浅谈中小学校园网基础网络建设

浅谈中小学校园网基础网络建设

何麒

中南建筑设计院股份有限公司

摘要：本文将在简要阐述千兆无源光网络（passive optical network，PON）技术基础上，与传统中小学校园的网络搭建方案作对比，探讨对于中小学使用场景而言，在满足校园网先进性、实际使用体验、建设成本、运维管理等多方面因素的情况下，校园网基础网络建设模式如何选择。

关键词：中小学；全光网；智慧校园。

0.引言

科技的发展使各种互联网技术不断涌现，教育行业也开始应用新兴互联网技术，校园信息化建设逐步由数字校园向智慧校园迈进[1]，校园网络建设是智慧校园的物理基础，并且起着至关重要的作用。而随着运营商近些年实行“光进铜退”战略以来，光纤和全光网技术得到广泛应用[2]，越来越多的中小学网络建设方案也逐步从传统的两层或三层星型网络搭建方案改为全光网方案，本文将在简要阐述千兆无源光网络（passive optical network，PON）技术基础上，与传统中小学校园的网络搭建方案作对比，探讨对于中小学而言，在满足校园网先进性、实际使用体验、建设成本、运维管理等多方面因素的情况下，校园网基础网络建设模式如何选择。

1. 中小学网络建设现状

新建的中小学校园网络大多数采用传统的综合布线模式，即光纤到楼层，铜缆到桌面；少部分采用全光网模式，即光纤到教室。不管采用哪种网络建设模式，很多学校在校园网建设过程中仅注重了建设网络的先进性，对校园网建成后的应用没有给予足够重视，网络资源的利用率普遍较低，造成“大马拉小车”的现象。

对于建设方而言，目前也并没有统一和完善的校园网建设标准，到底采用全光网还是传统网络建设模式一直以来也是困扰校方和设计方的一大难题。

2 全光网络的优缺点

无源光网络（passive optical network，PON）是一种光分配部分由无源器件组成，无需各类电子电源的网络构．传统PON一般由光线路终端(optical line tenIlinal，OLT)、光分配网络(optical distribution network，ODN)以及光网络单元(optical network unit，ONN)组成[3]．全光网就是信号传输与交换等主要功能均在光状态下进行而不经过光电转换变成电信号的通信网络。和传统网络建设方案相比，全光网有以下几大优点：

1）在全光网络中，由于没有光电转换的障碍，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，信息传输具有透明性，且无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。

2）全光网络能够提供巨大的带宽。因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。

3）在全光网建设过程中，由于弱电井无需交换机和机柜设备，且末端不受铜缆传输距离的限制，可以有效减少弱电井的数量和面积。

4）全光网络具备可扩展性，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。

虽然无源光网络技术有众多优点，但也存在其局限性：

1）光网络设备从光缆中接收光脉冲，将它转换为电信号进行处理，然后将电信号还原为光进行传输。即使处理时间很短，可以忽略不计，但这种光电转换也会增加时延。

2）全光网络中没有路由协议，光网络的设备大多数都运行在点到点或者是环路的拓扑结构中，而点到点的传输方式没有后背连接，一旦光缆出线了故障中断将影响网络连接稳定性。

3）全光网设备主要由OLT、光分路器和ONU组成，虽然OLT部署在网络机房内，具备完善的保障体系，光分路器属于无源设备，免维护性较强，但ONU设备却部署在末端，且数量大，位置分散，给后期运维带来不小的挑战。

4）虽然全光网俗称无源光网络，但是末端ONU是需要供电的，较为分散的供电点必然会减少供电的稳定性和可靠性，一旦ONU设备断电，网络也将中断。

3 中小学网络建设方案的选择

中小学网络建设方案的选择应考虑多方面的因素，下面通过综合考虑多个方面因素来探讨校园网基础网络建设方案。

3.1先进性

网络通讯技术最近几年来发展迅速，变化很大，在很大程度上改变了人们的生活。因此在网络的建设中，必须考虑要网络的先进性，在中小学网络建设的方案选择时，要确保未来5-10年，甚至是20年基础网络不落后，网络规划人员最担心的问题就是网络刚建成就落后，出现“建成1年落后几年”的情况[4]。目前新建校园网网络最大的争议在于是采用传统的有线无线一体化网络，还是采用纯全光网络。传统的网络方案的优点是技术成熟，稳定性高、易于维护，而全光网络扩展性更好，网络传输速率更高，业内普遍认为全光网先进性是高于传统网络的。

然而问题回归到中小学的用户使用场景本身，传统网络的综合布线末端采用铜缆，六类网线可以支持千兆网络，如果使用超六类网线甚至可以支持万兆网络，对于中小学的使用场景，传输速率远远能达到用户使用需求，且传统网络设计时，光纤到楼层弱电井，也可满足未来网络可扩展性。而现在在中小学内普遍建设的全光网络，末端ONU到用网设备还是使用的铜缆连接，相比于传统网络方案，仅是将光纤从楼层弱电井移至了教室，这样确实提高了教室内的网络点位扩展性，但是传统网络在教室内部署无线AP点，也可以在一定程度上解决网络扩展问题。

3.2实际使用体验

在住宅使用场景中，国家规范明确要求需使用全光网络，光纤入户，且近些年家庭网络提速明显，家庭用户的实际网络使用体验确实比早先年铜缆接入时有了翻天覆地的改进。但对比中小学使用场景而言，全光网的网络提速感受不会像家庭用户如此明显，家庭用户以户为单位向运营商报装宽带，而中小学是以学校为单位报装，网络的建设规模决定了大多数学校的网络都存在高峰期网络拥堵的问题，不管是全光网还是传统网络都会存在上述问题，虽然扩大初装时的运营商线路带宽可以使网络拥堵在一定程度上得到缓解，但这受限与运营商上层网络设备，而不是学校的网络方案选择。因此在这一方面而言，虽然全光网理论传输速率是高于传统网络，但在实际使用体验上并不一定能体现其优势。

3.3建设成本

传统网络建设方案运行多年，有大量的成功案例，且投资预算明确，并且有大量的设备厂商可以提供解决方案，在市场竞争环境下，中小学的网络建设的初始投资可以进一步降低。

全光网建设方案的光纤成本在单价上是低于铜缆，但对于网络建设的综合造价而言，并没有大量中小学案例证明整体成本远低于传统网络，不过全光网仍处于发展阶段，随着相关技术和市场占有率的不断增加，全光网方案的建设成本未来将会不断降低，因此从建设成本角度考虑，现阶段不是选择哪种方案更好的决定性因素。

3.4运维管理

对于中小学而言，并没有相对专业的网络管理团队做运维，因此后期的运维管理是校园网基础网络建设需重点考虑的因素之一。

传统网络方案由于技术成熟，多年的实践经验培养了大量的网络运维管理人员，且网络的维护工具简单，成本低。对于中小学运维团队而言学习的时间成本较低，更有益于用户自身运维。全光网络的维护工具成本较高，冷接的效果远远低于热熔，而热熔对设备的要求和运维人员专业技术的要求较高，从基础网络运维的角度而言，全光网的维护成本高于传统网络，易维护性也高于传统网络。不过从网络构架的角度而言，传统的校园三层网络构架，弊端在于网络层次多，汇聚交换设备和接入交换设备故障影响面较大，而全光网的网络构架更加扁平，光分路器属于无源设备，故障率较低，如果随着技术的不断发展，降低ONU设备的故障率，全光网的易维护性将进一步改善。

3.5设备供电

全光网中间设备的无源性决定了与传统网络的设备供电方案有较大不同，《教育建筑电气设计规范》JGJ310-2013第4.2.2条规定属于二类高层的教育建筑，计算机系统用电需采用二级负荷供电，而多数中小学的单体建筑属于多层，4.2.4条规定中等学校信息用房用电负荷不宜低于二级，但没有明确指出末端设备供电负荷等级，因此全光网末端ONU设备是否需要采用二级负荷供电值得商榷，但在4.2.3条中规定安全技术防范系统和应急响应系统的负荷级别宜与该建筑的最高负荷级别相同[5]。而大多数中小学的最高用电负荷为二级，因此按照规范要求，安防系统的供电宜按照二级供电考虑。

中小学校园网络建设如果采用计算机网络和安防系统网络在一张网上的方案，全光网络末端ONU设备需按照规范要求需采用二级负荷供电，考虑到末端ONU设备部署较为分散，这无疑将增加系统供电的复杂程度和投资造价，如果计算机网络和安防系统网络分为两张网，末端ONU设备需分开建设，无法体现全光网光路复用的优势，也增加末端ONU设备的数量，且用于安防网络的末端ONU设备仍需采用二级负荷供电，无法根本解决问题。而传统网络机柜设置于弱电井内，交换机设备可以集中供电，弱电井内的供电也相对稳定，且安防系统末端设备可采用较为成熟POE供电，因此从供电稳定性角度而言，传统网络更具有稳定性和易维护性的优势。

4 总结

在当今国家和教育部门大力推行智慧校园的大背景下，全光网无疑是未来的网络建设趋势，但从实际使用体验、建设成本、运维管理等多方面因素考虑，全光网可能更加适合与高校建设，相较与中小学用户而言，高校对于网络带宽需求更大，网络性能要求更高，预算更加充足，且有更加专业的运维团队，更能体现出全光网的组网优势，而中小学的使用场景，选用传统网络方案就目前分析而言与全光网建设方案的差别不会太大，而考虑到后期运维因素，全光网建设方案的优势无法充分体现，但随着网络通讯技术的不断发展，全光网应用的不断深入以及国家政策的继续完善，不久的将来全光网组网方案将更多的应用于中小学的智慧校园建设中。

参考文献:

[1 ] 钦太，郑凯，林南晖．教育信息化的发展转型：从“数字校园”到“智慧校园”[J]．中国电化教育，2014(1)：35—39．

[2 ]俊发，黄丕赛，李旭斌．5G+全光网新一代智慧校园网研究[J]．通讯世界，2020，27(4)：33-34．

[3] 江魁，卢橹帆，潘玲，王宽锋．基于GPON的校园全光网建设与实践[J].深圳大学学报理工版，2020,10 第37卷 增刊1

[4] 张涛. 高校校园网基础网络建设模式探讨[J ] . 数字化用户. 2017年30期

[5]. JGJ310,教育建筑电气设计规范[S ].北京，中国建筑工业出版社，2014