中南大學全光網賦能高校創新發展

文/黎胤 王斌 文葉青

2021 年3 月，教育部發布《高等學校數字校園建設規范（試行）》，指明了高等學校智慧校園的規劃、設計、建設和實施的標準，指出校園網絡的建設目標是構建包含無線網絡、有線網絡和物聯網等多種形式的融合網絡，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、服務和園區運行業務的信息流轉。2021 年7 月，教育部等六部門聯合發布的《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質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絡新型基礎設施，要提升學校網絡質量，提供高速、便捷、綠色、安全的網絡服務。

為適應新基建國家戰略和未來網絡趨勢，加快推進“互聯網+教育”的步伐，提升教育教學質量，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”網絡（千兆光網、5G、WiFi 6）為載體，以“F5G+5G+物聯網”為核心技術構建一個全聯接、全感知、全智能的智慧校園一張網，建立健全學校智慧校園治理體系，實現人人、時時、處處的泛在智慧教育目標。

F5G 全光承載 開啟“一張網”工程

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

針對現有網絡問題，中南大學開展智慧校園“一張網”工程建設，采用F5G（第五代固定網絡）技術統一承載，即建設一張穩定可靠、多網融合的全光校園網絡，實現高帶寬、大流量，無線網絡全覆蓋，高效智能運維，提升師生網絡應用的幸福感，全面促進智慧教育創新發展。

升級核心網絡 構建新型技術底座

中南大學智慧校園“一張網”工程采用統一規劃、分期建設的思路，項目自2021 年開始實施，實現了核心網絡的升級改造，構建了校區互聯環網，完成了教學辦公區網、學生宿舍網、學術資源專網、教學業務專網以及科研專網等多種業務網絡，多網統一承載，有線無線一體化升級，WiFi 6 無線網絡全覆蓋，網絡管理平臺智能化管理，全面構建了智慧校園新型技術底座。中南大學校園網絡總體架構如圖1 所示。

圖1 中南大學校園網絡總體架構

搭建校區骨干環網

“一張網”工程首先對校園核心網絡進行升級改造，將核心網骨干帶寬從80G升級到200G，部署SDN控制器，實現一網多用，業務智能部署。通過F5G 的光傳輸技術OTN 設備將各校區核心互聯，構建OTN 環網。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網，應用DWDM（密集波分復用）技術的OTN 支撐全校多校區專線快速部署。通過波分復用，實現最大單纖4T 業務容量，校區間互聯帶寬自主掌控，校區環網的建設為視頻會議、財務專網、大儀共享專網、平安校園、陽光廚房等專網提供獨立通信通道，加強網絡保護，提升自愈能力，能夠滿足未來10 年的校際互聯傳送帶寬需求。

升級全光承載網絡

校園網絡總體架構進行了全光網改造，一張物理網絡對科研、辦公、教學、宿舍、物聯、一卡通、醫療和財務專網進行統一承載，業務邏輯隔離、按需開通。宿舍區和教學辦公區實現有線無線融合一張網，實現高帶寬接入，支持物聯網擴展，通過SDN 控制器交換機、PON、無線設備統一管理，實現全網設備的自動化上線，有線無線的上網、認證策略統一執行。

1.XGS-PON+IoT 的全光宿舍網。學生宿舍區采用XGSPON+IoT 的全光網，根據部署區域及接入業務的帶寬需要，靈活布放ODN（光纖分配網）網絡設備，通過光纖將ONU 設備延伸到每個宿舍。ONU 多端口統一承載學生上網、水電表等物聯網業務，線纜資源可節約80%，大大提高業務應用效率。部署了統一的認證、計費平臺，對學生上網行為統一認證、權限控制、流量計費和行為審計。

2.XGS-PON+WiFi 6 的全光教學辦公網。教學辦公區采用XGS-PON+WiFi 6 的全光網，光纖部署到每個房間，根據場景需求部署接入設備，實現萬兆光纖到房間，千兆到桌面。采用10G PON 時隙隔離的方式進行業務隔離，匹配不同業務的時延、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

中南大學學科門類齊全，涵蓋哲學、經濟學、法學、教育學、文學、理學、工學、醫學、管理學、藝術學10 大學科門類，有國家級重點學科19 個，國家級創新平臺28 個，附屬醫院4 個。校內專設教務教學、大型儀器共享、科研服務等業務專網，對網絡資源要求高，網絡設備安裝環境復雜。中南大學采用XGSPON+5G 切片技術支撐中南大學冶金、軌交、醫學（遠程診療、遠程緊急救護）等學科的應用創新。利用光纖優勢，解決實驗室場景線纜易被化工物質腐蝕、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，擔負引領和支撐國家有色金屬產業發展的重任。學科實驗需要進行開采場景模擬、冶煉化工廢棄物處理等，對網絡傳輸介質的抗腐蝕、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展領跑世界。模擬系統中傳輸網絡需要屏蔽信號的干擾，對穩定傳輸控制信號的穩定性有極高要求。

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 技術有效解決了設備種類多、電磁干擾嚴重、粉塵及化工物質易于附著、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.醫學臨床。作為我國創辦最早的西醫高等學校之一，中南大學醫療學科體系集群享譽中外。如今，中南大學湘雅醫院已發展成為我國重要的臨床診療、醫學教育與科技創新中心。醫學學科承擔多個重大研究課題，需要網絡具備超大帶寬、超低時延、超高安全性、融合5G 切片等技術能力，能夠支撐遠程診療、教學融合。

針對醫學學科的信息化，學校在院內利用XGS-PON 技術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 打造一張全光物聯網，滿足一秒鐘下載1000 張PETCT 影像的高速率要求。同時，院內引入專用切片的5G 網絡搭建了低時延接入網絡，通過下沉的UPF 實現醫療數據與公網數據隔離，保障醫療數據安全性，與運營商5G 醫療專網對接實現了院內外醫患資源對接。XGS-PON 加持5G 切片技術支撐了中南大學及下屬學科遠程診療及遠程緊急救護。

統一網絡運維管理

學校建設了校園網統一運營運維管理平臺，集“監-控-管-視-析”于一體，統一監控，智能分析，自動運維，流程高效，實現了監、控、管、營、服全生命周期管理。統一網管系統對動環、機柜、主機、網絡、應用等在校多層級設備進行統一監管，校園網絡設備在線情況直觀可視。多種圖像圖表可對園區內數據、資源、故障實時感知，并且告警、報錯，可實現運維操作自動化。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 可配置模板統一下發，縮短設備上線與開通時間，大大降低了設備部署成本。

完善網絡設施 改善用戶體驗

中南大學打造了一張面向未來的網絡，建設了教學辦公網、學生宿舍網、無線覆蓋網三張示范性網絡，智能管理運維平臺對校內網絡做到精細化管理，大儀共享平臺、校園一卡通、教學專線、智能物聯網等網絡服務質量提升，大大改善了師生用網體驗，構建了全聯接、全感知、全智能的智慧校園。

核心網絡穩定保障智慧教育有序開展

校園網絡升級后，能為校園提供“高速、便捷、綠色、安全”的網絡服務。全光網絡極簡架構，10G PON 速率上下行對稱10G，實現萬兆入室，千兆到桌面，充分發揮大帶寬、高并發的優勢，實現極速性能、可靠體驗、智慧組網。網絡時延倒換持續小于50 毫秒，網絡時延再度降低，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，節省了弱電機房的建設費用和日常運行電力資源消耗，節約30%的網絡運營費用。光纖介質低碳環保，生命周期長，面向未來可持續擴展。

融合網絡構建智慧教育泛在連接環境

學校采用F5G 全光網技術實現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改造，500 間公共教室實現無線網全覆蓋，統一身份認證上網流程及配置，構建了時時、處處、人人可學的泛在網絡環境。如圖2 所示，師生可以在辦公區、教室、宿舍、圖書館等場景隨時隨地接入網絡，上網課、看視頻、語音通話暢通無阻，連接穩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。學校開通教學業務專網，充分保障跨校區教學業務穩定可靠，教學設備遠程可管、可控、可視，教室環境物聯網智能管理。同時，滿足視頻會議網絡穩定、大帶寬、低延遲的特殊要求，較好支撐了多校區視頻會議業務。

圖2 中南大學智慧教育教學辦公多種業務場景

全光園區部署智慧教育多元應用專網

F5G 全光網絡解決了傳統教學科研網絡難題，實現了教學基礎網絡與軌道交通、醫療、金屬冶煉等特色專業的深入融合，將學校建設成集教學、科研、生產和社會服務于一體的綜合性校區。具體內容如下：

1.全面升級醫療場景下的湘雅校區。湘雅校區通過XGSPON 技術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，校區網絡支持遠程醫療教學，同時設置培訓室，可離線、在線學習，直觀展示手術現場，遠程展示醫療器械的使用。在影像會診室、遠程門診中，無需抵達現場即可遠程醫療會診，給醫患雙方帶來了極大的便利。校內專設醫療教學、醫療研究實驗室，助力人才培養和科研產出，支撐醫教研一體化，有效提升醫學校區智慧醫療場景。

圖3 中南大學湘雅校區全光園區場景

2.全光網絡有效支撐復雜科研場景。鐵道校區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，實驗區設備數量多、種類雜，實驗廠房多粉塵，電磁環境復雜。鐵道園區建設，采用兩層有源架構，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、安防網、辦公網三網合一，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量

校園網統一運營運維管理平臺建設完成后，校園網絡管理更加智能化和專業化。平臺包含了管理、運維和服務等功能，實現了有線網絡、無線網絡和物聯網的統一管控，大幅降低管理運維難度，節省了人力成本。運維人員輕松上手，一人管理一園區，多種垂直業務專網智能納管，集中部署，精準識別校園網絡內外連接情況、網絡整體健康情況、設備聯網狀況、業務情況等網絡運營狀態，排查潛在風險，做到精細化管理，高效保障智慧教育網絡質量。圖4 為F5G 校園網統一運營運維管理平臺效果圖。

圖4 F5G 校園網統一運營運維管理平臺效果

面向未來 耕耘不輟

這些年，中南大學持續深化校企合作，與基礎電信企業、互聯網企業加強技術攻關和協同創新，共同促進全光網絡生態繁榮。中南大學F5G 智慧校園建設，實現了教學更智能、科研更創新、管理更高效?！爸心夏Ｊ健敝腔坌@全光網解決方案，經受住了全校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境是現代學校數字化轉型的必然趨勢。面對數字時代的沖擊，高校如何進一步提升網絡服務質量，提高網絡整體效能，精細網絡運營運維，網絡配置更加智能便捷，科學挖掘網絡數據支撐教學、科研以及人才培養？這仍舊需要各個高校信息化工作者行而不輟、持續探索，為高校智慧校園建設探尋新模式、新路徑，夯實智慧校園數字底座，有效促進高等教育創新發展。