數字教育背景下高速泛在校園網絡的融合和重構研究

摘要：隨著VR等新型交互媒體以及5G在教學實訓中開始應用，新型泛在學習空間對智慧校園網絡的全覆蓋、高并發、高帶寬、高彈性、低延時等提出了新的要求。應用5G、全光網、彈性物聯網、移動邊緣計算等新技術重構校園網絡，DPI技術對網絡海量數據進行深度挖掘分析，發揮數據智能，提升數據價值，形成新一代數字教育網絡。

關鍵詞：全光網；5G專網；邊緣計算；DPI；數字教育

引言

2023年，教育部實施國家教育數字化戰略行動計劃，用數字教育構建智慧教育新生態，積極推進基于5G、物聯網、人工智能、大數據等新基建技術的應用。通過智能化的網絡和數字系統應用所產生的教育大數據，進一步應用大模型，形成數據智能，推進智慧校園應用的深度和廣度。應用新基建技術規劃一體化超融合網絡，以全光有線網、Wi-Fi 6無線局域網為基礎，移動邊緣計算（MEC）把5G虛擬教育專網與校園網深度融合，建設彈性物聯網。把互聯網、業務網、監控網、物聯網四網融為一體，用深度數據包檢測（deep packet inspection，DPI）和大數據技術對網絡數據進行挖掘與智能分析，提升智慧校園網絡的數智能力。

1. 構建無源全光基礎網

構建校園全光基礎網絡，全光網的信號傳輸和交換一直以光的形式存在，只在進出網絡時進行光電轉換，無源光網絡（passive optical network，PON）[1]，是一種點到點結構的網絡，用光節點替代電節點，中間不需要交換機等網絡設備，構成直接光纖通信網絡。光網絡對光信號完全透明，在光信號傳輸過程中，任何一個網絡節點都不處理客戶信息，實現了客戶信息的透明傳輸。無源光網絡技術及架構可直接用于校園網絡的整體更新和改造。

基于PON設備的全光網ODN包括光線路終端（OLT）和光網絡單元（ONU）兩種主要設備，OLT是連接光纖中繼終端的設備，是全光網中重要的中央設備，用于上聯上層網絡的上行接入，再通過光纖和無源分光器POS下連ONU設備，通過單根光纖與用戶端互連分光器，分光器下連到ONU設備，實現對用戶終端設備ONU的控制和測距。OLT和ONU設備都是光電集成設備，光網絡核心架構如圖1所示。

使用全光網架構的校園基礎網絡，相比交換路由設備的弱電組網具有明顯優勢：（1）網絡吞吐率高。光網絡大幅提升了吞吐能力，理論上帶寬沒有限制，只受限于網絡進出時光電轉換設備的帶寬限制，如10Gpon光網可輕松應對4K以上超高清及VR等應用。（2）網絡結構簡單——大二層結構。OLT經分光器后直接連接ONU設備，ONU直接連接網絡終端設備。網絡采用透明光通路鏈接，不需要價格較高且性能和帶寬受限的交換機等網絡設備，不受雙絞線100米超距問題的影響，極大地提高了傳輸容量和傳輸質量。（3）組網成本低。全光網絡使用單光纖連接，光纖數量少，單位長度的光纖成本低于網絡電纜，用于鋪設線纜的橋架也可以更小，建筑安裝成本更低，同時節約了建筑空間。OLT和ONU設備整體成本也低于交換路由網絡設備。（4）開放擴展性強。用光不同波長作為路由選擇以兼容不同的協議、頻率、制式和速率，實現端到端的業務。使用虛波長通道技術，網絡擴展加入新節點不會影響到原有網絡和設備。（5）業務重構能力強?？芍苯有陆ㄖ蓖ü馔ǖ栏淖兙W絡的結構，在不同節點可實現波長路由選擇實現動態重建。（6）高可靠易維護。因使用無源的光信號處理元件，整體易于維護，網絡的可靠程度高。

2. 融合5G虛擬教育專網

隨著5G網絡推進，應用場景逐步豐富，對于構建高速泛在的數字教育空間有著天然的優勢，可以在智慧校園中應用5G新技術，構建5G虛擬教育專網。

2.1 使用5G獨立組網

5G有獨立組網和非獨立組網兩種方式。非獨立組網方式是4G向5G過渡的一種方案。獨立組網是一種全新的組網方式，核心網和終端都采用5G標準，是端到端的5G網絡架構[2]，采用了軟件定義網絡、網絡切片、網絡虛擬化以及邊緣計算等新技術，以滿足各種新的業務場景需求。建設5G虛擬教育專網，需要使用獨立組網方式。

2.2 建設5G室分系統

室分系統是室內信號分布系統的簡稱，新型室分系統可以同時支持SA（獨立）和NSA（非獨立）兩種組網方式，是目前5G室分建設的主流方案。運營商端基帶元（BBU）光纖入校，通過匯聚單元（PB），使用光電復合線纜連接到各個樓道上的射頻單元，建筑物內部主要通過射頻單元進行5G信號的收發，5G室分系統架構如圖2所示。

與4G系統相比，5G系統的頻段相對更高，信號傳播與穿墻中的消耗隨之增加[3]，僅依靠運營商在校園周圍的基站，并不能完成校園建筑物內部信號的有效覆蓋。以電信5G的頻段為例，采用3400MHz～3500MHz的帶寬，信號頻率比4G高，信號傳輸距離較短，穿透損耗大，5G校園虛擬專網需要有完好的室外以及室內的信號覆蓋，所以，在規劃5G校園虛擬專網時，要同步建設5G室分系統，5G室分系統是5G專網質量的重要保證。

2.3 5G切片形成專網

5G校園虛擬專網需要在運營商5G大網中進行劃分，需要使用5G切片技術。切片是將物理網絡按需進行邏輯劃分的一種技術，在原有5G網絡中按用戶要求劃分出一層虛擬網絡，形成“5G接入網+傳輸網+核心網”組成的一個按需定制的虛擬網絡。

5G切片與5G網絡都是端到端的，但5G切片網絡具備定制性和專用性，可以為某個特殊場景提供通信網絡，為某些終端提供專用網絡。引入切片后，一張物理網絡可以根據用戶需求從邏輯層面劃分為不同的專用網絡，從而可以實現資源隔離和網絡復用。每個切片所構成的虛擬網絡都可以為用戶提供不同方面的能力。例如，遠程校企協作實訓對于低時延要求特別高，那么可以創建低時延切片；而有些高密場景需要的是大帶寬，那么就可以創建大帶寬切片。此外，可以根據校園的規模及應用特性，定制低時延、大帶寬、高并發相對均衡的一個切片，形成5G虛擬專網，也可在大規模校園網中按需定制低延時或者高帶寬不同特性的多個5G切片網絡。

2.4 5G專網融合校園網

移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC），是一個在移動網絡邊緣運行特定任務的云服務器[4]，MEC是一個資源池，把5G與MEC進行結合，把各種服務部署到MEC中，在靠近MEC的位置部署5G的用戶面功能（user plane function，UPF）。在5G核心網的控制下，在UPF上對終端要訪問的業務進行分流，如果UPF識別到業務流是訪問MEC的，就把這些數據分流轉發到MEC上，如果UPF發現終端訪問的是專網外的，則不做分流，繼續轉發到大網上去。這個分流功能是5G網絡專門為MEC這類場景設計的。學校將主要業務平臺部署到MEC平臺上，可直接實現就近訪問，這樣更能發揮5G網絡低時延的優勢。移動終端訪問MEC上的應用的時候，終端與應用之間的數據交互不需要出學校的專網，數據更安全。在學校中應用“5G+MEC”就可以創建安全的、本地化的5G專網，并實現與校園網的互通。

3. 擴展Wi-Fi 6無線校園網

Wi-Fi 6是第六代無線網絡技術，最高速率達9.6Gbps，比上一代性能提升4倍。針對高密部署場景采用了頻分復用、增加多用戶多輸入多輸出數量、1024的正交幅度調制、空分復用和基本服務集著色機制、長正交頻分復用符號發送機制、目標喚醒時間等幾項核心技術。該技術可智能分頻，容量提升4倍，多設備并發，時延降低三分之二，終端設備采用按需喚醒的方式，功耗降低30%左右。Wi-Fi 6具備大帶寬、高并發、低時延、低功耗的優勢，其設計目標是高密度和高容量的無線接入業務。在學校應用中恰好就有很多這樣的場景，如體育場、圖書館、食堂、教室、會議室等，可輕松滿足4K/8K/VR大帶寬視頻傳輸等需求。由于Wi-Fi 6波段穿透力相對較弱，設計校園Wi-Fi 6的AP點位時要合理布局。例如，在水泥墻阻隔的情況下，如果教室內部沒有放置AP，只用走廊上的AP，就會出現信號不夠強的情況，影響網絡傳輸質量；如果強行調高AP的功率，表面上看信號強度足夠了，但網絡的連接質量又會出現問題。

5G和Wi-Fi 6都是無線技術，采用了相同的底層物理技術，都具備大帶寬、低延時等關鍵的共同特征。在智慧校園無線網絡建設的時候，要理清二者的關系再進行規劃。兩種網絡各有分工，Wi-Fi 6以室內終端無線上網接入為主，而5G主要以移動通信為主。5G的系統更復雜，成本更高。學?？筛鶕枰赪i-Fi 6基礎上增加5G專網。從無線管理的角度來看，兩種無線網絡管理控制有所不同，學?？梢詫i-Fi進行網絡認證、漫游等有效管理，而5G網絡管理主體在運營商。

4. 架構邊緣計算彈性物聯網

新型物聯網產品具備智能互聯、感知、計算、傳輸等系統化處理能力，要求物聯網系統高度彈性，具備靈活的伸縮能力，因此把一部分計算和存儲資源移至設備或終端側邊緣，形成邊緣計算和靈活伸縮的彈性能力，部分數據處理直接在邊緣計算服務平臺完成，使整個系統具有更高的數據處理效率、更低的延時和更強的靈活性。架構一個統一的總控平臺進行彈性化的管理和分配，中心云計算和邊緣計算平臺協同對全量數據進行處理，以邊緣計算服務平臺作為匯聚層，有線和無線智能網關作為接入層，對包含以太網、無線、總線等各種不同網絡協議類型終端進行全網接入和全域監測，實現智能化感知識別和管理能力?；谌庥芯€和Wi-Fi 6無線網絡，物聯網的部署和擴展更為便捷，比如只需要在無線AP上擴展使用物聯網通信接口，就可以擴充無線物聯網。

5. 挖掘分析校園網絡數據

數字教育大量應用數據均通過網絡進行流轉，這些數據蘊含著巨大的應用價值，我們可以應用網絡報文解析檢測技術對網絡數據進行挖掘與分析。普通報文解析檢測技術僅能對OSI模型中第二層到第四層的IP數據報文的源地址、目的地址、源端口、目的端口、協議類型進行分析，數據分析價值有限。而DPI復雜數據報文過濾技術，可以解析數據包的應用層協議信息，提取應用層的協議特征，進而分析出不同應用的網絡流量[5]。DPI不但檢測IP頭部，還會檢查TCP/UDP里面的內容。通過特征字、應用層網關、行為模式、負載協議等識別技術，對第七層網絡應用層的有效載荷進行解析，進行信息重組，識別出數據流實際業務內容和各種應用類型，是一種非常高效的網絡數據挖掘分析技術。

DPI的應用可以是軟件的形式，也可以被設計為硬件形式。把DPI設備在核心交換機旁路鏡像式掛載后，全光網、無線、物聯網以及經過MEC管控后的5G專網數據流經核心交換機，所有網絡數據被復制到DPI系統中，按管理策略對流量進行整形，應用大數據技術分析校園網及應用的數據流內容，統計各網站和應用訪問情況。

應用一：對異常流量進行分析和管控，DPI對一定時間內的流量進行構成、性能和流向分析，根據分析結果可以統計各網站和應用的訪問情況，可以分析出DDoS攻擊、廣播風暴、惡意病毒攻擊等行為導致的異常流量，制定合理的策略，優化網絡配置實現對業務流控制，提升網絡質量保障。

應用二：DPI可以分析網站和應用的類型及訪問時間段分布等，理解用戶的上網行為，通過統計應用類型的使用比率，優化業務服務優先級。通過訪問用戶分析，實現用戶群區分、終端分析、行為分析、趨勢分析等功能，在校園網管理及教育教學行為分析中起到特殊作用，可輔助學校進行精準決策和科學化管理。

結語

本文討論了一種新基建技術應用的多網融合校園網架構，以全光網作為有線基礎網絡、Wi-Fi 6和5G虛擬專網融合為無線網絡，并應用移動邊緣計算技術把5G和校園網融為一體，同時應用邊緣計算技術架構彈性物聯網。DPI技術的應用有效地提升了校園網絡的智能化，最終為數字教育應用架構了一個高帶寬、高并發、低延時、可靈活擴展的智能化高速泛在校園網絡。

參考文獻：

[1]梁靜.無源光網絡在安防系統中的應用[J].智能建筑電氣技術，2022，16（6）：136-139.

[2]王杉，傅俊鋒，李宏平，等.5G專網混合組網方案研究與應用[J].信息通信技術，2022，16（1）：34-39.

[3]陳永霖.基于5G的室內分布系統規劃與設計[J].無線互聯科技，2023，20（3）：81-83.

[4]中國聯合網絡通信有限公司.5G網絡+MEC邊緣計算助力智慧醫療[J].自動化博覽，2023，40（2）：82-84.

[5]朱丹紅，李洪，張棟，等.軟件定義網絡中DPI功能節點的部署研究[J].現代電子技術，2021，44（4）：119-123.

作者簡介：周立山，本科，高級講師，研究方向：智慧校園、信息化教學。