淮信院校园网三网融合系统设计与建设.docx
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淮信院校园网三网融合系统设计与建设
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
校园网三网融合系统设计与建设
姓名
学号
系部
计算机与通信工程学院
专业
移动与通信技术
班级
指导教师
顾问教师
二〇一二年十月
摘要
EPON技术的快速发展，极大地满足了客户对带宽的需求，三网融合技术已经成为国际范围内的技术热点。
三网融合技术是在业务应用方面进行融合，三种网络在技术上趋向一致，网络层面实现互联互通，业务层面互相渗透和交叉，有利于实现网络资源的最大共享。
在高校校园网的建设中利用EPON技术，具有很大的意义。
校园网中实现三网融合，即宽带数据、VOIP语音和IPTV的融合。
淮安信息职业技术学院基于EPON技术新建设的校园网络实现了三网的融合。
三网融合中的EPON技术采用点到多点结构，无源光纤传输，在以太网络上提供多种业务。
同时采用标准的以太网接口和复用技术，具有高带宽，低维护成本，与现有的以太网兼容，维护简单易于升级等优势。
本论文校园网三网融合系统设计与建设，首先讲解EPON的基本原理及关键技术，接着从校园网三网融合系统的需求分析开始，对网络系统进行设计和建设，其中包括设备的选型和业务的配置。
最终实现了宽带数据业务、VOIP语音业务和IPTV视频业务开通。
充分证实了校园网络网融合的可行性，展现了校园网中实现三网融合的优点。
关键词：
校园网EPON三网融合组播
第一章绪论
1.1课题研究背景
从2000年发展至今，校园网宽带技术接入方式不断更新，接入技术持续完善，从开始的PSTN拨号至ADSL的盛行，再到如今的LAN方式，从开始的网页浏览，发展到现在的IPTV视频，对于接入速度要求越来越快、带宽越来越大。
针对这一现状，主干网已经为校园网承载各种宽带业务作好了相应的准备，但是位于通信网络与终端之间的接入网，即所谓的“最后一公里”发展相对滞后，已经成为了制约校园网发展的瓶颈。
在接入网领域可供选择的主流技术是专线接入和各种数字用户环路（xDSL）接入。
应该说，专线接入可以提供比较优秀的服务质量，但它所对应的高昂月租使得用户只能通过尽可能的减小带宽需求来压缩开支；而从运营商的角度看，一根专线一般只能用于一个客户接入，不仅难以降低成本，而且灵活性和可扩展性都难以让人满意。
xDSL是目前接入市场炙手可热、普遍采用的接入技术，具有成本低廉、充分利用现有铜缆资源的显著优点。
但同时也有很多缺点，基于铜缆的接入方式，接入带宽和距离难以兼顾，一般只能用于城区的个人用户接入，而且很难进一步升级和扩容，难以满足复杂多变的大客户接入市场的需要。
1.2课题研究的目的和意义
随着通信产业的发展，实现三网融合是校园网必然的趋势。
利用以太网技术与无源光网络（PON）技术结合起来的EPON，作为校园网接入新技术，用最简单的方式实现一个点到多点拓扑结构的千兆以太网光纤接入网络。
使校园网具有优良的可扩展性，升级扩容和维护管理非常方便。
基于EPON技术的校园网，它具有以下的优点：
（1）技术成熟
EPON开始进入商用，2004年达到比较高的热潮，校园网使用EPON技术是比较成熟的。
（2）成本低
随着技术的发展和竞争的加剧，与EPON系统相关的芯片成本、光纤和光器件的价格迅速下降，EPON主要由光器件组成，光器件成本占整个系统的60％。
校园网三网融合系统设备的成本迅速下降。
（3）性价比高
EPON上下行相等的高带宽1．25Gbit／s，随着l0G以太技术的成熟，最大速率可达l0Gb／s；可以支持l0km和20km两种最大传输距离。
而ADSL只能覆盖半径为5公里的区域，最高速率只有8Mbps，在实际环境中还要受到线路、距离等许多因素的制约。
光纤传输质量高、可靠性高、抗电磁干扰的特性能够实现带宽的动态分配。
校园网采用EPON技术与其它宽带接入技术如：
ADSL2，VDSL，LAN等的竞争中能显示出巨大的优势。
1.3论文的主要工作及结构
根据淮安信息职业技术学院新组建的校园网网络构架、业务应用、运行维护等特点。
提出了校园网三网融合系统设计与建设的方案，主要研究成果如下：
（1）阐述了PON、EPON的基本原理和关键技术。
（2）校园网三网融合系统分析
（3）校园网三网融合系统设计
（4）校园网三网融合系统建设
本次论文共分为六章。
第一章，主要说明课题研究的背景、研究的目的以及意义和论文的主要工作及结构。
第二章，基于以太网的EPON技术，PON的现状，EPON的原理及关键技术。
第三章，介绍了校园网三网融合系统分析，包含了以太网技术的分析、VOIP的分析和组播的分析。
第四章，校园网三网融合系统设计，主要包括三网融合系统总体设计和三网融合系统具体设计。
第五章，校园网三网融合系统建设，包括三网融合系统设备选型。
第六章，总结与展望，总结在论文的主要工作和主要内容，展望一些需要改进的地方。
第二章基于以太网的EPON技术
2.1PON技术的介绍
2.1.1PON概述
PON，PassiveOpticalNetwork，即无源光网络。
2.1.2PON组成
如图2-1所示，PON由光线路终端（OLT）、光合／分路器（Spliter）和光网络单元（ONU）组成，采用树形拓扑结构。
OLT放置在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实时监控、管理及维护功能。
ONU放置在用户侧，OLT与ONU之间通过无源光合／分路器连接。
所谓无源，是指在OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）之间的ODN（光分配网络）没有任何有源电子设备。
图2-1PON组成结构
PON使用波分复用（WDM）技术，实现单纤双向传输，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。
OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。
下行方向采用1490nm，上行方向采用1310nm。
如图2-2所示。
图2-2PON单纤双向传输原理
2.1.3PON系统组网方式
PON系统的组网方式如下图23。
其中最常见的是树形拓扑。
图2-3PON拓扑
2.1.4PON保护方式
从接入网的管理角度看，为加强接入网的可靠性，PON的保护结构是必须要考虑的。
PON的保护根据其保护部分的不同，主要有几种类型：
骨干光纤保护方式、OLT保护和全保护等。
这三种配置分别如图24、图25、图26。
图2-4骨干光纤保护方式
图2-5OLT保护
图2-6全保护方式
2.1.5PON优势
（1）相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。
PON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大
（2）无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。
（3）PON系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高
（4）提供非常高的带宽。
EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。
GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。
（5）服务范围大。
PON作为一种点到多点网络，以一种扇出的结构来节省CO的资源，服务大量用户。
用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。
（6）带宽分配灵活，服务有保证。
G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。
可以实现用户级的SLA。
2.2EPON技术介绍
2.2.1EPON概述
如图2-7为EPON示意图。
EPON在现有IEEE802.3协议的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧，是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台和TDM（TimeDivisionMultiplexing）时分MAC（MediaAccessControl）媒体访问控制方式提供多种综合业务的宽带接入技术。
图2-7EPON示意图
EPON相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面：
（1）与现有以太网的兼容性：
以太网技术，是迄今为止最成功和成熟的局域网技术。
EPON只是对现有IEEE802.3协议作一定的补充，基本上是与其兼容的。
考虑到以太网的市场优势，EPON与以太网的兼容性是其最大的优势之一。
（2）高带宽：
根据目前的讨论，EPON的下行信道为百兆/千兆的广播方式，而上行信道为用户共享的百兆/千兆信道。
这比目前的接入方式，如Modem、ISDN、ADSL甚至ATMPON（下行622/155Mbps，上行共享155Mbps）都要高得多。
（3）低成本：
首先，由于采用PON的结构，EPON网络中减少了大量的光纤和光器件以及维护的成本。
其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安装维护使EPON具有ATMPON所无法比拟的低成本。
2.2.2EPON组成
与所有的PON系统一样，EPON系统由OLT、ONU和ODN组成。
但EPON在功能和实现上都与其他PON技术有所不同。
OLT：
作为EPON的核心，应实现以下功能：
（1）向ONU以广播方式发送以太网数据；
（2）发起并控制测距过程，并记录测距信息；
（3）发起并控制ONU功率控制；
（4）为ONU分配带宽，即控制ONU发送数据的起始时间和发送窗口大小；
（5）其它相关的以太网功能。
ODN：
由无源光分路器和光纤构成。
ONU/ONT：
ONU/ONT为用户提供EPON接入的功能：
（1）选择接收OLT发送的广播数据；
（2）响应OLT发出的测距及功率控制命令，并作相应的调整；
（3）对用户的以太网数据进行缓存，并在OLT分配的发送窗口中向上行方向发送；
（4）其它相关的以太网功能。
从EPON中功能划分可以看出，EPON中较为复杂的功能主要集中于OLT，而ONU/ONT的功能较为简单，这主要是为了尽量降低用户端设备的成本。
2.2.3EPON帧结构和工作原理
（1）EPON帧结构
如图2-7，EPON只在IEEE802．3的以太数据帧格式上做必要的改动，如在以太帧中加入时戳（TimeStamp）、LLID等内容。
可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。
LLID用于标识ONU。
图2-7P2P仿真子层的实现
（2）EPON上下行工作原理
如下图2-8，下行采用纯广播的方式：
OLT为已注册的ONU分配LLID；
由各个ONU监测到达帧的LLID，以决定是否接收该帧；
如果该帧所含的LLID和自己的LLID相同，则接收该帧；反之则丢弃。
随着EPON技术的规模应用和芯片成本的不断降低，以及光纤铺设规模的不断扩大，EPON技术将很快成为FTTx的主要接入方式之一。
图2-8EPON下行工作原理
如下图2-9，上行采用时分多址接入（TDMA）技术：
1）OLT接收数据前比较LLID注册列表；
2）每个ONU在由局方设备统一分配的时隙中发送数据帧；
3）分配的时隙补偿了各个ONU距离的差距，避免了各个ONU之间的碰撞。
图2-9EPON上行工作原理
2.2.4EPON的技术应用
第三章校园三网融合系统
3.1三网融合关键技术
3.1.1何为“三网”？
三网融合，是指广播电视网、电信网与互联网的融合，其中互联网是核心。
如图3-1三网融合示意图。
图3-1三网融合示意图
“三网融合”中三网是指：
（1）以电话网（包括移动通信网）为代表的传统电信网；
（2）以因特网/互联网（Internet）为代表的数据通信网；
（3）以有线电视网为代表的广播电视网。
3.1.2三网融合的实质
三网融合的实质：
全业务运营
狭义：
是电信网、有线电视网与计算机网的融合与趋同；
广义：
是电信、媒体与信息技术等三种业务的融合。
从服务商角度看，是指不同网络平台倾向于承载实质相似的业务；
从终端用户看，是指消费者用户装置（如电话、电视与个人电脑）的趋同。
3.1.3三网融合的技术基础
（1）成熟的数字化技术，即语音、数据、图像等信息都可以通过编码成0和1的比特流进行传输和交换，这是三网融合的基本条件；。
（2）采用TCP／IP协议。
只有基于独立IP地址，才能实现点对点、点对多点的互动，才能使得各种以IP为基础的业务能在不同的网上实现互通；
（3）光通信技术。
只有光通信技术才能提供足够的信息传输速度，保证传输质量，光通信技术也使传输成本大幅下降。
目前三网融合的主要应用包括互联网电视（IPTV）和网络电话（VOIP）。
IPTV是指利用IP技术，通过宽带网络提供视频业务。
IPTV融合了电视业务和电信业务的特点。
其优势在于“互动性”与“按需观看”，彻底改变了传统电视单向播放的缺点。
VOIP又名宽带电话，是指基于宽带技术实现的电脑与电脑、电脑与电话、电话与电话之间的通话业务。
因无须搭建专属网络，VOIP运营成本低，通话资费大大低于传统电话。
3.2以太网技术
3.2.1以太网帧结构
EthernetII和IEEE802.3的帧格式分别如下。
EthernetII帧格式：
前序（P）
目的地址（SD）
源地址（SA）
类型（TYPE）
数据
FCS
8B
6B
6B
2B
46~1500B
4B
IEEE802.3一般帧格式
前序（P）
帧起始定界符（SFD）
目的地址（SD）
源地址（SA）
数据长度（L）
FCS
7B
2/6B
2/6B
46~1500B
4B
EthernetII和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型，而后者定义的是2字节的长度；所幸的是，后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。
1）前序字段
前序字段由8个（EthernetII）或7个（IEEE802.3）字节的交替出现的1和0组成，设置该字段的目的是指示帧的开始并便于网络中的所有接收器均能与到达帧同步，另外，该字段本身（在EthernetII中）或与帧起始定界符一起（在IEEE802.3中）能保证各帧之间
用于错误检测和恢复操作的时间间隔不小于9.6毫秒。
帧起始定界符字段
该字段仅在IEEE802.3标准中有效，它可以被看作前序字段的延续。
实际上，该字段的组成方式继续使用前序字段中的格式，这个
一个字节的字段的前6个比特位置由交替出现的1和0构成。
该字段的最后两个比特位置是11，这两位中断了同步模式并提醒接收后面跟随的是帧数据。
当控制器将接收帧送入其缓冲器时，前序字段和帧起始定界符字段均被去除。
类似地当控制器发送帧时，它将这两个字段（如果传输的是IEEE802.3帧）或一个前序字段（如果传输的是真正的以太网帧）作为前缀加入帧中。
目的地址字段
目的地址字段确定帧的接收者。
两个字节的源地址和目的地址可用于IEEE802.3网络，而6个字节的源地址和目的地址字段既可用于EthernetII网络又可用于IEEE802.3网络。
用户可以选择两字节或六字节的目的地址字段，但对IEEE802.3设备来说，局域网中的所有工作站必须使用同样的地址结构。
目前，几乎所有的802.3网络使用6字节寻址，帧结构中包含两字节字段选项主要是用于使用16比特地址字段的早期的局域网。
源地址字段
源地址字段标识发送帧的工作站。
和目前地址字段类似，源地址字段的长度可以是两个或六个字节。
只有IEEE802.3标准支持两字节源地址并要求使用的目的地址。
EthernetII和IEEE802.3标准均支持六个字节的源地址字段。
当使用六个字节的源地址字段时，前三个字节表示由IEEE分配给厂商的地址，将烧录在每一块网络接口卡的ROM中。
而制造商通常为其每一网络接口卡分配后字节。
类型字段
两字节的类型字段仅用于EthernetII帧。
该字段用于标识数据字段中包含的高层协议，也就是说，该字段告诉接收设备如何解释数据字段。
在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存，例如：
类型字段取值为十六进制0800的帧将被识别为IP协议帧，而类型字段取值为十六进制8137的帧将被识别为IPX和SPX传输协议帧。
因此，在EthernetII的类型字段中设置相应的十六进制值提供了在局域网中支持多协议传输的机制。
在IEEE802.3标准中类型字段被替换为长度字段，因而EthernetII帧和IEEE802.3帧之间不能兼容。
长度字段
用于IEEE802.3的两字节长度字段定义了数据字段包含的字节数。
不论是在EthernetII还是IEEE 802.3标准中，从前序到FCS字段的帧长度最小必须是64字节。
最小帧长度保证有足够的传输时间用于以太网网络接口卡精确地检测冲突，这一最小时间是根据网络的最大电缆长度和帧沿电缆长度传播所要求的时间确定的。
基于最小帧长为64字节和使用六字节地址字段的要求，意味着每个数据字段的最小长度为46字节。
唯一的例外是吉比特以太网。
在1000Mbit/s的工作速率下，原来的802.3标准不可能提供足够的帧持续时间使电缆长度达到100米。
这是因为1000Mbit/s的数据率下，一个工作站在发现网段另一端出现的任何冲突之前已经处在帧传输过程中的可能性很高。
为解决这一问题，设计了将以太网最小帧长扩展为512字节的负载扩展方法。
对除了吉比特以太网之外的所有以太网版本，如果传输数据少于46个字节，应将数据字段填充至46字节。
不过，填充字符的个数不包括在长度字段值中。
同时支持以太网和IEEE802.3帧格式的网络接口卡通过这一字段的值区分这两种帧。
也就是说，因为数据字段的最大长度为1500字节，所以超过十六进制数05DC的值说明它不是长度字段（IEEE802.3）.而是类型字段（EthernetII）。
数据字段
如前所述，数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段：
如果填入该该字段的信息少于46字节，该字段的其余部分也必须进行填充。
数据字段的最大长度为1500字节。
校验序列字段
既可用于EthernetII又可用于IEE802.3标准的帧校验序列字段提供了一种错误检测机制，每一个发送器均计算一个包括了地址字段、类型/长度字段和数据字段的循环冗余校验（CRC）码。
发送器于是将计算出的CRC填入四字节的FCS字段。
虽然IEEE802.3标准必然要取代EthernetII，但由于二者的相似以及EthernetII作为IEEE802.3的基础这一事实，我们将这两者均看作以太网。
3.2.2链路聚合技术
链路聚合技术就是把两个交换机之间的多个点到点连接绑定在一起，组成一个逻辑连接的技术，如图3-2所示。
这个逻辑连接在OSI的层次模型中是属于数据链路层，对上层网络层来说，链路聚合逻辑端口与普通MAC层端口没什么两样，它们的属性一样，提供的功能也一样。
图3-2链路聚合示意图
校园网组网时，核心交换机之间的连接、核心交换机与数据服务器的连接以及核心交换机与边缘交换机的连接是整个网络最重要的连接，叫主干连接（Trunk），如图3-3所示。
主干连接具有高带宽和高可靠性等要求，显然，单一物理链路未必能提供足够的带宽和可靠性，而采用聚合技术，把多个物理链路捆绑成一条逻辑链路可以满足主干连接的要求。
图3-3链路聚合应用示意图
链路聚合具有如下特点：
高带宽。
在没有故障的情况下，链路聚合的带宽等于聚合的物理链路带宽的总和。
高可靠性。
当其中某条物理链路发生故障时，交换机自动失效该链路并停止从这条链路传送信息，同时选择其他链路继续进行传送。
主干中一条或多条物理链路失效，不会影响两台交换机的连通性，只是链路带宽随着失效链路数的增加而下降，因此链路聚合技术可以提高主干的可靠性。
负载均衡。
链路聚合技术有一个帧分发算法，可以根据各物理链路的流量有选择地进行数据包发送，使各链路的负载均衡。
实现链路聚合还有一些限制条件：
链路聚合只能在两点（交换机）之间实现；并且能够聚合在一起的链路都是同种链路，如它们的MAC属性、速率都相同等，一般一个聚合组最多只能包括8个端口，许多芯片在实现时还有其他的限制条件。
3.2.3虚拟局域网--VLAN技术
校园网采用的是基于VLAN的以太网技术，VLAN（VirtualLocalAreaNetwork）即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的技术。
通过VLAN，你可以跨越多个LAN，创建网络设备的逻辑组。
这些逻辑组可能要跨越一个或多个第2层交换机，或者是建立在交换机到交换机基础之上的。
逻辑组中可以传输广播数据。
802.1Q协议是VLAN的主要标准，即VirtualBridgedLocalAreaNetworks协议，通过在原来的以太网帧头中的源地址后增加了一个4字节的802.1Q帧头来标记VLAN。
在帧中，标记头位于目的MAC地址和源MAC地址之后（如果采用路由机制，则位于路由地址之后），它是实现数据流过滤的基础。
标记头由标记协议标识符（TagProtocolIdentifier，TPID）和标记控制信息（TagControlInformation，TCI）两部分组成，其中TPID表示本帧是个标记帧。
图3-4显示了标记头的组成。
图34标记头的组成
其中TCI由以下部分组成：
用户优先权（userpriority）（用3位表示，取值范围从0至7）表明帧的优先权。
一位令牌环封装标记（TokenRingencapsulationflag）用于指明该帧是否采用IEEE802.5令牌的帧格式。
（该标记在帧转换过程中非常重要）
VLAN标识符（VLANidentifier）（VLANId用12位表示）在帧与VLAN成员关系之间建立的关联。
网桥可以根据以上信息将帧仅转发到与特定VLANID相关的端口，能够依据优先权决定转发帧的顺序。
更重要的是，交换机会保留该标记；即使桥接仍然是点到点的，该标记中的信息仍然能够帮助帧在非路由网络中“路由”。
3.3VOIP原理
3.3.1VOIP技术概述
VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。
3.3.2VOIP传输过程
为了在一个IP网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。
最简单形式的校园网网络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成，这一设备通过一个IP网络连接。
从中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换为IP数据流，并把这些数据流转发到IP目的地，IP目的地又把它们转换回到语音信号。
两者之音的网络必须支持IP传输，且可以是IP路由器和网络链路的任意组合。
因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段，如图3-5所示。
图3-5VoIP传输的基本过程
（1）语音-数据转换
语音信号是模拟波形，通过IP方式来传输语音，不管是实时应用业务还是非实时应用业务，都要首先对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。
许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码。
典型帧长为10~30ms.考虑传输过程中的代价，语间包通常由60、120或240ms的语音数据组成。
数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有ITU
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