EPON/GEPON va GPON texnologiyasi - Vazirligi muhammad al-xorazmiy nomidagi toshkent axborot texnologiyalari universiteti

EPON/GEPON va GPON texnologiyasi
2000 yil noyabr oyida IEEE LMSC (LAN / MAN standartlari qo‘mitasi) "Ethernet birinchi milya" EFM (birinchi milyada Ethernet) 802.3ah deb nomlangan maxsus komissiyani tuzdi va shu bilan ko‘plab mutaxassislarning PON tarmog‘i arxitekturasini qurish istagini amalga oshirdi. bu keng tarqalgan Ethernet tarmoqlariga eng yaqin. Bunga parallel ravishda, 2001 yilda yaratilgan EFMA alyansi (birinchi mil alyansida Ethernet) tuzilmoqda. Aslida, EFMA alyansi va EFM komissiyasi bir-birini to‘ldiradi va standart ustida yaqindan ishlaydi. EFM IEEE doirasida texnik masalalar va standartlarni ishlab chiqishga ko‘proq e'tibor qaratgan bo‘lsa, EFMA ko‘proq yangi texnologiyalardan foydalanishning sanoat va tijorat jihatlariga qaratilgan. Birgalikda ishlashdan maqsad operatorlar va uskunalar ishlab chiqaruvchilari o‘rtasida konsensusga erishish va IEEE 802.17 RPR (Resilient Packet Ring) paket halqasi standartiga to‘liq mos keladigan IEEE 802.3ah standartini ishlab chiqishdan iborat.
EFM 802.3ah komissiyasi kirish tarmog‘i yechimining uchta turini standartlashtiradi:
EFMC (EFM mis) - buralgan mis juftlari yordamida nuqtadan nuqtaga yechim. Ushbu standart ustida ishlash deyarli yakunlandi. Asosiy kurash olib borilgan ikkita alternativadan - G.SHDSL va ADSL +, tanlov G.SHDSL foydasiga qilingan;
EFMF (EFM tolasi) nuqtadan nuqtaga tolaga asoslangan yechimdir. Bu erda turli xil variantlar standartlashtirilgan: "bir tolali, bir xil to‘lqin uzunliklarida dupleks", "bitta tola ustida dupleks, turli to‘lqin uzunliklarida", "bir juft tolalar ustida dupleks", optik qabul qiluvchilar uchun yangi imkoniyatlar;
EFMP (EFM PON) nuqtadan ko‘p nuqtaga tolaga asoslangan yechimdir. Ushbu yechim APON/BPONga muqobildir.
EPON arxitekturasining asosiy xususiyati shundaki, Ethernet ramkalari PON daraxti ichida tarqaladi. Shunday qilib, APON arxitekturasida bo‘lgani kabi, EPON tarmog‘i orqali o‘tayotganda Ethernet ramkalarining parchalanishi yo‘q (2.1-rasm). EPON tarmoq arxitekturasi APON tarmoq arxitekturasiga o‘xshaydi. EPON tarmog‘i markaziy tugun OLT (Optik liniya terminali), abonent tugunlari ONU (Optik tarmoq birligi) va passiv optik ajratgichlardan iborat.
a)
b)
1.7-rasm. а) EPON strukturasi (to‘g‘ri oqim); b) EPON strukturasi (teskari oqim)
Oldinga (pastga) oqim OLT tomonidan uzatiladigan Ethernet 802.3 freymlari orqali hosil bo‘ladi, keyin ular 1xN ajratgichdan o‘tadi va ONUlar tomonidan qabul qilinadi (2.1. a-rasm). Oldinga oqim uzatish uchun standartda 1550 nm yoki 1490 nm to‘lqin uzunligidan foydalanish rejalashtirilgan. 1490 nm to‘lqin uzunligiga afzallik beriladi, shundan beri standart eshittirish kabel televideniesi 1550 nm to‘lqin uzunligida amalga oshirilishi mumkin. To‘g‘ridan-to‘g‘ri oqimda ma'lumotlarni uzatish umumiy shinaga ega Ethernet tarmog‘ida ma'lumotlarni uzatishga o‘xshaydi, agar bitta stantsiya tomonidan chiqarilgan kadr boshqa barcha stantsiyalar tomonidan qabul qilinsa va belgilangan MAC manziliga muvofiq ular tomonidan olinadi.
Teskari (yuqori oqim) oqim 1310 nm to‘lqin uzunligidagi turli ONUlardan ma'lumotlar oqimlari orqali hosil bo‘ladi. Splitter tomonidan optik signalni uzatishning o‘ziga xos xususiyatlaridan kelib chiqqan holda, faqat OLT ONU tomonidan yuborilgan ma'lumotlarni oladi. Shunday qilib, teskari yo‘nalishda EPON tarmog‘i nuqtadan nuqtaga ulanishlar to‘plamiga o‘xshaydi. Biroq, haqiqiy nuqtadan nuqtaga arxitekturadan farqli o‘laroq, EPON turli ONU lardan oqimlarning to‘qnashmasligini ta'minlash uchun maxsus boshqaruv usuliga muhtoj. Shuning uchun, EPON-da, shuningdek, har qanday boshqa PON arxitekturasida OLT markaziy tuguni barcha ONU-lar orasida butun yuqori oqim o‘tkazish qobiliyatini bo‘lishishi va turli ONU-larga qaysi vaqtda uzatish mumkinligini ko‘rsatuvchi dispetcher vazifasini bajarishi kerak. EPON-da (ONTlar o‘rtasida yuqori oqim o‘tkazuvchanligini taqsimlash uchun) CSMA/CD mexanizmiga asoslangan yuqori oqimni boshqarish usulini amalga oshirishga urinish unchalik samarali emas. Va buning ikkita sababi bor.
Birinchidan, uzatish tezligi bo‘yicha taqqoslanadigan Gigabit Ethernet standartidagi to‘qnashuv domenining o‘lchami yuzlab metrlarni tashkil etadi, bu 20 km va undan ortiq radiusli EPON tarmog‘i uchun qabul qilinishi mumkin emas. CSMA/CD mexanizmidan foydalanish rejalashtirilgan, lekin faqat tugunni ro‘yxatga olish bosqichida.
Ikkinchidan, CSMA/CD mexanizmiga asoslangan havolalarni boshqarish ma'lum vaqt kechikishlarini kafolatlay olmaydi va TDM trafigiga (ovoz, video) xizmat qila olmaydi, boshqacha qilib aytganda, kerakli sifatdagi QoSni ta'minlay olmaydi. Yuqori oqimda deterministik ramka yetkazib berishni ta'minlash uchun to‘qnashuvni hal qilish mexanizmiga asoslangan sxemadan foydalanish mumkin emas edi. Oddiy ishda to‘qnashuvlar, ya'ni. ma'lumotlar uzatilganda butunlay chiqarib tashlanishi kerak. MPCP protokoli shunday yechimga aylandi, uning ishlashi OLT va ONU o‘rtasida almashinadigan va EPON tarmog‘idan tashqariga chiqmaydigan qo‘shimcha xizmat ko‘rsatish ramkalarini talab qildi.
Barcha ONUlar OLT markaziy tugunining yagona vaqt shkalasi bo‘yicha xizmat ko‘rsatish ramkalarini uzatish orqali sinxronlashtiriladi. Abonent tugunlari bo‘yicha ma'lumotlarni jo‘natish ruxsat etilgan vaqt oralig‘ida (vaqt oraliqlarida) amalga oshiriladi. Uzunligi OLTda rejalashtiruvchi tomonidan belgilanadigan vaqt oralig‘i bir yoki bir nechta Ethernet freymlariga mos kelishi mumkin. Vaqt oralig‘ini yuborish uchun ruxsat olinmaguncha, ONU abonent ish stantsiyalaridan olingan kadrlarni bufer qiladi.
EPON uchun optik interfeyslar an'anaviy optik tarmoqlarda qo‘llaniladiganlarga o‘xshash (1.7-rasm). Standart Gigabit Ethernet singari, EPON nominal 1250Mbps bit tezligi va 8V10V kodlash sxemasiga ega.
EPON (shuningdek, GEPON deb ataladi) quyi oqim uchun 1490 nm va yuqori oqim uchun 1310 nm da WWDM to‘lqinli multiplekslashdan foydalangan holda yagona tolali tarmoq sifatida aniqlanadi. 1550 nm oynasi boshqa xizmatlarni (kabel televideniesi yoki xususiy kanallar) qo‘shish uchun ajratilgan. EPON PMD (Jismoniy o‘rta bog‘liq) jismoniy qatlami interfeyslarning ikkita sinfini taqdim etadi: 1-sinf FP lazerlari va p-i-n fotodiodlari bilan qisqa masofalar uchun (10 kmgacha oldinga/teskari oqim energiya byudjeti 21/23 dB va bo‘linish nisbati 1:16) va DFB lazerlari va APD fotodiodlari bilan uzoq masofalar uchun 2-sinf (26/26dB oldinga/teskari energiya byudjeti va 1:16 bo‘linish nisbati bilan 20 km gacha).
1.8-rasm. GEPON/EPON pog‘ona strukturasi
EPON/GEPON texnologiyasi 2-qavatdan tashkil topgan bir nechta ramka tuzilmalarini ta'minlaydi. Bunday holda, Ethernet freymlarining EPON tarmog‘i orqali o‘tishi ularning parchalanishida sodir bo‘lmaydi. Ammo bu umuman o‘zgarishlar yo‘q degani emas. Standart Ethernet ramkasining kirish qismi (1.7-a-rasm) bir nechta xizmat ko‘rsatish maydonlarini qo‘shish orqali o‘zgartiriladi (1.7-b-rasm):
- SOP (Start of Packet) – 1 baytlik maydon, kadrning boshlanishini bildiradi;
- zahira maydoni, 4 bayt;
- LLID (Logical Link Identificator) – 2 baytlik maydon EPON tugunining individual identifikatorini bildiradi. ONT abonent tugunining bir yoki bir nechta identifikatorlari bo‘lishi mumkinligi haqidagi savol ochiq qolmoqda. LLID EPON tarmog‘ida nuqtadan nuqtaga va nuqtadan ko‘p nuqtaga ulanishlarni taqlid qilish uchun talab qilinadi. Maydonning birinchi biti kadrning eshittirish rejimini bildiradi ("unicast" yoki "multicast"). Qolgan 15 bit EPON tugunining haqiqiy individual manzilini o‘z ichiga oladi;
- CRC (Circle Redundancy Check) – 1 bayt maydon, preambula nazorat summasi.
EPON yorlig‘i EPON tarmog‘idan o‘tayotganda Ethernet ramkasiga biriktiriladi. EPON tarmog‘idan freym chiqishida freym preambulasi yana standart shaklga aylantiriladi - teg o‘chiriladi. OLT PON daraxtiga chiquvchi har bir 802.3 freymning preambulasini o‘zgartiradi, xususan, preambulaga maxsus LLID tegi qo‘shiladi. Bu teg preambula qayta tiklanadigan ONUdagi tegishli pastki qatlam tomonidan olinadi. ONU normal ishlaydi, ya'ni. allaqachon ro‘yxatdan o‘tgan bo‘lsa, faqat LLID muqaddimasi o‘zining LLID-ga mos keladigan kadrlarni qayta ishlaydi. EPON ramkasining qolgan maydonlari standart Ethernet ramkasining maydonlari bilan bir xil.
EPON tarmog‘i ichida ma'lumotlar ramkalari bilan bir qatorda xizmat ko‘rsatish ramkalari (xabarlar) ham uzatiladi. Ularning barchasi 64 baytning qattiq uzunligiga ega. EPON boshqaruv ramkasi va ma'lumotlar ramkasining kirish va manzil maydonlari o‘xshashdir. Boshqaruv ramkasining qolgan maydonlari quyidagi ma'lumotlarni o‘z ichiga oladi:
- L/T – 2 baytli maydon, boshqaruv ramkasi uchun maydon 0x8809 qiymatini o‘z ichiga oladi. Aynan shu maydon orqali EPON tuguni boshqaruv ramkasini ma'lumotlar ramkasidan ajratib turadi;
- opcode (ixtiyoriy kod) – 2 baytli maydon, boshqaruv ramkasi turini belgilaydi;
- bu maydon qiymatida farq qiluvchi ikkita toifadagi boshqaruv kadrlari mavjud: OLT tomonidan chiqarilgan GATE xabarlari va ONU tomonidan chiqarilgan reportaj xabarlari;
- TS (Time Stamp) – 4 baytli maydon, jo‘natuvchining vaqt tamg‘asini o‘z ichiga oladi;
- Xabar - 40 baytli maydon, aslida bu maydon IEEE 802.3ah qo‘mitasi tomonidan o‘zaro aloqani tashkil qilish uchun ishlab chiqilgan bir nechta tugunlarni boshqarish uchun MPCP (Ko‘p nuqtali boshqaruv protokoli) protokolining ishlashi uchun zarur bo‘lgan xizmat ma'lumotlarini o‘z ichiga oladi. markaziy tugun va abonent tugunlari.
1.9-rasm Ethernet (а) и EPON (б) kadr strukturasi
1.10-rasm. EPON boshqaruv kadr strukturasi
MPCP protokoli ikki turdagi boshqaruv freymlariga (xabarlarga) asoslanadi: GATE va Report (1.11-a,b-rasm) ISO/OSI modelining kanal va jismoniy qatlamlari doirasida (IN SCOPE). GATE xabarlari OLT dan barcha ONU larga boradi. Ularda translyatsiya rejimlari, qabul qiluvchi identifikatorlari, vaqt belgilari va boshqalar haqida ma'lumotlar mavjud. Bunga javoban ONUlar OLT ga HESOBOT xabarlarini yuboradilar, ularda ular o‘z holatlari haqida ma'lumot uzatadilar. Hisobot xabarlari OLT ga yuqori oqim o‘tkazish qobiliyatini to‘g‘ri taqsimlashda yordam beradi.
MPCP protokoli ikkita ish rejimiga ega: ishga tushirish (avtomatik ro‘yxatga olish) rejimi va normal ishlash rejimi. Shunga ko‘ra, abonent tugunlari ikki holatda bo‘lishi mumkin. OLT yangi ONUlarni topishi va ro‘yxatdan o‘tkazishi uchun ishga tushirish rejimi talab qilinadi. Bu ro‘yxatdan o‘tgan ONUga LLIDni tayinlaydi, ushbu ONU uchun RTT (Round Trip Time) ni hisoblaydi va boshqa parametrlarni aniqlaydi. Oddiy ish rejimi to‘g‘ridan-to‘g‘ri ma'lumotlarni uzatish uchun xizmat qiladi.
a)
b)
1.11-rasm. a) OLT-ONU ishga tushirish uchun qo‘shimcha xarajatlar almashinuvi
b) ONU-OLT ishga tushirish uchun qo‘shimcha xarajatlar almashinuvi
OLT vaqt oralig‘ini - yangi abonent tugunlarini ro‘yxatga olish mumkin bo‘lgan DT davomiyligini ishga tushirish oralig‘ini (OLT soatiga ko‘ra, T1 + RTTmin oralig‘ining boshlanishi) ajratadi. OLT markaziy tuguni ishga tushirish oralig‘ida ilgari ro‘yxatdan o‘tgan ONUlardan hech qanday xabar olinmasligini ta'minlashi kerak, ya'ni. OLT ularga kerakli ruxsatnomalarni oldindan berishni to‘xtatadi. Initsializatsiya oralig‘ining uzunligi DT dan kam bo‘lmasligi kerak
RTTmax - RTTmin + TREPORT,
bu yerda RTT ikki marta ish vaqti OLT-ONT-OLT yo‘li bo‘ylab optik signal o‘tish vaqti, TREPORT - HISOBOT xabarini uzatish vaqti.
1.12-rasm. Ro‘yxatdan o‘tgan ONU uchun RTTni aniqlash
OLT T1 vaqtida GATE xabarini yuboradi va shu bilan ishga tushirish jarayoni boshlanishini bildiradi. GATE xabari HESABAT javob xabari yuborilgan T2 vaqtini bildiradi. Ushbu xabarni yuqori qatlamdan MAC qatlamiga ko‘chirish orqali MPCP-ga asoslangan OLT OLTda mahalliy vaqtga mos keladigan xabar ichiga T1 vaqt tamg‘asini joylashtiradi.
GATEga faqat ro‘yxatdan o‘tmagan ONUlar javob berishi mumkin.
Ro‘yxatdan o‘tmagan ONT tuguniga GATE qabul qilinganda, vaqt tamg‘asi (boshqaruv ramkasidagi TS maydoni) o‘z vaqti uchun tugunni T1 ga o‘rnatadi.
ONUdagi mahalliy soat vaqtga yetganda, ONU HESOBOT javob xabarini yuborishni boshlaydi. Hisobot xabarida ushbu ONU ning MAC manzili va T2 vaqt tamg‘asi mavjud.
T3 vaqtida OLT ro‘yxatdan o‘tmagan ONT dan HESOBOT oladi, MAC manzilini va T2 vaqt tamg‘asini o‘qiydi va ikki marta ishlash vaqtini hisoblaydi.
RTT=(T3–T1) -(T2–T1) =T3–T2
Bir nechta ro‘yxatdan o‘tmagan ONU bir vaqtning o‘zida ro‘yxatdan o‘tishga urinishlari va GATEga o‘zlarining reportaj xabarlari bilan javob berishlari mumkinligi sababli, to‘qnashuv yuz berishi mumkin. Bunday holda, hisobot xabarlari to‘qnashgan ONU ro‘yxatga olinmaydi. ONU to‘qnashuv sodir bo‘lganligini qanday aniqlashi mumkin? ONU tuguni ro‘yxatga olish bildirishnomasini kutadi va agar belgilangan vaqtdan keyin uni olmasa, u to‘qnashuv sodir bo‘lgan deb hisoblaydi va bir nechta GATE xabarlarini o‘tkazib yuborgan holda qayta ro‘yxatdan o‘tishga harakat qiladi. O‘tkazib yuborilgan xabarlar soni ma'lum bir oraliqdan tasodifiy tanlanadi va har bir yangi to‘qnashuvdan keyin interval ikki baravar ko‘payadi. IEEE 802.3 CSMA/CD protokolidagi to‘qnashuvlarni hal qilish algoritmiga o‘xshash kesilgan eksponensial algoritm deb ataladigan algoritm qo‘llaniladi.
Agar to‘qnashuv bo‘lmasa, OLT ro‘yxatdan o‘tgan ONU MAC manziliga LLID ajratilgan yagona identifikatorni ko‘rsatuvchi GATE xabarini yuboradi. (LLID teg vazifasini bajaradi va EPON uchun Layer 2 kommutatsiyasini taqlid qilish va virtual tarmoqlarni o‘rnatish uchun talab qilinadi.)
Ushbu GATEni qabul qilgandan so‘ng, ONU normal ishlashga o‘tadi.
Oddiy ish rejimi.
Avvalo, normal ishlash uchun shuni ta'kidlash kerakki, MPCP protokoli turli ONUlar o‘rtasida yuqori oqim o‘tkazish qobiliyatini taqsimlash mexanizmi bilan bog‘liq emas. Aksincha, MPCP OLTda qabul qilingan tarmoqli kengligi taqsimlash qarorlarini ONUlarga etkazish uchun zarur bo‘lgan qo‘llab-quvvatlovchi protokoldir. Bandlarni taqsimlash to‘g‘ridan-to‘g‘ri DBA algoritmiga tayinlanadi.
OLTda DBA dispetcheri MPCP orqali har bir ONU (LLID) uchun GATE xabarlarini quyidagi ma'lumotlar bilan jo‘natadi: berilgan ONU uzatishni boshlash vaqti (boshlash) va uzatish davomiyligi (davomiyligi).
MPCP protokoli boshqaruv GATE ramkalarida vaqt belgilarini belgilash orqali OLT soati va har bir ONU soati bo‘yicha umumiy vaqtni ta'minlaydi.
1.13-rasm. O‘tkazish qobiliyatini taqsimlash sxemasi
ONU tuguni GATE (unicast) xabarini qabul qilib, uning unga qaratilganligiga ishonch hosil qiladi va uzatishning boshlanish vaqti va uzatish davomiyligi haqida bilib oladi. Albatta, OLT ONU uchun uzatishni boshlash vaqtini hisoblashda ushbu tugun uchun ma'lum RTT ni hisobga oladi. ONU har safar qabul qilingan GATE xabaridagi vaqt tamg‘asini o‘z vaqti bilan tekshirish orqali OLT bilan sinxronlashning to‘g‘riligini tekshiradi. Agar nomuvofiqlik belgilangan chegaradan oshsa, ONU sinxronizatsiyani yo‘qotgan deb hisoblaydi va normal rejimdan ishga tushirish rejimiga o‘tadi.
Agar farq belgilangan chegaradan oshmasa, u holda ONU o‘z soatini sozlab, ruxsat etilgan uzatish boshlanishini kutadi. Ajratilgan vaqt oralig‘ida bir nechta Ethernet freymlari bo‘lishi mumkin. Kadr parchalarini uzatish istisno qilinadi - agar buferdagi keyingi freym ruxsat etilgan vaqt oralig‘ining bo‘sh qismiga to‘g‘ri kelmasa, u holda kadr yuborish uchun ruxsat etilgan keyingi vaqt oralig‘ini kutadi.
ITU-T G.984.x standarti bo‘lgan GPON kirish tarmog‘i (Gigabit PON) arxitekturasini APON/BPON texnologiyasining organik davomi deb hisoblash mumkin.
Shu bilan birga, PON tarmog‘ining o‘tkazuvchanligi va turli xil ko‘p servisli ilovalarning uzatish samaradorligi oshadi. GPON ITU-T G.984.3 standarti 2003 yilda qabul qilingan. GPON texnologiyasi 622 Mbit/s dan 2,5 Gbit/s gacha uzatish tezligida kengaytiriladigan 125 mks ramka tuzilishini (SDH freymlari kabi) ta’minlaydi, quyi oqim va yuqori oqim uchun PON daraxtidagi simmetrik bit tezligini ham qo‘llab-quvvatlaydi, shuningdek, ITU standarti -T G.7041 ga asoslangan. GFP (Generic Framing Protocol, generic Framing Protocol), har qanday turdagi xizmatlarning sinxron transport protokolida inkapsulyatsiyani ta'minlaydi (jumladan, TDM vaqt bo‘limi).
Tadqiqotlar shuni ko‘rsatadiki, trafik taqsimoti va oqim o‘zgarishining eng yomon holatida ham tarmoqli kengligidan foydalanish APON/BPONda 71% ga nisbatan 93-95% ni tashkil qiladi [28-30]. Shuningdek, GPON yangi foydali funksiyalarni o‘z ichiga oladi: himoya kommutatsiyasi; xizmat qoplamasi va ma'lumotlar xavfsizligi. Taqdim etilgan: to‘liq himoya 1 + 1 va optik chiziqning qisman himoyasi 1: 1. Xizmat qoplamasi WDM multiplekslashdan foydalanish imkoniyatini taklif qiladi. Yuqori oqim ma'lumotlarini himoya qilish uchun shifrlash vositalaridan foydalaniladi. Jismoniy qatlamda Reed-Solomon RS tipidagi (Reed-Solomon kodi ITU-T J.81da ko‘rsatilgan) to‘g‘ridan-to‘g‘ri xatolarni tuzatish FEC (Forward Error Correction) taqdim etiladi. Bundan tashqari, optik transmitterlarning quvvatini nazorat qilish mumkin.
1.14-rasm. GPON pog‘ona strukturasi
Uzatilgan ma'lumotlarning tuzilishi quyi oqimda ham, yuqori oqimda ham 125 mks davom etadigan GTC (Gigabit sig‘imli passiv optik tarmoq uzatish konvergentsiyasi) ramkasi bo‘lib, u TDM xizmatlari uchun zarur bo‘lgan 8 kHz chastota bilan sinxronlashni ta'minlaydi.
|