Глава 1. Введение в технологию PON.

1.1 Обзор технологии PON.

Информационные структуры в последний десяток лет шагнули очень далеко вперёд – сегодня уже никого не удивишь безлимитным широкополосным интернетом на скоростях 10Mbps и более. Современное сетестроение достаточно быстро вышло за пределы городов – активно развивается магистральное сетестроение. И если с магистралями всё более-менее понятно (проложили - продаём), то в городах сейчас наблюдается иная ситуация: идёт жёсткая борьба за потребителей провайдерских услуг. Города полностью поделены на сектора, которые целиком контролирует конкретный провайдер. В таких условиях процесс расширения клиентской базы серьёзно затрудняется тем фактом, что, выражаясь простым языком, клиенты закончились. Можно конкурировать только путём повышения качества обслуживания (в том числе и использование технологии FTTx, а конкретно – FTTB и FTTH), но и тут конкуренция уже невозможна – любой, даже самый маленький провайдер, в состоянии проложить волокно до подъезда. В итоге все столкнулись с такой проблемой: «Подключать некого, расширяться некуда».

Но на самом деле ситуация не так плоха, как кажется, ведь человек – животное очень своеобразное и живёт везде, в том числе и за городом. Сёла, посёлки, деревни – клиентов предостаточно, и все хотят (в сравнении с мобильными или спутниковыми аналогами) быстрый, качественный  и относительно дешёвый интернет (а также телевидение и телефон, и, желательно, в одной коробке). Проблемами подключения таких клиентов является удалённость их от основных коммутационных узлов и, как следствие, дороговизна подключения и серьёзные проблемы с поддержкой сетевой инфраструктуры удалённого района в рабочем состоянии.

Многими провайдерами была предпринята попытка применить уже устоявшуюся модель FTTH (Fiber To The Home) «городского типа» для обеспечения пользователей своими услугами – кидаем многоволоконный кабель, ставим активное оборудование – всё работает. Только дорого, неудобно и боязно – промежуточное оборудование стоит где попало, омываемое дождями, ветрами, съедаемое насекомыми и засиженное птицами. Кроме того, активное сетевое оборудование подвержено влиянию двух факторов, которые не подвержены никакой статистике и логике: грозы и любители попользоваться кусачками. И всё бы удобно решалось строительством служебных помещений, но дорого, проблемно (со стороны бюрократии) и не всегда возможно. И тут на сцену сетестроения вышла альтернативная технология PON, дремавшая до поры до времени на полках.

PON (англ. Passive Optical Network – пассивная оптическая сеть) – это быстроразвивающаяся, наиболее перспективная технология широкополосного мультисервисного множественного доступа по оптическому волокну, использующая волновое разделение трактов приема/передачи и позволяющая реализовать одноволоконную древовидную топологию «точка-многоточка» без использования активных сетевых элементов в узлах разветвления. Другими словами, мало волокон, отсутствие промежуточного активного оборудования, нулевое (ну, почти нулевое) влияние погодных условий, удобная WDM система передачи данных от «фабрики по производству интернета» к клиенту и обратно по одному волокну. Активное оборудование в этой сети имеется только на стороне провайдера (в чистой, сухой и прохладной серверной стойке) и на стороне абонента (на чердаке, в прихожей, на старом-добром столбе и проч.). Идеально как для удалённых малонаселенных пунктов, так и для городского частного сектора.

1.2 Виды PON.

Ещё во времена, когда все силы лучших умов наших соотечественников были направлены на «распил» Сверхдержавы, группой из нескольких европейских телекоммуникационных компаний был создан консорциум для реализации идеи множественного доступа по одному волокну, получивший название FSAN (Full Service Access Network). Целью FSAN была разработка общих рекомендаций и требований к оборудованию PON для того, чтобы производители оборудования и операторы могли сосуществовать вместе на конкурентном рынке систем доступа PON. Итогом работы FSAN стал ряд стандартов PON:

- ITU-TG.983  

APON (ATM Passive Optical Network);

BPON (Broadband PON);

- ITU-T G.984

GPON (Gigabit PON);

- IEEE 802.3ah

EPON/GEPON (Ethernet PON);

- IEEE 802.3av

10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON);

APON и BPON морально устарели еще при рождении, GPON не слишком развит из-за высокой (относительно GEPON) стоимости, а также из-за органического нежелания многих работать со скоростями 2.5G, 10GEPON пока находится в стадии разработки/отладки/испытаний. Есть еще EPON, который уже тоже никому не интересен (100Mbps сейчас хватит разве что для десятка пользователей, а оборудование по цене не сильно отличается от старшего собрата GEPON). В итоге остаётся только GEPON, который на сегодняшний день соответствует требованиям большинства провайдеров для подключения удалённых абонентов (скорость передачи «туда» и «обратно» составляет 1Gbps, при этом, на одном волокне могут находиться до 64 оконечных устройств сети).

1.3 Принцип действия GEPON.

Как уже писалось выше, GEPON – полноценная сеть, построенная на пассивных оптических составляющих на всём протяжении от провайдера к абоненту.

На стороне провайдера устанавливается OLT (англ. Optical Linear Terminal – Оптический Линейный Терминал) – L2 свитч со всеми вытекающими отсюда функциональными возможностями, имеющий Uplink порты (для подключения себя любимого к L3 роутеру) и Downlink порты (для клиентских нужд). OLT от орденоносного китайского производителя BDCOM, например, имеет 2 оптических гигабитных Uplink порта, 2 «комбо» гигабитных Uplink порта (2 оптических + 2 медных), и 4 гигабитных Downlink PON порта. Управление OLT производится как через терминальный порт, так и с помощью всеми любимых протоколов типа SNMP, SSH и TELNET.

На стороне клиента устанавливается ONU (англ. Optical Network Unit – Оптическая Сетевая Единица), которую также иногда именуют ONT (англ. Optical Network Terminal – Оптический Сетевой Терминал) – полноценный VLAN свитч небольшого размера. ONU от того же BDCOM стандартно имеет один оптический гигабитный порт и 4 медных (100Mbps или 1Gbps). Есть модели ONU с комбинированным оптическим портом для телевидения и данных, с портами для телефонии (SIP), с разным количеством медных портов, с Wi-Fi-адаптером, а также комбинации всех вышеперечисленных. Каждая ONU имеет встроенный фильтр MAC-адресов; при получении пакета ONU проверяет принадлежность пакета и, если пакет принадлежит не ей, отбрасывает его. Управление ONU происходит непосредственно с OLT, при этом OLT считает ONU «подпортом» своего порта, имеющим свои порты, то есть соблюдается следующая иерархия: Порт OLT -> № ONU -> порт ONU.

Между клиентом и провайдером располагается пассивная оптическая сеть, которая имеет топологию дерева и её производные. Основными компонентами пассивной оптической сети является оптическое волокно и сплиттеры (англ. Splitter - разделитель), работающие в режиме «разветвитель» в направлении провайдер->клиент и в режиме «смеситель» в обратном направлении. Несомненным преимуществом пассивного оборудования является его независимость от питания и простота в эксплуатации (не надо ничего настраивать): «Один раз поставил – всю жизнь пользуюсь».

Рисунок 1 – Принципиальная схема включения PON

Пассивная оптическая сеть является разделяемой между многими абонентами средой, поэтому со стороны OLT действует TDM (англ. Time Division Multiplexing – Временное Мультиплексирование), а со стороны ONU – TDMA (англ. Time Division Multiple Access – Множественный Доступ С Разделением По Времени). При этом нисходящий поток (им мы будем называть поток от OLT к ONU) передаётся на длине волны 1490нм, а восходящий (поток от ONU к OLT) – на длине волны 1310нм. Сделано это для того, чтобы оставить место для CATV (аналоговое телевидение), которое также можно пустить по дереву PON до абонента. Передатчики CATV вещают на длине волны 1550nm или 1310nm, но производители GEPON оборудования заняли длину волны 1310nm для UpStream, чтобы максимально удешевить клиентское устройство (лазеры, излучающие на длине волны 1310nm намного дешевле лазеров, излучающих на длине волны 1550nm).

Стоимость лазерных GEPON приёмо-передатчиков достаточно высокая по отношению к их Ethernet-собратьям, и не случайно: они очень мощные. Оптический бюджет GEPON-системы (разность между мощностью излучателя и предельной чувствительностью приёмника) около 30дБ (для ONU этот показатель находится в диапазоне 25-30дБ, для OLT – 32-37дБ)! Этого бюджета хватит на то, чтобы «пробить» более 100 км стандартного оптического волокна! Однако, PON-деревья в глубину достигают обычно 10-15 км, имея предел по глубине в районе 20км. Связано это с тем, что делители вносят в линию огромное затухание (от 3-х до 22-х дБ), обеспечивая ветвление и экономя волокно.

Стоит отметить, что стандарт GEPON несколько отличается от привычного всем Ethernet структурой кадра, поэтому «не-GEPON» устройства в сети PON работать не будут.   Мало того, стандарт IEEE 802.3ah был принят относительно недавно, и почти никто из производителей не соответствует ему на 100% (да многие и не особо хотят). В силу этого, отсутствует полная кросс-платформенная совместимость оборудования (например, OLT от ZYXEL не будет работать с ONU от HUAWEI, или  OLT от HUAWEI не  будет раскрывать весь свой потенциал при работе с ONU от BDCOM).

Следует отдельно рассмотреть технологию обмена данными между ONU и OLT:   

• любая ONU вещает только в момент времени, отведённый для нее OLT;
• для любой ONU в сети OLT определяет временной промежуток, в течение которого ONU может вещать;
• вновь подключённая ONU взаимодействует с OLT по протоколу MPCP (англ. Multi-Point Control Protocol – Протокол Управления Многоточечным Обменом);
• любая ONU не может связываться с другими ONU без участия в связи OLT`а. Все пакеты для любого адресата централизованно обрабатывает одно устройство в сети – OLT.

Рисунок 2 – Распределение временных промежутков между ONU

Для поддержки присвоения временных доменов с помощью OLT, группой IEEE 802.3ah был разработан протокол MPCP. 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 (тип 88-08).

Существует два режима работы MPCP: автодетектирование (инициализация) и нормальный режим. Режим автодетектирования используется для детектирования вновь подключенных ONU и определения RTT (англ. Round Trip Time – время от момента посылки запроса до момента получения ответа) и MAC-адреса этого ONU. Нормальный режим используется для присвоения временных доменов всем инициализируемым ONU.

Стандартные Ethernet кадры в PON немного модифицируются под специфику работы в разделяемой по принципу TDM среде, однако, OLT модифицирует выходящие пакеты так, что на выходе из PON получается стандартный Ethernet поток. В обратном направлении ситуация аналогичная. Структура стандартного Ethernet кадра (IEEE 802.3), PON кадра (IEEE P802.3ah) и управляющего кадра IEEE P802.3ah представлена ниже (Рисунок 3):

Рисунок 3 – Сравнение полей кадров IEEE 802.3 и IEEE P802.3ah

Преамбула стандартного кадра Ethernet (Рисунок 3а), модифицируется добавлением нескольких служебных полей (Рисунок 3б):

• SOP (англ. Start Of Packet) – 1 байт, указывает на начало кадра;
• Резервное поле, 4 байта;
• LLID (англ. Logical Link Identificator) – 2 байта, указывает индивидуальный идентификатор узла EPON. Остается открытым вопрос: сколько идентификаторов может иметь абонентский узел ONU – один или несколько? LLID требуется для эмуляции соединений точка-точка и точка-мультиточка в сети EPON. Первый бит поля указывает режим передачи кадра (unicast или multicast). Остальные 15 бит содержат индивидуальный адрес узла EPON;
• CRC (англ. Сircle Redundancy Check) – 1 байт, контрольная сумма по преамбуле (стандарт P802.3ah).

При выходе кадра из сети GEPON преамбула кадра преобразуется к стандартному виду – тег ликвидируется. Например, в прямом потоке OLT модифицирует преамбулу каждого входящего в PON кадра 802.3, в частности, в преамбулу добавляется специальный тег LLID. Этот тег извлекается соответствующим подуровнем на ONU, где происходит восстановление преамбулы. Узел ONU 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 EPON совпадают с полями стандартного кадра Ethernet:

• DA (англ. Destination Address) – 6 байт, указывает MAC-адрес станции назначения. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast);
• SA (англ. Source Address) – 6 байт, указывает MAC-адрес станции отправителя;
• L/T (англ. Length/Type) – 2 байта, содержит информацию о длине или типе кадра;
• Поле данных, переменной длины;
• PAD (наполнитель) – поле используется для дополнения кадра до минимального размера;
• FCS (англ. Frame Check Sequence) – 4 байта, контрольная сумма кадра, вычисленная с использованием циклического избыточного кода;
• OpCode (англ. Optional Code) – 2 байта, уточняет тип управляющего кадра. Существуют две категории управляющих кадров, отличающиеся значением этого поля: сообщения GATE, генерируемого OLT, и сообщения REPORT, генерируемого ONU;
• TS (Time Stamp) – 4 байта, содержит временную метку отправителя;
• message – 40 байтов, собственно в этом поле содержится служебная информация, необходимая для работы протокола MPCP.

Более подробную информацию о логической работе PON можно получить на https://book.itep.ru.

OLT и ONU обеспечивают инкапсулирование данных в модифицированные Ethernet кадры стандарта IEEE P802.3ah, при этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных).

Окончательный алгоритм работы сети PON после настройки выглядит следующим образом:
- ONU «слушает линию»;
- OLT получает пакет стандарта IEEE 802.3 от вышестоящего устройства и модифицирует его под стандарт IEEE P802.3ah;
- OLT отсылает пакет конкретному адресату (ONU);
- Все ONU получают пакет, но только адресат оставляет его себе – остальные пакет отбрасывают;
- ONU модифицирует пакет стандарта IEEE P802.3ah под стандарт IEEE 802.3 и отдаёт его клиентскому ПК;
- ONU с клиентского ПК, модифицирует их из стандарта IEEE 802.3 под стандарт IEEE P802.3ah и буферизирует;
- OLT разрешает передачу данных конкретной ONU;
- ONU вещает определённое количество времени, а затем замолкает и снова «слушает» линию;
- OLT получает от ONU пакет стандарта IEEE P802.3ah, модифицирует его под стандарт IEEE 802.3, после чего передаёт его вышестоящему устройству.

Алгоритм работы сети PON по преобразованию пакетов из одного стандарта в другой можно представить следующим образом (Рисунок 4):

Рисунок 4 – Алгоритм работы PON по преобразованию пакетов

1.4 Сравнение PON с классической FTTH схемой подключения абонентов.

В классическом FTTH для подключения, например, 256 абонентов в частном секторе необходимо 256 оптических волокон. 256 волокон – это много очень толстых и дорогих кабелей, а также целый мешок проблем, связанных с их прокладкой, коммутацией и прочей невыносимой рутиной.

Для того, чтобы по этим волокнам «ходил» траффик, нужно N свитчей: N-1 свитчей доступа (к ним будут подсоединяться абоненты) и один для агрегации траффика со свитчей доступа. Для решения текущей задачи, например, известных всем D-Link DES 3200-28F нужно 11 штук (это на доступ), D-Link DGS 3120-24SC нужен один (это на агрегацию). Добавьте ко всему этому SFP модули, медиаконвертеры, а также проблемы с питанием всех этих устройств (а вы как думали?!), размещением (да-да, под крышей, в тепле и сухости!) и администрированием – и головная боль уже не проходит.

А теперь представьте всё это не в городских условиях (где любой чердак – это почти серверная, а любой подвал – тихая гавань для вывода оптики), а в суровых условиях частного сектора (без вездесущих силовых линий, без развитой канализационной инфраструктуры, без свободных помещений под размещение активного оборудования)!  А если посчитать, сколько волокна лежит мёртвым грузом (вывели одно волокно из 8-миволоконного кабеля, отправили его до абонента, а дальше это волокно используется не чаще, чем происходят солнечные затмения) – становится грустно и руки опускаются.

При использовании GEPON для этой же задачи необходимо всего 4 волокна, один OLT c SFP модулями (8 штук, из них 4 на Ethernet UpLink, 4 на PON DownLink), 256 ONU (по одной каждому клиенту, питаются они прямо от клиентской розетки и все счастливы), а также набор сплиттеров и PON-боксы (или муфты) для работы с кабелем и размещением в них этих самых сплиттеров, а иногда и самих ONU. Работа администратора будет сводиться только к управлению OLT’ом (ONU логически являются «продолжением» GEPON-портов OLT). Питание – только на стороне абонента и в серверной. Всё проще, не правда ли?

Кроме того, следует учитывать тот факт, что на уже построенной схеме PON легко и просто запустить аналоговое TV (Рисунок 5):

Рисунок 5 – Применение PON в качестве среды для использования CATV

Итак, положительные стороны PON:

• Минимальное использование активного оборудования;
• Минимизация кабельной инфраструктуры;
• Низкая стоимость обслуживания;
• Возможность интеграции с кабельным телевидением;
• Хорошая масштабируемость;
• Высокая плотность абонентских портов.

В тоже время, при рассмотрении технологии GEPON, нужно учесть и ее особенности, особенно в сравнении с линиями «точка-точка»: разделяемая между абонентами полоса пропускания (общая среда может не подойти клиенту с точки зрения безопасности), пассивные сплиттеры затрудняют диагностику оптической линии, возможно влияние неисправности оборудования одного абонента на работу остальных, меньшая выгода в случае реализации на этапе строительства.

Глава 2: ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ FTTH НА БАЗЕ PON