previous up next index search
Previous: 4.1.1.5 Алгоритмы и применения сетей P2P    UP: 4.1.1 Ethernet (IEEE 802.3)
    Next: 4.1.1.7 Сетевая технология OpenFlow (SDN)

4.1.1.6 Пассивные оптические сети (PON/EPON/GEPON)

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Доступ к сети Ethernet PON
Принципы работы
Протокол управления многоточечным обменом MPCP
Соответствие EPON-архитектуры требованиям 802
Эмуляция системы точка-точка
Эмуляция совместного использования среды (SME)
Комбинирование режимов PtPE и SME
Приложения

1. Ethernet PON (EPON)

Обзор подготовлен по инициативе Прохорова Сергея Александровича из Санкт-Петербурга, им же были присланы основные ссылки на исходные материалы.

Быстродействие Ethernet достигло 10 Гбит/c (смотри рис. 1), но проблема подключения индивидуальных пользователей к сервис-провайдеру остается нерешенной проблемой (задача последней мили). Информационный трафик же растет почти в десять раз ежегодно. Технология пассивных оптических сетей PON призвана снять с повестки дня эту проблему (стандарт IEEE 802.3ah). Оптическое волокно может обеспечить широкополосную доставку голоса, данных и видео на расстояние до 20 км и более. К сожалению сети, о которых идет речь в данном обзоре, относятся к уровню L1, и по этой причине не следует ожидать появления их описаний в общедоступных документах RFC.

Рис. 1. Эволюция Ethernet [1]

Пассивные оптические сети предназначены для организации оптических сетей по схеме точка-мультиточка без каких-либо активных элементов между отправителем и получателем. Здесь могут использоваться только оптические смесители и разветвители. Гига-Ethernet PON называются GEPON.

Основные характеристики разрабатываемого стандарта IEEE 802.3ah [1].

WDM мультиплексирование с частотным планом:

Возможно использование коррекции ошибок FEC для увеличения числа узлов, подключенных к одному фидерному волокну.

Интерфейсы для сети PON:

Радиус сети (максимальное допустимое расстояние от OLT до ONT):

Начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX), когда прием сигнала на физическом уровне стал синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали межкадровый интервал (12 байтов) и большая преамбула кадра (8 байтов).

PON представляет собой архитектуру оптического доступа, которая облегчает широкополосные коммуникации (голос, данные и видео) между оптическим терминалом OLT (Optical Line Terminal) и различными удаленными оптическими сетевыми устройствами ONU (Optical Network Units) в пределах пассивной оптической сети. По определению, PON не содержит в себе активных устройств с оптико-электрическим преобразованием сигналов. Вместо этого, системы PON используют для передачи данных пассивные оптоволоконные смесители или разветвители. Напротив, активные оптические сети AON (Active Optical Network), такие как Sonet/SDH, требуют преобразование оптического сигнала в электрический и наоборот в каждом из узлов. PON может объединять трафик от 32 ONU и передавать его центральному модулю CO (Сentral Office), используя архитектуру типа дерева, шины или кольца.

Подобно SONET/SDH, PON работает на первом уровне транспортной технологии (L1). До настоящего времени, в большинстве оптоволоконных системах использовались стандарты SONET/SDH. Эти, как правило, кольцевые структуры предполагают регенерацию сигнала в каждом узле. Они оптимизированы для передачи данных на большие расстояния в городских и региональных сетях, но это не лучший выбор для сетей локального доступа.

PON предлагает экономное решение - "оптическое сборное кольцо" для городских протяженных инфраструктур SONET/SDH. PON обеспечивает низкие начальные издержки, так как оптический сигнал передается до самого входа клиента (subscriber). Число ONU может увеличиваться по мере необходимости, тогда как активные сети требуют инсталляции всех узлов, так как они выполняют функции регенераторов сигналов (смотри рис. 2).

Чтобы еще больше сократить издержки, можно добавить мультиплексирование по длине волны (WDM). Ведь узлы PON не являются узлами опорной сети. При использовании же WDM в кольце SONET/SDH, мультиплексирование/демультиплексирование необходимо, чтобы обойти каждый из узлов.

PON является эффективным решением для рассылки видео данных, благодаря своей топологии точка-мультиточка. Широковещательное видео, аналоговое или цифровое, просто добавляется в поток с разделением по времени (TDM).

В отличие от SONET/SDH, PON может быть и асимметричным. Например, PON может широковещательно рассылать поток OC-12 [622 Мбит/с] адресатам и принимать на вход поток OC-3 [155 Мбит/с]. Асимметричная локальная схема позволяет применять дешевые ONU, которые используют менее дорогостоящие трансиверы. Сети SONET/SDH, однако, являются симметричными. Таким образом, в кольце OC-12 SONET/SDH, все канальные карты должны иметь интерфейс OC-12.

Для локальных приложений PON может быть более устойчивым к ошибкам, чем SONET/SDH. Узел PON не является узлом сети, поэтому отключение питания не окажет воздействия на другие узлы. Это не так в случае SONET/SDH, где каждый узел выполняет регенерацию сигнала. Допустимость отключения узла от питания без утраты сетевой связности является крайне важным, так как телефонные компании не могут гарантировать резервного питания для всех удаленных терминалов.

Рис. 2. Сопоставление сети Sonet и PON [4]

Архитектура PON использует TMD-мультиплексирование в области между ONU (Optical Network Unit) и OLT (Optical Line Terminal) терминалом.

На рис. 3 показаны форматы пакетов сети PON. Практически они являются стандартными пакетами Ethernet со специфическим мультикаст-адресом места назначения и кодом Ethertype.

Рис. 3. Формат пакетов PON [3]

Коды мултикаст-адреса назначения (0180C20002) и EtherType определяют, что это кадр медленного протокола. Стандарт 802.3 определяет несколько медленных протоколов; одним из них является LACP (Link Aggregation Control Protocol) [2]. Протоколы задаются кодом подтипа протокола, значение 3 выделено для OAM (Operations Administration and Maintenance). Использование протокольного МАС-адреса гарантирует корректную интерпретацию OAMPDU (PDU - поля данных) подуровнем MAC. Большая часть информации OAMPDU передается в формате TLV (type-length-value). Первый октет (или байт) указывает на тип данных. Этот код в программах обозначается переменной и определяет в клиенте OAM то, как следует декодировать данные. Следующий октет содержит длину информации. Этот код обычно используется, чтобы обойти массив данных, когда тип этой информации не может быть интерпретирован клиентом OAM. Последующие октеты представляют собственно информацию.

Рис. 4. Более детальное описание полей кадров [1]

В некотором смысле, начиная со стандарта дуплексного (full duplex) Ethernet IEEE 802.3X, ограничение на минимальную длину кадра 64 байта устарело. А начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX), когда прием сигнала на физическом уровне стал синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали межкадровый интервал (12 байтов) и большая преамбула кадра (8 байтов). Технология EPON использует высвободившийся ресурс. При передаче кадров Ethernet через сеть EPON не происходит их фрагментации. Но это не означает, что не происходит вообще никаких изменений. Преамбула стандартного кадра Ethernet, рис. 4а, модифицируется добавлением нескольких служебных полей, рис. 4б:

При выходе кадра из сети EPON преамбула кадра преобразуется к стандартному виду – тег ликвидируется. Например, в прямом потоке OLT модифицирует преамбулу каждого входящего в PON кадра 802.3, в частности, в преамбулу добавляется специальный тег LLID. Этот тег извлекается соответствующим подуровнем на ONT, где происходит восстановление преамбулы. Узел ONT в нормальном режиме работы, т.е. когда уже зарегистрирован, обрабатывает только те кадры, в преамбуле которых идентификатор LLID совпадает с собственным LLID. Остальные поля кадра EPON совпадают с полями стандартного кадра Ethernet:

На рис. 5 показано взаимодействие субуровней сетей PON.

Рис. 5. Взаимодействие субуровней PON [3]

Возможные практические схемы подключения клиентов к сети показаны на рис. 6. (см. Ethernet Passive Optical Network (EPON)); большая часть рисунков в данной статье заимствована из этих материалов.

Рис. 6. Схемы подключения клиентов к сети [4]

На этих схемах предполагается, что существует N клиентов на расстоянии L км от центральной станции. В варианте (a) при использовании метода подключения точка-точка нужно 2N трансиверов и N*L метров волокна (в предположении, что волокно служит для передачи данных в двух направлениях; на самом деле для передачи в том и другом направлениях обычно используются разные волокна).

Чтобы уменьшить суммарную длину волокон, можно использовать концентратор в непосредственной близости от клиентов. Это доведет суммарную длину волокна до L км (если пренебречь длиной кабелей от концентратора до клиентов), но это потребует увеличения числа трансиверов до 2N+2, так как в сети появится еще один канал связи (см. рис. 6b). Здесь нужно также обеспечить бесперебойное питание для концентратора. На схеме 6с концентратор заменен пассивным оптическим разветвителем. В этом варианте нужно только N + 1 трансиверов и L км волокна.

Следует учесть, что пассивное разветвление светового потока приводит к соответствующему падению мощности светового сигнала. Для идеального соединителя 2x2, падение мощности составит 3 дБ. Несовершенство сочленений дает дополнительные потери света, которые могут составлять от 0,1 до 1,0 дБ. Схема 4-каскадного объединителя, представленного на рис. 7, обеспечит доставку клиенту лишь 1/16 входного светового потока. Соответственно потребуется в 16 раз большая выходная мощность передающего лазера.

Рис. 7. Схема 4-каскадного оптического соединителя

Объединители только с одним входом называются разветвителями (splitter), с одним выходом - смесителями (combiner). Различные возможные топологии построения сети представлены на рис. 8.


(a) Дерево

(b) Кольцо

(c) Шина

(d) Дерево с избыточностью

Рис. 8. Возможные топологии построения сети PON

Все передачи в PON осуществляются между OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit) (рис. 2). OLT размещается в CO и соединяет оптическую сеть доступа с городской региональной сетью (MAN) или с WAN (Интернет). ONU размещается либо на стороне пользователя (FTTH - Fiber To The Home и FTTB - Fiber to The Building), либо в зоне разветвления (архитектура FTTC - Fiber To The Curb).

К преимуществам сетей PON можно отнести:

Одним из способов разделения каналов upstream ONU является мультиплексирование по длине волны (WDM), где каждый ONU работает на своей длине волны. Хотя это достаточно простое решение (с теоретической точки зрения), фактически оно нереализуемо из соображений себестоимости. WDM-вариант потребовал бы либо настраиваемого приемника, либо набора приемников в OLT, чтобы обслуживать несколько каналов. Еще более серьезная проблема возникает для сетевых операторов ONU: вместо данных о типе ONU, ему будет нужно знать, с какими длинами волн работает каждый из ONU. Каждый ONU будет должен использовать узкую и управляемую полосу и, как следствие, станет более дорогим. Для неквалифицированного пользователя будет тяжело заменить неисправный ONU, так как модуль с неправильной длиной волны может интерферировать с другим ONU в PON. Использование перенастраиваемого лазера в ONU может решить проблему замены модулей, но это решение слишком дорого для нынешнего уровня развития технологии. По эти причинам сети WDM PON не являются сегодня привлекательными.

В сетях доступа большая часть трафика распространяется вниз по течению (downstream - из сети к пользователю) и вверх по течению (upstream - от пользователя в сеть), а не по схеме пользователь-пользователь (peer-to-peer). Таким образом, представляется разумным разделение downstream и upstream каналов. Простое разделение каналов может быть основано на пространственном разделении SDM (Space Division Multiplexing), где для передачи в каждом из направлений используются разные PON. Чтобы сэкономить на волокне и уменьшить издержки возможных ремонтов, можно применить одно волокно для обменов в обоих направлениях. В этом случае используются две длины волны: обычно 1310 нм (λ1) для передачи upstream и 1550 нм (λ2) для передачи downstream (рис. 9). Пропускная способность каждого из каналов может задаваться независимо.

Рис. 9. PON с одним волокном [4]

Разделение по времени оказывается предпочтительным для оптических каналов, так как позволяет использовать в OLT одну длину волны, например 1310 нм, и один трансивер, что снижает стоимость этого варианта.

Из-за различия расстояний между CO и ONU, ослабление оптического сигнала в PON оказывается для ONU разным. Уровень сигнала, приходящего на вход OLT будет разным для каждого временного домена.

В качестве альтернативы можно разрешить ONU регулировать его трансиверу уровень передаваемой мощности, так, что уровень сигнала на входе OLT от всех ONU будут идентичными. Этот метод не слишком привлекателен для разработчиков трансиверов, так как это делает оборудование ONU более сложным, требует специального протокола для обеспечения обратной связи со стороны OLT для каждого ONU, и что особенно важно, ухудшит рабочие характеристики всех ONU до уровня наиболее удаленного устройства.

Другой проблемой является то, что мало запретить ONU отправку данных. Дело в том, что даже в отсутствии данных лазеры генерируют шумовой сигнал. Эмиссионный шум от нескольких ONU, размещенных вблизи OLT, может легко исказить сигнал от удаленного ONU. Таким образом, ONU должен отключать свой лазер в паузах между его временными доменами. Так как лазеры охлаждаются при отключении, их следует прогревать при включении, выходная мощность лазера может флуктуировать в начале передачи. Важно, чтобы лазер мог быстро стабилизировать свои характеристики после включения.

2. Доступ к сети Ethernet PON (EPON)

Ethernet PON (EPON) является сетью, базирующейся на PON, которая транспортирует данные, инкапсулированные в Ethernet-кадры (определено стандартом IEEE 802.3). При этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных).

Применение пассивных оптических сетей рассматривалось в качестве технологии сетей доступа задолго до широкого внедрения Интернет. Рекомендации ITU G.983 для FSAN (Full Service Access Network) определяют оптический доступ типа PON для сетей, где на уровне L2 применяется ATM. В 1995, когда стартовала инициатива FSAN, на ATM возлагались большие надежды. Предполагалось, что этот стандарт станет основой технологии локальных сетей, MAN и опорных сетей. Однако с тех пор технология Ethernet обошла ATM. Ethernet стала универсальным сетевым стандартом, в мире используется более 320 миллионов интерфейсов (цифра сильно занижена) [4]. Быстрый гигабитный Ethernet используется все шире, стало доступным оборудование и 10-гигабитного Ethernet. Сейчас очевидно, что Ethernet стал наиболее широко используемой технологией для MAN и WAN. Учитывая, что 95% LAN используют Ethernet, становится понятно, что ATM PON не может конкурировать в качестве средства соединения двух сетей Ethernet.

С другой стороны, Ethernet представляется вполне логичным выбором для сети, ориентированной на IP-доступ. После внедрения новых технологий гарантии качества обслуживания (QoS) Ethernet стала сетью, способной поддерживать передачу данных, голоса и видео. Эти технологии включают в себя режим полнодуплексного обмена, это, прежде всего (P802.1p), и виртуальных локальных сетей (VLAN; P802.1Q). Ethernet является недорогой технологией, которая является вездесущей с большим разнообразием доступного оборудования.

3. Принцип работы

Стандарт IEEE 802.3 определяет две базовые конфигурации для сети Ethernet. В одной конфигурации используется алгоритм доступа CSMA/СD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В другой конфигурации станции подключаются к сети с помощью переключателя. При этом подключении используется полнодуплексное соединение точка-точка. Особенностью EPON является то, что здесь используется комбинация общей сетевой среды и сети, построенной по схеме точка-точка.

EPON является оптической сетью, работающей по схеме точка-мультиточка (PtMP) без активных элементов на пути от отправителя до получателя. Единственными устройствами, которые используются в EPON, являются пассивные оптические компоненты, такие как оптические волокна, разъемы и разветвители. Архитектура EPON минимизирует издержки за счет сокращения числа оптических трансиверов, терминалов центра управления и уменьшения длины волокон.

Все обмены в EPON осуществляются между OLT и ONU (рис. 2). ONU выполняет функции либо отдельного клиента (волокно-до-дома), либо множественного клиента (см. рис.6). В направлении downstream, EPON является широковещательной средой; пакеты Ethernet передаются с помощью OLT через пассивные разветвители 1:N или через каскад разветвителей и поступают к ONU. ONU отбирает пакеты, адресованные его пользователям, и отбрасывает все остальные (рис. 10).

В направлении вниз по течению (CO -> клиент), кадры Ethernet передаются OLT в ONU через 1:N пассивных разветвителей. N обычно лежит между 4 и 64. Так как Ethernet является широковещательным по своей природе, в направлении вниз по течению (от сети к клиенту), он идеально подходит для работы в рамках PON: пакеты передаются широковещательно OLT и воспринимаются в ONU места назначения в соответствии с МАС-адресом (рис. 10).

Рис. 10. Трафик от СО к клиентам (вниз по течению) [4]

В направлении upstream, из-за свойств направленности пассивного оптического объединителя, информационные кадры от любого ONU попадут на вход OLT, а не других ONU. В этом смысле, в направлении upstream, поведение EPON сходно с архитектурой точка-точка. Однако, в отличие от настоящих сетей точка-точка, в EPON информационные кадры от разных ONU, передаваемые одновременно, могут сталкиваться. Таким образом, в направлении upstream (от пользователя в сеть) ONU нужен некоторый механизм арбитража, чтобы исключить случаи столкновений.

Механизм конкуренции при доступе к сетевой среде (нечто сходное с CSMA/CD) достаточно трудно реализовать, так как ONU не могут детектировать столкновения в OLT (из-за свойств направленности оптических разветвителей/смесителей). OLT может детектировать столкновение и информировать ONU путем посылки сигнала jam; однако, задержки распространения в PON, где длины каналов могут превосходить 20 км, способны существенно уменьшить эффективность такой схемы. Схема арбитража имеет также недостаток неопределенности сервиса, т.e., пропускная способность и использование канала могут характеризоваться только статистическими средними параметрами. Не существует гарантии того, что узел получит доступ к сетевой среде в течение какого-то малого интервала времени. Это не является серьезной проблемой для сети предприятия, базирующейся на алгоритме CSMA/CD, где связи коротки. Сети доступа клиентов, однако, кроме данных должны быть способны передавать голос и видео, что требует определенных ограничений на задержки доставки.

На рис. 11 показана схема транспортировки данных от клиента к СО в рамках EPON.

Рис. 11. Трафик от клиентов к СО [4]

Все ONU синхронизируются от общего времязадающего источника и каждому ONU выделяется определенный временной домен. Каждый домен может использоваться для передачи нескольких кадров Ethernet. ONU должен буферизовать полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его временной домен. Когда приходит его временной домен, ONU передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, которая должна соответствовать одному из стандартов Ethernet (10/100/1000/10000 Мбит/с). Если в буфере нет кадров, чтобы заполнить весь домен, передаются пустые 10-битовые символы. Возможны различные схемы выделения временных доменов, начиная от статических TDMA(Time-Division Multiple Access), до динамических, учитывающих мгновенное значение размера очереди в каждом ONU (схема статистического мультиплексирования). Возможны и другие схемы выделения временных доменов, включая схемы, использующие значение приоритета трафика, качество обслуживания QoS (Quality of Service), соглашения об уровнях обслуживания SLA (Service-Level Agreement) и т.д.

Возможна децентрализованная схема динамического предоставления временных доменов, в которой ONU решают, когда следует посылать данные и как долго это должно продолжаться. Эти схемы в какой-то мере напоминают маркерный подход, за исключение того, что здесь используется пассивное кольцо. В такой схеме каждый ONU, прежде чем передавать данные, посылает специальное сообщение, уведомляющее о числе байт, которые нужно переслать. ONU, который должен передавать, (например, при карусельном алгоритме) будет мониторировать передачу предшествующего ONU и начнет свою передачу так, чтобы кадр пришел в OLT сразу после завершения передачи предшествующего ONU. Таким образом, предотвращаются столкновения и потери полосы канала. Однако, эта схема имеет существенное ограничение: она требует коннективности между ONU. Это налагает некоторые ограничения на топологию PON; в частности, сеть должна быть выполнена в виде кольца или широковещательной звезды. Это требование нежелательно, так как (a) может потребоваться большая длина волокон, или (b) волокна могут быть уже уложены по другой схеме. Вообще, предпочтительный алгоритм должен поддерживать любую топологию PON точка-мультиточка.

В оптических сетях доступа, мы можем учитывать только коннективность OLT с каждым ONU (downstream трафик) и каждого ONU с OLT (upstream трафик). Это верно для всех топологий PON. Следовательно, OLT является единственным устройством, которое может осуществлять арбитраж для доступа к каналу с разделением по времени.

Проблема схемы динамического арбитража, базирующейся на OLT, заключается в том факте, что OLT не знает, сколько байт буферизовал каждый ONU. Импульсивность информационного трафика мешает предсказанию уровня заполнения буфера с приемлемой точностью. Если OLT нужно осуществить присвоение временного домена, он должен знать точно состояние данного ONU. Одним из решений может быть использование схемы, базирующейся на обмене сообщениями Grant и Request. Запросы (Requests) посылаются ONU, чтобы сообщить об изменении состояния ONU, например, объема буферизованных данных. OLT обрабатывает все запросы и присваивает разные временные домены для ONU. Уведомления о присвоении доменов доставляется ONU с помощью сообщений Grant.

Преимущество централизованного принятия решения о присвоении временных доменов связано с тем, что OLT знает состояние всей сети и может перейти на другой алгоритм, если это требуется; ONU не нужно мониторировать состояние сети или согласовывать какие-либо параметры. Это делает ONU проще и дешевле, а сеть в целом надежнее.

4. Протокол управления многоточечным обменом (MPCP)

Для поддержки присвоения временных доменов с помощью OLT, группой IEEE 802.3ah был разработан протокол MPCP (Multi-point Control Protocol). Этот протокол базируется на двух сообщениях Ethernet: GATE и REPORT. Сообщение GATE посылается от OLT к ONU и используется для присвоения временного домена. Сообщение REPORT используется ONU для информирования OLT о своем состоянии (заполненность буфера и т.д.), чтобы помочь ему принять правильное решение о выделении временного домена. Как GATE, так и REPORT-сообщения являются кадрами управления MAC (тип 88-08).

Существует два режима работы MPCP: автодетектирование (инициализация) и обычная работа. Режим автодетектирования используется для детектирования вновь подключенных ONU и определения RTT и MAC-адреса этого ONU, плюс, может быть, дополнительных параметров, которые нужно знать. Нормальный режим используется для присвоения временных доменов всем инициализируемым ONU.

Так как в инициализации могут нуждаться более одного ONU одновременно, автодетектирование является процедурой, предполагающей конкуренцию. На верхнем уровне это осуществляется следующим образом:

  1. OLT выделяет стартовый временной домен, интервал времени, когда неинициализированному ONU разрешено осуществить передачу. Длительность этого домена инициализации должна быть, по крайней мере, равна <transmission size> + <maximum round-trip time> - <minimum round-trip time>, где <transmission size> равно размеру окна передачи (transmission window), которое инициализируемое ONU может использовать.
  2. OLT посылает инициализирующее сообщение GATE, которое уведомляет о начале инициализационного временного домена и о его протяженности. При передаче этого сообщения на более высокий протокольный МАС-уровень, MPCP присвоит ему временную метку, сопряженную с его локальным временем.
  3. Только неинициализированные ONU откликнутся на сообщение инициализации GATE. По получении инициализационного сообщения GATE, ONU установит местное время в соответствии с полученной c GATE временной меткой.
  4. Когда локальные часы, размещенные в ONU указывают на начало времени инициализации, ONU передаст свое сообщение (REPORT инициализации). Сообщение REPORT будет содержать адрес ONU и временную метку, характеризующую местное время ONU, когда было послано сообщение REPORT.
  5. Когда OLT получает REPORT от неинициированного ONU, он определяет его MAC-адрес и RTT. Как показано на рис. 12, RTT для ONU равно разности времен получения сообщения REPORT, полученного OLT и временной метки, содержащейся в REPORT.
  6. Рис. 12. Измерение RTT [4]

    Так как несколько неинициализированных ONU могут откликнуться на одно и то же сообщение GATE, сообщения REPORT могут сталкиваться. В этом случае ONU, чьи REPORT столкнулись не получат временного домена. Если ONU не получит временной домен в пределах интервала таймаута, он будет знать, что произошло столкновение, и попытается повторить инициализацию, пропустив случайное число инициализационных сообщений GATE. При повторных столкновениях псевдослучайная выдержка удваивается.

    Сообщение GATE передает ONU до 4 доменов передачи (grants). В случае, когда ONU имеет более одной заполненной очереди, он может решать сам, как распределять ресурсы между очередями. Сообщение REPORT передает OLT состояние до 8 очередей. Каждая очередь может объявлять (в сообщениях Report) о нескольких порогах, так что OLT может выделить ресурс буфера, базируясь на одном из этих порогов, избегая таким образом потерь полосы из-за недоиспользования ресурса домена. Число порогов, которые могут быть переданы в сообщении REPORT, зависит от того, сколько очередей декларируется. Установлен предел в 64 байта для сообщения REPORT. ONU, который анонсирует 8 очередей может иметь до 2 порогов на очередь. Если для ONU доступна только одна очередь, может анонсироваться до 13 порогов. Формат сообщений Gate и Report представлен на рисунках 13а и 13б.

    Рис. 13a. Формат сообщения Gate [8]

    Рис. 13б. Формат сообщения Report [8]

    Ниже показана нормальная работа протокола MPCP. Важно заметить, что MPCP не связан ни с какой конкретной схемой выделения полосы пропускания; он является протоколом, который обеспечивает транспортировку таких решений от OLT к ONU.

    1. От вышерасаположенного уровня (клиент управления MAC), MPCP получает запрос для передачи сообщения GATE соответствующему ONU со следующей информацией: время, когда ONU должен начать передачу и длительность этой передачи (рис. 14).

    2. MPCP уровень (в OLT и каждом ONU) поддерживает работу часов. После передачи сообщения GATE от более высокого уровня к MAC, MPCP формирует временную метку на основе показания своих часов.
    3. После получения сообщения GATE с MAC-адресом, соответствующим ONU (GATE-сообщения являются уникастными), ONU запрограммирует локальные регистры на заданное время начала и длительности передачи. ONU также проверит, соответствует ли время прихода сообщения GATE временной метке, содержащейся в сообщении. Если разница значений превышает некоторый заранее установленный порог, ONU предполагает, что утрачена синхронизация, и перейдет в неинициализированный режим. В этом режиме ONU запрещено осуществлять передачу. Он будет мониторировать входящий трафик, ожидая следующего инициализационного сообщения GATE.
    4. Если время получения сообщения GATE соответствует значению временной метки, содержащейся в сообщении GATE, ONU поправит свои часы согласно полученной временной метке. Когда показания локальных часов достигнет значения ‘начало передачи’, ONU начнет передачу. Этот процесс может включать в себя пересылку нескольких кадров Ethernet. ONU гарантирует, что кадры не будут фрагментированы. Если очередной кадр уже не укладывается в оставшееся время домена передачи, пересылка кадра будет отложена до наступления очередного временного домена.

    Рис. 14. MPCP – работа GATE [4]

    Сообщения REPORT посылаются ONU в рамках выделенного окна вместе с информационными кадрами. Сообщения REPORT могут быть посланы автоматически или по запросу. Сообщение REPORT генерируется на уровне клиента MAC-управления и по времени привязаны к MAC управлению (рис. 15). Обычно, REPORT должен содержать желательный размер следующего временного домена, что привязывается к уровню заполнения буфера ONU. При запросе временного домена ONU должен учитывать дополнительную избыточность, в частности 64-битовую преамбулу кадра и 96-бит IFG (Inter-frame Gap), сопряженные с каждым кадром.

    Когда в OLT приходит сообщение REPORT с временной меткой, оно передается уровню MAC-управления, ответственному за выделение полосы пропускания. Кроме того, OLT вычисляет заново RTT для отправителя ONU как это показано на рис. 12. Небольшое отклонение нового значения RTT от предыдущего может быть связано с температурной вариацией коэффициента преломления волокна. Большое отклонение должно вызывать серьезное беспокойство, так как это может быть связано с нарушение синхронизации и должно блокировать дальнейшую передачу, до тех пор, пока не будет снова проведена инициализация данного ONU.

    Рис. 15. MPCP – работа REPORT [4]

    5. Соответствие EPON архитектуре 802

    Архитектура IEEE 802 определяет два типа среды: совместно используемая сетевая среда и полнодуплексный обмен. В совместно используемой среде все станции подключены к одному домену доступа, где одновременно может передавать только одна станция, но все станции могут принимать данные в любое время. Полнодуплексный сегмент представляет собой соединение двух станций (или станции и моста) по схеме точка-точка, так что обе станции могут осуществлять прием и передачу одновременно. Следствием приведенных определений является то, что мост никогда не переадресует кадры назад на входной порт. Другими словами, предполагается, что все станции, подключеные к одному и тому же порту могут обмениваться данными друг с другом без помощи моста. Такое поведение моста приводит к интересной проблеме: пользователи, подключенные к разным ONU одной сети PON не могут обмениваться данными между собой без использования сетевого уровня (L3) или выше. При этом возникает проблема совместимости с архитектурой IEEE 802, в частности с мостами P802.1D.

    Чтобы обойти эту трудность и обеспечить интеграцию с сетями Ethernet, устройства, подключенные к среде EPON, должны иметь дополнительный субуровень, который эмулирует совместно используемую среду или схему точка-точка. Этот субуровень называется SME (Shared-Medium Emulation) или субуровень PtPE (Point-to-Point Emulation). Этот субуровень должен размещаться ниже уровня MAC, чтобы сохранить возможность реализации существующих Ethernet MAC-операций, определенных в стандарте IEEE P802.3. Работа эмуляционного уровня базируется на метках кадров Ethernet. Эти метки уникальны для каждого ONU (рис. 16). Такие метки называются “ID канала” и помещаются в преамбулу перед началом каждого кадра.

    Рис. 16. Преамбула кадра [4]

    Чтобы гарантировать уникальность идентификаторов каналов, каждому ONU присваивается один или более маркеров. Эта операция выполняется OLT на фазе начальной регистрации.

    6. Эмуляция схемы точка-точка (PtPE)

    В режиме эмуляции PtP, OLT должен иметь N MAC-портов (интерфейсов), по одному на каждый ONU (рис. 17). При посылке кадра вниз по течению (от OLT к ONU), субуровень PtPE в OLT вставит ID-канала, сопряженный с определенным MAC-портом, через который кадр доставлен (рис. 17.a). Даже в этом случае кадр будет доставлен каждому ONU, только один субуровень PtPE будет соответствовать ID-канала (записанному в кадре) значению, ассоциированному с ONU. Этот ONU примет этот кадр и передаст его на свой MAC-уровень для дальнейшей верификации. MAC-уровни всех остальных ONU никогда не увидят этот кадр. Все выглядит так, как будто кадр был послан по схеме P2P только одному ONU.


    (a) Передача данных downstream

    Рис. 17. Эмуляция режима P2P [4]

    В направлении upstream, ONU будет включать свой ID канала в преамбулу каждого передаваемого кадра. Субуровень PtPE в OLT будет демультиплексировать кадры в соответствующие MAC-порты, на основе уникальных значений ID-канала (рис. 17.b).

    Рис. 18. Передача данных через мост при эмуляции p2p [4]

    Очевидно, что конфигурация PtPE совместима с логикой работы моста, так как каждый ONU подключен к независимому порту моста. Мост, встроенный в OLT (рис. 17), будет передавать трафик между ONU через свои порты.

    7. Эмуляция совместно используемой среды (SME)

    При эмуляции совместно используемой среды, кадры, передаваемые любым узлом (OLT или любым ONU), могут быть получены любым узлом (OLT любым ONU). В направлении downstream, OLT вставит “широковещательный” ID-канала, который будет воспринят каждым ONU (рис. 17.a). Чтобы гарантировать работу в режиме совместного использования среды (SME) для данных, передаваемых вверх по течению, (кадры, посланные ONU), субуровень SME в OLT должен переадресовать все кадры назад downstream, чтобы они были получены всеми остальными ONU (рис. 17.b). Чтобы избежать дупликации кадров, когда ONU получает свой собственный кадр, субуровень SME в ONU воспринимает кадры, если их ID-канала отличается от ID-канала, присвоенному этому ONU.


    (a) Передача данных downstream


    (b) Передача данных upstream

    Рис. 19. Эмуляция совместного использования среды (SME) [4]

    8. Комбинирование режимов PtPE и SME

    В то время как PtPE, так и SME могут решить проблему передачи данных для стандартов P802.1, каждый из них имеет свои недостатки. Режим PtPE препятствует возможности иметь только одну копию кадра при мультикастинге/бродкастинге, когда OLT посылает кадр, достигающий нескольких ONU. Эта особенность очень важна для сервисов типа видео-бродкаст или бродкаст реального времени. Чтобы поддерживать эти сервисы, OLT, работающая в режиме PtPE, должна дублировать широковещательные пакеты, каждый раз с разными ID-канала.

    Эмуляция совместно используемой среды, с другой стороны, обеспечивает возможности мультикастинга/бродкастинга. Однако, так как каждый кадр upstream переадресуется downstream, тратится заметная часть полосы downstream.

    Чтобы оптимизировать работу, можно использовать PON с P2P и SME-эмуляцией одновременно. В такой конфигурации в EPON с N ONU, OLT будет содержать N+1 MAC: по одному на каждый ONU (PtPE) и один для бродкастинга (рис. 20). Каждый ONU должен иметь два MAC: один для совместно используемой среды (SM) и один для эмуляции канала P2P. Для оптимального разделения трафика, более высокие уровни (выше MAC), будут решать, через какой порт посылать данные (например, используя VLAN). Только данные, подлежащие широковещательной рассылке, будут посланы на вход порта, который соединен с сегментом эмуляции совместно используемой среды.

    Рис. 20. Режим совместной эмуляции SME и P2P [4]

    Поле ID-канала, размещенное в преамбуле каждого кадра, используется для идентификации туннеля между OLT и ONU (эмуляция PtP). Этот заголовок может также использоваться для хранения индекса ключа криптографической защиты в EPON. Для этой цели используется один из зарезервированных байтов заголовка (рис. 21). Основываясь на коде, содержащемся в этом поле, будет возможно определить, зашифровано ли содержимое кадра, и какой применен ключ.

    Рис. 21. Преамбула кадра со встроенным ID канала и индексом ключа шифрования [3]

    Каждый ONU имеет ключ, который используется для текущей сессии. Идентификатор ключа является указателем ключа для ONU. Такая схема упрощает переход от одной сессии к другой, когда нужно заменить ключ. Для нешифрованных кадров используется значение идентификатора ключа по-умолчанию. Этот механизм имеет встроенное расширение - разные значения индекса ключа позволяют выбрать различные криптографические алгоритмы.

    9. Приложение

    Ниже приведены примеры схем доставки данных и услуг в сетях PON, а также основные характеристики этих сетей.

    Рис. 22. Пример сети предоставления услуг с привлечением технологии PON [9]

    Рис. 23. Схема доставки видеоданных [10] (EDFA - Erbium Doped Fibre Amplifier)

    Таблица 1. Стандартизация B-PON (Broad_Band PON) в G.983

    Код протоколаНазначение
    G.938.1Спецификация физического интерфейса OLT-ONT (upstream 155 Мбит/с, downstream 155, 622 Мбит/с) Добавление 622 Мбит/с upstream; Добавление 1.2 Гбит/с downstream
    G.983.2Спецификация интерфейса управления OLT-ONT (OMCI)
    G.983.3Спецификация длин волн для различных сигналов в B-PON мультиплексировании по длинам волн. Добавление 622 Мбит/с для upstream
    G.983.4Спецификация динамического выделения полосы (DBA) для сигналов upstream
    G.983.5Спецификация живучести канала (SUR) между OLT и ONT
    G.983.6Расширение OMCI для добавления SUR-функции для сигнала upstream
    G.983.7Расширение OMCI для добавления DBA-функции для сигнала upstream
    G.983.8Расширение OMCI для добавления сервисов IP, VLAN, видео и т.д.

    Таблица 2. Характерные времена в EPON [1]

    Максимальное время передачи кадра Ethernet (с преамбулой), 1526 байтов12 мкс
    Периодичность опроса узлов в нормальном режиме, не реже чем1–3 мс
    Время передачи управляющего кадра GATE (с преамбулой), 72 байта0,6 мкс
    Время опроса состояния 32 узлов ONT сети, 32 x 0,620 мкс
    Потребление полосы служебными ресурсами в нормальном режиме< 2%
    RTTmax, 20 км200 мкс
    Периодичность режима инициализации (параметр конфигурации)> 1с
    Издержки регистрации нового ONT, 2 сообщения GATE1,2 мкс
    Интервал инициализации (молчания), максимальный>200,6 мкс
    Потребление полосы режимом инициализации0,02%

    Таблица 3. GSR-спецификация

    Скорость передачиDownstream: 1.2, 2.4 Гбит/с
    Upstream: 155 Мбит/с, 622 Мбит/с, 1.2 Гбит/с, 2.4 Гбит/с
    Физическое расстояние  10-20 км
    Логическое расстояние  60 км
    Число ветвей  максимум 64 на физическом уровне
      максимум 128 на ТС-уровне
    Длины волн  Downstream: 1480-1500 нм.
      Upstream: 1260-1360 нм

    Таблица 4. Параметры по умолчанию [6]

    ПараметрОписаниеЗначение
    NЧисло ONU16
    nЧисло уровней приоритетов (равно числу очередей в ONU)3
    RUБыстродействие канала пользователь-ONU100 Мбит/c
    RNБыстродействие канала EPON1000 Мбит/c
    QОбъем буфера в ONU8 Мбит
    LМаксимальное расстояние между OLT и ONU20 км
    WMAXМаксимальная емкость временного домена15000 байт
    BЗазор между смежными доменами1 мкс
    TMAXМаксимальная длительность цикла
    TMAX = Т(B + (WMAX/RU))
    2 мс

    В июле 2007 года выпущен документ RFC-4837, который определяет специфические структуры и атрибуты MIB, соответствующие сетям EPON, которые ориентированы на стек протоколов ТСР/IP.

    Ссылки

    1. Lightware Russian edition, N2,2004 год, "Пассивные оптические сети PON Часть 2. Ethernet на первой миле", И.И. Петренко, Р.Р. Убайдуллаев, к.ф.-м.н
    2. IEEE, IEEE Std 802.3, "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications," March 2002.
    3. IEEE 802.3ah OAM Helps Bridge Ethernet Management Gap
    4. Ethernet Passive Optical Network (EPON)) (56 стр)
    5. S. Clavenna, “Metro Optical Ethernet,” Lightreading (www.lightreading.com), November 2000.
    6. Supporting differentiated classes of service in Ethernet passive optical networks, Glen Kramer, Biswanath Mukherjee, Sudhir Dixit and Yinghua Ye
    7. RFC-4837. Managed Objects of Ethernet Passive Optical Networks (EPON). L.Khermosh. July 2007.
    8. On Configuring Logical Links in EPON
    9. Delivering E1 G.703 and PRI services over FTTH/B GEPON networks
    10. Joint ITU-T/IEEE Workshop on Carrier=Class Ethernet (From 1 to 10 Gb/s in five years - The EPON Story), Geneva, May 2007
    Previous: 4.1.1.5 Алгоритмы и применения сетей P2P    UP: 4.1.1 Ethernet (IEEE 802.3)
        Next: 4.1.1.7 Сетевая технология OpenFlow (SDN)