Технология 10GEPON

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И СВЯЗИ УКРАИНЫ Реферат на тему:

«Технология 10GEPON»

Одесса 2013

PON (англ. PassiveOpticalNetwork — пассивная оптическая сеть) — это быстроразвивающаяся, наиболее перспективная технология широкополосного мультисервисного множественного доступа по оптическому волокну, использующая волновое разделение трактов приема/передачи и позволяющая реализовать одноволоконную древовидную топологию «точка-многоточка» без использования активных сетевых элементов в узлах разветвления. Другими словами, мало волокон, отсутствие промежуточного активного оборудования, нулевое (ну, почти нулевое) влияние погодных условий, удобная WDM система передачи данных от источника цивилизации к клиенту и обратно по одному волокну. Активное оборудование в этой сети имеется только на стороне провайдера (в чистом сухом и прохладном серверном шкафу) и на стороне абонента (в собачьей конуре, на чердаке, в прихожей) Идеально для удалённых малонаселенных пунктов.

Виды PON

Ещё во времена, когда малиновые пиджаки были в моде, а из земли выкапывался и продавался ядерный потенциал Сверхдержавы, группой из нескольких европейских телекоммуникационных компаний был создан консорциум для реализации идеи множественного доступа по одному волокну, получивший название FSAN (FullServiceAccessNetwork). Целью FSAN была разработка общих рекомендаций и требований к оборудованию PON для того, чтобы производители оборудования и операторы могли сосуществовать вместе на конкурентном рынке систем доступа PON. Итогом работы FSAN стал ряд стандартов PON:

— ITU-TG.983

APON (ATM Passive Optical Network);

BPON (Broadband PON);

— ITU-T G.984

GPON (Gigabit PON);

— IEEE 802.3ah

EPON/GEPON (Ethernet PON);

— IEEE 802.3av

10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON);

APON и BPON морально устарели еще при рождении, GPON неудобен и непонятен, потому как по итогу все его потоки надо транслировать в «гиговый» Ethernet, 10GEPON пока находится в стадии разработки/отладки/испытаний. Остаётся EPON, который уже тоже никому не интересен (100Мбит/с сейчас хватит разве что для десятка пользователей, а оборудование по цене не сильно отличается от старшего собрата GEPON). В итоге остаётся GEPON, который на сегодняшний день соответствует требованиям большинства провайдеров для подключения удалённых абонентов (скорость передачи «туда» и «обратно» составляет 1250Мбит/с, при этом, на одном волокне могут находиться до 64 оконечных устройств сети).

Принцип действия GEPON

Как уже писалось выше, GEPON — полноценная сеть, построенная на оптических составляющих на всём протяжении от провайдера к абоненту.

На стороне провайдера устанавливается OLT (англ. OpticalLinearTerminal — Оптический Линейный Терминал) — L2 свитч со всеми вытекающими отсюда функциональными возможностями, имеющий Uplink порты (для подключения себя любимого к L3 роутеру) и Downlink порты (для клиентских нужд). Обычно OLT имеет 4 оптических гигабитных Uplink порта и 4 «комбо» гигабитных Downlink порта (4 оптических + 4 медных с возможностью зеркалирования оптики на медь). Управление OLT производится как через терминальный порт, так и с помощью всеми любимых протоколов типа SNMP, SSH и TELNET.

На стороне клиента устанавливается ONU (англ. OpticalNetworkUnit — Оптическая Сетевая Единица), которую также иногда именуют ONT (англ. OpticalNetworkTerminal — Оптический Сетевой Терминал) — полноценный VLAN свитч небольшого размера. ONU стандартно имеет один оптический гигабитный порт и 4 медных (100Мбит/с или 1Гбит/с), есть модели с комбинированным оптическим портом для телевидения и данных, а также с разным количеством медных. Каждая ONU имеет встроенный фильтр MAC-адресов; при получении пакета ONU проверяет принадлежность пакета и, если пакет принадлежит не ей, отбрасывает его. Управление ONU происходит непосредственно с OLT, при этом OLT считает ONU «подпортом» своего порта, имеющим свои порты, то есть соблюдается следующая иерархия: Порт OLT -> № ONU -> порт ONU.

Между клиентом и провайдером располагается пассивная оптическая сеть, которая имеет топологию дерева и её производные. Основными компонентами пассивной оптической сети является оптическое волокно и сплиттеры (англ. Splitter — разделитель), работающие в режиме «разветвитель» в направлении провайдер->клиент и в режиме «смеситель» в обратном направлении. Несомненным преимуществом пассивного оборудования является его независимость от питания и простота в эксплуатации (не надо ничего настраивать): «Один раз поставил — всю жизнь пользуюсь».

Рисунок 1 — Принципиальная схема включения PON.

Пассивная оптическая сеть является разделяемой между многими абонентами средой, поэтому со стороны OLT действует TDM (англ. TimeDivisionMultiplexing — Временное Мультиплексирование), а со стороны ONU — TDMA (англ. TimeDivisionMultipleAccess — Множественный Доступ С Разделением По Времени). При этом нисходящий поток (им мы будем называть поток от OLT к ONU) передаётся на длине волны 1490нм, а восходящий (поток от ONU к OLT) — на длине волны 1310нм. С физической точки зрения, для обеспечения этих потоков в OLT используется WDM трансивер (TX1490нм/RX1310нм) форм-фактора SFP с запасом оптического бюджета 34дБм, а в ONU имеется уже встроенный оптический WDM модуль (TX1310нм/RX1490нм) с запасом оптического бюджета 28дБм. Использование в WDM длин волн 1310нм и 1490нм позволяет безболезненно добавлять в нисходящий поток телевидение, которое вещает на длине волны 1550нм.

Рисунок 2 — Движение восходящих и нисходящих потоков, а также CATV.

оптический доступ обмен данный Следует отдельно рассмотреть технологию обмена данными между ONU и OLT:

— любая ONU вещает только в момент времени, отведённый для нее OLT;

— для любой ONU в сети OLT определяет временной промежуток, в течение которого ONU может вещать;

— вновь подключённая ONU взаимодействует с OLT по протоколу MPCP (англ. Multi-PointControlProtocol — Протокол Управления Многоточечным Обменом);

— любая ONU не может связываться с другими ONU без участия в связи OLT`а. Все пакеты для любого адресата централизованно обрабатывает одно устройство в сети — OLT.

Рисунок 3 — Распределение временных промежутков между ONU.

Для поддержки присвоения временных доменов с помощью OLT, группой IEEE 802.3ah был разработан протокол MPCP. 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 нормальный режим. Режим автодетектирования используется для детектирования вновь подключенных ONU и определения RTT (англ. RoundTripTime — время от момента посылки запроса до момента получения ответа (и MAC-адреса этого ONU. Нормальный режим используется для присвоения временных доменов всем инициализируемым ONU.

Стандартные Ethernet кадры в PON немного модифицируются под специфику работы в разделяемой по принципу TDM среде, однако, OLT модифицирует выходящие пакеты так, что на выходе из PON получается стандартный Ethernet поток. В обратном направлении ситуация аналогичная. Структура стандартного Ethernet кадра (IEEE 802.3), PON кадра (IEEE P802.3ah) и управляющего кадра IEEE P802.3ah представлена ниже (Рисунок 4):

Рисунок 4 — Сравнение полей кадров IEEE 802.3 и IEEE P802.3ah.

Преамбула стандартного кадра Ethernet (Рисунок 4а), модифицируется добавлением нескольких служебных полей (Рисунок 4б):

— SOP (англ. StartOfPacket) — 1 байт, указывает на начало кадра;

— Резервное поле, 4 байта;

— LLID (англ. LogicalLinkIdentificator) — 2 байта, указывает индивидуальный идентификатор узла EPON. Остается открытым вопрос: сколько идентификаторов может иметь абонентский узел ONU — один или несколько? LLID требуется для эмуляции соединений точка-точка и точка-мультиточка в сети EPON. Первый бит поля указывает режим передачи кадра (unicast или multicast). Остальные 15 бит содержат индивидуальный адрес узла EPON;

— CRC (англ. СircleRedundancyCheck) — 1 байт, контрольная сумма по преамбуле (стандарт P802.3ah).

При выходе кадра из сети GEPON 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 ONU, где происходит восстановление преамбулы. Узел ONU 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:

— DA (англ. DestinationAddress) — 6 байт, указывает MAC-адрес станции назначения. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast);

— SA (англ. SourceAddress) — 6 байт, указывает MAC-адрес станции отправителя;

— L/T (англ. Length/Type) — 2 байта, содержит информацию о длине или типе кадра;

— Поле данных, переменной длины;

— PAD (наполнитель) — поле используется для дополнения кадра до минимального размера;

— FCS (англ. FrameCheckSequence) — 4 байта, контрольная сумма кадра, вычисленная с использованием циклического избыточного кода;

— OpCode (англ. OptionalCode) — 2 байта, уточняет тип управляющего кадра. Существуют две категории управляющих кадров, отличающиеся значением этого поля: сообщения GATE, генерируемого OLT, и сообщения REPORT, генерируемого ONU;

— TS (TimeStamp) — 4 байта, содержит временную метку отправителя;

— message — 40 байтов, собственно в этом поле содержится служебная информация, необходимая для работы протокола MPCP.

OLT и ONU обеспечивают инкапсулирование данных в модифицированные Ethernet кадры стандарта IEEE P802.3ah, при этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных).

Окончательный алгоритм работы сети PON после настройки выглядит следующим образом:

— ONU «слушает линию»;

— OLT получает пакет стандарта IEEE 802.3 от вышестоящего L3 устройства и модифицирует его под стандарт IEEE P802.3ah;

— OLT отсылает пакет конкретному адресату;

— Все ONU получают пакет, но только адресат оставляет его себе — остальные пакет отбрасывают;

— ONU модифицирует пакет стандарта IEEE P802.3ah под стандарт IEEE 802.3 и отдаёт его клиентскому ПК;

— ONU с клиентского ПК, модифицирует их из стандарта IEEE 802.3 под стандарт IEEE P802.3ah и буферизирует;

— OLT разрешает передачу данных конкретной ONU;

— ONU вещает определённое количество времени, а затем замолкает и снова «слушает» линию;

— OLT получает от ONU пакет стандарта IEEE P802.3ah, модифицирует его под стандарт IEEE 802.3, после чего передаёт его вышестоящему L3 устройству.

Алгоритм работы сети PON по преобразованию пакетов из одного стандарта в другой можно представить следующим образом (Рисунок 5):

Рисунок 5 — Алгоритм работы PON по преобразованию пакетов.

Сравнение PON с классической FTTH схемой подключения абонентов Рассмотрим пример, в котором необходимо локально подключить 253 оконечных устройства к сети Интернет. Для этого, в первую очередь, нам потребуется L3 роутер, к которому будет стыковаться наш локальный регион с одной стороны и который имеет доступ к автономной системе и Интернету с другой. А дальше пути расходятся: для классического FTTH необходимо иметь многопортовый (например, 24-хпортовый DGS-3120−24SC) L2 свитч, используемый для агрегации нижестоящих активных устройств, 11 единиц тех же самых DGS-3120−24SC с оптическими портами для подключения оконечного оборудования через медиаконвертеры (которых, кстати, тоже надо 253 + блоки питания к ним) и 24-хжильный оптический кабель. Кроме того, всё активное оборудование должно иметь питание, антивандальную защиту и защиту от пыли/влаги/флоры/фауны.

Даже писать — и то сложно, что уж говорить про строительство такой сети. В случае с PON всё гораздо проще: OLT (который, кстати, можно устанавливать на удалении от населённого пункта), 4 SFP модуля для аплинка, 4 SFP OLT модуля (по 64 ONU на каждом), набор сплиттеров, 253 ONU с установкой питания на стороне клиента, обрезки одноволоконного кабеля и боксы (муфты) для помещения в них сплиттеров. Всё проще, не правда ли? Наглядное различие схем построения представлено ниже (Рисунок 6):

Рисунок 6 — сравнение PON с классической FTTH схемой подключения.

Кроме того, следует учитывать тот факт, что на уже построенной схеме PON легко и просто запустить аналоговое TV (Рисунок 7):

Рисунок 7 — Применение PON в качестве среды для использования CATV.

Итак, положительные стороны PON:

— Минимальное использование активного оборудования;

— Минимизация кабельной инфраструктуры;

— Низкая стоимость обслуживания;

— Возможность интеграции с кабельным телевидением;

— Хорошая масштабируемость;

— Высокая плотность абонентских портов.

В тоже время при рассмотрении технологии нужно учесть и ее особенности, особенно в сравнении с линиями «точка-точка»: разделяемая между абонентами полоса пропускания, общая среда может не подойти клиенту с точки зрения безопасности, пассивные сплиттеры затрудняют диагностику оптической линии, возможно влияние неисправности оборудования одного абонента на работу остальных, меньшая выгода в случае реализации на этапе строительства.