FTTH - EPON

FTTH - EPON

A rede óptica passiva Ethernet (EPON) é um PON que encapsula dados com a Ethernet e pode oferecer capacidade de 1 Gbps a 10 Gbps. O EPON segue a arquitetura original de um PON. Aqui, o DTE se conectou ao tronco da árvore e chamou o Terminal de Linha Ótica (OLT), como mostra a ilustração a seguir.

Geralmente, ele está localizado no provedor de serviços, e os ramos DTE conectados da árvore são chamados de Unidade de Rede Óptica (ONU), localizados nas instalações do assinante. Os sinais da OLT passam por um divisor passivo para alcançar a ONU e vice-versa.

Ethernet na primeira milha

O processo de padronização começou quando um novo grupo de estudos chamado Ethernet na Primeira Milha (EFM) foi estabelecido em novembro de 2000, tendo como objetivos principais o estudo da fibra ponto-a-multiponto Ethernet (P2MP) com cobre Ethernet. Ethernet sobre fibra ponto a ponto (P2P) e sobre um mecanismo operacional de rede, Administração e Manutenção (OAM) para facilitar a operação e a solução de problemas da rede. O grupo de trabalho EFM encerra o processo de normalização com a ratificação do IEEE Std 802.3ah em junho de 2004.

Um produto da EFM (Ethernet na primeira milha). Uma tecnologia PON baseada em Ethernet. É baseado em um padrão Maior - IEEE 802.3ah. Com base no MPCP (Multi-Point Control Protocol), definido como uma função na sub-camada de controle MAC, para controlar o acesso a uma topologia P2MP.

A base do protocolo EPON / MPCP está na subcamada de emulação ponto a ponto (P2P). Sua taxa de transmissão é → 1,25G simétrica; distância: 10KM / 20KM; proporção do divisor:> 1:32. O EFM aponta muitas vantagens do EPON com base na Ethernet como tecnologia principal, incluindo maturidade de protocolos, tecnologia simples, flexibilidade de extensão e orientação para os usuários.

O sistema EPON não escolhe hardware caro de ATM e equipamentos SONET, tornando-o compatível com a rede Ethernet existente. Simplifica a estrutura do sistema, diminui o custo e torna-se flexível para atualizar. Os fornecedores de equipamentos se concentram em otimizar a função e a praticabilidade.

BPON ATM Systems

Os sistemas baseados em ATM BPON provaram ser muito ineficientes, pois a grande maioria do tráfego na rede de acesso consiste em grandes quadros IP e tamanhos variáveis. Ele criou a oportunidade para o desenvolvimento de EPON puro baseado em Ethernet, senha GigE desfrutando de QoS e integração econômica com outros equipamentos Ethernet emergentes. Ao longo do tempo, a Ethernet provou ser o transportador ideal para tráfego IP.

Assim, o padrão 802.3 IEEE 802.3ah instruiu o grupo de trabalho "Ethernet na primeira milha" com o desenvolvimento de padrões para redes de acesso ponto a ponto e ponto a multiponto, o último indicando Ethernet PON. Atualmente, o EPON faz parte do padrão Ethernet.

O desenvolvimento da rede óptica passiva (GPON), isto é, o padrão equipado com Gigabit (série G.984) realmente começou após as propostas dos membros da FSAN (Quantum Bridge, Al) para uma solução PON ATM / Ethernet. O Gbps, independente do protocolo, não era muito popular no grupo de trabalho IEEE 802.3ah. A FSAN decidiu buscar isso como um padrão concorrente diferente da UIT.

O EPON e o GPON baseiam-se fortemente no G.983, o padrão do BPON, quando se trata de conceitos gerais que funcionam bem (operando a Rede de Distribuição Óptica (ODN) da PON, plano de comprimento de onda e aplicação). Ambos oferecem sua própria versão de aprimoramentos para acomodar quadros IP / Ethernet de melhor tamanho a taxas variáveis de Gbps.

A rede de acesso especificada no padrão Ethernet IEEE 802.3ah e também conhecida como Ethernet na Primeira Milha também. A seção cinco da IEEE802.3ah compõe o IEEE Std 802.3 que corresponde à definição de serviços e elementos de protocolo. Permite a troca de quadros no formato IEEE 802.3 entre estações em uma rede de acesso de assinantes.

Conceito de EPON

A EFM introduziu o conceito de EPON, no qual uma topologia de rede ponto a multiponto (P2MP) é implementada com divisores ópticos passivos. No entanto, a fibra ponto a ponto Ethernet oferece a maior largura de banda a um custo razoável. A fibra ponto a multiponto Ethernet fornece largura de banda relativamente alta a um custo menor. O objetivo do IEEE Std 802.3ah era estender a aplicação da Ethernet para incluir redes de acesso aos assinantes, proporcionando um aumento significativo no desempenho e minimizando os custos de operação e manutenção do equipamento.

A conclusão do padrão IEEE 802.3ah EFM expande significativamente o alcance e o alcance do transporte Ethernet para uso em redes de acesso e metrô. Esse padrão permite aos provedores de serviços uma variedade de soluções flexíveis e econômicas para o fornecimento de serviços Ethernet de banda larga nas redes de acesso e metrô.

O EFM abrange uma família de tecnologias que diferem no tipo de mídia e velocidade de sinalização - ele foi projetado para ser implantado nas redes de um tipo ou vários meios FSM, além de interagir com redes mistas de 10/100/1000/10000 Mb / s redes Ethernet. Qualquer topologia de rede definida no IEEE 802.3 pode ser usada nas instalações do assinante e depois conectada a uma rede de acesso ao assinante Ethernet. A tecnologia EFM permite diferentes tipos de topologias para obter a máxima flexibilidade.

IEEE Std 802.3ah

O IEEE Std 802.3ah inclui especificações para redes de acesso Ethernet do assinante e o IEEE Std 802.3ah EPON suporta uma taxa nominal de cerca de 1 Gb / s (expansível para 10 Gb / s) para cada canal. Eles são definidos por dois comprimentos de onda: um comprimento de onda a jusante e outro para a direção a montante compartilhada entre os dispositivos do usuário.

O EFM suporta links full-duplex, para que possa ser definido um MAC (Media Access Control) simplificado full-duplex. A arquitetura Ethernet divide a camada física em um Dependente do meio físico (PMD), Anexo físico médio (PMA) e Subcamada de codificação física (PCS).

O EPON implementa uma topologia de rede P2MP com extensões apropriadas para o controle MAC da subcamada e da subcamada de reconciliação e fibra óptica em camadas dependente do meio físico (PMD) para suportar essa topologia.

Camada física

Para topologias P2MP, a EFM introduziu uma família de sistemas de sinalização para a camada física derivada do 1000BASE-X. No entanto, inclui extensões do RS, PCS e PMA, com uma capacidade opcional de correção direta de erros (FEC). As subcamadas 1000BASE-X PCS e PMA mapeiam as características da interface. A subcamada PMD (incluindo MDI) dos serviços esperados pela reconciliação do subpêlo. O 1000BASE-X pode ser estendido para suportar outras mídias full duplex - requer apenas que o ambiente seja consistente com o nível de PMD.

Interface de carga média (MDI)

É a interface entre o PMD e a mídia física. Ele descreve os sinais, a mídia física e as interfaces mecânicas e elétricas.

Dependente do meio físico (PMD)

O PMD é responsável pela interface com o meio de transmissão. O PMD gera sinais elétricos ou ópticos, dependendo da natureza do meio físico conectado. As conexões 1000BASE-X sobre PON a pelo menos 10 e 20 quilômetros (sub-camadas 1000BASE-PX10 e 1000BASE-PX20 PMD) fornecem P2MP.

Em uma Ethernet PON, os sufixos D e U indicam PMD em cada extremidade do link, que transmite nessas direções e recebe na direção oposta, ou seja, um único PMD a jusante é identificado como 1000BASE-PX10-D e 1000BASE-PX10 U a montante PMD. As mesmas fibras são usadas simultaneamente em ambas as direções.

Um PMD 1000BASE-PX-U ou PMD 1000BASE-PX-D é conectado ao PMA 1000BASE-X apropriado e para suporte via MDI. O PMD é opcionalmente combinado com recursos de gerenciamento que podem ser acessados através da interface de gerenciamento. Para permitir as possibilidades de atualização no caso de 10 km ou 20 km Pons, o PMB 1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 e o PMDU são interoperáveis entre si.

Acessório físico médio (PMA)

O PMA inclui as funções de transmissão, recebimento, recuperação do relógio e alinhamento. O PMA fornece um meio intermediário independente para o PCS suportar o uso de uma série de séries de mídia física orientadas a bits. A subcamada de codificação física (PCS) compreende funções de bits de codificação. A interface PCS é uma interface independente de mídia Gigabit (GMII), que fornece uma interface uniforme para a subcamada de reconciliação para todas as implementações de 1000 Mb / s PHY.

Interface independente de mídia Gigabit (GMII)

A interface GMII refere-se à interface entre a camada Gigabit MAC e a camada física. Permite vários DTE combinados com uma variedade de implementações da camada física de velocidade gigabit. A interface de serviço do PCS permite que o 1000BASE-X PCS transfira informações de e para um cliente do PCS. Os clientes de PCS incluem MAC (através do subpêlo da reconciliação) e repetidor. A interface PCS é definida com precisão como GMII (Gigabit Media Independent Interface).

A subcamada Reconciliation (RS) garante a correspondência dos sinais GMII que definem o meio de controle de acesso a serviços. GMII e RS são usados para fornecer mídia independente, de modo que uma mídia idêntica do controlador de acesso possa ser usada com qualquer tipo de cobre e PHY óptico.

Camada de vínculo de dados (controle multiponto MAC)

O protocolo de controle MAC foi especificado para oferecer suporte e novas funções a serem implementadas e adicionadas ao padrão ao mesmo tempo. É o caso do protocolo de controle multiponto (MPCP). O protocolo de gerenciamento para P2MP é uma das funções definidas pelo Multi-Point Control Protocol.

A funcionalidade de controle MAC multiponto é implementada para acessar dispositivos do assinante que contêm dispositivos da camada física apontam para multiponto. Geralmente, as jurisdições de emulação de MAC fornecem um serviço ponto a ponto entre a OLT e a ONU, mas uma instância adicional agora está incluída com uma meta de comunicação para todas as ONU de cada vez.

MPCP (Protocolo de Controle Multiponto)

MPCP é muito flexível, fácil de implementar. O MPCP usa cinco tipos de mensagens (cada mensagem é um quadro de controle MAC) e ONU / ONT relata vários limites de pacotes, a OLT concede um limite de pacotes - sem sobrecarga de delimitação.

O MPCP indica um sistema entre uma OLT e ONUs associado a uma parte PON ponto a multiponto (P2MP) para permitir a transmissão produtiva de informações no cabeçalho UPSTREAM.

O MPCP executa as seguintes funções -

• O MPCP controla o processo de detecção automática.

• Atribuição de intervalo de tempo / largura de banda para ONTs.

• Referência de tempo fornecida para sincronizar os ONTs.

O MPCP introduziu cinco novas mensagens de controle MAC -

• Portão, Relatório

• REQ registrado

• registo

• ACK registrado

• Descoberta automática

Resumo da sequência de descoberta de mensagens

A ilustração a seguir mostra o Resumo da sequência de descoberta de mensagens.

DBA EPON

No EPON, a comunicação entre OLT e ONY é considerada a jusante, a OLT transmite dados a jusante para o ONT usando toda a largura de banda e, por outro lado, o ONT recebe as informações usando as informações disponíveis nos quadros Ethernet. O upstream do ONT para o OLT está usando comunicação de canal único, significa que um canal será usado por vários ONTs, o que significa colisão de dados.

Para evitar esse problema, é necessário um esquema efetivo de alocação de largura de banda, que pode atribuir recursos igualmente aos ONTs e, ao mesmo tempo, garantir a QoS, esse esquema é conhecido como algoritmo DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). O DBA usa mensagens de relatório e gate para criar um cronograma de transmissão a ser transmitido aos ONTs.

Características do DBA

Um recurso importante do EPON é fornecer serviços diferentes com QoS ideal e alocação eficaz de largura de banda usando alocação DBA diferente para atender à demanda de aplicativos atuais e futuros.

Atualmente, a seguir estão os dois tipos diferentes de algoritmos DBA disponíveis para o EPON -

• O primeiro é para acomodar as flutuações de tráfego.

• O segundo é fornecer QoS para diferentes tipos de tráfego.

As outras características são evitar colisões de quadros, gerenciamento de tráfego em tempo real por meio de QoS e gerenciamento de largura de banda para cada assinante, além de diminuir o atraso no tráfego de baixa prioridade.

Formato de quadro EPON

A operação EPON é baseada nos quadros Ethernet MAC e EPON, nos quadros GbE, mas são necessárias extensões -

• Cláusula 64 - PDUs do protocolo de controle multiponto. Este é o protocolo de controle que implementa a lógica necessária.

• Cláusula 65 - Emulação ponto a ponto (reconciliação). Isso faz com que o EPON pareça um link ponto a ponto e os MACs do EPON têm algumas restrições especiais.

• Em vez de CSMA / CD, eles transmitem quando concedidos.

• O tempo na pilha MAC deve ser constante (durações de ± 16 bits).

• A hora local precisa deve ser mantida.

Cabeçalho EPON

A Ethernet padrão começa com um preâmbulo 8B essencialmente sem conteúdo -

• 7B de zeros e alternados 10101010

• 1B de SFD 10101011

Para ocultar o novo cabeçalho PON, o EPON sobrescreve alguns bytes de preâmbulo.

O campo LLID contém os seguintes fatores -

MODO (1b) -

• Sempre 0 para ONU

• 0 para unicast OLT, 1 para multicast OLT / broadcast

ID real do link lógico (15b) -

• Identifica ONUs registradas

• 7FFF para transmissão

O CRC protege do SLD (byte 3) através do LLID (byte 7).

Segurança

O tráfego downstream é transmitido para todas as ONUs, tornando mais fácil para um usuário mal-intencionado reprogramar a ONU e capturar os quadros desejados.

O tráfego upstream não foi exposto a outras ONUs; portanto, a criptografia não é necessária. Não considere os extratores de fibra porque o EPON não fornece nenhum método de criptografia padrão, mas -

• Pode complementar com IPsec ou MACsec e

• Muitos fornecedores adicionaram mecanismos proprietários baseados em AES.

O BPON usou um mecanismo chamado churning - Churning era uma solução de hardware de baixo custo (chave 24b) com várias falhas de segurança, como -

• O mecanismo era linear - simples ataque de texto conhecido.

• A tecla 24b acabou por ser derivável em 512 tentativas.

Portanto, o G.983.3 adicionou suporte ao AES, que agora é usado no GPON.

QoS - EPON

Muitas aplicações PON exigem alta QoS (por exemplo, IPTV) e o EPON deixa a QoS em camadas mais altas, como -

• Tags VLAN.

• P bits ou DiffServ DSCP.

Além desses, há uma diferença crucial entre o LLID e o Port-ID -

• Sempre há 1 LLID por ONU.

• Há 1 ID de porta por porta de entrada - pode haver muitos por ONU.

• Isso simplifica a implementação de QoS baseada em porta na camada PON.

EPON vs GPON

A tabela a seguir ilustra os recursos comparativos do EPON e GPON -

A imagem a seguir mostra as diferentes estruturas do EPON e GPON -