Особенности и структура GPON.

3.1 Основные сведения о GPON

GPON является оптической сетью, работающей по схеме точка-мультиточка (PtMP) без активных элементов на пути от отправителя до получателя. Единственными устройствами, которые используются в GPON, являются пассивные оптические компоненты, такие как оптические волокна, разъемы и разветвители. Архитектура GPON минимизирует издержки за счет сокращения числа оптических трансиверов, терминалов центра управления и уменьшения длины волокон.

Все обмены в GPON осуществляются между OLT и ONU. ONU выполняет функции либо отдельного клиента (волокно-до-дома), либо множественного клиента. В направлении downstream, GPON является широковещательной средой; пакеты Ethernet передаются с помощью OLT через пассивные разветвители 1:N или через каскад разветвителей и поступают к ONU. ONU отбирает пакеты, адресованные его пользователям, и отбрасывает все остальные.

В направлении вниз по течению (CO -> абонент), кадры Ethernet передаются OLT в ONU через 1:N пассивных разветвителей. N обычно лежит между 4 и 64. Так как Ethernet является широковещательным по своей природе, в направлении вниз по течению (от сети к клиенту), он идеально подходит для работы в рамках PON: пакеты передаются широковещательно OLT и воспринимаются в ONU места назначения в соответствии с МАС-адресом.

В направлении upstream, из-за свойств направленности пассивного оптического объединителя, информационные кадры от любого ONU попадут на вход OLT, а не других ONU. В этом смысле, в направлении upstream, поведение GPON сходно с архитектурой точка-точка. Однако, в отличие от настоящих сетей точка-точка, в GPON информационные кадры от разных ONU, передаваемые одновременно, могут сталкиваться. Таким образом, в направлении upstream (от пользователя в сеть) ONU нужен некоторый механизм арбитража, чтобы исключить случаи столкновений.

Рисунок 14 – Транспорт трафика от сетевого оборудования к абонентам

Механизм конкуренции при доступе к сетевой среде (нечто сходное с CSMA/CD) достаточно трудно реализовать, так как ONU не могут детектировать столкновения в OLT (из-за свойств направленности оптических раветвителей/смесителей). OLT может детектировать столкновение и информировать ONU путем посылки сигнала jam; однако, задержки распространения в PON, где длины каналов могут превосходить 20 км, способны существенно уменьшить эффективность такой схемы. Схемы арбитража имеет также недостаток неопределенности сервиса, т.e., пропускная способность и использование канала могут характеризоваться только статистическими средними параметрами. Не существует гарантии того, что узел получит доступ к сетевой среде в течение какого-то малого интервала времени. Это не является серьезной проблемой для сети предприятия, базирующейся на алгоритме CSMA/CD, где связи коротки. Сети доступа клиентов, однако, кроме данных должны быть способны передавать голос и видео, что требует определенных ограничений на задержки доставки.

Рисунок 14 – Транспорт данных от абонента к сетевому оборудованию

Все ONU синхронизируются от общего времязадающего источника и каждому ONU выделяется определенный временной домен. Каждый домен может использоваться для передачи нескольких кадров Ethernet. ONU должен буферизовать полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его временной домен. Когда приходит его временной домен, ONU передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, которая должна соответствовать одному из стандартов Ethernet (10/100/1000/10000 Мбит/с). Если в буфере нет кадров, чтобы заполнить весь домен, передаются пустые 10-битовые символы. Возможны различные схемы выделения временных доменов, начиная от статических TDMA(Time-Division Multiple Access), до динамических, учитывающих мгновенное значение размера очереди в каждом ONU (схема статистического мультиплексирования). Возможны и другие схемы выделения временных доменов, включая схемы, использующие значение приоритета трафика, качество обслуживания QoS (Quality of Service), соглашения об уровнях обслуживания SLA (Service-Level Agreement) и т.д.

Возможна децентрализованная схема динамического предоставления временных доменов, в которой ONU решают, когда следует посылать данные и как долго это должно продолжаться. Эти схемы в какой-то мере напоминают маркерный подход, за исключение того, что здесь используется пассивное кольцо. В такой схеме каждый ONU, прежде чем передавать данные, посылает специальное сообщение, уведомляющее о числе байт, которые нужно переслать. ONU, который должен передавать следующим, (например, при карусельном алгоритме) будет мониторить передачу предшествующего ONU и начнет свою передачу так, чтобы кадр пришел в OLT сразу после завершения передачи предшествующего ONU. Таким образом, предотвращаются столкновения и потери полосы канала. Однако, эта схема имеет существенное ограничение: она требует связи между ONU. Это налагает некоторые ограничения на топологию PON; в частности, сеть должна быть выполнена в виде кольца или широковещательной звезды. Это требование нежелательно, так как может потребоваться большая длина волокон, или волокна могут быть уже уложены по другой схеме. Вообще, предпочтительный алгоритм должен поддерживать любую топологию PON точка-мультиточка.

В оптических сетях доступа, мы можем учитывать только коннективность OLT с каждым ONU (downstream трафик) и каждого ONU с OLT (upstream трафик). Это верно для всех топологий PON. Следовательно, OLT является единственным устройством, которое может осуществлять арбитраж для доступа к каналу с разделением по времени.

Проблема схемы динамического арбитража, базирующейся на OLT заключается в том факте, что OLT не знает, сколько байт буферизовал каждый ONU. Импульсивность информационного трафика мешает предсказанию уровня заполнения буфера с приемлемой точностью. Если OLT нужно осуществить присвоение временного домена, он должен знать точно состояние данного ONU. Одним из решения может быть использование схемы, базирующейся на обмене сообщениями Grant и Request. Запросы (Requests) посылаются ONU, чтобы сообщить об изменении состояния ONU, например, объема буферизованных данных. OLT обрабатывает все запросы и присваивает разные временные домены для ONU. Уведомления о присвоении доменов доставляется ONU с помощью сообщений Grant.

Преимущество централизованного принятия решения о присвоении временных доменов связано с тем, что OLT знает состояние всей сети и может перейти на другой алгоритм, если это требуется; ONU не нужно мониторировать состояние сети или согласовывать какие-либо параметры. Это делает ONU проще и дешевле, а сеть в целом надежнее.

3.2 Форматы кадров

Рассмотрим формат пакета сети GPON (рисунок 15). Практически они являются стандартными пакетами Ethernet со специфическим мультикаст-адресом места назначения и кодом Ethertype.

Коды мултикаст-адреса назначения и EtherType определяют, что это кадр медленного протокола. Стандарт 802.3 определяет несколько медленных протоколов; одним из них является LACP (Link Aggregation Control Protocol – протокол контроля агрегации каналов). Протоколы задаются кодом подтипа протокола, значение 3 выделено для OAM (Operations Administration and Maintenance). Использование протокольного МАС-адреса гарантирует корректную интерпретацию OAMPDU (PDU - Protocol Data Unit - поля данных) подуровнем MAC. Большая часть информации OAMPDU передается в формате TLV (type-length-value). Первый октет (или байт) указывет на тип данных. Этот код в программах обозначается переменной и определяет в клиенте OAM то, как следует декодировать данные. Следующий октет содержит длину информации. Этот код обычно используется, чтобы обойти массив данных, когда тип этой информации не может быть интерпретирован клиентом OAM. Последующие октеты представляют собственно информацию.

Рисунок 15 – Формат пакета GPON

В некотором смысле, начиная с со стандарта дуплексного (full duplex) Ethernet IEEE 802.3X, рудиментарным становится ограничение на минимальную длину кадра 64 байта, которое требовалось исключительно для корректной отработки механизма разрешения коллизий внутри коллизионного домена допустимого диаметра. А начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX), когда прием сигнала на физическом уровне стал синхронным, рудиментами стали и межкадровый интервал (12 байт), и столь большая (8 байт) преамбула кадра.

Технология GPON использует высвободившийся ресурс. При прохождении кадров Ethernet через сеть GPON не происходит их фрагментации. Но при этом преамбула стандартного кадра Ethernet, рисунок 15, модифицируется добавлением нескольких служебных полей, рисунок 16:

- SOP (start of packet) – поле 1 байт, указывает на начало кадра;

- Резервное поле, 4 байта;

- LLID (logical link identificator) – поле 2 байта, указывает индивидуальный идентификатор узла GPON. LLID требуется для эмуляции соединений "точка-точка" и "точка-многоточка" в сети GPON. Первый бит поля указывает режим вещания кадра (“unicast” или “multicast”). Остальные 15 бит содержат собственно индивидуальный адрес узла GPON;

- CRC (circle redundancy check) – поле 1 байт, контрольная сумма по преамбуле.

Рисунок 16 – Форматы кадров Ethernet и GPON

Фактически можно сказать, что на кадр при прохождении через сеть GPON навешивается GPON-метка. На выходе кадра из сети GPON преамбула кадра преобразуется обратно к стандартному виду – метка ликвидируется. OLT модифицирует преамбулу каждого исходящего в дерево PON кадра, в частности в преамбулу добавляется специальный тег LLID. Этот тег извлекается соответствующим подуровнем на ONT, где происходит восстановление преамбулы. Узел ONT в нормальном режиме работы, т.е. когда уже зарегистрирован, обрабатывает только те кадры, в преамбуле которых идентификатор LLID совпадает с собственным LLID.

Остальные поля кадра GPON совпадают с полями стандартного кадра Ethernet:

- DA (destination address) – поле 6 байт, указывает MAC-адрес станции назначения. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast);

- SA (source address) – поле 6 байт, указывает MAC-адрес станции отправителя;

- L/T (length/type) – поле 2 байта, содержит информацию о длине или типе кадра;

- Поле данных, переменной длины;

- Pad (наполнитель) – поле используется для дополнения кадра до минимального размера;

- FCS (frame check sequence) – поле 4 байта, контрольная последовательность кадра, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода.

Внутри сети GPON наряду с кадрами данных также передаются и служебные кадры (сообщения) (рис. 16-в). Все они имеют фиксированную длину 64 байта. Преамбула и адресные поля управляющего кадра и кадра данных GPON аналогичны. Остальные поля управляющего кадра несут следующую информацию:

- L/T – поле 2 байта, для управляющего кадра поле содержит значение 0x8809. Именно по этому полю узел GPON отличает управляющий кадр от кадра данных;

- opcode (optional code) – поле 2 байта, уточняет тип управляющего кадра. Существуют две категории управляющих кадров, отличающиеся значением этого поля: сообщения GATE, испускаемые OLT, и сообщения REPORT, испускаемые ONT;

- TS (time stamp) – поле 4 байта, содержит временную метку отправителя message – поле 40 байт, собственно в этом поле содержится служебная информация, необходимая для работы протокола MPCP.

3.3 Протокол управления многоточечным обменом (MPCP)

Для поддержки присвоения временных доменов с помощью OLT, группой IEEE 802.3ah был разработан протокол MPCP (Multi-point Control Protocol). Этот протокол базируется на двух сообщениях Ethernet: GATE и REPORT. Сообщение GATE посылается от OLT к ONU и используется для присвоения временного домена. Сообщение REPORT используется ONU для информирования OLT о своем состоянии (заполненность буфера и т.д.), чтобы помочь ему принять правильное решение о выделении временного домена. Как GATE, так и REPORT-сообщения являются кадрами управления MAC.

Существует два режима работы MPCP: автодетектирование (инициализация) и обычная работа. Режим автодетектирования используется для детектирования вновь подключенных ONU и определения RTT и MAC-адреса этого ONU. Нормальный режим используется для присвоения временных доменов всем инициализируемым ONU.

Так как в инициализации могут нуждаться более одного ONU одновременно, автодетектирование является процедурой, предполагающей конкуренцию. На верхнем уровне это осуществляется следующим образом:

- OLT выделяет стартовый временной домен, интервал времени, когда неинициализированному ONU разрешено осуществить передачу. Длительность этого домена инициализации должна быть, по крайней мере, равна <transmission size> + <maximum round-trip time> - <minimum round-trip time>, где <transmission size> равно размеру окна передачи (transmission window), которое инициализируемое ONU может использовать;

- OLT посылает инициализирующее сообщение GATE, которое уведомляет о начале инициализационного временного домена и о его протяженности. При передаче этого сообщения на более высокий протокольный МАС-уровень, MPCP присвоит ему временную метку, сопряженную с его локальным временем;

- только неинициализированные ONU откликнутся на сообщение инициализации GATE. По получении инициализационного сообщения GATE, ONU установит местное время в соответствии с полученной c GATE временной меткой;

- когда локальные часы, размещенные в ONU указывают на начало времени инициализации, ONU передаст свое сообщение (REPORT инициализации). Сообщение REPORT будет содержать адрес ONU и временную метку, характеризующую местное время ONU, когда было послано сообщение REPORT;

- когда OLT получает REPORT от неинициированного ONU, он определяет его MAC-адрес и RTT. Как показано на рис. 17, RTT для ONU равно разности времен получения сообщения REPORT, полученного OLT и временной метки, содержащейся в REPORT.

Рисунок 17 – Измерение RTT

Так как несколько неинициализированных ONU могут откликнуться на одно и то же сообщение GATE, сообщения REPORT могут сталкиваться. В этом случае ONU, чьи REPORT столкнулись не получат временного домена. Если ONU не получит временной домен в пределах интервала таймаута, он будет знать, что произошло столкновение, и попытается повторить инициализацию, пропустив случайное число инициализационных сообщений GATE. При повторных столкновениях псевдослучайная выдержка удваивается.

Дата добавления: 2015-07-11