Приниципы и устройства оптоволоконных сетей

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.

Рис. Взаимодействие субуровней PON

Рис. Схемы подключения клиентов к сети

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. 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., обеспечит доставку клиенту лишь 1/16 входного светового потока. Соответственно потребуется в 16 раз большая выходная мощность передающего лазера.

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

Дерево

Кольцо

Шина

Дерево с избыточностью

Рис. Возможные топологии построения сети PON

 

Все передачи в PON осуществляются между OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit). 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:

- 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. Пропускная способность каждого из каналов может задаваться независимо.

Рис. PON с одним волокном

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.

1. 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.

2. 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. Такие метки называются “ID канала” и помещаются в преамбулу перед началом каждого кадра.

Рис. Преамбула кадра

3. Эмуляция схемы точка-точка (PtPE).

В режиме эмуляции PtP, OLT должен иметь N MAC-портов (интерфейсов), по одному на каждый ONU. 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. 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.

Рис. Эмуляция режима P2P

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. Передача данных через мост при эмуляции p2p.

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

4. 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. 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. 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.