SAOBRAĆAJNI FAKULTET U BEOGRADU

PREDMET: TELEKOMUNIKACIONI PROTOKOLI

KONTROLA PRISTUPA MEDIJUMU (MEDIA ACCESS CONTROL) U ETHERNET PASIVNIM

OPTIČKIM MREŽAMA

Ivana Marić TS12M132

B e o g r a d, februar 2 0 1 3.

2

Rezime

Optičko vlakno ima ogroman kapacitet prenosa. Sa druge strane, optička tehnologija je još uvek u razvoju, i konverzije između ekektričnog i optičkog okruženja su relativno spore u poređenju sa kapacitetom prenosa. Tako, u optičkim mrežama procesirajuća snaga, umesto propusnog opsega, je ograničavajući faktor. Dakle, zahtevi za MAC protokol su različiti za optičku mrežu u odnosu na tradicionalne električne mreže. MAC protokoli igraju bitnu ulogu u prenosu podataka, narošito u efikasnosti prenosa i izbegavanju kolizije podataka. Glavni standardi TDMA i WDMA su upoređeni korišćenjem mehanizma biranja i MPCP. Značaj alokacije propusnog opsega, raspodele prenosa i kvaliteta servisa za višestruki pristup optičkom kanalu su od velikog značaja.

Ključne reči: MAC, EPON, MPCP, DBA, QoS

Abstract:

Optical fiber has tremendous transmission capacity. On the other hand, optical technology is still in development, and conversion between optical and ekektrical environments are relatively slow compared to the transmission capacity. Thus, in optical networks processing power, instead of bandwidth, is the limiting factor. Therefore, the requirements for the MAC protocol is different for optical network compared to the traditional power grid. MAC protocols play a vital role in the transmission of data, in particular in transmission efficiency and collision avoidance data. The main standards TDMA and WDMA were compared using the dial mechanism and MPCP. The importance of the allocation of bandwidth, transmission and distribution of quality of service for multiple access optical channel, are of great importance.

Key words: MAC, EPON, MPCP, DBA, QoS

3

Sadržaj

Skraćenice 4

Spisak slika i tabela 5

1. Uvod 6

2. UVOD U OPTIČKE MREŽE 7

2.1. Poređenje električnih i optičkih mreža 7

2.2. Optička komutacija paketa i optička komutacija bursta 7

2.3. Mrežne tehnologije 7

2.4. Osnovni uređaji 8

2.5. Predloženi MAC protokoli 8

3. MEDIA ACCESS CONTROL PROTOKOL I ETHERNET PASIVNE OPTIČKE MREŽE 10

3.1. Ethernet pasivne optičke mreže 10

3.2. Saobraćajni tokovi za EPON 11

3.2.1. Downstream prenos 11

3.2.2. Upstream prenos 11

3.3.MAC 12

3.3.1.Razdvajanje kanala 13

3.3.2.Višestruki prenos 13

3.3.3.Poređenje TDMA I WDMA 14

4. PROTOKOL BIRANJA (POLLING PROTOCOL) I NJEGOB DIZAJN 15

4.1. MPCP (Multipoint Control Protocol) 15

4.1.1.MPCP struktura okvira 15

4.1.2.Vreme prenosa 18

4.2. Maksimalna ograničenja propusnog opsega 19

4.3. Korišćenje kanala 19

4.4. Raspored prenosa 20

5. DINAMIČKA ALOKACIJA PROPUSNOG OPSEGA I KVALITET SERVISA 22

5.1. Dinamička alokacija propusnog opsega 22

5.2. Kvalitet servisa QoS 22

5.2.1.Prioritetni red čekanja 23

5.2.2.Inter-ONU raspored i Intra-ONU raspored 23

6. Zaključak 24

7. Literatura 25

4

Skraćenice

CO Central OfficeCSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionDBA Dynamic Bandwidth AllocationDSL Digital Subscriber LineEFM Ethernet in the First MileEPON Ethernet Passive Optical NetworkFDM Frequency Domain or Frequency Division MultiplexingFTTH Fibre-to-the-HomeHDTV High Defi nition TeleVisionIEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersIETF Internet Engineering Task ForceIP Internet ProtocolITU International Telecommunication UnionLAN Local Area NetworkMAC Medium Access ControlMAN Metropolitan Area NetworkMPCP MultiPoint Control ProtocolODN Optical Distribution NetworkOLT Optical Line TerminalONT Optical Network TerminalONU Optical Network UnitP2M Point-to-MultipointP2P Point-to-PointPB Power BudgetPON Passive Optical NetworkQoS Quality of ServiceRR Round RobinRTT Round Trip TimeSLA Service Level AgreementSMF Single Mode FibreTDM Time Division MultiplexingTDMA Time Division Multiple AccessTF Task ForceWDM Wavelength Division MultiplexingWDMA Wavelength Division Multiple Access

5

Spisak slika i tabela

Tabela 1. Razlike između optičke komutacije paketa i komutacije bursta 7

Slika 1. Mrežne topologije, topologija magistrale, prstena, zvezde i mreže 8

Slika 2. Arhitektura pasivne optičke mreže korišćenjem topologije drveta 10

Slika 3. Downstream prenos za EPON 11

Slika 4. Upstream prenos za EPON 12

Slika 5. EPON mreža korišćenjem loopback zvezdastog kaplera 13

Tabela 2. Format osnovnog MPCP okvira 15

Slika 6. Putanja GATE poruke od OLT do ONU 16

Slika 7. REPORT poruka 17

Slika 8. Tok GATE i REPORT poruka za upstream prenos 18

Slika 9. Automatski režim rada MPCP 18

Slika 10. Procedura za utvrđivanje globalnog vremena u EPON 19

Slika 11. Tehnike biranja a) biraj i stani; b) naizmenično biranjeM c) naizmenično biranje sa stop 20

Slika 12. Prioritetni red čekanja i intra-ONU raspored 23

6

1. UVODU optičkim mrežama teoretski kapacitet je ogroman. Potencijalni protok je veći od 50 terabita po

sekundi. Problem je u tome što se signali pretvaraju u elektronski oblik u čvorovima, tako da je deo ovog kapaciteta izgubljen. Kapacitet elektronskih uređaja je nekoliko gigabita, pa krajnji korisnik može prenositi pri ovim brzinama. Deljenje propusnog opsega na veći broj korisnika je zbog toga potrebno, da bi se efikasno koristili resursi. U optičkim mrežama propusni opseg se može podeliti upotrebom vremenskog multipleksiranja TDM (Time Division Multiplexing), kodnog multipleksiranja CDM (Code Division Multiplexing) ili multipleksiranjem talasnih dužina WDM (Wavelength Division Multiplexing). Često se koristi i kombinacija sve tri tehnike.

Nedostatak TDM je previsoka prekidačka brzina. Zbog ograničenja resursa, odnosno brzine elektronskih uređaja, korišćenje TDM nije razuman izbor. CDM ima isti problem. Princip WDM je sličan frekvencijskom multipleksiranju FDM (Frequency Division Multiplexing), svaki kanal odgovara određenom opsegu talasnih dužina. Teoretska granica WDM je blizu hiljadu kanala po vlaknu, a današnji sistemi koriste 160 kanala.

Mnogi WDM uređaji i mreže su komercijalno dostupni danas. WDM se može koristiti u mrežama sa komutacijom kola, i najčešće su dostupne u ovom obliku danas. Međutim, naročito u MAN (Metropolitan Area Network) i LAN (Local Area Network) mrežama, korišćenje komutacije kola je neefikasno, jer su bitni tokovi relativno kratki. Zbog toga postoje potrebe za optičkim paketom ili optičkom komutacijom bursta (Optical Burst Switching). Pošto se optičko okruženje razlikuje od elektronskog okruženja, zahtevi za MAC (Media Access Control, kontrola pristupa medijumu) protokolom su takođe različiti. Osnovna razlika je ta što je u elektronskim mrežama ograničavajući faktor propusni opseg, dok u optičkim mrežama nema dovoljno propusnog opsega i procesirajuća snaga je nedovoljna. Tako, u optičkom okruženju se paketi koriste , umesto za vreme obrade u čvorovima, za prenos kanala. Najvažniji faktori izvođenja MAC protokola su:

Propusna moć Kašnjenje Pravičnost Bafer zahtevi Broj i troškovi potrebnih komponenti

U današnje vreme su povećani zahtevi za glasom, podacima i video servisima od strane pretplatnika, naročito je izražena potreba za jeftinijim, jednostavnijim i skalabilnim mrežama pristupa. Pasivne optičke mreže PON (Passive Optical Network) su najbolje rešenje, naročito za uspostavljanje vlakna do kuće (Fiber To The Home FTTH), za rešavanje problema propusnog opsega pristupne mreže. Jedan od glavnih problema je da zbog point-to-multipoint prirode PON mreže, optičke mrežne jedinice ONU (Optical Network Unit) treba da dele kapacitet kanala i resurse da bi se izbegli sudari u upstream smeru, ka optičkom linijskom terminalu (Optical Line Terminal). U cilju rešavanja ovih problema, trebalo bi napraviti šeme alokacije kanala.

Rad je koncipiran na sledeći način:

Prvo poglavlje govori uopšteno o pasivnim optičkim mrežama, njihovim prenostima i manama u odnosu na elektronske sisteme, poređenju optičke komutacije bursta i komutacije paketa, različitim topologijama i predloženim MAC protokolima za pasivne optičke mreže.

Drugo poglavlje opisuje arhitekturu Ethernet pasivnih optičkih mreža, po čemu se one izdvajaju u odnosu na ostale PON, kako se obavlja kontrola pristupa medijumu u EPON mrežama.

Treće poglavlje prikazuje kontrolni protokol MPCP (multipoint control protocol), strukturu njegovog okvira i osnovne funkcije.

Četvrto poglavlje opisuje dinamičku alokaciju propusnog opsega i kvalitet servisa QoS, kao i različitosti QoS koje postoje u MAC protokolima.

7

2. UVOD U OPTIČKE MREŽEOvo poglavlje za cilj ima da da pregled osnovnih karakteristika mreža sa komutacijom paketa i

kola. Pojašnjeni su osnovni koncepti i najvažniji zahtevi.

2.1. Poređenje električnih i optičkih mreža

Tehnologija optičkih vlakana ima dosta prednosti u odnosu na elektronske tehnologije. Veći propusni opseg može se dobiti preko optičkog vlakna, koje je tanje, lakše i jeftinije od tradicionalnog kabla. Stopa slabljenja je niža, što znači da se signali mogu prenositi preko dužih rastojanja bez regeneracije.

S druge strane, tehnologija je još uvek u razvoju. Tehnologije koje se uspešno koriste u elektronskim mrežama neće obavezno raditi i u optičkim mrežama. U suštini, može se reći da dok je medijum za prenos usko grlo u elektronskom okruženju, u optičkim mrežama medijum je brz i kašnjenje u obradi je ograničavajući faktor.

2.2. Optička komutacija paketa i optička komutacija bursta

Komutacija bursta predstavlja i središnu formu komutacije kola i paketa. Burst je jedinica podataka koja se sastoji od niza viših slojeva paketa. Svaki burst je povezan sa kontrolnim paketom koji sadrži kontronu i adresnu informaciju. Na ivicama mreže viših slojeva paketa okupljeni su burstovi promenljivih dužina. Kontrolni paket (burst zaglavlje) se zatim šalje u posebnom kanalu da alocira za prenosne kanale. Posle izvesnog vremena, koje je nazvano offset, vreme bursta koji je poslat posle kontronog paketa.

Tabela 1. Razlike između optičke komutacije paketa i komutacije bursta

Optički paket Optički burst

Optički paket se sastoji od jednog višeg sloja paketa i nekih dodatnih podataka (uključujući i zaglavlje).

Optički burst se može sastojati od bilo kog broja paketa između minimalne i maksimalne vrednosti.

Zaglavlje optičkog paketa se obično prenosi neposredno pre podataka na istom kanalu.

Zaglavlje bursta, kontrolni paket, je obično poslat u svom kanalu. Postoji offset vreme između kontrolnog paketa i bursta.

Ponekad su razlike, koje su prikazane u tabeli 1, između optičkog paketa i komutacije bursta minimalne i zanemarljive. Na primer, dati su predlozi za mreže sa komutacijom optičkog paketa sa sledećim pretpostavkama, prema [1]:

Optički prsten sa prorezima W kanala za podatke i jedan za zaglavlja paketa

Ove pretpostavke su slične pretpostavkama za mreže sa komutacijom bursta:

Optički prsten sa prorezima W kanala za podatke i jedan za kontrolne pakete

Razumno je porediti MAC protokole u mrežama sa komutacijom paketa sa MAC protokolima u sličnim mrežama sa komutacijom bursta. Osnovna razlika između ovih pristupa je ta što su optički burstovi duži i ne postoji offset vreme između bursta i zaglavlja, duže vreme obrade može se tolerisati u mrežama sa komutacijom bursta.

2.3. Mrežne tehnologije

Postoji nekoliko različitih mrežnih topologija, kao što je ilustrovano na slici 1. Magistrala, zvezda i topologija prstena su prilično jednostavne za primenu, dok je topologija mreže generalno složenija, ali s druge strane i efikasnija. Zbog razvoja optičke tehnologije, mrežne topologije se ne koriste. Topologija

8

magistrale, s druge strane, je neefikasnija u poređenju sa ostale dve alternative. Većina MAC protokola predloženih za optičke mreže su namenjene ili za topologiju zvezde ili topologiju prstena. Osnovna razlika između ove dve topologije je da je topologija zvezde centralizovana, dok je kod topologija prstena kontrola mreže distribuirana.

Slika 1. Mrežne topologije, topologija magistrale, prstena, zvezde i mreže

2.4. Osnovni uređaji

Da bi se razumeo concept MAC protokola, važno je upoznati se sa nekoliko osnovnih uređaja koji se koriste u optičkim svičevima. Optički predajnici ili prijemnici mogu biti fiksni ili podesivi. Fiksni predajnici mogu vršiti prenos sa jednom specifičnom talasnom dužinom, dok podesivi predajnici se mogu podesiti na različite talasne dužine. Slično tome, fiksni prijemnici mogu primati pakete u jednom odeređenom kanalu, dok podesivi prijemnici mogu primati pakete od nekoliko različitih kanala uzastopno.

Podesivi uređaji su fleksibilniji i u najvećem slučau i efikasniji. S druge strane, ako prijemnik treba da primi pakete od različitih kanala uzastopno, on mora da bude podešen sa jedne talasne dužine na drugu vrlo brzo. Dakle, podesivi uređaji su složeni i skupi za sprovođenje i upotrebu.

Nije lako odlučiti da li koristiti fiksne ili podesive uređaje. Na primer, u nekim optičkim prstenastim mrežama postoji W+1 kanala. Jedan kanal je alociran za kontrolnu signalizaciju. Jasno je da jedan fiksni predajnik i jedan fiksni prijemnik treba koristiti u svakom čvoru za ovu svrhu. Pored toga, svaki čvor zahteva jednu od sledećih kombinacija (imajući u vidu da korišćenje i niza fiksnih predajnika i jednog fiksnog prijemnika nije razumno), prema [1]:

Podesiv predajnik i fiksni prijemnik Fiksni predajnik i podesivi prijemnik Fiksni predajnik i niz fiksnih prijemnika

Ako su prijemnici fiksni, svaki prijemnik ima jedan kanal koji je alociran za to. Svi paketi su, koji su poslati sa tim talasnim dužinama, i samo ovi paketi, poslati ka prijemniku. U ovom slučaju, ako je kanal slobodan, kada prenosni čvor pokušava slanje, prenos je uspešan jer ne postoje destinacioni konflikti. Ako su predajnici fiksni, dužina kanala je alocirana za izvorišne čvorove umesto odredišne. U ovom slučaju, svaki čvor može prenositi bez brige o prenosnim konfliktima, jer nijedan drugi čvor ne može prenositi sa istim talasnim dužinama. Međutim, moguće je da nekoliko paketa stiže u isti čvor u istovremeno. Prijemnik može biti podešen na jednu talasnu dužinu, pa stoga i svi dolazni paketi, pa je jedan paket izgubljen. Ako se niz fiksnih prijemnika koristi umesto podesivog prijemnika, sukobi se rešavaju. Međutim, korišćenje W prijemnika na svakom čvoru postaje veoma skupo, kada se broj talasnih dužina kanala povećava. Pored toga, potreban je veći broj elektronskih komponenti.

2.5. Predloženi MAC protokoliNekoliko MAC protokola je predloženo za optičke mreže. MAC protokoli se mogu svrstati u

nekoliko različitih kategorija prema različitim parametrima: Topologija: da li je protokol predložen za mreže sa topologijom magistrale, zvezde ili prstena, ili

može biti korišćena u svakoj od njih? Upotreba predajnika i prijemnika: koliko podesivih / fiksnih uređaja je potrebno? Korišćenje kanala: koliko kontrolnih kanala i koliko kanalnih talasnih dužina je korišćeno?

9

Reci i idi: mogu li se podaci odmah prenositi ili postoji neka vrsta čekanja? Strategija pristupa: da li je strategija pristupa priori ili posteriori? Kanalna tvrdnja: da li je moguće da paketi pokušavaju da alociraju za isti vremenski slot? Destinacioni konflikti: da li je moguće da nekoliko paketa stiže u isti odredišni čvor istovremeno?

10

3. MEDIA ACCESS CONTROL PROTOKOL I ETHERNET PASIVNE OPTIČKE MREŽE

MAC je jedan od ključnih problema u dizajnu EPON-a. Da bi se obezbedio efikasan prenos, EPON mora da zaposli MAC mehanizam da nadgleda pristup zajedničkom medijumu u cilju da se izbegnu kolizije podataka u upstream pravcu i da se istovremeno efikasno deli upstream propusni opseg između svih ONU. Neki od osnovnih problema, koji su bitni za razumevanje MAC protokola, su višestruki pristup, alokacija propusnog opsega, raspored prenosa i kvalitet servisa posdrške, prema [2].

3.1. Ethernet pasivne optičke mreže

Veliki rast Interneta i nastajanje širokopojasnih aplikacija, kao što su Internet telefonija, televizija visoke rezolucije HDTV, interaktivne igre i video na zahtev, zahtevaju veliki mrežni propusni opseg. U protekloj deceniji, okosnice mreža su doživele ogroman rast u kapacitetima propusnog ospega zbog sve veće potražnje propusnog opsega mrežnih korisnika. Međutim, pristupne mreže koje pokrivaju „last mile“ područje i opslužuje veliki broj rezidencijalnih i malih poslovnih korisnika, nisu se smanjile srazmerno i zbog toga nastaje usko grlo propusnog opsega između krajnjih korisnika i okosnice mreže. Da bi se olakšalo usko grlo, efikasno rešenje ne treba samo da obezbedi veću propusnu moć krajnjim korisnicima, već i niže troškove pristupnih mreža.

Veliki napori su uloženi u reševanju ovih problema, a trenutno se najviše ulaže u različite PON tehnologije, pre svega IEEE EPON. Kao obećavajuće rešenje, EPON je privukao pažnju u poslednjih nekoliko godina i zbog kobinovanja relativno jeftine opreme i niske cene pasivnih optičkih komponenti, a zbog toga je u prednosti u odnosu na tradicionalne pristupne mreže. Jedna od glavnih prednosti je veći propusni opseg, duže radno rastojanje, niži troškovi održavanja opreme i lakše ažuriranje na većim brzinama. EPON je point-to-multipoint optička mreža bez aktivnih komponenata u prenosnom putu od izvora do odredišta.

Aktivni moduli u mreži se, prema [3], sastoje od optičkog linijskog terminala (Optical Line Terminal, OLT), smeštenog u centrali i bilo optičkog mrežnog terminala (Optical Network Terminal, ONT) ili optičke mrežne jedinice (Optical Network Unit, ONU) na samom kraju mreže. ONT se koristi kada se vlakno prostire do korisničke opreme, a ONU se koristi kada se vlakno završava u nekoj vrsti telekomunikacionog kabineta, koji je lociran blizu stambenih objekata ili preduzeća. Konekcija od ONU do objekata (prostorija) može biti putem medija kao što su upredene parice (telefonske linije ili digitalne pretplatničke veze DSL) ili koaksijalni kabal.

Termin optička distributivna mreža (Optical Distribution Network, ODN) odnosi se na skup vlakana i pasivnih optičkih splitera ili kombajnera optičkog snopa koji se nalaze između OLT i različitih ONT i ONU. U ODN se nalaze spliteri preko kojih su ONU jedinice povezane sa glavnim optičkim vlaknom. Na kraju ODN-a postavlja se jedan spliter kako bi se smanjila dužina optičkih vlakana.

Može biti raspoređena u različitim multipoint topologijama, kao što su magistrala, prsten ili drvo. Najpopularnija EPON arhitektura je bazirana na topologiji drveta i sastoji se iz OLT, 1:N pasivnog zvezastog kaplera (ili spiter / kombajner), i većeg broja ONU jedinica, prikazano na slici 2, prema [4].

Slika 2. Arhitektura pasivne optičke mreže korišćenjem topologije drveta

11

OLT se nalazi u centrali koja povezuje pristupnu mrežu u gradskom okruženju MAN ili globalnu računarsku mrežu WAN (World Area Network), i povezana je na pasivni spliter monomodnim optičkim vlaknom. Pasivni kapler je lociran na velikom rastojanju od centrale ali blizu korisničke opreme. Svaka ONU je locirana ili na ivičnjaku ili u korisničkoj prostoriji, i povezana je sa pasivnim spiterom kratkim optičkim vlaknom. Rastojanje između OLT i svake ONU obično iznosi između 10 i 20 km. U EPON sistemu svi podaci se enkapsuliraju u Ethernet pakete za prenos, koji su kompatibilni sa IEEE 802.3 Ethernet standardom. Svi prenosi se vrše između OLT i ONU jedinica. U downstream pravcu, EPON je point-to-multipoint mreža u kojoj OLT prenosi podatke do svake ONU kroz 1:N spliter, gde je N obično između 4 i 64. Svaka ONU izdvaja podatke, koji su joj namenjeni, na osnovu MAC adrese. U upstream pravcu, EPON je multipoint-to-point mreža u kojoj više ONU prenosi podatke do OLT kroz 1:N pasivni kombajner.

Linijska brzina podataka od ONU do OLT i korisnička pristupna brzina od korisnika do ONU, ne moraju da budu jednake, i uglavnom su linijske brzine dosta veće od stope korisničkog pristupa. Pošto sve ONU dele isti upstream prenosni medijum, EPON sistem mora da zaposli MAC mehanizam da nadgleda pristup zajedničkom medijumu u cilju da se izbegnu kolizije podataka u upstream pravcu i da se istovremeno efikasno deli upstream propusni opseg između svih ONU.

3.2. Saobraćajni tokovi za EPON

IEEE 802.3 standard definiše dve osnovne konfiguracije za Ethernet mreže. U jednoj konfiguraciji može biti raspoređena u zajedničkom medijumu korišćenjem višestrukog pristupa sa oslučkivanjem nosioca uz otkrivanje sukobljavanja i sudara (Carrier sense multiple access with collision detection CSMA/CD). U drugoj konfiguraciji, stanice se mogu povezati preko sviča korišćenjem full-duplex P2P linkova. Osobina EPON-a je takva da se ne mogu smatrati ni zajedničkim medijumom, ni P2P mrežom, nego se smatraju kombinacijom oba.

3.2.1.Downstream prenos

U downstream pravcu, Ethernet paketi prenošeni od OLT, prolaze kroz 1xN pasivni spliter ili kaskadu splitera i stižu do svake ONU. Vrednost N je uglavnom između 4 i 64. Paketi se emituju od OLT i selektivno se ekstraktuju na osnovu odredišta, odnosno MAC adrese do ONU, prema slici 3 [3].

Slika 3. Downstream prenos za EPON

3.2.2.Upstream prenos

U upstream pravcu (od korisnika do mreže), zbog svojstava smera pasivnog optičkog kombajnera, paket podataka od jedne ONU će stići samo do OLT, a ne ka drugim udaljenim jedinicama. Zbog toga se arhitektura u upstream pravcu može smatrati tipa PTP. U tom slučaju, u upstream pravcu, ponašanje EPON-a je slično PTP arhitekture. Međutim, za razliku od PTP mreže, u EPON-u sve ONU pripadaju jednom kolizionom domenu, paketi podataka iz različitih ONU se prenose simultano uz mogućnost sudara. Dakle, u upstream pravcu, EPON bi trebao da koristi neki sistem arbitražnog mehanizma kako bi se izbegli sudari podataka i delili kapaciteti kanala između ONU jedinica, predstavljeno na slici 4 [3].

12

Slika 4. Upstream prenos za EPON

U optičkoj mreži pristupa, može se računati na povezivanje od OLT do svake ONU i od ONU do OLT. Dakle, OLT ostaje jedini uređaj koji arbitrira pristup vremenske raspodele dodeljjenom kanalu. Izazov u implementaciji centralizovane dinamičke arbitracione šeme je činjenica da OLT ne zna koliko bajtova podataka je svaka ONU učitala. Ako će OLT obavi precizan prenos vremenskog slota, treba znati stanje date ONU. Jedno rešenje može biti korišćenje “polling” (biračke) šeme bazirane na određivanju (grant) i zahtevima poruka. Zahtevi su poslati iz ONU kako bi obavestili o promenama nastalim u njima. OLT obrađuje sve zahteve i izdvaja različite vremenske slotove (prozore) do ONU jedinica. Slot ima zadatak da informacije dostavi do ONU korišćenjem grant poruka. Prednost ovakvog algoritma je da OLT zna stanje cele mreže i može se prebaciti na drugu alokacijsku šemu na osnovu informacija. ONU jedinice ne treba da prate stanje mreže ili da prihvate nove parametre. To će učiniti ONU jednostavnijim i jeftinijim i cela mreža će biti robusnija.

3.3. MAC

Četiri osnovna problema koja se odnose na kontrolu pristupa medijumu su, prema [4]:

Višestruki pristup Alokacija propusnog opsega Planiranje prenosa Kvalitet servisne podrške

Optički signal se distribuira pomoću sočiva (beam splitter). Pošto sočiva ne mogu da obavljaju baferovanje i komutaciju, potrebno je regulisati višestruki pristup kako bi se izbegli sudari. Postoje dva osnovna pristupa za rešavanje problema sukoba u kanalu:

TDMA, Time division multiplex access WDMA, Wavelenght Division Multiplexing

Najjednostavniji način koji se koristi je TDMA, pri čemu svaki korisnik prenosi informacije u određenom vremenskom slotu (kanalu) po unapred poznatim brzinama prenosa podataka. OLT vrši dodelu vremenskih slotova za sinhronizovani prenos podataka svih ONU jedinica. Korišćenjem TDMA sprečavaju se kolizije podataka iz različitih ONU-a i zahteva se jedna talasna dužina na OLT-u, što doprinosi znatno manjim troškovima, Međutim, TDMA ne predstavlja efikasno korišćenje propusnog opsega koji je na raspolaganju, jer će mnogi vremenski slotovi biti prazni u slučaju da veliki broj mrežnih korisnika nema informacije koje treba da pošalje u centralu.

WDMA nameće svaku ONU za prenos na drugu talasnu dužinu izbegavajući na taj način interferencije. Takođe, mogu se koristiti i kombinacije ova dva standarda, pod nazivom DT-WDMA. Kao i u WDMA, svaki čvor ima svoju talasnu dužinu, ali pored toga je uveo kontrolni kanal, gde ONU šalje zaglavlja paketa. Kontrolni kanal je alociran korišćenjem TDMA. Pravilna talasna dužina je komutirana na osnovu praćenja kontrolnog kanala koju obavlja OLT. Nedostatak ovog protokola je da je potrebno dosta procesorske snage za pravilno praćenje kontrolnog kanala.

Kanalno razdvajanje za upstream i downstream prenose, i višestruki pristupi za upstream prenos, od ključnog su značaja za MAC.

13

3.3.1.Razdvajanje kanala

Da bi se povećala efikasnost prenosa jednog EPON sistema, upstream i downstream kanali bi trebalo da budu razdvojeni na odgovarajući način. Jednostavno rešenje je korišćenje podele prostora multipleksiranjem, gde se koriste dva odvojena optička vlakna i pasivni kapleri, jedan za upstream i jedan za downstream prenos. Da bi se smanjili troškovi mreže, atraktivnije rešenje je korišćenje jednog kaplera i jednog vlakna za oba pravca sa jednom talasnom dužinom za upstream i jednom za downstream prenos. Trenutno, najpopularnije rešenje razdvajanja kanala je korišćenje 1550 nm talasne dužine za downstream prenos i 1310 nm za upstream prenos, prema [2].

3.3.2.Višestruki prenos

U upstream pravcu, više ONU prenosi pakete podataka do OLT kroz zajednički pasivni optički kombajner i deli isto optičko vlakno iz kombajnera do OLT. Zbog usmerenosti pasivnog kombajnera, paketi podataka iz ONU mogu samo da stignu do OLT, ali ne i drugih ONU. Iz tog razloga je teško sprovesti višestruki pristup koji se koristi da bi se izbegle kolizije podataka CSMA /CD (CSMA with Collision Detection), jer ONU jedinice su onemogućene da lako detektuju koliziju koja može da nastane u OLT. Iako je OLT u stanju da detektuje koliziju i obavesti ONU slanjem kolizione poruke, efikasnost prenosa će u velikoj meri biti smanjena zbog značajnog povećanja kašnjenja između OLT i ONU jedinica. Da bi se rešio ovaj problem, predložena je loopback tehnika, u cilju da se postigne efikasnost kanala sa CSMA /CD. Sa pomenutom tehnikom, deo snage upstream kanala, koji se emituje od svake ONU jedinice, vraća se nazad u vidu petlje do druge ONU na zvezdasti kapler korišćenjem 3xN kaplera i povezuje dva porta kaplera zajedno kroz izolator kao što je predstavljeno na slici 5 [2].

Slika 5. EPON mreža korišćenjem loopback zvezdastog kaplera

Ukoliko dva ili više ONU prenose podatke istovremeno, kolizije će biti detektovane u svakoj ONU i svi podaci koji se prenose će biti zaustavljeni odmah. Optički CSMA/CD protokol je namenjen za upstream prenos. OLT će primiti pakete podataka koji su poslati od svake ONU i odbaciće pakete sa sudarima. Međutim, da bi se implementirao CSMA/CD protokol, svaka ONU mora da koristi dodatni prijemnik koji radi na upstream talasnim dužinama i detekciju nosilaca, što dovodi do ogromnog povećanja troškova mreže. S druge strane, ovakav višestruki pristup je onemogućen da obezbedi garantovani propusni opseg za svaku ONU. Zbog toga je teško da podrži bilo kakav oblik kvaliteta usluga. Iz pomenutih razloga korišćenje ovakvog pristupa nije poželjno rešenje za upstream prenos.

Drugo moguće rešenje je korišćenje pristupa multipleksiranja talasnih dužina WDM koji dopušta svakoj ONU da radi na različitim talasnim dužinama, čime se izbegavaju interferencije pri prenosu drugih ONU. Rešenje je jednostavno postići, ali zahteva ili podesivi prijemnik, ili niz prijemnika na OLT za primanje podataka prenesenih u više kanala. Konkretno, takođe zahteva da svaka ONU koristi fiksni predajnik koji radi na različitim talasnim dužinama, što može rezultirati dodatnim problemima. Upotreba ovakvih uređaja je skupa danas i zbog tih činjenica WDM rešenje, koje je preskupo, nije izvodljivo u kratkom vremenskom roku.

U poređenju sa WDM, pristup vremenskog multipleksiranja TDMA predstavlja atraktivnije rešenje jer radi na jednoj talasnoj dužini za upstream prenos. Svaka ONU je alocirala vremenski slot ili prenosni prozor za prenos podataka od OLT. Svaki vremenski slot je sposoban da nosi nekoliko Ethernet paketa.

14

Paketi primljeni od jednog ili više korisnika su baferovani u ONU, za vreme dok vremenski slot za dati ONU stiže. Po dolasku vremenskog slota, ONU će poslati svoje baferovane pakete pri punoj brzini prenosa upstream kanala. Shodno tome, TDMA izbegava sudare iz različitih ONU. TDMA zahteva jednu talasnu dužinu za sve ONU prenose i jedan predajnik na OLT, koji je veoma isplativ.

Za TDMA, veličina vremenskog slota je određena svakoj ONU i ona može biti fiksna ili promenljiva. Fiksni vremenski slot alokacije, takođe nazvan statički alociran propusni opseg, je jednostavan za implementaciju. Međutim, zbog praskave prirode mrežnog saobraćaja, može doći do situacije u kojoj neki vremenski slotovi se prenapune čak i pri jakim svetlosnim opterećenjima, prouzrokujući kašnjenje paketa za nekoliko vremenskih slotova, dok se ostali vremenski slotovi ne koriste u potpunosti, što je dovelo do nepotpune iskorišćenosti upstream propusnog opsega. Iz tog razloga, statička alokacija nije poželjna. Da bi se povećala iskorišćenost propusnog opsega, poželjno je da OLT dinamički alocira promenljivi vremenski slot za svaku ONU na osnovu trenutne potražnje za propusnim opsegom svake ONU. Zbog toga, mehanizam biranja (polling) se naširoko koristi. OLT može dinamiški da alocira propusni opseg svakoj ONU i fleksibilno da nadgleda prenose više ONU, koji mogu značajno da povećaju iskorišćenos propusnog opsega i da poboljša performanse mreže.

3.3.3.Poređenje TDMA I WDMA

WDM je tehnika multipleksiranja po talasnim dužinama koja se za Ethernet pasivne optičke mreže danas smatraju jednim od najboljih rešenja u slučaju problema zagušenja u mreži. WDM EPON predstavlja klasičnu EPON mrežu gde su krajnji korisnici preko ONU jedinica povezani na OLT. Imajući u vidu da EPON uzima u obzir po jednu talasnu dužinu za downstream i upstream pravac, u WDM se mogu koristiti i četiri talasne dužine.

Korišćenjem WDM, svaka ONU prenosi na tačno preciziranoj talasnoj dužini i izbegava interferenciju sa drugim ONU. Međutim, ovo zahteva da svaka ONU koristi odvojene predajnike, izazivajući probleme u održavanju i funkcionisanju. Drugi pristup je da se koristi podesivi predajnik, ali rezultati nisu atraktivni zbog visokih troškova. Zbog ovih činjenica, WDM rešenje nije usvojeno u velikim razmerama. Ipak, neka aktivna rešenja postoje: „Svaka talasna dužina može biti potpuno drugačiji servis. Možete da postavite gigabitni Ethernet na jednu talasnu dužinu i ATM servis na sledeću, a ako neki korisnici žele da pređu na 10 G Ethernet, promene bi bile izvršene samo u centrali“.

Lako je razumeti da je WDMA moćna tehnologija, ali su troškovi previsoki. U poređenju sa, TDMA protokol radi na zajedničkoj talasnoj dužini, pa sve ONU koriste isti tip predajnika, što čini opremu dosta lakšom i isplativom za projektovaje, proizvodnju, upravljanje i održavanje.

Fiksna ili promenljiva veličina vremenskog prozora je alocirana za prenos okvira podataka. ONU baferuje okvire dok se prenose u određenom vremenskom prozoru. Kada je dodeljen vremenski prozor stiže, okviri podataka izlaze van (burst out – raspršte se) pri punoj brzini kanala. Potrebno je da vremenski prozor bude alociran na pravi način. Kod TDMA, veličina vremenskog slota može da bude fiksna ili promenljiva. Međutim, izbor fiksne veličine je kritično i nije povoljno zbog situacija u kojima vremenski slotovi prepune prouzrokujući kašnjenje paketa. Da bi se izbegle ovakve situacije, OLT bi trebalo da alocira promenljivi vremenski slot svakoj ONU na osnovu trenutnog zahteva za propusnim opsegom. To se može postići upotrebom mehanizma biranja (polling mechanism).

Konvencionalna tvrdnja bazirana je na višestrukom pristupu, CSMA sa detekcijom kolizije, koju je teško sprovesti zbog nemogućnosti ONU da detektuje kolizije na OLT nivou. Iako sudar može biti detektovan od OLT, komunikacija ovih informacija izaziva nedostatke u efikasnosti prenosa.

15

4. PROTOKOL BIRANJA (POLLING PROTOCOL) I NJEGOB DIZAJNS obzirom da algoritmi akolacije propusnog opsega zavise od mnogih parametara, kao što su razvoj

životne sredine, SLA dogovori i dr., IEEE 802.3ah radna grupa je odlučila da bi bilo pretenciozno izabrati algoritam dinamičke alokacije propusnog opsega DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). Kako bi bila podržana dinamička dodela kapaciteta, IEEE 802.3ah radna grupa je razvila multipoint kontrolni protokol (Multi-point Control Protocol MPCP). MPCP se razmatra sa DBA algoritmom, već podržava mehanizam koji omogućava realizaciju različitih šema dodele propusnog opsega u EPON.

4.1. MPCP (Multipoint Control Protocol)

U okviru IEEE 802.3ah radne grupe razvijen je signalni kontrolni protokol MPCP koji treba da olakša dinamičku alokaciju propusnog opsega i nadgledanje prenosa više ONU jedinica. MPCP protokol definiše mehanizam za razmenu GATE i REPORT kontrolnih poruka i omogućava razmenu informacija u realnom vremenu između OLT i svih ONU bez sudara.

4.1.1.MPCP struktura okvira

MPCP okviri se obično nazivaju i MPCP jedinice podataka (MPCPDataUnits). MPCP definiše pet poruka koje se koriste u razmeni informacija između OLT i ONU jedinica: GATE, REPORT, REGISTER_REQ, REGISTER i REGISTER_ACK. Sve MPCPDUs su 64-bajtni MAC kontrolni okviri koji se sastoje od sledećih polja, prema tabeli 2 [5]:

1. Destinaciona adresa (Desatination address) DA; polje DA MAC kontrolnog okvira se sastoji od 48-bitne adrese stanice/a za koju je okvir namenjen. Sem REGISTER poruke, sve MPCPDUs koriste globalno dodeljenu 48-bitnu vušekorisničku adresu 01-80-C2-00-00-0116. REGISTER okviri koriste pojedinačne MAC adrese odredišta ONU.

Tabela 2. Format osnovnog MPCP okviraPolja OktetaDestinaciona adresa (DA) 6Izvorišna adresa (SA) 6Dužina/vrsta = 88-0816 2Opcode 2Vremenska oznaka 4Opcode-specifično polje/blok 40Sekvenca za proveru okvira FCS 4

2. Izvorišna adresa (Source address) SA; SA polja MAC kontrolnog okvira sadrži 48-bitne pojedinačne adrese stanica koja šalje okvir. U OLT, funkcija emulacije (oponašanja) logičke topologije LTE (Logical Topology Emulation) povezuje spregu zavisnu od gigabitnog medijuma (Gigabit Media Independent Interface GMII) sa višekorisničkim MAC instancama, i ovim instancama mogu biti dodeljene jedinstvene adrese. Okviri, nastali u OLT, bi trebalo da koriste izvorišne adrese koje su povezane sa MAC slučajvima koji prenose okvir.

3. Dužina/vrsta; dužina/vrsta polja MAC kontrolnih okvira je 2-oktetno polje koje sadrži heksadecimalnu vrednost 88-08. Ova vrednost se obično dodeljuje za identifikaciju MAC kontrolnih okvira.

4. Opcode; opcode polje identifikuje specifični MAC kontroni okvir na sledeći način:

00-0116: PAUSE 00-0216: GATE 00-0316: REPORT 00-0416: REGISTER_REQ 00-0516: REGISTER 00-0616: REGISTER_ACK

5. Vremenska oznaka (Timestamp); ovo polje nosi vrednost MPCP sata koji odgovara na prenos prvog bajta u DA. Vrednost TS se koristi za sinhronizaciju MPCP satova u OLT i ONU jedinicama.

16

6. Opcode specifično polje; ova polja nose informacije koje su relevantne za specifične MPCP funkcije. Deo dužine koja se ne koristi za opcode specifično polje bi trebalo da bude obložena nulama.

7. Sekvenca za proveru okvira (Frame Check Sequence FCS); FCS polje sadrži CRC-32 (Cyclic Redudancy Check) vrednost koju koristi MAC za potvrdu integriteta primljenih podataka.

4.1.2.MPCP modovi

Normalan mod rada ili mod za dodelu propusnog opsega (MPCP protokol omogućava slanje kontrolnih poruka, GATE i REPORT, ka ONU da bi se omogućila i održala komunikacija između OLT i ONU. GATE poruka se koristi od strane OLT za alokaciju prenosnog prozora do ONU. REPORT poruka je korišćena od strane ONU za prijavu lokalnih uslova na OLT.)

Automatski mod rada ili mod za automatsko otkrivanje (MPCP aktivira procedure za otkrivanje i na osnovu tih procedura uočava ONU u sistemu. Protocol se oslanja na tri kontrolne poruke, REGISTER, REGISTER_REQUEST i REGISTER_ACK, koje se koriste za otkrivanje i registrovanje novo povezanih ONU, i prikupljaju relevantne informacije o ONU kao što su kašnjenje i MAC adrese.)

U normalnom radu, MPCP u OLT dobija zahtev od višeg MAC klijent sloja da prenese GATE poruku do određene ONU, prema slici 6 [2]. Nakon dobijanja takvog zahteva, MPCP će vremenski označiti GATE poruku sa svojim lokalnim vremenom i onda će poslati poruku ONU. GATE poruka obično sadrži dodeljeno početno vreme, dodeljen prozor, i 4-bajtnu vremensku oznaku (timestamp), koja se koristi za izračunavanje vremena obilaska (round trip time) između OLT i ONU. Jednom kada ONU primi GATE poruku, ona programira lokalni registar sa vrednostima koje su sadržane u GATE poruci. U međuvremenu, vrši se ažuriranje lokalnog sata na vremensku oznaku koja je izdvojena iz primljene GATE poruke u cilju održavanja sinhronizacije sa OLT. U dodeljenom početnom vremenu, ONU će početi da prenosi podatke do veličine prozora. Prenos može da obuhvati više paketa podataka, u zavisnosti od veličine prozora i dužine reda u ONU. Nije dozvoljena paketska fragmentacija za vreme prenosa. Ako sledeći paket ne može biti prenesen u trenutni prozor, on će biti odložen za sledeći prozor.

Slika 6. Putanja GATE poruke od OLT do ONU

REPORT poruka je poslata od ONU u vremenski alociranom prozoru zajedno sa paketom podataka, predstavljeno na slici 7. Može se preneti automatski ili na zahtev, bilo na početku, bilo na kraju prozora. REPORT poruka je generisana na MAC klijent sloju i vremenski je označena na MAC sloju.

17

Ona obično sadrži zahtevanu talasnu dužinu ONU, na osnovu trenutne dužine reda date ONU, odnosno veličine sledećeg vremenskog prozora. ONU takođe treba da uzme u obzir i zahtev za dodatnim zaglavljem, uključujući 64-bitni okvir preambule i 96-bitno vreme mirovanja između ramova (interframe gap), koje je povezano sa svakim Ethernet paketom. Jednom primljena REPORT poruka od OLT, se prosleđuje do MAC klijent sloja, koji je odgovoran za raspodelu propusnog opsega i preračunavanja povratnog kašnjenja do izvornog ONU. Vremenski interval između stizanja paketa u OLT jedinicu je konstantan, naziva se guard interval i njegova standardna vrednost u EPON sistemima je 1 μs.

Slika 7. REPORT poruka

Slika 8, prema [2], prikazuje tok GATE (G) poruka i REPORT (R) poruka za upstream prenos do tri ONU. Da bi se dizajnirao uspešan protokol, baziran na MPCP, nekoliko bitnih problema se mora uzeti u obzir, uključujući maksimalno ograničenje propusnog opsega, korišćenje kanala i raspored prenosa.

Slika 8. Tok GATE i REPORT poruka za upstream prenos

U automatskom režimu rada MPCP obavlja tri osnovne funkcije:

Pronalaženje nove ONU i njihova registracija na mreži Upotreba REPORT poruka Upotreba GATE poruka

18

Proces pronalaženja i registrovanja ONU prikazan je na slici 9. OLT povremeno obezbeđuje prozore koji se koriste za otkrivanje vremena kada se ONU registruje. One ONU koje nisu registrovane, oglašavaju se porukom REGISTER_REQ koja sadrži MAC adresu. Da bi se sprečile kolizije, zahreva se slučajno vreme čekanja za početak pronalaženja prozora, a nakon toga se šalje zahtev za registraciju. Kada OLT registruje ONU, dodeljuje mu indenifikator logičkog linka LLID i šalje poruku zajedno sa LLID. Nakon toga, OLT šalje GATE poruku sa podatkom o vremenskom slotu za prenos podataka. Nakon toga, ONU prima GATE poruku i na nju odgovara porukom REGISTER_ACK i njom se zahteva kraj operacije registracije.

Obrada poruke REPORT, koja se prosleđuje od ONU do OLT u alociranom vremenskom prozoru zajedno sa podacima. REPORT poruka sadrži zahtevanu veličinu narednog vremenskog prozora.

Putem poruka GATE, koju OLT šalje ka ONU, izdaje dozvole za emitovanje podataka. Tu su obeleženi vremenski prozori u kojima ONU šalje podatke. GATE poruka sadrži početno vreme i dužinu vremena prenosa, koje ONU beleži u registar tabele. Zatim se proverava vremenska oznaka sa lokalnim satom, i ukoliko je odstupanje veće od dozvoljenog, ONU se gasi i čeka se naredni vremenski prozor.

Slika 9. Automatski režim rada MPCP

4.1.3.Vreme prenosaDa bi ONT vršio prenos u određenom vremeskom slotu, potrebno je da se sinhronizuju sa OLT i sa

drugim ONT. Ovo vreme se ostvaruje kroz razmenu vremenski proverenih sinhronizacionih kontrolnih poruka između OLT i ONT. Dakle, odobrenje prenosa do ONT se takođe određuje početnim vremenom prenosa i dužinom prenosa za taj ONT. Svaki ONT ispravlja svoj lokalni sat korišćenjem vremenske oznake, sadržane u svakom primljenom prenosu. Po ovoj proceduri, svaki ONT stiše i održava globalnu sinhronizaciju sa ostatkom EPON mreže. Slika 10, prema [5], prikazuje proceduru za utvrđivanje globalnog vremena.

19

Slika 10. Procedura za utvrđivanje globalnog vremena u EPON

Prvo OLT šalje GATE poruku u apsolutnom vremenu T1, koje se zasniva na flobalnom satu u OLT. ONT dobija GATE poruku u lokalnom vremenu TONT2 i vraća njen lokalni sat na pročitano apsolutno vreme T1. ONT onda šalje REPORT poruku nazad do OLT za vreme TONT3, koje je sada apsolutno vreme T2. Dakle, vremenska oznakana ovoj REPORT poruci se čita kao T2. OLT prima REPORT poruku u apsolutnom vremenu T3. Vreme obilaska se onda može predstaviti kao:

RTT = (T3-T1) – (T2-T1) = T3-T2Ovu vrednost zatim koristi OLT za izračunavanje kašnjenja za ONT.

4.2. Maksimalna ograničenja propusnog opsega

Protokol biranja je zasnovan na ciklusu prenosa. U svakom biračkom ciklusu, svaka ONU je birana jednom i dodeljuje se prozor na osnovu zahtevanog propusnog opsega. Ako OLT dozvoli svakoj ONU da šalje sve svoje baferovane pakete u jednom prenosu, ONU jedinice sa velikim saobraćajnim opterećenjem mogu da monopolizuju (iscrpe odnosno iskoriste kapacitet) ceo propusni opseg upstream kanala. To je nepravedno prema onim ONU sa malim saobraćajnim opterećenjem. Da bi se rešio ovaj problem, OLT treba da ograniči maksimalnu propusnu moć prenosa svake ONU. Maksimalna veličina prozora može da bude određena na osnovu nekog kriterijuma, kao što je sporazum nivoa servisa SLA (Service Level Agreement) ili trenutnih uslova u mreži.

Usled velikog saobraćajnog opterećenja, maksimalna veličina prozora određuje maksimalni ciklus biranja. U principu, što je maksimalni ciklus biranja suviše dug, to je i veće kašnjenje za sve pakete pod velikim saobraćajnim opterećenjem, uključujući i prioritetne pakete. S druge strane, što je maksimalan ciklus prekratak, veći propusni opseg se gubi za vreme mirovanja između ramova (ili guard time). Shodno tome, maksimalna veličina prozora ima uticaja na mrežne performanse. Iako maksimalna veličina prozora nameće ograničenje na maksimalni propusni opseg koji može biti dodeljen svakoj ONU u svakom ciklusu (krugu) biranja, takođe je garatovani protok dostupan svakoj ONU. U stvari, samo kada sve druge ONU koriste svoje raspoložive opsege, ONU će biti ograničen svojim garantovanim propusnim opsegom. Ako neka ONU zahteva manji opseg, onda će biti dodeljen manjem prozoru, čineći ciklus kraćim, povećavajući na taj način stvarni propusni opseg koji je na raspolaganju drugim ONU. Ovo je prednost dinamičke alokacije propusnog opsega.

4.3. Korišćenje kanala

Pošto je upstream kanal podeljen na veliki broj ONU, korišćenje kanala je od velikog značaja. Protokol biranja može izabrati više ONU za prenos koji je baziran na različitoj politici. Jednostavna politika, nazvana biraj i stani (poll and stop), jeste slanje GATE poruke do ONU i stop za podatke i REPORT poruka za vraćanje iz te ONU pre nego što OLT pošalje GATE poruku do sledeće ONU, prema

20

slici 11a, [6]. Očigledno, ovaj protokol troši dosta propusnog opsega na upstream kanal, koji će u velikoj meri smanjiti korišćenje kanala i povećati kašnjenje paketa.

Efikasniji način je korišćenje , prema [2], naizmeničnog biranja, koje omogućava OLT slanje GATE poruke do sledeće ONU pre podataka i REPORT poruke/a iz prethodno izabrane ONU stižu, prema slici 11b. To je izvodljivo jer upstream i downstream kanali su odvojeni i OLT održava relevantne informacije o svakoj ONU u tabeli biranja, uključujući zahteve opsega i vremena obilaska za svaku ONU. Dobijeni rezultati ukazuju da pomenuti protokol značajno poboljšava performanse mreže u pogledu korišćenja kanala i prosečnog kašnjenja paketa. Međutim, ovaj protokol dopušta OLT izdvajanje propusnog opsega na osnovu primljenih zahteva propusnog opsega. OLT nije u stanju da uzme u obzir zahteve opsega svih ONU i donese inteligentniju odluku alokacije opsega.

Efikasan našin da se prevaziđe ovaj nedostatak jeste upotreba različitih naizmeničnih biranja koje je nazvano naizmenično biranje sa stop. Ovaj protokol dopušta da OLT šalje GATE poruku do sledeće ONU pre prenosa i REPORT poruke/a iz prethodno izabrane ONU stižu. Za razliku od naizmeničnog biranja, OLT ne započinje sledeći ciklus biranja pre prenosa i REPORT poruke iz svih ONU su primljene. Ovo omogućava OLT da obavlja alokaciju opsega na osnovu zahtevanog propusnog opsega ONU na kraju svakog biračkog ciklusa i tako se donosi inteligentna odluka. Međutim, takva inteligencija se dobija po cenu korišćenja upstream kanala jer upstream kanal se ne koristi od trenutka prenosa poslednje izabrane ONU u prethodnom ciklusu, koji je završen u trenutku prenosa prvo izabrane ONU, koja u sledećem ciklusu startuje. Slika 11c ilustruje primer toka kontrolne poruke sa naizmeničnim biranjem sa zaustavljanjem (interleaved-polling-with-stop).

Slika 11. Tehnike biranja a) biraj i stani; b) naizmenično biranjeM c) naizmenično biranje sa stop

4.4. Raspored prenosa

Da bi se omogućio efikasan prenos, protokol biranja mora da rasporedi prenose više ONU na način koji izbegava kolizije podataka iz različitih ONU. Ovo nije teško sprovesti jer je takav raspored zasnovan na dodeljenoj veličini prozora i vremenu obilaska svake ONU. Pošto OLT zna dodeljenu veličinu prozora

21

i vreme obilaska poslednje birane ONU, on može izračunati vreme početka prenosa i veličine prozora za sledeću ONU. Imajući u vidu da je u OLT dozvoljen prijemnik za pripremu prijema prenosa, minimalno vreme između okvira ili guard interval je zahtevano između prenosa različitih ONU. S druge strane, OLT mora biti ogovoran i za raspored redosleda prenosa različitih ONU, što može imati veliki uticaj na mrežne performanse. Ovo nije teško sprovesti jer redosled prenosa se obično određuje jednim cillusom pre, izvođenjem algoritma za raspored. Najrsprostranjeniji algortam za raspored je round-robin RR algoritam. RR raspoređuje prenos različitih ONU u redosledu njihovih indeksa u tabeli biranja i jednostavan je za implementaciju. Međutim, on ne uzima u obzir trenutne saobraćajne uslove u svakoj ONU i stoga ne može biti u stanju da pruži najbolje performanse u pogledu kašnjenja paketa i gubitaka paketa. Da bi se poboljšale performanse mreže, poželjno je koristiti adaptivan algoritam za raspored koji može dinamički da raspoređuje redosled različitih ONU prenosa na osnovu trenutnih saobraćajnih uslova svake ONU. Na primer, adaptivni algoritam rasporeda može da rasporedi ONU prenose u opadajućem redosledu trenutne dužine reda svake ONU ili rastućem redosledu vremena dolaska prvog paketa iz reda čekanja u svakoj ONU.

22

5. DINAMIČKA ALOKACIJA PROPUSNOG OPSEGA I KVALITET SERVISANiska cena čini EPON obećavajućim kandidatom za mreže naredne generacije širokopojasnog

pristupa. U sprovođenju EPON sistema, ključan izazov je dizajniranje MAC protokola za postizanje efikasnosti mreže i zadovoljavanje zahteva za kvalitet servisa QoS (Quality of Service). Za efikasno korišćenje upstream propusnog opsega, EPON MAC protokol pribegava dinamičkoj alokaciji propusnog opsega (Dynamic Bandwidth Allocation DBA). Sadašnji DBA mehanizam, zasnovan na prioritetu čekanja u redu, sa izveštajem o dužinama reda na ONU preko GATE i REPORT poruka, može da razlikuje prioritete servisa između različitih tipova saobraćaja, ali ne garantuje pouzdanost između više korisnika opsluženih preko iste ONU jedinice. U ovom slučaju alokacija propusnog opsega za saobraćaj nižeg prioriteta, naročito za saobraćaj najboljeg pokušaja (best effort) bez ikakvih parametara konekcije, jednostavno zavisi od prijavljene dužine reda. Dakle, zlonamerni korisnici mogu da steknu veći propusni opseg od ostalih prepljavljenih redova od prioriteta, koji prouzrokuju ozbiljne nepravilnosti među korisnicima koji su opsluženi preko iste ONT. MAC protokol rešava pomenute probleme u EPON mrežama. Predloženi MAC protokol deli propusni opseg za saobraćaj nižeg prioriteta između korisnika, srazmerno pretplatničkim brzinama, sprečavajući prelivanje od zlonamernih korisnika od uticaja na performanse drugih korisnika.

5.1. Dinamička alokacija propusnog opsega

Zbog ograničenog upstream propusnog opsaga, EPON sistem ne mora uvek biti u stanju da obezbedi dovoljan propusni opseg koji zadovoljava zahteve opsega za sve krajnje korisnike. Da bi se bolje opslužili krajnji korisnici, poželjno je da se opseg dinamički alocira za svaku ONU na osnovu trenutnih saobraćajnih uslova ONU jedinica. U ovu svrhu, predloženo je nekoliko značajnih šema dinamičke alokacije opsega, koje uključuju ograničenu raspodelu, konstantnu i elastičnu raspodelu. U ograničenoj alokacionoj šemi, prema [2], OLT jednostano daje ONU broj bajtova koje ONU zahteva, ne prelazeći maksimalnu veličinu prozora. Ovo je najkonzervativnija šema, jer pretpostavlja da nijedan paket ne stiže nakon što je ONU poslala zahtev.

U praksi, zbog vremena obilaska između OLT i svakog ONU, postoji više paketa koji stižu između trenutka kada ONU šalje REPORT poruku i trenutka kada ONU prima GATE poruku. U ovom slučaju, nedavno stigli paketi neće biti u mogućnosti da budu preneseni u sledeći ciklus, što dovodi do povećanja prosečnog kašnjenja paketa. Da bi se rešio ovaj problem, predložene su šeme sa linearnim i elastičnim zajmom (linear credit, elastic credit).

U šemi sa konstantnim zajmom, kredit se dodaje zahtevanoj veličini prozora i razmatra se u dodeljenoj veličini prozora. Veličina kredita je konstantna bez obzira kolika je veličina prozora. Kada ONU primi GATE poruku, ona može slati pakete do tražene veličine prozora plus konstantan kredit. Izbor veličine kredita može imati uticaj na mrežne performanse. Suviše mala veličina neće biti sposobna da poboljša kašnjenje paketa previše. Prevelika veličina će smanjiti korišćenje opsega u upstream kanalu.

Izbor treba da bude zasnovan na saobraćajnim karakteristikama ili na nekim empirijskim podacima. U šemi linearnog zajma, slični kredit se dodaje zahtevanoj veličini prozora. Međutim, veličina linearnog kredita je proporcionalna zahtevanoj veličini prozora. Osnova ove šeme je mrežni saobraćaj obično ima određen stepen predvidljivosti. To znači da ako je veliki burst podataka primećen, vrlo je verovatno da je ovaj burst na duže vreme.

U elastičnoj alokacionoj šemi, ne postoje ograničenja koja se odnose na veličinu prozora. Jedino ograničenje je maksimalno vreme ciklusa. Maksimalna veličina prozora Wmax je dodeljena na takav način da akomulirana veličina poslednjih N odobrenja (uključujući i one koje su odobrene) ne prelazi N x Wmax, gde N predstavlja broj ONU jedinica. Dakle, ako samo jedna ONU ima podatke za slanje, ona može dobiti odobrenu veličinu prozora do N x Wmax. Od svih pomenutih šema, ograničena šema pokazuje najbolje performanse [6].

5.2. Kvalitet servisa QoS

Da bi se podržali različiti mrežni servisi sa različitim QoS zahtevima, EPON sistem mora uzeti u obzir različitosti QoS u svom MAC dizajnu.

23

5.2.1.Prioritetni red čekanja

Efikasan način da se podrže razlike QoS je korišćenje prioritetnog reda čekanja. Mrežni saobraćaj je klasifikovan u skup klasa sa različitim QoS zahtevima, i za svaku klasu saobraćaja se primenjuje prioritetni red čekanja, u svakoj ONU. Slika 12, prema [2], prikazuje primer prioritetnog reda čekanja u kojima ONU održava tri prioritetna reda tako da dele isti memorijski bafer fiksne veličine. Paketi podataka od krajnjih korisnika se prvo klasifikuju određivanjem vrste servisa ToS (Type of Service) polja IP paketa koji su enkapsulirani u Ethernet pakete i onda baferovani u odgovarajuće prioritetne redove. Ako visoko prioritetni paket nailazi na pun bafer u trenutku njegovog dolaska, to može da ometa pakete nižeg prioriteta. Ako paketi nižeg prioriteta stižu i pronađu pun bafer, oni će biti odbačeni. Kao rezultat toga, paketi nižeg prioriteta mogu da dožive vrlo veliki gubitak. Da bi se rešio ovaj problem, ONU treba vrši jednu vrstu provere saobraćaja i da kontroliše količinu saobraćaja visokog prioriteta od svakog krajnjeg korisnika.

Slika 12. Prioritetni red čekanja i intra-ONU raspored

5.2.2.Inter-ONU raspored i Intra-ONU raspored

Podržavajući različite QoS, postoje dva načina rasoreda: inter-ONU raspored i intra-ONU raspored. Inter-ONU raspored je odgovorno za arbitriranje prenosa različitih ONU, a intra-ONU raspored za arbitriranje prenosa redova različitih prioriteta u svakoj ONU. Postoje dve strategije implementacije ovih rasporeda. Jedan je dopuštanje OLT da obavlja i inter-ONU i intra-ONU raspoređivanje. U ovom slučaju, OLT je jedini uređaj koji arbitrira upstream prenose.

Svaka ONU može zahtevati od OLT alokaciju opsega za svaku klasu saobraćaja. Za ovu svrhu, ONU mora da prijavi status svojih pojedinačnih prioritetnih redova čekanja na OLT kroz REPORT poruke. MPCP precizira da svaka ONU može prijaviti status i do osam prioritetnih redova. OLT onda može generisati više odobrenja, svako za određenu klasu saobraćaja, koje će biti poslato do ONU korišćenjem GATE poruke. U pitanju je-bajtna MPCP GATE poruka.

Druga strategija je da se dozvoli da OLT obavlja inter-ONU raspoređivanje i pusti svakoj ONU da obavlja intra-ONU raspoređivanje. U ovom slučaju, svaka ONU zahteva od OLT da alocira propusni opseg za nju, na osnovu stanja zauzetosti bafera. OLT može samo da alocira zahtevani opseg za svaku ONU. Svaka ONU će podeliti alocirani opseg između različitih klasa servisa na osnovu njihovih QoS zahteva i rasporeda prenosa redova različitog prioriteta unutar dodeljenog opsega. Za intra-ONU raspređivanje, postoje dve vrste algoritama: strogi prioritet i ne-strogi prioritet raspoređivanja. U strogom prioritetu, redovi niskog prioriteta su raspoređeni jedino ako su redovi visokog prioriteta prazni. Očigledno, ovo može potencijalno dovesti do neograničenog kašnjenja paketa i velikog gubljenja paketa niskog prioriteta. Da bi se rešio ovaj problem, predloženi su ne-strogi algoritmi. U ovim algoritmima, samo oni paketi koji su prijavljeni se prvo prenose i to dokle god se prenose u okviru dodeljenog

24

vremenskog slota. Redosled prenosa redova različitih prioriteta je određen njihovim prioritetom. Ako su paketi, koji su prijavljeni, raspoređeni i trenutni vremenski slot i dalje može da prima više paketa, novostigle paketi koji nisu prijavljeni se takođe prenose na osnovu njihovih prioriteta. Kao rezultat, sve klase saobraćaja mogu imati pristup upstream kanalu unutar alociranog vremenskog slota, kako je navedeno u OLT, dok se njihovi prioriteti održavaju, što osigurava pouzdanost u raspoređivaju.

6. ZAKLJUČAK

Performanse i garancije QoS EPON sistema u velikoj meri zavise od efikasnosti MAC protokola. U radu su predstavljeni neki od MAC problema koji se odnose na Ethernet pasivne optičke mreže i data su neka od mogućih različitih rešenja za te probleme. Pošto je MPCP standardizovan IEEE 802.3ah radnom grupom, aktuelni istraživački napori su usmereni na alokaciju propusnog opsega i raspored prenosa, uz razvoj novih efikasnijih rešenja za obezbeđivanje QoS. Sa budućim napretkom u omogućavanju novih tehnologija, optički uređaji, koji su trenutno jeftiniji, će postati pristupačniji. To će otvoriti nove mogućnosti istraživanja novih EPON arhitektura i srodnih MAC problema.

25

Literatura:

[1] L. Nieminen, ”MAC Protocols in Optical Networks”, www.netlab.tkk.fi

[2] Zheng, J.,  Mouftah, H.T.,  "Media access control for Ethernet passive optical networks: an overview", Communications Magazine, IEEE, Feb. 2005 

[3] Gerd Keiser, FTTX Concepts and Applications, GPON CHARACTERISTICS, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006

[4] G. Murru, “Passive Optical Networks: The MAC protocols”, Network Infrastructures 2010/2011

[5] Glen Kramer. Ethernet Passive Optical Networks, Copyright © 2005 by The McGraw-Hill Companies, Inc

[6] Ioannis P. Chochliouros; George A. Heliotis, ” Optical Access Networks and Advanced Photonics: Technologies and Deployment Strategies”, IGI Global, July 31, 2009

26