Hozzáférési hálózatok

Hozzáférési hálózatok PON – Passive Optical Networks Hálózati architektúrák és rendszerek 2008.

1

Optikai adatátvitel † Megnövekedett sávszélesség-igény „

Multimédiás szolgáltatások † MPEG-1 „

1,5Mbps Æ VHS minőségű kép

† MPEG-2 „ „

DVD minőség Jó minőségű anyag esetén 4-8 Mbps

† HDTV „ „

MPEG-2 tömörítéssel 15-20 Mbps MPEG-4 tömörítéssel 10-15 Mbps

† ADSL sávszélessége ehhez kevés „

Illetve csak nagyon rövid távolságra elég(<1km)

2

Optikai adatátvitel †

Három fő komponens: „ „ „

† †

Fényforrás †

LED (light emitting diode), félvezető lézer

†

Rendkívül vékony üvegszál

† †

Ha van fényimpulzus – logikai 1 bit Ha nincs – logikai 0 bit

Átviteli közeg

Fényérzékelő (detektor)

A villamos jeleket fényimpulzusokká kell alakítani és vissza „

A detektor fény hatására elektromos impulzusokat állít elő

„

A gyakorlati sebesség egy szálon ma 10-50 Gbps

Az adatátviteli sebességet az átalakítás sebessége határozza meg

3

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

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

Optikai adatátvitel †

Core (mag) „

Üvegszál, vezeti a fényjeleket †

Többmódusú szálra kb 50 μm „

„

†

†

Egymódúsú szálnál kb 8-10 μm

†

Olcsó, de sokkal erőssebb a csillapítása

245 μm

Műanyag is lehet

125 μm

8 - 62.5 μm

Cladding (tükröző anyag) „ „

†

emberi hajszál

Üveg A magban tartja a fénysugarakat † Kissebb a törésmutatója

Coating „

Műanyag, védi az üveget

CORE CLADDING COATING

6

Optikai adatátvitel † Fényvezető kábelek †

Egy fényvezető kábelben akár 1000 fényvezető szál „

†

†

50.000 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

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

Sebességviszonyok † Átviteli sebesség egy 100 méteres kábelen 200

Gbps

150

100

50

0 Twisted Pair

Co-ax

Multimode

Single-mode 9

Sebességviszonyok

kilometers

† Átviteli távolság 1 Gbps sebességre 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Twisted Pair

Co-axial

Multimode

Single-mode 10

PON: Passive Optical Networks †

†

A PON fő 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

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

Architektúrák † PON Általában 10-20 km //

OLT // // //

//

//

ONU //

Optikai splitter // 13

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

Architektúrák † Hibrid 70 km-ig

10 km-ig

//

OLT Optikai splitter

// //

// //

ONU

//

Active Node (powered)

//

//

// 15

Optical Line Terminator (OLT) ATM interface-ek

. . .

A hálózat felé

ODN interface-ek

ATM switch

. . .

Az előfizetőhöz

16

Az ITU G.983.1 (FSAN) szerinti hálózati architektúra FTTH ONT

Fiber

O L T

FTTB/C Fiber

ONU

Copper/VDSL

ONT

FTTCab Fiber

ONU

Copper/VDSL

ONT

17

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

FTTCab/VDSL

19

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

ATM átvitel upstream/downstreamirányban

C B A

ONU A

A

C B A

C B A

OLT A B C

ONU B

B

C B A

ONU C

C

21

Optikai átvitel † Downstream: 1480-1580 nm-es sáv „ lamda1=1490 nm, ATM adatátvitelre „ lamda2=1559 nm, videóátvitelre

† Upstream: 1260-1580 nm-es sáv „ lamda=1310 nm, amelyen valamennyi ONU osztozik TDMA protokoll alkalmazásával

† A G.983.1 APON szabvány lehetővé teszi két egyirányú optikai szál alkalmazását az 1310 nm-es sávban

22

Adatok † Bitsebességek: „ Szimmetrikusan: mindkét irányban 155.52 Mbit/s „ Aszimmetrikusan: 155.52 Mbit/s upstream és 622.08 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

Frame-struktúra – downstream-irány † A downstream interface struktúra mind a 155.52 Mbit/s-ra, mind 622.08 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

Frame-struktúra – downstream-irány A 155.52 Mbit/s-os keret: 56 időrés, 2 PLOAM, 54 ATM cella PLOAM 1

Cell 1

...

Cell 27

PLOAM 2

Cell 28

...

Cell 54

56 time slots

A 622 Mbit/s-os keret: 224 időrés, 8 PLOAM, 216 ATM cella PLOAM 1

Cell 1

...

Cell 27

...

PLOAM 8 Cell 190

...

Cell 216

224 time slots 25

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

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

A szimmetrikus 155.52/155.52 Mbit/s PON keret-struktúrája

† PLOAM 1

Cell 1

...

Cell 27 PLOAM 2 Cell 28

...

Cell 54

†

56 time slots

† Cell 1

Cell 1

... 53 time slots

Cell 53

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

Az aszimmetrikus 622.08/155.52 Mbit/s PON keret-struktúrája

† PLOAM 1

Cell 1

...

Cell 27

...

PLOAM 2 Cell 190

. . . Cell 216

224 time slots

Cell 1

Cell 1

...

† † Cell 53

A downstream adatsebesség négyszerese az upstream-nak A két irány szinkronizált, mint az előző esetben Az upstream cellák illesztése a kerethez, mint az előző esetben

53 time slots

29

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

„Divided-slots” cella (opcionális)

Upstream slot

ONUx

...

ONUy

...

Mini-slot payload 1 to 53 bytes 3-byte overhead

† 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

„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

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

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

APON access networks Local broadcast

Satellite Broadcast video

Metro WDM ring

ISP Internet

ONU

NSP Regional ATM net.

Access G/W

OLT

ODN

. . .

Voice G/W DS-3 PSTN

Class 5 switch

ONU

VoATM VoIP Internet Video

VoATM VoIP Internet Video 35

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

Ethernet protokoll az EPON-ban † A klasszikus Ethernet-protokollok az IEEE 802.3 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

Downstream forgalom az EPON-ban

38

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

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

Upstream forgalom az EPON-ban

41

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

42

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

43

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

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

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 160 10 Gbit/s szálon elméletileg 1.6 Tbit/s

46

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

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 16ba vagy 24-be kell osztani

† Active Node-nál mindenkinek saját fényvezető szála „ „

Magánfelhasználóknak általában 100 Mbps mindkét irányban Üzleti előfizetőknek akár 1 Gbps 48