Hozzáférési hálózatok

Átírás

1 Hozzáférési hálózatok PON Passive Optical Networks Hálózati architektúrák és rendszerek

2 Optikai adatátvitel Megnövekedett sávszélesség-igény Multimédiás szolgáltatások MPEG-1 1,5Mbps VHS minőségű kép MPEG-2 DVD minőség Jó minőségű anyag esetén 4-8 Mbps HDTV MPEG-2 tömörítéssel Mbps MPEG-4 tömörítéssel Mbps ADSL sávszélessége ehhez kevés Illetve csak nagyon rövid távolságra elég(<1km) 2

3 Optikai adatátvitel Három fő komponens: Fényforrás LED (light emitting diode), félvezető lézer Átviteli közeg Rendkívül vékony üvegszál Fényérzékelő (detektor) Ha van fényimpulzus logikai 1 bit Ha nincs logikai 0 bit A villamos jeleket fényimpulzusokká kell alakítani és vissza A detektor fény hatására elektromos impulzusokat állít elő Az adatátviteli sebességet az átalakítás sebessége határozza meg A gyakorlati sebesség egy szálon ma Gbps 3

4 Optikai adatátvitel Egy egyszerű üvegszál a gyakorlatban használhatatlan A fény elszivárog Ha a fény az egyik közegből átlép a másikba (pl. üvegből levegőbe) megtörik A visszaverődés mértéke függ a közegek fizikai jellemzőitől (törésmutató) és a beesési szögtől Ha a beesési szög nagyobb egy határértéknél, a fény visszaverődik az üvegbe 4

5 Optikai adatátvitel Többmódusú szál A fényimpulzusok hosszanti irányban szétszóródnak a szálban Egyszerre több, különböző szögben visszaverődő fénysugár halad Minden sugárnak más a módusa Olcsó megoldás, de csak kis távolságokra hatékony (500 m) Egymódusú szál Ha az üvegszál átmérője nagyon kicsi, a fény visszaverődés nélkül, egyenesen terjed Jóval drágább a szál, és nagyobb kapacitású, jobb lézereket igényel Nagyobb távolságok áthidalására sokkal jobb 50 Gbps 100 km távolságba erősítés nélkül A transzatlanti optikai kábeleknél nagyon fontos, hogy kevés erősítő legyen A gerinchálózatban csak egymódúsú szálakat használnak 5

6 Optikai adatátvitel Core (mag) Üvegszál, vezeti a fényjeleket Többmódusú szálra kb 50 μm emberi hajszál Egymódúsú szálnál kb 8-10 μm Műanyag is lehet Olcsó, de sokkal erőssebb a csillapítása Cladding (tükröző anyag) Üveg A magban tartja a fénysugarakat Kissebb a törésmutatója Coating Műanyag, védi az üveget CORE 245 μm 125 μm μm CLADDING COATING 6

7 Optikai adatátvitel Fényvezető kábelek Egy fényvezető kábelben akár 1000 fényvezető szál Gbps átviteli sebesség Egy optikai szálpáron több mint 2.5 millió párhuzamos telefonhívás Egy hasonló kapacitású sodrott érpár köteghez képest 1%-os súly és méret 7

8 Optikai adatátvitel Optikai kábel Fényjelekkel működik Nem érzékeny az elektromágneses interferenciákra Ismétlők kb. 30 km után Kismértékű hőtágulás Törékeny, viszonylag merev anyag Kémiailag stabil Réz érpár Elektromos hullámok Érzékeny az elektromágneses interferenciákra Ismétlők 5 km után Nagymértékű hőtágulás Hajlítható anyag Érzékeny a korrózióra és galvanikus reakciókra Újrahasznosítható 8

9 Sebességviszonyok Átviteli sebesség egy 100 méteres kábelen Gbps Twisted Pair Co-ax Multimode Single-mode 9

10 Sebességviszonyok Átviteli távolság 1 Gbps sebességre kilometers Twisted Pair Co-axial Multimode Single-mode 10

11 PON: Passive Optical Networks APONfő elemei: OLT -optical line terminator, tipikusan a szolgáltató kapcsolóközpontjában ODN - optical distribution network, ONU-k - optical network units, ONT optical network terminal -ez a felhasználói végberendezés Az ONU-kat az OLT-vel összekötő optikai elosztó hálózat 11

12 A PON alapelve Fastruktúrájú optikai elosztó hálózat Több felhasználó (max. 32) megoszt egy fényvezető szálat Az optikai jelet passzív szétosztók (passive splitters) segítéségével osztjuk meg több (sok) szál között, amelyek mindegyike egy-egy ONU-t köt össze Passzív elosztó: technológia: több optikai szál összecsavarásával és felmelegítésével készül a teljesítmény egyenlő arányban oszlik meg a kimeneti szálak között csillapítást iktat be, ezért a fastruktúra nem lehet tetszőleges mélységű A passzív elosztó a másik irányban egyirányú combiner, egyesíti az ONU-któl jövő jeleket az OLT felé, de az egyik ONU-tól a másikhoz nem Áramellátás csak a végeknél szükséges 12

13 Architektúrák PON Általában km OLT // // // // // // ONU Optikai splitter // // 13

14 Architektúrák Active Node Az előfizetőknek saját fényvezető száluk van Point to Point (P2P) Aktív, árammal táplált csomópontok a forgalom elosztására Ethernet switch 70 km-ig 10 km-ig // OLT // // // // ONU Active Node (powered) // // 14

15 Architektúrák Hibrid 70 km-ig 10 km-ig OLT Optikai splitter // // // // // // ONU Active Node (powered) // // // 15

16 Optical Line Terminator (OLT) ATM interface-ek ODN interface-ek... ATM switch... A hálózat felé Az előfizetőhöz 16

17 Az ITU G (FSAN) szerinti hálózati architektúra FTTH Fiber ONT O L T FTTB/C Fiber ONU Copper/VDSL ONT FTTCab Fiber ONU Copper/VDSL ONT 17

18 FTTH/B/C/Cab Az ONU helyétől függően a következő konfigurációk vannak: Fiber to the home (FTTH) Az ONU a házban van, az optika elmegy egészen az előfizetői végberendezésig (az ONU neve itt: optical network terminator (ONT). Fiber-to-the-basement/curb (FTTB/C) ONU az épületben (járdaszélen) van. Házon belüli szétosztás réz érpárakon ADSL/VDSL alkalmazásával. Fiber-to-the Cabinet (FTTCab) ONU az elosztó-szekrényben van. A házakhoz történő szétosztás réz érpárakon ADSL/VDSL alkalmazásával. A szál egy ONU-ban végződik Optical Network Unit optikai hálózategység Több helyi rézhurok vagy koax csatlakozhat hozzá Nagyon rövid hurkok, lehetséges szimetrikus nagysebességű kiterjesztés 18

19 FTTCab/VDSL 19

20 APON, EPON, WPON APON ATM PON ATM forgalmat oszt meg és juttat el az ONU-ig az ATM fizikai rétegének és részben az ATM réteg funkcionalitásának felhasználásával szinkron kommunikáció mindkét irányban és a két irány egymással is fix hosszúságú csomagok EPON Ethernet PON Ethernet keretek aszinkron kommunikáció all-ethernet hálózat WPON WDM PON az upstream kommunikáció különböző hullámhosszakon drága technológia 20

21 ATM átvitel upstream/downstreamirányban C B A A ONU A OLT C B A A B C C B A B ONU B C B A ONU C C 21

22 Optikai átvitel Downstream: nm-es sáv lamda1=1490 nm, ATM adatátvitelre lamda2=1559 nm, videóátvitelre Upstream: nm-es sáv lamda=1310 nm, amelyen valamennyi ONU osztozik TDMA protokoll alkalmazásával A G APON szabvány lehetővé teszi két egyirányú optikai szál alkalmazását az 1310 nm-es sávban 22

23 Adatok Bitsebességek: Szimmetrikusan: mindkét irányban Mbit/s Aszimmetrikusan: Mbit/s upstream és Mbit/s downstream irányban Maximális távolság egy ONU és az OLT között: 20 km Lehetséges szétosztás a passzív szétosztókban 1:16 vagy 1:32 Maximális ONU-szám 64 23

24 Frame-struktúra downstream-irány A downstream interface struktúra mind a Mbit/s-ra, mind Mbit/s-ra: időrés-folyam Időrésben: vagy egy ATM cella (53 byte) vagy egy 53 byte-os physical layer OAM (PLOAM) cella Minden 28. időrés PLOAM cellát tartalmaz Az időrések csoportjai keretekbe vannak szervezve 24

25 Frame-struktúra downstream-irány A Mbit/s-os keret: 56 időrés, 2 PLOAM, 54 ATM cella PLOAM 1 Cell 1 Cell 27 PLOAM 2 Cell 28 Cell time slots A 622 Mbit/s-os keret: 224 időrés, 8 PLOAM, 216 ATM cella PLOAM 1 Cell 1 Cell PLOAM 8 Cell 190 Cell time slots 25

26 Frame struktúra upstream-irány Cell 1... Cell 1 Cell 53 3 bytes 53 time slots Upstream-keret: 53 rés Minden rés 56 byte-ből áll, amelyből az első 3 byte overhead-információra, a fennmaradó 53 byte vagy ATM vagy PLOAM cella, vagy divided-slots cell. 26

27 Upstream overhead byte-ok Guard time: elegendő idő biztosítása két szomszédos cella között az ütközés elkerülése érdekében, minimális védő-idősáv 4 bit Delimiter: Preamble : egyedi bitsorozat, amely az ATM cella elejét jelzi, bit-szinkronizáció céljára 27

28 A szimmetrikus / Mbit/s PON keret-struktúrája PLOAM 1 Cell 1 Cell 27 PLOAM 2 Cell 28 Cell 54 Cell time slots Cell 1... Cell time slots Downstream és upstream frame-k az előzőek szerint Az upstream és downstream frame-k szinkronizálva vannak A különböző ONU-któl jövő upstream cellák a kerethez vannak illesztve a ranging eljárás segítségével (l. később) 28

29 Az aszimmetrikus / Mbit/s PON keret-struktúrája PLOAM 1 Cell 1 Cell 27 PLOAM 2 Cell 190 Cell 216 Cell time slots Cell 1... Cell time slots Adownstream adatsebesség négyszerese az upstream-nak A két irány szinkronizált, mint az előző esetben Az upstream cellák illesztése a kerethez, mint az előző esetben 29

30 A PLOAM cellák Fizikai szintű menedzsment- információ (OAM üzenetek) továbbítása downstream és upstream irányban A downstream PLOAM cellák engedélyeket ( grants ) hordozhatnak, amelyek szabályozzák az ONU-k számára az upstream irányú adást Minden PLOAM cella 27 grant-et hordoz Keretenként csak 53 grant-ra van szükség, amelyeket az első két PLOAM cella hordoz 30

31 Divided-slots cella (opcionális) ONUx 3-byte overhead Upstream slot... ONUy... Mini-slot payload 1 to 53 bytes Az ONU-któl jövő mini-slot-okból áll A 3 byte-os overhead mint az előzőekben A mini-slot a MAC protokoll által használt információt tartalmazhatja 31

32 Churning A downstream cellák titkosítása Churning key, az ONU küldi és frissíti legalább másodpercenként ONU OLT: new_churn_key üzenet További titkosítást lehet alkalmazni a magasabb rétegekben 32

33 A MAC protokoll Az OLT használja az upstream sávszélesség szétosztására az ONU-k között Minden ONU közli az upstream sorhosszát a divided-slots cell mini-résében, az OLT által küldött divided-slots cell grant -ra A MAC protokoll nincs szabványosítva, az irodalomban több MAC protokollt vizsgáltak meg, amelyek valamilyen jellemző (pl. átlagos sorhossz) alapján allokálják a sávszélességeket 33

34 Ranging Az APON-ban az ONU-k távolsága az OLT-től különböző lehet, 0 és 20 km között Ebből adódóan az upstream irányban a különböző ONT-ktől jövő cellák részben átlapolódhatnak, tehát ütközés léphet fel Ennek elkerülésére minden ONT-t egyforma virtuális távolságban helyezzük el A távolságok mérését és a megfelelő késleltetés beiktatását a ranging protokoll végzi 34

35 APON access networks Satellite Local broadcast Broadcast video ISP Metro WDM ring VoATM NSP Internet Access G/W Regional ATM net. OLT ODN ONU... VoIP Internet Video PSTN Voice G/W DS-3 Class 5 switch ONU VoATM VoIP Internet Video 35

36 EPON az Ethernet-alapú passzív optikai (hozzáférési) hálózat APON: 1995 körül az ITU-ban, amikor az ATM irányú lelkesedés még nagy volt Az Ethernet előretörése nagysebességű/optikai változatok lehetővé tették az E. alkalmazását metro és core hálózatokban, megnyílt a lehetőség a tisztán E. (all-ethernet) hálózat felé ATM Ethernet Az ATM továbbítás kevésbé hatékony nem teljes cellakihasználás az IP csomagok esetén jelentős overhead (sok adat kell a keretszervezéshez) hibák esetén rossz vonali kihasználtság (egy ATM cella meghibásodása az egész keret ill. IP csomag eldobását eredményezi Az ATM eszközök drágák 36

37 Ethernet protokoll az EPON-ban A klasszikus Ethernet-protokollok az IEEE szerint: osztott közeges (klasszikus, gyors és részben a GbE) ill. pont-pont (kapcsolt E. és 10GE) A PON topológián a kétfajta hozzáférés kombinációja downstream-irány: broadcast kommunikáció (az E. natív módja), minden ONU mindent vesz és csak a végberendezés számára szólókat továbbítja annak upstream-irány: ONU-OLT pont-pont jellegű, de az osztott közeghez hasonlóan több ONU forgalma egyidejűleg érkezik meg a splitter-combiner-hez, ütközés, közeg-hozzáférési protokollra van szükség 37

38 Downstream forgalom az EPON-ban 38

39 EPON downstream csomagok Fix időközönként küldött frame-ek, változó hosszúságú csomagokkal Szinkronizációhoz szükséges információ minden frame előtt Minden csomag fejléce megmondja ki a címzett Hibaellenőrző információ a csomag végén 39

40 A többszörös hozzáférés megvalósítása WDM később CSMA/CD Az ONU-k nem tudnak ütközést érzékelni Lehetne helyettesíteni azzal, hogy az OLT érzékel ütközést és küld szét egy zavarójelet, de nem egyszerű a különböző terjedési idők miatt Időosztás, hasonlóan az APON-hoz Felosztjuk az Ethernet kereteket (frame) fix hosszúságú részekre Egyszerűbb lesz a feltöltés 40

41 Upstream forgalom az EPON-ban 41

42 EPON upstream csomagok Az upstream forgalom frame-ekre osztva Minden ONU-nak van egy saját időszelete, melyet változó hosszúságú csomagokkal tölthet fel 42

43 További EPON-kérdések Hasonlóan az APON-hoz, meg kell oldani: A többszörös hozzáférés protokollját A különböző úthosszak miatti késleltetések kiegyenlítését titkosítást 43

44 EPON és az IEEE 802.3ah IEEE 802.3ah: Ethernet in the first mile (EFM) Ethernet az ONU és az ONT között Négy szabvány-változat három fizikai közeg: Ethernet over copper Ethernet over P2P fiber Ethernet over P2MP fiber ~ EPON OAM 44

45 IEEE 802.3ah P2MP MAC protokoll MPCP (Multipoint Control Protocol) Két fő feladat: A hálózatra csatlakozó ONU-k felderítése Egyedi adási időszakok allokálása az ONU-k számára Specifikus vezérlő üzenetek GATE OLT küldi, a vevő ONU számára engedélyezi frame-ek küldését megadott időn belül REPORT ONU küldi, az OLT-t értesíti a függőben levő adáskérésekről 45

46 WDM PON Wavelength Division Multiplexing Hullámhossz osztás Tovább növelhető a sebesség WDM Wavelength Division Multiplexing Több hullámhossz (szín) ugyanazon az üvegszálon Kezdetben csak 2 szín Ma már akár Gbit/s szálon elméletileg 1.6 Tbit/s 46

47 WDM PON Wavelength Division Multiplexing hullámhossz alapú elosztás Technikailag kiváló megoldás az upstream irányú többszörös hozzáférés megvalósítására, de egyelőre még túl drága, mert hangolható optikai vevő vagy sok vevő az OLTben különböző hullámhosszra konfigurált ONU-k, tömeggyártás? (Hangolható adó az ONU-ban nem reális) 47

48 Adatátviteli sebességek összehasonlítása PON megoldásoknál kisebb sebességek Osztott rész az OLT és az első splitter között Valamivel jobb a helyzet ha nem telített a splitter Nem 32-be, hanem csak 16- ba vagy 24-be kell osztani Active Node-nál mindenkinek saját fényvezető szála Magánfelhasználóknak általában 100 Mbps mindkét irányban Üzleti előfizetőknek akár 1 Gbps 48