ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ ΓΙΑ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ XG-PON

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ ΓΙΑ ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ XG-PON ΣΩΤΗΡΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΝΙΚΟΠΟΛΙΤΙΔΗΣ ΠΕΤΡΟΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2014

2 Πρόλογος Το παρόν σύγγραμμα αποτελεί διπλωματική εργασία η οποία εκπονήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος , από τον φοιτητή Σωτηριάδη Γεώργιο, στα πλαίσια των προπτυχιακών σπουδών του Τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα υπολογιστών αποτελούν την κυρίαρχη τεχνολογία παροχής ευρυζωνικότητας και υποστήριξης σε εφαρμογές που απαιτούν η μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων να γίνεται αποδοτικά. Έτσι, σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να σχεδιαστούν καινοτομικά πρωτόκολλα MAC για παθητικά οπτικά δίκτυα 10G-PON (γνωστά και ως XG-PON) και να αναπτυχθούν παραμετροποιήσιμα προγράμματα προσομοίωσης για επαλήθευση της απόδοσής τους. Η διάρθρωση της διπλωματικής έχει ως εξής: Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα δίκτυα G-PON. Κεφάλαιο 2: Αναλυτική περιγραφή του περιβάλλοντος ανάπτυξης και των αρχών σχεδίασης του προσομοιωτή, όπως επίσης και όλων των αρχείων που δημιουργήθηκαν προκειμένου να τρέξουν σωστά οι προσομοιώσεις. Κεφάλαιο 3: Αναλυτική περιγραφή των πειραμάτων που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, όπως επίσης και των αποτελεσμάτων τους. Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Νικοπολιτίδη Πέτρο, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντας μου την παρούσα διπλωματική και παράλληλα για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ εις βάθος με ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον αντικείμενο, όπως αυτό των Παθητικών Οπτικών Δικτύων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον κ. Μελίδη Παναγιώτη, υποψήφιο διδάκτορα του τμήματος Πληροφορικής, για την καθοδήγηση και υποστήριξη που μου παρείχε καθ όλη την διάρκεια διεκπεραίωσης της εργασίας μου

3 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ABSTRACT ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ A-PON E-PON G-PON XG-PON Σύγκριση τεχνολογιών E-PON και G-PON Σύγκριση τεχνολογιών G-PON και XG-PON ΔΙΚΤΥΑ G-PON Γενικά Χαρακτηριστικά των G-PON Στρώμα σύγκλισης μετάδοσης του G-PON Αρχιτεκτονική Πολυπλεξίας Διαίρεσης Χρόνου Τύποι αναγνωριστικών και αντικειμένων Πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) Δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης (DBA) Δομή πλαισίου Δομή κατωφερούς πλαισίου Δομή ανωφερούς πλαισίου ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΑΡΧΕΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΦΟΡΤΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ (LOAD) ΡΥΘΜΑΠΟΔΟΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ (THROUGHPUT) Ρυθμαπόδοση στη ροή καθόδου Ρυθμαπόδοση στη ροή ανόδου Συμπεράσματα ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ (DELAY)

4 3.3.1 Καθυστέρηση στη ροή καθόδου Καθυστέρηση στη ροή ανόδου Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 Περίληψη Την τελευταία δεκαετία η διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη για εύρος ζώνης σε παγκόσμιο επίπεδο έχει οδηγήσει στην εγκατάλειψη του χαλκού και στη σταδιακή ανάπτυξη των Παθητικών Οπτικών Δικτύων, τα οποία αποτελούν μια μορφή Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης. Ένα Παθητικό Οπτικό Δίκτυο (PON) είναι ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο που χρησιμοποιεί σημείου προς πολλαπλά σημεία οπτική ίνα στις εγκαταστάσεις, στις οποίες οπτικοί διαχωριστές, οι οποίοι δεν περιέχουν ενεργά στοιχεία, χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν σε μια μοναδική οπτική ίνα να εξυπηρετήσει πολλαπλές τέτοιες εγκαταστάσεις. Ένα Παθητικό Οπτικό Δίκτυο αποτελείται από τον Οπτικό Τερματιστή Γραμμής (OLT), ο οποίος βρίσκεται στο κεντρικό γραφείο του παρόχου και από έναν αριθμό Οπτικών Μονάδων Δικτύου (ONUs) που βρίσκονται κοντά στους τελικούς χρήστες. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής λοιπόν είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός προσομοιωτή για τα προαναφερθέντα παθητικά οπτικά δίκτυα (και συγκεκριμένα για τα XG-PON), ο οποίος θα υλοποίει όλες τις λειτουργίες που περιγράφονται στην προτυποποίηση του τομέα ITU. Σε συνεργασία με τον επιβλέποντα καθηγητή, επιλέχθηκε ως εργαλείο προσομοίωσης η OMNeT++ (έκδοση 4.2.2), η οποία αποτελεί ένα open-source, αρθρωτό, αντικειμενοστραφές πρόγραμμα προσομοίωσης διακριτών γεγονότων, με πολύ ισχυρό γραφικό περιβάλλον. Έτσι, στην παρούσα διπλωματική, αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στα Οπτικά Παθητικά Δίκτυα, αναλύοντας κυρίως τα δίκτυα G-PON. Στη συνέχεια περιγράφονται οι αρχές σχεδίασης και το περιβάλλον ανάπτυξης της προσομοίωσης, δίνοντας έμφαση στα αρχεία που δημιουργήθηκαν για τη σωστή λειτουργία του προσομοιωτή. Τέλος, περιγράφονται τα πειράματα που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, τα αποτελέσματά τους (τα οποία παρουσιάζονται με τη μορφή διαγραμμάτων) αλλά και κάποια συμπεράσματα στα οποία οδηγούμαστε με βάση αυτά. Λέξεις κλειδιά: Παθητικά Οπτικά Δίκτυα, Πρωτόκολλο XG-PON, Προσομοίωση, Φόρτος Δικτύου, Ρυθμαπόδοση Δικτύου, Καθυστέρηση Πακέτων

6 Abstract During the last decade the increasing need for bandwidth worldwide has led to the abandonment of the copper and the progressive development of Passive Optical Networks, which are a form of Optical Access Networks. A Passive Optical Network (PON) is a telecommunications network that uses point-to-multipoint fiber to the premises, in which unpowered optical splitters are used to enable a single optical fiber to serve multiple premises. A passive optical network consists of an Optical Line Terminal (OLT) at the service provider's central office and a number of Optical Network Units (ONUs) near end users. The purpose of this thesis is to design and develop a simulator for the aforementioned passive optical networks (namely the XG-PON), who will carry out all the functions described in the standardization sector of ITU. In collaboration with the supervisor, OMNeT++ (version 4.2.2) was chosen as my simulation tool, which is an open-source, modular, object-oriented discrete-event simulation program with a very powerful graphical user interface. Thus, in this thesis, first of all, there is an introduction to Passive Optical Networks, mainly analyzing G-PON networks. Then the design principles and the simulation environment are described, emphasizing on the files created in order to run the simulator correctly. Finally, the experiments which ran using the simulator, their results (which are presented with diagrams) and some conclusions based on those leads, are described. Keywords: Passive Optical Networks, XG-PON protocol, Simulation, Network Load, Throughput, Delay

7 1. Παθητικά Οπτικά Δίκτυα Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται μια εισαγωγή στα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα που είναι και το βασικό αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής. 1.1 Εισαγωγή Την τελευταία δεκαετία η ζήτηση για εύρος ζώνης και δικτυακές υπηρεσίες τόσο από τους οικιακούς χρήστες όσο και από τους επιχειρησιακούς πελάτες αυξάνεται διαρκώς. Σ αυτό το διάστημα τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks) έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία πρόσβασης που προσφέρει ευελιξία, δυνατότητες ευρείας κάλυψης και οικονομικώς αποδοτικό διαμοιρασμό των ακριβών οπτικών ζεύξεων συγκριτικά με τις συμβατικές λύσεις σημείου προς σημείο. Αυτά τα πλεονεκτήματα των Παθητικών Οπτικών Δικτύων έχουν πυροδοτήσει τα τελευταία χρόνια μια σημαντική εμπορική δραστηριότητα, η οποία αντικατοπτρίζεται και στις εργασίες κάποιων αρχών προτυποποίησης. Η πρώτη σχετική πρόταση ήρθε το 1995 και δημοσιεύτηκε το 1998 από τον τομέα προτυποποίησης της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union Telecommunication / ITU-T). Η πρόταση αυτή αφορούσε τις πρώτες συστάσεις της σειράς G.983.x, οι οποίες αναφέρονται συχνά ως πρωτόκολλο ΑTM-PON και είχαν συνταχθεί από την ομάδα Full Service Access Network (FSAN). Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιεί το ΑΤΜ ως στρώμα μεταφοράς και επιδεικνύει ορισμένα ισχυρά χαρακτηριστικά, γεγονός που επαληθεύεται από το εύρος των υλοποιήσεων που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα. Ωστόσο, τα πολλά μειονεκτήματα της τεχνολογίας ATM δεν την καθιστούσαν κατάλληλη για την υλοποίηση PONs που μεταφέρουν κυρίως κίνηση IP και αυτό έγινε αμέσως εμφανές. Έτσι, η πρόταση γρήγορα αντικαταστάθηκε από το Broadband PON (B- PON) και στη συνέχεια από το Gigabit PON (G-PON), το οποίο έχει καθιερωθεί ως πρότυπο ITU-T G.984. Από το 2010, έχει ξεκινήσει η προτυποποίηση της επόμενης γενιάς G-PON, του 10G-PON ή XG-PON. Παράλληλα με την ITU-T, το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE) εξέδωσε το 2004 το πρότυπο 802.3ah, σαν κομμάτι του προγράμματος Ethernet στο πρώτο μίλι (Ethernet in the First Mile EFM), το οποίο περιγράφει το Ethernet Παθητικό Οπτικό Δίκτυο (E-PON). Όπως υποδηλώνει και το όνομά του, το δίκτυο αυτό βασίζεται στην ευρέως διαδεδομένη τεχνολογία του Ethernet. Οι διαφορές μεταξύ των προτύπων αφορούν κυρίως τον τρόπο με τον οποίο ενθυλακώνονται τα πακέτα σε αυτά άλλων επιπέδων. Τα πρότυπα προσδιορίζουν την κωδικοποίηση, τους ρυθμούς μετάδοσης, τις μορφές και τα μεγέθη των πακέτων δεδομένων και ελέγχου και τα μηνύματα που μπορούν να ανταλλάσσουν

8 οι ONUs (Optical Network Unit) με το OLT (Optical Line Termination) και αντίστροφα. Αντίθετα, ο τρόπος με τον οποίο ανατίθεται το εύρος ζώνης για μετάδοση, δεν καθορίζεται αυστηρά. Για το λόγο αυτό, το πρόβλημα της δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης (dynamic bandwidth allocation DBA) αποτελεί μια ερευνητική περιοχή με μεγάλο ενδιαφέρον. Σε ένα δίκτυο G-PON, τα πακέτα ενθυλακώνονται με χρήση της μεθόδου GEM (Gigabit Encapsulation Method) και υπάρχει δυνατότητα κατάτμησης των πακέτων δεδομένων, γεγονός που μπορεί να συμβάλει στην ικανοποίηση αυστηρών απαιτήσεων σε ποιότητα υπηρεσίας (Quality of service - QoS) που θέτουν διάφορες εφαρμογές. Ωστόσο, αυτό απαιτεί την επανένωση των κατατετμημένων πακέτων στον προορισμό τους, πράγμα που αυξάνει την πολυπλοκότητα. Στα E-PONs δεν γίνεται κατάτμηση και συνένωση πακέτων, συνεπώς το μέγεθος του πλαισίου μετάδοσης δεν είναι σταθερό. Το γεγονός όμως ότι σε ένα E-PON το μικρότερο μέγεθος πακέτου που υποστηρίζεται είναι 64 bytes (ελάχιστο πλαίσιο Ethernet), προσδίδει μεγάλη επιβάρυνση στα μηνύματα ελέγχου. Το βασικό πλεονέκτημα των E-PONs είναι η συμβατότητα με υπάρχοντα Ethernet εξοπλισμό

9 1.2 Γενικά χαρακτηριστικά Παθητικών Οπτικών Δικτύων Σημείωση σχετικά με τους όρους ONT και ONU: Σε ορισμένες συστάσεις της ITU T πραγματοποιείται διάκριση των εννοιών ONU (optical network units) και ΟΝΤ (optical network terminal), θεωρώντας το τερματικό ONT ως μία ειδική περίπτωση της μονάδας ONU. Ωστόσο, το αντικείμενο τις παρούσας διπλωματικής είναι τα δίκτυα XG-PON και επειδή από τη σκοπιά της λειτουργίας του στρώματος σύγκλισης μετάδοσης αυτού του δικτύου οι δύο οντότητες θεωρούνται ταυτόσημες, ο όρος ONU θα αναφέρεται εφεξής και στις δύο έννοιες. Το οπτικό τμήμα ενός δικτύου πρόσβασης μπορεί να είναι ενεργό ή παθητικό, όπως επίσης και τύπου σημείο προς σημείο (point to point) ή σημείο προς πολλαπλά σημεία (point to multipoint). Τα Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks PONs) είναι οπτικά δίκτυα σημείου προς πολλαπλά σημεία, τα οποία δεν περιέχουν ενεργά στοιχεία, δηλαδή δεν πραγματοποιείται μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό από την πηγή μέχρι το προορισμό. Τα μόνα στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι παθητικοί ζεύκτες (couplers), διαιρέτες (splitters) και συνδυαστές (combiners). Τα PONs είναι μια αξιόπιστη λύση για τα Δίκτυα Πρόσβασης (Access Networks AN) αφού επιτρέπουν τη χρήση υπηρεσιών ευρείας ζώνης με οικονομικούς όρους, ώστε να είναι εφικτή η πρόσβαση από μεμονωμένους χρήστες ή μικρές επιχειρήσεις οι οποίοι δεν έχουν τη οικονομική δυνατότητα χρησιμοποίησης οπτικών ινών αποκλειστικής χρήσης. Κάποια από τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των PONs περιγράφονται στον Πίνακα 1:

10 Πλεονεκτήματα Δεν είναι ενεργός κανένας απομακρυσμένος κόμβος. Πλήρως παθητικό δίκτυο. Επιτρέπει την εύκολη μετάδοση βίντεο και δεδομένων. Υλοποίηση με το λιγότερο δυνατό αριθμό πομποδεκτών. Χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής. Ελάχιστη ίνα. Μειονεκτήματα Το ίδιο εύρος ζώνης πρέπει να μοιραστεί μεταξύ διάφορων χρηστών. Η οπτική ισχύς διαχωρίζεται μεταξύ των θυρών εξόδου (output ports), γεγονός που περιορίζει τη μέγιστη απόσταση. Το ίδιο οπτικό σήμα παραλαμβάνεται από όλες τις μονάδες (ONUs), εγείροντας ανησυχίες για την ασφάλεια δικτύων. Το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται για uploading δεν είναι broadcast (λιγότερο εύρος ζώνης από πλήρες P2P). Απαίτηση για έναν αυστηρό αλγόριθμο για τη σύλληψη upstream κυκλοφορίας (καταμερισμός χρόνου για την upstream σύνδεση). Πιο σύνθετοι πομποδέκτες (οπτική ισχύς, δυνατότητα burst mode). Πίνακας 1: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των PONs Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση της τεχνολογίας PON σε Δίκτυα Πρόσβασης, υποδεικνύουν τη σημασία της σωστής σχεδίασης του δικτύου, δεδομένου ότι αυτή παίζει καθοριστικό ρόλο στην αποδοτικότητά του. Συνοψίζοντας τα παραπάνω, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα πως το γεγονός ότι ο τοπικός βρόγχος συσσωρεύει κίνηση από έναν μικρό αριθμό χρηστών, συγκριτικά με ένα μητροπολιτικό δίκτυο, καθιστά το κόστος εγκατάστασης και χρήσης του δικτύου ως τη σημαντικότερη παράμετρο κατά τη σχεδίασή του

11 1.3 Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων Σε ένα PON η ανταλλαγή δεδομένων πραγματοποιείται μεταξύ του Οπτικού Τερματιστή Γραμμής (Optical Line Termination OLT) και των Οπτικών Μονάδων Δικτύου (Optical Network Units ONU), μέσω του Οπτικού Δικτύου Διανομής (Optical Distribution Network) που τα συνδέει. Η ανταλλαγή δεδομένων σε ένα PON είναι σημείου προς πολλαπλά σημεία για το ρεύμα καθόδου, δηλαδή μετάδοση από το OLT στις ONUs, ενώ για το ρεύμα ανόδου είναι πολλαπλών σημείων προς σημείο. Το OLT αποτελεί το σημείο προσαρμογής μεταξύ του PON και του δικτύου κορμού, που μπορεί να είναι IP, ATM ή SONET και βρίσκεται στο κέντρο μεταγωγής. Σχήμα 1: Ροή καθόδου ενός Παθητικού Οπτικού Δικτύου Οι αρχιτεκτονικές Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης που έχουν επικρατήσει μέχρι σήμερα είναι οι εξής (Σχήμα 2): οπτική ίνα μέχρι το Σπίτι (Fiber Τo Τhe Home, FTTH), οπτική ίνα μέχρι το Κτίριο/Πεζοδρόμιο (Fiber Τo Τhe Building/Curb, FTTB/C), οπτική ίνα μέχρι τον Υπαίθριο Κατανεμητή (Fiber Τo Τhe Cabinet, FTTCab)

12 Σχήμα 2: Αρχιτεκτονικές Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης Κατά το σχεδιασμό ενός δικτύου πρόσβασης που βασίζεται σε PON, πρέπει να αντιμετωπιστούν διάφορες προκλήσεις. Το πρώτο βήμα είναι η επιλογή του πρωτοκόλλου που θα χρησιμοποιηθεί για το στρώμα δεδομένων. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές επιλογές : SONET, ATM και Ethernet. Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους περιγράφονται στον Πίνακα

13 Πρωτόκολλο Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα SONET ATM Ethernet Ανοχή στα λάθη Διαχείριση λαθών Χρησιμοποιείται σε πολλά δίκτυα Είναι δυνατή η παροχή διαφορετικών QoS (Quality of Service) και εγγυημένου εύρους ζώνης στα δεδομένα που υπάρχουν στο OLT και στις ONUs, ώστε να είναι εφικτή η μετάδοση δεδομένων πραγματικού χρόνου. Είναι αποδοτικό στη μεταφορά πακέτων IP Διαδεδομένο και φθηνό υλικό. Υποστηρίζει διάφορους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων (100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s) Πίνακας 2: Σύγκριση πρωτοκόλλων στρώματος δεδομένων Ακριβό υλικό (hardware) Μεγάλο κόστος για τοπικό βρόχο Μη αποδοτικό για κίνηση δεδομένων Επειδή τα δεδομένα τόσο στο OLT όσο και στις ONUs είναι σε πακέτα IP, για τη μεταφορά μέσω PON είναι απαραίτητος ο τεμαχισμός των πακέτων και η επανασυναρμολόγηση τους στο άλλο άκρο. Αυτό δημιουργεί επιπρόσθετο κόστος και πολυπλοκότητα στο δίκτυο. Απαιτεί την ανάπτυξη τεχνικών QoS για τη μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου. Απαιτεί την ανάπτυξη τεχνικών QoS για τη μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου. Ένα δεύτερο ζήτημα είναι ο διαχωρισμός των καναλιών της ροής ανόδου (δηλαδή από τις ONUs προς το OLT), ώστε να μην υπάρχει σύγκρουση στην περίπτωση που δύο ή περισσότερες ONUs θέλουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα. Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι για να γίνει αυτό: η πολυπλεξία μήκους κύματος (WDM), η πολυπλεξία χρόνου (TDM) και η πολυπλεξία κώδικα (CDM). Στον Πίνακα 3 φαίνονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου

14 Τύπος πολυπλεξίας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα WDM TDM CDM Παρέχει υψηλό εύρος ζώνης Είναι εύκολο στην υλοποίηση Επιτρέπει σε κάθε ONU να χρησιμοποιεί ένα κλάσμα της χωρητικότητας του δικτύου. Μόνο ένας μεταδότης είναι απαραίτητος στο OLT ανεξαρτήτως του αριθμού των ONUs. Δεν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των χρηστών. Παρέχει ασφάλεια. Υψηλό κόστος, αφού κάθε ONU πρέπει να έχει ένα διαχωριστή μήκους κύματος. Δυσκολία αναβάθμισης, γιατί το OLT έχει έναν πίνακα αντιστοίχησης για κάθε μήκος κύματος με κάθε ONU. Η προσθήκη μιας επιπλέον ONU θα ήταν δύσκολη. Μεγαλύτερη πολυπλοκότητα από το WDM. Απαιτεί το συγχρονισμό των ONUs. Οι παρεμβολές μεταξύ διαφορετικών καναλιών αυξάνονται όσο αυξάνουν οι χρήστες. Το υλικό πρέπει να έχει τη δυνατότητα να χειριστεί ρυθμούς δεδομένων πολύ υψηλότερους από αυτούς των χρηστών. Πίνακας 3: Σύγκριση τεχνικών πολυπλεξίας

15 1.4 Τεχνολογίες Παθητικών Οπτικών Δικτύων A-PON Ο συνδυασμός της τεχνολογίας των ΡΟΝs με τον ασύγχρονο τρόπο μεταφοράς (ΑΤΜ) αναπτύχθηκε το 1995 από την FSAN, διότι θεωρήθηκε τότε ως η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις που είχαν οι χρήστες όσον αφορά τις υπηρεσίες. Έτσι δημιουργήθηκαν τα A-PON, τα οποία υποστήριζαν διάφορες αρχιτεκτονικές (FTTH, FTTB/C και FTTH/CAB). Η θεώρηση αυτή βασίστηκε στο γεγονός ότι εκείνη την εποχή, οι λογικότερες και πιο συμφέρουσες επιλογές ήταν, για τον τρόπο μεταφοράς δεδομένων το ΑΤΜ και για την τοπολογία των δικτύων πρόσβασης τα ΡΟΝs. Το ΑΤΜ θεωρείτο το καταλληλότερο για να υποστηρίξει πολλαπλά πρωτόκολλα και τα ΡΟΝs η οικονομικότερη ευρυζωνική οπτική λύση. Η πρόταση της FSAN έγινε αποδεκτή ως πρότυπο από την ITU και περιγράφεται στο ITU-T Rec.G.983, όπου δίνονται οι προδιαγραφές για την αρχιτεκτονική, τον εξοπλισμό και τη διαστρωμάτωση του A-PON. Στο Α-ΡΟΝ, με κριτήρια την απλότητα αλλά και το κόστος, επιλέχθηκε η τεχνική TDM για την προς τα κάτω (downstream) ροή και για την πολλαπλή προσπέλαση στο μέσο. Για την προς τα πάνω (upstream) ροή επιλέχτηκε η τεχνική TDMA. Στο Σχήμα 3 φαίνονται τα βασικά στοιχεία του δικτύου: OLT, ONUs και παθητικός οπτικός διαιρέτης. Στο Α-ΡΟΝ μία οπτική ίνα διαιρείται παθητικά μέχρι και 64 φορές, με αποτέλεσμα 64 ΟΝUs να διαμοιράζονται τη χωρητικότητα της. Η παθητική διαίρεση επιτρέπει στους χρήστες να διαμοιράζονται το εύρος ζώνης και κατ επέκταση το κόστος. Αυτό μειώνεται ακόμα περισσότερο με τη μείωση του αριθμού των οπτό-ηλεκτρονικών στοιχείων που απαιτούνται για το OLT, δεδομένου ότι περισσότερες της μίας ΟΝU διαμοιράζονται μια διεπαφή

16 Σχήμα 3: Ρεύματα καθόδου και ανόδου του A-PON Το Α-ΡΟΝ χρησιμοποιεί τοπολογία διπλού αστέρα. Ο πρώτος αστέρας βρίσκεται στο OLT, όπου η διεπαφή του δικτύου ευρείας ζώνης για τις υπηρεσίες, διαιρείται λογικά και οδηγείται στη διεπαφή ΑΤΜ-ΡΟΝ. Ο δεύτερος αστέρας υλοποιείται στο διαιρέτη, όπου η πληροφορία διαιρείται παθητικά και οδηγείται σε κάθε ΟΝU. Το OLT, που τοποθετείται στο κέντρο μεταγωγής, είναι το σημείο διασύνδεσης μεταξύ του Δικτύου Πρόσβασης και των σημείων υπηρεσιών στο δίκτυο κορμού (backbone). Όταν δεδομένα από το δίκτυο φθάνουν στο OLT, οδηγούνται στον παθητικό διαιρέτη χρησιμοποιώντας την τεχνική TDM. Το OLT λειτουργεί ως ΑΤΜ τελικός μεταγωγέας με ΑΤΜ-σύγχρονη οπτική (SONET) διεπαφή από την πλευρά του δικτύου κορμού και ΑΤΜ-ΡΟΝ διεπαφή από την πλευρά του συνδρομητή. Η κάθε ΟΝU φιλτράρει τα κελιά που φθάνουν και ανακτά μόνο εκείνα που προορίζονται για αυτή. Κάθε κελί έχει ένα πεδίο των 28 bits, που καθορίζει τις τιμές οι οποίες αφορούν τη νοητή διαδρομή και το νοητό δίαυλο και αναφέρονται ως VPI/VCI. Κάθε OLT αρχικά στέλνει ένα μήνυμα στην ΟΝU για να την προετοιμάσει ούτως ώστε να δεχτεί κελιά με συγκεκριμένες τιμές VPI/VCI. Τα πεδία VPI/VCI, της επικεφαλίδας του πακέτου ΑΤΜ, χρησιμοποιούνται για την επίτευξη της πολυπλεξίας πακέτων σε μια κοινή ζεύξη. Δεδομένου ότι στο upstream κανάλι χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο TDMA, κάθε ΟΝU πρέπει να είναι συγχρονισμένη χρονικά με όλες τις άλλες. Αυτό πραγματοποιείται με μία διαδικασία που ονομάζεται αποστασιομέτρηση (ranging)

17 των ONUs και βασίζεται στη λογική ότι το OLT πρέπει να καθορίσει πόσο μακριά βρίσκεται η κάθε ΟΝU από αυτό, έτσι ώστε να της παραχωρήσει τη βέλτιστη χρονική σχισμή, μέσα στην οποία θα πρέπει να εκπέμψει για να αποφευχθούν προβλήματα συγκρούσεων μετάδοσης. Στη συνέχεια το OLT στέλνει μήνυμα παραχώρησης μέσω των κελιών διαχείρισης PLOAM του φυσικού επιπέδου για να αναθέσει σε κάθε ΟΝU συγκεκριμένες χρονικές σχισμές. Τέλος, κάθε ΟΝU προσαρμόζει τη διεπαφή υπηρεσιών σε ΑΤΜ και στη συνέχεια για την επικοινωνία με το OLT θα χρησιμοποιήσει τη τεχνική TDMA. Στο Α-ΡΟΝ χρησιμοποιείται μία οπτική ίνα τόσο για το upstream όσο και για το downstream κανάλι, οπότε χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικά μήκη κύματος: 1550 nm για το downstream και 1310 nm για το upstream. Τα κελιά ΑΤΜ μετατρέπονται απευθείας σε οπτικό κύμα και στέλνονται στο δίκτυο PON. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο ηλεκτροοπτικό εξοπλισμό, ειδικό για τη μετάδοση κίνησης σε ταχύτητες Mbit/s. Επιπλέον, δεδομένου ότι υπάρχουν καθοδικά κανάλια κοινοποίησης (broadcast channels) στα ΡΟΝs, χρησιμοποιούνται δίαφορες τεχνικές κρυπτογράφησης για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ασφάλεια. Το Α-ΡΟΝ δεν εξαρτάται από τις διάφορες υπηρεσίες, με αποτέλεσμα να μπορούν να υλοποιηθούν τόσο οι κλασικές όσο και οι μελλοντικές υπηρεσίες. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι μπορεί να μεταφέρει πακέτα Ethernet και να υποστηρίζει T1. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθούμε στον όρο Broadband PON (B-PON) που με την πάροδο του χρόνου εισήχθη και χρησιμοποιείται. Είναι ταυτόσημος με τον όρο Α- ΡΟΝ με τη μοναδική διαφορά ότι περιγράφονται δίκτυα που έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίζουν επιπλέον ευρυζωνικές υπηρεσίες, όπως π.χ. υπηρεσίες video E-PON Με το πέρασμα του χρόνου το Α-ΡΟΝ θεωρήθηκε ως ακατάλληλη λύση για τον τοπικό βρόχο εξαιτίας της αδυναμίας του να υποστηρίξει υπηρεσίες video, το ανεπαρκές του εύρος, την πολυπλοκότητά αλλά και το κόστος του. Η ευρεία διάδοση του Ethernet έδινε την εντύπωση ότι η χρήση του Ethernet-ΡΟΝ (Ε-ΡΟΝ) θα εξάλειφε την ανάγκη για μετατροπή από ΑΤΜ σε ΙΡ πρωτόκολλο στην σύνδεση WAN/LAN. Οι κατασκευαστές Ε-ΡΟΝ εστίαζαν αρχικά στην ανάπτυξη των αρχιτεκτονικών FTTB και FTTC με μακροπρόθεσμο στόχο την ανάπτυξη μίας FTTΗ λύσης, για τη διανομή δεδομένων, video και φωνής πάνω από την ίδια πλατφόρμα. Το Ε-ΡΟΝ παρέχει μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μειωμένο κόστος και ευρύτερες υπηρεσίες από το Α-ΡΟΝ, ενώ η αρχιτεκτονική του είναι παρόμοια και κληρονομεί πολλά χαρακτηριστικά του G.983 που αφορά στα Α-ΡΟΝ. Η κύρια διαφορά μεταξύ Α-ΡΟΝ και Ε-ΡΟΝ είναι ότι τα δεδομένα στο δεύτερο μεταφέρονται σε πακέτα μεταβλητού μήκους (ως και 1518 bytes) σύμφωνα με το πρωτόκολλο της ΙΕΕΕ για το Ethernet. Αντίθετα στο Α-ΡΟΝ μεταφέρονται σε

18 κελιά ΑΤΜ των 53 bytes όπως επιβάλλεται από το πρωτόκολλο ΑΤΜ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι δύσκολη και όχι αποδοτική η μεταφορά σε ένα δίκτυο Α-ΡΟΝ κίνησης που βασίζεται στην ΙΡ, όπου τα δεδομένα χωρίζονται σε πακέτα μεταβλητού μήκους (ως και bytes). Για να μεταφερθεί η ΙΡ κίνηση στο Α-ΡΟΝ τα πακέτα θα πρέπει να κατατμηθούν σε κομμάτια των 48 bytes και στο κάθε ένα από αυτά να προσαρτηθεί μια επικεφαλίδα ΑΤΜ των 5 bytes. Η διαδικασία αυτή είναι χρονοβόρα, πολύπλοκη και προσθέτει επιπλέον κόστος στις ΟΝUs και στο OLT. Επιπλέον, για κάθε τμήμα δεδομένων των 48 bytes έχουμε σπατάλη εύρους 5 bytes. Αντίθετα, το Ethernet είναι φτιαγμένο για να καλύψει κίνηση ΙΡ και μειώνει δραστικά τις επικεφαλίδες σε σχέση με το ΑΤΜ. Στο Ε-ΡΟΝ η ροή καθόδου (downstream) είναι διαφορετική από την αντίστοιχη ροή ανόδου (upstream) (Σχήματα 4 και 5). Σχήμα 4: Ρεύμα Καθόδου του E-PON Σχήμα 5: Ρεύμα Ανόδου του E-PON Συγκεκριμένα, στο Σχήμα 4 τα δεδομένα εκπέμπονται από το OLT προς τις ONUs σε πακέτα μεταβλητού μήκους με μέγιστο όριο τα 1518 bytes. Κάθε πακέτο φέρει μία επικεφαλίδα που καθορίζει την ONU για την οποία προορίζεται. Επιπλέον

19 κάποια πακέτα είναι δυνατό να προορίζονται για όλες τις ONUs (broadcast packets) ενώ άλλα για μία δεδομένη ομάδα από ONUs (multicast packets). Στο συγκεκριμένο σχήμα η κίνηση στο διαιρέτη χωρίζεται σε τρία διαφορετικά σήματα και το κάθε ένα φέρει όλα τα πακέτα. Όταν τα σήματα φτάσουν σε μια ONU, τότε εκείνη δέχεται μόνο τα πακέτα που προορίζονται για αυτή, ενώ απορρίπτει όλα τα υπόλοιπα. Όσον αφορά την προς τα πάνω ροή, η λειτουργία της οποίας συνοψίζεται στο Σχήμα 5, χρησιμοποιείται η τεχνική TDM, κατά την οποία ανατίθενται σε κάθε ONU κάποιες χρονικές σχισμές εκπομπής. Αυτές οι σχισμές είναι συγχρονισμένες έτσι ώστε να μην υπάρξουν συγκρούσεις όταν τα πακέτα από διαφορετικές ONUs συνδυάζονται στην κοινή ίνα G-PON Το 2001 η FSAN ξεκίνησε μία προσπάθεια, ούτως ώστε τα δίκτυα ΡΟΝ, τα οποία λειτουργούσαν σε ταχύτητες μεγαλύτερες του 1 Gbit/s, να αναγνωριστούν ως standard. Εκτός από την ανάγκη να υποστηριχθούν υψηλότερα bit rates, το συνολικό πρωτόκολλο θα έπρεπε να είναι ανοιχτό για επανεξέταση, έτσι ώστε η τελική μορφή που θα λάμβανε να είναι η βέλτιστη και η πιο αποδοτική, όσον αφορά στην υποστήριξη πολλαπλών υπηρεσιών και λειτουργιών διαχείρισης, συντήρησης και πρόβλεψης. Το αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας ήταν η δημιουργία μίας νέας λύσης στην αγορά οπτικών δικτύων πρόσβασης, τα G-PON, που προσφέρουν πολύ υψηλά bit rates, έως και Gbit/s, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζουν τη μεταφορά πολλαπλών υπηρεσιών, ιδιαίτερα δεδομένων και ΤDM, σε απλές διατάξεις και με μεγάλη αποδοτικότητα. Το G-PON διατηρεί, όπου αυτό είναι δυνατό, τα χαρακτηριστικά των τεχνολογιών που χρονικά προηγήθηκαν αυτού και περιγράφονται στα ITU-T G.982 και τη σειρά G.983.x Recommendations, έτσι ώστε να είναι συμβατά με όλες τις τεχνολογίες PON που προηγήθηκαν. Τα G-PON εξαιτίας του μεγάλου εύρους ζώνης που παρέχουν, υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων υπηρεσιών φωνής, TDM, video, Ethernet, 10/100BASE-T, μισθωμένες γραμμές και επεκτάσεις χωρίς καλώδιο. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα να εξυπηρετήσουν αποστάσεις μέχρι και 60 km ανάμεσα στις ONUs και το OLT (όμως η απόσταση αυτή υπολογίζεται χωρίς να ληφθούν υπόψη οι περιορισμοί του φυσικού μέσου και αποτελεί τη λογική απόσταση). Αντίθετα, η μέγιστη φυσική απόσταση που είναι δυνατό να καλυφθεί είναι ίση με 20 km (Σχήμα 6)

20 Σχήμα 6: Αρχιτεκτονική δικτύου G-PON Τα G-PON υποστηρίζουν 7 διαφορετικά bit rates χρησιμοποιώντας για όλα το ίδιο πρωτόκολλο (ITU1 03). Αυτοί οι συνδυασμοί παρουσιάζονται παρακάτω (Πίνακας 4): Downstream Upstream Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Gbit/s Πίνακας 4: Συνδυασμοί bit rate του G-PON Τέλος, το G-PON έχει μεγάλες δυνατότητες όσον αφορά στις λειτουργίες ανάπτυξης, πρόβλεψης και διαχείρισης του δικτύου, ενώ παρέχει και ασφάλεια σε επίπεδο πρωτοκόλλου για την downstream ροή. Συγκεκριμένα, λόγω του multicast χαρακτήρα του, μεριμνά έτσι ώστε να μην είναι εύκολη η αποκωδικοποίηση των downstream δεδομένων από όλους τους χρήστες παρά μόνο από αυτόν για τον

21 οποίο προορίζονται και επιτρέπει προς την κατεύθυνση αυτή οικονομικά αποδοτικές υλοποιήσεις XG-PON Όσο η ζήτηση για διαδικτυακή ταχύτητα συνεχίζει να αυξάνεται, τόσο νέες και ταχύτερες τεχνολογίες εμφανίζονται στο προσκήνιο, βασιζόμενες σε ήδη υπάρχοντα πρότυπα. Το XG-PON (επίσης γνωστό και ως 10G-PON) είναι η επόμενη, εξαιρετικά γρήγορης ταχύτητας, γενιά για τους παρόχους G-PON, σχεδιασμένη να συνυπάρχει με τον ήδη εγκατεστημένο G-PON εξοπλισμό στο ίδιο δίκτυο (Σχήμα 7). Σχήμα 7: Συνύπαρξη G-PON και ΧG-PON στο ίδιο δίκτυο Το XG-PON είναι ένα πρότυπο δικτύωσης του 2010 για συνδέσεις δεδομένων, ικανό να παρέχει κοινή ταχύτητα πρόσβασης στο internet μέχρι και 10 Gbit/s. Αυτό είναι ένα πρότυπο επόμενης γενιάς, το οποίο θεωρείται η συνέχεια του G-PON που αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Τα χαρακτηριστικά των δικτύων XG-PON περιγράφονται αναλυτικά στο πρότυπο G.987 της ITU-T. Η αρχιτεκτονική τους φαίνεται στο Σχήμα 8. Η οπτική ίνα που χρησιμοποιείται στα XG-PON διαμοιράζεται ανάμεσα σε πολλούς συνδρομητές, σε ένα δίκτυο γνωστό ως FTTx, με έναν τρόπο ο οποίος επικεντρώνεται κυρίως στον εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών, με αποτέλεσμα συχνά να εκτοπίζονται οι τηλεφωνικές γραμμές χαλκού που συνδέουν τις διάφορες εγκαταστάσεις για τις ανταλλαγές τηλεφωνημάτων. Η αρχιτεκτονική των Παθητικών Οπτικών Δικτύων έχει πλέον γίνει ένας οικονομικά αποδοτικός τρόπος ούτως ώστε τα δίκτυα πρόσβασης να μπορέσουν να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις απόδοσης με τις όποιες βρίσκονται αντιμέτωπα. Έτσι λοιπόν, η ταχύτητα των 10 Gbit/s που έχει τη δυνατότητα να παρέχει το XG- PON, διαμοιράζεται σε όλους τους χρήστες που είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο Παθητικό Οπτικό Δίκτυο, όπως ακριβώς συμβαίνει με το πρότυπο G-PON αλλά και το B-PON. Επίσης, ενσωματώνονται διάφορες τεχνικές πολυπλεξίας οι οποίες εμποδίζουν τα πλαίσια δεδομένων από το να συγκρούονται μεταξύ τους. Τέλος, οι

22 χρήστες έχουν μια συσκευή δικτύου που μετατρέπει τα οπτικά σήματα σε σήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στην καλωδίωση του κτιρίου, όπως γίνεται και στην περίπτωση του Ethernet ή στην παλιά, απλή, ενσύρματη και αναλογική τηλεφωνική υπηρεσία. Το πρότυπο XG-PON περιλαμβάνει μια ασύμμετρη και μια συμμετρική παραλλαγή. Στην ασύμμετρη περίπτωση το πρότυπο προσφέρει ταχύτητα 10 Gbit/s για την ροή καθόδου και 2,5 Gbit/s για την ροή ανόδου. Στην συμμετρική περίπτωση (γνωστή και με την ονομασία XG-PON2) προσφέρεται μεγαλύτερη ταχύτητα: 10 Gbit/s και για την ροή καθόδου αλλά και για την ροή ανόδου. Όμως, ένα πιθανό μειονέκτημα της συμμετρικής παραλλαγής είναι η ανάγκη ακριβότερων λέιζερ για τις ONUs, ούτως ώστε να επιτευχθούν οι υψηλότερες ταχύτητες για τους καταναλωτές και τις επιχειρήσεις. Σχήμα 8: Αρχιτεκτονική δικτύου XG-PON

23 1.4.5 Σύγκριση τεχνολογιών E-PON και G-PON Στην παράγραφο αυτή, γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο σημαντικότερων τεχνολογιών Παθητικών Οπτικών Δικτύων: του E-PON και του G-PON. Οι κυριότερες διαφορές τους δίνονται στον παρακάτω Πίνακα 5: E-PON Εισηγητής EFM FSAN G-PON ODN classes (οπτικό δίκτυο διανομής) Α, Β A, B, C: Η χρήση της ODN class C οδηγεί σε σημαντική μείωση του κόστους για την τοπολογία, μέσω διπλασιασμού των endusers σε κάθε δένδρο ΡΟΝ Ταχύτητα 1.25 Gbit/s (upstream & downstream) 1.25 ή 2.5 Gbit/s (downstream), 155 ή 622 Mbit/s ή 1.25 ή 2.5 Gbit/s (upstream) Αναβάθμιση Μία επιλογή (10 Gbit/s) Πολλές επιλογές Ταχύτητα Upstream ροής Απόδοση Κόστος 1.25 Gbit/s πάντα (περιττό κόστος διότι δεν είναι αναγκαία πάντα τέτοια ταχύτητα για την upstream ροή) Μικρή (μεγάλες ΙΡ επικεφαλίδες, άρα φόρτωμα του δικτύου) Η TDM τεχνική και η μεταφορά φωνής στα E- PON, υπαγορεύουν επιπλέον ανάγκες για Hardware/Software για τα VoIP schemes (άρα και επιπλέον κόστος) Καθορίζεται ανάλογα με τις πραγματικές ανάγκες Μεγάλη Τα G-PON υποστηρίζουν μεταφορά υπηρεσιών TDM (σε χαμηλούς E1/T1 αλλά και υψηλούς ρυθμούς STM1/OC3) στην πρωταρχική τους τυποποίηση και γι αυτό τα standard για Jitter και καθυστερήσεις ικανοποιούνται χωρίς αύξηση του κόστους Πίνακας 5: Σύγκριση E-PON και G-PON

24 1.4.6 Σύγκριση τεχνολογιών G-PON και XG-PON Στην παράγραφο αυτή, γίνεται σύγκριση μεταξύ δύο ιδιαίτερα σημαντικών τεχνολογιών Παθητικών Οπτικών Δικτύων : του G-PON και του XG-PON (Σχήμα 9). Σχήμα 9: Σύγκριση G-PON και XG-PON Επειδή το πρότυπο XG-PON αποτελεί ουσιαστικά την επόμενη και πιο εξελιγμένη γενιά των δικτύων G-PON, έχει σχεδιαστεί έτσι, ούτως ώστε να κληρονομεί κάποια χαρακτηριστικά από τον πρόγονό του. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι: οι αρχές που διέπουν το στρώμα σύγκλισης μετάδοσης, η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης, η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) και η διαχείριση της κυκλοφορίας, η απομακρυσμένη λειτουργία της ONU μέσω OMCI (ONU Management Control Interface). Όμως, όπως είναι φυσικό, υπάρχουν και κάποια ενσωματωμένα χαρακτηριστικά στα δίκτυα XG-PON τα οποία έχουν βελτιωθεί σε σχέση με αυτά των G-PON και παρουσιάζονται παρακάτω: ενισχυμένοι μηχανισμοί ασφαλείας, εξελιγμένες τεχνικές για εξοικονόμηση ενέργειας, επιλογές συγχρονισμού που επιτρέπουν τη χρήση κινητών εφαρμογών για τη μεταφορά δεδομένων από και προς το δίκτυο κορμού, ενισχυμένη παρακολούθηση του splitter, των οπτικών ινών και των επιδόσεων του δικτύου

25 Τέλος, μερικές ακόμα διαφορές ανάμεσα στα δύο πρότυπα συνοψίζονται στον παρακάτω Πίνακα 6: Ταχύτητα γραμμής G-PON 2.5 Gbit/s downstream 1.25 Gbit/s upstream XG-PON 10 Gbit/s downstream 2.5 Gbit/s upstream Μήκη κύματος nm downstream nm upstream nm downstream nm upstream Αναλογία διαμοιρασμού εύρους ζώνης 32/64 64 Μέγιστη απόσταση Μέγιστη διαφορά απόστασης 20 km (λογική απόσταση 60 km) 20 km 20 km (λογική απόσταση 60 km) 40 km Προϋπολογισμός ισχύος Κλάση Β: db Κλάση Β+: db Κλάση C: db Κλάση C+: db N1 (14-29 db) N2 (16-31 db) Μπορεί να επεκταθεί σε 33/35 db Πίνακας 6: Σύγκριση G-PON και XG-PON

26 1.5 Δίκτυα G-PON Σ αυτή την παράγραφο, γίνεται μια εκτενέστερη περιγραφή του προτύπου G- PON και των χαρακτηριστικών του Γενικά Το G-PON είναι ένα παθητικό οπτικό δίκτυο το οποίο επιτρέπει τη μεταφορά δεδομένων με ρυθμό Gbit/s. Η τοπολογία που χρησιμοποιεί είναι αυτή του παθητικού δένδρου, αφού κρίθηκε ως η πιο συμφέρουσα οικονομικά. Για να είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων με ρυθμό Gbit/s, σχεδιάστηκε εκ νέου το υπόστρωμα σύγκλισης μετάδοσης (Transmission Convergence) και προδιαγράφηκαν οι απαιτήσεις για το υπόστρωμα φυσικού μέσου. Το δίκτυο G-PON βασίζεται στη μεταφορά πακέτων, αλλά με έναν πιο γενικό τρόπο σε σύγκριση με τους άλλους τύπους δικτύων (E-PON, A-PON). Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως E-PON, όμως υπάρχει η δυνατότητα να μεταδοθούν και γνήσια πακέτα IP ή ATM, με την προσθήκη μιας επικεφαλίδας MPLS (Multi-Protocol Label Switching Μεταγωγή Ετικέτας Πολλαπλών Πρωτοκόλλων). Κάτι τέτοιο, είναι εφικτό, γιατί το πλαίσιο (frame) του στρώματος μετάδοσης σχεδιάστηκε εκ νέου, χωρίς να βασιστεί σε κάποια ήδη υπάρχουσα δομή που αφορούσε σε προγενέστερο δίκτυο (E-PON, A-PON). Αυτή η καινούργια σχεδίαση είχε ως βασικό κριτήριο την αποδοτική και οικονομική υποστήριξη μεταβλητού μήκους πακέτων, κάνοντας χρήση διαδοχικών σχισμών σταθερού μήκους. Η διαχείριση των πακέτων γίνεται από ένα πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC Medium Access Protocol), που λειτουργεί με γνώμονα την Ποιότητα Υπηρεσιών (QoS Quality of Service). Έτσι το G-PON είναι ένα πλήρες δίκτυο πρόσβασης, σε αντίθεση με το E-PON, που δεν λαμβάνει υπόψη του το QoS. Η καινούργια αυτή σχεδίαση του πλαισίου, επιτρέπει την αποδοτικότερη εκμετάλλευση του εύρους ζώνης από παθητικά δίκτυα υψηλής ταχύτητας, για την παροχή υπηρεσιών πακέτου. Κατά τον καινούριο αυτό σχεδιασμό, λήφθηκαν υπόψη διάφοροι περιορισμοί όπως το επίπεδο ισχύος, η λήψη δεδομένων σε εκρηκτική μετάδοση (burst mode), ο συγχρονισμός των ρολογιών, καθώς επίσης και ζητήματα όπως η μειωμένη πολυπλοκότητα του συστήματος και ο περιορισμός του κόστους. Στη ροή ανόδου (upstream από τις ONUs προς το OLT) χρησιμοποιείται μη γραμμική κωδικοποίηση σε συνδυασμό με διόρθωση λαθών. Θα πρέπει να τονιστεί ότι ο συνδυασμός αυτών των μεθόδων χρησιμοποιείται για πρώτη φορά σε δίκτυο PON με λειτουργία burst mode στη ροή ανόδου. Αυτό γίνεται έτσι ώστε να υπάρχει μεγαλύτερο απόθεμα ισχύος, που είναι απαραίτητο για να αυξηθεί η μέγιστη απόσταση και ο λόγος της διαίρεσης του σήματος της οπτικής ίνας στον οπτικό

27 διαιρέτη, με τελικό και σημαντικό αποτέλεσμα να εξυπηρετούνται από το δίκτυο περισσότεροι χρήστες. Τέλος, ορισμένες από τις υπηρεσίες που υποστηρίζονται από τα δίκτυα G PON είναι: υπηρεσίες δεδομένων (Ethernet: IP, VoIP, ροές video με κωδικοποίηση MPEG 2/4), υπηρεσίες PSTN (POTS, ISDN BRI/PRI), υπηρεσίες μισθωμένης γραμμής (T1, E1, DS3, E3), υπηρεσίες video (ψηφιακό video). Σχήμα 10: Ροή καθόδου του G-PON Σχήμα 11: Ροή ανόδου του G-PON

28 1.5.2 Χαρακτηριστικά των G-PON Με βάση την προτυποποίηση του τομέα ITU T, για τα δίκτυα G PON ισχύουν τα ακόλουθα: Ρυθμός μετάδοσης: τα δίκτυα G PON στοχεύουν σε ρυθμούς μετάδοσης μεγαλύτερους ή ίσους με Gbit/s. Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός ρυθμών μετάδοσης, ο οποίος συνιστά την πλειοψηφία των εγκατεστημένων και προγραμματισμένων προς εγκατάσταση συστημάτων G PON είναι ο Gbit/s στην άνοδο και Gbit/s στην κάθοδο. Λογική Εμβέλεια: η λογική εμβέλεια ορίζεται ως η μέγιστη απόσταση μεταξύ των ONUs και του OLT, μη συμπεριλαμβανομένων των περιορισμών του φυσικού στρώματος. Για τα δίκτυα G PON, η μέγιστη λογική εμβέλεια ορίζεται στα 60 km. Φυσική Εμβέλεια: η φυσική εμβέλεια ορίζεται ως η μέγιστη φυσική απόσταση μεταξύ των ONUs και του OLT. Για Οπτικά Δίκτυα Διανομής κλάσης C, η φυσική εμβέλεια είναι ορισμένη για τα δίκτυα G PON στα 20 km. Διαφορική απόσταση οπτικών ινών: για τα δίκτυα G PON η μέγιστη διαφορική απόσταση οπτικών ινών ορίζεται στα 20 km. Μέγιστη μέση καθυστέρηση μεταφοράς σήματος: τα δίκτυα G PON οφείλουν να υποστηρίζουν υπηρεσίες που απαιτούν μέγιστη μέση καθυστέρηση μεταφοράς σήματος 1.5 ms. Λόγος διαχωρισμού: όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος διαχωρισμού που υποστηρίζεται από το δίκτυο G PON, τόσο πιο ελκυστικό αποδεικνύεται για τον πάροχο. Ωστόσο ένας υψηλός λόγος διαχωρισμού μεταφράζεται σε υψηλότερο οπτικό διαχωρισμό, για τον οποίο απαιτείται αυξημένος προϋπολογισμός ισχύος για την κάλυψη της φυσικής εμβέλειας. Λόγοι διαχωρισμού μέχρι 1:64 αποδεικνύονται ρεαλιστικοί για το φυσικό στρώμα (βασισμένο σε Οπτικά Δίκτυα Διανομής κλάσης C), με βάση την υπάρχουσα τεχνολογία. Ωστόσο με τη διαρκή εξέλιξη των οπτικών μονάδων, το στρώμα σύγκλισης μετάδοσης οφείλει να υποστηρίζει λόγο διαχωρισμού μέχρι 1:

29 Μήκος Κύματος λειτουργίας: στην κατεύθυνση της ροής καθόδου, το εύρος μήκους κύματος λειτουργίας για συστήματα μονής οπτικής ίνας είναι nm. Στην κατεύθυνση της ροής ανόδου το αντίστοιχο εύρος είναι nm. Κωδικοποίηση γραμμής: κωδικοποίηση NRZ, στην άνοδο και τη κάθοδο Στρώμα σύγκλισης μετάδοσης του G-PON Στην παρούσα ενότητα αναλύονται οι προδιαγραφές και οι συστάσεις που αναφέρονται στο στρώμα σύγκλισης μετάδοσης του δικτύου G PON (G PON Transmission Convergence layer, GTC layer), ανάμεσα στη διεπαφή κόμβου υπηρεσίας (SNI) και τη διεπαφή χρήστη δικτύου (UNI). Αναφέρονται μεταξύ άλλων οι προδιαγραφές σχετικά με τη μορφή των πλαισίων (frame format) και η μέθοδος που καθορίζει τον έλεγχο της πρόσβασης των μονάδων ONU στο μέσο (MAC). Η σύσταση του τομέα ITU T G.984.3, η οποία καθορίζει το στρώμα σύγκλισης μετάδοσης του δικτύου G PON, αναγνωρίζει ως μοναδικό σχήμα μεταφοράς δεδομένων τη μέθοδο ενθυλάκωσης GEM (G PON Encapsulation Method). H μέθοδος GEM παρέχει ένα μηχανισμό πλαισίωσης μεταβλητού μήκους προσανατολισμένο στη λειτουργία με σύνδεση, για τη μεταφορά των δεδομένων των χρηστών στο δίκτυο G PON. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός λειτουργεί ανεξάρτητα από τον τύπο της διεπαφής SNI του OLT και τους τύπους των διεπαφών UNI στις ONUs. Αν και στην αρχική της μορφή η σύσταση ITU T G προέβλεπε δύο τρόπους λειτουργίας για υποστήριξη τόσο μεταφοράς πλαισίου (GEM) όσο και μεταφοράς κελιού (ATM), πλέον η υποστήριξη μεταφοράς ATM από το στρώμα GTC έχουν εγκαταλειφθεί. Ο τρόπος μεταφοράς ATM δεν απαιτείται πλέον από καμία υπηρεσία που παρουσιάζει ενδιαφέρον, ενώ λίγα είναι τα συστήματα που τον υποστήριξαν στη πάροδο του χρόνου Αρχιτεκτονική Πολυπλεξίας Διαίρεσης Χρόνου Στην κατεύθυνση της ροής καθόδου (downstream direction), η λειτουργία πολυπλεξίας κίνησης είναι συγκεντρωτική και πραγματοποιείται από το OLT. Τα πλαίσια GEM πολυπλέκονται στο μέσο μετάδοσης χρησιμοποιώντας το αναγνωριστικό θύρας GEM (GEM Port ID) ως μοναδικό κλειδί για να αναγνωρισθούν τα πλαίσια που ανήκουν σε ξεχωριστές λογικές συνδέσεις της ροής καθόδου. Κάθε ONU φιλτράρει τα πλαίσια GEM της ροής καθόδου ανάλογα με το αναγνωριστικό GEM Port ID και επεξεργάζεται μόνο εκείνα που ανήκουν στην ίδια

30 Σχήμα 12: Διαδικασία πολυπλεξίας στη ροή καθόδου Στην κατεύθυνση της ροής ανόδου (upstream), η λειτουργία πολυπλεξίας κίνησης είναι κατανεμημένη και πραγματοποιείται ξεχωριστά από κάθε ONU. Το OLT παραχωρεί τη δυνατότητα για μετάδοση στη ροή ανόδου, ή ισοδύναμα «κατανομές εύρους ζώνης ροής ανόδου» (upstream bandwidth allocations), σε κάθε οντότητα που φέρει κίνηση εντός των ONUs που διαχειρίζεται. Οι οντότητες που παράγουν κίνηση σε κάθε ONU αναγνωρίζονται μοναδικά από τα «αναγνωριστικά κατανομών» (Alloc IDs) που τους έχουν ανατεθεί. Οι κατανομές εύρους ζώνης ροής ανόδου των διαφόρων αναγνωριστικών Alloc ID πολυπλέκονται στο χρόνο, με βάση τη «χαρτογράφηση εύρους ζώνης» (ΒWmap) που μεταδίδει το OLT στη ροή καθόδου. Σε κάθε κατανομή εύρους ζώνης, η ONU χρησιμοποιεί το αναγνωριστικό GEM Port ID ως κλειδί πολυπλεξίας για να αναγνωρίσει τα πλαίσια GEM που ανήκουν σε ξεχωριστές λογικές συνδέσεις ροής ανόδου

31 Σχήμα 13: Διαδικασία πολυπλεξίας στη ροή ανόδου Τύποι αναγνωριστικών και αντικειμένων Αναγνωριστικό μονάδας ONU (ONU ID): πρόκειται για ένα αναγνωριστικό μήκους 8 bits, το οποίο ανατίθεται από το OLT σε κάθε ONU κατά τη διαδικασία της ενεργοποίησής της και είναι μοναδικό εντός του δικτύου PON. Παραμένει έγκυρο μέχρι την απενεργοποίηση της ONU από το OLT ή τη μετάβασή της σε ανενεργή κατάσταση. Το εύρος τιμών που είναι διαθέσιμο προς ανάθεση στις μονάδες ONU είναι [0..253]. Η τιμή 254 είναι κρατημένη, ενώ η τιμή 255 αντιστοιχεί στην πολλαπλή εκπομπή προς όλες τις μονάδες ONU (ροή καθόδου) ή δεν χρησιμοποιείται καθόλου (ροή ανόδου). Αναγνωριστικό Κατανομής (Alloc ID): το συγκεκριμένο αναγνωριστικό, μήκους 12 bits, ανατίθεται από το OLT σε μία ONU, για να αναγνωριστεί μία οντότητα εντός της μονάδας ONU, η οποία φέρει κίνηση και είναι αποδέκτης κατανομών εύρους ζώνης ροής ανόδου. Μία τέτοια οντότητα αντιπροσωπεύεται από μία κλάση υπηρεσίας T Cont. Σε κάθε ONU ανατίθεται τουλάχιστον το προκαθορισμένο αναγνωριστικό Alloc ID κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης, το οποίο είναι αριθμητικά ίσο με το αναγνωριστικό ONU ID. Ενδεχομένως να ανατεθούν περισσότερα αναγνωριστικά Alloc ID, εάν κριθεί απαραίτητο από το OLT. Όλες οι αναθέσεις αναγνωριστικών Alloc ID, συμπεριλαμβανομένου και του προκαθορισμένου, μηδενίζονται όταν απενεργοποιηθεί η ONU

32 Κλάση υπηρεσίας T Cont (Transmission container): είναι ένα αντικείμενο της μονάδας ONU το οποίο αντιπροσωπεύει μια ομάδα λογικών συνδέσεων, οι οποίες εμφανίζονται ως μια μοναδική οντότητα στη λειτουργία ανάθεσης εύρους ζώνης ροής ανόδου. Για κάθε ONU υπάρχει καθορισμένος αριθμός ξεχωριστών κλάσεων T Cont που υποστηρίζονται. Το OLT αναλαμβάνει να ανακαλύψει τον αριθμό των T Cont που υποστηρίζουν οι ONUs και να δημιουργήσει μοναδικές αντιστοιχίες μεταξύ αυτών και των αναγνωριστικών Alloc ID. Αναγνωριστικό θύρας GEM (GEM Port ID): είναι ένας αριθμός μήκους 12 bits, o οποίος ανατίθεται από το τερματικό OLT σε κάθε ξεχωριστή λογική σύνδεση δεδομένων με προορισμό τις ONUs Πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) Το σύστημα σύγκλισης μετάδοσης του δικτύου G PON παρέχει έλεγχο πρόσβασης στο μέσο μετάδοσης (Medium Access Control) για την κίνηση της ροής ανόδου. Δηλαδή, τα πλαίσια στη ροή καθόδου υποδεικνύουν τις επιτρεπτές θέσεις για την κίνηση στα πλαίσια GTC ανόδου, τα οποία μεταδίδονται σε συγχρονισμό με τα πλαίσια GTC καθόδου. Πιο αναλυτικά, το OLT ορίζει δείκτες στο πεδίο χαρτογράφησης εύρους ζώνης ροής ανόδου (upstream BWmap) της επικεφαλίδας του πλαισίου GTC καθόδου. Οι δείκτες υποδεικνύουν τη χρονική στιγμή στην οποία κάθε ONU οφείλει να αρχίσει και να σταματήσει τη μετάδοση στην άνοδο. Με αυτόν τον τρόπο μόνο μία ONU είναι δυνατό να αποκτήσει πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Έτσι, εάν το δίκτυο λειτουργεί σωστά, δεν εμφανίζονται διαμάχες για τη πρόσβαση στο μέσο όπως επίσης και συγκρούσεις κατά τη μετάδοση των πακέτων

33 Σχήμα 14: Δομή του BW map στην επικεφαλίδα του κατωφερούς πλαισίου Δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης (DBA) Η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης στα δίκτυα G PON είναι η διαδικασία μέσω της οποίας το OLT ανακατανέμει το εύρος ζώνης (bandwidth) της ροής ανόδου, στις οντότητες που φέρουν κίνηση εντός των ONUs που διαχειρίζεται. Η ανακατανομή πραγματοποιείται με βάση τη δυναμική υπόδειξη της κατάστασης λειτουργίας τους και τα καθορισμένα συμβόλαια κίνησης. Η υπόδειξη της κατάστασης λειτουργίας μπορεί να είναι είτε ρητή, μέσω αναφορών της κατάστασης των ενταμιευτών, είτε υπονοούμενη μέσω της μετάδοσης κενών πλαισίων GEM στη θέση των χορηγημένων δυνατοτήτων μετάδοσης στη ροή ανόδου. Σε σύγκριση με τη στατική εκχώρηση εύρους ζώνης, ο μηχανισμός DBA βελτιώνει τη χρήση του εύρους ζώνης ροής ανόδου στα δίκτυα G PON, με το να προσαρμόζει τη λειτουργία του στην εκρηκτική φύση της κίνησης των μονάδων ONU. Τα πρακτικό όφελος του μηχανισμού DBA είναι διπλό: οι διαχειριστές του δικτύου έχουν τη δυνατότητα να προσθέσουν περισσότερους συνδρομητές στο δίκτυο PON λόγω της αποδοτικότερης χρήσης του εύρους ζώνης και επιπλέον οι συνδρομητές μπορούν να απολαμβάνουν πιο απαιτητικές υπηρεσίες μεταβλητού ρυθμού, οι οποίες δε θα ήταν δυνατές με τη στατική μέθοδο ανάθεσης. Στα δίκτυα G PON, η οντότητα που γίνεται παραλήπτης μιας κατανομής εύρους ζώνης ροής ανόδου, εκπροσωπείται από ένα αναγνωριστικό Alloc ID. Ανεξάρτητα από το πλήθος των αναγνωριστικών Alloc ID που έχουν ανατεθεί σε κάθε ONU, τον αριθμό των θυρών GEM που έχουν πολυπλεχθεί σε κάθε αναγνωριστικό Alloc ID και τη φυσική και λογική δομή αναμονής που υλοποιείται από την ONU, το OLT μοντελοποιεί το σύνολο της κίνησης που σχετίζεται με κάθε αναγνωριστικό Alloc ID

34 σαν ένα ξεχωριστό λογικό ενταμιευτή. Για τη λειτουργία της ανάθεσης εύρους ζώνης, το OLT θεωρεί όλα τα αναγνωριστικά Alloc IDs που έχουν προσδιορισθεί για το δίκτυο PON ως ανεξάρτητες ισάξιες οντότητες στο ίδιο επίπεδο λογικής ιεραρχίας. Για τους λογικούς ενταμιευτές κάθε αναγνωριστικού Alloc ID, η μονάδα λειτουργίας δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης του OLT εξάγει συμπέρασμα για τον όγκο των δεδομένων είτε μέσω της συλλογής των εισερχόμενων αναφορών κατάστασης είτε παρατηρώντας την άεργη μορφή της ροής ανόδου. Στη συνέχεια, παρέχει τα δεδομένα στη μονάδα σχεδιασμού ροής ανόδου του OLT, η οποία είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία της χαρτογράφησης BWmap. Η χαρτογράφηση BWmap αποστέλλεται τελικά στις ONUs, ενσωματωμένη στην κίνηση της ροής καθόδου. Σχήμα 15: Διαδικασία DBA Η δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης στα δίκτυα G PON περικλείει τις ακόλουθες λειτουργίες, οι οποίες εφαρμόζονται σε επίπεδο ξεχωριστού αναγνωριστικού Alloc ID το οποίο έχει συσχετισθεί με κλάσεις υπηρεσιών T Cont και παραμέτρους παρεχόμενων συνιστωσών εύρους ζώνης: εξαγωγή συμπεράσματος για τον όγκο των δεδομένων προς μετάδοση στο λογικό ενταμιευτή,

35 ενημέρωση του στιγμιαίου εκχωρούμενου εύρους ζώνης που προκύπτει από το συναχθέν συμπέρασμα, στα πλαίσια των παραμέτρων παρεχόμενων συνιστωσών εύρους ζώνης, έκδοση των κατανομών σύμφωνα με το ενημερωμένο στιγμιαίο εύρος ζώνης, διαχείριση των λειτουργιών δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης. Το OLT σε ένα δίκτυο G PON οφείλει υποχρεωτικά να υποστηρίζει δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης. Ανάλογα με το μηχανισμό πληροφόρησης του όγκου δεδομένων των ενταμιευτών της ONU, διακρίνονται δύο μέθοδοι δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης : δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης με αναφορά κατάστασης, μέθοδος η οποία βασίζεται στη ρητή αναφορά της κατάστασης των ενταμιευτών που ζητείται από το τερματικό OLT και αποστέλλεται από τις μονάδες ONU, δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης με παρακολούθηση κίνησης, μέθοδος η οποία βασίζεται στην παρατήρηση από το τερματικό OLT των άεργων πλαισίων GEM και τη σύγκρισή τους με την αντίστοιχη χαρτογράφηση εύρους ζώνης Δομή πλαισίου Στο Σχήμα 16 φαίνεται η δομή πλαισίου σύγκλισης μετάδοσης του G-PON. Υπάρχουν αρκετές διαφορές ανάμεσα στο κατωφερές και στο ανωφερές πλαίσιο: Σχήμα 16: Δομή κατωφερούς και ανωφερούς πλαισίου

36 Το πλαίσιο σύγκλισης μετάδοσης του G PON στη ροή καθόδου αποτελείται από το τμήμα ελέγχου φυσικού στρώματος καθόδου (Physical Control Block downstream, PCBd) και το τμήμα φόρτου δεδομένων (GTC payload). Επιπλέον παρέχει το κοινό σημείο χρονικής αναφοράς για ολόκληρο το δίκτυο PON και τη κοινή σηματοδότηση ελέγχου για τη ροή ανόδου. Το πλαίσιο σύγκλισης μετάδοσης του G PON στη ροή ανόδου περιέχει πολλαπλές εκρήξεις μετάδοσης. Κάθε έκρηξη ροής ανόδου αποτελείται από την επιβάρυνση λόγω επικεφαλίδας φυσικού στρώματος ροής ανόδου (Physical Layer Overhead upstream, PLOu) και από ένα ή περισσότερα διαστήματα κατανομής εύρους ζώνης συσχετισμένα με ένα συγκεκριμένο αναγνωριστικό Alloc ID Δομή κατωφερούς πλαισίου Το κατωφερές πλαίσιο έχει διάρκεια 125μs και μήκος bytes εάν ο ρυθμός μετάδοσης είναι Gbit/s ή bytes εάν αυτός είναι Gbit/s. Το μήκος του τμήματος PCBd είναι ίδιο και για τις δύο ταχύτητες και εξαρτάται από το πλήθος των δομών κατανομής ανά πλαίσιο (Σχήμα 17). Σχήμα 17: Δομή κατωφερούς πλαισίου PCBd: εκπέμπεται από το OLT προς όλες τις ONUs και στη συνέχεια κάθε μία από αυτές αξιοποιεί τις πληροφορίες που προορίζονται για εκείνη, χωρίζεται σε πεδία τα οποία μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις επιμέρους κατηγορίες: πεδία με πληροφορίες που αφορούν στο ίδιο το απεσταλμένο πλαίσιο (PSync, Ident, BIP), πεδία με πληροφορίες που αφορούν στο payload του πλαισίου (PLOAMd, Plend),

37 πεδίο με πληροφορίες που αφορούν στον καθορισμό της πρόσβασης στο μέσο από τις διαφορετικές ONUs (US BW Map). Η δομή του PCBd φαίνεται στο Σχήμα 18: Σχήμα 18: Δομή του PCBd Πεδίο Psync: πρόκειται για ένα καθορισμένο πεδίο μήκους 32 bits με το οποίο ξεκινάει κάθε τμήμα PCBd. Η μονάδα ONU μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτό το πεδίο για να ανιχνεύσει την έναρξη του πλαισίου. Η κωδικοποίηση του είναι 0xB6AB31E0. Πεδίο Ident: το πεδίο αυτό έχει σταθερό μήκος (4 bytes) και χρησιμοποιείται για την υποστήριξη μεγαλύτερων δομών πλαισίου (super-frames). Για να έχει τη δυνατότητα η κάθε ONU να αναγνωρίζει αν δύο πλαίσια ανήκουν στο ίδιο super-frame, τα 30 λιγότερο σημαντικά bits του πεδίου αυτού υλοποιούν έναν αύξοντα μετρητή, όπου για κάθε επόμενο πλαίσιο που ανήκει στο ίδιο superframe έχει τιμή μεγαλύτερη κατά 1. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται και πάλι μηχανή καταστάσεων στην ONU για συγχρονισμό. Το σημαντικότερο bit του πεδίου αυτού χρησιμοποιείται για να δείξει εάν χρησιμοποιείται κωδικοποίηση FEC στη ροή προς τα κάτω. Πεδίο PLOAMd: το συγκεκριμένο πεδίο μήκους 13 bytes περιέχει το μήνυμα PLOAM, μέσω του οποίου πραγματοποιούνται λειτουργίες διαχείρισης του στρώματος σύγκλισης μετάδοσης, όπως είναι η ενεργοποίηση μίας ONU, η διαμόρφωση της χρησιμοποιούμενης κρυπτογράφησης, η διαχείριση κλειδιών και η σηματοδότηση συναγερμών του συστήματος. Η δομή του δίνεται στο Σχήμα

38 Σχήμα 19: Δομή του PLOAMd Πεδίο BIP: Το πεδίο αυτό έχει μήκος 8 bits και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ισοτιμίας όλων των bytes από το αμέσως προηγούμενο πεδίο ΒΙΡ μέχρι το υπό εξέταση, έτσι ώστε να μετρηθεί ο αριθμός των λαθών στη ροή. Πεδίο Plend: Το πεδίο αυτό, που ονομάζεται Payload Length, στέλνεται δύο φορές σε κάθε πλαίσιο για την αποφυγή λαθών. Καθορίζει το μέγεθος του χάρτη εύρους ζώνης (BW Map) και του ΑΤΜ μέρους που στέλνεται στο πεδίο US BW Map. Συγκεκριμένα το πεδίο αυτό, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 20, χωρίζεται στα παρακάτω υποπεδία: Βlen: αποτελείται από τα 12 σημαντικότερα bits και δείχνει το μέγεθος του BW Map. Η ύπαρξη των 12 bits έχει ως συνέπεια να μπορούν να εξυπηρετηθούν μέχρι 4095 T-Cont, καθένα από τα οποία αναγνωρίζεται από τον αντίστοιχο αριθμό Alloc-ID. Alen: αποτελείται από τα 12 επόμενα bits και δείχνει το μέγεθος του ΑΤΜ. CRC: αποτελείται από τα 8 τελευταία bits, τα οποία υλοποιούν κυκλικό κώδικα μείωσης λαθών με βάση το πολυώνυμο g(x) = x 8 +x 2 +x+1. Σχήμα 20: Δομή του Plend

39 Πεδίο US BWmap: είναι μια βαθμωτή διάταξη αποτελούμενη από δομές κατανομής των 8 bytes. Κάθε καταχώρηση σε αυτή τη διάταξη εκπροσωπεύει μια ξεχωριστή κατανομή εύρους ζώνης σε μια συγκεκριμένη κλάση T Cont και περιλαμβάνει τα παρακάτω (Σχήμα 21): Alloc-ID: αποτελείται από τα 12 σημαντικότερα bits, ορίζει μία διεύθυνση και καθορίζει μονοσήμαντα ένα T-Cont. Τα 12 bits συνεπάγονται ότι οι διευθύνσεις αυτές παίρνουν τιμές από 0 έως Flags: αποτελούνται από τα επόμενα 12 bits και καθορίζουν μηνύματα που θα πρέπει με εντολή του OLT να συμπεριληφθούν στο προς τα άνω πλαίσιο και έχουν να κάνουν με μετρήσεις του δικτύου (μηνύματα PLSu, PLOAMu, DBRu) ή ενέργειες στις οποίες θα πρέπει να προβεί η ONU (υπολογισμός και εισαγωγή FEC). StartTime και StopTime: αποτελούνται από τα επόμενα 4 bytes και καθορίζουν το byte από το οποίο θα πρέπει να αρχίσει τη μετάδοση και στο οποίο θα πρέπει να τη σταματήσει το κάθε T-Cont. CRC: αποτελείται από τα τελευταία 8 bits και υλοποιεί έναν κυκλικό κώδικα μείωσης λαθών προστατεύοντας όλες τις δομές πρόσβασης. Χρησιμοποιείται το πολυώνυμο g(x)=x 8 +x 2 +x+1 και αν εντοπιστεί λάθος το οποίο δεν είναι δυνατό να διορθωθεί, τότε απορρίπτεται η δομή πρόσβασης. Σχήμα 21: Δομή του US BWmap

40 Payload: το πεδίο αυτό του κατωφερούς πλαισίου ξεκινά αμέσως μετά το τέλος του PCBd και έχει μέγεθος ίσο με τον αριθμό των bytes που έχουν απομείνει για να συμπληρωθεί το μέγιστο μήκος πλαισίου Δομή ανωφερούς πλαισίου Το πλαίσιο της προς τα πάνω ροής έχει το ίδιο μήκος με το αυτό της προς τα κάτω για όλους τους ρυθμούς μεταφοράς. Το ανωφερές αυτό πλαίσιο φαίνεται στο Σχήμα 22. Αποτελείται από έναν αριθμό μεταδόσεων που προέρχονται από μία ή περισσότερες ONUs και ο τρόπος διάταξης τους στο πλαίσιο υπαγορεύεται από το προς τα κάτω πλαίσιο στο πεδίο BWmap. Επιπλέον, κάθε ONU, με εντολή του OLT μέσω των αντίστοιχων Flags στο προς τα κάτω πλαίσιο, αποστέλλει τις κατάλληλες επικεφαλίδες. Οι τέσσερις τύποι των επικεφαλίδων αυτών είναι: επικεφαλίδα φυσικού στρώματος (PLOu), επικεφαλίδα φυσικού στρώματος λειτουργίας, διαχείρισης και συντήρησης του φυσικού επιπέδου (PLOAMu), επικεφαλίδα για μετρήσεις της ενέργειας (PLSu), επικεφαλίδα αναφοράς δυναμικού εύρους (DBRu). Σχήμα 22: Δομή ανωφερούς πλαισίου Πεδίο PLOu: η επικεφαλίδα αυτή στέλνεται από κάθε ONU όταν αποκτά πρόσβαση στο μέσο. Ειδική μέριμνα λαμβάνεται στην περίπτωση που μία ONU έχει περισσότερα του ενός Alloc-ID, τα οποία πρέπει να στείλουν δεδομένα στο ίδιο προς τα πάνω πλαίσιο. Συγκεκριμένα, στην περίπτωση αυτή, στέλνεται ένα μόνο PLOu και οι εκπομπές των διαφορετικών Alloc-ID ακολουθούν η μία την άλλη. Ή αλλιώς, θα μπορούσε το δίκτυο να συμπεριφέρεται σαν να πρόκειται για Alloc-ID διαφορετικών ONUs και να στέλνει αντίστοιχο αριθμό PLOu. Το PLOu αποτελείται από τα πεδία εισαγωγής (preamble) και χαρακτήρα αρχής/τέλους (delimiter) που απευθύνονται στο φυσικό επίπεδο και χρησιμοποιούνται για το συγχρονισμό

41 Επίσης εμπεριέχει τρία πεδία δεδομένων που απευθύνονται στις ONUs (Σχήμα 23). Συγκεκριμένα, τα πεδία αυτά είναι τα παρακάτω: BIP: έχει μήκος 8 bits και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ισοτιμίας όλων των bytes, από το αμέσως προηγούμενο πεδίο ΒΙΡ, μέχρι το υπό εξέταση, έτσι ώστε να μετρηθεί ο αριθμός των λαθών στη ροή. ONU-ID: έχει μήκος 8 bits, αποτελεί τη διεύθυνση της ONU και χρησιμοποιείται για το μονοσήμαντο προσδιορισμό της. Ind: παρέχει σε πραγματικό χρόνο πληροφορίες για τις ONUs στο OLT. Οι πληροφορίες αυτές έχουν να κάνουν με επείγοντα μηνύματα PLOAM, με το είδος του T-Cont που αναμένει εξυπηρέτηση και με πληροφορίες σχετικές με το FEC. Πεδίο PLOAMu: έχει μήκος 13 bytes και μεταφέρει τα μηνύματα λειτουργίας, διαχείρισης και συντήρησης του φυσικού επιπέδου (Physical Layer OAM ή PLOAM). Η δομή του φαίνεται στο Σχήμα 23. Πεδίο PLSu: έχει μήκος 120 bytes, μεταφέρει μηνύματα σχετικά με την ενέργεια και το περιεχόμενό της κάθε ONU και καθορίζεται από την ίδια ανάλογα με το σχεδιασμό της. Οι έλεγχοι ενέργειας είναι απαραίτητοι τόσο στην περίπτωση που μια ONU είναι ενεργή όσο και κατά την εγκατάσταση αυτής στο δίκτυο. Πεδίο DBRu: η επικεφαλίδα αυτή σχετίζεται με τα χαρακτηριστικά του T-Cont και αποτελείται από δύο επιμέρους υποπεδία (Σχήμα 23): DBA: παρέχει την κατάσταση κίνησης στο συγκεκριμένο T-Cont. CRC: προστατεύει με κυκλικό κώδικα μείωσης λαθών, ο ποίος χρησιμοποιεί το πολυώνυμο g(x) = x 8 +x 2 +x+1, την DBRu. Αν εντοπισθεί σφάλμα το οποίο δεν είναι δυνατό να διορθωθεί, απορρίπτεται η πληροφορία που περιέχεται στην DBRu

42 Σχήμα 23: Δομή επικεφαλίδων ανωφερούς πλαισίου Πεδίο Payload: το μέγεθος του πεδίου αυτού είναι μεταβλητό και καθορίζεται από το μέγεθος των επικεφαλίδων. Το πεδίο payload μεταφέρει δύο ειδών πληροφορίες και μέσω αυτών χαρακτηρίζεται: GEM: περιέχει πακέτα τύπου GEM. Τα πλαίσια που στέλνονται από τις ONUs στο OLT υφίστανται κατάτμηση για να διασχίσουν το δίκτυο και στη συνέχεια το OLT ενώνει τα διάφορα κομμάτια. Αυτά αποτελούν το payload των GEM πακέτων, το οποίο συμπληρώνεται με την προσθήκη της επικεφαλίδας GEM όπως φαίνεται στο Σχήμα 24 και αποτελείται από τα παρακάτω πεδία: Payload length indicator (PLI): έχει μήκος 12 bits και δείχνει το μέγεθος του τμήματος σε bytes. Port ID: έχει μήκος 12 bits και καθορίζει το T-Cont από το οποίο προήλθε το τμήμα αυτό, έτσι ώστε να είναι δυνατή η πολυπλεξία κίνησης. Payload type indicator (PTI): υποδεικνύει το είδος του μεταφερόμενου payload. Header error control (HEC): έχει μήκος 13 bits και διασφαλίζει την ορθότητα της επικεφαλίδας. Σχήμα 24: Δομή του Payload στο κατωφερές πλαίσιο

43 DBA: περιέχει μια ομάδα από αναφορές δυναμικής ανάθεσης εύρους ζώνης, που προέρχονται από τις ONUs. Οι αναφορές αυτές συντάσσονται στη σειρά. Αν το πεδίο ανάθεσης δεν έχει ακριβώς το ίδιο μήκος σε bytes με το σύνολο των αναφορών τοποθετημένων η μία μετά την άλλη, τότε το σύνολο αυτό συμπληρώνεται με μηδενικά ή αποκόπτεται

44 2. Σχεδίαση και ανάπτυξη προσομοιωτή Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφονται αναλυτικά το περιβάλλον ανάπτυξης και οι αρχές σχεδίασης του προσομοιωτή, όπως επίσης και όλα τα αρχεία που δημιουργήθηκαν προκειμένου να τρέξουν σωστά οι προσομοιώσεις. 2.1 Περιβάλλον ανάπτυξης Ο προσομοιωτής που σχεδιάστηκε στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής, αναπτύχθηκε στο περιβάλλον της OMNeT++ (έκδοση 4.2.2) Η OMNeT++ είναι ένα open-source, αρθρωτό, αντικειμενοστραφές πρόγραμμα προσομοίωσης διακριτών γεγονότων, με πολύ ισχυρό γραφικό περιβάλλον. Έχει αναπτυχθεί αρχικά από τον András Varga και ο βασικός τομέας εφαρμογής της είναι η προσομοίωση των επικοινωνιακών δικτύων. Επίσης, λόγω της γενικής και εύκαμπτης αρχιτεκτονικής της, έχει επιτυχώς χρησιμοποιηθεί και σε άλλες περιοχές, όπως στην προσομοίωση πολύπλοκων IT συστημάτων, δικτύων αναμονής και αρχιτεκτονικών υλικού. Επίσης, ένα βασικό πλεονέκτημα είναι η πολύ καλή τεκμηρίωσή της. Η OMNeT++ παρέχει μια αρχιτεκτονική βασισμένη σε μονάδες για τα μοντέλα της. Οι μονάδες αυτές (modules) γράφονται σε γλώσσα C++ και μετά συγκεντρώνονται σε μεγαλύτερα κατασκευαστικά στοιχεία και μοντέλα, που χρησιμοποιούν μια γλώσσα υψηλού επιπέδου (NED). Η χρήση αυτών των μοντέλων είναι εντελώς δωρεάν. Η OMNeT++ παρέχει εκτεταμένη υποστήριξη ενός γραφικού περιβάλλοντος χρήστη (Graphical User Interface, GUI) και λόγω της αρθρωτής αρχιτεκτονική της, ο πυρήνας προσομοίωσης (και τα μοντέλα) μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα στις εφαρμογές. Παρόλο που η OMNeT++ δεν είναι η ίδια ένας προσομοιωτής δικτύου, επί του παρόντος κερδίζει έδαφος σε δημοτικότητα ως μια πλατφόρμα προσομοίωσης δικτύου όσον αφορά στην επιστημονική κοινότητα αλλά και στις βιομηχανικές ρυθμίσεις, δημιουργώντας μια μεγάλη κοινότητα χρηστών. Χρήσιμες λειτουργίες της OMNeT++: βιβλιοθήκη πυρήνα προσομοίωσης, χρήση αρχείων NED για την περιγραφή της τοπολογίας των μοντέλων, ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης, βασισμένο στην πλατφόρμα Eclipse, γραφικό περιβάλλον χρήστη, το οποίο συνδέεται με το εκτελέσιμο αρχείο προσομοίωσης (Tkenv),

45 διεπαφή χρήστη με γραμμή εντολών για την εκτέλεση της προσομοίωσης (Cmdenv), χρήσιμα εργαλεία (makefile, creation tool κ.ά.), έγγραφα βοηθείας, παραδείγματα προσομοιώσεων κ.ά. Πλατφόρμες στις οποίες μπορεί να τρέξει η OMNeT++: Windows, Linux, Mac OS X, άλλα συστήματα που βασίζονται σε Unix. Πλατφόρμες στις οποίες υποστηρίζεται το ολοκληρωμένο περιβάλλον της OMNeT++: Windows, Linux, Mac OS X. Εικόνα 1: Το περιβάλλον της OMNeT

46 2.2 Αρχές σχεδίασης Οι βασικές αρχές, πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η ανάπτυξη αλλά και η σχεδίαση του προσομοιωτή για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα XG-PON, ο οποίος αποτελεί και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής, είναι: το G-PON specification της ITU-T (έκδοση G.984.3, 02/2004), στο οποίο περιγράφονται αναλυτικά όλες οι λειτουργίες, οι ρυθμίσεις και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των δικτύων G-PON, ο βαθμός στον οποίο μπορεί να παραμετροποιηθεί ο προσομοιωτής, θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος, τα διάφορα μεγέθη από τα οποία εξαρτάται το αποτέλεσμα της προσομοίωσης (π.χ. μέγεθος πακέτων, ρυθμός άφιξης πακέτων στον buffer κλπ), θα πρέπει να μην είναι σταθερά αλλά μεταβλητά, ούτως ώστε να ανταποκρίνονται καλύτερα στην πραγματικότητα. Επίσης, κάποιες ακόμα λεπτομέρειες πάνω στις οποίες βασίστηκε η ανάπτυξη του προσομοιωτή είναι: η γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιήθηκε είναι η C++, ο αριθμός των ONUs που υλοποιήθηκαν είναι 4, ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων για τη ροή καθόδου είναι Gbit/s, ενώ για την ροή ανόδου Gbit/s, το μέγεθος των πακέτων στη ροή καθόδου κυμαίνεται από 1000 μέχρι 3000 bytes, ενώ στην ροή ανόδου από 500 μέχρι 1500 bytes, ο μέγιστος αριθμός πακέτων που μπορεί να αποθηκεύσει ο buffer, τόσο του OLT όσο και των ONUs, είναι 50, το μέγεθος του ανωφερούς πλαισίου είναι bytes, ενώ του κατωφερούς 2430 bytes (2430/4 = 607,5 bytes για κάθε ONU), εάν με την προσθήκη του τελευταίου πακέτου στο κάθε πλαίσιο, αυτό ξεπεράσει το επιτρεπόμενο όριο μεγέθους του, τότε γίνεται κατάτμηση του πακέτου αυτού, ούτως ώστε να χωρέσει στο πλαίσιο. Το κομμάτι του πακέτου που δεν χωρούσε στο αρχικό πλαίσιο, στέλνεται αμέσως μετά με το επόμενο, το εύρος ζώνης που παραχωρούσε το OLT σε κάθε ONU είναι σταθερό, μιας και οι ONUs έχουν κάθε φόρα μεταξύ τους τον ίδιο φόρτο, ο χρόνος δημιουργίας των πακέτων προς αποστολή ακολουθεί εκθετική κατανομή

47 Εικόνα 2: Εκτέλεση της προσομοίωσης

48 2.3 Αρχεία προσομοίωσης Τα αρχεία τα οποία δημιουργήθηκαν και είναι απαραίτητα για τη σωστή ανάπτυξη και λειτουργία του προσομοιωτή, σχεδιάστηκαν με βάση τις κύριες οντότητες των Παθητικών Οπτικών Δικτύων (OLT, ONU, frames κλπ). Στόχος τους είναι η ευκολότερη περιγραφή του δικτύου XG-PON με κώδικα C++. Αυτά τα αρχεία είναι τα εξής: GPON.ned: Περιλαμβάνει τη γραφική απεικόνιση του δικτύου και τον ορισμό των βασικών οντοτήτων του (OLT, ONU, Splitter), τον ορισμό των δύο διαφορετικών καναλιών (κατωφερές και ανωφερές), καθώς και τον ορισμό των συνδέσεων μεταξύ OLT <--> Splitter και Splitter <--> ONU. Εικόνα 3: Το αρχείο GPON.ned omnetpp.ini: Δημιουργείται αυτόματα από την Omnet και σε αυτό δηλώνεται το δίκτυο που θα προσομοιωθεί. Επίσης, εμπεριέχει διάφορες εντολές που μπορεί να σχετίζονται με το χρονικό όριο της προσομοίωσης, τις ενέργειες του

49 προγράμματος σε περίπτωση που υπάρξουν σφάλματα κατά την εκτέλεση κλπ. OLT.h και OLT.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση του τερματικού OLT και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του. Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize: σε αυτή τη συνάρτηση έχουν δηλωθεί μεταβλητές οι οποίες πρέπει να έχουν κάποια τιμή κατά την εκκίνηση της προσομοίωσης. handlemessage: αυτή η συνάρτηση χωρίζεται σε δύο τμήματα: ένα για τη ροή καθόδου και ένα για τη ροή ανόδου. Όσον αφορά στη ροή καθόδου, ελέγχεται εάν έχει φτάσει κάποιο καινούργιο πακέτο για να αποθηκευτεί στον buffer και δημιουργείται και στέλνεται ένα κατωφερές πλαίσιο κάθε 125μs. Για τη ροή ανόδου, παραλαμβάνονται όλα τα ανωφερή πλαίσια που στέλνονται από τις ONUs και διαβάζεται το περιεχόμενό τους. generatepacket: αυτή η συνάρτηση δημιουργεί και επιστρέφει ένα καινούργιο πακέτο. defragmentation: σε αυτή τη συνάρτηση γίνεται κατάτμηση του τελευταίου πακέτου ενός κατωφερούς πλαισίου, εάν το μέγεθος του πλαισίου αυτού είναι μεγαλύτερο από το επιτρεπόμενο. generateheader: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, δημιουργείται η επικεφαλίδα ενός κατωφερούς πλαισίου και προσθέτεται σε αυτό. generatequeue: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, αφαιρούνται πακέτα από τον buffer και προσθέτονται στο κατωφερές πλαίσιο (το οποίο έχει μορφή ουράς). forwardframe: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, το κατωφερές πλαίσιο που έχει δημιουργηθεί, στέλνεται στο splitter. finish: αυτή η συνάρτηση καλείται όταν τελειώσει η προσομοίωση και χρησιμεύει στη διαγραφή διάφορων αντικειμένων και στην εξαγωγή αποτελεσμάτων για το OLT

50 Εικόνα 4: Το αρχείο OLT.h Splitter.h και Splitter.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση του οπτικού διαχωριστή (splitter) και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του. Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize: σε αυτή τη συνάρτηση έχουν δηλωθεί μεταβλητές οι οποίες πρέπει να έχουν κάποια τιμή κατά την εκκίνηση της προσομοίωσης. handlemessage: σε αυτή τη συνάρτηση, το splitter παραλαμβάνει όλα τα πλαίσια που του στέλνονται. Εάν το πλαίσιο είναι από το OLT (κατωφερές), τότε το splitter δημιουργεί αντίγραφα του και τα στέλνει σε όλες τις ONUs. Εάν το πλαίσιο έχει σταλεί από μια ONU (ανωφερές), τότε απλά το προωθεί στο OLT. finish: αυτή η συνάρτηση είναι κενή για το splitter

51 Εικόνα 5: Το αρχείο splitter.h ONU.h και ONU.cc: Περιλαμβάνουν την κλάση της μονάδας ONU και τις συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία της. Οι συναρτήσεις αυτές είναι: initialize: σε αυτή τη συνάρτηση έχουν δηλωθεί μεταβλητές οι οποίες πρέπει να έχουν κάποια τιμή κατά την εκκίνηση της προσομοίωσης. handlemessage: αυτή η συνάρτηση χωρίζεται σε δύο τμήματα: ένα για τη ροή καθόδου και ένα για τη ροή ανόδου. Όσον αφορά στη ροή ανόδου, ελέγχεται εάν έχει φτάσει κάποιο καινούργιο πακέτο για να αποθηκευτεί στον buffer και δημιουργείται και στέλνεται ένα ανωφερές πλαίσιο κάθε 125μs (για να ξεκινήσει μια ONU τη μετάδοση της θα πρέπει το πλαίσιο της προηγούμενης να έχει παραδοθεί στο OLT). Για τη ροή καθόδου, κάθε ONU παραλαμβάνει το κατωφερές πλαίσιο και διαβάζει το περιεχόμενό μόνο των πακέτων που προορίζονται για αυτή. generatepacket: αυτή η συνάρτηση δημιουργεί και επιστρέφει ένα καινούργιο πακέτο

52 defragmentation: σε αυτή τη συνάρτηση γίνεται κατάτμηση του τελευταίου πακέτου ενός ανωφερούς πλαισίου, εάν το μέγεθος του πλαισίου αυτού είναι μεγαλύτερο από το επιτρεπόμενο. generateheader: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, δημιουργείται η επικεφαλίδα ενός ανωφερούς πλαισίου και προσθέτεται σε αυτό. generatequeue: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, αφαιρούνται πακέτα από τον buffer και προσθέτονται στο ανωφερές πλαίσιο (το οποίο έχει και αυτό μορφή ουράς). forwardframe: με την κλήση αυτής της συνάρτησης, το ανωφερές πλαίσιο που έχει δημιουργηθεί, στέλνεται στο splitter. finish: αυτή η συνάρτηση καλείται όταν τελειώσει η προσομοίωση και χρησιμεύει στη διαγραφή διαφόρων αντικειμένων και στην εξαγωγή αποτελεσμάτων για τις ONUs. Εικόνα 6: Το αρχείο ONU.h

53 GponPacket.msg Περιλαμβάνει την κλάση των πακέτων που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζονται διάφορα πεδία όπως η πηγή και ο προορισμός του πακέτου κ.α. DownstreamFrame.msg Περιλαμβάνει την κλάση του κατωφερούς πλαισίου που χρησιμοποιείται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζεται η ουρά που υλοποιείται μέσα στο πλαίσιο και ένα πεδίο με το μέγεθός του. UpstreamFrame.msg Περιλαμβάνει την κλάση του ανωφερούς πλαισίου που χρησιμοποιείται στο δίκτυο. Σ αυτή ορίζεται η ουρά που υλοποιείται μέσα στο πλαίσιο

54 3. Αποτελέσματα προσομοίωσης Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφονται τα πειράματα που διεξήχθησαν με τη βοήθεια του προσομοιωτή, όπως επίσης και τα αποτελέσματά τους. Επίσης, παραθέτονται μερικές λεπτομέρειες σχετικά με την εξαγωγή των αποτελεσμάτων και κάποια συμπεράσματα στα οποία οδηγούμαστε βασιζόμενοι σε αυτά. Η οργάνωση των ενοτήτων παρακάτω γίνεται με βάση τη μετρική που μελετάται. 3.1 Φόρτος δικτύου (load) Στην πληροφορική, φόρτος ενός δικτύου καλείται η ποσότητα των δεδομένων που υπάρχει σε αυτό σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Η μονάδα μέτρησης του φόρτου είναι συνήθως το bit ανά δευτερόλεπτο (bit/s) και πολλαπλάσια ή υποδιαιρέσεις του. Ο φόρτος στο παρόν πείραμα αποτελείται από τα πακέτα που έχουν δημιουργηθεί και έχουν σταλεί στον buffer. Τα χρονικά διαστήματα ανάμεσα στην δημιουργία των πακέτων ακολουθούν εκθετική κατανομή. Για τον υπολογισμό του φόρτου, βρέθηκαν τα gigabits που έχουν δημιουργηθεί από το δίκτυο σε ένα δευτερόλεπτο και στη συνέχεια διαιρέθηκαν με το bit rate του καναλιού ( Gbit/s για τη ροή καθόδου και Gbit/s για τη ροή ανόδου). 3.2 Ρυθμαπόδοση δικτύου (throughput) Στην πληροφορική, ρυθμαπόδοση ενός δικτύου καλείται ο χρονικός ρυθμός με τον οποίο αυτό αποστέλλει ή λαμβάνει δεδομένα. Δηλαδή, πρακτικά είναι ένα κλάσμα με αριθμητή τα bits που έχουν μεταφερθεί και παρονομαστή τα bits που θα μπορούσαν να έχουν μεταφερθεί στην ιδανική περίπτωση που δεν θα υπήρχαν απώλειες (ουσιαστικά το bit rate του καναλιού). Η μονάδα μέτρησης της ρυθμαπόδοσης είναι συνήθως το bit ανά δευτερόλεπτο (bit/s) και πολλαπλάσια ή υποδιαιρέσεις του. Στο πείραμα της παρούσας διπλωματικής, για να υπολογιστεί η ρυθμαπόδοση του δικτύου, βρέθηκαν τα gigabits που μεταφέρονται σε ένα δευτερόλεπτο και στη συνέχεια διαιρέθηκαν με το bit rate του καναλιού ( Gbit/s για τη ροή καθόδου και Gbit/s για τη ροή ανόδου)

55 Throughput (%) Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα τεχνολογίας XG-PON Ρυθμαπόδοση στη ροή καθόδου Στο παρακάτω Σχήμα 25 φαίνεται η σχέση μεταξύ ρυθμαπόδοσης (σε %) και φόρτου (επίσης σε %) του δικτύου, στη ροή καθόδου. Ο χρόνος που έτρεξαν οι προσομοιώσεις ούτως ώστε να βγουν τα συγκεκριμένα αποτελέσματα ήταν 60s. 100 simulation time = 60s (downstream) Load (%) Σχήμα 25: Ρυθμαπόδοση στη ροή καθόδου

56 Throughput (%) Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα τεχνολογίας XG-PON Ρυθμαπόδοση στη ροή ανόδου Στο παρακάτω Σχήμα 26 φαίνεται η σχέση μεταξύ ρυθμαπόδοσης (σε %) και φόρτου (επίσης σε %) του δικτύου, στη ροή ανόδου. Ο χρόνος που έτρεξαν οι προσομοιώσεις ούτως ώστε να βγουν τα συγκεκριμένα αποτελέσματα ήταν και πάλι 60s. 100 simulation time = 60s (upstream) Load (%) Σχήμα 26: Ρυθμαπόδοση στη ροή ανόδου Στο παρακάτω Σχήμα 27 φαίνεται η σχέση μεταξύ ρυθμαπόδοσης (σε %) και φόρτου (επίσης σε %) του δικτύου, στη ροή ανόδου για κάθε μία ONU ξεχωριστά. Όπως παρατηρούμε και στο σχήμα, οι ONUs έχουν σχεδόν ίδια ρυθμαπόδοση μεταξύ τους. Κάτι τέτοιο είναι λογικό διότι το bandwidth του δικτύου διαμοιράζεται ισόποσα στις 4 ONUs, μιας και ο φόρτος τους είναι και αυτός σχεδόν ίδιος. Ο χρόνος που έτρεξαν οι προσομοιώσεις ούτως ώστε να βγουν τα συγκεκριμένα αποτελέσματα ήταν και πάλι 60s

57 Throughput (%) Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα τεχνολογίας XG-PON 100 ONU 1 ONU 2 ONU 3 ONU Load (%) Σχήμα 27: Ρυθμαπόδοση για κάθε ONU Συμπεράσματα Από τα σχεδιαγράμματα της ρυθμαπόδοσης καταλαβαίνουμε πως τα δίκτυα G- PON είναι αρκετά αποδοτικά. Και στις δύο ροές βλέπουμε πως η ρυθμαπόδοση είναι σχεδόν ίση με τον φόρτο, εάν αυτός δεν ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο όριο (92,75% για τη ροή καθόδου και 91,5% για τη ροή καθόδου). Αυτό σημαίνει πως για όλες εκείνες τις τιμές του φόρτου, οι απώλειες είναι πολύ μικρές. Εάν όμως ο φόρτος του δικτύου αυξηθεί και ξεπεράσει αυτά τα όρια, τότε η ρυθμαπόδοση παραμένει σταθερή στις προαναφερθείσες τιμές, μιας και το δίκτυο είναι πλέον γεμάτο και δεν μπορεί να εξυπηρετήσει μεγαλύτερο αριθμό πακέτων

58 Average Delay (μs) Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα τεχνολογίας XG-PON 3.3 Καθυστέρηση πακέτων (delay) Καθυστέρηση ενός δικτύου καλείται το χρονικό διάστημα που χρειάζεται ένα bit δεδομένων για να ταξιδέψει σε όλο το δίκτυο, δηλαδή από έναν κόμβο ή τελικό σημείο σε ένα άλλο. Η καθυστέρηση συνήθως μετριέται σε πολλαπλάσια ή υποδιαιρέσεις του δευτερολέπτου. Στο πείραμα της παρούσας διπλωματικής, για να υπολογιστεί η καθυστέρηση, αφαιρέθηκε από το χρόνο άφιξης (στον τελικό προορισμό) ο χρόνος δημιουργίας του κάθε πακέτου (arrival time creation time). Επίσης, επειδή στα σχεδιαγράμματα παρουσιάζεται η μέση καθυστέρηση (average delay), το αποτέλεσμα της προαναφερθείσας πράξης διαιρέθηκε με το συνολικό αριθμό πακέτων που παραδόθηκαν στις ONUs Καθυστέρηση στη ροή καθόδου Στο παρακάτω Σχήμα 28 φαίνεται η σχέση μεταξύ μέσης καθυστέρησης (σε μs) και φόρτου (σε %) του δικτύου, στη ροή καθόδου. Για να βγουν τα συγκεκριμένα αποτελέσματα, οι προσομοιώσεις έτρεξαν μέχρις ότου παραδοθούν στις ONUs πακέτα packets (downstream) Load (%) Σχήμα 28: Καθυστέρηση στη ροή καθόδου

59 Average Delay (μs) Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα τεχνολογίας XG-PON Καθυστέρηση στη ροή ανόδου Στο παρακάτω Σχήμα 29 φαίνεται η σχέση μεταξύ μέσης καθυστέρησης (σε μs) και φόρτου (σε %) του δικτύου, στη ροή ανόδου. Για να βγουν τα συγκεκριμένα αποτελέσματα, οι προσομοιώσεις έτρεξαν μέχρις ότου παραδοθούν στο OLT πακέτα packets (upstream) Load (%) Σχήμα 29: Καθυστέρηση στη ροή ανόδου Συμπεράσματα Από τα παραπάνω σχεδιαγράμματα παρατηρούμε πως η μέση καθυστέρηση των πακέτων στo δίκτυo παραμένει σταθερή, εφόσον δεν αυξηθεί πολύ ο φόρτος (μέχρι περίπου 80%). Αυτό σημαίνει πως είτε το δίκτυο είναι 10% φορτωμένο είτε 70%, σχεδόν όλα τα πακέτα με το που δημιουργούνται, μπαίνουν στο αντίστοιχο κατωφερές ή ανωφερές πλαίσιο και στέλνονται αμέσως στον προορισμό τους, χωρίς να υπάρχουν μεγάλες καθυστερήσεις. Αντίθετα, παρατηρούμε πώς εάν ο φόρτος αυξηθεί στο 80% και πάνω, τότε η μέση καθυστέρηση μεγαλώνει, μιας και τα πακέτα που δημιουργούνται στον buffer δεν χωράνε όλα στο αντίστοιχο πλαίσιο και έτσι κάποια είναι αναγκασμένα να περιμένουν το επόμενο. Εάν δε, ο φόρτος ξεπεράσει το 90%, τότε η καθυστέρηση αυξάνεται δραματικά γιατί το δίκτυο γεμίζει και είναι δύσκολο να εξυπηρετηθούν όλα τα πακέτα