FTTH - EPON

В Ethernet Passive Optical Network(EPON) - это PON, инкапсулирующий данные с Ethernet и обеспечивающий пропускную способность от 1 до 10 Гбит / с. EPON следует оригинальной архитектуре PON. Здесь DTE подключено к стволу дерева и называетсяOptical Line Terminal (OLT), как показано на следующем рисунке.

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

Ethernet на первой миле

Процесс стандартизации начался, когда новая исследовательская группа позвонила Ethernet in the First Mile(EFM) была основана в ноябре 2000 г., и ее основной задачей было изучение волоконно-оптического кабеля Ethernet точка-многоточка (P2MP) с медью Ethernet. Ethernet через оптоволокно точка-точка (P2P) и через сетевой рабочий механизм, администрирование и обслуживание (OAM) для облегчения работы сети и устранения неполадок. Рабочая группа EFM завершает процесс нормализации ратификациейIEEE Std 802.3ah в июне 2004 г.

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

В основе протокола EPON / MPCP лежит подуровень эмуляции точка-точка (P2P). Его скорость передачи → симметричная 1,25G; расстояние ： 10 км / 20 км; соотношение делителя spl> 1:32. EFM указывает на множество преимуществ EPON на основе Ethernet как базовой технологии, включая зрелость протоколов, простоту технологии, гибкость расширения и ориентированность на пользователей.

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

Системы банкоматов BPON

Системы на базе BPON ATM оказались очень неэффективными, поскольку подавляющая часть трафика в сети доступа состоит из больших IP-кадров и переменных размеров. Это создало возможность для разработки EPON на основе чистого Ethernet,GigE password enjoying QoSи экономичная интеграция с другим появляющимся оборудованием Ethernet. Со временем Ethernet зарекомендовал себя как идеальный транспортер для IP-трафика.

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

Разработка пассивной оптической сети (GPON), то есть стандарта с гигабитным оборудованием (серия G.984), действительно началась после предложений FSAN members (Quantum Bridge, Al)для решения ATM / Ethernet PON. Гбит / с, который не зависит от протокола, не был очень популярен в рабочей группе IEEE 802.3ah. FSAN решила использовать этот стандарт как другой, конкурирующий с ITU стандарт.

EPON и GPON в значительной степени опираются на G.983, стандарт BPON, когда дело доходит до общих концепций, которые хорошо работают (работа PON Optical Distribution Network(ODN), план длин волн и применение). Оба они предлагают свои собственные версии усовершенствований для размещения кадров IP / Ethernet большего размера с переменной скоростью Гбит / с.

Стандарт IEEE 802.3ah Ethernet определил сеть доступа, также известную как Ethernet in the First Mile. Пятый раздел IEEE802.3ah составляет стандарт IEEE Std 802.3, который соответствует определению служб и элементов протокола. Он позволяет обмениваться кадрами формата IEEE 802.3 между станциями в сети абонентского доступа.

Концепция EPON

EFM представила концепцию EPON, в которой топология сети точка-множество точек (P2MP) реализована с использованием пассивных оптических разветвителей. Однако оптоволоконный кабель Ethernet типа «точка-точка» предлагает самую высокую пропускную способность при разумной стоимости. Оптоволокно Ethernet типа «точка-многоточка» обеспечивает относительно высокую пропускную способность при более низкой стоимости. Целью стандарта IEEE Std 802.3ah было расширение области 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 городских сетях. Этот стандарт позволяет поставщикам услуг использовать множество гибких и экономичных решений для предоставления услуг широкополосного Ethernet в сетях доступа и городских сетях.

EFM охватывает семейство технологий, которые различаются типом носителя и скоростью передачи сигналов - он предназначен для развертывания в сетях одного или нескольких типов мультимедийных автоматов 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 на территории абонента, а затем подключаться к сети абонентского доступа Ethernet. Технология EFM позволяет использовать различные типы топологий для достижения максимальной гибкости.

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah включает спецификации для сетей доступа Ethernet абонента, а 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:downstream wavelength и один для общего upstream направление между пользовательскими устройствами.

EFM поддерживает полнодуплексные каналы, поэтому можно определить полнодуплексный упрощенный контроль доступа к среде (MAC). Архитектура Ethernet разделяет физический уровень наPhysical Medium Dependent (PMD), Physical Medium Attachment (PMA) и Physical Coding Sublayer (Шт).

EPON реализует сетевую топологию P2MP с соответствующими расширениями для управления MAC подуровня и подуровня согласования, а также оптическое волокно под уровнями, зависящими от физической среды (PMD), для поддержки этой топологии.

Физический слой

Для топологий P2MP компания EFM представила семейство систем сигнализации для физического уровня, производных от 1000BASE-X. Однако он включает в себя расширения RS, PCS и PMA с дополнительнымforward error correction(FEC) емкость. Подуровни 1000BASE-X PCS и PMA отображают характеристики интерфейса. Подуровень PMD (включая MDI) - услуги, ожидаемые при согласовании нижнего слоя. 1000BASE-X может быть расширен для поддержки других полнодуплексных носителей - требуется только, чтобы среда соответствовала уровню PMD.

Интерфейс средней нагрузки (MDI)

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

Зависимость от физической среды (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 расстояние не менее 10 км и 20 км (под покрытием 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, т. Е. Один PMD в нисходящем направлении идентифицируется как 1000BASE-PX10-D, а восходящий - как 1000BASE-PX10 U PMD. Одновременно в обоих направлениях используются одни и те же волокна.

PMD 1000BASE-PX-U или 1000BASE-PX-D PMD подключается к соответствующему PMA 1000BASE-X и поддерживает через MDI. PMD опционально комбинируется с функциями управления, доступ к которым можно получить через интерфейс управления. Чтобы обеспечить возможности модернизации в случае Pons 10 км или 20 км, оба PMD и PMDU 1000BASE-PX20-D, 1000BASE-PX10 могут взаимодействовать друг с другом.

Привязанность к физической среде (PMA)

PMA включает в себя функции передачи, приема, восстановления тактовой частоты и выравнивания. PMA обеспечивает независимый промежуточный путь для PCS для поддержки использования ряда серий физических носителей с битовой ориентацией. Подуровень физического кодирования (PCS) содержит функции кодирования битов. Интерфейс PCSGigabit media independent interface (GMII), который обеспечивает единый интерфейс для подуровня согласования для всех реализаций PHY со скоростью 1000 Мбит / с.

Независимый интерфейс Gigabit Media (GMII)

Интерфейс GMII относится к интерфейсу между Gigabit MAC layer и physical layer. Это позволяет смешивать несколько DTE с различными реализациями от гигабитной скоростиphysical layer. Сервисный интерфейс PCS позволяет 1000BASE-X PCS передавать информацию клиенту PCS и от него. Клиенты PCS включают MAC (через подшерсток согласования) и ретранслятор. Интерфейс PCS определяется как Gigabit Media Independent Interface (GMII).

В Reconciliation sublayer(RS) обеспечивает согласование сигналов GMII, определяющих среду управления доступом к услугам. GMII и RS используются для предоставления независимых носителей, так что идентичные носители контроллера доступа могут использоваться с любым типом медных и оптических PHY.

Уровень канала передачи данных (многоточечное управление MAC)

Протокол управления MAC был определен для поддержки и новых функций, которые должны быть реализованы и добавлены в стандарт одновременно. Это случай протокола многоточечного управления (MPCP). Протокол управления для P2MP - это одна из функций, определенных протоколом многоточечного управления.

Функциональность многоточечного управления MAC реализована для доступа к устройствам абонента, содержащим устройства физического уровня от точки к многоточечной. Обычно юрисдикции эмуляции MAC обеспечивают двухточечную услугу между OLT и ONU, но теперь добавлен дополнительный экземпляр с целью связи для всех ONU одновременно.

MPCP (протокол многоточечного управления)

MPCP очень гибкий, легко реализуемый. MPCP использует пять типов сообщений (каждое сообщение является кадром управления MAC), а ONU / ONT сообщает о нескольких границах пакета, OLT предоставляет на границе пакета - без накладных расходов на разграничение.

MPCP указывает систему между OLT и ONU, связанную с частью PON многоточечного соединения (P2MP), чтобы обеспечить продуктивную передачу информации в заголовке UPSTREAM.

MPCP выполняет следующие функции -

• MPCP управляет процессом автоматического обнаружения.
• Назначение временных интервалов / полосы пропускания для ONT.
• Справка по времени для синхронизации ONT.

MPCP представила пять новых управляющих сообщений MAC -

• Ворота, Отчет
• Зарегистрированный REQ
• Register
• Зарегистрированный ACK
• Авто Обнаружение

Сводка последовательности обнаружения сообщений

На следующем рисунке показана сводная информация о последовательности обнаружения сообщений.

DBA EPON

В EPON связь между OLT и ONY рассматривается как нисходящий поток, OLT транслирует данные нисходящего потока к ONT, используя всю полосу пропускания, а на другом конце ONT принимает сообщения, используя информацию, доступную в кадрах Ethernet. В восходящем направлении от ONT к OLT используется одноканальная связь, это означает, что один канал будет использоваться несколькими ONT, что означает конфликт данных.

Чтобы избежать этой проблемы, требуется эффективная схема распределения полосы пропускания, которая может распределять ресурсы одинаково для ONT, в то же время обеспечивая QoS, эта схема известна как Dynamic Bandwidth Allocation(DBA) алгоритм. Администратор базы данных использует сообщения отчета и шлюза для построения расписания передачи, которое будет передано терминалам ONT.

Характеристики DBA

Важной особенностью EPON является предоставление различных услуг с оптимальным QoS и эффективным распределением полосы пропускания с использованием различного распределения DBA для удовлетворения потребностей текущих и будущих приложений.

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

• Первый предназначен для учета колебаний трафика.
• Второй - обеспечить QoS для разных типов трафика.

Другими характеристиками являются предотвращение конфликтов кадров, управление трафиком в реальном времени посредством QoS и управление полосой пропускания для каждого подписчика, а также уменьшение задержки при низкоприоритетном трафике.

Формат кадра EPON

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

• Clause 64 - MокончательноPмазь Cконтроль PПротоколы PDU. Это протокол управления, реализующий необходимую логику.

• Clause 65- Эмуляция точка-точка (согласование). Это делает EPON похожим на соединение точка-точка, а MAC-адреса EPON имеют некоторые особые ограничения.

• Вместо CSMA / CD они передают, когда разрешено.

• Время прохождения стека MAC должно быть постоянным (длительность ± 16 бит).

• Необходимо поддерживать точное местное время.

Заголовок EPON

Стандартный Ethernet начинается с преамбулы 8B без содержания -

• 7B чередующихся единиц и нулей 10101010
• 1Б ЮФО 10101011

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

LLID field содержит следующие факторы -

MODE (1b) −

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

Actual Logical Link ID (15b) −

• Определяет зарегистрированные ONU
• 7FFF для трансляции

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

Безопасность

Downstream traffic осуществляет широковещательную передачу на все ONU, поэтому злоумышленнику становится легко перепрограммировать ONU и захватывать желаемые кадры.

Upstream trafficне подвергался воздействию других ONU, поэтому шифрование не требуется. Не считайте перехватчиков оптоволокна, потому что EPON не предоставляет никаких стандартных методов шифрования, но -

• Может дополняться IPsec или MACsec и
• Многие поставщики добавили проприетарные механизмы на основе AES.

BPON использовал механизм, называемый churning - Перемешивание было недорогим аппаратным решением (ключ 24b) с несколькими недостатками безопасности, такими как -

• Движок был линейным - простая атака по известному тексту.
• Ключ 24b оказался выведенным за 512 попыток.

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

QoS - EPON

Многие приложения PON требуют высокого QoS (например, IPTV), а EPON оставляет QoS на более высоких уровнях, например:

• Теги VLAN.
• P биты или DiffServ DSCP.

В дополнение к этому, существует принципиальная разница между LLID и Port-ID -

• Всегда существует 1 LLID на ONU.
• На каждый входной порт приходится 1 идентификатор порта - их может быть много на один ONU.
• Это упрощает реализацию QoS на основе портов на уровне PON.

EPON против GPON

В следующей таблице показаны сравнительные характеристики EPON и GPON.

	GPON (ITU-T G.984)	EPON (IEEE 802.3ah)
Downlink/Uplink	2,5 г / 1,25 г	1,25 г / 1,25 г
Optical Link Budget	Класс B +: 28 дБ; Класс C: 30 дБ	PX20: 24 дБ
Split ratio	1:64 -> 1: 128	1:32
Actual downlink bandwidth	2200 ~ 2300 Мбит / с 92%	980 Мбит / с 72%
Actual Uplink bandwidth	1110 Мбит / с	950 Мбит / с
OAM	Полная функция OMCI + PLOAM + встраивание OAM	Гибкая и простая функция OAM
TDM service & synchronized clock function	Собственный TDM, CESoP	CESoP
Upgradeability	10G	2,5 г / 10 г
QoS	Расписание DBA содержит T-CONT, PORTID; исправить пропускную способность / гарантировать пропускную способность / негарантийную пропускную способность / максимальную пропускную способность	Поддержка DBA, QoS поддерживается LLID и VLAN
Cost	Стоимость на 10% ~ 20% выше, чем у EPON в настоящее время, и почти такая же цена в больших объемах	-

На следующем изображении показаны различные структуры EPON и GPON -