无源光网络在高校应用中的利弊分析

PON(无源光网络)作为接入网技术,随着相关技术、设备型号的日趋成熟,已被国内三大运营商商用部署超过十五年,积累了丰富的建设实施和运营维护经验。

目前高校校园网主流实现技术是传统以太网,但以太网所用介质双绞线传输性能不足,六类非屏蔽双绞线在以太网中的传输距离一般只能达到100米,最大速率只能达到1Gbps,为突破此传输瓶颈,国内有部分高校开始采用PON技术建设校园网络。

相比传统以太网,PON在在传输距离、介质成本、空间占用方面具有一定的优势,在带宽速率、ONU取电、网络箱安装、皮线光缆铺设、安全可靠性、设备兼容性开放性、运维管理、网络适用性等方面存在一定不足。

PON在校园网部署的优势

  • 网络架构优化

图1对比分析了校园网采用传统以太网和PON的网络架构。传统以太网中,分别在中心机房、汇聚机房、接入机房部署核心交换机、汇聚交换机和接入交换机。而在PON中,仅需在中心机房部署核心交换机,为节省主干光缆纤芯使用,在汇聚机房部署OLT(光线路终端),OLT双上联至核心交换机。在接入机房部署无源分光器,分光比一般为1:16或者1:32,通常不高于1:64。接入机房至每个房间一般部署2芯蝶形皮线光缆,替换传统以太网所用的网线。在每个房间安装1个网络箱,箱内安装ONU(光网络单元)。ONU以下,通过网线或者无线连接电脑终端,通过网线连接无线AP、摄像头等网络终端设备,通过电话线连接电话机。

图1 传统以太网和PON部署校园网网络架构对比分析
  • 长距离传输损耗低

在1550nm波长窗口,G.652D标准光纤的衰减系数为0.24dB/km,G.657标准光纤的衰减系数为0.3dB/km,按照此标准测算,10G PON在1:32的分光比的条件下(插入损耗为17.5dB),功率预算一般为29-35dB,网络无电中继传输距离可超过30km。因此,如果校园面积大、跨距长、师生量大,采用10G PON技术部署校园网,具有明显的优势;反之,如果校园面积小、跨距小、师生量小,采用10G PON技术部署校园网,优势并不明显,且每套OLT的价格高达几十万人民币,平摊到每个师生的成本支出较高,性价比就比较低了。

  • 介质成本低

目前,六类非屏蔽网线的市场价格一般为2元每米,而两芯皮线光缆的市场价约为0.7元每米,约为六类非屏蔽网线价格的三分之一,PON部署具有成本优势。

  • 空间占用小

皮线光缆的横截面积约为网线的四分之一,体积约为网线的三分之一,重量约为网线的四分之一。可见,相较于网线,皮线光缆铺设将显著降低弱电桥架、线槽的占用空间和承重负荷。

PON 在校园网部署的劣势

  • 带宽速率低

10G PON下行采用TDM技术,将所有的ONU数据承载在指定的时隙上,通过下行1575nm波段光信号广播发送给每个ONU, 上行采用TDMA技术,每个ONU在1270nm波段光信号指定的时隙内发送各自的数据给OLT。以10G GPON为例,标称下行线路速率为9.95328Gbps,采用RS(255,223)编码,编码效率为87.45%,所以每个PON口下行有效速率约为8.7Gbps,上行总速率为2.5Gbps,上下行速率不对称。按每个PON口下联1:32分光器且每个分光器满配ONU测算,忽略GEM封装包头、 开窗测距等额外开销,平均每个ONU可获得下行速率为272Mbps,可获得的上行速率为78Mbps。而在传统以太网中,接入交换机配置2个10Gbps上联端口、48个1Gbps下联端口,上联端口配置链路聚合,则每台接入交换机上下行速率均可达到20Gbps,忽略以太帧帧头、IP包包头等额外开销,平均每个下联网口可获得的上下行速率为417Mbps,均大于10G PON中每个ONU可获得的上下行速率,且此速率未超过六类非屏蔽网线的传输速率最高值。

由此可见,10G PON相对于传统以太网而言,速率方面并不占优势。

  • ONU取电不便

在高校园区自营网络中,ONU一般就近取电,由使用者自行管理。这样设置的问题在于,网络管理人员难以主动发现分光器-分光器下行端口-皮线光缆-ONU这一段设备设施的故障。然而,如果从接入机房独立布放电线给每个ONU电源供电,虽然可以提高ONU供电的稳定性和可靠性,也可以让网络管理人员主动发现设备设施的故障,但在汇聚机房设OLT,在接入机房设集中供电设备,便背离了PON在中间节点全为无源设备、无须部署有源设备的优势,同时,也会额外增加电线的成本和布放电线的施工量和施工成本,极大增加强电桥架占用空间和承重负荷。所以综合权衡,ONU只能就近取电。

  • 网络箱安装困难

为安装ONU和下联网线、电话线的成端,每个房间均需要安装一个网络箱。为便于就近取电,通常会靠近市电电源面板安装网络箱,但市电电源面板安装位置一般较低。如果网络箱落地安装,地面上的潮气、水汽和灰尘等会影响ONU的网络性能和使用寿命;如果网络箱壁挂安装,为便于后期巡检维修等工作,安装位置一般不宜过高,也不宜过低。因此,网络箱安装位置成了一个难题,并在一定程度上会影响房间的整体美观度和整洁度。

  • 皮线光缆铺设繁琐

皮线光缆比网线脆,不抗弯曲折损,所以一般不会像网线一样大规模预埋皮线。因此,皮线光缆进入房间一般要套管、打墙钉或者明线铺设,这样便会影响和破坏原有装修,在一定程度上也会影响房间的整体美观度和整洁度。

  • 安全可靠性不足

PON网络严重依赖于OLT,存在较大的单点故障风险,分光器单上联至 OLT,OLT、OLT某一PON口、OLT与分光器之间的主干光纤、分光器上联口、分光器,这些设备、端口、线缆中的任何一处故障都会导致大量用户(一个或多个PON口下的所有用户)断网,如未配置设备、板卡、端口和线路热备,网络整体无保护,可靠性低。而在传统以太网中,通过堆叠、链路聚合等虚拟化技术,可以实现主备无缝切换,提供设备、板卡、端口、线路等级别的保护功能。

  • 设备兼容性开放性较低

华为、中兴、烽火等厂家的GPON均采用私有协议,非通用的公有协议,不兼容异厂家产品,OLT不能兼容异厂家的ONU,这就意味着一旦出现疑难故障,就必须由原厂工程师处理;加之PON技术在校园网非主流技术,易导致设备采购性价比低,售后服务及时性低,设备停产售后服务无法保证,无法升级。总之,使用PON技术的用户易被厂家绑定,设备投入风险较高。

  • 运维管理成本大

相较于传统以太网,PON对运维工程师技术要求高,一般需要厂家或运营商认证的专业工程师,并须配备红光笔、光衰减器、光功率计、OTDR、光纤切割刀、光纤熔接机等专业运维设备,OLT配置部署较为复杂,厂家网管软件无法管理控制分光器这种哑设备,设备故障故障定位及排除难度较大,运维管理压力大,运营维护成本较高。

从网络配置角度看,PON是二层网络,不过从网络运维角度来看,PON至少是由核心交换机、OLT、分光器、ONU构成的四层网络,比传统以太网核心交换机、汇聚交换机、接入交换机三层网络还多一层;OLT数量一般与汇聚交换机数量相当,但是ONU数量与传统以太网接入交换机下联端口数量相当,远远多于接入交换机数量,极大地增加了网络故障点,且ONU零散分布于各个房间。可见,PON技术的应用会在资产备件、巡检维护、故障抢修等方面,极大地增加运维管理成本。

  • 网络适用性较弱

通常,运营商引入PON组网,能够通过分光器对接入光缆和信号进行汇聚和复用,可以节省大量主干光缆,降低接入光缆长度,减少管道管孔资源占用,减小杆路承重负荷,给光缆扩容和后续业务发展预留空间,但因为高校校园网的特殊性,一般不存在光缆扩容和业务发展困难的问题,所以PON组网的优势无法显现。

此外,PON网络横向资源共享难。ONU之间配置端口二层隔离,跨ONU的终端无法直接连通,如跨办公室无法共享打印机。如果要实现跨ONU资源共享,需要在网关(一般位于OLT或核心交换机处)配置ARP代理,这样会加大OLT或核心交换机的内存等资源消耗,或者取消跨ONU的端口二层隔离功能,但这样会大大削弱PON的安全性能。

PON技术一般适用于南北纵向流量大、东西横向流量小、内部交换少的网络场景,这是运营商家庭宽带和企业专线流量的主要特点。但在高校校园网内存在大量东西横向、内部交换的流量,业务需求多元,网络控制策略复杂,所以PON在高校校园网内较难发挥其优势。

综上,10G PON技术特点决定了其在运营商家庭宽带和政企专线场景的适用性更好,而在高校校园网的适用性不高。

作者:黄清海(浙江音乐学院)

本文转自微信公众号: 中国教育网络

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