4.1.1.6 Пассивные оптические сети (pon/epon/gepon) Семенов ю.А. (гнц итэф)

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 PONпризвана снять с повестки дня эту проблему (стандартIEEE 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].

• Скорость передачи 1 Гбит/с

• Кодирование в линии 8B/10B

WDM мультиплексирование с частотным планом:

• Длина волны прямого потока 1490 нм (1550 нм - кабельное ТВ) (downstream)

• Длина волны обратного потока 1310 нм (upstream)

• Уровень ошибок BER – 10^–12

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

Интерфейсы для сети PON:

• Класс 1 – 1000BASE-PX10-D со стороны OLT (Optical Line Terminal) и 1000BASE-PX10-U со стороны ONT (Optical Network Terminal)

• Класс 2 – 1000BASE-PX20-D со стороны OLT и 1000BASE-PX20-U со стороны ONT

• EPONкласса 1 – прямой/обратный поток 21/23 дБ (Ethernet PON)

• EPON класса 2 – прямой/обратный поток 26/26 дБ

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

• EPON класса 1 – 10 км

• EPON класса 2 – 20 км

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).

PONпредставляет собой архитектуру оптического доступа, которая облегчает широкополосные коммуникации (голос, данные и видео) между оптическим терминаломOLT(Optical Line Terminal) и различными удаленными оптическими сетевыми устройствамиONU(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 сетиAON(Active Optical Network), такие какSonet/SDH, требуют преобразование оптического сигнала в электрический и наоборот в каждом из узлов. PON может объединять трафик от 32 ONU и передавать его центральному модулюCO(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) иOLT(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 дляOAM(Operations Administration and Maintenance). Использование протокольного МАС-адреса гарантирует корректную интерпретацию OAMPDU (PDU - поля данных) подуровнем MAC. Большая часть информации OAMPDU передается в форматеTLV(type-length-value). Первый октет (или байт) указывет 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:

• SOP(start of packet) – 1 байт, указывает на начало кадра.

• Резервное поле, 4 байта

• LLID(Logical Link Identificator) – 2 байта, указывает индивидуальный идентификатор узла EPON. Остается открытым вопрос: сколько идентификаторов может иметь абонентский узел ONT – 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(Сircle Redundancy Check) – 1 байт, контрольная сумма по преамбуле (стандарт P802.3ah).

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:

• DA(Destination Address) – 6 байт, указывает MAC-адрес станции назначения. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).

• SA(Source Address) – 6 байт, указывает MAC-адрес станции отправителя.

• L/T(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(Frame Check Sequence) – 4 байта, контрольная сумма кадра, вычисленная с использованием циклического избыточного кода.

• opcode(optional code) – 2 байта, уточняет тип управляющего кадра. Существуют две категории управляющих кадров, отличающиеся значением этого поля: сообщения GATE, генерируемого OLT, и сообщения REPORT, генерируемого ONT.

• TS(Time Stamp) – 4 байта, содержит временную метку отправителя.

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

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. Схем 4-каскадного объединителя, представленного на рис. 6 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) иONU(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 и FTTB), либо в зоне разветвления (архитектура FTTC).

К преимуществам сетей PON можно отнести:

• PON допускает работу при расстоянии между CO и клиентом (вплоть до 20 км).

• PON минимизирует длины оптических волокон.

• PON предоставляет широкую полосу пропускания (до 10 Гбит/c -> IEEE P802.3av).

• Предоставляя широковещательные возможности, PON оказывается весьма эффективной для передачи видеопрограмм (цифровых или аналоговых).

• PON исключает необходимость инсталлирования активных мультиплексоров в точках разветвления, что облегчает обслуживание таких сетей и минимизирует энергопотребление. Вместо активных устройств в таких точках PON использует небольшие пассивные оптические разветвители.

• Будучи оптически прозрачными по всей длине, PON позволяет легко переходить на большую скорость обмена или применение дополнительных длин волн.

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.