网络工程专业教学科研网络平台的设计研究
摘 要： 结合网络工程专业开设时间短、教学实验条件不完备、科研力量薄弱等特点，在此根据网络工程相关课程的实验教学需要，综合NGB应用环境下的多种技术，设计出一套针对网络工程专业相关课程和科研需要的实验网络平台。该平台由前端业务系统、传输系统和接入网系统3部分组成，可开展宽带网络接入系统，交互式数字电视系统和IPTV系统等方面的实验和科研工作。该系统的建立和完善，不仅有助于开展实验教学和科研项目的开发、测试等工作，还对下一步物联网平台的规划设计具有一定的参考价值。
关键字： NGB； 接入网； DVB； IPTV
中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）24⁃0032⁃03
Design of teaching and and scientific research network platform for network
engineering course
LU Quan⁃he1， FENG Li1， MIAO Fang2
（1. The 573 Station of State Press and Publication Administration of Radio， Film and Television， Beijing 102209， China；
2. College of Information Engineering， Communication University of China， Beijing 102218， China ）
Abstract： In combination with characteristics of short creation time， incomplete teaching experimental conditions， and weak scientific research of network engineering course， according to the experimental teaching demands of network engineering course， a experimental network platform was designed to meet the curriculum and scientific research needs related to network engineering course by means of variety of techniques in NGB application environment. The platform consists of the front end section of business system， transmission system and access network system， can carry out experiment and research of broadband network access systems， interactive digital TV system and IPTV system. The establishment and improvement of the system are a great help to carry out the development of experimental teaching and scientific research projects， and have a certain reference value for the planning and design of the next generation IOT platform.
Keywords： NGB； access network； DVB； IPTV
0 引 言
宽带网络作为实现信息化的重要载体，是经济社会发展的关键基础设施，也是提升国家竞争力的关键要素[1]。在三网融合、NGB、物联网的研究和应用迅速发展的背景下，信息工程学院新开设了网络工程专业。目前其他专业课程同网络专业课程一样，一方面需要一个网络平台进行教学、实验；另一方面相关科研项目的研发、测试、演示的过程中也需要网络环境的支持。
目前学院还没有比较完备的科研、教学网络平台，只有一些分散的和使用多年的设备或系统。比如涉及接入网相关的课程，只有一套ADSL教学系统。当涉及宽带网络，数字有线电视系统，广电网双向改造等教学实验时，仅是去学校的计算机网络中心进行参观，无法进行更深入的实验，这主要是因为网络中心的系统和设备不能改动和调试。在科研项目中当需要网络支持进行开发或测试时只能为每个项目临时搭建环境，利用率不高[2]。因此，设计和搭建一个能够作为日常教学和科研、测试使用的网络平台具有现实意义。
1 现状和需求
目前校内计算机网络由网络中心统一管理，采用实名制上网，端口结合账号的管理方式。校园网的核心由三台Cisco 5609交换机组成万兆光纤环状拓扑。办公区和教学区内主要采用100M以太网，家属区有部分PON光纤到户和CMTS的部署。主楼、综合楼等主要区域通过Cisco4506，5750等交换机由千兆光纤接口汇入核心网络。校内有线电视信号也是网络中心提供。网络中心的有线信号，模拟频道资源比较丰富，以及少量数字节目源。业务上只有直播节目，没有点播互动等应用。
学院目前没有专门实验网络。有一套xDSL的接入实验系统，包括6个ADSL/VDSL终端和MA5300DSLAM以及BRAS设备。涉及有线电视或交互电视类的项目多采用码流播放器、调制器等搭建测试环境。网络平台的设计主要是面向学院相关课程实验教学和相关科研项目的需求。应用电信宽带网络和广电宽带网络的较新技术，能够开展主流的业务。
目前与网络相关的科研项目主要集中在新媒体、新业态、接入技术、双向改造技术、智能家居，物联网等方面。由于学院的历史积累和定位，在骨干网方面开展的研究较少，因此骨干网络简略设计，主要是接入网和前端业务系统，将来再根据需要进行扩展[3]。
该实验网络涉及接入网主流技术包括xDSL，DOCSIS，PON，EOC，WiFi等。网络能开展的业务包括宽带网络接入，高标清电视节目直播，双向互动业务，点播时移，以及配合终端的融合通信，物联网应用等。包含DVB系统和IPTV系统。接入终端面向个人电脑，机顶盒，电视机，智能手机，平板电脑等。
2 网络平台规划与设计
网络平台按功能区域分为前端业务系统部分，传输系统和接入网系统部分。按业务系统来划分可以分为宽带网络接入系统，交互式数字电视系统和IPTV系统。
实验网络在实际系统中属于接入层到汇聚层，前端业务系统和接入网之间省略了骨干网，城域网的基础设施，以及针对互联网和流媒体业务的内容分发网络。网络出口是通过汇聚层交换机和宽带接入服务器接入校园网，校园网作为该实验网络平台的外网[4]。
2.1 前端业务平台
前端业务系统包括DVB系统和IPTV系统，信号源来自校园网有线电视信号，卫星接收机，自办节目或是科研项目需要的自备码流，并且采用全IP的组网形式。
对于数字的有线电视信号，采用RF接口卡的多路编码器，输出IP封装的MPTS/SPTS流到千兆交换机。每块接口卡能够接收一个频点的多路复用TS流。
对于模拟的有线电视信号，采用解调器输出视频信号，再用AV接口卡的多路编码器进行MPEG2编码，输出IP封装的SPTS流。每块接口卡能够接收一套模拟节目。
对于自备的码流通过码流播出卡ASI接口输出，以ASI接口卡进入多路编码器，输出IP封装的MPTS/SPTS流。
多路编码器对多种接口的视频源进行综合处理，统一成MPEG2编码的IP流，方便后续的处理。实际上起到DVBIP网关的作用。
多路编码器的输出流通过千兆交换机配置组播，同时供DVB系统和IPTV系统作为节目源。根据需要每路码流组播到IPQAM通过DVB系统进行广播。同时组播到转码服务器，由转码服务器转码为H.264或WMV9的码流，再以单播或组播的形式推送到OLT进行IPTV的直播。IPTV业务流和数据业务一起通过PON传输。根据业务系统的配置，转码后的视频节目可以存在流媒体服务器供点播业务使用。
2.2 接入网平台
接入网的设计包含主流的接入方式，包括xDSL，EPON FTTH，EPON+EOC，EPON+LAN，CMTS+CM，WiFi等。除ADSL以双绞线传输至DSLAM接入前端外，传输系统以单纤三波的EPON的方式实现，以节省PON口和光纤。IPQAM和CMTS的下行使用1 550 nm，OLT下行采用1 490 nm，经过WDM混合后通过PON网络传输至用户端光节点。实验网络光分路器采用1∶16分光即可满足一般的实验和测试需要。
接入终端选择不同配置的ONU。
对于光纤到户的接入用户端，ONU直接输出RF接口的有线电视信号到机顶盒，以太网接口供PC上网。ONU下也可以接以太网交换机或WiFi无线路由器带更多用户。
对于EOC方式，可以选择HiNOC或MOCA等几种方式，方便开展相关的实验和研究。ONU下接EOC局端设备，再经同轴电缆网络分配到EOC终端设备，供计算机接入和收看电视应用。
对于CMTS+Cable modem方式，CM的上行信号和ONU的上行信号一起使用1 310 nm波长。CM上行信号经OLT、交换机以及LMSR（Last Mile Subscriber Return）进入CMTS处理。
系统通过划分VLAN对数据业务和IPTV业务进行隔离。以划分子网隔离前端系统和传输系统以及用户。IPQAM也可以直接通过同轴电缆接机顶盒，构成不经过光传输的数字电视系统。实验网络平台的系统示意图如图1所示。
3 结 语
本文所述实验网络平台适用于网络工程相关课程的实验教学需要，综合了多种主流的接入技术，以及实现了数字电视系统和IPTV系统的主要功能。可以为计算机网络，宽带接入网，有线电视网，NGB相关应用，广电网双向改造，三网融合等相关科研项目提供基础平台。
该网络主体使用光纤接入技术，带宽设计满足NGB需要[5]。本文所设计讨论的部分为一个基础的框架，还有如交互业务系统，EPG系统，后台管理系统，认证鉴权，条件接收等功能需要进一步扩充。作为实验室的系统不太可能使用运营商的完整业务系统，可以直接购买轻量级的软件产品，也可以考虑自行开发软件来实现基本的业务功能，有助于提升自身科研和创新能力。考虑到循序渐进的原则，本文没有涉及到物联网平台的规划设计，可以在以后的平台建设规划中逐步完善。
参考文献
[1] 秦善华.基于IPTV的教学系统设计与实现[D].大庆：大庆石油学院，2007.
[2] 杨帆.应用型本科网络工程专业的课程体系建设[C]//大学计算机课程报告论坛论文集.北京：高等教育出版社，2006：107⁃111.
[3] 管莉.分布式IPTV系统及其在远程教育系统中的应用[D].郑州：郑州大学，2007.
[4] 吴怡，蔡坚勇，洪亲.论网络工程专业实践环节教学体系及改革方案[J].电气电子教学学报，2007，29（3）：87⁃92.
[5] 孙桢祥.论网络教育媒体与电视教育媒体的融合[J].电化教育研究，2005（2）：54⁃62.
[6] 杨国荣.基于流媒体技术的IPTV系统[J].现代电子技术，2009，32（21）：196⁃199.
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