Строительство телекоммуникационной сети доступа между крупным населённым пунктом Юкки и коттеджным посёлком Юкки в Порошкино

2.2. Основные элементы архитектуры PON и принцип действия

 

В направлении нисходящего потока все, передаваемые оборудованием OLT кадры Ethernet, принимаются каждым ONU в сети. Оборудование ONU распознает кадры, адресованные пользователям, которых оно обслуживает, и направляет их соответствующему оконечному оборудованию (или локальной сети). Кадры Ethernet, передаваемые в сети EPON, аналогичны стандартным кадрам Gigabit Ethernet за исключением первых 8 байт, которые специфичны для сети EPON.

В направлении восходящего потока оборудование ONU может передавать кадры только в течение выделенного ему интервала времени (time slot). Такое управление трафиком используется во всех пассивных оптических сетях из-за топологии точка-многоточка.

Тип сети PON обозначается дополнительной буквой перед аббревиатурой PON. Наиболее распространенными сетями PON являются:

• APON (ATM PON - пассивная оптическая сеть, использующая технологию ATM),
• BPON (Broadband PON – широкополосная пассивная оптическая сеть),
• GPON (Gigabit-capable PON - пассивная оптическая сеть, обеспечивающая гигабитные скорости передачи данных),
• EPON (Ethernet PON - пассивная оптическая сеть, использующая технологию Ethernet). 

2.2. Сравнение возможных топологий сети 

Рис.2.3. Топологии оптических сетей доступа

 

Здесь можно выделить четыре топологии  оптических сетей доступа: точка-точка, кольцо, дерево с активными узлами, дерево с пассивными оптическими элементами.

Точка-точка (P2P), рис. -а

Наиболее простая архитектура. Основной минус связан с низкой эффективностью кабельных систем. Необходимо вести отдельный ВОК из центрального офиса в каждое здание или каждому корпоративному абоненту. Данный подход может быть реализуем в том случае, когда абонентский узел (здание, офис, предприятие), к которому прокладывается выделенная кабельная линия, может использовать эти линии рентабельно.

Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до каждого абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для абонентов в лице крупных корпоративных клиентов.

Кольцо, рис. -б

Кольцевая топология  на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит так же хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений. Подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную. Так называемые «сжатые» кольца (collapsed rings) значительно снижают надежность сети. А фактически главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.

Дерево с активными узлами, рис. -в

Дерево с активными узлами — это экономичное с точки зрения использования волокна решение. Оно хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Стандарт IEEE 802.3 Ethernet давно перестали ограничивать нишей корпоративных сетей. Строящиеся по этому принципу сети могут иметь достаточно сложную и разветвленную древовидную архитектуру. Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.

Дерево с пассивным оптическим элементами PON-P2MP, рис. -г

Частным случаем, когда  в качестве пассивного оптического элемента выступает оптический разветвитель, является сеть PON, использующая топологию «точка-многоточка» P2MP (point-to-multipoint). К одному порту центрального узла может быть подключен целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом оптические разветвители, устанавливаемые в промежуточных узлах дерева, полностью пассивны и  не требуют питания и специализированного обслуживания.

В топологии P2MP за счет оптимизации размещения разветвителей можно достичь значительной экономии оптических волокон и снижения стоимости кабельной инфраструктуры. Абонентские узлы не влияют на работоспособность сети в  целом. Подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных.

Преимущества архитектуры PON сводятся, во-первых, к отсутствию промежуточных активных узлов и экономии волокон. Во-вторых, экономятся оптические приемопередатчики в центральном узле. В-третьих, нужно отметить легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не  сказывается на работе остальных).

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей, исходя из реального расположения абонентов, затрат на  прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети. К недостаткам можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

2.3. Физическая топология

Топологии оптических сетей  доступа, представленные выше, являются логическими топологиями для трафика данных. Топология сети на физическом уровне представляет собой схему соединения оптических волокон в кабелях. Физическая сеть должна иметь большой срок службы и поддерживать большое число систем передачи и различные логические топологии. Следовательно, при проектировании сети нельзя опираться на одну выбранную систему передачи и соответствующую ей логическую топологию. При проектировании физической сети необходимо придерживаться следующих принципов:

• Инфраструктура сети с ее физической топологией должна поддерживать как активные, так и пассивные сети доступа;
• Линии передачи должны иметь такие характеристики, чтобы и в будущем как можно дольше поддерживать существующие и вновь появляющиеся телекоммуникационные технологии;
• Пропускная способность сети доступа (например, число волокон, предоставляемых абоненту) должна быть достаточной для поддержания различных видов услуг и различных технологий оказания этих услуг;
• Физическая сеть должна быть спроектирована так, чтобы легко устанавливалось требуемое для различных услуг оборудование, для которого должно быть выделено достаточное пространство и обеспечены нормальные условия для работы.

2.4. Выбор топологии и сети

Основной выбор делается между топологиями точка-точка  и точка-многоточка.

Я выбираю пассивную оптическую сеть (PON) с топологией точка-многоточка, при этом нужно помнить, что только технологии EPON и GPON позволяют передавать кадры Ethernet. Сети BPON могут передавать только пакеты ATM. Сеть EPON проще, и стоимость оборудования для нее снижается более быстрыми темпами. Сеть GPON обеспечивает лучшие характеристики и более универсальна, но она сложнее и требует больших капитальных вложений. Возможность передачи по сети GPON пакетов ATM и фреймов SDH востребовано, однако, лишь небольшим числом индивидуальных абонентов, так как основной тенденцией является развитие сетей Ethernet. С другой стороны, индивидуальные абоненты - это как раз та группа пользователей, для которых наиболее важно получать услуги широкополосного доступа по умеренной цене. Обе технологии являются новыми, и развитие этих систем только началось, поэтому о реальных тенденциях изменения стоимости оборудования EPON и GPON можно будет говорить только по прошествии некоторого времени.

Максимальная скорость передачи в  сети EPON по существующему стандарту составляет 1 Гбит/с. Весной 2006 года в институте IEEE началась разработка нового стандарта сети EPON со скоростью передачи 10 Гбит/с. Этот стандарт планируется утвердить в 2009 году. Пропускная способность сети EPON может быть увеличена при использовании технологии CWDM. Это значит, например, что в сети EPON, состоящей из 16 абонентских узлов, каждому узлу может быть выделена своя длина волны, на которой он будет передавать и получать данные со скоростью 1 Гбит/с.

 Ethernet для «последней мили» и сеть EPON

Ethernet для «последней мили» (EFM - Ethernet in the First Mile) – это общее наименование технологий доступа, описанных в стандарте IEEE 802.3ah. Все технологии EFM относятся к Ethernet-технологиям и предназначены для использования в сетях доступа.

Технология Ethernet является основной для локальных сетей. В настоящее время она используется также в глобальных (WAN - wide area networks) и городских сетях (MAN - metropolitan area networks). Стандарт EFM, изданный в 2004 году, окончательно узаконил возможность использования Ethernet в сетях доступа. Использование Ethernet в сетях доступа дает следующие преимущества:

• непрерывный канал связи: LAN - MAN - WAN,
• менее сложная иерархия протоколов в сети доступа,
• использование меньшего количества оборудования, которое к тому же является более простым,
• использование меньшего количества преобразований протоколов, уменьшение задержек и увеличение пропускной способности,
• более низкая стоимость.

Стандарт IEEE 802.3ah определяет три разновидности EFM:

• EFM на основе медных кабелей (EFM copper - EFMC):
• 10 Мбит/с по одной паре телефонного кабеля на расстояние до 750 м,
• 2 Мбит/с по одной паре телефонного кабеля на расстояние до 2700 м;
• EFM на основе волоконно-оптических кабелей (EFM fibre - EFMF):
• 100 и 1000 Мбит/с по одномодовому волокну на расстояние до 10 км;
• EFM для пассивных оптических сетей (EFM PON - EFMP):
• 1000 Мбит/с по пассивной оптической сети (на основе одномодовых волокон) на расстояние до 20 км.

Технология EPON (точка-многоточка, P2MP)

Пассивная оптическая сеть, описанная в стандарте IEEE 802.3ah, называется пассивная оптическая сеть Ethernet (Ethernet Passive Optical Network - EPON). Сеть EPON также как сети BPON и GPON имеет топологию точка-многоточка (point-to-multipoint - P2MP).

Структура сети EPON показана на рис. 2.4. Скорость передачи в сетях EPON составляет 1 Гбит/с. Важнейшие физические характеристики EPON приведены в табл. 2.1.

Как видно из табл. 2.1. сеть EPON использует для связи одно волокно. Скорость передачи в обоих направлениях составляет 1000 Мбит/с или 1 Гбит/с. Для передачи сигналов в разных направлениях используются разные длины волн. Как и во всех пассивных оптических сетях PON сетевое оборудование узла доступа сети EPON называют оптическим линейным терминалом (optical line terminal – OLT), а оборудование абонентского узла – оптическим сетевым устройством (optical network unit - ONU).

Рис. 2.4. Структура сети EPON

Таблица 2.1. Физические характеристики сети EPON

	1000BASE- PX10-U	1000BASE- PX10-D	1000BASE- PX20-U	1000BASE- PX20-D
Тип волокна	Одномодовое волокно IEC 60793-2: B1.1, B1.3 (ITU-T G.652.D)
Число волокон	1
Длина волны	1310 нм	1490 нм	1310 нм	1490 нм
Направление передачи	Восходящий поток	Нисходящий поток	Восходящий поток	Нисходящий поток
Максимальное расстояние	10 км		20 км
Максимальное затухание	20 дБ	19,5 дБ	26 дБ	24,5 дБ
Минимальное затухание	5 дБ		10 дБ

 

Для управления трафиком сети EPON необходим дополнительный протокол канального уровня (2 уровень модели OSI), в качестве которого используется протокол Multipoint MAC Control (MPMC). Протокол MPMC использует для управления трафиком три типа сообщений длиной 64 байта: GATE (строб), REPORT (уведомление) и REGISTER (регистрация). Сообщение GATE передается от оборудования OLT к ONU и содержит информацию о начале и длительности временного интервала, зарезервированного для посылаемых оборудованием ONU кадров. В сообщении GATE используется информация, полученная в сообщении REPORT, которое посылается оборудованием ONU. Сообщение REPORT содержит информацию о количестве байт данных в буфере ONU и предупреждает оборудование OLT, что ONU подключилось к сети. Оборудование OLT также использует протокол MPMC для определения времени распространения и расстояния до каждого ONU. Информация о времени распространения необходима для выделения временных интервалов оборудованиию ONU.