBA規劃應當作為前期網絡設計的重要內容。

全光網作為新的組網方式，在整體方案、配置規劃、布線設計方面相比傳統以太網組網有較大區別。除以上幾點外，同時還需要注意光纖不能供電，因此POE（有源以太網）設備的使用在全光網環境受到很大限制，可以考慮安裝本地供電插座供電，或者采用光電復合纜配合供電管控設備實現遠程供電。

全光網運維工作，需要配備打光筆、光功率計作為巡線和線路故障排查工具，而線路維護工作人員要掌握光纖熔接等技能；宿舍區，由于房間密度大，用戶終端多，無線網管理必須加強，否則可能出現由于無線網不穩定導致用戶對全光網質量的誤解。

以上世紀九十年代初建成的我國第一個校園計算機網絡——清華大學校園網為標志，回顧高校校園網建設歷程，約每十年會出現一個新的建設熱點。

1995年左右以高校校園網初建為熱點，2005年左右以快速以太網改造為熱點，2015年左右以無線校園網為熱點。就目前情況看，2025年左右，校園網建設熱點應當是校園全光網。

但是必須要注意，校園網本身是基于IP協議的計算機網絡，同時兼有ISP和ICP運營特征。因此， 校園全光網建設不代表全光校園網建設，其它行業全光網場景，特別是運營商家寬場景的解決方案和規劃目標不一定適用于校園網場景。

為了更好地建設全光網，需要高校網絡管理同仁透徹理解國家政策導向，深入研究全光網技術要點，認真分析校園網不同應用場景，加強與廠商、系統集成商以及其他高校的技術交流，才能更好地利用全光網技術建設更高性能的校園基礎網絡平臺。

網絡學習-3.傳輸介質和設備

1.傳輸介質

現代通信技術所使用的物理信號主要是電、光和電磁信號，主要傳輸介質就是三大類：金屬導線、玻璃纖維和空間。

1.1金屬導線

a.同軸電纜

同軸電纜內層導體（銅導線）才是用來傳輸電流電壓信號的，外層網狀導體的作用是屏蔽環境中的電磁輻射對所傳輸的電流、電壓信號的干擾。有線電視網絡系統廣泛使用了同軸電纜作為傳輸介質。

b.雙絞線

雙絞線是一種綜合布線工程中最常用的傳輸介質，是由兩根具有絕緣保護層的銅導線組成的。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，每一根導線在傳輸中輻射出來的電波會被另一根線上發出的電波抵消，有效降低信號干擾的程度。根據有無屏蔽層分為屏蔽雙絞線（STP）與非屏蔽雙絞線（UTP）。

根據材料和制作規格不同，又可分為不同類別，如三類（CAT3）雙絞線、五類（外皮會標注“CAT5”字樣）雙絞線等，目前最常用的是超五類（CAT5e）雙絞線。五類線纜最高頻率帶寬為100MHz，最高傳輸率為100Mbps，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸。超五類具有衰減小，串擾少，并且具有更高的衰減與串擾的比值（ACR）和信噪比（SNR）、更小的時延誤差，性能得到很大提高，超5類線主要用于千兆位以太網（），理論傳輸距離100米。

c.水晶頭

網線的兩邊的插頭叫RJ45水晶頭，RJ45和雙絞線最常見，用得最多的是568B的接法，很少會需要用到568A線序的接法。兩頭都是568B是直通線，一頭568B一頭568A是叫做交叉線。交叉線是早期相同設備互聯的網線，比如兩臺路由器相連就需要交叉線。不過現在網絡設備都比較智能化，可以識別直通線和交叉線，同種設備相連使用交叉線還是直通線并沒有區別，所以兩邊都做568B就行了。

1.2光纖

光網絡就是使用光導纖維作為傳輸介質的網絡通信系統，光導纖維的材料就是玻璃纖維，傳遞的是波長在紅外波段的的紅外光。光纖外面加上若干保護層后，便是我們通常所說的光纜，光纜中可以包含一根光纖，可以包含多根光纖。根據組成的結構差異，光纖可分為單模光纖和多模光纖。

a.單模光纖

單模光纖中心玻璃芯很細，芯徑一般為8-10μm，只能傳一種模式的光纖。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求。單模光纖運行在100M/s或1 G/s的數據速率，傳輸距離都可以達到至少5公里。通常情況下，單模光纖用于遠程信號傳輸，如果沒有說明，單模光纖一般都是黃色。

b.多模光纖

在給定的工作波長上傳輸多種模式的光纖，通常的多模光纖是50和62.5μm的纖芯直徑。由于多模光纖中傳輸的模式多達數百個，各個模式的傳播常數和群速率不同，使光纖的帶寬窄，色散大，損耗也大，只適于中短距離和小容量的光纖通信系統，千兆系統傳輸距離最高2000米。沒有特殊說明，多模光纖一般都是橙色。

c.常見的光纖接口

和雙絞線一樣，光纖同樣需要接口來和設備相連。常見的接口有FC（圓頭螺口）、SC（方頭插拔）、ST（圓頭卡口）、LC（小型長方頭插拔）等。按插針端面分類：PC（球面狀物理接觸）、APC（8°角斜面形狀物理接觸）、 UPC（超拋光物理接觸）、EUPC（增強超拋光物理接觸），性能：APC>UPC>PC。

1.3無線介質

傳輸線系統除同軸電纜、雙絞線、和光纖外，還有一種手段是根本不使用導線，這就是無線電通信，無線電通信利用電磁波或光波來傳輸信息，利用它不用敷設纜線就可以把網絡連接起來。無線電通信包括兩個獨特的網絡：移動網絡的無線LAN網絡。利用LAN網，機器可以通過發射機和接收機連接起來；利用移動網，機器可以通過蜂窩式通信系統連接起來，該通信系統由無線電通信部門提供。

2.數據傳輸設備 2.1交換機

交換機（Switch）是一種用于電（光）信號轉發的網絡設備。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信號通路。最常見的交換機是以太網交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等。

2.2路由器

路由器（Router）是連接兩個或多個網絡的硬件設備，在網絡間起網關的作用，是讀取每一個數據包中的地址然后決定如何傳送的專用智能性的網絡設備。路由器和交換機是組成一個網絡最基本的網絡設備。

2.3防火墻

防火墻技術是通過有機結合各類用于安全管理與篩選的軟件和硬件設備，幫助計算機網絡于其內、外網之間構建一道相對隔絕的保護屏障，以保護用戶資料與信息安全性的一種技術。