ETHERNET PASIVNE OPTIČKE MREŽE

Univerzitet u Banjaluci Elektrotehnički fakultet

Banjaluka

Darko Ćulibrk

ETHERNET PASIVNE OPTIČKE MREŽE

Banjaluka, juli 2007.

SADRŽAJ

SADRŽAJ 1

1. UVOD 2

2. PREGLED PASIVNIH OPTIČKIH MREŽA 3

2.1 PON ARHITEKTURA 32.2 VRSTE PON MREŽA 32.3 PREDNOSTI PASIVNIH OPTIČKIH MREŽA 4

3.ANALIZA EPON STANDARDA 5

3.1 STANDARDIZACIJA 53.2 DJELOKRUG STANDARDA 53.2.1 PMD PODSLOJ 63.2.2 RS PODSLOJ 73.2.3 PCS PODSLOJ 83.2.4 PMA PODSLOJ 83.3 PRENOS PODATAKA 83.4. MPCP PROTOKOL 93.5 ALGORITMI DINAMIČKE DODJELE PROPUSNOG OPSEGA 103.5.1 IPACT 113.5.2. ŠEME USLUGA IPACT-A 113.6 OPONAŠANJE LOGIČKIH TOPOLOGIJA 123.6.1 PRAVILA LLID FILTRITANJA 133.7 ZAŠTITA SISTEMA 143.7.1 EPON ENKRIPCIJA 143.7.2 ZAŠTITA PUTANJA 143.8 PODRŠKA ZA DIFERENCIRANE KLASE SERVISA 15

4. ZAKLJUČAK 16

LITERATURA 17

Ethernet pasivne optičke mreže 2

1. UVOD

Broj korisnika širokopojasnih veza u pristupnim mrežama je u stalnom porastu. Krajem 1999. godine bilo ih je 5 miliona, krajem 2005. godine 217 miliona a statistike pokazuju da je krajem prvog kvartala 2007. godine 298 miliona korisnika bilo pretplaćeno na usluge širokopojasnog pristupa. Predviđanja kažu da će do 2010. godine ovaj broj porasti na 500 miliona. Značajan napredak u razvoju tehnologija za optičko umrežavanje, kao što su DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), optički pojačavači, komutatori i kroskonektori (Optical Cross Conect – OXC), izuzetno je povećao propusni opseg i pouzdanost telekomunikacionih kičmenih ravni. Tendencija ovakvog napretka je prisutna i u metro mrežama. Usko grlo između korisnika, koji može da ima i vlastitu lokalnu mrežu visokog kapaciteta, i jezgra mreže predstavlja tzv. “posljednji kilometar”. Većinu saobraćaja u današnjim telekomunikacionim mrežama predstavlja paketski prenos podataka. Krajnji korisnik želi nesmetan pristup uslugama kao što su video na zahtjev, video konferencije, razmjena velikih količina podataka u peer-to-peer mrežama, nesmetan pristup SAN (Storage Area Network) mrežama. Postojeće tehnologije širokopojasnog pristupa DSL (Digital Subscriber Line) i pristup preko CATV (Community Antenna Television) nastale su na temelju mreža koje pružaju usluge glasa, te TV signala, pa kao takve nisu u potpunosti dorasle zadatku. WLAN (Wireless Local Area Network) i WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) predstavljaju zadovoljavajuća rješenja, ali njihov kapacitet je dosta manji od onog koji mogu pružiti optičke mreže. Optičko vlakno je sposobno prenijeti integrisane servise glasa, podataka i videa visokog protoka na udaljenosti preko 20 km. FTTH/FTTP (Fiber To The Home/Fiber To The Premises) predstavlja rješenje pristupne mreže u kojem je vlakno dovedeno direktno u boravište krajnjeg korisnika. Generacija tehnologija pasivnih optičkih mreža (PON) je najjeftinije i najzastupljenije rješenje iz ove porodice jer ima niz prednosti u odnosu na druga rješenja u posljednjem kilometru. Ethernet predstavlja najzastupljeniju tehnologiju u LAN mrežama sa učešćem od čak 95%, prije svega zahvaljujući manjoj cijeni u odnosu na konkurenciju, lakom postavljanju opreme, prostom upravljanju i velikom propusnom opsegu koji pruža. Gigabitni Ethernet (GigE) i 10 gigabitni Ethernet (10GigE) su standardizovani, a trenutno se pod okriljem IEEE HSSG (Higher Speed Study Group) grupe razvija standard za 100 Gb Ethernet. Najveći problem sa kojim se Ethernet suočava je nedostatak pouzdanosti i kvaliteta usluga (QoS). Zahvaljujući usvojenim tehnologijama kao što su 802.1p/Q određivanje prioriteta Ethernet okvira i umetenje VLAN (Virtual LAN) oznaka, punom dupleks prenosu i agregaciji linkova, Ethernet mreže postaju sposobne za prenos glasa, podataka i videa. U javnim mrežama se Ethernet koristi u sprezi sa IP protokolom uz upotrebu MPLS (Multi Protocol Label Switching) ili GMPLS (Generalized MPLS) protokola da bi se obezbijedio odgovarajući QoS. Standardi poput RPR (Resilient Packet Ring) ili Ethernet over SONET/ SDH omogućili su efikasniju implementaciju Etherneta u MAN i WAN mreže. Zahvaljujući činjenici da je Ethernet od početka bio predviđen za korištenje sa optičkim medijima, kao i imajući u vidu njegovu superiornost u implementaciji u LAN mrežama širom svijeta, bilo je logično da bude odabran kao osnova za jedan od standarda za PON. To je i učinjeno od strane EFM (Ethernet in the First Mile) grupe (IEEE 802.3ah), a

2. PREGLED PASIVNIH OPTIČKIH MREŽA 3

standard je dobio ime EPON (Ethernet PON). EPON predstavlja PON baziranu mrežu koja prenosi podatke spakovane u Ethernet okvire kako je definisano u IEEE 802.3 standardu. U okviru ovog rada ćemo se prvo upoznati sa arhitekturom i vrstama PON mreža, a zatim ćemo preći na analizu EPON arhitekture.

2. PREGLED PASIVNIH OPTIČKIH MREŽA

2.1 PON arhitektura Pasivna optička mreža (Passive Optical Network – PON) je mreža tipa tačka-više tačaka (point-to-multipoint), u kojima jedno optičko vlakno opslužuje više korisnika zahvaljujući upotrebi pasivnih (ne koriste napajanje električnom energijom) optičkih razdjelnika (splitera) koji snagu optičkog signala razdvajaju na više segmenata (najčešće 32) koji vode do krajnjeg korisnika. Zbog nedostatka aktivnih komponenti daljina do koje signal može da se prenese je ograničena na 20 km. Signali se prema korisnicima šalju emitovanjem svim prijemnicima koji dijele vlakno te moraju biti kodovani da bi se spriječilo prisluškivanje. Signali od korisnika se šalju upotrebom protokola za višestruki pristup i TDMA (Time Division Multiple Access) pristupa. Kao što slika 1 prikazuje, osnovna PON konfiguracija uključuje sljedeće komponente:

Optički linijski terminal (Optical Line Terminal – OLT). Ovaj uređaj se nalazi u lokalnoj centrali i šalje pakete podataka ka svim korisničkim uređajima. Paketi su adresirani tako da svaki ONU selektuje samo podatke namjenjene njemu. Prihvata dolazne tokove podataka od korisničkih uređaja. Povezuje optičku pristupnu mrežu sa MAN i WAN mrežama (preko TDM interfejsa tipa SONET/SDH, IP preko GbE ili ATM UNI na 155-622 Mbit/s).

Optičke mrežne jedinice (Optical Network Units – ONUs) su uređaji na lokaciji korisnika priključeni na optičku mrežu. Dijele kanal prema OLT-u na bazi vremenske podjele (postoje i rješenja na bazi dodjele talasnih dužina). Ako ONU nema saobraćaja za slanje šalje prazne pakete da očuva sinhronizaciju sa OLT-om.

Sprege sa krajnjim korisnikom (End-User Interfaces) za servise glasa standardni telefonski priključak, za prenos podataka 10/100 BASE-T Ethernet mreža, za video servise koaksijalni kabal.

Slika 1 Arhitektura PON

2.2 Vrste PON mreža Do sada je donešeno nekoliko standarda za PON od strane ITU-a (International Telecommunication Union) i IEEE-a (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Neka od rješenja isprobanih u praksi nisu obuhvaćena međunarodnim standardima.


APON (ATM PON) je baziran na asinhronom transfer modu kao protokolu MAC sloja. Razvijen je od strane FSAN-a (Full Service Access Network), udruženja nastalog od strane velikih mrežnih operatora. Sistem je kasnije dorađen u verziju BPON (Broadband PON) kada mu je dodana podrška za Ethernet, video distribuciju i virtuelne privatne linije (Virtual Private Line – VPL). BPON je standardizovan od strane ITU-T-a (ITU Telecommunication Standardization Sector) preporukama G.983.x. Omogućava 155 Mb/s toka od korisnika i 622 Mb/s toka ka korisnicima. Ima podršku i za WDM. GPON (Gigabit PON) je standardizovan u ITU-T G.984.x preporukama. Nastao je na osnovu FSAN-ovih preporuka za GFP-PON (Generic Framing Procedure PON). Standard podrazumjeva korištenje GEM (GPON Encapsulation Method) protokola koji dodaje vrlo kratka zaglavlja korisnim podacima i vrši efikasnu segmentaciju paketa u svrhu obezbjeđivanja QoS-a za usluge osjetljive na kašnjenje. Omogućava brzine do 2.4 Gb/s u oba smijera. EPON (Ethernet PON) ili GEPON (Gigabit Ethernet PON) je standard razvijen pod okriljem IEEE 802.3ah (Ethernet in the First Mile) grupe. Za prenos brzinama 1 Gb/s u oba smijera koristi Ethernet okvire. Omogućava prenos glasa, podataka i videa. 10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON) ili XPON je standard na kome je rad započet 2006. godine pod okriljem IEEE 802.3av grupe. Kompatibilan je unazad sa EPON-om. Najvjerovatnije će biti zasnovan na WDM tehnologiji. Navedeni standardi koriste dvije talasne dužine – jednu za dolazni, drugu za odlazni saobraćaj. WDM PON (Wavelength Division Multiplexing PON) koristi više talasnih dužina da poveća odlazni i dolazni propusni opseg dostupan krajnjem korisniku. Sa pojeftinjenjem optičkih tehnologija i smanjenjem troškova postavljanja u budućnosti, predstavljaće efikasno rješenje za povećanje propusnog opsega. Talasne dužine se usmjeravaju pomoću AWG (Arrayed Waveguide Grating) uređaja koji je pasivan, te se uklapa u koncept pasivnih optičkih mreža. Predloženo je nekoliko arhitektura kao što su CPON, LARNET i RITNET. DOCSIS-PON (Data Over Cable Service Interface Specification PON) je standard pokrenut od strane nekoliko kompanija, predstavlja uključivanje DOCSIS interfejsa servisnog sloja na postojeće MAC i fizički sloj EPON mreže. Uključuje DOCSIS OAMP (Operations, Administration, Maintance and Provisioning) funkcionalnost u postojeću EPON opremu. EPON OLT se ponaša kao DOCSIS CMTS (Cable Modem Termination System) platforma.

2.3 Prednosti pasivnih optičkih mreža Postoji niz prednosti korištenja PON mreža u odnosu na druge metode u mrežama za pristup:

• Omogućene su veće udaljenosti između lokalne centrle i korisnika. PON lokalna petlja seže i do 20 km, što je daleko više od mogućnosti DSL-a

• Smanjuje potrebnu količinu vlakana u mreži, potrebno je samo jedno vlakno u stablu mreže i samo jedan port na OLT-u

• Pruža veliki propusni opseg zahvaljujući dovođenju vlakana na lokaciju krajnjeg korisnika

• Zahvaljujući tome što je tačka-više tačaka tip mreže, omogućava emitovanje videa svim korisnicima u mreži

• Eliminiše potrebu za instaliranjem multipleksera i demultipleksera na mjestima razdvajanja signala, što izuzetno spušta troškove održavanja i potrošnju energije. Dovoljne su pasivne komponente koje se mogu zakopati u vrijeme postavljanja mreže

• Omogućuje nadogradnju u brzini ili dodavanje novih talasnih dužina. Pasivni razdjelnici i spojnici su transparentni za ovakav vid unapređenja.


3.ANALIZA EPON STANDARDA

3.1 Standardizacija U novembru 2000. godine IEEE je objavio poziv za interesante za novu studijsku grupu pod nazivom Ethernet in the Last Mile, kasnije preimenovanu u Ethernet in the First Mile (EFM) da bi se naglasilo koliki se značaj pridaje ovom zanemarenom dijelu javne telekomunikacione mreže. Poslije uspješnog sastanka interesanata formirana je studijska grupa sa ciljem uvođenja Etherneta u lokalne pretplatničke mreže. Rad je bio koncentrisan na četiri osnovne oblasti:

• Ethernet preko bakarnog provodnika • Ethernet preko tačka-do-tačke (point-to-point – PTP) vlakna • Ethernet preko tačka-do-više-tačaka (point-to-multipoint – P2MP) vlakna • Operacije, upravljanje i održavanje (Operation, Administration, Maintance – OAM)

EPON se ubrzo pokazao kao perspektivno rješenje i dobio široku podršku velikih kompanija. 2001. godine EFM dobija status radne grupe i oznaku 802.3ah. Standard EPON (ili GEPON) je završen 2004. godine. Trenutno je u razvoju 10Gb/s verzija 10GEPON ili XEPON, u okviru studijske grupe 802.3av.

3.2 Djelokrug standarda Rad IEEE 802.3 grupe je posvećen dvama slojevima na dnu OSI (Open Systems Interconection) referentnog modela. Slika 2 prikazuje podslojeve i sprege (interfejse) definisane za 1Gb/s Ethernet.

Slika 2 Odnos OSI i 802.3 modela slojeva

Ova podjela obuhvata sljedeće elemente fizičkog sloja: Medium Dependent Interface (MDI), sprega zavisna od medijuma, određuje signale u fizičkom medijumu i mehaničke i električne sprege između medijuma za prenos i fizičkog sloja uređaja. Physical Medium Dependent (PMD), zavisan od fizičkog sloja, podsloj odgovoran za sprezanje sa medijumom za prenos. Nalazi se iznad MDI (Medium Dependent Interface) sprege.


Physical Medium Attachment (PMA), priključak na fizički medijum, sadrži funkcije za predaju, prijem, obnavljanje takta i fazno poravnanje. Physical Coding Sublayer (PCS), podsloj za kodovanje na fizičkom nivou, koduje podatke u kodne grupe koje se prenose u medijumu. U slučaju GbE koristi 8B/10B linijski kod pri linijskoj brzini od 1.25 Gb/s, što daje 25% viška bita na korisne podatke protoka 1Gb/s. Gigabit Media Independent Interface (GMII), sprega zavisna od gigabitnog medijuma, sprega između MAC podsloja sposobnog za gigabitni prenos i fizičkog sloja. Cilj sprege je da omogući da više DTE (Data Terminal Equipment) uređaja bude povezano sa raznovrsnim fizičkim slojevima gigabitne brzine. Reconciliation Sublayer (RS), podsloj za izmirenje, mapira GMII signale u MAC servise. Sloj veze podatake se sastoji od sljedećih poslojeva: Media Access Control (MAC), kontrola pristupa medijumu, definiše funkcije za prenos podataka, nezavisne od fizičkog medijuma, ka i od fizičkog sloja. Definiše pakovanje podataka (uokviravanje, adresiranje i ispravljanje grešaka) i pristup medijumu (detektuje sudare paketa i odgađa slanje). MAC Control Sublayer, podsloj za kontrolu MAC-a, opcioni podsloj za upravljanje MAC operacijama u realnom vremenu. Dozvoljava dodavanje novih funkcija u budućnosti. Logical Link Control (LLC), kontrola logičke veze, dio sloja veze podataka nezavisan od medijuma za prenos. Nije u području rada 802.3 grupe. Rad na definisanju EPON arhitekture je podjeljen na određivanje PMD podsloja, P2MP protokola i dorađivanja RS, PCS i PMA podslojeva.

3.2.1 PMD podsloj Definisana su četiri tipa PMD podsloja. U tabeli su prikazane specifikacije svakog od tipova. Tabela 1 EPON PMD tipovi PMD tip 1000BASE-PX10-U 1000BASE-PX10-D 1000BASE-PX20-U 1000BASE-PX20-D Tip vlakna monomodno monomodno monomodno monomodno Broj vlakana 1 1 1 1 Talasna dužina (nm) 1310 1490 1310 1490

Smijer prenosa ONU ka OLT-u OLT ka ONU-u ONU ka OLT-u OLT ka ONU-u Udaljenost (km) 10 10 20 20 Minimalni gubitak u kanalu (dB)

5.0 5.0 10.0 10.0

Maksimalni gubitak u kanalu (dB)

20.0 19.5 24.0 23.5

Standard podrazumjeva prenos do 10 i 20 km sa stepenom račvanja od najmanje 1:16 (najčešće 1:32) i nivo greške bita (Bit Error Rate – BER) jednak ili bolji od 10-12 na fizičkom nivou. Vidimo da se odlazni i dolazni tok odvijaju na dvije talasne dužine :1310 nm i 1490 nm. Minimalni gubici koje sistemi moraju tolerisati uzevši u obzir gubitke u vlaknu od 0.5 dB/km su 5 dB i 10 dB. Sistem mora biti otporan na greške do nivoa maksimalnih navedenih. Zbog različitih mogućih udaljenosti ONU-a i OLT-a, snaga signala sa različitih ONU-a neće biti ista na prijemu kod OLT-a. Zbog toga prijemnik mora podešavati pojačanje, proces poznat kao AGC (Automatic Gain Control) da bi pravilno postavio prag između


simbola 0 i 1. Prijemnik mora i brzo da obavi određivanje takta i faze dolazećeg signala, procedura nazvana Clock and Data Recovery (CDR). Čak i u trenutku kad ne emituje podatke laser emituje spontani šum, što ometa signale drugih ONU-a. Zbog ovoga laser mora biti ugašen sve dok ne naiđe odgovarajući vremenski prozor. Pri uključivanju snaga lasera je promjenljiva i bitno je da se brzo stabiliše. Za EPON je predviđeno da uključivanje i isključivanje lasera traje po 512 ns, a podešavanje pojačanja ≤400 ns. Ovo je daleko slabije od BPON i GPON specifikacije (16 ns za uključivanje i isključivanje lasera i ≤50 ns za podešavanje snage), ali značajno smanjuje cijenu opreme.

3.2.2 RS podsloj IEEE 802.3 arhitektura podrazumjeva da svi uređaji priključeni na isti medijum mogu međusobno da komuniciraju. Ovo znači da mrežni most nikad neće usmjeriti poruku na port sa kojeg je došla. To bi predstavljalo problem ukoliko bi most bio postavljen u OLT jer zbog prirode optičkog razdjelnika ONU-i nisu u stanju da direktno komuniciraju jedan sa drugim. Da bi se ovakvi problemi izbjegli i da bi se EPON mogao lako integrisati sa ostalim Ethernet mrežama, RS podsloj se morao doraditi. Ethernet okviru su dodane posebne oznake jedinstvene za svaki ONU – LLID (Logical Link ID) oznake. Ovaj problem je riješen u saradnji sa 802.1 grupom. Svaki ONU ima po jednu virtuelnu MAC adresu te gornji slojevi u OLT-u EPON vide kao grupu veza tačka-do-tačke, kao što je i prikazano na slici 3.

Slika 3 Model EPON OLT arhitekture

Ethernet okvir je izmjenjen na sljedeći način da bi mogao da prenosi LLID oznake:

Slika 4 Format preambule okvira u EPON-u

Preambula je izmjenjena na sljedeći način: • Prva dva okteta su nepromjenjena • Treći oktet je SLD (Start of LLID Delimiter) polje sa vrijednošću 0x5D


• Četvrti i peti oktet su nepromjenjeni • Šesti i sedmi oktet se sastoje od bita moda (opisan u odjeljku 3.6) i 15-bitne LLID

adrese • SFD je zamjenjen 8-bitnim CRC (Cyclic Redudancy Check) poljem proračunatim na

oktetima 4-7.

3.2.3 PCS podsloj Da bi se izbjegle spontane emisije šuma iz ONU-a, za vrijeme kada se podaci ne emituju (tj. u vremenu do nailaska vlastitog vremenskog prozora) laser treba biti isključen. PCS podsloj je dorađen DDF (Data Detection Function) funkcijom koja detektuje slanje podataka od strane viših slojeva i na vrijeme uključuje i isključuje laser. PCS dorada određuje i opcioni FEC (Forward Error Corection) mehanizam u svrhu smanjenja BER-a. Ovo omogućuje povećavanje udaljenosti između OLT-a i ONU-a, stepena račvanja do 64, ili prosto povećavanje pouzdanost kanala. FEC mehanizam koristi Rid-Solomonov kod za dodavanje 16 bita parnosti na blok od 239 bita korisnih podataka.

3.2.4 PMA podsloj PMA podsloj je dorađen tako da specificira vremenski interval u kojem prijemnik određuje takt i fazu primljenog signala (CDR). Specifikacija određuje da se PMA podsloj mora sinhronizovati u vremenu 400 ns na nivou bita, a na nivou kodne grupe za dodatne 32 ns.

3.3 Prenos podataka Po svojoj prirodi EPON medijum predstavlja kombinaciju dijeljenog medijuma i tačka-do-tačke mreže. U toku podataka od OLT-a signal se dijeli pomoću pasivnog razdjelnika do više ONU-a. U ovom smijeru se podaci šalju emitovanjem, što odgovara filozofiji Etherneta. Na prijemu će svaki ONU izdvojiti svoje pakete na osnovu LLID-a (slika 5).

Slika 5 Prenos ka korisniku

Tok od korisnika je sličan prenosu tipa tačka-do-tačke. Zahvaljujući prirodi razdjelnika/spojnika ONU-i nisu svjesni jedni drugih. Zbog toga ukoliko bi emitovali istovremeno došlo bi do sudara paketa u zajedničkom vlaknu. Zato se svakom ONU-u dodjeljuje vremenski prozor u kojem mu je dozvoljeno slanje. U vremenskom prozoru se šalje niz Ethernet okvira u rafalu (tzv. burst mod). U vremenu između prozora ONU bilježi u memoriju sve pakete prispjele od korisnika. Mogu se dodijeliti fiksni vremenski prozori, ali najčešće se primjenjuju metodi dinamičke dodjele, zavisno od količine podataka koju ONU ima spremnu za slanje, radi maksimalnog iskorištenja kanala.


Slika 6 Prenos od korisnika

3.4. MPCP protokol Multi-Point Control Protocol (MPCP) je protokol koji se izvršava na nivou podsloja za kontrolu MAC-a i služi da potpomogne dinamičku dodjelu vremenskih prozora. Sam metod dodjele (Dynamic Bandwidth Alocation – DBA) nije u polju rada 802.3ah grupe, već je implementiran u MAC control klijente i ostavljen na razmatranje proizvođačima opreme. MPCP se sastoji od tri funkcije: Proces otkrivanja (Discovery Processing), u ovom koraku se ONU-i otkrivaju i registruju. Koraci su prikazani na slici 7:

1. OLT: OLT povremeno omogućava prozore za otkrivanje za vrijeme kojeg se ONU može registrovati. OLT emituje DISCOVERY_GATE poruku svim ONU-ima u kojoj naznačava vrijeme početka i kraja prozora.

2. ONU: ONU koji želi da se registruje čeka slučajni interval vremena u prozoru za otkrivanje i šalje REGISTER_REQ poruku koja sadrži njegovu MAC adresu. Slučajno vrijeme čekanja spriječava sudar sa istim porukama sa drugih ONU-a.

3. OLT: Nakon prijema valjane REGISTER_REQ poruke, OLT registruje ONU i dodjeljuje mu LLID, te mu šalje REGISTER poruku sa LLID-om.

4. OLT: Sada šalje standardnu GATE poruku označavajući vremenski prozor za prenos podataka.

5. ONU: Nakon prijema GATE poruke ONU odgovara REGISTER_ACK porukom, proces otkrivanja je završen i prenos može početi.

Slika 7 Razmjena poruka u fazi otkrivanja


Rukovanje REPORT porukama (REPORT Handling), REPORT poruke se šalju od ONU-a u dodjeljenim vremenskim prozorima zajedno sa podacima. Poruka se generiše u MAC control klijentu i dodaje joj se vremenska oznaka u MAC control podsloju. Poruka sadrži željenu veličinu idućeg vremenskog prozora. Poruka se generiše povremeno čak i kad nema podataka da bi se spriječila deregistracija na OLT-u. Rukovanje GATE porukama (GATE Handling), u GATE porukama koje šalje OLT se označavaju prozori u kojima ONU može da šalje podatke. GATE poruka sadrži vrijeme početka i vrijeme dužine prenosa koje, nakon prijema poruke, ONU upisuje u lokalne registre. ONU provjerava da li je vremenska oznaka u poruci u skladu sa lokalnim satom. Ako je razlika preko određenog praga, predpostavlja se gubitak sinhronizacije, ONU se isključuje i čeka sljedeći prozor za otkrivanje. Učestvovanje pojedinih slojeva i vršilaca procesa (agenata) prikazano je na slici 8.

Slika 8 Procesi i izvršioci uključeni u dodjelu propusnog toka

Pomoću vremenskih oznaka koje se umeću u poruke ONU namješta lokalni sat. Na osnovu njih se računa i vrijeme obilaska (Rount-Trip Time – RTT). Korištenjem navedenih tehnika odžava se vremenska sinhronizacija između ONU-a i OLT-a.

3.5 Algoritmi dinamičke dodjele propusnog opsega Jedan od metoda dodjele vremenskih prozora za slanje podataka od ONU-a (čemu je srazmjerna količina propusnog opsega) je statički metod u kome se prozori fiksne veličine dodjeljuju ONU-u u jednakim vremenskim razmacima. Zbog prirode saobraćaja u mrežama koji je rafalnog tipa ovaj način je neefikasan. Da bi se postigla efikasnost statističkog multipleksiranja razvijeni su metodi dinamičke dodjele vremenskih prozora, u kojima OLT zavisno od potrebe raspoređuje prozore u kojima ONU-i mogu da emituju. Ovakvi algoritmi se nazivaju DBA (Dynamic Bandwidth Alocation) algoritmi. Jedan od prvih je IPACT (Interleaved Pooling with Adaptive Cycle Time).


3.5.1 IPACT Rad IPACT protokola ukratko se odvija na sljedeći način:

1. OLT vodi evidenciju o najranijem planiranom vremenu za početak prozora u promjenljivoj Tpredviđeno. Ova promjenljiva se mijenja nakon svake dodjele vremenskog prozora.

2. Kad god do OLT-a stigne REPORT poruka sa zahtjevanom veličinom vremenskog prozora od strane opsluživanog ONU-a, DBA agent u OLT-u proračuna vrijeme početka sljedećeg prozora za taj ONU. Prozor se dodjeljuje neposredno iza već dodjeljenog pomjereno za određeno zaštitno vrijeme. Vrijeme početka je:

Tpočetak=Tpredviđeno+Tzaštitno

DBA agent mora biti siguran da ONU ima dovoljno vremena da obradi GATE poruku prije nego garantovani prozor počne. Neka promjenljiva Tlokalno označava lokalno vrijeme, a Tobrada vrijeme potrebno za obradu poruke. Tada će Tpočetak iznositi:

ako je Tpočetak<Tlokalno+Tobrada , onda je Tpočetak=Tlokalno+Tobrada

3. Maksimalni predviđeni prozor (Maximum Scheduling Timeslot): Ukoliko bi OLT dozvolio ONU-ima da u prozoru pošalju čitav sadržaj bafera to bi opasno ugrozilo performanse mreže. Da bi se ovo izbjeglo OLT ograničava maksimalnu količinu podataka koji se mogu poslati u jednom prozoru. Ovakva šema se naziva šema ograničene usluge. Ostale šeme usluga će biti uskoro objašnjene. Ako je potrebna količina vremena za prenos REPORT poruke TREPORT, a maxDužina označava maksimalnu predviđenu dužinu prozora, dužina prozora se proračunava na sljedeći način (zanemarivši vremena uključivanja i isključivanja lasera i vrijeme sinhronizacije):

dužina=zahtjevana_dužina (u REPORT poruci)+TREPORT

ako je dužina>maxDužina, onda je dužina=maxDužina

4. Nakon što se izvrše navedeni proračuni OLT šalje odgovarajuću poruku ONU-u, a Tpredviđeno mijenja vrijednost u:

Tpredviđeno=Tpočetak+dužina Na slici 9 je dat vremenski dijagram ograničene usluge za 3 OLT-a.

3.5.2. Šeme usluga IPACT-a Veličina podataka u baferu se iz ONU-a šalje ka OLT-u REPORT porukom. DBA agent u OLT-u će odlučiti o veličini sljedećeg prozora na osnovu jedne od idućih šema usluga. Ključna mjera je ciklus, odnosno vrijeme između dva uzastopna dodjeljena prozora. Ustaljena usluga (Fixed service) ignoriše zahtjeve za veličinu prozora i uvijek dodjeljuje fiksne prozore sa istim ciklusom (sinhroni TDMA). Ograničena usluga (Limited service) dodjeljuje zahtjevane veličine prozora, ali ne preko veličine maksimalnog predviđenog prozora. Ima najkraće cikluse od svih šema. Usluga otvorenog prolaza (Gated service) ne uključuje ograničenja u veličini prozora. DBA agent dodjeljuje prozor koliki god tražio ONU. Usluga sa nepromjenljivim zajmom (Constant-Credit service) dodaje konstantnu količinu vremena na dodjeljeni prozor, tako da ONU kome je od prijema GATE poruke za nailazeći prozor u bafer stiglo još podataka, te podatke može da doda popunjenom prozoru, ali ne preko veličine zajma.


Usluga sa linearnim zajmom (Linear-credit service) dodjeljuje zajam koji je linearno srazmjeran veličini dodjeljenog prozora. Razlog je statističke prirode, mrežni saobraćaj posjeduje izvjestan nivo predvidljivosti. Ako posmatramo rafalno slanje podataka, velike su šanse da će se priliv podataka nastaviti još neko vrijeme. Prilagodljiva usluga (Elastic service) je usluga u kojoj je jedino ograničenje maksimalna dužina ciklusa. Maksimalan prozor se može dodjeliti na taj način što nakupljena veličina posljednjih N dodjela ne smije preći N x maksimalni predviđeni prozor (gdje je N broj ONU-a). To znači da ako samo jedan ONU ima podatke za slanje on može dobiti prozor veličine N x maksimalni predviđeni prozor.

Slika 9 Vremenski dijagram šeme ograničene usluge u IPACT-u

3.6 Oponašanje logičkih topologija Da bi se sačuvala funkcionalnost 802.3 standarda u EPON mrežama, odnosno da bi se mreže mogle ponašati kao klasični Ethernet LAN sa dijeljenim medijumom koji predstavlja pristupni domen za sve uređaje priključene na njega, uređaji u EPON-u moraju imati ugrađene funkcije za oponašanje (emulaciju) logičkih topologija (Logical Topology Emulation - LTE). Ove topologije uključuju vezu tačka-do-tačke (P2P) i dijeljeni medijum. Pošto uređaji u Ethernet mrežama (mostovi i preklopnici) ne vraćaju okvire na port sa kojih su došli, a OLT ima samo jedan port, rješenje je nađeno u stvaranju virtuelnih MAC adresa u OLT-u za svaki ONU, koje su u Ethernet okviru prikazane LLID oznakama. Cilj P2P emulacije je postići iste osobine kao u komutiranom Ethernetu gdje su sve stanice povezane sa centralnim preklopnikom (switch) P2P vezama. Za svaki ONU, OLT ima virtuelne MAC adrese i odgovarajuće LLID-ove (slika 3). Pri slanju ka korisnicima OLT u okvire ubacuje LLID odgovarajućeg ONU-a. Na prijemu će ONU odbaciti sve okvire koji nemaju njemu odgovarajući LLID, tako da ONU-ov MAC podsloj vidi samo okvire koji prođu ovo filtriranje. Okvire koje šalju ONU-i ispituje OLT i na osnovu LLID-a usmjerava ih na odgovarajuću virtuelnu MAC adresu. Postojanje virtuelnih MAC adresa omogućuje OLT-u da ima integrisanu funkciju mrežnog mosta. U oponašanju dijeljenog medijuma (Shared-medium emulation) svi okviri poslani od jednog ONU-a trebaju biti primljeni od strane svih čvorova u mreži osim od strane onog koji je poslao okvire. U svrhu ovoga u 16-bitnoj LLID oznaci prvi bit je određen kao takozvani bit moda. Ukoliko mu je vrijednost 0 označava P2P vezu, a ukoliko je 1 vezu sa emitovanjem (broadcast). To znači da će OLT, u svrhu emulacije dijeljenog medijuma, u


okvirima koje treba reflektovati nazad u mrežu postaviti ovaj bit na vrijednost 1. Na prijemu će svi OLT-ovi na osnovu ovog bita prihvatiti okvire, sem ako je LLID naznačen u okviru isti kao ONU-ov – to je isti ONU koji je poslao okvir.

Za okvire koji dolaze izvan mreže, a koji trebaju da se emituju svim čvorovima, odabran je LLID sa vrijednošću 0x7FFF. Ideja o emulaciji dijeljenog medijuma nije zaživjela u praksi zbog same funkcije pristupne mreže – pristupa uslugama telekomunikacionih kompanija. U OLT uređajima je ostala implementirana podrška za tačka-do-tačke vezu kao i jedan dodatni port – port za kopiranje sadržaja na sve čvorove u mreži, tzv. SCB (Singl- Copy Broadcast) port. U takvoj konfiguraciji OLT ima N+1 MAC adresa (gdje je N broj ONU-a), kao što je i prikazano na slici 10. Slojevi viši od MAC-a odlučuju na koji port poslati podatke.

Slika 10 Kombinovane emulacije tačka-tačka i dijeljeni medijum

SCB port nije povezan sa 802.1D mostom jer bi most, vodeći se STP (Spanning Tree Protocol) protokolom, mogao drugu putanju koja vodi ka istom ONU-u označiti kao redudantnu i isključiti je.

3.6.1 Pravila LLID filtritanja Sljedeća pravila filtriranja se primjenjuju na okvire na strani ONU-a:

1. Ako je bit moda 0 a vrijednost primljenog LLID-a jednaka dodjeljenoj okvir se prihvata.

2. Ako je bit vrijednosti 1 a vrijednost primljenog LLID-a ne odgovara dodjeljenoj okvir se prihvata.

3. Ako je vrijednost primljenog LLID-a jednaka vrijednosti LLID-a za emitovanje (0x7FFF) okvir se prihvata.

4. U svim ostalim slučajevima okvir se odbacuje. Sljedeća pravila filtriranja se primjenjuju na okvire na strani OLT-a:

1. Ako primljeni LLID ima vrijednost LLID-a za emitovanje (0x7FFF), a postoji virtuelni port sa tom adresom, okvir se usmjerava na taj port.

2. Ako primljeni LLID ima bilo koju vrijednost drugačiju od LLID-a za emitovanje i ako postoji virtuelni port čiji je bit moda 0 i čiji je LLID jednak primljenom, okvir se usmjerava na ovaj port.


3. U svim ostalim slučajevima okvir se odbacuje.

3.7 Zaštita sistema

3.7.1 EPON enkripcija Mrežni operater u EPON mreži mora pružiti klijentu privatnost. Pošto se podaci ka korisnicima šalju emitovnjem moguće je, promjenom pravila filtriranja, na prijemu prisluškivati saobraćaj namjenjen drugim učesnicima. Operater mora obezbijediti i mehanizme za pravo pristupa mreži. Tok od korisnika je sigurniji zahvaljujući prirodi optičkih razdjelnika, ali postavljanjem odgovarajuće opreme na njihovoj lokaciji moguće je prisluškivati podatke. Lažiranjem LLID-a moguće je preuzimanje tuđeg idenditeta. Sve ovo su razlozi za neophodnost uvođenja mehanizama zaštite. Iako je EPON arhitektura očigledno osjetljiva po pitanju sigurnosti, ova problematika nije razmatrana u 802.3ah radnoj grupe zbog nedostatka stručnosti ali i zbog toga što sigurnost ne pripada oblastima rada 802.3 grupe. Ovi nedostaci su ispravljeni radom LinkSec (link security) grupe koja je stavljena pod nadležnost 802.1 radne grupe (projekat 802.1ae). Mehanizam razvijan u ovom projektu je dosta nezavisan od Etherneta, a pogotovo od EPON-a. Pošto sistem funkcioniše na višim slojevima jedino su podaci zaštićeni dok MAC adrese, MPCP i OAM poruke ostaju u formi čistog teksta. Zbog toga je razvijen sistem enkripcije specifičan za EPON. Mehanizam se zasniva na AES (Advanced Encryption Standard) algoritmu izdanom od strane američkog NIST-a (National Institute of Standards and Technology). AES dozvoljva uporebu 128-bitnih, 192-bitnih i 256-bitnih ključeva. Sistem je sličan GPON-ovom sistemu enkripcije, ali uz neophodna prilagođenja EPON standardu. Format Ethernet okvira, uključujući preambulu i IPG, nije mijenjan da bi ostao spojiv sa IEEE standardima i da bi se izbjegle moguće komplikacije u budućnosti ukoliko bi se 802.3 standard dorađivao. Da se osigura visok stepen sigurnosti ovaj metod kriptuje čitav Ethernet okvir, uključujući zaglavlje i FCS polje. MPCP i OAM poruke su također kriptovane.

3.7.2 Zaštita putanja U kritičnim trenucima EPON mreža može zahtijevati brzo prebacivanje na rezervne putanje da bi sistem ostao u funkciji. Pouzdanost se postiže postavljanjem dodatnih zaštitnih putanja, zavisno od okruženja u kojem su mreža ili njeni dijelovi postavljeni. Dodatne putanje mogu biti postavljene u cijeloj mreži ili u određenim dijelovima. Na slici su prikazana rješenja karakteristična za PON mreže.

Slika 11 Redudantne PON topologije


U tabeli su prikazani rezultati simulacija za svaku topologiju. U obzir su uzeti padovi mreže uzrokovani presjecanjem vlakna, otkazima razdjelnika i primopredajnika. U obzir nisu uzeti prekidi napajanja ili greške operatera. Tabela 2 Neraspoloživost i očekivana trajanja prekida za različite PON topologije Konfiguracija Neraspoloživost servisa Očekivano trajanje otkaza (min/god) Nezaštićeno drvo 7.56 x 10-5 39.72 Zaštićeno stablo 3.90 x 10-5 20.52 Zaštićene grane 3.79 x 10-5 19.92 Zaštićeno stablo i grane 1.31 x 10-9 0.00069 Zaštićeno drvo 5.71 x 10-9 0.0030

3.8 Podrška za diferencirane klase servisa Osobine mreža za paketski prenos podataka mogu se opisati sa nekoliko parametara: propusni opseg, kašnjenje paketa, varijacija kašnjenja (džiter) i stepen gubitka paketa. Kvalitet servisa (Quality of Service – QoS) predstavlja sposobnost mreže da postavi jasne granice nekih ili svih navedenih parametara. Statistički QoS podrazumjeva slučaj kad parametri mogu doseći postavljene granice sa nekom malom vjerovatnoćom. Garantovani QoS podrazumjeva slučaj gdje se garantuje da će parametri ostati u određenim granicama tokom cijele veze. Od mreže se zahtjeva garantovani QoS u slučaju korištenja osjetljivih servisa kakvi su npr. video-konferencije, video na zahtjev ili VoIP (Voice over IP). Originalni Ethernet standard se nikad nije zanimao kvalitetom usluga. Sav saobraćaj je tretiran isto, po principu najboljeg pokušaja. Najznačajniji koraci u omogućavanju kvaliteta usluga u Ethernet mrežama su standardi 802.1p koji određuje ponašanje mostova i preklopnika za različite klase saobraćaja (kasnije spojen sa 802.1D) i 802.1Q koji definiše proširenje Ethernet okvira informacijama o prioritetu. 802.1p dozvoljava da redovi za čekanje višeg prioriteta u mostu budu opsluženi prije redova nižeg prioriteta. Standard razlikuje sljedeće klase saobraćaja:

1. Kontrola mreže – zahtjev za sigurnim dostavljanjem u svrhu održavanja i upravljanja mrežom.

2. Glas – karakteriše se kašnjenjem manjim od 10 ms i maksimalnim džiterom. 3. Video – karakteriše se kašnjenjem manjim od 100 ms. 4. Kontrolisani teret – bitna klasa za poslovne aplikacije, obuhvata planiranje zahtjeva

za mrežom, ali i zahtjevanje propusnog opsega po toku podataka u vrijeme kad tok počinje.

5. Izuzetan pokušaj – servis tipa najboljeg pokušaja koji će davalac usluge dati najzačajnijim klijentima.

6. Najbolji pokušaj – Klasični saobraćaj u LAN mreži. 7. Pozadinski saobraćaj – razni dozvoljeni sabraćaj koji neće uticati na korisnike ili

aplikacije u mreži. EPON može da pruži prost način za kontrolisanje dozvola pristupa servisima. GATE

poruka može da se modifikuje tako da ONU-u dodjeljuje više prozora za svaku klasu saobraćaja.


4. ZAKLJUČAK

Optičko vlakno je sve bliže kućnom korisniku, pogotovo u svojoj varijanti koja nudi najbolji odnos cijene i mogućnosti koje pruža – pasivna optička mreža. EPON je standard koji je u pristupne mreže ušao ne sa strane telefonskih ili kablovskih servisa, već iz svijeta brzih privatnih LAN mreža. I APON/BPON i EPON mreže su instalirane širom razvijenih dijelova svijeta, a ista budućnost čeka i GPON mreže. Nižom cijenom u odnosu na konkurentne tehnologije i lakim integrisanjem u Ethernet okruženja, EPON predstavlja najpovoljniju opciju za krajnjeg korisnika koji želi usluge prenosa podataka, glasa i videa velikim brzinama i uz zadovoljavajući kvalitet.

EPON će kao PON tehnologija dominirati mrežama za kućne korisnike i u malim preduzećima zbog sljedećih razloga:

• EPON je sazrela i poznata tehnologija te se lako postavlja u pristupne mreže. • Kućnom korisniku pruža sve potrebne servise – telefon i faks, pristup Internetu

i kablovskoj televiziji. • Lako se može nadograditi do mreža sljedeće generacije u kojima će se

saobraćaj zasnivati na IP protokolu. Ethernet je naljbolja tehnologija Sloja 2 za podršku IP-u.

• Najveći dio IP saobraćaja se odvija preko Etherneta. Ethernet tehnologija je jeftina i globalno superiorna.

• Kućni korisnici i mala preduzeća trebaju malo ili nimalo visokokvalitetnih TDM T1/E1 servisa. Za one sa većim potrebama, kao što su velika preduzeća, GPON predstavlja odgovarajuće rješenje, mada skuplji od EPON-a u stanju je pružiti veći QoS.

Iduća generacija EPON standarda (10GEPON) će najvjerovatnije biti bazirana na WDM tehnologiji, što sa sobom nosi mogućnosti bržih i kvalitetnijih mreža za pristup.

LITERATURA 17

LITERATURA

Knjige:

1. Biswanath Mukherjee: Optical WDM Networks, Springer, 2006. 2. Chinlon Lin: Broadband Optical Access Networks and Fiber-to-the-Home, John

Wiley & Sons, 2006. 3. Dr. Sidnie Feit: Local Area High Speed Networks, New Riders Publishing, 2000. 4. Glen Kramer: Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill, 2005. 5. Lillian Goleniewski, Kitty Wilson Jarrett: Telecommunications Essentials, Second

Edition: The Complete Global Source, Addison Wesley, 2006. 6. Mark Norris: Gigabit Ethernet: Technology and Applications, Artech House, 2003. 7. Michael Beck: Ethernet in the First Mile, McGraw-Hill, 2005. 8. Sam Halabi: Metro Ethernet, Cisco Press, 2003.

Web:

1. http://www.internetworldstats.com/ 2. http://point-topic.com/ 3. http://en.wikipedia.org/

http://www.internetworldstats.com/�

http://point-topic.com/�

http://en.wikipedia.org/�

Documents

ETHERNET PASIVNE OPTIČKE MREŽE