FTTH - EPON (Mạng quang thụ động Ethernet là gì)

Các Ethernet Passive Optical Network (EPON) là một đóng gói dữ liệu PON với Ethernet và có thể cung cấp 1 Gbps đến 10 suất Gbps. EPON tuân theo kiến trúc ban đầu của PON. Ở đây, DTE được kết nối với thân cây và được gọi là Đầu nối dây quang (OLT) như trong hình minh họa sau.

Nó thường được đặt tại nhà cung cấp dịch vụ và các nhánh DTE được kết nối của cây được gọi là Đơn vị mạng quang (ONU), nằm trong khuôn viên của thuê bao. Các tín hiệu từ OLT đi qua bộ chia thụ động để đạt được ONU và ngược lại.

Ethernet trong dặm đầu tiên

Quá trình tiêu chuẩn hóa bắt đầu khi một nhóm nghiên cứu mới có tên là Ethernet in the First Mile (EFM) được thành lập vào tháng 11 năm 2000, với mục tiêu chính là nghiên cứu cáp Ethernet điểm-đa điểm (P2MP) với đồng Ethernet. Ethernet qua cáp quang điểm-điểm (P2P) và qua cơ chế vận hành mạng, Quản trị và Bảo trì (OAM) để tạo điều kiện vận hành và khắc phục sự cố mạng. Nhóm công tác EFM kết thúc quá trình chuẩn hóa với việc phê chuẩn IEEE Std 802.3ah vào tháng 6 năm 2004.

Một sản phẩm của EFM (Ethernet trong dặm đầu tiên). Một công nghệ PON dựa trên Ethernet. Nó dựa trên một tiêu chuẩn chính – IEEE 802.3ah. Dựa trên Giao thức điều khiển đa điểm (MPCP), được định nghĩa là một chức năng trong lớp con điều khiển MAC, để kiểm soát quyền truy cập vào cấu trúc liên kết P2MP.

Cơ sở của giao thức EPON / MPCP nằm trong lớp con mô phỏng điểm-điểm (P2P). Tốc độ truyền của nó là → đối xứng 1,25G; khoảng cách ： 10KM / 20KM; tỷ lệ bộ chia ：> 1:32. EFM chỉ ra nhiều ưu điểm của EPON dựa trên Ethernet như là công nghệ cốt lõi, bao gồm sự trưởng thành của giao thức, tính đơn giản của công nghệ, tính linh hoạt của phần mở rộng và theo định hướng của người dùng.

Hệ thống EPON không chọn phần cứng ATM và thiết bị SONET đắt tiền, làm cho nó tương thích với mạng Ethernet hiện có. Nó đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, giảm chi phí và tự nâng cấp linh hoạt. Các nhà cung cấp thiết bị tập trung vào việc tối ưu hóa chức năng và tính thực dụng.

Hệ thống ATM BPON

Các hệ thống dựa trên BPON ATM đã được chứng minh là rất kém hiệu quả, vì phần lớn lưu lượng trên mạng truy cập bao gồm các Khung IP lớn và kích thước thay đổi. Nó đã tạo cơ hội cho sự phát triển của EPON dựa trên Ethernet thuần túy, mật khẩu GigE tận hưởng QoS và tích hợp hiệu quả về chi phí với các thiết bị Ethernet mới nổi khác. Theo thời gian, Ethernet đã được chứng minh là công cụ vận chuyển lý tưởng cho lưu lượng IP.

Theo đó, tiêu chuẩn 802.3 của IEEE 802.3ah đã hướng dẫn nhóm làm việc “Ethernet in the First Mile” với việc phát triển các tiêu chuẩn cho mạng truy cập điểm-điểm và điểm-đa điểm, tiêu chuẩn sau chỉ ra Ethernet PON. EPON hiện là một phần của tiêu chuẩn Ethernet.

Sự phát triển của Mạng quang thụ động (GPON) tức là tiêu chuẩn trang bị Gigabit (dòng G.984) đã thực sự bắt đầu sau đề xuất của các thành viên FSAN (Cầu lượng tử, Al) về giải pháp ATM / Ethernet PON. Gbps, độc lập với giao thức, không phổ biến lắm trong nhóm làm việc IEEE 802.3ah. FSAN đã quyết định theo đuổi tiêu chuẩn này như một tiêu chuẩn cạnh tranh khác với ITU.

EPON và GPON dựa nhiều vào G.983, tiêu chuẩn của BPON, khi nói đến các khái niệm chung hoạt động tốt (vận hành Mạng phân phối quang PON (ODN), kế hoạch bước sóng và ứng dụng). Cả hai đều cung cấp phiên bản cải tiến của riêng mình để đáp ứng các khung IP / Ethernet có kích thước tốt hơn với tốc độ thay đổi Gbps.

IEEE 802.3ah tiêu chuẩn Ethernet xác định mạng truy cập và nó còn được gọi là Ethernet trong Mile đầu tiên. Phần năm của IEEE802.3ah tạo nên IEEE Std 802.3 tương ứng với định nghĩa về các dịch vụ và phần tử giao thức. Nó cho phép trao đổi các khung định dạng IEEE 802.3 giữa các trạm trong mạng truy nhập thuê bao.

Khái niệm về EPON

EFM đã giới thiệu khái niệm EPON trong đó cấu trúc liên kết mạng điểm-đa điểm (P2MP) được thực hiện với bộ tách quang thụ động. Tuy nhiên, cáp quang điểm-điểm Ethernet cung cấp băng thông cao nhất với chi phí hợp lý. Ethernet Sợi điểm-đa điểm cung cấp băng thông tương đối cao với chi phí thấp hơn. Mục đích của IEEE Std 802.3ah là mở rộng ứng dụng Ethernet để bao gồm các mạng thuê bao truy cập nhằm tăng hiệu suất đáng kể trong khi giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì thiết bị.

Kết luận của tiêu chuẩn IEEE 802.3ah EFM mở rộng đáng kể phạm vi và phạm vi tiếp cận của truyền tải Ethernet để sử dụng trong mạng truy cập và mạng metro. Tiêu chuẩn này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có nhiều giải pháp linh hoạt và hiệu quả về chi phí để cung cấp các dịch vụ Ethernet băng thông rộng trong mạng truy nhập và mạng metro.

EFM bao gồm một nhóm công nghệ khác nhau về loại phương tiện và tốc độ truyền tín hiệu – nó được thiết kế để triển khai trong mạng của một loại hoặc nhiều (các) phương tiện FSM cũng như tương tác với 10/100/1000/10000 Mb hỗn hợp / s mạng Ethernet. Bất kỳ cấu trúc liên kết mạng nào được định nghĩa trong IEEE 802.3 đều có thể được sử dụng tại cơ sở của thuê bao và sau đó được kết nối với mạng truy cập thuê bao Ethernet. Công nghệ EFM cho phép các loại cấu trúc liên kết khác nhau đạt được tính linh hoạt tối đa.

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ah bao gồm các thông số kỹ thuật cho mạng truy cập Ethernet của thuê bao và IEEE Std 802.3ah EPON hỗ trợ tốc độ danh nghĩa khoảng 1 Gb / s (có thể mở rộng lên 10 Gb / s) cho mỗi kênh. Chúng được xác định bởi hai bước sóng: một bước sóng xuôi dòng và một bước sóng cho hướng ngược dòng được chia sẻ giữa các thiết bị người dùng.

EFM hỗ trợ các liên kết song công, để có thể xác định Kiểm soát truy cập phương tiện (MAC) đơn giản hóa song công. Kiến trúc Ethernet phân chia lớp vật lý trong Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý (PMD), Phần đính kèm phương tiện vật lý (PMA) và Lớp con mã hóa vật lý (PCS).

EPON triển khai cấu trúc liên kết mạng P2MP với các phần mở rộng thích hợp cho lớp phủ dưới và điều khiển MAC của lớp phụ đối chiếu, và sợi quang dưới các lớp phụ thuộc vào môi trường vật lý (PMD) để hỗ trợ cấu trúc liên kết này.

Lớp vật lý

Đối với cấu trúc liên kết P2MP, EFM đã giới thiệu một họ hệ thống báo hiệu cho lớp vật lý có nguồn gốc từ 1000BASE-X. Tuy nhiên, nó bao gồm các phần mở rộng của RS, PCS và PMA, với khả năng sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) tùy chọn . Các lớp con 1000BASE-X PCS và PMA ánh xạ các đặc điểm của giao diện. Lớp con PMD (bao gồm MDI) các dịch vụ được mong đợi bởi sự điều hòa lớp dưới. 1000BASE-X có thể được mở rộng để hỗ trợ các phương tiện song công khác – chỉ yêu cầu môi trường phù hợp với mức PMD.

Giao diện tải trung bình (MDI)

Nó là giao diện giữa PMD và phương tiện vật lý. Nó mô tả các tín hiệu, phương tiện vật lý và các giao diện cơ và điện.

Phương tiện vật lý phụ thuộc (PMD)

PMD chịu trách nhiệm về giao diện với phương tiện truyền dẫn. PMD tạo ra các tín hiệu điện hoặc quang học tùy thuộc vào bản chất của môi trường vật lý được kết nối. Kết nối 1000BASE-X qua PON đến ít nhất 10 km và 20 km (lớp phủ 1000BASE-PX10 và 1000BASE-PX20 PMD) cung cấp P2MP.

Trong PON Ethernet, các hậu tố D và U biểu thị PMD ở mỗi đầu của liên kết, truyền theo các hướng này và nhận theo hướng ngược lại, tức là, một PMD xuôi dòng được xác định là 1000BASE-PX10-D và ngược dòng 1000BASE-PX10 U PMD. Các sợi giống nhau được sử dụng đồng thời theo cả hai hướng.

1000BASE-PX-U PMD hoặc 1000BASE-PX-D PMD được kết nối với PMA 1000BASE-X thích hợp và hỗ trợ qua MDI. PMD được tùy chọn kết hợp với các tính năng quản lý có thể được truy cập thông qua giao diện quản lý. Để cho phép khả năng nâng cấp trong trường hợp 10 km hoặc 20 km Pons, cả 1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMD và PMDU đều có thể hoạt động với nhau.

Tệp đính kèm phương tiện vật lý (PMA)

PMA bao gồm các chức năng truyền, nhận, khôi phục đồng hồ và căn chỉnh. PMA cung cấp một phương thức trung gian độc lập cho PCS để hỗ trợ việc sử dụng một loạt các loạt phương tiện vật lý hướng bit. Lớp con của mã hóa vật lý (PCS) bao gồm các hàm bit mã hóa. Giao diện PCS là giao diện độc lập với phương tiện Gigabit (GMII), cung cấp giao diện thống nhất cho lớp con Đối chiếu cho tất cả các triển khai 1000 Mb / s PHY.

Giao diện độc lập Gigabit Media (GMII)

Giao diện GMII đề cập đến giao diện giữa lớp Gigabit MAC và lớp vật lý . Nó cho phép trộn nhiều DTE với nhiều cách triển khai khác nhau từ lớp vật lý tốc độ gigabit . Giao diện Dịch vụ PCS cho phép 1000BASE-X PCS truyền thông tin đến và đi từ khách hàng của PCS. Khách hàng của PCS bao gồm MAC (thông qua lớp phủ của điều hòa) và bộ lặp. Giao diện PCS được định nghĩa chính xác là Giao diện Độc lập Phương tiện Gigabit (GMII).

Các hòa giải lớp con (RS) đảm bảo sự phù hợp của GMII tín hiệu xác định các phương tiện kiểm soát serviceaccess. GMII và RS được sử dụng để cung cấp phương tiện độc lập để phương tiện giống hệt bộ điều khiển truy cập có thể được sử dụng với bất kỳ loại PHY đồng và quang nào.

Lớp liên kết dữ liệu (Điều khiển MAC đa điểm)

Giao thức điều khiển MAC được chỉ định để hỗ trợ và các chức năng mới sẽ được triển khai và bổ sung vào tiêu chuẩn cùng một lúc. Đó là trường hợp của giao thức điều khiển đa điểm (MPCP). Giao thức quản lý P2MP là một trong những chức năng được xác định bởi Giao thức điều khiển đa điểm.

Chức năng điều khiển MAC đa điểm được thực hiện để truy cập các thiết bị của thuê bao có chứa các thiết bị lớp vật lý trỏ tới đa điểm. Thông thường, các khu vực pháp lý giả lập MAC cung cấp dịch vụ điểm-điểm giữa OLT và ONU, nhưng một phiên bản bổ sung hiện được bao gồm với mục tiêu giao tiếp cho tất cả các ONU tại một thời điểm.

MPCP (Giao thức điều khiển đa điểm)

MPCP rất linh hoạt, dễ thực hiện. MPCP sử dụng năm loại thông báo (mỗi thông báo là một khung điều khiển MAC) và ONU / ONT báo cáo nhiều ranh giới gói, OLT cấp trên một ranh giới gói – không có chi phí phân định.

MPCP chỉ ra hệ thống giữa OLT và ONU được liên kết với phần PON điểm-đa điểm (P2MP) để cho phép truyền thông tin hiệu quả trong tiêu đề UPSTREAM.

MPCP thực hiện các chức năng sau:

MPCP kiểm soát quá trình Tự động Khám phá.
Gán thời gian / băng thông cho các ONT.
Tham chiếu thời gian được cung cấp để đồng bộ hóa ONT.

MPCP đã giới thiệu năm thông báo điều khiển MAC mới –

Cổng, Báo cáo
REQ đã đăng ký
Đăng ký
ACK đã đăng ký
Tự động khám phá

Tóm tắt trình tự khám phá thư

Hình minh họa sau đây mô tả Tóm tắt Trình tự Khám phá Thông điệp

DBA EPON

Trong EPON, giao tiếp giữa OLT và ONY được coi là xuôi dòng, OLT phát dữ liệu xuôi dòng tới ONT bằng cách sử dụng toàn bộ băng thông và ở đầu khác ONT nhận được các fames bằng cách sử dụng thông tin có sẵn trên Ethernet Frames. Ngược dòng từ ONT đến OLT đang sử dụng giao tiếp kênh đơn, có nghĩa là một kênh sẽ được sử dụng bởi nhiều ONT, có nghĩa là xung đột dữ liệu.

Để tránh vấn đề này, cần có sơ đồ phân bổ băng thông hiệu quả, có thể phân bổ tài nguyên đồng đều cho các ONT đồng thời đảm bảo QoS, sơ đồ này được gọi là thuật toán Phân bổ băng thông động (DBA). DBA sử dụng báo cáo và thông điệp cổng để xây dựng lịch trình truyền tải được chuyển đến các ONT.

Đặc điểm DBA

Một tính năng quan trọng của EPON là cung cấp các dịch vụ khác nhau với QoS tối ưu và phân bổ băng thông hiệu quả bằng cách sử dụng phân bổ DBA khác nhau để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng hiện tại và tương lai.

Hiện tại, sau đây là hai loại thuật toán DBA khác nhau có sẵn cho EPON –

Điều đầu tiên là để điều chỉnh các biến động về lưu lượng truy cập.
Cách thứ hai là cung cấp QoS cho các loại lưu lượng khác nhau.

Các đặc điểm khác là để tránh Xung đột khung hình, Quản lý lưu lượng truy cập thời gian thực thông qua QoS và Quản lý băng thông cho mỗi người đăng ký cùng với Giảm độ trễ trên lưu lượng ưu tiên thấp.

Định dạng khung EPON

Hoạt động của EPON dựa trên Ethernet MAC và khung EPON dựa trên khung GbE, nhưng cần có các phần mở rộng –

Điều khoản 64 – M ulti- P oint C ontrol P rotocol PDUs. Đây là giao thức điều khiển thực hiện logic yêu cầu.
Khoản 65 – Thi đua theo điểm (hòa giải). Điều này làm cho EPON trông giống như một liên kết điểm-điểm và EPON MAC có một số ràng buộc đặc biệt.
Thay vì CSMA / CD, chúng truyền khi được cấp.
Thời gian thông qua ngăn xếp MAC phải không đổi (thời lượng ± 16-bit).
Giờ địa phương chính xác phải được duy trì.

Tiêu đề EPON

Ethernet tiêu chuẩn bắt đầu với phần mở đầu 8B về cơ bản không có nội dung –

7B của số xen kẽ và số không 10101010
1B của SFD 10101011

Để ẩn tiêu đề PON mới, EPON ghi đè một số byte mở đầu.

Trường LLID chứa các yếu tố sau:

CHẾ ĐỘ (1b) –

Luôn là 0 cho ONU
0 cho OLT unicast, 1 cho OLT multicast / broadcast

ID liên kết logic thực tế (15b) –

Xác định các ONU đã đăng ký
7FFF để phát sóng

CRC bảo vệ khỏi SLD (byte 3) thông qua LLID (byte 7).

Bảo vệ

Lưu lượng truyền xuống dòng lưu lượng truyền tới tất cả các ONU, vì vậy người dùng độc hại có thể dễ dàng lập trình lại ONU và ghi lại các khung hình mong muốn.

Lưu lượng truy cập ngược dòng chưa được tiếp xúc với các ONU khác, vì vậy không cần mã hóa. Đừng xem xét các trình khai thác sợi quang vì EPON không cung cấp bất kỳ phương pháp mã hóa tiêu chuẩn nào, nhưng –

Có thể bổ sung bằng IPsec hoặc MACsec và
Nhiều nhà cung cấp đã thêm các cơ chế dựa trên AES độc quyền.

BPON đã sử dụng một cơ chế gọi là churning – Churning là một giải pháp phần cứng chi phí thấp (khóa 24b) với một số lỗi bảo mật, chẳng hạn như –

Công cụ là tuyến tính – cuộc tấn công văn bản đã biết đơn giản.
Khóa 24b hóa ra có thể dẫn xuất được sau 512 lần thử.

Do đó, G.983.3 đã thêm hỗ trợ AES, hiện được sử dụng trong GPON.

QoS – EPON

Nhiều ứng dụng PON yêu cầu QoS cao (ví dụ IPTV) và EPON để QoS ở các lớp cao hơn như –

Các thẻ VLAN.
P bit hoặc DiffServ DSCP.

Ngoài những điều này, có một sự khác biệt quan trọng giữa LLID và Port-ID –

Luôn có 1 LLID cho mỗi ONU.
Có 1 Port-ID trên mỗi cổng đầu vào – có thể có nhiều ID trên mỗi ONU.
Điều này làm cho QoS dựa trên cổng đơn giản để thực hiện ở lớp PON.

EPON so với GPON

Bảng sau minh họa các tính năng so sánh của EPON và GPON

	GPON (ITU-T G.984)	EPON (IEEE 802.3ah)
Đường xuống / Đường lên	2,5G / 1,25G	1,25G / 1,25G
Ngân sách liên kết quang học	Loại B +: 28dB; Loại C: 30dB	PX20: 24dB
Tỷ lệ phân chia	1:64 -> 1: 128	1:32
Băng thông đường xuống thực tế	2200 ~ 2300Mbps 92%	980 Mbps 72%
Băng thông đường lên thực tế	1110 Mbps	950 Mbps
OAM	Hoàn thành chức năng OMCI + PLOAM + nhúng OAM	Chức năng OAM linh hoạt và đơn giản
Dịch vụ TDM & chức năng đồng hồ đồng bộ	TDM gốc, CESoP	CESoP
Khả năng nâng cấp	10G	2,5G / 10G
QoS	Lịch trình DBA chứa T-CONT, PORTID; sửa băng thông / băng thông đảm bảo / băng thông không đảm bảo / băng thông nỗ lực hết sức	Hỗ trợ DBA, QoS được hỗ trợ bởi LLID và VLAN
Giá cả	Chi phí cao hơn 10% ~ 20% so với EPON hiện tại và giá gần như tương đương với số lượng lớn	–