Построение сети на основе технологии gpon

УДК 004.7

Р. Ф. Гибадуллин, А. П. Никитин, М. Ю. Перухин

ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ GPON

Ключевые слова: сети передачи данных, PON,GPON.

На услуги, такие как IP телевидение (IPTV) и просмотр высококачественного видео через Интернет, требуется высокая пропускная способность Интернет канала. В технологиях ADSL, XDSL есть некоторые ограничение по длине кабеля и пропускной способности канала. В статье предлагается использование оптического кабеля (FTTx) для решения этой проблемы. Также рассматривается Gigabit PON и дается анализ сетевой архитектуры, механизмов передачи и бюджета мощности в системах GPON. Целью работы является анализ построения сети на основе технологии GPON.

Keywords: data network, PON, GPON.

For services such as IP television (IPTV) and view high-quality video over the Internet it is required high bandwidth Internet channel capacity. There are some limitation on the length of the cable and bandwidth in the technology aADSL, XDSL. It is proposed to use an optical cable (FTTx) to solve this problem. This article discusses the Gigabit PON and analyzes network architecture, power budget and transmission mechanisms in the GPON system.

Введение

Технология пассивных оптических сетей (PONs, Passive Optical Networks) начинает свое развитие с 1995 г., когда группа из семи компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefonica и Telecom Italia) основала консорциум (FSAN, Full Service Access Network). Целью организации является разработка основ для стандартизации технологии PON и активное выведение ее на рынок для Ethernet и IP-трафика.

У исследовательской группы 15 ITU-T появилась серия базовых рекомендаций, которые более подробно обсуждаются ниже.

G.984.1 - это документ, в котором описана архитектура, а также изложены основные эксплуатационные характеристики и требования к производительности GPON-систем. В соответствии с G.984.1 при определенных условиях можно осуществлять также передачу информации на дальние расстояния (60 км) и обеспечивать высокую степень разветвления (128 абонентских узлов ONU), что выходит за рамки возможностей PON-систем.

Основы технологии GPON

Оборудование для передачи данных по технологии GPON состоит только из оптической линии, которое ориентировано на OLT (c англ.optical line terminal) и оптические сетевые устройства ONU (с англ. optical network unit) [1]. На рис. 1 показана логическая архитектура сети с вариантами использования различных типа кабелей и оборудования.

Начиная с главного устройств, только одно одно-режимное оптическое волокно проходит через оптический разветвитель (сплиттер), который делит оптическую мощность на n частей. Число разделения оптического сигнала может варьироваться от 2 до 64. При этом дальность передачи сигнала может достигать до 20 км (см. рис. 2).

Стандарты GPON позволяют выбирать различные скорости приёма и передачи данных. Например, на передачу данных от 1,2 Гбит/с и выше 2,4 Гбит/с, на загрузку 1,9 Гбит/с и выше 2,4 Гбит/с.

Рис. 1

Central office

Рис. 2

Особенности GPON

Диапазон рабочих длин волн 1480-1500 нм для передачи и 1260-1360 нм для приёма данных. В дополнение этого диапазон длин волн 1550-1560 нм может использоваться для распространения видео.

Прямая коррекция ошибок (БЕС) - математический метод обработки сигналов, который кодирует данные таким образом, что ошибки могут быть обнаружены и исправлены. В БЕС избыточная информация передается вместе с исходной информацией.

Количество избыточной информации очень мало и не влияет на работу устройств. БЕС приводит к увеличению бюджета линии связи приблизительно 3-4 дБ (dB). Таким образом, может поддерживаться высокая скорость передачи и большее

расстояние от OLT к ONU, а также большее количество разветвлений на одно дерево PON.

Трафик контейнеры

Трафик контейнеры (T-CONT) используются для управления полосой исходящего потока данных в GPON [2]. Контейнеры в первую очередь используется для улучшения пропускной способности исходящего канала. ONU посылает трафик, используя один или несколько контейнеров, которые позволяют реализовать QoS (англ. quality of service - качество обслуживания) для исходящего потока данных.

Есть пять типов контейнеров, которые могут быть назначены для пользователей:

1) гарантирует фиксированное распределение пропускной способности для чувствительного ко времени приложениям (VoIP);

2) гарантирует фиксированное распределение пропускной способности для нечувствительных ко времени приложениям;

3) минимум гарантированной полосы пропускания плюс дополнительные негарантированные;

4) динамическое распределение без какой-либо гарантированной пропускной способности;

5) смешивание все типов.

Динамическое распределение полосы пропускания

Динамическое распределение полосы пропускания (DBA) метод, который позволяет быстро менять полосу пропускания пользователя на основе текущего трафика. DBA контролируется OLT, который распределяет объем полосы пропускания для ONU. Это работает только на передачу данных.

Для того чтобы определить, какой приоритет назначить ONU, OLT должен знать информацию о загруженности контейнеров, которые связаны с ONU. ONU с трафиком передает значение статуса контейнеров, в котором указывается, сколько пакетов осталось в буфере данных.

После того, как OLT получает эту информацию, он может перераспределить приоритет различным ONU в зависимости от загруженности. Когда ONU не передает и не принимает информацию, он переходит в режим ожидания, отправляя пустую ячейку данных, показывая, что его буфер пуст. Это информирует OLT, что приоритет для этого контейнера может быть присваиваться другим контейнерам. Если ONU имеет длинные очереди ожидания в буфере, то OLT может назначить несколько контейнеров к этому ONU.

Безопасность

Основной особенностью GPON является то, что при загрузке, данные передаются всем ONU, и каждый ONU выделяет время, когда данные принадлежат ему (как TDM). Из-за этого, некоторые несанкционированные пользователи могут перепрограммировать свой собственный ONU и перехватить все данные, предназначавшиеся другим ONU, которые подключены к этому OLT. Для передачи GPON использует соединение типа точка-точка поэтому весь трафик защищен от прослушивания. При передаче вся конфиденциальная информация может быть отправлена от-

крытым текстом. Таким образом, в GPON используется рекомендация G.984.3, в котором описывается механизм использование информационной безопасности для того, чтобы пользователям был доступ только к данным, которые предназначенные только для них. При кодировании используется алгоритм шифрования Advanced Encryption Standard (AES) [3]. Его размер равняется 128, 192, и 256 байт, что делает ключи шифрования крайне трудными к лобовой атаке. Ключ может периодически меняться, не нарушая поток информации в целях повышения безопасности [4].

Защита

Защита в GPON применяется для повышения надежности функционирования сети доступа. Оно рассматривается в качестве дополнительного механизма, так как его реализация зависит от бюджета компании. Существуют два типа защиты, автоматическое переключение и принудительное. Первый срабатывает при обнаружении неисправности, например, при потери сигнала, потери кадра или ухудшении сигнала. Второй при глобальным изменении, например замена оптического волокн.

Передача данных в GPON

GPON использует GEM (GPON Encapsulation Метод) в качестве способа, который инкапсулирует данные в GPON. Хотя и любой тип данных может инкапсулироваться, фактически это зависит от служебной ситуация. GEM обеспечивает ориентированную на соединение связь. Этот метод основан на модифицированной версии рекомендации ITU-T.

Входящий трафик транслируется из OLT ко всем ONU. Каждому ONU необходимо учитывать только кадры, предназначенные для него. Длительность кадра при исходящем потоке данных составляет 125 мкс. вне зависимости от пропускной способности сети в нисходящем потоке (1,244 Гбит/с или 2,488 Гбит/с). Таким образом, кадр при скорости 1,244 Гбит/с состоит из 19440 байтов, а при скорости 2,488 Гбит/с - из 38880 байтов. Длина PCBd одинакова для обеих скоростей и зависит от числа блоков распределения, имеющих один и тот же идентификатор Allocation-ID в одном кадре. Формат кадра представлен на рис. 3.

Hjslream Гташе

•щ— -

ЛОи PLCAIAi PLSu DBRu X Payload X DBRu Y Pilcad Y | ; >[pL0u DBRu 1 Paytead l

— - — -

Рис. 3

Для исходящего трафика используется TDMA, который контролируется OLT. OLT назначает определенный временной интервал, когда ONU делает запрос на передачу данных. Формат кадра представлен на рис.4.

-N* 53 bytes-К

Рис. 4 T-CONT

T-CONT - механизм для исходящего потока QoS, в то время как методы обслуживания такого же типа CoS.

При исходящих данных полоса пропускания для ONU зависит не только от типа трафика конкретного ONU, но и от шаблонов трафика на других ONU в сети. Когда среда делится разными ONU, любая передача данных в ONU по собственной инициативе приведет к столкновению и повторной передаче, вызывая понижение производительности. Таким образом, эта общая среда создана для множественных соединений точка-точка между ONU и OLT путем использования TDMA. OLT, являясь центральной точкой, сообщает о пропускной способности для каждого ONU. На основе шаблона трафика на всех ONU он предоставляет доступ к ONU в фиксированном слоте относительно кадра исходящего потока данных. Исходящий трафик кадр можно рассматривать как разделенный на различные типы контейнеры. В GPON определены пять типов.

Тип-1. T-CONT сервис основан на периодических не запрошенных разрешениях на предоставление фиксированного распределения полезной нагрузки или мощности требованиям фиксированной полосы пропускания. Это статический тип T-CONT, не обслуживающийся DBA.

Тип-2. T-CONT предназначен для переменной битовой скорости с ограниченной задержкой и требованиями к колебаниям как в передаче видео и голоса по IP.

Тип-3. T-CONT предназначен для гарантированной задержки.

Тип-4. T-CONT - для максимально возможного трафика.

Тип-5. T-CONT комбинируется из двух или более других четырех типов, определенных выше, и в этом случае индивидуальная пропускная способность и назначение производятся на ONU (см. рис. 5).

GEM сегмент

GPON поддерживает два метода инкапсуляции: метод ATM и метод инкапсуляции GPON (GEM). При использовании GEM весь трафик отображается в сети GPON в виде общей процедуры формирования кадров SONET/SDH (GFP). GEM поддерживает встроенную передачу голоса и данных без дополнительного ATM или уровня инкапсуляции IP (см. рис. 6). GPON поддерживает скорость исходящего потока 2.5 Гбит/с и скорости всходящего потока от 155 Мбит/с до 2.5 Гбит/с.

Рис. 5

Рис. 6

Оптический разветвитель

Типичная PON подсоединяет одно волокно от OLT к нескольким устройствам оптоволоконной сети ONU. Соединение точка-много точка между OLT и несколькими ONU достигается благодаря использованию одного или нескольких пассивных разветвителей.

В середине PON находится пассивный оптический разветвитель. Это устройство имеет один вход и несколько выходов. Как правило, количество выходов равно 2П (например, 2, 4, 8 и т.д.), а оптическая мощность распределяется равномерно между выходами. По правилу оптическая мощность на каждом выходе уменьшается по отношению к входу на коэффициент n х 3.5 дБ (10xlog2n = n* 10*log2; 0.5 дБ добавляются для включения потерь в разветвитель).

Оптический разветвитель является двунаправленным устройством. Из-за этого его иногда называют разветвителем/сплиттером. Оптический сигнал затухает на ту же величину ~ (пх3.5 дБ) для обоих направлений.

Потери при разветвлении

Одним из ключевых параметров для каждого FTTH-проектировщика сети является достижимый промежуток между центральным офисом и абонентами, другими словами, максимальный оптический бюджет системы. Оптический бюджет состоит из затухания от соединителей, волокна передачи и оптических разветвителей. Оптический раз-ветвитель на сегодняшний день является самым требовательным компонентом с точки зрения потерь (потери от типичного 1х32 оптического раз-ветвителя могут составлять от 17 дБ до 18 дБ).

Архитектура и расчёт параметров сети

При построении сетей GPON в большинстве случаев используются OLT и клиентские устройство ONU. Оптическая распределенная сеть ODN

представляет собой оптическую среду, которая подключена к OLT. В неё входят оптические волокно, оптические делители, разъёмы и т.д. Основными преимуществами сетей GPON над другими уже существующими сетями, являются скорость передачи данных, а также возможность передавать данные на большие расстояния. Чтобы все это работало правильно, надо при построении учитывать многие нюансы. Основной характеристикой оптической сети является затухании. Авторами экспериментально установлено, что затухание происходит из-за того, что в ODN устройство забирает себе часть сигнала, также затухание сигнала может происходить из-за неправильного монтажа.

Дальность передачи данных зависти от мощности передатчика и приемника. Большинство организации выбирают оборудование, которое позволяет поддерживать скорость 1,244 Гбит/с. Для этой скорости рабочий бюджет оборудования составляет 22-23 дБ. Далее будет предложен примерный расчёт оптического бюджета на основе характеристик оборудования.

Расчет оптического бюджета (P) при построении PON дерева можно произвести по следующей формуле:

P=FCA*L+SL+SP, где FCA -затухание оптического волокна дБ/м, L-длина волокна; SL = затухание сигнала в соединениях волокна; SP = затухание сигнала в сплиттерах.

Допустим, мы будем использовать длину волны 1550 нм. Рассчитаем примерную длину передачи данных:

23дБ -SL-2* 0.5дБ - 2 * 0.5дБ

В таблице 1 представлены примерные значения затухания для различных оптических устройств[6].

Таблица 1 - Значения затухания оптических устройств

Устройство Затухание на 1 км

Волокно 1310 нм 0.1-0.2 дБ

Волокно 1550 нм 0.3 дБ

Оптический коннектор 0.3 дБ

Сплиттер 1:2 3 дБ

Сплиттер 1:4 7 дБ

Сплиттер 1:8 10 дБ

Сплиттер 1:16 13 дБ

Рассчитаем оптическую мощность и уровень сигнала на основе реальной сети. Схема сети изображена на рисунке 7. Общая длина оптической трассы 9982 метра. Тестирование проводилось на оборудование Raisecom КСОМ 5508. Мощность SFP +3дБм[5]. Рассчитаем оптический бюджет и сравним с реальными показателями на оборудовании. Данные будем заносить в таблицу 2.

Из полученных данных видно, что показатели могут отличаться. Эти расхождения можно объяснить тем, что оптический канал очень чувствителен и потери могут возникнуть вследствие неправильной сварки оптического волокно или неправильно монтажа. Допустимое значение расхождения не должно

превышать 10%. Максимальное значения сигнала, при котором оптическое оборудование будет работать корректно равно -30дБм. Для правильного построение сети необходимо предварительно рассчитать оптический бюджет и производить замеры сигнала на каждом участке сети.

Рис. 7

Таблица 2 -Сравнение показателей сигнала в дБм

Номер Расчетные по- Реальные пока-

Onu казатели затели

1/1 -10 -10,1

1/2 -18,1 -19,5

1/3 -18,6 -18,4

1/4 -20 -21,4

1/5 -24 -25,3

1/6 -25 -26,7

1/7 -18,7 -19,5

Заключение

На сегодняшний день GPON - самая прогрессивная и перспективная технология доступа в интернет, способная обеспечить стремительно растущие потребности в скорости обмена информацией. GPON не только полностью отвечает современным требованиям, но и обладает ресурсами и потенциалом для обеспечения развития технологий связи в будущем.

Для сравнение при использования технологии DSL максимальная скорость достигает 20 МБ/c при максимальной дальности кабеля 5 км. Анализ в статье показал, что характеристики GPON несколько раз больше.

Хотя есть и свои недостатки, например, оптический кабель очень чувствителен к изгибам, дороговизна оборудования, во многих случаях клиентские устройства не поддерживают скорость, которую им предоставляет провайдер.

GPON поддерживается и старыми сетями, при этом обладая огромным техническим потенциалам.

Конвергенция

GPON имеет самую лучшую поддержку из всех PON для гетерогенных сетей. Наиболее важным преимуществом GPON является адаптационный слой на основе GFP, который способен поддерживать любую услугу вне зависимости от того, является ли она ориентированной на пакет или на схему.

Литература

1. David Cleary, Ph.D. Fundamentals of Passive Optical Network (PON) [Электронный ресурс]. FTTH Council © 2016. URL: http://www.ftthcouncil.org/ (дата обращения: 15.04.2016).

2. David Nowak. Dynamic Bandwidth Allocation Algorithms for Differential Services enabled Ethernet Passive Optical Networks with Centralized Admission Control [Электронный ресурс]. Dublin City University © 2016. URL: http://www.dcu.ie/ (дата обращения: 16.04.2016).

3. Гибадуллин Р.Ф., Новиков А.А., Хевронин Н.В., Перу-хин М.Ю. Разработка параллельного модуля генерации

защищенной картографической базы данных // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2016. - № 10. - С.102-105.

4. Гибадуллин Р.Ф., Новиков А.А., Смирнов И.Н., Пе-рухин М.Ю. Управление доступом и защита беспроводной передачи картографической информации // Вестник технол. ун-та. - 2016. - № 8. - С.105-109.

5. Raisecom Technology Datasheet [Электронный ресурс]. Raisecom Technology Co., Ltd © 2016. URL:http://raisecomtech.com.ua/html/Products/GEPON/O LT/iscom5504_100209_en.pdf (дата обращения: 23.12.2016).

6. Памятка по расчету оптического бюджета PON [Электронный ресурс]. IC-Line.,©2016. URL:http://ic-line.ua/wiki/pon-byudget (дата обращения: 30.04.2016).

© Р. Ф. Гибадуллин - к.т.н., доц. каф. компьютерных систем Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ (КНИТУ-КАИ), landwatersun@mail.ru; А. П. Никитин - магистрант, ассистент той же кафедры, nikitin_aleks@inbox.ru; М. Ю. Перухин - к.т.н.; доцент кафедры автоматизированных систем сбора и обработки информации Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ), perukhin@inbox.ru.

© R. Gibadullin - Dr. (PhD) associate professor of computer system department of Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev - KAI (KNRTU-KAI), landwatersun@mail.ru; A. Nikitin - master student; assistant of computer system department Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev - KAI (KNRTU-KAI),nikitin_aleks@inbox.ru; M. Peruhin - Dr. (PhD), associate professor of automated systems for the collection and processing of information department of Kazan National Research Technological University, perukhin@inbox.ru.