Ethernet в сети доступа

Первая миля (также называемая последней милей, абонентским шлейфом или абонентской сетью доступа) определена как коммуникационная инфраструктура, которая соединяет корпоративных или частных пользователей с узлом связи (точкой присутствия) поставщика услуг. Узел связи (точка присутствия) — здание (помещение) где коммутирующее и маршрутизирующее оборудование направляет данные в городскую опорную (магистральную) сеть. Это критически важный участок сети для любого оператора связи, так как именно он связывает оператора с его абонентами, его инфраструктура определяет возможности оператора по предоставлению различных услуг, на него приходится основная доля капитальных и эксплуатационных затрат. Иногда первая миля расположена внутри здания или группы близко расположенных зданий, как встроенная распределительная сеть, подсоединенная к оператору связи по высокоскоростному соединению.

Большинство применяемых сегодня решений на первой мили (DSL, выделенные лини E1/E3 и т.д.) имеет ряд недостатков, выражающихся в ограниченной масштабируемости и гибкости при необходимости увеличения скорости доступа или обеспечения поддержки дополнительных услуг.

Хорошим кандидатом на роль транспортной технологии в сети доступа является Ethernet, т.к. она недорогая, позволяет без замены оборудования программно изменять скорость доступа в широком диапазоне, а также поддерживает все службы (данные голос и видео) и все типы сред передачи (медь, оптика).

Пользователи имеют локальные Ethernet сети, способные поддерживать полосу в десятки мегабит в секунду. Городские сети, к которым они присоединяются и новое поколение которых развивается также на основе Ethernet, обеспечивают гигабитные скорости передачи информации. Но связь между пользователями и опорной сетью до сх пор является «узким местом» и измеряется в килобитах в секунду и в большинстве случаев составляет 5-10% от полосы 10 BaseT LAN. Поэтому применение Ethernet на первой миле дает возможность повысить скорость доступа. За счет устранения протокольной избыточности и дополнительных сетевых элементов на границах сети доступа, использование Ethernet уменьшает стоимость оборудования, сложность сети, упрощает ее архитектуру.

Ethernet появилась как LAN технология и применялась в корпоративной среде, где приемлема доставка трафика по принципу лучшей попытки (best effort) и уровень доступности (время работоспособности) 99.96%. Для получения статуса технологии доступа операторского класса необходим уровень доступности 99.999% (пять девяток) с быстрым восстановлением после сбоев, а также поддержка мониторинга производительности, механизмов уведомления об авариях, определения и изоляции ошибок и четкая, управляемая точка демаркации между оборудованием пользователя (CPE, Customer Permise Equipment) и точкой присутствия оператора. Для решения этих вопросов, обеспечения совместимости оборудования, выработке единых для отрасли подходов построения сетей доступа на основе Ethernet, в 2001 году была начата разработка стандарта для Ethernet на первой миле.

Стандарт 802.3ah для Ethernet на первой миле

Разработку стандарта IEEE 802.3ah (Ethernet in the First Mile, Ethernet на первой/последней миле, он же IEEE 802 EFM) выполнила рабочая группа (Task Force) комитета IEEE 802 Института инженеров по электротехнике и электронике (см. http://www.ieee802.org/3/efm/). Официальная версия окончательного варианта стандарта IEEE 802.3ah была утверждена 24 июня 2004 года.

Кроме рабочей группы IEEE 802.3ah, огромный вклад в разработку стандарта внесла Ассоциация EFM — Ethernet in the First Mile Alliance (http://www.efmalliance.org/ ), взявшая на себя ответственность за популяризацию данного стандарта. Отраслевое внедрение IEEE 802.3ah началось до официального выхода стандарта и многие поставщики Ethernet оборудования реализуют в своих устойствах основные подходы, заявленные в данном стандарте.

Основная цель EFM — транспорт Ethernet в городских сетях Metro и сетях доступа, обеспечивающий экономичные и гибкие решения для доставки абонентам широкополосных услуг. Как и любой другой стандарт, IEEE 802.3ah должен обеспечить совместимость оборудования разных компаний-изготовителей, что полезно операторам связи и поставщикам услуг. Однако в центре внимания стандарта находится абонент, именно поэтому в его названии абонентский шлейф именуется первой (если считать от абонента), а не последней (если считать от оператора связи) милей.

Возможно, стандарт IEEE 802.3ah охватывает самую широкую область применения среди всех остальных стандартов IEEE 802, поскольку определяет спецификации для физического уровня для меди и для оптического волокна и три различные топологии доступа:

• «Точка-точка» по медной линии связи известную еще как Ethernet поверх VDSL ( EoVDSL) или EFMC (Ethernet in First Mile Copper);
• «Точка-точка» по волоконной линии связи (Point-to-point fiber, P2P fiber) или EFMF;
• «Точка-несколько точек» по волоконной линии связи (Point-to-multipoint fiber, P2MP fiber) или EPON (Ethernet Passive Optical Network);

На основе обозначенных выше топологий операторы могут создавать гибридные топологии.

Для всех типов топологий и сред передачи стандартом определены общие функции операции эксплуатации, администрирования и обслуживания (OAM — Operation, Administration, and Maintenance ).

Ethernet точка-точка по меди

Ethernet поверх VDSL идеальное решение для предоставления от 5 до 15 Мбит/с по существующей медной низко-категорийной кабельной проводке.

В отличие от большинства DSL решений основанных на транспорте ATM, в технологии EoVDSL кадры Ethernet передаются на физический уровень без промежуточного инкапсулирования в ячейки АТМ.

Как и во всех DSL решениях CPE на стороне пользователя — VDSL модем с пользовательским интерфейсом Ethernet и встроенными функциями моста и/или маршрутизатора, а узел доступа — IP/Ethernet DSLAM. Как правило, эти устройства поддерживают VLAN теги 802.1q, обработку трафика в соответствии с приоритетами 802.1p и DiffServ, IGMPv2 для эффективной обработки вещательного трафика. При скорости доступа 10 Мбит/с, которая обеспечивается на расстояниях порядка 1,5 км, EoVDSL допускает выполнение одновременно приложений голоса, видео и данных, таких как высокоскоростной доступ в Интернет, видео-трансляции, IP телефония. На основе EoVDSL можно строить высокопроизводительные сети доступа для зданий с множеством точек подключения или корпоративных кампусов. Такие здания включают отели, многоквартирные дома, бизнес центры и т.п. Корпоративные кампусы включают производственные территории, больничные комплексы и т.п. Скорости данных в этих условиях применения достаточны для трансляции нескольких видеоканалов вдобавок к приложениям голоса и данных. Комбинация с оптическими решениями EFM позволяет конечным пользователям эффективно связываться с городскими сетями.

К слабым сторонам технологии следует отнести ограниченные возможности по увеличению как скорости доступа, так и расстояния, что значительно сужает область применения этой технологии на абонентской проводке вне зданий (например, между офисом и узлом оператора связи).

Ethernet точка-точка по оптике

Описание технологии и архитектура доступа

EFMF определяет физический уровень для транспорта кадров Ethernet точка-точка на скоростях 100 Мбит/с и 1 Гбит/с и на расстояния до 10 км по одномодовому оптическому волокну. Специфицированы интерфейсы 100 и 1000 Мбит/с работающие как по двум волокнам, так и по одному волокну. В последнем случае данные вниз и вверх по потоку передаются на разных не перекрывающихся длинах волн.

Применяемое оборудование

На рисунке представлена одна из возможных схем применения топологии EFMF.

Рис. 1. Архитектура первой мили для Ethernet P2P по оптичесому волокну.

Обязательный элемент этой архитектуры — центральный агрегирующий узел с интерфейсами соответствующими спецификации 802.3ah, к которому по оптике может напрямую подключаться пользователь, либо между агрегирующим узлом и пользователем может присутствовать необязательный элемент данной архитектуры — распределительный узел, который располагается в зоне обслуживания центрального узла для более эффективного использования оптического волокна или в здании, где находится абонент и соединяется с ним по внутренней медной иди оптической проводке. Отметим, что спецификация 802.3ah предусматривает возможность работы оптических интерфейсов в расширенном диапазоне температур, поэтому распределительный и агрегирующий узлы могут, например, размещаться и в уличных шкафах. Устройством пользователя может быть Ethernet коммутатор или т.н. домашний шлюз (residental gateway), имеющий в дополнение к Ethernet еще аналоговые или ISDN BRI интерфейсы и поддерживающий VoIP протоколы с сигнализациями H.323, SIP или MGCP. Если оператор обеспечивает трансляцю видеоконтента, то для его просмотра на телевизоре необходим IP STB (Set-Top-Box), который декодирует, поступающий в виде IP пакетов сжатый видеопоток.

Преимущества этого подхода во многом связаны с преимуществом использования оптического волокна и возможностями масштабирования сети доступа.

Оптическое волокно — среда передачи, пригодная в долгосрочной перспективе для обеспечения сегодняшних и завтрашних требований по доставке приложений голоса, видео и данных. Преимущества оптического волокна — высокая пропускная способность, большие расстояния передачи, возможность прокладывать в кабельных каналах не только со слаботочным (абонентским) кабелем, но и с электрическим кабелем.

Топология точка-точка Gigabit Ethernet по оптическому волокну — экономически эффективный высокопроизводительный доступ для области применения «волокно до дома» FTTH (fiber to the home), «волокно до здания или границы частной собственности FTTB/C (fiber to the building and curb), а также для сквозного подключения или агрегации корпоративных сетей. В комбинации с функцией ограничения полосы (rate limiting) и соглашениями об уровне обслуживания (SLA), физический канал 1000 Мбит/с может быть использован для предложения 10, 100, 200- Мбит/с или более скоростных служб. Гигабитная скорость доступа — достаточная полоса, чтобы гарантировать большой жизненный цикл сетевой инфраструктуры (само оптическое волокно амортизируется в течение 20 и более лет). EFMF имеет наименьшие годовые эксплуатационные затраты на транспортные службы, в то время как нарастающая полоса пропускания всегда будет гарантировать доставку множества приносящих прибыль служб.

Ethernet точка — много точек по оптике

Многоточечные соединения стандарт IEEE 802.3ah рекомендует строить на основе пассивных оптических сетей PON (Passive Optical Network), в которых применяется единый и совместно используемый оптический канал, распределяемый по абонентам с помощью пассивных оптических сплиттеров. Это позволяет сформировать пассивную оптическую инфраструктуру с дальностью до 20 км и скоростью 1 Гбит/с. Проще говоря, один оптический транк к оператору связи соединяется с абонентской сетью оптического распределения данных — Optical Distribution Network (ODN).

Для IEEE 802.3ah EPON определены протокол Multi-Point Control Protocol (MPCP), механизм Point-to-Point Emulation (P2PE), а также две длины волны 1490/1310-нм, соответственно для нисходящего и восходящего потоков. На рисунке приведена архитектура первой мили в EPON.

Рис. 2. Архитектура первой мили для Ethernet P2MP (EPON) по оптическому волокну.

В сети EPON определены устройства двух типов: оптический линейный терминал OLT (optical line terminal) на стороне оператора связи и оптическое сетевое устройство ONU (optical network unit) на территории абонента. Все ONU подключаются к одному OLT по совместно используемой сети EPON, в которой по протоколу MPCP формируются логические каналы к каждому из абонентов. В процессе регистрации в сети EPON абонент получает долю общей полосы пропускания и идентификатор логической линии связи Logical Link ID, согласно которому проводится распределение кадров по абонентам.

Данные от OLT к абоненту передаются как широковещательные кадры и каждый ONU сбрасывает все кадры, кроме содержащих его собственный Logical Link ID в преамбуле.

Данные от абонента к OLT передаются с применением протокола TDMA, когда только одно ONU передает в заданный квант времени. ONU предоставляет пользователю интнрфейсы 10/100 Мбит/с Ethernet для данных и видео трафика поверх IP и аналоговые или цифровые ISDN BRI/PRI интерфейсы для подключения голосовых терминалов или учережденческих телефонных станций. В зависимости от коэффициента разделения (split ratio), EPON может поддерживать скорость к абоненту до 30 Мбит/с и при этом предлагает множество экономических преимуществ.

Так OLT поддерживает от 16 до 32 абонентов на порт, за счет применения пасивных оптических сплиттеров, минимизируя количество оптического волокна и количество трансиверов на центральном узле. Таким образом уменьшается стоимость кабельной инфраструктуры и устраняется необходимость обслуживания оборудования распределительной сети (т.к. оно пассивное). С учетом экономии затрат на оптический кабель EPON имеет меньшую стоимость, чем Ethernet поверх P2P, хотя проигрывает последней как в абсолютной скорости доступа, так и относительной, т.е. скорости доступа предосталяемая за денежную еденицу. Однако в долгосрочной перспективе более высокая стоимость обслуживания EPON, связанная со сложностью самой технологии, а следовательно сложностью диагностики и устранения неполадок может свести на нет экономию на этапе развертывания системы.

Эксплуатация, Администрирование и Обслуживание (OA&M) Ethernet доступа

Обычные сети Ethernet не имеют средств эксплуатации, администрирования и обслуживания (OAM), но использование этой технологии в сетях доступа требует механизмов управления хотя бы в том объеме, в котором они присутствуют в SDH или ATM. Разумеется, в сетях Ethernet широко применяется протокол управления SNMP, но он не обеспечивает эксплуатационных возможностей операторского класса для абонентской сети, хотя прекрасно подходит для сетей локальных. Основные недостатки SNMP: отсутствие какой-либо связи с устройством при потере соединения по протоколу IP и обязательное назначение IP-адреса любому устройству, к которому предполагается подключиться. Поэтому в стандарте IEEE 802.3ah определены функции OAM операторского класса, кстати впервые за всю историю развития Ethernet.

Функции OAM предполагают решение трех задач

• мониторинг пропускной способности линии связи (Link performance monitoring);
• обнаружение неполадок и аварийная сигнализация (Fault detection and fault signaling);
• кольцевое тестирование (Loopback testing).

Реализация функций OAM производится специальным протоколом на втором уровне модели OSI, который во многом копирует SNMP, но на более низком уровне объектной модели.