采用波分复用技术实现多校区之间网络互联

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摘 要：目前“一校多区”的办学格局给教学、管理带来了挑战，多个校区之间的网络高效连接是目前校园网关注最多的问题之一，文中通过介绍波分复用的特点，阐述了如何使用波分复用技术实现多校区之间的网络数据、光存储及有线电视等数字及模拟信号的传输。

关键词：波分复用；光存储；有线电视

中图分类号：TP393.18 文献标识码：B 文章编号：1673-8454(2012)07-0086-03

当今校园信息化正成为带动教育、科研发展的关键因素，校园网络基础设施及应用正在向更灵活的方向发展。随着我国高等教育规模的扩大，管理体制的改革和布局结构的调整，各高校纷纷在异地或市郊增设新校区，形成了一所高校含多个校区的办学格局。校园地理位置分散、地域规模扩大给教学、管理带来了诸多不便，多校区间要实现优势互补、资源共享就要求新型网络连接方式的出现，这给校园网扩容、互联和升级带来了新的问题和挑战。在多个校区的办学条件下，网络规模的扩大和用户数量的增加导致网络节点数剧增，流量分布不均及流量内容多样化，且网络平台上运行的各管理系统有着不同的安全需求，这些都对高校网络提出了更高的要求。校园网络建设应当如何规划和实施才能更好地避免短期、重复的低水平网络建设? 如何才能构建一个安全高效，同时又能充分利用带宽的高校多校区校园网，是高校校园网络面临的新问题。

高校目前多个校区之间的关键网络应用为：校园万兆网络系统、一卡通系统、财务专网系统、CNGI纯IPv6示范网络、多校区一体化存储系统、有线电视系统，其中前五个应用可通过目前的以太网实现，一体化存储系统如果要使用以太网传输，必须将现有的FC SAN全部改造为IP SAN，这将增加网络建设的成本，而有线电视系统基于原始的模拟信号，不能通过现有的以太网等承载技术进行传输，只能使用物理光缆。

一、多校区网络互连方式

现阶段多校区之间网络互连主要有虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）互联或物理光纤互连。VPN是一种在公共数据网络上安全传输用户私有信息的网络技术，公共数据网络包括目前的Internet、PSTN电话网络以及电信、广电城域网及骨干网等其他共享网络。校园之间的VPN方式互连一般采用运营商提供的VPN通道，借助于运营商的城域网或骨干网，通过隧道方式将多个校区进行互连，这种方式可以把网络管理工作交给有专业水平的运营商，具有通信费相对适中、灵活的优点，但采用VPN方式互连时只能传输特定格式的数据包，无法承载VTP、FC SAN、有线电视等非IP数据包。采用物理光纤互连时，用户可以在光纤上传输任意的光信号，既可以为数字信号也可以为模拟信号，采用数字信号时，用户可以传输任意的网络协议数据，包括IP、IPX、Apple Talk、以太网等第二层或第三层协议数据，采用模拟信号时，可以直接传输未经数字化的语音、视频、有线电视等信号，对用户端的设备完全是透明的传输。物理光纤互连又分为如下两种方式：

（1）自行铺设光纤。自行铺设光纤可以一次性铺设48芯甚至更高芯数的铠装光缆，用户可以按需使用任意芯数光纤，而不必担心光纤资源的不足，但多校区高校的老校区与新校区地理位置大多数分布较远、较分散，布线非常不方便，自行铺设光纤时将面临资金、施工及将来维护等诸多方面的困难，且铺设光缆需要专用的光缆管道，为使用电信、电力、广电等公司的管道，必须同相应的管道提供方签署租赁协议以获得管道的使用权，且铺设光缆后，后期维护成本极大，遇到市政动工或其他突发事件，都有可能造成光缆中断。

（2）租用运营商的裸光纤。用户可以与电信、电力、广电等线路提供部门签署合作协议，以合理的费用租用它们现有的裸光缆资源，将分散的各校区局域网互联，建成一个高宽带的统一局域网。租用裸光纤后，光纤的维护由相应的提供商负责，但租用裸光缆费用一般较高，用户不太可能租用多芯光纤，为了获得冗余，一般也只是租用两对不同线路的裸光纤，以实现网络的不间断服务。为在一对光纤上传输多种不同种类的应用，就需要采用波分复用技术将一对物理光缆复用为多对的逻辑光缆。

二、波分多路复用的相关技术介绍

波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）技术简单来说就是在单条物理光纤上传输多束不同波长的激光，以实现多条逻辑通道的技术，由于每个波长信号经过调制后都在它独有的色带内传输，不会对其他波长的信号产生干扰，从而可以实现多束光信号的并发传输。由于WDM 设备具有成本少、功耗低、体积小等诸多优点，是一种低价格、高性能的传输解决方案，它的出现提高了光纤利用率，给光纤所有者提供了更多的组网灵活性，目前在城域网及广域骨干网已经有了大规模应用。

在实际应用中，WDM主要有CWDM与DWDM两种形式，ＣＷＤＭ（Cｏａｒｓｅ ＷＤＭ，粗波分复用）和ＤＷＤＭ（Dｅｎｓｅ ＷＤＭ，密集波分复用）。ＣＷＤＭ的信道间隔为２０ｎｍ，而ＤＷＤＭ的信道间隔从０.２ｎｍ 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM也称为稀疏波分复用技术，它有8波长和16波长系统，8波长系统是目前应用比较多的系统，从理论上讲，从ITU给出的l8个波长选择中任意选择8个都可以作为工作波长，但考虑到已经铺设光纤的类型和损耗特性，8波长一般选在1460~1620nm，16波长的系统将对光纤的类型有特殊要求，载波光纤必须采用损耗平坦的“全波”光纤。对于光纤缺乏的接入区域， 8波容量的CWDM基本可以满足系统要求。根据目前激光器制造技术，无致冷激光器在其整个寿命期内，其波长变化在±6～7nm之内，但考虑到足够的相邻通道隔离度和一定的保护带，G.694.2选取20nm作为CWDM 系统的通道间隔，因此1460~1620nm共可以容纳8个不同波长的激光信号。

三、WDM的应用

本小节将以华东师范大学中山北路校区和闵行校区之间的租用的中国电信裸光纤为例，探讨一下WDM技术在两校区网络传输中的应用。由于华东师范大学新老校区之间的距离约30公里，自行铺设光缆基本没有可能性，而单对裸光纤年租用费就为二十多万元，租用多对裸光纤的费用非常高昂，校方最终租用了电信提供的两对不同路径的裸光纤，以便在两对不同路径的光纤上实现线路冗余，此时可供用户使用的光纤资源只有一对，而学校有多种应用需要通过裸光纤从老校区传输到新校区，其中就包括引言中提到的6种关键应用，如不考虑物理隔离，这6个应用从技术上至少需要3个物理传输通道，校园网络系统、学校一卡通系统、财务专网系统、CNGI纯IPv6示范网络都为IP以太网，可以合用一个物理通道，通过划分VLAN将流量逻辑隔离，而两校区一体化存储系统、有线电视系统由于不是数字信号，必须采用单独的物理通道传输。因此，至少需要提供3个波长光信号来承载相关的信息。由于常见的单模激光器都为1310nm或1550nm，1550nm的波长的光信号在无放大器的情况下传输距离可达40公里，可以直接通过裸光缆传输到闵行校区，而1310nm波长的光信号在无放大器的情况下仅能传输10~15公里，无法直接传输到闵行校区，必须通过波长转换器将1310nm的波长转换为ITU建议的波长段，为此，将万兆校园网络交换机端口的光收发器改为1550nm的ZX模块，然后将光信号直接通过裸光纤进行传输，将有线电视光发机的1310nm波长的信号通过波长转换器转换为1470nm的波长后通过裸光纤传输，将FC SAN的1310nm的波长转换为1510nm的波长通过裸光纤传输，为将1470nm、1510nm、1550nm波长的光信号通过单芯光纤传输，需要使用一个无源的光复用器将光信号以较低损耗（通常为2~4db）送入物理光纤，在光纤的另一端，将多波长光信号通过复用器还原出原始波长的单色光后再通过波长转换器转换为原先的波长输入相应的设备，如图1所示。由于数据传输时需要2根光纤以实现收发，另一端数据的发送与之类似，模拟的有线电视是单向广播，只需向一个方向传输即可，无反向数据传输。

四、 WDM传输的效果

由于采用了两对不同路径的裸光纤，可以实现链路的冗余，出于资金限制，校方的WDM设备没有采用一体化的商用设备，而是通过市场上购买的性价比较高的原始设备来实现，无法提供低层的链路冗余，冗余主要通过高层网络协议来实现。万兆校园以太网冗余通过在两个校区之间使用以太网端口聚合功能实现，当两条链路都能正常工作时，两个校区之间的连接带宽为20G，当一条链路出现故障时，链路带宽降为10G，因两条裸光纤是采用不同的路径，基本不会发生同时出现故障的情况。FC SAN冗余通过FC协议的多路径技术来实现链路的冗余。由于校方的有线电视还使用模拟信号，无法做到线路的实时冗余切换，只有在线路发生故障时，通过远程控制PDU开关相应的光接收机的电源，以手动方式实现线路的切换，如图2中，通过控制PDU，使光接收机1与光接收机2只有一台机器在工作。

五、总结与展望

综上，WDM 技术解决了光纤短缺和多业务透明传输两个问题，低成本是它的最大优势，主要应用在城域网汇聚或接入层面，学校的多校区之间采用WDM技术后，不仅能够提供各种应用的独立物理链路，还可以实现多种业务融合，并能在短时间建设新的网络应用并开展业务，为多校区办学提供了良好的网络支撑平台。目前WDM设备已经存在多种商用产品，如华为公司生产的CWDM设备，能够在在同一设备上提供8个不同的波长，通过级联，最多可以提供16个波长供用户使用，其自身能够在不同的物理链路之间实现冗余备份。将来，随着商用WDM设备价格的进一步降低，必将有更多的院校使用WDM设备作为校际之间的传输通道。

参考文献：

[1]吕召彪等.CWDM技术的实用场合及应用技术探究[J].光通信技术,2004(5).

[2]陈林.CWDM技术与CATV接入网[J].有线电视技术,2002(7).

[3]王志明，孙树东.粗波分复用(CWDM) 技术及其应用[J].电力系统通信,2005(2).