研究背景
2021年10月28日，国务院下发《“十四五”节能减排综合工作方案》，明确指出：到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，能源消费总量得到合理控制。确保完成“十四五”节能减排目标，为实现碳达峰、碳中和目标奠定基础。
校园网是高校重要的信息化基础设施，涉及大量的交换机等ICT设备，需要保持24小时持续不间断运行，消耗大量的电能。目前，随着PON（无源光网络）技术的不断进步发展，国内有部分高校采用GPON、10G-PON或XGS-PON技术替换以太网技术，新建、改建和扩建校园网，表1是部分高校采用PON技术部署校园网的案例，这些案例普遍认为：相较于以太网，采用PON技术部署校园网消耗电量更少，更节能。
表1 采用PON方案部署高校校园网案例
本文阐述了采用以太网和PON方案部署校园网的网络架构，并建立了一套校园网能耗分析模型，并以厂商设备为蓝本，分析了四类典型场景、两种部署方案的设备选型，并比较研究两种部署方案中平均每个网络信息点的耗电功率。
网络架构
图1为采用以太网和XGS-PON技术部署校园网的网络架构，不难看出，两种网络架构具有很强的相似性。在以太网方案中，为提高设备的安全性、稳定性和可靠性，中心机房配置两台核心交换机，集群虚拟化部署，实现物理设备控制和转发平面合一，对外表现为一台逻辑交换机。汇聚机房配置两台汇聚交换机，堆叠组合，逻辑上虚拟成一台交换机。
图1 采用以太网和XGS-PON技术部署校园网的网络架构
接入机房配置若干台接入交换机，堆叠组合，逻辑上虚拟成一台交换机。接入机房以下，一般铺设六类网线连接网络面板、无线AP等网络信息点。为提高链路的安全性、稳定性和可靠性，CSS内核心交换机和汇聚交换机之间配置链路聚合，实现汇聚交换机的双上联、双归属保护，汇聚交换机和接入交换机之间配置链路聚合，实现接入交换机的双上联、双归属保护。
在XGS-PON方案中，为提高设备的安全性、稳定性和可靠性，中心机房配置两台核心交换机，集群虚拟化部署，实现物理设备控制和转发平面合一，对外表现为一台逻辑交换机。汇聚机房配置两台OLT，实现1+1冗余保护。接入机房配置若干台无源分光器，分光比一般为2∶16或2∶32。房间或楼道安装网络箱，箱内安装ONU设备。
接入机房至网络箱，一般铺设2芯蝶形皮线光缆。网络箱以下，一般铺设六类网线连接网络面板、无线AP等网络信息点。为提高链路的安全性、稳定性和可靠性，CSS内核心交换机和OLT之间配置链路聚合，实现OLT的双上联、双归属保护。OLT和分光器之间的主干链路配置Type B双归属保护，实现分光器双上联至OLT。
能耗分析模型
基于校园网两种部署方案的网络架构，我们建立一套校园网能耗分析模型。由于不同场景下，用户用网需求、现场条件、设备选型等方面均会存在较大差异，为简化模型、便于分析，我们将校园网划分为教学办公区有线、教学办公区无线、学生宿舍有线、学生宿舍有线+无线四类部署场景。
为了便于参照对比两种部署方案下各网络信息点的耗电量，我们重点关注两种网络架构中差异设备的能耗，即分析比较汇聚交换机/接入交换机和OLT/ONU设备的耗电量，并将总耗电量平均分摊至所有网络信息点。为简化模型，我们假设所有汇聚交换机、OLT、分光器的下联端口都满配接入对应的下联设备，所有的接入交换机、ONU、AP的下联端口都满配接入对应的网络信息点。
为验证此模型的有效性，让结果更具有代表性、可信度和说服力，我们在设备选型时均选用同一主流设备厂家，且相关产品指标参数均来源于官方公开渠道。
分析过程与结果
表2分析了在四类典型场景下，采用以太网部署校园网的设备选型和耗电功率情况。其中，在教学办公区无线、学生宿舍有线+无线场景下，AP由POE接入交换机供电，因而接入交换机已计算了AP的耗电功率，不需要额外计算AP的耗电功率。
表2 采用以太网部署校园网的设备选型和耗电功率
可以看出，在教学办公区有线、教学办公区无线、学生宿舍有线、学生宿舍有线+无线场景下，采用以太网部署校园网，平均每个网络信息点的耗电功率分别为1.33W、18.58W、1.33W、3.72W，其中汇聚交换机耗电功率占比分别为18.94%、2.72%、18.94%、2.72%，接入交换机耗电功率占比分别为81.06%、97.28%、81.06%、97.28%。由此可见，在以太网方案中，网络信息点耗电主体是接入交换机。
表3 采用XGS-PON部署校园网的设备选型和耗电功率
表3分析了在四类典型场景下，采用XGS-PON部署校园网的设备选型和耗电功率情况。其中，OLT的业务板采用16端口10GPON板H902XSHFE，在教学办公区无线场景下，AP由支持POE的ONU供电，因而ONU已计算了AP的耗电功率，不需要额外计算AP的耗电功率。
可以看出，采用XGS-PON部署校园网，教学办公区有线、教学办公区无线、学生宿舍有线、学生宿舍有线+无线场景下，平均每个网络信息点的耗电功率分别为1.05W、18.69W、1.03W、4.36W，其中OLT耗电功率占比分别为4.64%、0.13%、2.68%、1.01%，ONU耗电功率占比分别为95.36%、99.87%、97.32%、98.99%。由此可见，网络信息点耗电功率的主体是ONU。
图2 以太网和XGS-PON方案部署校园网平均每网络信息点的耗电功率对比
图2是四类典型场景下，采用以太网和XGS-PON方案部署校园网时，平均每个网络信息点的耗电功率对比情况。在教学办公区有线、教学办公区无线、学生宿舍有线、学生宿舍有线+无线场景下，每个网络信息点的耗电功率，XGS-PON方案依次是以太网的0.79倍、1.01倍、0.77倍、1.17倍。
因此，在教学办公区有线和学生宿舍有线两类场景下，采用XGS-PON部署校园网，相较于以太网，消耗更低的电能，节约20%左右的耗电功率，更节能。在教学办公区无线场景下，两方案消耗电能大体相当。在学生宿舍有线+无线两类场景下，采用XGS-PON部署校园网，耗电功率是以太网方案的1.17倍左右，相比之下，以太网方案消耗更低的电能，更节能。
结论
本文基于以太网和XGS-PON部署校园网的网络架构，建立了一套校园网能耗分析模型，并以厂家设备为蓝本，验证了此模型的有效性。研究发现，在教学办公区有线、教学办公区无线、学生宿舍有线、学生宿舍有线+无线场景下，每个网络信息点的消耗功率，XGS-PON方案依次是以太网的0.79倍、1.01倍、0.77倍、1.17倍。
因此，在纯有线场景下，XGS-PON方案比以太网方案节约20%耗电功率，XGS-PON方案更节能。在教学办公区无线场景下，两方案消耗电能大体相当。在学生宿舍有线+无线两类场景下，以太网方案消耗更低的电能，更节能。这为校园网部署方案选择提供了重要的参考依据。
参考文献
[1]刘勇,钱鑫,徐晓红.南京航空航天大学：向校园全光网演进[J].中国教育网络,2021,(09):54-56.
[2]倪萍.新一代校园网网络建设与实践——以某工程职业技术学院全光网覆盖方案为例[J].中国宽带,2022(1):85-86.
[3]李可.中南财大:将全光网建设纳入十四五规划[J].中国教育网络,2021(12):26-28.
[4]深圳大学:基于GPON构建校园全光网[J].中国教育网络,2021(1):71-72.
作者：黄清海（浙江音乐学院）
责编：陈荣