FTTH — EPON

Пассивная оптическая сеть Ethernet (EPON) представляет собой PON-инкапсуляцию данных с Ethernet и может предлагать пропускную способность от 1 Гбит / с до 10 Гбит / с. EPON следует оригинальной архитектуре PON. Здесь DTE подключен к стволу дерева и называется терминалом оптической линии (OLT), как показано на следующем рисунке.

Обычно он находится у поставщика услуг, а подключенные ветви дерева DTE называются Optical Network Unit (ONU), расположенными в помещении абонента. Сигналы от OLT проходят через пассивный сплиттер для достижения ONU и наоборот.

Ethernet в Первой Миле

Процесс стандартизации начался, когда в ноябре 2000 года была создана новая исследовательская группа под названием « Ethernet на первой миле» (EFM), основной задачей которой было изучение оптоволокна «точка-многоточка» (P2MP) Ethernet с медным Ethernet. Ethernet по оптоволокну «точка-точка» (P2P) и по сетевому механизму управления, администрирования и обслуживания (OAM) для облегчения работы сети и устранения неполадок. Рабочая группа EFM завершает процесс нормализации ратификацией стандарта IEEE Std 802.3ah в июне 2004 года.

Продукт EFM (Ethernet в первой миле). Технология PON, основанная на Ethernet. Он основан на главном стандарте — IEEE 802.3ah. На основе протокола многоточечного управления (MPCP), определенного как функция в подуровне управления MAC, для управления доступом к топологии P2MP.

Основа протокола EPON / MPCP лежит в подуровне эмуляции точка-точка (P2P). Его скорость передачи составляет → симметричный 1,25G; Расстояние: 10 км / 20 км; коэффициент разветвления:> 1:32. EFM указывает на многие преимущества EPON на основе Ethernet как базовой технологии, включая зрелость протоколов, простоту технологии, гибкость расширения и ориентированность на пользователя.

Система EPON не выбирает дорогое оборудование ATM и оборудование SONET, что делает ее совместимой с существующей сетью Ethernet. Это упрощает структуру системы, снижает стоимость и делает ее гибкой для обновления. Продавцы оборудования фокусируются на оптимизации функций и практичности.

BPON ATM Systems

Системы на базе BPON ATM оказались очень неэффективными, так как подавляющее большинство трафика в сети доступа состоит из больших IP-фреймов и переменных размеров. Это дало возможность разработать EPON на основе чистого Ethernet, пароль GigE с QoS и рентабельную интеграцию с другим появляющимся оборудованием Ethernet. Со временем Ethernet зарекомендовал себя как идеальный транспортер для IP-трафика.

Соответственно, стандарт 802.3ah IEEE 802.3ah поручил рабочей группе «Ethernet на первой миле» разработать стандарты для сетей с двухточечным и многоточечным доступом, причем последняя указывает на Ethernet PON. EPON в настоящее время является частью стандарта Ethernet.

Разработка пассивной оптической сети (GPON), то есть стандарта, оснащенного гигабитами (серия G.984), действительно началась после того, как члены FSAN (Quantum Bridge, Al) предложили решение ATM / Ethernet PON. Gbps, который не зависит от протокола, не был очень популярен в рабочей группе IEEE 802.3ah. FSAN решил использовать это в качестве другого конкурирующего стандарта с МСЭ.

EPON и GPON в значительной степени опираются на G.983, стандарт BPON, когда дело доходит до общих концепций, которые хорошо работают (работа с оптической распределительной сетью PON (ODN), план длины волны и применение). Они оба предлагают свою собственную версию улучшений, чтобы приспособить кадры IP / Ethernet большего размера с переменными скоростями Гбит / с.

Сеть доступа стандарта IEEE 802.3ah Ethernet указана и также называется Ethernet в Первой Миле. Пятый раздел IEEE802.3ah составляет стандарт IEEE Std 802.3, который соответствует определению служб и элементов протокола. Это позволяет обмениваться кадрами формата IEEE 802.3 между станциями в сети абонентского доступа.

Концепция ЭПОН

EFM представила концепцию EPON, в которой топология сети «точка-многоточка» (P2MP) реализована с использованием пассивных оптических сплиттеров. Однако двухточечное оптоволокно Ethernet предлагает самую высокую полосу пропускания при разумных затратах. Ethernet Двухточечное оптоволокно обеспечивает относительно высокую пропускную способность при меньших затратах. Целью стандарта IEEE Std 802.3ah было расширение применения Ethernet для включения абонентских сетей доступа для обеспечения значительного увеличения производительности при минимизации затрат на эксплуатацию и обслуживание оборудования.

Заключение стандарта IEEE 802.3ah EFM значительно расширяет диапазон и охват транспорта Ethernet для использования в сетях доступа и метро. Этот стандарт предоставляет поставщикам услуг множество гибких и экономически эффективных решений для предоставления услуг широкополосного Ethernet в сетях доступа и метро.

EFM охватывает семейство технологий, которые различаются по типу носителей и скорости передачи сигналов. Он предназначен для развертывания в сетях типа или нескольких носителей FSM, а также для взаимодействия со смешанными 10/100/1000/10000 Мб / с сети Ethernet. Любая сетевая топология, определенная в IEEE 802.3, может использоваться в помещении абонента и затем подключаться к сети доступа абонента Ethernet. Технология EFM позволяет использовать различные типы топологий для достижения максимальной гибкости.

IEEE Std 802.3ah

Стандарт IEEE Std 802.3ah включает спецификации для сетей доступа Ethernet абонента, а стандарт IEEE Std 802.3ah EPON поддерживает номинальную скорость около 1 Гбит / с (с возможностью расширения до 10 Гбит / с) для каждого канала. Они определяются двумя длинами волн: нисходящей длиной волны и одной для общего восходящего направления между пользовательскими устройствами.

EFM поддерживает полнодуплексные каналы связи, поэтому можно определить упрощенное управление доступом к среде (MAC) в полнодуплексном режиме. Архитектура Ethernet делит физический уровень на физически-зависимый (PMD), физический носитель (PMA) и подуровень физического кодирования (PCS).

EPON реализует топологию сети P2MP с соответствующими расширениями для контроля MAC подслоев и подуровней и оптического волокна на уровнях, зависящих от физической среды (PMD), для поддержки этой топологии.

Физический слой

Для топологий P2MP EFM представила семейство систем сигнализации для физического уровня, которые получены из 1000BASE-X. Однако он включает в себя расширения RS, PCS и PMA с дополнительной возможностью прямого исправления ошибок (FEC). Подслои 1000BASE-X PCS и PMA отображают характеристики интерфейса. Подуровень PMD (включая MDI) услуги, ожидаемые при сверке грунтовки. 1000BASE-X может быть расширен для поддержки других полнодуплексных сред — требуется только, чтобы среда соответствовала уровню PMD.

Интерфейс средней нагрузки (MDI)

Это интерфейс между PMD и физическим носителем. Он описывает сигналы, физическую среду, а также механические и электрические интерфейсы.

Физическая среда Зависимая (PMD)

PMD отвечает за интерфейс со средой передачи. PMD генерирует электрические или оптические сигналы в зависимости от природы подключенной физической среды. Соединения 1000BASE-X через PON на расстоянии не менее 10 и 20 километров (грунтовки 1000BASE-PX10 и 1000BASE-PX20 PMD) обеспечивают P2MP.

В PON Ethernet суффиксы D и U указывают PMD на каждом конце канала, который передает в этих направлениях и принимает в противоположном направлении, то есть один нисходящий PMD идентифицируется как 1000BASE-PX10-D и восходящий 1000BASE-PX10 U PMD. Одни и те же волокна используются одновременно в обоих направлениях.

PMD 1000BASE-PX-U или PMD 1000BASE-PX-D подключены к соответствующему PMA 1000BASE-X и для поддержки через MDI. При необходимости PMD сочетается с функциями управления, доступ к которым осуществляется через интерфейс управления. Чтобы обеспечить возможность обновления в случае 10-километрового или 20-километрового Pons, и 1000BASE-PX20-D, и 1000BASE-PX10 PMD и PMDU могут взаимодействовать друг с другом.

Физическая средняя привязанность (PMA)

PMA включает в себя функции передачи, получения, восстановления часов и выравнивания. PMA обеспечивает независимый промежуточный путь для PCS для поддержки использования ряда бит-ориентированных серий физических носителей. Подуровень физического кодирования (PCS) содержит функции кодирования битов. Интерфейс PCS — это гигабитный независимый от среды интерфейс (GMII), который обеспечивает единый интерфейс для подуровня Согласования для всех реализаций PHY 1000 Мбит / с.

Гигабитный медиа-независимый интерфейс (GMII)

Интерфейс GMII относится к интерфейсу между гигабитным MAC-уровнем и физическим уровнем . Это позволяет использовать несколько DTE, смешанных с различными реализациями со скоростного гигабитного физического уровня . Сервисный интерфейс PCS позволяет 1000BASE-X PCS передавать информацию клиенту PCS и от него. К клиентам PCS относятся MAC (через промежуточный слой сверки) и ретранслятор. Интерфейс PCS определен именно как Gigabit Media Independent Interface (GMII).

Подуровень согласования (RS) обеспечивает согласование сигналов GMII, определяющих среду управления доступом к услуге. GMII и RS используются для предоставления независимых носителей, так что в контроллере доступа идентичные носители могут использоваться с любым типом меди и оптической PHY.

Канальный уровень (многоточечный контроль MAC)

Протокол управления MAC был указан для поддержки и новых функций, которые должны быть реализованы и добавлены в стандарт одновременно. Это случай протокола многоточечного управления (MPCP). Протокол управления к P2MP является одной из функций, определенных протоколом многоточечного управления.

Функциональность многоточечного управления MAC-адресами реализована так, чтобы устройства доступа абонента, содержащие устройства физического уровня, указывали на многоточечность. Как правило, юрисдикции эмуляции MAC предоставляют двухточечную услугу между OLT и ONU, но в настоящее время добавлен дополнительный экземпляр с целью связи для всех ONU одновременно.

MPCP (протокол многоточечного управления)

MPCP очень гибок, прост в реализации. MPCP использует пять типов сообщений (каждое сообщение представляет собой кадр управления MAC), и ONU / ONT сообщает о множественных границах пакета, OLT предоставляет на границе пакета — никаких накладных расходов на разграничение.

MPCP указывает систему между OLT и ONU, связанными с частью PON многоточечного соединения (P2MP), для обеспечения продуктивной передачи информации в заголовке UPSTREAM.

MPCP выполняет следующие функции —

• MPCP контролирует процесс автоматического обнаружения.
• Временной интервал / назначение полосы пропускания для ONT.
• Временная ссылка предоставляется для синхронизации ONT.

MPCP представил пять новых управляющих сообщений MAC —

• Ворота, Отчет
• Зарегистрированный REQ
• регистр
• Зарегистрированный ACK
• Авто Discovery

Сводка последовательности обнаружения сообщений

На следующем рисунке показана сводка последовательности обнаружения сообщений.

DBA EPON

В EPON обмен данными между OLT и ONY рассматривается как нисходящий, OLT транслирует нисходящие данные в направлении ONT, используя всю полосу пропускания, а на другом конце ONT получает изображения, используя информацию, доступную в кадрах Ethernet. Восходящий канал от ONT к OLT использует одноканальную связь, что означает, что один канал будет использоваться несколькими ONT, что означает коллизию данных.

Чтобы избежать этой проблемы, требуется эффективная схема выделения полосы пропускания, которая может распределять ресурсы в равной степени по ONT, в то же время обеспечивая QoS, эта схема называется алгоритмом динамического распределения полосы пропускания (DBA). Администратор баз данных использует сообщения отчета и стробирующие сообщения для построения расписания передачи, которое должно быть передано в ONT.

Характеристики DBA

Важной особенностью EPON является предоставление различным службам оптимального QoS и эффективного распределения полосы пропускания с использованием различного распределения DBA для удовлетворения потребностей текущих и будущих приложений.

В настоящее время следующие два типа алгоритмов DBA доступны для EPON:

• Первый предназначен для учета колебаний трафика.
• Вторым является обеспечение QoS для разных типов трафика.

Другими характеристиками являются предотвращение коллизий кадров, управление трафиком в реальном времени через QoS и управление полосой пропускания для каждого подписчика, а также уменьшение задержки для трафика с низким приоритетом.

EPON Frame Format

Работа EPON основана на Ethernet MAC, а кадры EPON основаны на кадрах GbE, но необходимы расширения —

• Пункт 64 — Утилиты P — Controller P rotocol PDU. Это протокол управления, реализующий требуемую логику.

• Статья 65 — Эмуляция точка-точка (согласование). Это делает EPON похожим на двухточечное соединение, а у EPON MAC есть некоторые особые ограничения.

• Вместо CSMA / CD они передают когда предоставлено.

• Время через стек MAC должно быть постоянным (± 16-битная длительность).

• Точное местное время должно быть сохранено.

Пункт 64 — Утилиты P — Controller P rotocol PDU. Это протокол управления, реализующий требуемую логику.

Статья 65 — Эмуляция точка-точка (согласование). Это делает EPON похожим на двухточечное соединение, а у EPON MAC есть некоторые особые ограничения.

Вместо CSMA / CD они передают когда предоставлено.

Время через стек MAC должно быть постоянным (± 16-битная длительность).

Точное местное время должно быть сохранено.

EPON Заголовок

Стандартный Ethernet начинается с преамбулы, практически не содержащей контента, —

• 7B переменных и нулей 10101010
• 1B SFD 10101011

Чтобы скрыть новый заголовок PON, EPON перезаписывает некоторые байты преамбулы.

Поле LLID содержит следующие факторы —

РЕЖИМ (1b) —

• Всегда 0 для ONU
• 0 для одноадресной передачи OLT, 1 для многоадресной / вещательной OLT

Фактический логический идентификатор ссылки (15b) —

• Определяет зарегистрированные ONU
• 7FFF для трансляции

CRC защищает от SLD (байт 3) через LLID (байт 7).

Безопасность

Нисходящий трафик транслируется на все ONU, поэтому злоумышленнику становится проще перепрограммировать ONU и захватывать нужные кадры.

Восходящий трафик не подвергался воздействию других ONU, поэтому шифрование не требуется. Не рассматривайте оптоволоконные устройства, потому что EPON не предоставляет никакого стандартного метода шифрования, но —

• Можно дополнить IPsec или MACsec и
• Многие поставщики добавили собственные механизмы на основе AES.

В BPON использовался механизм, называемый « взбалтывание» — «Сжатие» было недорогим аппаратным решением (ключ 24b) с несколькими недостатками безопасности, такими как —

• Двигатель был линейным — простая атака по известному тексту
• Ключ 24b оказался выводимым за 512 попыток.

Поэтому в G.983.3 добавлена ​​поддержка AES, которая теперь используется в GPON.

QoS — EPON

Многие приложения PON требуют высокого QoS (например, IPTV), а EPON оставляет QoS более высоким уровням, таким как —

• Теги VLAN.
• P бит или DiffServ DSCP.

В дополнение к этому, есть существенная разница между LLID и Port-ID —

• Всегда есть 1 LLID на ONU.
• Для каждого входного порта существует 1 идентификатор порта — их может быть много на ONU.
• Это делает QoS на основе портов простым для реализации на уровне PON.

ЭПОН против ГПОН

Следующая таблица иллюстрирует сравнительные характеристики EPON и GPON —

	GPON (ITU-T G.984)	EPON (IEEE 802.3ah)
Downlink / Uplink	2.5G / 1.25G	1.25G / 1.25G
Оптическая связь Бюджет	Класс B +: 28 дБ; Класс C: 30 дБ	PX20: 24 дБ
Коэффициент разделения	1:64 -> 1: 128	1:32
Фактическая пропускная способность нисходящей линии связи	2200 ~ 2300 Мбит / с 92%	980 Мбит / с 72%
Фактическая пропускная способность восходящей линии связи	1110Mbps	950Mbps
OAM	Полная функция OMCI + PLOAM + вставка OAM	Гибкая и простая функция OAM
TDM сервис и функция синхронизированных часов	Родной TDM, CESoP	CESoP
Модернизируемость	10G	2.5G / 10G
QoS	Расписание DBA содержит T-CONT, PORTID; фиксированная пропускная способность / гарантированная пропускная способность / негарантированная пропускная способность / максимальная пропускная способность	Поддержка DBA, QoS поддерживается LLID и VLAN
Стоимость	Стоимость на 10% ~ 20% выше, чем у EPON в настоящее время, и почти такая же цена в большом объеме.	—

На следующем рисунке показаны различные структуры EPON и GPON.