Технологии семейства PON

Под пассивной оптической сетью (Passive Optical Network, PON) понимается структура сети, когда от сетевого оборудования (optical network unit, OLT) до терминала абонента (optical line terminal, ONU) не устанавливается активное оборудование, и все ONU подключены только к одному волокну. Доступ множества ONU к единственному волокну в системах PON может быть реализован как на базе временного, так и на базе частотного разделения. К технологиям на базе временного разделения

относятся: ATM Passive Optical Network (APON), Gigabit PON (GPON), Ethernet PON (EPON) и ряд разновидностей указанных технологий. Примером технологии с доступом с частотным разделением является WDM-PON. Остановимся подробнее на технологиях с временным разделением. Первые шаги в разработке технологии PON были предприняты в 1995 г., когда группа из семи операторских компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefonica и Telecom Italia) создала консорциум для реализации идеи множественного доступа по одному волокну. Эта неформальная организация, поддерживаемая МСЭ-Т, получила название FSAN (Full Service Access Network). Целью группы 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. В настоящее время группа FSAN включает в свой состав несколько десятков операторов и производителей оборудования и работает в тесном сотрудничестве с такими организациями, как МСЭ-Т, ETSI и ATM Форум.

А. Технология APON

Исторически первой технологией PON была APON (табл. 2.1). В середине 1990-х гг. общепринятой была точка зрения, что только протокол ATM способен гарантировать приемлемое качество услуг связи (QoS) между абонентами. Поэтому группа FSAN, желая обеспечить транспорт мультисервисных услуг через сеть PON, выбрала за основу технологию ATM. В результате в октябре 1998 года появился первый стандарт МСЭ-Т G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек ATM в «дереве» PON и получивший название APON. В соответствии со стандартом G.983.1 один волоконно-оптический сегмент сети PON может охватывать до 32 абонентских узлов в радиусе до 20 км. Каждый абонентский узел рассчитан на обычный жилой дом или офисное здание и в свою очередь может охватывать сотни абонентов, предоставляя интерфейсы 10/100 Base-TX, E1, ATM. Центральный узел может имеет сетевые интерфейсы ATM, SDH (STM-1), Gigabit Ethernet для подключения к магистральным сетям. Для передачи прямого и обратного потоков используется пара оптических волокон. Полоса пропускания волокна динамически распределяется между абонентами. Нисходящий поток от центрального узла к абонентам идет на длине волны 1550 нм и имеет скорость 622 Мбит/с (в сумме для всех абонентов). Восходящие потоки от абонентов передаются на длине волны 1310 нм с использованием протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA) и также имеют суммарную скорость 622 Мбит/с. Характеристики технологии APON представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Технология APON

Характеристика

Спецификация

Длина волны для нисходящего потока (потока к абонентам), нм

Длина волны для восходящего потока, нм

Суммарная скорость передачи для нисходящего потока

155; 622

Суммарная скорость передачи для восходящего потока, Мбит/с

155; 622

Бюджет оптической линии (учитывается при определении величины максимального расщепления сигнала на сплиттере и максимального расстояния), дБ

Класс A: 5-20; Класс B: 10-25; Класс С: 15-30

Максимальный разброс потерь по оптическим путям, дБ

Поддерживаемые типы волокон и требования к линии связи

МСЭ-Т G.652, стандартное одномодовое волокно

Максимальное число абонентских узлов (ONU), которые можно подключить на одно волокно, идущее из центрального узла (OLT)

Максимальное расстояние OLT-ONU, км

Требования __________к оптическим компонентам (разветвители, соединители, демультиплексоры WDM)

Согласно рекомендации G.671

Особенностью APON было то, что внутри сети PON передавались только ячейки ATM. Из-за малого размера этих ячеек (53 байта) в сети ATM передается очень много служебной информации. Более того, сегодня доминирующими технологиями являются Ethernet и IP. Последнее означает, что необходимо постоянно упаковывать (распаковывать) Ethernet-кадры и IP-пакеты в (из) ATM-ячеек, поэтому в последующих разработках в области PON разработчики отказались от ATM.

Б. Технологии GPON и EPON

Затем были предложены стандарты GPON и EPON (табл. 2.2). Рассмотрим причины существования несколько вариантов стандартов PON. Основной проблемой является механизм предоставления доступа к разделяемому волокну. Важно понимать, что сеть PON отличается от сети Ethernet, где тоже стоит проблема множественного доступа к разделяемой среде. В сети PON, в силу специфики пропускания оптического сигнала разветвителем, данные, отправленные узлом ONU, получает только OLT.

Таким образом, в обратном направлении сеть PON аналогична совокупности соединений точка-точка. Однако в отличие от истинной архитектуры точка-точка, сеть PON нуждается в специальном методе управления, который следил бы за тем, чтобы не было коллизий потоков от разных блоков ONU. Поэтому в PON центральный узел OLT должен делить всю полосу восходящего потока между всеми ONU и выполнять функцию диспетчера, указывая различным блокам ONU, в какое время те могут передавать данные.

Таблица 2.2.Технологии EPON и GPON

Характеристика

EPON

GPON

Класс оптической распределительной сети

A,B

A,B,C

Максимальное расстояние/ базовое расстояние, км

20/20

60/20

Максимальный/минимальный коэффициент разделения (уровень управления передачей)

128/32

Линейная скорость восходящего/нисходящего потоков, Мбит/с

1250/1250

155.22; 622.08; 1244.16; 2488.32/155.22; 622.08; 1244.16; 2488.32

Кодирование

8b/10b

NRZ

Скорость данных в восходящем потоке, Мбит/с

Такая же, как и линейная скорость

Бюджет мощности, дБ

15/20

15/20/25

Еще одной проблемой является то, что стандартные протоколы, такие как Ethernet, разрабатывались для сетевых взаимодействий точка-точка, а в сети PON в нисходящем потоке характер соединения – точка-многоточка. Все отмеченное выше справедливо как для GPON, так и для EPON. Характеристики технологий ЕPON и GPON представлены в табл. 2.2.

В январе 2003 года МСЭ-Т были приняты стандарты G.984.x, которые включают в себя GPON. Целью МСЭ-Т было разработать универсальный стандарт, который бы поддерживал TDM, ATM и трафик Ethernet, и при этом обеспечивал очень высокое качество обслуживания. В то же время IEEE через деятельность группы EFM стандартизовала стандарт Ethernet PON (EPON). Целью IEEE было взять за основу технологию Ethernet и внести небольшие изменения и дополнения, для того чтобы соответствовать требованиям сетей PON. В силу того, что обе организации разрабатывали свои стандарты параллельно, они постарались сделать их как можно более похожими друг на друга. Однако из-за различия в целях удалось добиться лишь ограниченного количества сходств, которые

существуют лишь на физическом уровне. Физический уровень На физическом уровне в обоих стандартах принят одинаковый план волн. Однако стандарт GPON принял дополнительный класс сетевой оптической передачи, характеризующийся максимальными потерями. Это позволяет увеличить коэффициент разделения сплиттеров или более удлинить сеть. Более того, скорости восходящего потока и уровни мощности в GPON являются настраиваемыми, что дает большую гибкость. EPON использует фиксированную скорость передачи и настраиваемый заголовок, в то время как GPON использует фиксированный заголовок, которая минимизирована для того, чтобы увеличить эффективность использования полосы пропускания. Уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC) Оба стандарта используют механизмы динамического распределения полосы. Блоки ONU могут динамически запрашивать требуемую полосу пропускания, посылая свои отчеты о состоянии очередей. Блок OLT составляет расписание временных слотов для всех ONU, исходя из их требований. Благодаря этому достигается адаптация к флуктуациям трафика. MAC в архитектуре EPON В архитектуре EPON для предоставления возможности передачи в восходящем потоке используется протокол управления множеством узлов MPCP (Multi-Point Control Protocol). Протокол базируется на двух типах управляющих кадров: GATE и REPORT. Сообщения GATE идут от OLT к ONU. В них содержится информация о режимах вещания, идентификаторы получателя, временные метки, а также информация о том, в какой момент и как долго может передавать ONU. В каждом сообщении GATE может содержаться до четырех разрешений на передачу, соответствующих четырем очередям в ONU. В ответ узлы ONU посылают на OLT сообщения REPORT, в которых передают информацию о состояниях своих очередей. Сообщения EPORT помогают OLT правильно распределять полосу в обратном потоке. Протокол MPCP имеет два режима работы: инициализации и нормальный. Соответственно и абонентские узлы могут находятся в двух состояниях. Режим инициализации необходим для того, чтобы OLT мог обнаружить и зарегистрировать новые узлы ONU. При этом регистрируемому ONU назначается идентификатор, вычисляется время задержки на двойном пробеге RTT (round-trip time) до этого ONU, и определяются другие параметры. Нормальный режим работы служит непосредственно для передачи данных.

Поскольку несколько незарегистрированных ONU одновременно могут попытаться зарегистрироваться и ответить своими сообщениями REPORT на сообщение GATE, то может возникнуть коллизия. В этом случае те ONU, чьи сообщения REPORT испытали коллизию, не будут зарегистрированы. Узел ONU ожидает уведомление о регистрации, и если по истечении заданного тайм-аута не получает его, то считает, что произошла коллизия, и попытается повторно зарегистрироваться, предварительно пропустив несколько GATE-сообщений. Число пропущенных сообщений выбирается случайным образом из заданного интервала, а интервал удваивается после каждой новой коллизии. Используется так называемый усеченный экспоненциальный алгоритм, аналогичный алгоритму разрешения коллизий в протоколе IEEE 802.3 CSMA/CD. Если коллизии не возникло, то OLT посылает GATE-сообщение на MAC-адрес регистрируемого ONU с указанием выделенного уникального идентификатора LLID. Идентификатор LLID выполняет функцию тега и необходим для того, чтобы сеть EPON могла эмулировать коммутацию уровня 2 и организовывать виртуальные сети. Получив это сообщение GATE, узел ONU переходит в нормальный режим работы. Теперь рассмотрим нормальный режим работы. На OLT диспетчер посредством MPCP отправляет GATE-сообщения для каждого ONU со следующей информацией: время, в которое данный узел ONU должен начать передачу, и длительность передачи. Протокол MPCP обеспечивает единое время на часах OLT и на часах каждого ONU посредством указания временных меток в управляющих GATE-кадрах. Узел ONU, получив сообщение GATE, убеждается, что оно адресовано ему, и узнает о времени начала передачи и длительности передачи. Узел OLT при вычислении времени начала передачи для ONU принимает во внимание известное время RTT для этого узла. Блок ONU каждый раз проверяет правильность своей синхронизации с OLT, сверяя содержащуюся в полученном GATE-сообщении временную метку со своим собственным временем. Если расхождение превысит установленный порог, то ONU посчитает, что синхронизация потеряна и переключится из нормального режима в режим инициализации. Если расхождение не превышает установленный порог, то ONU, подкорректировав свои часы, будет ожидать момента начала разрешенной передачи. Выделенный тайм-слот может вместить несколько кадров Ethernet. Передача фрагментов кадров исключена – если следующий в буфере кадр не помещается в незанятую часть разрешенного временного интервала, то кадр будет дожидаться следующего временного интервала, разрешенного для отправки.

В EPON потоки данных, прибывающих в ONU от пользовательского оборудования, находятся в очередях. В соответствии со схемой

приоритетного обслуживания в ONU могут поддерживаться до восьми очередей. MAC в архитектуре GPON В GPON в восходящем потоке для реализации функции MAC используется небольшой надзаголовок, добавляемый к кадрам, которые передают ONU. Надзаголовок служит для информирования OLT о необходимой полосе пропускания в восходящем потоке. Основываясь на этой информации от каждого ONU, OLT распределяет время передачи в восходящем потоке между всеми ONU. Во время активации и регистрации ONU измеряется расстояние от OLT до ONU, что позволяет рассчитать, в какой момент блок ONU должен передавать, с поправкой на задержку сигнала из-за расстояния. Классы обслуживания Классы трафика, требования QoS и примеры приложений показаны в табл. 2.3. Модель GPON с точки зрения теории очередей обычно представляется в виде узла с уровнем MAC, поддерживающим до 4 очередей. Аналогичная модель с 4 очередями рассматривается и для технологии EPON. Каждая очередь соответствует определенному классу трафика, который предъявляет определенные требования к QoS.

Таблица 2.3. Классы обслуживания

Класс обслуживания (Class of Service, CoS)

Требования QoS

Соответствующие приложения

Скорости передачи, предоставляемые PON

Фиксированные значения полосы пропускания, задержки и джиттера

Выделенная линия, трафик TDM

Передача с постоянной скоростью

Фиксированная полоса пропускания и статистически ограниченная задержка

Видео и приложения с варьируемой скоростью

Гарантированная и пиковая скорости

Лучше чем наилучшая попытка (better than best effort)

Передача данных с доступной скоростью

Гарантированная минимальная скорость

Наилучшая попытка (best effort)

Электронная почта

Гарантии доставки отсутствуют

Показано, что для обеспечения QoS необходимо четко разграничивать эластичный трафик и трафик реального времени. Также необходимо

статически резервировать полосу пропускания для трафика высокого приоритета, для того чтобы обеспечить для такого трафика приемлемую величину задержки.

В. Архитектура 10G EPON

Архитектуры EPON и GPON не могут предоставить скорости передачи, превышающие 1-2,5 Гбит/с. Однако, из-за использования таких широкополосных приложений, как IPTV, HDTV, 3DTV и online-игры, потребность пользователей в полосе пропускания в ближайшие годы должна вырасти до 50-100 Мбит/с. Чтобы решить эту проблему, организация IEEE разработала стандарт IEEE 802.3av, получивший название 10G EPON. Этот стандарт, позволяет увеличить скорость в восходящем и нисходящем потоках до 10 Гбит/с, а также может осуществить совместную работу блоков ONU, принадлежащих архитектурам 10G EPON и 1G EPON. Стандарт был разработан для того, чтобы увеличить скорость систем EPON с 1 до 10 Гбит/с, используя при этом интерфейс Ethernet 10 Гбит/с. Стандарт IEEE 802.3av определяет две модели физического уровня. Первая модель предполагает симметричную скорость 10/10G-EPON, поддерживающую передачу и прием на скоростях 10 Гбит/с. Основным стимулом для 10/10G-EPON является необходимость предоставления требуемой полосы пропускания в восходящем и нисходящем потоках для поддержки многоквартирных домов. При этом один EPON ONU может быть подключен к домам с числом пользователей порядка одной тысячи. Вторая модель предполагает ассиметричную скорость 10/1G-EPON. Восходящий поток идентичен уже существующей архитектуре 1G-EPON (как определено в IEEE 802.3ah), и использует уже имеющиеся оптические трансиверы. Нисходящий поток будет использовать устройства Ethernet, работающие на скорости 10 Гбит/с. Совместная работа 10G EPON и EPON При разработке стандарта 802.3av основное внимание уделено одновременной работе систем EPON и 10G EPON в пределах одной и той же сети PON. В нисходящем потоке потоки 1 Гбит/с и 10 Гбит/с разнесены по длинам волн. Поток 1 Гбит/с передается в диапазоне волн 1480 – 1500 нм, а поток 10 Гбит/с использует для передачи полосу 1575 – 1580 нм. На рис. 2.4 показан сегмент сети, где OLT поддерживает работу ONU, у которых скорости 10 Гбит/с в нисходящем потоке и 1 Гбит/с в восходящем потоке, а также ONU, у которых скорость в восходящем и нисходящем потоках равняется 10 Гбит/с.

Рис. 2.4. Архитектура 10G EPON Основные преимущества 10G EPON состоят в следующем:

· использование экономически эффективных ONU для обеспечения необходимых услуг;

· предоставление услуг при модернизации сети происходит без прерывания функционирования сети;

· уменьшение стоимости операционных и капитальных затрат, связанных с обновлением сети;

· инновационные улучшения устройств, расширенные возможности сети, оптимизация взаимодействия;

Г. Технология WDM-PON

Будущее оптических сетей класса PON в долгосрочной перспективе лежит в области создания технологии WDM-PON, использующей разделение по длинам волн DWDM для размещения большого количества параллельных высокоскоростных каналов поверх одной инфраструктуры PON. Здесь каждый ONT передает и принимает данные на определенной длине волны. Типичная архитектура WDM-PON (см. рис. 2.5) будет заменять пассивные сплиттеры на волновые селективные фильтры, которые часто реализованы как решетки на основе волноводов (Arrayed Waveguide Grating, AWG). Основные преимущества WDM-PON:

· высокая скорость передачи: текущие реализации предоставляют скорости 20 Гбит/с для 16 ONU, а в будущем предполагаются реализации, где будет 64 длины волны, каждая из которых работает на скорости 10 Гбит/с;

· пользователю предоставляется выделенная полоса пропускания (нет распределения на конкурентной основе);

· эффективно используется волокно (до 64 абонентов на волокно, как в GPON);

· возможно значительное увеличение дальности связи (используя AWG с низкими потерями вместо неэффективных с точки зрения потерь сплиттеров при стандартном для GPON бюджете в 28 дБ, можно подключать абонентов на расстоянии порядка 80 км).

Рис. 2.5. Архитектура WDM-PON Основной недостаток систем WDM-PON — высокая стоимость, так как требуются узкополосные передатчики, излучающие на заданной длине волны. Это особенно критично для абонентских устройств ONT, так как их стоимость напрямую влияет на стоимость абонентской линии. С одной стороны, проблема частично решается за счет унификации и уменьшения типов аппаратных компонентов в оконечных устройствах (например, использование настраиваемых на заданную волну лазеров), с другой — не без оснований можно надеяться, что через несколько лет к моменту выхода стандарта стоимость оптических компонент для WDM-PON будет значительно ниже нынешнего уровня. Первые продукты WDM-PON уже начинают появляться, но, по существу, сейчас эта технология строится из собранных вместе «кусочков» и находится в стадии разработки — архитектура и части системы в целом определены, но необходимость заполнения пробелов и объединения этих частей вместе существует до сих пор.

В качестве заключения можно отметить следующие моменты. Перспективными технологиями оптических сетей PON безусловно являются 10G EPON и WDM-PON, однако у них есть ряд ограничений в данный момент. Технология 10G EPON предоставляет существенно большую полосу пропускания для абонентов, однако, оборудование для нее только начинает выпускаться, и его цена выше, чем у EPON. Для технологии WDM-PON пока не определены окончательные стандарты. Это

дает преимущество технологиям EPON и GPON, которые широко используются, но сегодня пока не ясно, что будет представлять стандарт 10G GPON. Поэтому технология EPON является наиболее привлекательной как технологически, так и экономически. Эта технология относительно просто модернизируется до 10G EPON заменой OLT и предоставляет абонентам полосу пропускания, превосходящую 100 Мбит/с (с учетом замены их ONU). Конечно, необходимо учитывать, что с выходом окончательных стандартов WDM-PON новые сети PON возможно будут строиться только на основе этой технологии, как предоставляющей в перспективе гораздо большую полосу пропускания и безопасность в сравнении с технологиями TDMA PON. Сравнение технологий PON представлено в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Сравнение технологий PON

2.1.3. Технология Ethernet А. История создания технологии

История сетей Ethernet началась почти 40 лет назад. Немногие чита-тели сегодня помнят, что своему созданию технология Ethernet должна быть благодарна другому замечательному изобретению – лазерному прин-теру. Первый лазерный принтер был разработан в корпорации Xerox. Дан-ный принтер для того времени считался высокоскоростным: он печатал од-ну страницу объемом до 128 килобайт/с (1 Мбит/с). Из-за своих больших объемов (почти 2,5 м в ширину и 1,5 м в высоту) принтер нельзя было по-ставить в каждую комнату. Единственно возможный вариант его использо-вания – сделать этот принтер пригодным для удаленного подключения. Но для этого была нужна сетевая технология, поддерживающая высокую ско-рость передачи данных (больше 1 Мбит/с). В то время таких технологий не существовало, и двум сотрудникам исследовательского центра Xerox PARC – Роберту Меткалфу (Robert Metcalfe) и его ассистенту Дэвиду Боггзу (Da-vid Boggs) было поручено разработать такую технологию. Поставленная задача была по своей сути задачей объединения в сеть множества компью-теров в одном здании. Подобная задача была поставлена впервые, так как персональных компьютеров в 1972 году не существовало. 22 мая 1973 года Р. Меткалфом и Д. Боггзом было опубликовало описание разработанной

сети, в которой был приведен рис. 2.6, иллюстрирующий принцип техноло-гии Ethernet.

Рис. 2.6. Набросок, сделанный Робертом Меткалфом Первоначально сеть использовала в качестве общей шины коаксиаль-ный кабель и обеспечивала скорость передачи данных до 2,94 Мбит/с. Ка-ждая рабочая станция имела специальный интерфейс с контроллером (се-тевая карта) и подключалась к кабелю с помощью интерфейсного транси-вера. На концах кабеля находились терминальные устройства. Все станции работали на одной частоте в режиме коммутации пакетов и делили между собой общую шину (коаксиальный кабель). В качестве метода доступа к общей шине использовался множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detec-tion, CSMA/CD), при котором любая станция получала доступ к среде по первому требованию, если несущая не занята передачей информации от другой станции. При таком методе доступа к среде возникали коллизии в том случае, когда две или больше станций пытались получить доступ к среде на определенном интервале времени. Здесь под термином «опреде-ленный интервал времени» подразумевается промежуток времени, в тече-ние которого несущий сигнал от одной станции не успевает распростра-ниться по всей шине. Другие станции еще не знают о том, что среда занята, и начинают занимать еѐ сами; в результате два или больше несущих сигна-лов конфликтуют между собой, т.е. происходит коллизия. Для передачи информации использовались протокольные блоки дан-ных, известные как кадры Ethernet версии I. В дальнейшем формат кадра был заменен версией II (рис. 2.7), на сегодняшний день наиболее распро-страненный в локальных сетях. Существуют и другие типы кадров: (802.2/LLC, SNAP, Novell), но сегодня они практически не используются.

Название Ethernet (Ether – эфир) было выбрано в знак признания при-оритета беспроводной технологии ALOHA, реализующей тот же метод CSMA/CD (разработка Гавайского университета) в системах спутниковой

связи. В 1976 г. Боб Меткалф и Дэвид Боггз опубликовали статью «Ethernet:

Distributed Packet-Switching for Local Computer Networks». В 1979 г. три

компании (DEC, Intel и Xerox) создали консорциум DIX для объединения

усилий, чтобы стандартизировать Ethernet с огромной для того времени

скоростью 10 Мбит/с. Уже через год протокол Ethernet был описан как от-

крытый стандарт. В 1983 г. комитет стандартизации локальных и городских

сетей IEEE 802 выпустил стандарт IEEE 802.3, послуживший началом вне-

дрения технологии Ethernet во всем мире.

Рис. 2.7. Формат кадра Ethernet II:

Preamble, преамбула – меандр 1010…1010; SDF (Start Frame Delimiter) – разгра-

ничитель начала кадра – 10101011; DA и SA (Destination address и Source address) –

MAC-адреса получателя и отправителя; T (Type) – тип протокола верхнего уровня; Data

(Данные) – поле данных; FCS (Frame Check Sequence) – проверочная последователь-

ность кадра.

Длины всех полей указаны в байтах

Со дня изобретения технологии до 1983 года прошло 10 лет. Все эти

десять технология Ethernet «ждала» появления персональных компьютеров,

вдохнувших новую энергию в развитие локальных сетей. За последующие

почти 30 лет технология Ethernet претерпела значительные изменения. Р.

Меткалф выделил 5 основных направлений развития технологии Ethernet –

Up, Through, Over, Down, Across («вверх», «через», «над» «вниз» «по гори-

зонтали»).

Под развитием «Up» понимается увеличение скоростей Ethernet: от

2,94 Мбит/с в 70-е гг. до 10 Гбит/с. Технологии «Over» включают в себя

беспроводные локальные сети Ethernet, стандартизованные в документах

IEEE 802.11 (Wi-Fi). Направление «Over» можно распространить и на дру-

гие беспроводные технологии – WiMAX (802.16), MBWA (802.20), WRAN

(802.22). Направления развития «Through», «Down» и «Across» определяют

распространение Ethernet в сетях WAN, персональных сетях (PAN) и MAN

(городских сетях), соответственно.

Прежде чем перейти к направлениям развития Ethernet, определен-

ных Меткалфом, рассмотрим влияние новых технологий на развитие ло-

кальных сетей Ethernet: появление интерфейсов с витой парой, создание

коммутаторов второго уровня и полный отказ от CSMA/CD.

Б. Влияние новых технологических решений на архитектуру протокола

Ethernet

Одним из основных преимуществ протокола Ethernet являлась его

относительная простота (алгоритм CSMA/CD не предполагает управления)

и как следствие – дешевизна оборудования. Это было одной из основных причин победы протокола Ethernet в 80-х гг. над его конкурентами – прото-колами Token Ring и Token Bus. ЛВС на базе Ethernet представляла собой сегмент сети с общей ши-ной, работающий на 1-м уровне модели OSI. Несмотря на то, что все рабо-чие станции в ЛВС (по стандарту до 1024 шт.) делили между собой общую шину, пропускная способность 10 Мбит/с была достаточной для всех ма-шин, так как объем трафика, передаваемого в те годы в локальных сетях, не был достаточно большим. Даже при переходе к использованию концентра-торов (hub) изменилась всего лишь физическая топология. Это была «звез-да» с концентратором в центре, который был простейшим устройством, по-лучающим электрический сигнал на одном порту и повторяющим его на всех остальных портах. Таким образом, логически получалась топология «общая шина». Затем появилась возможность логически разделять две и более ЛВС с помощью новых устройств – мостов (bridge). Изобретение мостов Ethernet, а позже коммутаторов (switches) существенно повлияло на технологию Ethernet. Целью моста являлось соединение двух разных ЛВС (или двух доменов коллизий). Коммутатор (switch) объединяет три и большее число ЛВС. Мост является частным случаем коммутатора, поэтому оба этих уст-ройства называют коммутатором. Объединение происходит на канальном уровне модели OSI. Для коммутатора ЛВС характерны следующие особен-ности. Через коммутатор передается не весь трафик, а только тот, который предназначен для другой ЛВС. Кроме того, через коммутатор не передают-ся коллизии, и каждая подключенная структура является независимой ЛВС 1-го уровня. Внедрение коммутаторов улучшило характеристики сети, изолируя отдельные сегменты ЛВС, и существенно увеличило максимальные разме-ры сети. Коммутатор обрабатывает MAC-адреса, находящиеся в кадре Ethernet, и по ним решает, на какой порт отправить данный кадр. Такие устройства в стандарте 802.1d назвали «прозрачными мостами» (transparent bridge), так как они не «видны» в сети (они не имеют своего MAC-адреса) и прозрачно транслируют кадры на необходимое направление. Однако «про-зрачные мосты» имеют важный недостаток. Кадры Ethernet не имеют поля TTL (Time-To-Live), предназначенного для уничтожения паразитных IP-пакетов в сетях 3-го уровня по истечении времени жизни данного пакета. Поэтому при появлении в сети петель кадры Ethernet оставались в сети, создавая избыточную нагрузку (так называемый «широковещательный шторм», broadcast storm).

Для борьбы с этим явлением был предложен алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA). Алгоритм создает логическую топо-логию в виде дерева поверх сети с произвольной физической топологией, используя метод наикратчайшего пути, при этом лишние звенья в сети бло-

кируются. Алгоритм был стандартизован в виде протокола STP (Spanning Tree Protocol, STP) в стандарте 802.1d. Построение дерева состоит из выбора корневого коммутатора, корне-вых портов, назначенных портов и блокировки остальных портов. Корне-вым коммутатором называется узел, от которого будет строиться покры-вающее дерево. На всех остальных коммутаторах назначается корневой порт – порт, который имеет кратчайшее расстояние до корневого коммута-тора. Далее для каждого сегмента 1-го уровня сети (домен коллизий) выби-рается назначенный порт – порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. Остальные порты блокируют-ся. Расстояние между портом и коммутатором измеряется в величинах, об-ратно пропорциональных пропускной способности звеньев. При изменении топологии все узлы сети заново запускают алгоритм покрывающего дерева. Данный процесс реконфигурации может занимать до нескольких минут. Такое большое время сходимости привело созданию нового протокола RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), заменившего STP в стандарте 802.1d. Протокол RSTP может снизить время сходимости сети до 3-5 с и даже иногда менее секунды в зависимости от топологии сети. Вместе с тем в крупномасштабных локальных сетях и городских се-тях Ethernet протокол RSTP имеет значительное время сходимости. Не-смотря на то, что RSTP уменьшает это время, в больших сетях оно все-таки достигает десятков секунд, что недопустимо при передаче трафика реаль-ного времени. Вторым важным недостатком RSTP является отсутствие ме-ханизма балансировки нагрузки. Также важно отметить, что протоколы STP и RSTP не поддерживают качество обслуживания (QoS), так как рас-считаны только на эластичный трафик (трафик данных). Частично эти не-достатки исправляются протоколом MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol), который в настоящее время является частью стандарта 802.1q, определяю-щего спецификации построения виртуальных локальных сетей (VLAN). В настоящее время практически все ЛВС построены по топологии «звезда», узлами которой являются коммутаторы. Такие сети называются коммутируемым Ethernet (switched Ethernet). В коммутируемых локальных сетях в каждом домене коллизий оказываются только два порта соседних устройств. В качестве метода доступа в таком случае целесообразно ис-пользовать полный дуплекс. Таким образом, в сетях Ethernet произошел полный отказ от CSMA/CD и, соответственно, от топологии «общая шина». Тем не менее, в современных публикациях рисуют сеть Ethernet как сеть с общей шиной, хотя это изображение далеко от процессов, имеющих место в современных сетях Ethernet.

В. Характеристика направлений развития технологии Ethernet В этом разделе мы остановимся на двух направлениях, определенных Р. Меткалфом – направлениях «Up» и «Across». А. Рост скоростей передачи (развитие направления «Up») Пропускная способность любой технологии определяется средой передачи и спецификациями физического уровня. Основные среды пере-дачи, которые использует проводной Ethernet: коаксиальный кабель (почти не используется), витая пара (экранированная и неэкранирован-ная), оптоволокно (одномодовое и многомодовое). 10 Мбит/с Как было отмечено выше, в 1973 г. технология Ethernet обеспечивала пропускную способность 2,94 Мбит/с. Согласно первой спецификации, вы-пущенной DIX (10Base-5, 1980), пропускная способность Ethernet уже дос-тигала 10 Мбит/с. В 1983 г. работы по стандартизации Ethernet перешли к Институту инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). В рамках этой организации была создана специальная рабочая группа 802.3, давшая название и самому международному стандарту. Стандарт IEEE 802.3 (1983) повторял спецификацию DIX с незначительными переработками. В дальнейшем IEEE принял два стандарта Ethernet на коаксиальном кабеле. Переход к витой паре и к использованию физической топологии «звезда» произошел в 1987 г. Появление оптических кабелей привело к началу работ в Институте IEEE по стандартизации оптического Ethernet. Разработанный стандарт 802.3d (1987) описывал взаимодействие между двумя регенераторами (кон-центраторами) или коммутаторами по волокну. В 1993 г. была опубликова-на спецификация IEEE 802.3j, которая включала в себя семейство 10-мегабитных Ethernet-стандартов (10BASE-F), использующих волоконно-оптический кабель на расстоянии до 2 км. В дальнейшем в 90-е г.г. IEEE выпустил ещѐ ряд спецификаций по 10-мегабитному Ethernet на меди, но это были дополнения и изменения в существующих стандартах. В это время внимание разработчиков было об-ращено к возможностям увеличения скорости передачи в десятки раз. 100 Мбит/c

С развитием различных приложений (Web-сервисы, документооборот и др.) увеличивались и требования к пропускной способности сетей. В 90-х гг. начали разрабатываться технологии локальных сетей с пропускной спо-собностью до 100 Мбит/c, такие, как FDDI, 100VG-AnyLAN (802.12), по-строенные на других принципах, чем протокол Ethernet. Но и энтузиасты

Ethernet не отставали от своих конкурентов. В 1995 году был опубликован стандарт 802.3u, который описывал ряд спецификаций 100BASE. Стандарт Ethernet со скоростью 100 Мбит/с получил название Fast Ethernet. Хотя се-годня это давно уже не самая высокая скорость для Ethernet, но название осталось. В 2004 г. в стандарте 802.3.ah (Ethernet на последней миле) были опи-саны и оптические интерфейсы Fast Ethernet: · 100BASE-LX10 – обеспечивает 100 Мбит/с Ethernet по паре одно-модововых волокон до 10 км; · 100BASE-BX10 – обеспечивает 100 Мбит/с Ethernet по одному одномодововому волокну до 10 км.

Спецификация auto negotiation (автосогласование) была предложена специалистами комитета IEEE 802.3u вместе со стандартами Fast Ethernet для того, чтобы обеспечить совместимость старых стандартов Ethernet с новыми 100-мегабитными стандартами. Данная процедура позволяет ком-понентам сети Ethernet по принципу Plug-and-Play определить протокол физического уровня и договориться, на какой скорости будет передаваться информация (10 или 100 Мбит/c). Процедура автосогласования позволила сетям Fast Ethernet постепенно и «безболезненно» заменить низкоскорост-ные сети Ethernet. Но даже сегодня все карты Fast Ethernet поддерживают также и 10-мегабитный Ethernet (10/100BASE-T). Gigabit Ethernet Дальнейшее увеличение пропускной способности Ethernet проис-ходило гораздо быстрее, чем переход от 10 к 100 Мбит/с. Работа в IEEE над 1-гигабитным Ethernet (GE) началась в 1996 году – всего лишь через год после опубликования первого стандарта Fast Ethernet. Первый 1-гигабитный стандарт (802.3z) вышел в 1998 г. Он содержал две оптиче-ских спецификации (1000BASE-SX, 1000BASE-LX) и одну электриче-скую (1000BASE-CX). При переходе к «медному» GE от Fast Ethernet сохранились те же преимущества, что и при переходе от Ethernet к Fast Ethernet, так как используется тот же кабель 5-й категории на том же расстоянии 100 м и процедура автосогласования. 10Gigabit Ethernet

К концу 90-х гг. потребности пользователей локальных сетей вы-росли, и стало очевидным, что пропускная способность 1 Гбит/с для ма-гистральных участков явно недостаточна. С другой стороны, развитие микропроцессоров продолжало подчиняться закону Мура, и появилась возможность создать более высокоскоростной стандарт на 10 Гбит/с (10GE). Первая спецификация (802.3ae) была выпущена в 2002 г. Важ-ной особенностью всех стандартов семейства 10GE от его предшествен-

ников является то, что они вообще не поддерживают метод доступа CSMA/CD, а передача происходит только в дуплексном режиме. 100Gigabit Ethernet В ноябре 2006 г. исследовательская группа IEEE приняла 100GE как следующий шаг на пути развития Ethernet. Некоторое время продолжались споры, какой пропускной способностью должна обладать следующая сту-пень Ethernet – 40 Гбит/с или 100 Гбит/с. Для 40-гигабитных соединений и для 100-гигабитных потребуется разное оборудование, а сами варианты со-единений не будут совместимы. Для 40-гигабитного соединения при рас-стоянии между двумя точками 10 – 100 м потребуется обычный медный кабель, расстояние более 100 метров предусматривает применение исклю-чительно оптоволокна.

В 100-гигабитном Ethernet соединение по медной паре будет осуще-ствляться до 10 м, а для организации 100-гигабитного соединения на 10 – 40м потребуется одномодовый оптоволоконный кабель. Сам стандарт должен быть опубликован в 2010 году. Б. Распространение технологии Ethernet в региональных сетях (развитие направления «Across») 1. Переход от локальных сетей к сетям класса Metro Увеличение скоростей Ethernet привело ещѐ к одной важной тенден-ции – к выходу Ethernet за рамки локальных сетей. Высокие скорости и длины расстояний передачи (до десятков километров) позволили операто-рам использовать Ethernet сначала для передачи между зданиями (кампус-ные сети CAN), а далее в городских (MAN) и глобальных сетях (WAN). Го-родские (или региональные) сети на базе Ethernet известны как Metro Ethernet. За развитие стандартов Metro Ethernet, определяемых как сети опера-торского класса (Carrier Ethernet), отвечает некоммерческая организация Metro Ethernet Forum (MEF). В настоящее время Технический комитет MEF занимается четырьмя ключевыми аспектами развития Metro Ethernet:

· услуги;

· архитектура;

· управление;

· испытания и измерения.

Дадим краткую характеристику перечисленных аспектов развития Metro Ethernet.

Услуги. Технический комитет MEF проводит работу по описанию моде-лей услуг Metro Ethernet, разработке базовых определений, параметров ус-

луг и атрибутов. Основное внимание сосредоточено на определении общей терминологии услуг и соответствующих параметров и атрибутов для того, чтобы поставщики оборудования, услуг и заказчики могли говорить на од-ном языке стандартизованной реализации Metro Ethernet. Архитектура. Технический комитет MEF отвечает за разработку архи-тектурной модели и набора языковых инструментов для технических групп. Эта спецификация описывает слоистую архитектуру MEN (Metro Ethernet Network), включая несколько базовых транспортных слоев, единственный слой услуг Ethernet и работающие поверх него прикладные слои. Каждый слой был в дальнейшем разделен на элементы адаптации, установления со-единения и разъединения сеанса связи. Эта важная область завершается ба-зами UNI, что позволяет пользователям без проблем получить доступ к MEN от клиентского оборудования до самого ядра. Управление Metro Ethernet. В этой области Техническим комитетом MEF ведутся разработки эффективного сетевого управления и взаимодей-ствия через Metro Ethernet. Так как цены на порты Metro Ethernet сущест-венно снижают цены капитальных затрат, упрощенный характер управле-ния сетями Ethernet будет также снижать стоимость операционных расхо-дов. Испытания и измерения. Технический комитет MEF отвечает за мето-дики тестирования и набор тестов, согласованных с описанными в MEF спецификациях услугами. Их использование является основой для про-граммы сертификации MEF и гарантией для поставщиков в том, что их оборудование будет соответствовать спецификациям MEF. Также позволя-ет поставщикам услуг быть уверенными в том, что предоставляемые ими услуги сертифицированы. 2. Характеристики сетей класса Metro Ethernet Городская сеть класса Metro может быть реализована на базе различ-ных технологий нижних уровней: SDH, АТМ, MPLS, RPR (Resilient Packet Ring), Ethernet. Стек протоколов для нижних уровней при развертывании сети, предоставляющей услуги Metro Ethernet, показан на рис. 2.8. Наиболее эффективным методом с точки зрения капитальных вложе-ний для вновь разворачиваемых городских сетей является построение сети на основе Ethernet-коммутаторов, соединенных оптическими линиями свя-зи, поскольку сегодня решения на базе Ethernet являются наиболее деше-выми среди других технологий, представленных на рис. 2.8.

IP