研究背景
校園網(wǎng)是高校重要的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，涉及大量的交換機(jī)等ICT設(shè)備，需要保持24小時(shí)持續(xù)不間斷運(yùn)行，消耗大量的電能。目前，隨著PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，國(guó)內(nèi)有部分高校采用GPON、10G-PON或XGS-PON技術(shù)替換以太網(wǎng)技術(shù)，新建、改建和擴(kuò)建校園網(wǎng)，表1是部分高校采用PON技術(shù)部署校園網(wǎng)的案例，這些案例普遍認(rèn)為：相較于以太網(wǎng)，采用PON技術(shù)部署校園網(wǎng)消耗電量更少，更節(jié)能。
表1 采用PON方案部署高校校園網(wǎng)案例
本文闡述了采用以太網(wǎng)和PON方案部署校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并建立了一套校園網(wǎng)能耗分析模型，并以廠商設(shè)備為藍(lán)本，分析了四類典型場(chǎng)景、兩種部署方案的設(shè)備選型，并比較研究?jī)煞N部署方案中平均每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率。
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
圖1為采用以太網(wǎng)和XGS-PON技術(shù)部署校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不難看出，兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有很強(qiáng)的相似性。在以太網(wǎng)方案中，為提高設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，中心機(jī)房配置兩臺(tái)核心交換機(jī)，集群虛擬化部署，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面合一，對(duì)外表現(xiàn)為一臺(tái)邏輯交換機(jī)。匯聚機(jī)房配置兩臺(tái)匯聚交換機(jī)，堆疊組合，邏輯上虛擬成一臺(tái)交換機(jī)。
圖1 采用以太網(wǎng)和XGS-PON技術(shù)部署校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
接入機(jī)房配置若干臺(tái)接入交換機(jī)，堆疊組合，邏輯上虛擬成一臺(tái)交換機(jī)。接入機(jī)房以下，一般鋪設(shè)六類網(wǎng)線連接網(wǎng)絡(luò)面板、無(wú)線AP等網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)。為提高鏈路的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，CSS內(nèi)核心交換機(jī)和匯聚交換機(jī)之間配置鏈路聚合，實(shí)現(xiàn)匯聚交換機(jī)的雙上聯(lián)、雙歸屬保護(hù)，匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī)之間配置鏈路聚合，實(shí)現(xiàn)接入交換機(jī)的雙上聯(lián)、雙歸屬保護(hù)。
在XGS-PON方案中，為提高設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，中心機(jī)房配置兩臺(tái)核心交換機(jī)，集群虛擬化部署，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備控制和轉(zhuǎn)發(fā)平面合一，對(duì)外表現(xiàn)為一臺(tái)邏輯交換機(jī)。匯聚機(jī)房配置兩臺(tái)OLT，實(shí)現(xiàn)1+1冗余保護(hù)。接入機(jī)房配置若干臺(tái)無(wú)源分光器，分光比一般為2∶16或2∶32。房間或樓道安裝網(wǎng)絡(luò)箱，箱內(nèi)安裝ONU設(shè)備。
接入機(jī)房至網(wǎng)絡(luò)箱，一般鋪設(shè)2芯蝶形皮線光纜。網(wǎng)絡(luò)箱以下，一般鋪設(shè)六類網(wǎng)線連接網(wǎng)絡(luò)面板、無(wú)線AP等網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)。為提高鏈路的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，CSS內(nèi)核心交換機(jī)和OLT之間配置鏈路聚合，實(shí)現(xiàn)OLT的雙上聯(lián)、雙歸屬保護(hù)。OLT和分光器之間的主干鏈路配置Type B雙歸屬保護(hù)，實(shí)現(xiàn)分光器雙上聯(lián)至OLT。
能耗分析模型
基于校園網(wǎng)兩種部署方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們建立一套校園網(wǎng)能耗分析模型。由于不同場(chǎng)景下，用戶用網(wǎng)需求、現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備選型等方面均會(huì)存在較大差異，為簡(jiǎn)化模型、便于分析，我們將校園網(wǎng)劃分為教學(xué)辦公區(qū)有線、教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線四類部署場(chǎng)景。
為了便于參照對(duì)比兩種部署方案下各網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電量，我們重點(diǎn)關(guān)注兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中差異設(shè)備的能耗，即分析比較匯聚交換機(jī)/接入交換機(jī)和OLT/ONU設(shè)備的耗電量，并將總耗電量平均分?jǐn)傊了芯W(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)。為簡(jiǎn)化模型，我們假設(shè)所有匯聚交換機(jī)、OLT、分光器的下聯(lián)端口都滿配接入對(duì)應(yīng)的下聯(lián)設(shè)備，所有的接入交換機(jī)、ONU、AP的下聯(lián)端口都滿配接入對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)。
為驗(yàn)證此模型的有效性，讓結(jié)果更具有代表性、可信度和說(shuō)服力，我們?cè)谠O(shè)備選型時(shí)均選用同一主流設(shè)備廠家，且相關(guān)產(chǎn)品指標(biāo)參數(shù)均來(lái)源于官方公開(kāi)渠道。
分析過(guò)程與結(jié)果
表2分析了在四類典型場(chǎng)景下，采用以太網(wǎng)部署校園網(wǎng)的設(shè)備選型和耗電功率情況。其中，在教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線場(chǎng)景下，AP由POE接入交換機(jī)供電，因而接入交換機(jī)已計(jì)算了AP的耗電功率，不需要額外計(jì)算AP的耗電功率。
表2 采用以太網(wǎng)部署校園網(wǎng)的設(shè)備選型和耗電功率
可以看出，在教學(xué)辦公區(qū)有線、教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線場(chǎng)景下，采用以太網(wǎng)部署校園網(wǎng)，平均每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率分別為1.33W、18.58W、1.33W、3.72W，其中匯聚交換機(jī)耗電功率占比分別為18.94%、2.72%、18.94%、2.72%，接入交換機(jī)耗電功率占比分別為81.06%、97.28%、81.06%、97.28%。由此可見(jiàn)，在以太網(wǎng)方案中，網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)耗電主體是接入交換機(jī)。
表3 采用XGS-PON部署校園網(wǎng)的設(shè)備選型和耗電功率
表3分析了在四類典型場(chǎng)景下，采用XGS-PON部署校園網(wǎng)的設(shè)備選型和耗電功率情況。其中，OLT的業(yè)務(wù)板采用16端口10GPON板H902XSHFE，在教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線場(chǎng)景下，AP由支持POE的ONU供電，因而ONU已計(jì)算了AP的耗電功率，不需要額外計(jì)算AP的耗電功率。
可以看出，采用XGS-PON部署校園網(wǎng)，教學(xué)辦公區(qū)有線、教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線場(chǎng)景下，平均每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率分別為1.05W、18.69W、1.03W、4.36W，其中OLT耗電功率占比分別為4.64%、0.13%、2.68%、1.01%，ONU耗電功率占比分別為95.36%、99.87%、97.32%、98.99%。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)耗電功率的主體是ONU。
圖2 以太網(wǎng)和XGS-PON方案部署校園網(wǎng)平均每網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率對(duì)比
圖2是四類典型場(chǎng)景下，采用以太網(wǎng)和XGS-PON方案部署校園網(wǎng)時(shí)，平均每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率對(duì)比情況。在教學(xué)辦公區(qū)有線、教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線場(chǎng)景下，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的耗電功率，XGS-PON方案依次是以太網(wǎng)的0.79倍、1.01倍、0.77倍、1.17倍。
因此，在教學(xué)辦公區(qū)有線和學(xué)生宿舍有線兩類場(chǎng)景下，采用XGS-PON部署校園網(wǎng)，相較于以太網(wǎng)，消耗更低的電能，節(jié)約20%左右的耗電功率，更節(jié)能。在教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線場(chǎng)景下，兩方案消耗電能大體相當(dāng)。在學(xué)生宿舍有線+無(wú)線兩類場(chǎng)景下，采用XGS-PON部署校園網(wǎng)，耗電功率是以太網(wǎng)方案的1.17倍左右，相比之下，以太網(wǎng)方案消耗更低的電能，更節(jié)能。
結(jié)論
本文基于以太網(wǎng)和XGS-PON部署校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建立了一套校園網(wǎng)能耗分析模型，并以廠家設(shè)備為藍(lán)本，驗(yàn)證了此模型的有效性。研究發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)辦公區(qū)有線、教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線、學(xué)生宿舍有線、學(xué)生宿舍有線+無(wú)線場(chǎng)景下，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)的消耗功率，XGS-PON方案依次是以太網(wǎng)的0.79倍、1.01倍、0.77倍、1.17倍。
因此，在純有線場(chǎng)景下，XGS-PON方案比以太網(wǎng)方案節(jié)約20%耗電功率，XGS-PON方案更節(jié)能。在教學(xué)辦公區(qū)無(wú)線場(chǎng)景下，兩方案消耗電能大體相當(dāng)。在學(xué)生宿舍有線+無(wú)線兩類場(chǎng)景下，以太網(wǎng)方案消耗更低的電能，更節(jié)能。這為校園網(wǎng)部署方案選擇提供了重要的參考依據(jù)。
來(lái)源：中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)
