Что такое pon на роутере. Технология PON - что это? ONU могут ли напрямую общаться друг с другом

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 - T G .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

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 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 http://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.

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 P 802.3 ah ) и управляющего кадра IEEE P 802.3 ah представлена ниже (Рисунок 3):

Расширение аудитории потребителей интернет-услуг и, соответственно, пользователей широкополосных сетей требует внедрения новых технологий. Средства передачи данных должны регулярно повышать линий связи, что заставляет сервисные компании обновлять транспортные информационные каналы. Но, кроме роста объемов передаваемых данных возникают и проблемы иного рода, которые выражаются в увеличении стоимости обслуживания более массивных сетей и расширении спектра потребностей конечных пользователей. Одним из способов совокупной оптимизации характеристик является PON-технология, которая также позволяет сохранять потенциал сетей для дальнейшего расширения их мощности и функциональных возможностей.

Оптоволокно и технология PON

Новая разработка облегчает техническую организацию и дальнейшую эксплуатацию информационных сетей передачи данных, но достигается это во многом за счет достоинств привычных оптических линий. Даже сегодня на фоне внедрения высокотехнологичных материалов продолжается использование каналов, построенных на устаревающих телефонных парах и средствах xDSL. Очевидно, что сеть доступа на подобных элементах существенно проигрывает в эффективности волоконно-коаксиальным линиям, которые тоже нельзя рассматривать как что-то продуктивное по меркам сегодняшнего дня.

Альтернативой традиционным сетям и беспроводным давно выступает оптическое волокно. Но если раньше прокладка таких кабелей являлась непосильной задачей для многих организаций, то сегодня оптические компоненты стали гораздо доступнее. Собственно, и раньше оптоволокно использовалось для обслуживания рядовых абонентов, в том числе по Следующим этапом развития стала телекоммуникационная сеть, построенная на архитектуре Micro-SDH, открывшей принципиально новые решения. Как раз в этой системе и нашла свое применение концепция сетей PON.

Стандартизация сети

Первые попытки стандартизации технологии были предприняты еще в 1990-х годах, когда группа телекоммуникационных компаний задалась идеей на практике реализовать идею множественного доступа по единому пассивному оптоволокну. В результате организация получила название FSAN, объединив и операторов, и производителей сетевого оборудования. Главной же целью FSAN и было создание пакета с общими рекомендациями и требованиями к разработке технических средств PON, чтобы изготовители оборудования и провайдеры могли вместе работать в одном сегменте. На сегодняшний день пассивные линии связи, базирующиеся на технологии PON, организуются в соответствии с нормативами ITU-T, ATM и ETSI.

Принцип действия сети

Главная особенность идеи PON заключается в том, что инфраструктура работает на базе одного модуля, который отвечает за функции приема и передачи данных. Располагается этот компонент в центральном узле системы OLT и позволяет обслуживать информационными потоками множество абонентов. Конечным приемником выступает устройство ONT, которое, в свою очередь, также выступает передатчиком. Количество абонентских точек, подключенных к центральному модулю приема и передачи, зависит только от мощности и максимальной скорости используемой аппаратуры PON. Технология, в принципе, не ограничивает количество участников сети, однако для оптимального использования ресурсов разработчики телекоммуникационных проектов все же ставят определенные барьеры в соответствии с конфигурацией конкретной сети. Трансляция информационного потока от центрального приемно-передающего модуля к абонентскому устройству осуществляется при длине волны, составляющей 1550 нм. И напротив, обратные от потребительских устройств к точке OLT передаются с длиной волны порядка 1310 нм. Данные потоки стоит рассмотреть отдельно.

Прямые и обратные потоки

Основной (то есть прямой) поток от центрального модуля сети относится к широковещательным. Это значит, что оптические линии сегментируют общий поток данных, выделяя адресные поля. Таким образом, каждое абонентское устройство «читает» только информацию, предназначенную специально для него. Такой принцип распределения данных можно назвать демультиплексорным.

В свою очередь, обратный поток использует одну линию для трансляции данных от всех абонентов, подключенных к сети. Так используется схема множественного обеспечения доступа с разделениями по времени. Для исключения вероятности пересечения сигналов от нескольких узлов-приемников информации устройство каждого абонента имеет свое индивидуальное расписание по обмену данными с поправкой на задержку. Это общий принцип, по которому реализуется PON-технология в плане взаимодействия приемно-передающего модуля с конечными потребителями. Однако конфигурация схемы прокладки сетей может иметь разные топологии.

Топология «точка-точка»

В данном случае используется система P2P, которая может выполняться и для распространенных стандартов, и для особых проектов, предполагающих, к примеру, задействование оптических устройств. В плане безопасности данных абонентских точек интернет-соединение этого типа обеспечивает максимальную защищенность, возможную для подобных сетей. Однако прокладка оптической линии для каждого пользователя осуществляется отдельно, поэтому стоимость организации таких каналов существенно возрастает. В некотором роде, это не общая, а индивидуальная сеть, хотя центр, с которым работает абонентский узел, также может обслуживать и других пользователей. В целом же такой подход целесообразен для использования крупными абонентами, которым особенно важна безопасность линии.

Топология «кольцо»

Эта схема базируется на конфигурации SDH и наилучшим образом раскрывается в магистральных сетях. И наоборот, оптические линии кольцевого типа оказываются менее эффективными в эксплуатации сетей доступа. Так, при организации городской магистрали места расстановки узлов рассчитываются еще на стадии разработки проекта, однако сети доступа не дают возможности заранее оценить количество абонентских узлов.

При условии случайного временного и территориального подключения абонентов кольцевая схема может быть значительно усложнена. На практике подобные конфигурации нередко превращаются в изломанные схемы, имеющие множество ответвлений. Такое происходит, когда введение новых абонентов выполняется через разрыв существующих сегментов. Например, в линии связи могут формироваться петли, которые совмещаются в одном проводе. В результате появляются «ломаные» кабели, что в процессе эксплуатации снижает надежность сети.

Особенности архитектуры EPON

Первые попытки построить сеть PON, приближенную по степени охвата потребителей к технологии Ethernet, были предприняты в 2000 г. Платформой для разработки принципов формирования сетей стала архитектура EPON, а в качестве основного стандарта была введена спецификация IEEE, на основе которой были выработаны отдельные решения для организации сетей PON. Технология EFMC, к примеру, обслуживала топологию «точка-точка» с применением витой медной пары. Но сегодня эта система практически не используется в связи с переходом на оптоволокно. Как альтернатива, более перспективными направлениями по-прежнему остаются технологии на базе ADSL.

В современном виде стандарт EPON реализуется по нескольким схемам подключения, но главным условием его воплощения является использование волокна. Помимо применения разных конфигураций, технология подключения PON по стандарту EPON также предусматривает возможность использования некоторых вариантов оптических приемопередатчиков.

Особенности архитектуры GPON

Архитектура GPON позволяет реализовывать сети доступа на базе стандарта APON. В процессе организации инфраструктуры практикуется увеличение сети, а также создание условий для более эффективной передачи приложений. GPON представляет собой масштабируемую кадровую структуру, позволяющую обслуживать абонентов на скорости информационных потоков до 2,5 Гбит/c. При этом обратный и прямой потоки могут работать как на одном, так и с разными скоростными режимами. Кроме того, сеть доступа в конфигурации GPON может обеспечивать любую инкапсуляцию в транспортный синхронный протокол независимо от сервиса. Если в SDH возможна реализация исключительно статического деления полос, то новый протокол GFP в структуре GPON при сохранении характеристик кадра SDH дает возможность и динамического распределения полос.

Преимущества технологии

Среди основных преимуществ в схеме PON выделяют отсутствие промежуточных звеньев между центральным приемником-передатчиком и абонентами, экономность, легкость подключения и удобство в обслуживании. В немалой степени эти достоинства обусловлены рациональной организацией сетей. Например, интернет-соединение обеспечивается напрямую, поэтому выход из строя одного из смежных абонентских устройств никак не влияет на его работоспособность. Хотя массив пользователей, конечно, объединяется подключением к одному центральному модулю, от которого зависит качество обслуживания всех участников инфраструктуры. Отдельно стоит рассмотреть древовидную топологию P2MP, которая максимально оптимизирует оптические каналы. Благодаря экономному распределению линий приема и передачи информации данная конфигурация обеспечивает эффективность работы сети независимо от расположения абонентских узлов. В то же время допускается ввод новых пользователей без кардинальных изменений существующей структуры.

Недостатки сети PON

Широкому применению данной технологии пока еще препятствует несколько значимых факторов. В первую очередь это сложность системы. Эксплуатационные преимущества сети данного типа можно обеспечить только при условии изначального выполнения качественного проекта с учетом множества технических нюансов. Иногда выходом из положения становится технология доступа PON, которая предусматривает организацию простой типологической схемы. Но в этом случае следует готовиться к другому недостатку - отсутствию возможности резервирования.

Тестирование сети

Когда все этапы первичной разработки сетевой схемы пройдены и выполнены технические мероприятия, специалисты приступают к тестированию инфраструктуры. Одним из главных показателей качественно выполненной сети является показатель затухания на линии. Для анализа канала на предмет наличия проблемных зон используются оптические тестеры. Все измерения производятся на активной линии с применением мультиплексоров и фильтров. Масштабная телекоммуникационная сеть обычно тестируется с применением оптических рефлектометров. Но такое оборудование требует специальной подготовки от пользователей, не говоря о том, что расшифровкой рефлектограмм должны заниматься экспертные группы.

Заключение

При всех сложностях в переходе на новые технологии компании, предоставляющие телекоммуникационные услуги, быстро осваивают по-настоящему эффективные решения. Постепенно распространяются и непростые в техническом исполнении оптоволоконные системы, к которым относится и технология PON. «Ростелеком», к примеру, начал внедрять услуги нового формата еще в 2013 г. Доступ к возможностям оптических сетей PON первыми получили жители Ленинградской области. Что самое интересное, поставщик услуг обеспечил оптоволоконной инфраструктурой даже местные поселки. На практике это позволило абонентам пользоваться не только телефонной связью с доступом в интернет, но и подключаться к цифровому телевизионному вещанию.

Во время путешествий по глобальной паутине для каждого пользователя критически важными являются такие характеристики, как скорость передачи данных и отсутствие «разрывов».

Обеспечить эти требования позволяет соединение по технологии xPON. Аббревиатура расшифровывается как «Passive optical network», то есть пассивные оптические сети. Новая методика зародилась из PON, которая гарантировала широкополосный мультисервисный доступ посредством оптоволоконных кабелей. В отличие от предшественника связь отличается большей мощностью, это позволило объединить все устройства, которые получают сигнал по одному каналу в «цифре». То есть каждому потребителю (офису, квартире, общественному учреждению) выделяется собственное волокно. От одного узла могут отделяться максимум 64 линии, каждая из которых заканчивается специальной розеткой. К ней подсоединяется один модем, который и обеспечивает связью все аппараты: настольный компьютер, планшеты, смартфоны, телевизор, SIP-телефон и т.д.

Какие преимущества дает линия xPON?

По сравнению с традиционными способами новая методика имеет массу плюсов:

высокая скорость передачи данных – от 100 Mb/s и выше;
удобство в использовании – дополнительные сервисы (антивирусная защита, родительский контроль и прочие) настраиваются провайдером;
возможность выбора – абонент самостоятельно определяет количество подключаемых аппаратов и другие параметры соединения;
стабильное качество – оно не зависит от расстояний до распределительных пунктов.

Стоит отметить, что xPON или имеет и определенные недостатки. К числу последних относятся сложности в процессе монтажа. К минусам можно отнести и то, что в случае обрыва отключаются сразу все устройства.

Как устроены оптоволоконные сети по этой технологии?

Схема состоит из следующих элементов: абонентский узел со всем необходимым оборудованием, распределительный шкаф и розетка для подключения модема. Кабели протягиваются к домам, где подключаются к устанавливаемым в подвалах зданий шкафам. Затем к каждому абоненту протягивается собственное волокно, которое фиксируется в специальном гнезде. Такую схему подключения используют многие отечественные и зарубежные интернет-провайдеры.

GEPON (Gigabit Ethernet PON) - набирающая популярность технология передачи данных по оптоволоконной сети. Ее суть - в древовидной топологии точка-многоточка, когда для построения сети используется только один оптоволоконный канал для десятков и сотен абонентов.

Дерево сети строится таким образом, чтобы ветка для абонента отделялась от основной магистрали как можно ближе к его расположению. Для разделения используется пассивный распределитель - сплиттер . Это в корне отличается от обычной топологии оптоволоконной сети, которая преимущественно имеет архитектуру точка-точка, и каждое разветвление линии требует установки активного сетевого оборудования.

Структура GEPON

Для построения оптической пассивной сети помимо оптоволокна используются:

OLT (Optical Line Terminal) -оптические линейные терминалы, обеспечивающие коммуникацию сети PON и внешних сетей;
Модули SFP OLT для подключения PON, с увеличенной мощностью и кодировкой сигнала;
ONU (Optical Network Unit) - конечный сетевой блок (модем) у абонента.
Сплиттеры - пассивные разветвители в узлах сети.

Древовидная структура GEPON предполагает различные варианты построения, от простейших - 1 OLT, 1 модуль SFP OLT, 64 ONU и необходимое количество сплиттеров для разветвления до "многоствольных", когда могут быть задействованы все порты OLT, а также несколько OLT или же многопортовые модели.

Схема архитектуры сети GEPON:

На картинке также наглядно показан способ передачи данных. От центрального узла уходят все пакеты, в конечном пункте каждый ONU "забирает" только свой, обозначенный идентификатором.

На обратном пути пакеты от абонентов собираются в один канал. В сетях PON применяется протокол TDMA , когда пакеты от разных точек передаются в разный момент времени.

Кроме того, разделяется входящий и исходящий трафик, а также трафик ТВ .

Схема сложной структуры GEPON:

При проектировании сложных схем пассивной оптоволоконной сети важно помнить, что один канал нельзя делить более чем на 64 абонентских устройства, и следует учитывать оптический бюджет системы.

Оптический бюджет системы - разница между мощностью передачи OLT и чувствительностью приема ONU.

Максимальное расстояние , на которое можно протянуть пассивную оптическую сеть, с учетом потерь на канале - 20 км .

Максимальное количество абонентских устройств , подключаемых к одному "дереву" PON -64 . Однако конечное число абонентов может быть больше, если после ONU подключать коммутатор. Здесь ограничения накладываются только таблицей MAC-адресов OLT и ONU, и, естественно, пропускной способностью канала.

Минимальная скорость на 1 абонента - 16 Мб/сек (1024 Мб/сек на 64 ONU).

Оборудование для сети GEPON

Оптические линейные терминалы - OLT

Эти устройства представляют собой свитчи второго уровня, оснащенные портами Uplink - для соединения с внешними источниками данных (интернет, ТВ, телефония) и Downlink - для сети PON.

OLT-терминалы выпускаются с обозначениями:

AC - для питания коммутатора используется стандартная электросеть на 220 В;
DC - терминалу нужен источник постоянного тока 36-72В;
2-AC 2-DC - наличие 2-х источников питания, основного и мгновенно включающегося резервного.

Абонентские терминалы (модемы) - ONU

Устройства на стороне абонента, оптические терминалы, оснащенные одним PON-портом, и одним или несколькими, в зависимости от модели, портами для подключения клиентского оборудования. Существуют модели с выходом кабельного ТВ.

Сплиттеры

Недорогие компактные простые устройства, не требующие электропитания, термошкафов, управления и настройки. Их главная задача - разделение трафика на пути от провайдера к абоненту, и смешение трафика - на обратном. Бывают сварные (с возможностью неравномерного распределения трафика) и планарные (равноплечие). Разветвление - от 1*2 до 1*128.

Недостатки технологии

Затухание сигнала на каждом узле ветвления. В итоге в сети на 64 ONU общее затухание может превысить 20 ДБ.
Необходимость максимальной пропускной способности всех устройств. Хотя каждый конкретный абонент получает от 16 Мбит/сек, каждая точка сети (ONU) вынуждена поддерживать максимальную пропускную способность GEPON - 1 Гбит/сек.
Недостаточно высокий уровень безопасности данных. Технология определенно не подойдет для финансовых и подобных организаций.
Сложность модернизации. Для того, чтобы увеличить пропускную способность сети, может потребоваться заменить весь кабель на магистрали.
Помехи в работе всей PON при одном неисправном устройстве ONU, передающем непрерывный световой сигнал в обратную сторону. Можно предусмотреть WathDog для контроля случайных поломок, но гораздо сложнее предотвратить действия злоумышленников.
Сложность обнаружения неисправностей. Сплиттеры, ввиду своей чрезвычайной простоты, неспособны помочь в определении сбойного участка сети.

Преимущества GEPON

Экономный расход оптического кабеля . Фактически, технология GEPON позволяет сократить протяженность кабельной инфраструктуры почти втрое.
Отсутствие активного оборудования на узлах сети, что существенно снижает расходы на ее проведение и обслуживание.
Высокая поддерживаемая скорость - до 1 Гбит/сек.
Эффективное распределение нагрузки в канале . Теоретически скорость для каждого абонента будет составлять пропускную способность канала/ количество абонентов. Фактически же, если какие-то абоненты в данный момент используют не всю свою полосу трафика или не подключены вовсе - скорость у остальных увеличивается.

Как видим, GEPON имеет и свои плюсы, и свои минусы. Однако растущая популярность показывает, что многие находят все-таки больше плюсов.

В одном из следующих наших выпусков - ответы на частые вопросы относительно пассивной оптоволоконной сети.

Нам задают все больше вопросов о реализации, принципах работы этой сети и так далее.

Поэтому в ближайшее время мы опубликуем цикл статей о технологии PON, более подробно разбирающих эти нюансы. И начнем с основного: что это, чем хороши сети PON, и почему украинские поставщики, в основном, предлагают оборудование GEPON, а не GPON или EPON?

Что такое PON-технология?

Оптическое волокно предоставляет возможность передавать данные большого объема и с большой скоростью, в том числе такие требовательные к стабильности сигнала, как голос и видео. И это хорошо. Но оптический кабель стоит дорого, и выделять для каждого абонента отдельное волокно - непосильные траты для большинства провайдеров. И это плохо. Мало того, многие абоненты не используют весь потенциал выделенного оптоволокна, и большая его часть "простаивает".

Поэтому была разработана PON-технология - для максимально эффективного и экономного использования возможностей оптоволоконной сети. Основным преимуществом Passive optical network является организация подключения нескольких десятков абонентов к сети по ОДНОМУ оптоволокну . Реализовано это с помощью разделения передачи пакетов во времени (протоколы TDM и TDMA), а также разделения приема и передачи данных в разных волновых диапазонах.

Виды PON. Что выбрать: GEPON или GPON?

О прародителях современной PON - технологиях APON и BPON - уже нет смысла даже говорить. Низкая поддерживаемая скорость вкупе с довольно высокой ценой развертывания сети на их основе, - причина их ухода в прошлое. То же касается EPON, с ее 100 Мб/сек.

Украинскому провайдеру остается выбрать между GEPON и GPON . Несмотря на похожие названия и высокую скорость, это разные стандарты. Картинка ниже это иллюстрирует: если в GEPON пакеты данных передаются без особых изменений, то в GPON это происходит сложнее, с двойной "упаковкой" в кадры GEM и GTC. Кроме того, в GPON используются ATM-ячейки, которых нет в GEPON.

GPON поддерживает скорость в 2.5 Гбит, предлагает эффективную передачу TDMA-трафика и имеет несколько других преимуществ. Но все они перечеркиваются стоимостью оборудования (гораздо выше, чем в GEPON) и более сложной его настройкой. Лишь небольшой сегмент провайдеров, обслуживающий крупных серьезных клиентов или строящий огромные разветвленные сети, может позволить себе такую сеть.

Большинство украинских телекоммуникационных компаний выбирают GEPON:

пропускная способность такой сети отвечает стандартным современным требованиям (1 Гбит);
оборудование для GEPON дешевле , чем для GPON и легче настраивается;
по количеству подключаемых абонентов на 1 порт OLT (64) и максимальному радиусу сети (20 км) GEPON не уступает GPON.

Существует также технология 10GEPON, которая обещает скорость в 10 ГБит, но ее разработки все еще ведутся (с 2009 года).

Где можно протянуть PON (GEPON)?

Сети на основе PON-технологии универсальны. Они могут использоваться даже в тех условиях, когда невыгодно или нереализуемо организовать обычную оптоволоконную FTTH сеть или пробросить Wi-Fi линки.

Возьмем, к примеру, стандартную сеть на основе оптики, когда для каждого абонента выделяется отдельное волокно. Мы уже обсудили выше, что это невыгодно из-за стоимости самого кабеля. Добавьте к этому непременный атрибут такой сети - активное оборудование. Необходимо:

Купить свитчи и поставить в каждое место доступа, плюс предусмотреть более мощный коммутатор на агрегацию. Цена на свитчи (даже самые непритязательные) на несколько десятков абонентов начинается где-то от 400 долларов.
Оснастить SFP-модулями (они обычно не идут в комплекте к коммутаторам), медиаконвертерами и т. п.
Где-то разместить, и это "где-то" должно быть теплым сухим помещением.
Защитить от вандалов и воров (монтажный запирающийся шкаф или бокс).
Позаботиться об электропитании и о резервном питании (или UPS), на случай отключения электроэнергии.
Обеспечить настройку, мониторинг и сопровождение всего активного оборудования.

И если в условиях городской застройки это все хоть как-то реализуемо, то в частном секторе - маловероятно.

Для частного сектора отличное решение - Wi-Fi сети. Но здесь тоже могут быть камни преткновения: плотно "заселенный" эфир, отсутствие прямой видимости и тому подобное, когда выходом становится GEPON.

И кабельное телевидение в придачу

Подключение интернета по PON-технологии, помимо экономии на стоимости оптического волокна, имеет массу преимуществ:

Закупка активного оборудования сводится к минимуму. Фактически, вам нужно приобрести лишь одну головную станцию - OLT и абонентские терминалы-модемы (ONU). Причем цена последних может быть компенсирована абонентом в стоимости подключения.

Настройка и администрирование необходима будет только для OLT.

На всей протяженности GEPON используются только пассивные элементы - сплиттеры, которые не нуждаются в подаче питания и отапливаемом помещении.

В PON эффективно используется пропускная способность сети. Так как она является общей, то при бездействии одного или нескольких абонентов и снижении нагрузки на канал скорость возрастает у всех . Также пропорционально она и падает, однако ресурсов пропускной способности вполне достаточно даже при самой большой загрузке. Если мы поделим гигабит на 64 подключенных абонента (максимум), то каждому получается минимум 16 Мбит !

И дополнительный бонус - на основе GEPON можно предоставлять абонентам кабельное телевидение, используя ту же сетевую инфраструктуру. Передача данных ТВ ведется на другой длине волны.