数字教育背景下高速泛在校园网络的融合和重构研究

摘要：随着VR等新型交互媒体以及5G在教学实训中开始应用，新型泛在学习空间对智慧校园网络的全覆盖、高并发、高带宽、高弹性、低延时等提出了新的要求。应用5G、全光网、弹性物联网、移动边缘计算等新技术重构校园网络，DPI技术对网络海量数据进行深度挖掘分析，发挥数据智能，提升数据价值，形成新一代数字教育网络。

关键词：全光网；5G专网；边缘计算；DPI；数字教育

引言

2023年，教育部实施国家教育数字化战略行动计划，用数字教育构建智慧教育新生态，积极推进基于5G、物联网、人工智能、大数据等新基建技术的应用。通过智能化的网络和数字系统应用所产生的教育大数据，进一步应用大模型，形成数据智能，推进智慧校园应用的深度和广度。应用新基建技术规划一体化超融合网络，以全光有线网、Wi-Fi 6无线局域网为基础，移动边缘计算（MEC）把5G虚拟教育专网与校园网深度融合，建设弹性物联网。把互联网、业务网、监控网、物联网四网融为一体，用深度数据包检测（deep packet inspection，DPI）和大数据技术对网络数据进行挖掘与智能分析，提升智慧校园网络的数智能力。

1. 构建无源全光基础网

构建校园全光基础网络，全光网的信号传输和交换一直以光的形式存在，只在进出网络时进行光电转换，无源光网络（passive optical network，PON）[1]，是一种点到点结构的网络，用光节点替代电节点，中间不需要交换机等网络设备，构成直接光纤通信网络。光网络对光信号完全透明，在光信号传输过程中，任何一个网络节点都不处理客户信息，实现了客户信息的透明传输。无源光网络技术及架构可直接用于校园网络的整体更新和改造。

基于PON设备的全光网ODN包括光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）两种主要设备，OLT是连接光纤中继终端的设备，是全光网中重要的中央设备，用于上联上层网络的上行接入，再通过光纤和无源分光器POS下连ONU设备，通过单根光纤与用户端互连分光器，分光器下连到ONU设备，实现对用户终端设备ONU的控制和测距。OLT和ONU设备都是光电集成设备，光网络核心架构如图1所示。

使用全光网架构的校园基础网络，相比交换路由设备的弱电组网具有明显优势：（1）网络吞吐率高。光网络大幅提升了吞吐能力，理论上带宽没有限制，只受限于网络进出时光电转换设备的带宽限制，如10Gpon光网可轻松应对4K以上超高清及VR等应用。（2）網络结构简单——大二层结构。OLT经分光器后直接连接ONU设备，ONU直接连接网络终端设备。网络采用透明光通路链接，不需要价格较高且性能和带宽受限的交换机等网络设备，不受双绞线100米超距问题的影响，极大地提高了传输容量和传输质量。（3）组网成本低。全光网络使用单光纤连接，光纤数量少，单位长度的光纤成本低于网络电缆，用于铺设线缆的桥架也可以更小，建筑安装成本更低，同时节约了建筑空间。OLT和ONU设备整体成本也低于交换路由网络设备。（4）开放扩展性强。用光不同波长作为路由选择以兼容不同的协议、频率、制式和速率，实现端到端的业务。使用虚波长通道技术，网络扩展加入新节点不会影响到原有网络和设备。（5）业务重构能力强。可直接新建直通光通道改变网络的结构，在不同节点可实现波长路由选择实现动态重建。（6）高可靠易维护。因使用无源的光信号处理元件，整体易于维护，网络的可靠程度高。

2. 融合5G虚拟教育专网

随着5G网络推进，应用场景逐步丰富，对于构建高速泛在的数字教育空间有着天然的优势，可以在智慧校园中应用5G新技术，构建5G虚拟教育专网。

2.1 使用5G独立组网

5G有独立组网和非独立组网两种方式。非独立组网方式是4G向5G过渡的一种方案。独立组网是一种全新的组网方式，核心网和终端都采用5G标准，是端到端的5G网络架构[2]，采用了软件定义网络、网络切片、网络虚拟化以及边缘计算等新技术，以满足各种新的业务场景需求。建设5G虚拟教育专网，需要使用独立组网方式。

2.2 建设5G室分系统

室分系统是室内信号分布系统的简称，新型室分系统可以同时支持SA（独立）和NSA（非独立）两种组网方式，是目前5G室分建设的主流方案。运营商端基带元（BBU）光纤入校，通过汇聚单元（PB），使用光电复合线缆连接到各个楼道上的射频单元，建筑物内部主要通过射频单元进行5G信号的收发，5G室分系统架构如图2所示。

与4G系统相比，5G系统的频段相对更高，信号传播与穿墙中的消耗随之增加[3]，仅依靠运营商在校园周围的基站，并不能完成校园建筑物内部信号的有效覆盖。以电信5G的频段为例，采用3400MHz～3500MHz的带宽，信号频率比4G高，信号传输距离较短，穿透损耗大，5G校园虚拟专网需要有完好的室外以及室内的信号覆盖，所以，在规划5G校园虚拟专网时，要同步建设5G室分系统，5G室分系统是5G专网质量的重要保证。

2.3 5G切片形成专网

5G校园虚拟专网需要在运营商5G大网中进行划分，需要使用5G切片技术。切片是将物理网络按需进行逻辑划分的一种技术，在原有5G网络中按用户要求划分出一层虚拟网络，形成“5G接入网+传输网+核心网”组成的一个按需定制的虚拟网络。

5G切片与5G网络都是端到端的，但5G切片网络具备定制性和专用性，可以为某个特殊场景提供通信网络，为某些终端提供专用网络。引入切片后，一张物理网络可以根据用户需求从逻辑层面划分为不同的专用网络，从而可以实现资源隔离和网络复用。每个切片所构成的虚拟网络都可以为用户提供不同方面的能力。例如，远程校企协作实训对于低时延要求特别高，那么可以创建低时延切片；而有些高密场景需要的是大带宽，那么就可以创建大带宽切片。此外，可以根据校园的规模及应用特性，定制低时延、大带宽、高并发相对均衡的一个切片，形成5G虚拟专网，也可在大规模校园网中按需定制低延时或者高带宽不同特性的多个5G切片网络。

2.4 5G专网融合校园网

移动边缘计算（mobile edge computing，MEC），是一个在移动网络边缘运行特定任务的云服务器[4]，MEC是一个资源池，把5G与MEC进行结合，把各种服务部署到MEC中，在靠近MEC的位置部署5G的用户面功能（user plane function，UPF）。在5G核心网的控制下，在UPF上对终端要访问的业务进行分流，如果UPF识别到业务流是访问MEC的，就把这些数据分流转发到MEC上，如果UPF发现终端访问的是专网外的，则不做分流，继续转发到大网上去。这个分流功能是5G网络专门为MEC这类场景设计的。学校将主要业务平台部署到MEC平台上，可直接实现就近访问，这样更能发挥5G网络低时延的优势。移动终端访问MEC上的应用的时候，终端与应用之间的数据交互不需要出学校的专网，数据更安全。在学校中应用“5G+MEC”就可以创建安全的、本地化的5G专网，并实现与校园网的互通。

3. 扩展Wi-Fi 6无线校园网

Wi-Fi 6是第六代无线网络技术，最高速率达9.6Gbps，比上一代性能提升4倍。针对高密部署场景采用了频分复用、增加多用户多输入多输出数量、1024的正交幅度调制、空分复用和基本服务集着色机制、长正交频分复用符号发送机制、目标唤醒时间等几项核心技术。该技术可智能分频，容量提升4倍，多设备并发，时延降低三分之二，终端设备采用按需唤醒的方式，功耗降低30%左右。Wi-Fi 6具备大带宽、高并发、低时延、低功耗的优势，其设计目标是高密度和高容量的无线接入业务。在学校应用中恰好就有很多这样的场景，如体育场、图书馆、食堂、教室、会议室等，可轻松满足4K/8K/VR大带宽视频传输等需求。由于Wi-Fi 6波段穿透力相对较弱，设计校园Wi-Fi 6的AP点位时要合理布局。例如，在水泥墙阻隔的情况下，如果教室内部没有放置AP，只用走廊上的AP，就会出现信号不够强的情况，影响网络传输质量；如果强行调高AP的功率，表面上看信号强度足够了，但网络的连接质量又会出现问题。

5G和Wi-Fi 6都是无线技术，采用了相同的底层物理技术，都具备大带宽、低延时等关键的共同特征。在智慧校园无线网络建设的时候，要理清二者的关系再进行规划。两种网络各有分工，Wi-Fi 6以室内终端无线上网接入为主，而5G主要以移动通信为主。5G的系统更复杂，成本更高。学校可根据需要在Wi-Fi 6基础上增加5G专网。从无线管理的角度来看，两种无线网络管理控制有所不同，学校可以对Wi-Fi进行网络认证、漫游等有效管理，而5G网络管理主体在运营商。

4. 架构边缘计算弹性物联网

新型物联网产品具备智能互联、感知、计算、传输等系统化处理能力，要求物联网系统高度弹性，具备灵活的伸缩能力，因此把一部分计算和存储资源移至设备或终端侧边缘，形成边缘计算和灵活伸缩的弹性能力，部分数据处理直接在边缘计算服务平台完成，使整个系统具有更高的数据处理效率、更低的延时和更强的灵活性。架构一个统一的总控平台进行弹性化的管理和分配，中心云计算和边缘计算平台协同对全量数据进行处理，以边缘计算服务平台作为汇聚层，有线和无线智能网关作为接入层，对包含以太网、无线、总线等各种不同网络协议类型终端进行全网接入和全域监测，实现智能化感知识别和管理能力。基于全光有线和Wi-Fi 6无线网络，物联网的部署和扩展更为便捷，比如只需要在无线AP上扩展使用物联网通信接口，就可以扩充无线物联网。

5. 挖掘分析校园网络数据

数字教育大量应用数据均通过网络进行流转，这些数据蕴含着巨大的应用价值，我们可以应用网络报文解析检测技术对网络数据进行挖掘与分析。普通报文解析检测技术仅能对OSI模型中第二层到第四层的IP数据报文的源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型进行分析，数据分析价值有限。而DPI復杂数据报文过滤技术，可以解析数据包的应用层协议信息，提取应用层的协议特征，进而分析出不同应用的网络流量[5]。DPI不但检测IP头部，还会检查TCP/UDP里面的内容。通过特征字、应用层网关、行为模式、负载协议等识别技术，对第七层网络应用层的有效载荷进行解析，进行信息重组，识别出数据流实际业务内容和各种应用类型，是一种非常高效的网络数据挖掘分析技术。

DPI的应用可以是软件的形式，也可以被设计为硬件形式。把DPI设备在核心交换机旁路镜像式挂载后，全光网、无线、物联网以及经过MEC管控后的5G专网数据流经核心交换机，所有网络数据被复制到DPI系统中，按管理策略对流量进行整形，应用大数据技术分析校园网及应用的数据流内容，统计各网站和应用访问情况。

应用一：对异常流量进行分析和管控，DPI对一定时间内的流量进行构成、性能和流向分析，根据分析结果可以统计各网站和应用的访问情况，可以分析出DDoS攻击、广播风暴、恶意病毒攻击等行为导致的异常流量，制定合理的策略，优化网络配置实现对业务流控制，提升网络质量保障。

应用二：DPI可以分析网站和应用的类型及访问时间段分布等，理解用户的上网行为，通过统计应用类型的使用比率，优化业务服务优先级。通过访问用户分析，实现用户群区分、终端分析、行为分析、趋势分析等功能，在校园网管理及教育教学行为分析中起到特殊作用，可辅助学校进行精准决策和科学化管理。

结语

本文讨论了一种新基建技术应用的多网融合校园网架构，以全光网作为有线基础网络、Wi-Fi 6和5G虚拟专网融合为无线网络，并应用移动边缘计算技术把5G和校园网融为一体，同时应用边缘计算技术架构弹性物联网。DPI技术的应用有效地提升了校园网络的智能化，最终为数字教育应用架构了一个高带宽、高并发、低延时、可灵活扩展的智能化高速泛在校园网络。

参考文献：

[1]梁静.无源光网络在安防系统中的应用[J].智能建筑电气技术，2022，16（6）：136-139.

[2]王杉，傅俊锋，李宏平，等.5G专网混合组网方案研究与应用[J].信息通信技术，2022，16（1）：34-39.

[3]陈永霖.基于5G的室内分布系统规划与设计[J].无线互联科技，2023，20（3）：81-83.

[4]中国联合网络通信有限公司.5G网络+MEC边缘计算助力智慧医疗[J].自动化博览，2023，40（2）：82-84.

[5]朱丹红，李洪，张栋，等.软件定义网络中DPI功能节点的部署研究[J].现代电子技术，2021，44（4）：119-123.

作者简介：周立山，本科，高级讲师，研究方向：智慧校园、信息化教学。