UA-Redes PON EPON derivados
ETHERNET PASSIVE OPTICAL NETWORK (EPON)
Introduccion
En Enero de 2001, el IEEE (Instituto de los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) configuró un grupo de estudio llamado Ethernet en la última milla (EFM). Este grupo tenía como objetivo extrapolar la tecnología Ethernet al área residencial y de negocios llevándola hasta el hogar aprovechando el auge que esta tecnología había experimentado en los últimos años por su simplicidad, rendimiento y facilidad de despliegue.
Este grupo de trabajo generó una nueva especificación de redes ópticas pasivas, denominada Ethernet PON (EPON). Esta nueva arquitectura se diferencia de las anteriores en que no transporta celdas ATM sino directamente tráfico nativo Ethernet. Usa el estándar 8b/10b (codificación de línea) y siempre que es posible, mantiene fielmente el espíritu de la recomendación 802.3, incluyendo el uso full duplex de acceso al medio.
Posiblemente el principal atractivo que presenta esta tecnología es su evidente optimización para el tráfico IP frente a clásica ineficiencia de de las alternativas basadas en ATM. Además, la interconexión de islas EPON es mucho más sencilla que la interconexión de APON/BPON, GPON puesto que no requiere arquitecturas SDH para realizar el transporte WAN.
¿Por qué Ethernet?
La red óptica pasiva ha sido considerada para el acceso a la red hace bastante tiempo, incluso mucho antes de que estimara la demanda de ancho de banda de Internet.
El Full Service Access Network (FSAN) define una red óptica de acceso PON que utiliza ATM como protocolo de capa 2. En 1995, cuando la iniciativa se inició FSAN, ATM tenía grandes esperanzas de convertirse en la tecnología predomino en la LAN, MAN.
Sin embargo, desde entonces, la tecnología Ethernet se ha adelantado a ATM. Ethernet se ha convertido en una norma universalmente aceptada, con más de 320 millones en todo el mundo las implementaciones del puerto, ofreciendo asombrosas economías de escala.El despliegue de gigabit ethernet de alta velocidad esta siendo muy grande y los productos 10 Gigabit Ethernet empezaran a estar disponibles muy pronto. Ethernet, el cual es fácilmente escalable y mantenible, esta ganando terreno en MAN y WAN. Considerando el hecho de que el 95% de las LANs usan Ethernet, queda bastante claro que ATM PON puede que no sea la mejor opción para interconectar dos redes Ethernet.
Uno de los inconvenientes de ATM es el hecho de que una celda ATM corrupta o perdida invalidará sin remedio el datagrama IP por completo. Aun así, las celdas restantes que lleven porciones del mismo datagrama IP seguirán propagándose, consumiendo así recursos de la red de forma innecesaria. También, ATM impone una una tasa de celdas en los paquetes de IP de longitud variable. Por ejemplo, para la distribución tri-mode del tamaño del paquete vista en LINK, la tasa de celda es aproximadamente 13%, en consecuencia, para enviar la misma cantidad de datos de usuario una red ATM debe transmitir un 13% mas de bytes que una red Ethernet.
Y finalmente, quizás lo mas importante, ATM no ha podido cumplir la promesa de convertirse en una tecnología barata, los vendedores están en declive y el volumen de manufactura es relativamente bajo. Los switches y tarjetas de red ATM son significativamente mas caros que sus homólogos Ethernet.
Por otra parte, Ethernet parece ser la elección lógica para una red optimizada para el acceso a datos. Las recientes técnicas QoS adoptadas para el control de calidad del trafico han hecho que las redes Ethernet sean capaces de soportar voz, datos y video. Estas técnicas incluyen transmisión fu duplex, priorización (P802.1p), y virtual LAN (VLAN P(802.1Q).
Ethernet es una tecnología de bajo coste, la cual es omnipresente e ínteroperable con una gran variedad de equipos.
Principio de Funcionamiento
Ethernet PON (EPON) es una red PON basada en llevar el tráfico de datos encapsulados en tramas Ethernet (definido en el estándar IEEE 802.3).
Utiliza una línea 8b/10b estándar de codificación (8 bits de usuario codificada en bits 10 líneas) y funciona a la velocidad estándar de Ethernet.
El estándar IEEE 802.3 define dos configuraciones básicas de una red Ethernet.
Una configuración que puede ser desplegado en un medio compartido con el Carrier Sense Multiple Access con Detección de Colisiones (CSMA / CD) de protocolo.
Otra configuración, las estaciones se pueden conectar mediante un switch full-duplex utilizando enlaces punto a punto. Las propiedades de EPON son tales que no puede considerarse como un medio compartido o en una red punto a punto, sino que es una combinación de ambos.
En la dirección descendente, tramas Ethernet transmitida por la OLT pasar a través de una 1: N divisor pasivo y llegar a cada ONU. N es normalmente entre 4 y 64. Este comportamiento es similar a una red compartida y medio plazo. Debido a que Ethernet se transmite por la naturaleza, en la dirección descendente (desde la red para el usuario), que encaja perfectamente con la arquitectura Ethernet PON: los paquetes se transmiten por la OLT y extrajeron ONU por su destino basado en el control de acceso a medios (MAC)
En dirección de subida, debido a las propiedades de un combinador óptico pasivo de frames de datos procedentes de cualquier ONU llegara al OLT, y no a otra ONU. En este sentido en la subida el comportamiento de EPON es similar al de la arquitectura punto a punto.
Además, a diferencia de esta en EPON los frames de datos procedentes de diferentes ONUS se transmiten de forma simultánea aunque puedan colisionar. Así en dirección de subida los ONU necesitan emplear algún mecanismo arbitrario para impedir las colisiones de datos
y compartir de forma clara la capacidad del canal de fibra.
Un mecanismo de media basado en la contención es difícil de implementar porque las ONUs no pueden detectar la colisión en los OLT. Una OLT puede detectar una colisión e informar a las ONUs enviando una señal de atasco; Sin embargo la propagación se retrasa en PON, que puede superar los 20 km en longitud, puede reducir considerablemente la eficacia de dicho sistema.
Estos sistemas de contención también tienen el inconveniente de proporcionar un servicio no determinante, rendimiento de nodo y utilización del canal se pueden describir como promedios estadísticos. No hay garantías de que un nodo tenga acceso a la "media" en cualquier pequeño intervalo de tiempo. Esto no es un problema para CSMA/CD basado en redes de empresa donde los enlaces son cortos, generalmente sobre-abastecido, y el tráfico de datos consiste en su mayor parte en datos. Redes de acceso de abonados sin embargo, además de los datos, deben soportar servicios de voz y video, y por lo tanto deben proporcionar algunas garantías en tiempo de entrega en este tipo de tráfico.
Para introducir el determinismo en la entrega de frames, distintos sistemas de contención han propuesto una subida del tiempo compartido en el flujo de datos en una EPON.
Todas las ONUs están sincronizadas con una referencia de tiempo común, y cada ONU esta asignada a un intervalo de tiempo. Cada intervalo de tiempo es capaz de llevar varios frames Ethernet. Una ONU debe regular los frames recibidos de un abonado hasta que el intervalo de dato llegue. Cuando este intervalo llega, la ONU soltaría todos los frames almacenados a la velocidad total del canal que debe corresponder a una de las tasas estándares (10/100/1000/10000 Mbps).
Si no hay frames en el buffer para rellenar el intervalo de tiempo, 10 bits de caracteres inútiles son transmitidos. Los posibles sistemas de asignación pueden ser de asignación estática (TDMA) hasta un sistema dinámico que se adapta instantáneamente en función del tamaño de cola en cada ONU. Hay más planes de reparto, incluidos los planes de utilización de las nociones de prioridad de tráfico, calidad de servicio (QoS), Service-Level Agreements (SLAs), la sobre-suscripción ratios, etc
Los enfoques descentralizados para implementar un sistema de asignación de slots son también posibles, en los que ONUs deciden cuando enviar datos y durante cuánto tiempo. Estos sistemas son algo similares a un enfoque de paso de testigo, salvo que en este caso es un anillo pasivo. En este esquema cada ONU, antes de enviar sus datos, envía un mensaje especial anunciando la cantidad de datos que va enviar. La ONU próxima prevista mostrara el envió de la anterior ONU y cuanto tiempo tarda esta en llegar a la OLT, después de la transmisión de la anterior ONU. Por lo tanto, no habrá colisión no habrá perdida de ancho de banda.
Arquitectura
Las redes EPON son redes basadas en tecnología pasiva óptica con enlaces punto a multipunto sobre fibra óptica, a velocidades de 1 Gbps, distancias de 10 ó 20 kilómetros y unidos con splitters pasivos ópticos. Se ha diseñado una arquitectura EPON en la herramienta de simulación OPNET, como se puede observar en la figura1, con objetivo de estudiar las diferentes características que este tipo de red poseeen relación a otro tipo de redes de acceso como son las redes de Cable o las redes xDSL.
Los componentes básicos de la red de acceso EPON son:
− OLT (Optical Line Terminal): cabecera de red de la arquitectura EPON.
− Splitter: multiplexador pasivo óptico.
− ONU (Optical Network Unit): concentrador de tráfico de los usuarios finales.
− Clientes: Terminales, servidores o redes LAN Ethernet.
− Enlaces de fibra óptica monomodo a 1 Gbps.
Una arquitectura clásica PON se compone de un terminal OLT y varias ONUs. El módulo OLT trabaja como nodo de acceso, conectando la red de acceso óptica a la red troncal y es la encargada de planificar y asignar los recursos de transmisión a las ONUs.
Mecanismo de Transmisión
En el sentido downstream (desde OLT a ONUs), una PON es una red punto a multipunto, mientras que en la dirección upstream se trata de una red punto a punto.
En la dirección downstream, las tramas transmitidas por el terminal OLT pasan a través de un splitter pasivo que se encarga de retransmitirlas hacia todas las ONUS. Este comportamiento es similar a una red de medio compartido: los paquetes son transmitidos de manera broadcast por el módulo OLT y la ONU destino los extrae si están marcados con el identificador de enlace propio.
En la dirección upstream las tramas de una ONU únicamente han de alcanzar el terminal OLT, no a las otras ONUs. Esto se asemeja a una arquitectura Punto a Punto, a diferencia de que aquí, las tramas de diferentes ONUs pueden colisionar, por lo que hay que compartir recursos.
La solución adoptada para el acceso al medio en sentido upstream es la multiplexacion temporal. Al adoptar la solución de medio compartido, es necesaria una sincronización de todas las ONUs, para que cada una de ellas transmita en su slot de tiempo correspondiente. En un “time slot” es posible transmitir varias tramas Ethernet. Una ONU tendrá que almacenar las tramas recibidas de un suscriptor hasta que pueda transmitir. Cuando llega su “time slot” correspondiente, la ONU transmite la información almacenada a la velocidad de Ethernet, en este caso 1Gbps.
Multi-Point Control Protocol
Las redes EPON disponen de una subcapa a nivel MAC Control la cual implementa el protocolo de MPCP (Multi-Point Control Protocol), que controla la red punto-multipunto en los siguientes aspectos: - reparto y asignación de ancho de banda - proceso de auto-descubrimiento
El proceso de auto-descubrimiento es el registro inicial de la ONU en la red de acceso mediante la asignación que le hace la OLT de un identificador de enlace lógico (LLID).
Un factor que queda a elección porque permanece abierto en el estándar es la asignación de un identificador de enlace lógico (LLID) para cada ONU o uno por cada cola de una ONU. Se ha decidido el uso de un solo LLID por ONU, esto conforma ventajas y desventajas. Una ventaja es la reducción del consumo de ancho de banda por los mensajes MPCP para planear las transmisiones de las ONUs. Sin embargo, una desventaja es que las colas de baja prioridad pueden estar mal atendidas.
Funcionamiento del MPCP: Para soportar la asignación de timeslots por parte de la OLT, el protocolo de control multi-punto (MPCP en adelante) esta siendo desarrollado por el grupo de trabajo del IEEE 802.3ah. Este protocolo se basa en dos mensajes ethernet: GATE y REPORT. El mensaje GATE es enviado desde la OLT hasta una ONU y es usado para asignar un intervalo de tiempo de transmisión. El mensaje REPORT es usado por una ONU para convenir sus condiciones locales (ocupación del bufer, etc.) con la OLT para ayudarla a tomar decisiones inteligentes en la asignación. Ambos mensjes, GATE y REPORT, son tramas de control MAC (tipo 88-08) y son procesadas por la sub-capa de control MAC.
Hay dos modelos de operación del MPCP: auto-discovery (inicialización) y operación normal. El modo auto-discovery es usado para detectar nuevas ONUs conectadas y recibir el retraso round-trip y la dirección MAC de dicha ONU, y ademas es posible que otros parámetros aún no definidos. El modo normal se usa para asignar oportunidades de transmisión para todas las ONUs inicializadas.
Puesto que mas de una ONU puede requerir la inicialización a la misma vez, auto-discovery es un procedimiento "contention-based". Explicado en alto nivel, funciona de la siguiente manera:
1- OLT asigna un slot de inicialización, un intervalo de tiempo en el cual las ONU previamente no inicializadas tienen permitido transmitir. El tamaño de este spot de inicialización debe ser como mínimo <tamaño de la transmision> + <máximo round-trip> - <minimo round-trip>, donde el tamaño de la transmisión es el tamaño de la ventana de transmisión que una ONU puede usar.
2- OLT envía un mensaje de inicialización GATE anunciando el tiempo de inicio del spot de inicialización y su tamaño. Mientras retransmite este mensaje desde una capa alta hasta la capa MAC, MPCP estampara su local-time en ella.
3- Solo las ONUs no inicializadas responderán al mensaje de inicialización GATE. Cuando la ONU reciba el mensaje de inicialización GATE guardara el timestamp del mensaje como su local-time.
4- Cuando el reloj local localizado en la ONU llega al tiempo de inicio del slot de inicialización (también presente en el mensaje GATE), la ONU retransmitirá su propio mensaje (REPORT initialziation). El mensaje contendrá la dirección fuente de la ONU y un timestamp representando el local-time de la ONU cuando el mesaje REPORT fue enviado.
5- Cuando la OLT recibe el mensaje REPORT proveniente de una ONU no-inicializada, recoge su dirección MAC y su intervalo round-trip. Como se ilustra en la figura 8-8, el intervalo de tiempo round-trip de una ONU es exactamente la diferencia entre el instante en que el REPORT es recibido en la OLT y el timestamp contenido en el mensaje REPORT.
)Dado que múltiples ONU no-inicializadas pueden responder al mismo mensaje GATE, los mensajes REPORT pueden colisionar. En ese caso, las ONUs cuyos REPORTs colisionan no tendrán asignados ningún spot para su operación NORMAL. Si una ONU no recibe la asignación de su slot en un determinado intervalo time-out, entenderá que ha ocurrido una colisión , y intentará volver a inicializar de nuevo tras dejar pasar un numero aleatorio de mensajes GATE. El numero de mensajes que dejará pasar se escoge aleatoriamente de un intervalo que se dobla después de cada colisión detectada.
Abajo se ilustra el modo normal de operación del MPCP. Es importante recalcar que MPCP no se interesa por esquemas de asignación de ancho de banda particulares, en vez de eso, es un protocolo necesario para llevar las decisiones desde la OLT a las ONUs.
1- Desde la capa mas alta (control de cliente MAC), MPCP genera una petición para transmitir un mensaje GATE a una ONU particular con la siguiente información: el instante en que la ONU debe empezar a transmitir y el tamaño de la transmisión (figura 8-9).
2- La capa MPCP (en la OLT y en cada ONU) mantienen el reloj. Tras pasar el mensaje GATE a la capa MAC, MPCP introduce un time-stamp con su hora local.
3- Tras recibir el mensaje GATE correspondiente a la mac de dicha ONU (mensajes GATE son únicas), la ONU programará sus registros locales con el inicio y tamaño de transmisión recibidos. La ONU también verificara que el instante en el que el mensaje llega es cercano al time-stamp contenido en el mensaje. Si la diferencia en los valores excede un umbral de tiempo predefinido, la ONU asumirá que ha perdido la su sincronización y pasará por si misma a un estado de no-inicializacion. En este estado, a la ONU no le será permitido transmitir. Monitorizará el tráfico de entrada esperando para el siguiente mensaje GATE de inicialización para realizar de nuevo una inicialización.
4- Si el instante en el que el mensaje GATE se recibe y el valor del timestamp contenido en él son próximos, la ONU actualizará su reloj local a ese timestamp. Cuando el local-time llegue al valor de "inicio de transmisión", la ONU empezará a transmitir. Esa transmisión puede incluir múltiples tramas ethernet. La ONU se asegurara de que las tramas no estén fragmentadas. Si la siguiente trama no cabe en el hueco restante del time-slot, será retrasada hasta el próximo timeslot.
)Los mensajes REPORT son enviados por las ONUs en las ventanas de transmisión asignadas junto con tramas de datos. Los mensajes REPORT pueden mandarse automáticamente o bajo demanda. Un mensaje REPORT es generado en la capa de control de cliente MAC y se le inserta el time-stamp en el control de MAC (Figura 8-10). Generalmente, REPORT contendrá el tamaño del siguiente timeslot basado en el tamaño de la cola de la ONU. Cuando se pide un timeslot, una ONU debe contar con el tiempo adicional debido a las cabeceras.
Cuando un mensaje REPORT previamente timestampeado llega a la OLT, es pasado a la capa MAC responsable de tomar las decisiones de asignación de ancho de banda. Adiccionalmente, la OLT recalcará el intervalo round-trip en la ONU de origen como se muestra en la Figura 8-8. Una larga desviación del RTT medido anteriormente y el actual alarmará al OLT sobre una posible desincronizacion y denegará la transmisión a dicha ONU hasta que sea re-inicializada.
)EPON Conformidad Con La Arquitectura 802
El IEEE 802 arquitectura define 2 tipos de media: medianamente compartida y full duplex. En una medianamente compartida, todas las estaciones están conectadas a un único dominio de acceso donde a lo sumo una estación puede transmitir a la vez y todas las estaciones pueden recibir todo el tiempo. El segmento full duplex es un enlace punto a punto conectando 2 estaciones (o una estación y un bridge) de tal manera que las dos estaciones pueden transmitir y recibir simultáneamente. Con las definiciones anteriormente expuestas, los bridges nunca dirigirán un frame de regreso a su puerto de entrada. En otras palabras, está asumido que todas las estaciones conectadas al mismo puerto en el bridge pueden comunicarse entre sí sin la ayuda del bridge.
Este comportamiento del bridge a dado lugar a un interesante problema: los usuarios conectados a ONUS diferentes en el mismo PON son capaces de comunicarse entre si, sin datos siendo procesados en la capa 3 (capa de red) o superior. Esto plantea una cuestión de cumplimiento con los estándares IEEE 802 particularmente con P802.1D bridging.
Para resolver este problema y para asegurar la perfecta integración con otras redes Ethernet, dispositivos ligados a la EPON media tendrán una sub-capa adicional, basada en esta configuración, emulara un medio compartido o uno medio punto a punto. Esta subcapa es denominada Shared-Medium Emulation (SME) or Point-to-Point Emulation (PtPE). Esta subcapa debe situarse debajo de la capa MAC para preservar la existencia de la operación Ethernet MAC definida en el estándar IEEE p802.3 El funcionamiento de la capa de emulación se basa en el etiquetado de tramas Ethernet con etiquetas únicas para cada ONU. Estas etiquetas se llaman "enlaces ID" y se colocan en el preámbulo antes de cada fotograma.
Para garantizar la unicidad de identificadores de enlace, a cada ONU se le asigna una o más etiquetas de la OLT durante la fase de registro inicial.
Point-to-Point Emulation (PtPE)
En el modo de emulación punto a punto, la OLT debe tener N MAC puertos (interfaces), una para cada ONU. Cuando enviando un frame de bajada (desde la OLT hacia la ONU), la sub-capa PtPE en la OLT insertará el vínculo de ID asociado a un determinado puerto MAC desde el cual a sido enviado el frame. A pesar de que el frame será enviado a cada ONU, sólo una subcapa PtPE coincidirá enlazando el frame ID con el valor asignado a la ONU,aceptándo el frame y haciendolo pasar a la capa MAC para su posterior verificación. Las capas MAC en todas las otras ONUS nunca verán ese frame. En este sentido, es como si el frame fuera enviado punto a punto solo a una ONU.
En la dirección upstream, la ONU insertará su linkID asignado en la cabecera de cada trama transmitida. La sub-capa PtPE en la OLT desmultiplexará la trama con el puerto MAC correspondiente basandose en su linkID único.
La configuración PtPE es claramente compatible con puenteos como cada ONU está conectada a un bridge independiente. El bridge que se encuentra en la OLT va a transmitir el tráfico inter-ONU entre sus puertos.
Shared-Medium Emulation (SME)
En emulaciones medio-compartidas, los frames son trasmitidos por cualquier nodo (OLT o cualquier ONU) deben ser recibidos por cada nodo (OLT y todos las ONU). En la dirección de bajada, la OLT insertara un enlace "broadcast" ID el cual será aceptado por cada ONU. Para asegurar la operación medio compartida para los datos de subida (frames enviados por las ONUS), la capa SME en la OLT debe reflejar todos los frames de vuelta a la bajada para ser recibidos por todas las otras ONUs. Para evitar la duplicación de frames cuando una ONU reciba sus frames, la capa SME en una ONU acepta el frame solo si la ID de este enlace es diferente de las otras ID de los enlaces asignados a esta ONU.
La emulación medio-compartida requiere solo un puerto MAC en la OLT. La funcionalidad de la capa física proporciona a la comunicación ONU a ONU, eliminando la necesidad de un bridge.
Modos PtPE y SME combinados
Mientras que ambos, PtPE y SME, aportan soluciones para los problemas de compatibilidad de P802.1, también tienen sus propios inconvenientes, específicamente cuando consideramos su aplicación en redes de suscriptores. El modo PtPE permite la posibilidad de tener una sola copia multicast/broadcast cuando la OLT envía une trama recibida por varias ONUs. Esta característica es muy importante para servicios como broadcast de video o cualquier servicio broadcast en tiempo real. Para soportar dichos servicios, la OLT operando en modo PtPE debe duplicar los paquetes broadcast, con un linkID distinto cada vez.
Por otra parte, SME proporciona capacidad multicas/broadcast. Aún así, debido a que cada una de las tramas upstream si reflejada downstream, desperdicia mucho ancho de banda de downstream.
Para conseguir una operación optima, es viable despegar una PON con PtPE y SME al mismo tiempo. Con esta configuración en una red EPON con N ONUS, la OLT contendrá n+1 MACs: una por cada ONU (PtPE) y una para hacer broadcast (Figura8-15) Cada ONU debe tener dos MACs: una para el medio compartido y otra para el link PtPE. Para separar de forma óptima el trafico, las capas superiores (por encima de la capa MAC) decidirán que el puerto al que enviar los datos (p.e usando VLANs). Solo los datos que deben ser transmitidos por broadcast serán enviados al puerto conectado al segmento del medio compartido emulado.
Comportamiento de las EPON
El comportamiento de una EPON depende del sistema de asignación de ancho de banda. Elegir el mejor sistema de asignación, sin embargo esto no es una tarea fácil. Si todos los usuarios pertenecen al mismo dominio administrativo (digamos una corporación o un campus), toda la multiplexación estadística podría tener sentido - los administradores de red querrían obtener más ancho de banda del disponible. Sin embargo en las redes de acceso de los abonados no son LANs privadas y el objetivo es asegurar la conformidad del Service-Level Agreement (SLA) para cada usuario individualmente. Usando mecanismos de multiplexación estadística para dotar a cada usuario con la mayor capacidad de ancho de banda puede complicar la facturación y ser potencialmente inviable para el usuario el mejorar su conexión a otra con más ancho de banda. Además, los abonados pueden acostumbrarse y esperar que el comportamiento que obtienen durante las horas de poca actividad cuando el esfuerzo de ancho de banda está disponible. Sea el mismo que en horas puntas, por lo que pueden percibir el servicio como insatisfactorio, incluso obteniendo lo garantizado por sus SLA. El algoritmo de asignación optimizada del ancho de banda dependerá en última instancia en el futuro SLA y en el modelo de facturación usado por el proveedor del servicio.
Esta noción a llevado a un modelo llamado "fixed pipe" para las redes de acceso. "Fixed pipe" asume que cada usuario estará de acuerdo y pagara por una conexión fija independientemente de las condiciones de la red o de las aplicaciones que esté usando. Porque el ancho de banda contratado deberá estar disponible a cualquier hora, este modelo no soportara mas abonados de los permitidos. En consecuencia, los operadores no están dispuestos a dar a los usuarios un esfuerzo de banda ancha adicional. No es fácil cobrar a los usuarios que no están dispuestos a pagar por algo difícil de medir. En cierto sentido este modelo opera como un circuito fijo para cada cliente.
Recientemente, sin embargo ha habido un cambio hacia un nuevo paradigma. Desde que el ancho de banda esta abaratándose, los ingresos de los proveedores del servicio obtienen del tráfico de datos están disminuyendo. En consecuencia muchas compañías se quejan de que para acomodar el aumento de tráfico en sus redes tienen que mejorar sus redes muy a menudo por lo que sus gastos de ampliación de capital aumentan, pero los ingresos siguen siendo iguales o incluso disminuyen. En los últimos años, se ha hecho evidente que el ancho de banda en bruto no puede generar ingresos suficientes. El nuevo pensamiento entre los operadores de telecomunicaciones pide un servicio basado en una facturación en la cual los usuarios pagan por los servicios que reciben, y no por el ancho de banda garantizado que perciben. En este modelo, los operadores de red están dispuestos a emplear multiplexacion estadística para ser capaces de soportar más servicios en la red.
Capacidad EPON
Admiten estandares redes PON soportadas por una o dos fibras, empleándose la técnica WDM (Wavelength Divisi_n Multiplexing) en el primero de los casos para separar ambos sentidos de transmisión, según se ilustra en la Tabla A3.2. adjunta, acorde con la recomendación UIT-T/G.983.3
Por otra parte, mientras el estándar GPON contempla las tres clases de redes --clases A, B y C, caracterizadas en la Tabla A3.3. adjunta--, el EPON únicamente admite las clases A y B.
Seguridad
La seguridad no ha sido uno de los puntos fuertes de las redes Ethernet. En Ethernet point-to-point full duplex, la seguridad no es una cuestión crítica por que sólo hay dos estaciones comunicandose mediante un canal privado. En el modo half-duplex compartido, las preocupaciones de seguridad son mínimas porque los usuarios pertenecen a un sólo domnio administrativo y están sujetos a sus políticas. EPON, sin embargo, tiene un conjunto de requerimientos distintos, en gran parte debido a que su uso va dirigido al acceso de subscriptores. EPON sirve a usuarios privados no-cooperativos, pero por otra parte tiene un canal broadcast de downstream, potencialmente accesible por cualquier estación final configurada en modo promiscuo. En general, para establecer la seguridad en redes EPON, los operadores de red deben ser capaces de garantizar la privacidad del subscriptor, y deben proveer mecanismos para e control de acceso de los subscriptores a la infraestructura.
En un entorno de acceso residencial, los usuarios individuales esperan que sus datos permanezcan privados. Para una el acceso de una aplicación de negocios, ese requerimiento es fundamental. Los dos grande problemas asociados a la falta de privacidad son la susceptibilidad de que los subscriptores sean "escuchados a escondidas" por sus vecinos (asunto de suscriptores), y la susceptibilidad de que el servicio sea usado sin el consentimiento el proveedor (asunto del proveedor). Exploremos estos dos problemas:
Eavesdropping (Escucha sin consentimiento)
En EPON, la escucha sin consentimiento es posible operando una ONU en modo promiscuo: estar expuesto a todo el trafico downstream, así la ONU puede escuchar el tráfico dirigido a otras ONUs.
PtPE añade links IDs que permitan a una ONU reconocer tramas dirigidas a ella y descartar el resto. No obstante, este mecanismo no ofrece la seguridad requerida, pues una ONU puede deshabitar este filtrado y monitorizar todo el tráfico.
La transmisión upstream en EPON es relativamente mas segura. Todo el tráfico upstream es multiplicado y es visible solamente para la OLT (debido a la directividad de un combinador pasivo). Aunque es posible que ocurran reflejos en el combinador pasivo, enviando alguna señal upstream de vuelta por el downstream otra vez, la transmisión downstream se hace con una longitud de onda diferente a las de transmisiones upstream. De este modo, la ONU queda "ciega" para el trafico reflejado el cual no es procesado.
El upstream también puede ser interceptado en el splitter PON. Un dispositivo especial, que sea sensible a la longitud de onda del upstream puede ser conectado a un puerto no usado hacia el downstream. Este dispositivo será capaz de interceptar las comunicaciones upstream.
Acceso ilegítimo al servicio
El acceso ilegítimo al servicio ocurre cuando un suscriptor se hace pasar por su vecino, y transmite y recibe tramas que serán cobradas a cuenta del vecino. La OLT obtiene la identidad del subscriptor mediante el link ID insertado por cada ONU en el preámbulo de las tramas. Este link ID puede ser falsificado por ONUs maliciosas al transmitir en sentido upstream. Por supuesto, para ser capaz de transmitir en el timeslot "secuestrado", la ONU ilegítima debe ser capaz de "escuchar" los mensajes GATE que van dirigidos a la víctima.
Usando Encriptación para resolver el problema
La encriptación de las transmisiones downstream previene la escucha ilegítima cuando la clave de encriptación no es conocida. Por tanto, se crea un túnel ptp el cual permite comunicación priada entre la OLT y diferentes ONUs.
La encriptación de las transmisiones upstream previene la interceptación del trafico upstream cuando se intercepta la transmisión en el splitter PON. La encriptación del flujo upstream también previene la suplantación de ONUs: los datos que llegan desde una ONU deben estar encriptados con una clave solo disponible para esa ONU. Existen métodos seguros para distribuir las claves, pero no entran en el propósito de este articulo.
La encriptación y la desencriptación pueden ser implementadas en la capa física, o capas mas altas. Implementar la enciptacion por encima de la capa MAC encriptará solamente el contenido de la trama MAC y dejará las cabeceras en texto plano. En este escenario, la MAC emisora calculará el FCS (Frame Check Sequence) para el payload encriptado, y la MAC receptora verificara que la integridad de la trama recibida antes de pasar su contenido (payload) a la capa superior para ser desencriptada. Este esquema previene que ONUs maliciosas puedan leer el payload, pero aun así pueden obenet las direcciones MAC de otras ONUs.
Alternativamente, la encriptación puede ser implementada por debajo de la capa MAC. Con esta técnica, se encriptará todo el stream de bits, incluyendo las cabeceras de la trama y FCS. En el lado receptor, se desencriptarán todos los datos antes de pasarlos a la capa MAC para verificarlos. Ya que las claves de encriptación son diferentes para todas las ONUs, las tramas no destinadas a ninguna ONU no serán decapitadas correctamente, resultando una trama malformada, la cual será rechazad. En este esquema de funcionamiento las ONUs maliciosas no podrían obtener ninguna información. Implementar el sistema de encriptación por debajo de la capa MAC parece ser el método mas seguro y fiable.
Metodo de Encriptación
La transmisión downstream en una red EPON es un canal de comunicación basado en tramas, donde queda trama se envía a un destino difirente. Como cada trama es un trozo independiente de información, el método de encriptación no puede estar basado en el flujo. Lo solución mas apropiada es un cifrado basado en bloques que encripte cada trama de forma separada.
El campo linkID localizado en la cabecera de cada trama se usa para identificar el túnel entre la OLT y una ONU (PtP emulation). Esta cabecera también puede ser usada para soportar el mecanismo de encriptación de EPON. Para este propósito no de los bytes reservados en la cabecera será usado como clave de indice (key identifier) (Figura 8.27). Basandose en el valor de este campo seria posible determinar si la trama esta encriptada, y que clave fue usada.
Cada ONU posee una clave que es validad para la sesión actual. La keyID referencia a la clave en la ONU. Este comportamiento permite una transición suave desde una sesión valida a la siguiente, cuando se resignan las claves. E keyID por defecto es usado por las tramas no-encriptadas.
La resignación periódica de claves permite mantener la seguridad de forma indefinida en los túneles ya establecidos. Como los cifrados por bloques usan bloques de tamaño fijo, y las tramas Ethernet son de tamaño variable, el límite del bloque puede ser diferente al límite del paquete, y el último bloque será en este caso rellenado para llenar el tamaño del bloque requerido. Como el rellenado con ceros es potencialmente débil en la encriptacion, se usa un método alternativo en el cual los últimos n bits (n<128) se les hará un XOR con el resultado de la segunda iteración del cifrado del próximo bloque.
El algoritmo AES (Advanced Encryption Standard), originalmente diseñada para reemplazar al DES (Data Encryption Standard) es considerado para las redes EPONs. Este algorimo permite el uso de claves de 128, 192 y 256 bits.
Clases de Red
Para el sentido descendente (downstream) de regímenes binarios centrados en 1 Gbps, y considerando una tasa de error en bits (BER) de 10-10, la potencia transmitida oscila entre 4 y +6 dBm, siendo la sensibilidad típica de la ONU de –25 dBm. Para el sentido ascendente (upstream), los valores serían similares.
Adicionalmente, mientras el estándar GPON admite tres razones de división óptica --splitters tipo 1:16, 1:32 o 1:64 -- , el draft EPON únicamente contempla las dos primeras.
A efectos de corrección de errores, tanto GPON como EPON contemplan una FEC (Forward Error Correction) tipo Reed-Solomon (239 , 255), si bien vuelven a diferir en el cogido de línea: NRZ (Non-Return to Zero) para GPON y 8B/10B para EPON.
En lo que a servicios se refiere, mientras el estándar GPON soporta, de forma directa, tanto servicios síncronos (voz y vídeo, por ejemplo, mediante TDM) como asíncronos (datos, por ejemplo, vía ATM) ), el draft EPON únicamente admite el modo de transporte Ethernet, y, consecuentemente, cualquier servicio soportado por dicho protocolo (con las ventajas y limitaciones del mismo)
Configuracion
Tanto el estándar GPON como el draft EPON admiten redes (PON) sustentadas bien en una fibra o bien en dos fibras (por cliente), pudiendo adoptar dichas redes desde una configuración básica, sin diversidad alguna, hasta arquitecturas con redundancia total.
Control del Acceso al Medio
En el sentido descendente --downstream, de la red hacia el ususario-- tanto el draft EPON como el estándar GPON contemplan un protocolo de difusión. Al respecto, mientras EPON utiliza la trama_Ethernet, el estándar GPON emplea bien la célula_ATM o bien el método de encapsulación GFP para los servicios nativos TDM.
Algoritmos de Asignación de Recursos
Asignación de Recursos
El estándar de EFM determina el protocolo de señalización entre las entidades ONU y OLT de la arquitectura EPON (MPCP), pero no determina la política de asignación de recursos a cada ONU ni el método de planificación y servicio de colas para la provisión de Calidad de Servicio (QoS). Así mismo tampoco define la política de admisión de nuevas conexiones (CAC, Connection Admission Control) ni la forma de encuesta por parte de la OLT a las ONUs para la planificación del reparto de ancho de banda.
Zhu Yongquing presenta en dos algoritmos de encuesta a ONUs para la posterior asignación de ancho de banda. Estos métodos son el algoritmo BGP (Bandwidth Guaranteed Polling) y EDA (Evenly Distribution Algorithm). Así mismo Glen Kramer, Biswanath Mukherjee y Gerry Pesavento proponen IPACT “Interleaved Polling with Adaptative Cicle Time” como método de asignación de recursos en EPON.
Algoritmo IPACT
IPACT es un protocolo para la asignación dinámica de ancho de banda en redes EPON. Se basa en un esquema de encuesta por parte de la OLT a las ONUs que dependen de ella, similar a la encuesta realizada por los hubs, donde cada ONU se sondea antes de que la transmisión de la anterior haya llegado. El sondeo se realiza conjuntamente con el envío del permiso de transmisión a la ONU, tras la transmisión de datos de la ONU esta informa del estado de sus colas. La OLT distribuye los slots temporales de las ONUS con un tamaño de ventana dinámico de acuerdo con el tamaño instantáneo de las colas de las ONUs.
En IPACT todas las ONUs son tratadas del mismo modo. En el esquema de encuesta que propone IPACT, la OLT mantiene una tabla que contiene para cada ONU el tamaño de colas y el “Round Trip Time” o RTT. El RTT es la suma del tiempo de propagación del upstream y el downstream entre OLT y ONU. Este tiempo se tiene en cuenta porque la distancia entre ONUs y OLT es variable y estas diferencias afectan al envío correcto de la señalización y del inicio de los slots temporales. Esta tabla se actualiza con los mensajes de control “Request”. Si una ONU vacía completamente sus colas, en el siguiente ciclo sólo se le permitirá enviar mensajes “Report” de control, pero ningún dato.
En IPACT no es necesario la sincronización de las ONUs, cada una de ellas ejecutan el mismo procedimiento dado por los permisos de transmisión recibidos desde la OLT. El algoritmo de planificación y asignación está enteramente implementado en la OLT y las ONUS no tienen que negociar los nuevos parámetros, aceptarlos ni cambiarlos de forma síncrona con el resto del sistema.
La encuesta a las ONUs se realiza de forma secuencial una tras otra, y tratándolas por igual, es decir, ni se implementan mecanismos de priorización y en ningún momento se garantiza el servicio a ninguna ONU
Algoritmo de Ciclo Fijo
Tomando como base IPACT, se ha desarrollado un método de asignación dinámica de ancho de banda dentro de un ciclo de tamaño fijo. Es decir, dentro del ciclo de transmisión que es de duración constante se reparte el tiempo total asignando slots temporales variables según los requerimientos de cada ONU. Las principales diferencias consisten en que no se realiza un sondeo secuencial de ONUs y la transmisión se ha organizado en ciclos. La OLT es la que tiene todo el control sobre la planificación de éstos. En cada ciclo, tras la transmisión de los datos, cada ONU manda un mensaje “Report” en el que indica el tamaño de sus colas. Esta información se almacena en una tabla. Cada comienzo de ciclo se envía toda la señalización de control a las ONUs, indicándoles la posición de su slot temporal para el ciclo siguiente. La información de colas que una ONU manda en el ciclo i, es tenida en cuenta para el tamaño de slot con el que transmitirá en el ciclo i+2. Al ser el tiempo de ciclo constante y la asignación de slot dinámica, existe la posibilidad de que se quede parte del ciclo, y por tanto ancho de banda, sin utilizar cuando las ONUs no tienen grandes requerimientos de transmisión. Por ello es de vital importancia en este caso ajustar bien el tiempo de ciclo, según el tráfico que vaya a tener la red. Las ONUs son tratadas por igual, por lo tanto, el ancho de banda disponible se repartirá a partes iguales entre ellas. Ello se traduce en un tiempo de slot máximo determinado por:
Existe la posibilidad cuando hay tiempo de ciclo sobrante, se haga una reasignación de recursos antes de enviar la señalización a las ONUs. Esta reasignación atiende a la siguiente política: Se puede asignar un tamaño de slot mayor que el máximo, cuando haya recursos sobrantes y alguna ONU necesite un slot mayor aplicando la siguiente ley, con pesos para cada ONU y para los dos tipos de trafico definidos, uno con prioridad y otro no.
El tiempo asignado a la ONU j será el tiempo sobrante en el slot multiplicado por Fj.
Algoritmo Ciclo Variable
Ésta implementación difiere de la anterior principalmente en que el tiempo de ciclo ahora se ajusta a los requerimientos de slot de las ONUs. Sigue habiendo un tiempo de slot máximo pero ahora el ciclo termina en el momento en que la última ONU acaba con su slot temporal y llega el turno del slot de auto-descubrimiento reservado en cada ciclo para la posible incorporación de nuevas ONUs. Por lo tanto, ahora no hay una posible infrautilización del enlace, esto implica que no tiene sentido la reasignación de recursos de la que hablaba en el caso anterior.
Implementacion OPNET
En OPNET se han implementado el algoritmo de Ciclo Variable y el algoritmo de Ciclo fijo explicados anteriormente. Para el diseño de EPON en OPNET se decidió estructurar las transmisiones en ciclos de modo que con la información transmitida por las ONUs el ciclo anterior, la OLT hace el reparto de recursos y manda al principio del ciclo actual la totalidad de la señalización indicando en qué momento del siguiente ciclo deben de comenzar las ventanas de transmisión. Estos “time slots” o ventanas de transmisión son de tamaño variable, es decir, se realiza una asignación de recursos dinámica en función de la ocupación de las colas de las ONUs, mientras que los ciclos pueden tener un tamaño fijo o variable. Además en cada ONU se puede definir un número de colas variable utilizadas para distinguir entre distintos clases de servicio y así poder asignar prioridades según el algoritmo de servicio de colas y el planificador de tráfico que introduce los paquetes en una cola u otra.
Metodologia
Para la búsqueda de los parámetros apropiados de la red se ha seguido la siguiente metodología: Inicialmente se realiza una simulación con el algoritmo de ciclo variable y se halla la estadística de tiempo entre slots asignado a las ONUs. Se toma este valor medio como referencia para el tiempo de ciclo en el algoritmo de ciclo fijo. Como se pretende que sea efectiva la reasignación de recursos, este valor se aumenta en una proporción adecuada con el volumen de tráfico de la red. Una vez elegido el tiempo de ciclo se prueban distintas combinaciones de los pesos de ONUs y tráfico prioritario para hallar el mejor resultado posible, teniendo en cuenta que los resultados que buscamos es minimizar tanto el delay del tráfico prioritario como su jitter delay, y todo ello sin causar demasiado perjuicio al tráfico no prioritario.
Una recomendación a seguir para facilitar el proceso y obtener mejores resultados es agrupar usuarios prioritarios en ONUS prioritarias
Consideraciones sobre los servicios-IP sobre redes EPON
Lo que mas impulsa a Ethernet para consolidarse en el área de acceso a suscriptores es su eficiencia para manejar paquetes IP. Las redes de datos y telecomunicaciones migrarán cada vez más y mas servicios de telecomunicación hacia paquetes de tamaño variable en redes de datos. Para conseguir una convergencia total, esta migración debe estar acompañada por la implementación de mecanismos específicos tradicionalmente disponibles ya en las redes de telecomunicación.
Habiendo sido diseñado con la capa IP en mente, se espera que EPON pueda trabajar sin esfuerzo con un flujo de tráfico basado en IP, de forma similar a cualquier red Ethernet. Una distinción con la típica arquitectura swithced es que en una red EPON, la tasa de transferencia del usuario esta pre-asignado, es decir, los paquetes no pueden ser transmitidos por una ONU en cualquier momento. Esta característica desemboca en dos problemas únicos a las EPONs: (a) la utilización de slots por paquetes de longitud variable y (b) planificación de los slots para soportar los tipos de trafico de tiempo real y control de carga.
El problema de la utilización de Slots
Este problema esta relacionado con el hecho de que las tramas Ethernet no puedan ser fragmentadas y como resultado paquetes de longitud variable no llenan por completo el spot. Este problema se manifiesta a si mismo en un servicio fijo cuando los slots de tamaño constante son asignados a una ONU sin tener en cuenta la ocupación de su cola. Puede que los slots no sean llenados por completo también en el caso en que la OLT asigne a una ONU un spot menor de lo que la ONU ha requerido basado es el tamaño de su cola. El hecho de que haya un espacio sin usar al final del spot quiere decir que el rendimiento del usuario es menor que el ancho de banda dado al usuario por el proveedor. La figura 8-24 presenta un slot de utilización. Incrementando el tamaño del slot se mejora la utilización, es decir, la tasa de transferencia del usuario se aproxima a lo acordado con el proveedor. Aun así esto tiene efectos adversos en la latencia de los datos, pues slots mas largos incrementan el ciclo total de tiempo.
El problema de la utilización de slots también puede ser mejorado empleando planificaciones de paquetes mas inteligentes. En vez de parar la transmisión cuando la cabeza de trama de la cabeza de la cola exceda el "espacio" restante el spot, el algoritmo puede continuar buscando en el buffer y escoger un paquete mas pequeño que si que quepa y que pueda ser enviado inmediatamente. Aun así, como ha sido comprobado, la planificación "first-fit" no es una buena aproximación a la resolución del problema. Para entender el problema debemos mirar los efectos de la reordenación de paquetes desde una perspectiva TCP/IP. Aunque TCP restaurara la secuencia original de los paquetes, un excesivo reordenamiento puede tener las siguientes consecuencias: 1- Según el protocolo de transmisión mas rápido, el receptor TCP enviara inmediatamente un ACK para cada paquete "fuera de orden", en cambio para cada paquete "en orden" generará un ACK acumulativo. Esto llevará ha tener mas paquetes innecesarios en la red. 2- Segundo, y más importante, la reordenación de paquetes en las ONUs puede acabar en una situación donde n paquetes "posteriores" son transmitidos antes que el paquete previo. Esto generara n ACKs (n-1 ACKs duplicados) para el paquete previo. Si n excede un determinado umbral provocará una retransmisión de paquetes y la reducción del tamaño de la ventana de congestión de TCP (el parámetro cwnd). Actualmente, el umbral de este valor en muchos protocolos TCP/IP es 3.
Aunque se lleve especial cuidado en la ONU para limitar los paquetes "fuera de orden" a solo 1 o 2 el resto de caminos puede contribuir con reordenamiento adicional. Mientras que el "verdadero" reordenamiento suele generar menos de 3 ACKs duplicados y es ignorado por el emisor TCP, junto al reordenamiento introducido por la ONU, el número total de ACKs duplicados puede exceder de 3, forzando al emisor a retransmitir el paquete. Como resultado la tasa de transferencia del usuario disminuiría.
Asi que, ¿cuál es la solución? Es razonable asumir que el tráfico que entra a una ONU es una combinación de múltiples flujos. En el caso de usuarios de empresas, será el tráfico resultante de múltiples workstations. En caso de usuarios residenciales, esperaremos múltiples conexiones al mismo tiempo. Esto es por que, como red de acceso convergente, PON no solo transportará datos, sino también VoIP y video. La conclusión es que, si tenemos múltiples conexiones, podemos reordenar los paquetes aunque pertenezcan a diferentes conexiones, y nunca reordenadlos si pertenecen a la misma conexión. Las conexiones pueden ser distinguidas examinando los pares de direcciones y puertos de emisor-destinatario. Esto requerirá que la ONU extraiga información los paquetes en las capas 3 y 4. Aun así, lo que los diseñadores de EPON deben sacrificar para conseguir mas ancho de banda, será aumentar la potencia de procesamiento de las ONU.
Video en tiempo real y VoIP
El rendimiento de una red basada en paquetes puede ser convenientemente caracterizado en varios parámetros: ancho de banda, retraso de los paquetes (latencia) y variación del retraso (jitter), y ratio de pérdida de paquetes. Quality of Service (QoS) se refiere a la habilidad de una red para poner límites en alguno o todos esos parámetros. Es útil diferenciar el QoS estadístico del QoS garantizado. El estadístico se da en el caso de que los parámetros excedan unos limites especificados con una probabilidad pequeña. Respectivamente, el QoS garantizado hace referencia a una arquitectura de red donde los parámetros están dentro de unos límites de forma garantizada durante toda la conexión. Una red requiere del uso de QoS para asegurar la normal operación de servicios en tiempo real, como video-over-packets (VoD, digital video conferencing), voz-sobre-IP (VoIP), transacciones en tiempo-real, etc. Para poder garantizar QoS en los servicios de las capas altas, QoS debe ser mantenido en todos los segmentos de la red, incluyendo la porción de acceso a la red en el end-to-end. Esta sección sólo se concentra en QoS sobre redes de acceso EPON.
El estándar original de Ethernet basado en el protocolo MAC CSMA/CD no tiene relación con QoS. Todas las conexiones (flujo de tráfico) eran tratadas igualmente y la red ponía el mismo empeño en todas. El primer gran paso al establecer QoS en Ethernet era introducir el modo full-duples. Full duplex MAC (también llamado null-MAC) puede transmitir tramas de datos en cualquier momento. En un link duplex (segmento), una vez el paquete es entregado a la capa MAC para retransmitirse, su retraso (delay), jitter y ratio de pérdida son concidos o predecibles hasta la capa MAC receptora. Delay y jitter pueden ser afectados por la cabezera de la linea bloqueada cuando el puerto MAC está ocupado transmitiendo previas tramas en el instante en la que la siguiente esta disponible. De cualquier modo, con un canal de 1Gbps esta variación de retardo se convierte en negligible pues la mayor trama Ethernet posible es transmitida solo en unos 12μs. Es importante recalcar que full-duplex MAC no hace a Ethernet una red con capacidad QoS: los switches localizados en puntos de unión aún puede ser que provean servicios no determinísticos y bes-effort.
El siguiente paso para establecer QoS en Ethernet se produjo por la itrucción de dos nuevos estándares: P802.1p "Supplement to MAC Bridges: Traffic Class Expediting and Dynamic Multicast Filtering" y P802.1Q "Virtual Bridged Local Area Networks". P802.1Q define una formata de trama extendido permitiendo a las tramas ethernet transportar información con prioridad. P802.1p especifica el comportamiento por defecto del bridge para diferentes clases de prioridad; específicamente, permite que una cola en el bridge sea servida solo cuando todas las colas de mayor prioridad están vacías. El estándar distingue las siguientes clases de tráfico:
1- Control de red: Caracterizado por el requerimiento "debe llegar" para mantener y dar soporte a la infraestructura de red. 2- Voz: caracterizado por tener menos de 10ms de retraso, y por tanto máximo jitter. 3- Video: caracterizado por necesitar 100ms de retraso. 4- Controlled Load: Importantes aplicaciones de negocios sujetas a algún tipo de "control de admisión". 5- Excelent-Effort: Los servicios bes-effort que se repartirán entre los clientes mas importantes. 6- Best-Effort: tráfico LAN como lo conocemos hoy 7- Background: transferencias sin nombre y otras actividades permitidas en la red pero que no deben causar ningún impacto en el uso para otros usuarios o aplicaciones.
Si un bridge tiene menos de 7 colas, algunas clases de tráfico son reagrupadas. La tabla 8-2 ilustra los estándares recomendados para agrupar tipos de tráfico:
Tanto full duplex como los estándares P802.1p/P802.1Q son importantes pero no son "suficientes" para que QoS sea efectivo. La parte restante es el control de admisión. Con el, cada clase de prioridad puede degradar intermitentemente el tráfico "bes-effort". Ahora, EPON puede proveer de un método simple y robusto para realizar el control de admisión. Anteriormente hemos mencionado que el protocolo MPCP se basa en los mensajes GATES enviados desde la OLT a las ONUs para asignar la ventana de transmisión. Una sencilla modificación del protocolo puede permitir que un solo mensaje GATE garantiza múltiples ventanas, una para cada clase de prioridad. El mensaje REPORT también puede modificarse para tratar el estado de la cola para cada prioridad. Alternativamente, el control de admisión puede dejarse para capas mas altas en la lógica de las ONUs. En este caso, la capa de alto nivel sabrá cuando va a llegar la siguiente ventana de transmisión y que tamaño tendrá, pudiendo así planificar de forma acorde la transmisión de los paquetes.
Comparativa con otras redes PON
El siguiente cuadro resume las principales características de los tres estándares dominantes.
Ambas arquitecturas la BPON y GPON fueron concebidas por el grupo FSAN, que fue impulsada por los principales operadores de telecomunicaciones preexistentes. La mayoría de los operadores están proporcionando servicios TDM, lo que tiene como consecuencia que BPON y GPON estén optimizados para el tráfico TDM.
Por un lado, tenemos que BPON consiste en una tecnología más madura y probada, por lo que tiene unos cimientos más robustos en comparación con otras arquitecturas. La eficiencia de EPON y GPON es mayor que que la de BPON ya que este debe transmitir IP sobre ATM y romper los paquetes ethernet de 1518bytes en celdas de 53 bytes(con 5 de overhead).
También tenemos que EPON y GPON utilizan una sola red IP para todos los servicios. GPON soporta dos métodos de encapsulamiento:
- ATM: Tradicional de APON & BPON
- GFP: Generic Framing Procedure
GFP es un estándar UIT-T desde Octubre de 2001, y constituye un procedimiento genérico para adaptar el tráfico de cliente (IP/PPP, Ethernet, Fibre Channel, ESCON, ...) a una red de transporte síncrona basada en octetos, tal como la SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
GFP difiere de otros mecanismos de paquetización (tal como el PoS, Packet over SONET) en que respeta la información de cabecera de la capa, de modo que el nodo de destino puede reproducir el flujo de nivel original.
EPON significa Ethernet PON, que como su nombre lo indica, es una técnica que utiliza Ethernet como método principal de transmisión para el PON. EPON se ejecuta en las tasas de gigabit y tiene su propio proceso de estandarización en curso, el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc).
Comparativa entre EPON y GPON
Claramente hay sustanciales diferencias entre la tecnología EPON y GPON, sobre todo en capa 2. Sin embargo los diseñadores de arquitectura de red también encontraran diferencias en términos de ancho de banda, alcance, eficiencia, coste por usuario y gestión. En este apartado trataremos estas diferencias con mayor detalle:
- Arquitectura
Quizá, la diferencia más importante entre los dos protocolos es desde el punto de vista de la arquitectura. Mientras GPON posee tres capas de red: ATM para voz, Ethernet para datos y un método de encapsulación propietario para video, EPON emplea una única capa de red que usa IP para transportar datos, voz y video.
A continuación podemos ver la diferencia entre una típica red GPON y EPON:
- Número de ONU's soportados (optical network units)
En cuanto al número de ONU's que puede soportar cada una, GPON puede soportar hasta 128 ONU's por OLT, mientras que con EPON, no hay límite en cuanto al número de ONU's. Este depende de la amplitud del diodo del laser utilizado, es decir, si utilizamos ópticas de bajo coste, EPON podría soportar aproximadamente unas 32 ONU's por OLT o 64 si utilizamos FEC (forward error correction).
- Coste por subscriptor
Respecto al coste por subscriptor, el uso de EPON conlleva la eliminación de complejos elementos ATM y Sonet para simplificar las redes, por tanto abarata el coste. Actualmente, los equipos EPON cuestan un 90% menos que los equipos GPON.
- Más distancia que DSL
Una de las características que diferencian esta tecnología a la hora de implementarla, es el alcance físico de la fibra óptica. Con el ADSL la señal disminuye a medida que la central está más alejada del usuario y su máxima extensión es de 5 kilómetros, en cambio con las redes PON es posible llegar a usuarios que estén hasta 20 kilómetros del nodo o la central.
- Ancho de banda aprovechable
Los anchos de banda varían entre los dos protocolos. GPON promete 1.25Gbps ó 2.5Gbps en canal descendente y un ancho de banda escalable desde 155Mbps hasta los 2.5Gbps. EPON, por su parte, ofrece un acho de banda simétrico de 1Gbps donde se desperdician aproximadamente 250Mbps en la codificación 8b/10b (hasta completar la velocidad de línea de 1.25Gbps).
GPON no minora ancho de banda para la codificación, puesto que utiliza un esquema NRZ y un entrelazado de datos típico de las redes SDH. De esta manera, GPON dispone de un ancho de banda superior en un 25% a EPON en canal ascendente.
Sin embargo, cuando se trata de agregar el tráfico de varios controladores de cabecera, lo que parecía en GPON una ventaja en ancho de banda, se pierde al hacer una conversión a los flujos GigabitEthernet que necesitan los conmutadores de cabecera. Es decir, en líneas generales, GPON añade un ancho de banda que no será aprovechado por los operadores cuando la señal GPON se transporte en redes WAN Gigabit Ethernet.
En la siguiente imagen se puede ver la comparacion entre EPON y GPON en cuanto a velocidades:
- Alcance
Como sucede con cualquier otro protocolo, el alcance sobre fibra viene definido por el rango dinámico del enlace óptico. En la actualidad, el alcance de ambos protocolos es aproximadamente de unos 20Km, siendo limitado por el número de ONUs definidos para el nodo.
GPON soporta hasta 128 ONUs. Con EPON no existe una limitación en el número de nodos, aunque 256 es un valor máximo adecuado. En estas condiciones de equipado máximo de nodos, evidentemente, el alcance máximo de EPON se reduce frente a GPON al existir mayores pérdidas de inserción derivadas del uso de un número mayor de divisores ópticos.
- Coste por suscriptor
El uso de EPON elimina completamente los costosos y complejos equipos de transporte ATM/SDH de los operadores de transporte, simplificando sus redes y, por lo tanto, no imputando sus costes a los usuarios. Se ha estimado que EPON repercute un 10% menos que GPON el coste de los equipos de cabecera sobre los usuarios, estando al mismo nivel que otras tecnologías de acceso como VDSL.
- Eficiencia de cada estándar
Ambos protocolos PON añaden overhead (tráfico no útil) a las tramas del protocolo que encapsulan (IP). EPON es una estándar optimizado para longitud variable de paquete (tramas ethernet de hasta 1518 bytes) según el estándar 802.3 Ethernet. En sistemas PONs ATM (incluido GPON) los datos se transmiten en tramas fijas (celdas) de 53 bytes (48bytes de carga útil y 5 bytes de overhead). Este formato es extremadamente ineficiente para el transporte de tráfico IP cuyos segmentos pueden variar hasta alcanzar tamaños de 64Kbytes.
Los sistemas GPON que transportan tráfico IP deben segmentarlo en tamaños de 48bytes introduciendo la información de segmentación en cabeceras de 5bytes. Este proceso, además de complicado, añade latencia.
Se ha calculado que una encapsulación Ethernet como la que realiza EPON sobre tráfico IP añade una ineficiencia de un 7.42%, mientras que la encapsulación de IP sobre ATM eleva este valor hasta el 13.22%.
Por otro lado, la codificación 8B/10B que realiza EPON y que desperdicia ancho de banda, se convierte en una ventaja a la hora de realizar la conversión electroóptica, puesto que precisa de una electrónica de sincronismo mucho más simplificada y no tan precisa como necesita GPON.
- Sistemas de gestión
EPON basa su experiencia en sistemas de gestión Ethernet sobre SNMP, mucho más simplificados que los modelos de gestión y mantenimiento de capa 2 de ATM. De esta manera los sistemas de gestión EPON suelen poder integrarse con soluciones que ya dispone el operador, como HPOpenView o similares.
- Encriptación
GPON utiliza la encriptación definida en ITU estándar. Sin embargo GPON sólo limita la encriptación al canal descendente.
EPON utiliza mecanismos DES para canales ascendentes y descendentes.
- Protección de red
Ambos protocolos disponen de mecanismos de protección de red específicos de cada implementación por parte del fabricante. Estos mecanismos incluyen protección del tramo de red y del tramo de interconexión con el operador de transporte.
| Universidad | Universitat d'Alacant |
| Facult/Asign | Sistemas y Servicios de Telecomunicación; Escuela Politécnica Superior |
| Profesor | Adolfo Albaladejo Blázquez |
| Autores | Santiago Reina Terol (srt4) Hector Anton Serna (has) Fernando Agudo Tarancon (fat3) |
| Tipo de trabajo | |
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| Editable por terceros | Si |
| Categorías propuestas | |
