基于城域网的中小学信息化2.0计划整体构架研究

    吴良秋 孙枫霞

    

    

    

    摘? 要 为落实教育信息化2.0行动计划，介绍基于城域网与GPON组网的中小学信息化2.0计划整体构架。教育城域网核心交换层采用万兆光通信设备，光纤到班，且每个教室独享50 M带宽。基于这样的硬件基础，通过物联感知、情感计算、图像识别等先进技术采集基础数据，然后把海量的教育数据智能化、富媒体化并高性能利用，以解决教育资源不均衡的难题。在城域网基础上实现智慧教室、学科教室、未来教室、教学资源、名师资源等教育应用，构成一套智能生态系统。最后分别从资源访问速度、资金投入、维护工作量等几个方面分析传统组网和GPON组网模式的性能。

    关键词 教育信息化;教育城域网;GPON;教育资源

    中图分类号：G434? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）13-0024-04

    1 引言

    2018年4月，教育部发布《教育信息化2.0行动计划》[1]，指出2022年基本实现“三全、两高、一大、三变、三新”。根据行动计划的要求，各地相关部门纷纷形成合力，很快从部门单独行动向跨部门协同创新转变。中小学教育信息化成为国家信息化建设的主阵地，随着光纤技术的逐步成熟，光纤成本逐渐下降，部署大芯数光缆已经成为当前光纤物理网建设的趋势，基于城域网与GPON组网是理想选择。教育城域网把同一城市内所有学校、教研中心、教育机构通过网络互联，使教育资源整合、开放、共享，达到整体信息化集成运用的宽带网络。

    2 整体构架

    基础支撑? GPON（Gigabit-Capable PON）主要由OLT、

    无源光分配网和ONU组成，采用单纤双向传输机制，是目前接入城域网实现业务宽带化、综合化改造的理想技术。因此，教育城域网建設采用10 G PON[2]及ONT网络，由核心层、汇聚层和接入层构成，包括中心网、教育行政部门子网和学校子网，在保证三级网络互通互访的同时，必须让各级网络在逻辑上相互独立可控（图1、图2）。

    1）基本网络结构。教育城域网核心数据交换可以交由运营商代维，相关核心数据交换设备放在核心机房，汇聚层可采用OLT双上联城域网[3]：当OLT负载超负荷，可触发备用OLT分担负载，以达到均衡负载目的;当OLT出现断点，可自动切换到备用OLT链路承载，保证教室终端正常访问城域网资源。城域网故障时，任一学校子网内资源不受影响。教育城域网通过各种教育应用平台和教育资源来为教育管理者、教学人员、学生、家长等人群提供多方面服务。

    2）漫游认证。对于城域网内无线网络身份认证采用统一授权、分级管理策略，中心网部署身份策略管理系统，对各个子网下发管理策略，各子网的账户实时同步到中心网账户数据库。子网账户上网时，首先在子网认证，认证失败转到中心网认证，中心网认证失败则说明账户是非法用户，拒绝登录（图3）。各学校用户可在城域网内无感知网络漫游认证，从A学校到B学校采用相同的账号可以正常访问网络资源（图4）。

    3）网络安全与可视化运维。网络划分为不同的功能区域，用于部署不同的应用，使得整个网络的架构具备可伸缩性、灵活性和高可用性。通过防火墙实现安全区域的边界隔离与访问控制，行为审计对城域网用户违规操作进行阻断，按照等级保护相关要求实施保护。利用网络设备、服务器、中间件、数据库、存储设备，通过建设全面的监控管理平台将各个业务系统中的各种设备、软件、业务应用纳入监控平台中可视化运维。

    软件应用? 教育城域网内所有软件应用都是以教育教学和学校管理为核心，按需、逐个破解数据孤岛、应用孤岛、硬件孤岛三大孤岛。基于城域网，把应用系统分为两个层

    次：把数据量大、利用率高的资源放于中心网;各学校和教育行政部门自建系统分别放于各自所处的子网。

    如图5所示，电子政务系统、人教数字资源、互动教学直播平台、视频监控系统、数字化图书馆、班班通分析系统、教学诊断质量检测平台等服务教育教学及管理的核心系统部署在中心网，其他子网用户通过中心网核心交换设备请求数据。

    如图6所示，校园卡管理系统、校园广播系统、自建OA系统等主要满足本子网用户使用，存在数据量较小、利用率较低的特点，因此，服务器资源存放在相应的子网即可。这样一方面可以节约带宽资源，减轻上层数据交换设备的数据吞吐量;另一方面可以对学校自建系统的安全性起到一定的保护作用。

    成本? 相比传统组网，万兆教育城域网需要投入一定量的人员和设备，后期维护工作量有一定的减少。由于光缆线路与设备故障处理需要专业工具，并且对维护人员的要求也提升了一个档次，因此只能全部依赖运营商，效率有一定的下降。

    3 性能比较

    教育教学资源部署于中心机房，用户可以通过外网和城域网访问相关资源，但是需要的时间不同。以下两个实验均是在这两种情况下完成的。

    实验一：测试网络响应时间

    1）实验描述。在没有组建城域网之前，教学资源软件部署于核心机房，用户通过外网访问资源;在部署城域网后，教学资源软件部署于处于中心网的核心机房，用户通过城域网访问资源，其他条件保持不变。

    2）评价指标。利用Ping命令测试网络连接速度[4]，每次向软件资源服务器发送请求32个字节数据，连续请求四次，求平均值;用连续35次记录来判断资源访问速度的稳定状况。

    3）实验分析。从外网访问核心机房的教学资源时，受带宽影响较大，由于当前学校内局域网用户共同分享学校仅有的带宽，测试学校带宽为专线50 M，访问核心机房教学资源稳定情况与当前学校用户访问外网用户数有直接关系，网络情况不太稳定，会出现较大幅度的波动。从教育城域网访问处于中心网的教学资源时，网络情况比较稳定，不会出现大幅度的波动。当用户向服务器发送请求时，只需要在城域网内进行数据交换，不需要出城域网，由于学校出口带宽较小，一般没有Qos控制，因此，使用人数越多速度越慢。然而在教育城域网，在每个用户独享50 M，互不影响，上下速度对等情况下，速度能达到6.25 M/S，当前局域网内访问外网用户数对用户访问城域网资源的影响很小，可以忽略。网络访问情况见图7。

    实验二：测试并发量对资源获取时间的影响

    1）实验描述。在外网网络和城域网两种情况下，访问资源所需要时间为：

    其中，T为所需要的时间;S为中心机房资源，取常量1000;W1为学校专线网络带宽，取50;W2为中心机房专线网络带宽，取200;学校每个用户（同时上网人数为N1）

    获取资源机会均等，用户占用中心机房资源机会均等（用户数为N2），N1、N2为正整数。

    2）实验变量：测试学校使用网络人数（N1）、被访问资源占用人数（N2）。

    3）评价指标：获取中心机房教学资源（S）所需要的时间（T）大小。

    4）实验分析。在广域网中访问中心机房资源，资源大小一定时，所需要的时间随着测试学校使用网络人数和被访问资源占用人数上升而无限变长。城域网中心网速度可达万兆，学校用户独享50 M，因此，在获取资源时所需时间与学校使用网络人数无关，只与万兆中心网资源占用情况有关：当中心网资源被占有用户数小于200人时，只与学校用户独享的50 M有关;当超过200人时，随着占有中心网资源的用户数增多，相应的时间变长（图8、图9）。

    4 结论

    万兆城域网，终端独享50 M带宽甚至更大，有效地避免带宽资源浪费，节约资源获取所需时间。当并发量小于200時，网络情况很稳定;并发量大于200时，随着并发量上升，网络速度开始下降。以中心网为主，辐射全市所有学校，充分实现教育资源共享，对学校信息化建设、教学研培、优质资源共享起到较大的推动作用。

    5 问题

    城域网建设完成后，虽然内部资源得到充分共享，但是一个开放的局域网内部环境给网络管理者带来新的挑

    战：一方面，城域网内所有设备互通，网络安全[5]需要投入较大的软硬件和人力成本，特别是建设初期;另一方面，光纤到班，增大了学校自身网络管理人员处理故障的难度，由于光纤线路维护设备昂贵，因此只能完全依赖于运营商，造成偏远农村学校的故障处理效率较低。

    参考文献

    [1]教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

    [2]房超.10G GPON技术及相关标准研究[J].电信网技术，2011（10）：14-18.

    [3]廖伟全，喻林峰，李继龙，等.基于城域网与GPON组网的OLT双上联流量均衡研究与应用[J].通信技术，2018（9）：2153-2158.

    [4]吉米.如何利用“Ping”命令测试网络连接速度[J].电脑界：应用文萃，2000（5）：83.

    [5]信文博.中小城市宽带IP城域网网络优化技术的研究[J].中国新通信，2018（6）：97.