Hozzáférési hálózatok Vida Rolland 2005.11.17

Miért „fiber”? Ma már nem a webezés befolyásolja a hozzáférési technológiákat, inkább a multimédia MPEG-1 – ISO/IEC szabvány Moving Pictures Experts Group 50:1 – 100:1 video tömörítés 1.5 Mbps, VHS minőségű kép MPEG-2 DVD minőségű kép Nagyfelbontású, nagy színmélységű, teljes mozgású videó (pl. élő sportközvetítés) – 4-8 Mbps HDTV – 14 Mbps Az ADSL sávszélessége messze nem elegendő ehhez Csak nagyon rövid helyi hurkok esetén Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Miért „fiber”? HFC (Hybrid Fiber Coax) Az eredeti 300-550 MHz-es kábeleket 850 MHz-s koax kábelek váltják föl Plusz 300 MHz → 50 db új 6 MHz-es csatorna QAM-256-al 40 Mbps egy csatornán → 2 Gbps új sávszél 500 ház egy kábelen → mindenkinek jut 4 Mbps downstream, ami elég egy MPEG-2 filmhez Szépen hangzik, de... Minden kábelt le kell cserélni 850 MHz-es koaxra Új fejállomások, új fényvezető csomópontok (fiber node), kétirányú erősítők A teljes kábelhálózati rendszert le kell cserélni Akkor miért ne legyen minél több fényvezető szál benne? Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

A kis sebesség ma már kínzás!! Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Becsült minimális idő a Braveheart letöltésére A sebesség fontos!! Becsült minimális idő a Braveheart letöltésére 2001 augusztus 17 Az MGM, Paramount Pictures, Warner Brothers és a Universal Studios bejelentenek egy közös tervet melyszerint letölthetővé tesznek filmeket kölcsönzés céljából az Interneten 2002 december 9 „Hollywood’s Latest Flop”, Fortune Magazine: „A fájlok óriásiak. A 952 MB-os Braveheart letöltése otthoni DSL kapcsolaton keresztül majd 5 órába telt. Ugyanennyi idő alatt 20 utat megtehettünk volna a helyi video kölcsönzőig és vissza” Technológia Perc Óra Nap Modem 56 2 kb/s ISDN 128 20 kb/s 12 DSL 1 Mb/s 2.5 Cable 2.5 1 Mb/s 45 FTTH 0.4 Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Adatátvitel fényvezető szálon Három fő komponens: Fényforrás LED, félvezető lézer Átviteli közeg Rendkívül vékony üvegszál Fényérzékelő (detektor) Ha van fényimpulzus – logikai 1 bit Ha nincs – logikai 0 bit A villamos jeleket fényimpulzusokká kell alakítani és vissza A detektor fény hatására elektromos impulzusokat állít elő Az adatátviteli sebesség elméletileg korlátlan (fénysebesség) A gyakorlati max. sebesség egy szálon ma kb. 10 Gbps Képtelenek vagyunk gyorsabban átalakítani a jeleket és vissza Laboratóriumi körülmények között már 100 Gbps-ot is elértek Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Adatátvitel fényvezető szálon Egy egyszerű üvegszál a gyakorlatban használhatatlan A fény elszivárog Ha a fény az egyik közegből átlép a másikba (pl. üvegből levegőbe) megtörik A visszaverődés mértéke függ a közegek fizikai jellemzőitől (törésmutató) és a beesési szögtől Ha a beesési szög nagyobb egy határértéknél, a fény visszaverődik az üvegbe Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fényvezető szálak Többmódusú szál Egymódusú szál A fényimpulzusok hosszanti irányban szétszóródnak a szálban Egyszerre több, különböző szögben visszaverődő fénysugár halad Minden sugárnak más a „módusa” Olcsó megoldás, de csak kis távolságokra hatékony (500 m) Egymódusú szál Ha az üvegszál átmérője nagyon kicsi, a fény visszaverődés nélkül, egyenesen terjed Jóval drágább maga a szál, és nagyobb kapacitású, jobb lézereket is igényel Nagyobb távolságok áthidalására sokkal jobb 50 Gbps 100 km távolságba erősítés nélkül A transzatlanti optikai kábeleknél nagyon fontos, hogy kevés erősítőre legyen szükség A gerinchálózatban csak egymódúsú szálakat használnak Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fényvezető szál Core (mag) Cladding (tükröző anyag) Coating Üvegszál, vezeti a fényjeleket Többmódusú szálra kb 50 μm emberi hajszál Egymódúsú szálnál kb 8-10 μm Műanyag is lehet Olcsó, de sokkal erőssebb a csillapítása Cladding (tükröző anyag) Üveg A magban tartja a fénysugarakat Kissebb a törésmutatója Coating Műanyag, védi az üveget Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fényvezető kábelek Egy fényvezető kábelben akár 1000 fényvezető szál 50.000 Gbps átviteli sebesség Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Csatlakoztatás A szálakat többféleképpen csatlakoztathatjuk Mechanikus csatlakozókkal (lencsék) A szereléshez finom műszer, pormentes környezet 10-20% veszteség, de megkönnyíti az újrakonfigurálást Mechanikus illesztéssel Mindkét szálat meghatározott szögben lenyessük A nyesett végeket összeillesztjük és szorítóval összefogjuk Az illesztés pontosságán javíthatunk ha az egyik szálba belevilágítunk Addig mozgatjuk finoman a szálakat, amíg a kijövő jel intenzitása a legnagyobb lesz Kb 10% veszteség, de egy szakértő 5 perc alatt összeköti Összeforrasztás (hegesztés) Majdnem olyan jó mint a gyárilag húzott szál Nagyon elterjedt megoldás Ragasztás Nem túl elterjedt Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fényforrások A fényimpulzusok előállítására használt fényforrások: LED – Light Emitting Diode Alacsony adatátviteli sebesség Többmódusú, kis távolságokra használatos Hosszú élettartam, kis hőérzékenység Olcsó Félvezető lézer Magas adatátviteli sebesség, nagy távolságokra Egy- vagy többmódusú Rövid élettartam, nagy hőérzékenység Drága Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Miért fiber? – nagyobb sebesség 50 100 150 200 Gbps Twisted Pair Co-ax Multimode Single-mode Tipikus átviteli sebesség egy 100 méteres kábelen Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Miért fiber? – nagyobb távolságok Tipikus átviteli távolság 1 Gbps sebességre Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fiber vs. Réz érpár Egy csavart réz érpáron egyszerre 6 telefonhívás vihető át Egy optikai szálpáron több mint 2.5 millió párhuzamos telefonhívás Egy hasonló kapacitású csavart érpár köteghez képest 1%-os súly és méret Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Fiber vs. Réz érpár Optikai kábel Réz érpár Fényjelekkel működik // Optikai kábel Fényjelekkel működik Nem érzékeny az elektromágneses interferenciákra Ismétlők kb. 30 km után Kismértékű hőtágulás Törékeny, viszonylag merev anyag Kémiailag stabil Réz érpár Elektromos hullámok Érzékeny az elektromágneses interferenciákra Ismétlők 5 km után Nagymértékű hőtágulás Hajlítható anyag Érzékeny a korrózióra és galvanikus reakciókra Újrahasznosítható Jó pénzért el lehetne adni a rezet Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

FTTx FTTx – Fiber To The x FTTB – Fiber To The Building FTTC – Fiber To The Curb FTTD – Fiber To The Desk FTTE – Fiber To The Enclosure FTTH – Fiber To The Home FTTN – Fiber To The Neighborhood FTTO – Fiber To The Office FTTP – Fiber To The Premises FTTU – Fiber To The User Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

FTTC Fiber To The Curb Üvegszál a helyi központból minden lakókörzetig Üvegszál az elosztódobozig Üvegszál a helyi központból minden lakókörzetig A szál egy ONU-ban végződik Optical Network Unit – optikai hálózategység Kb. 16 helyi rézhurok csatlakozhat hozzá Nagyon rövid hurkok, lehetséges szimetrikus nagysebességű kiterjesztés Pl. VDSL – Dél-kelet Azsiában nagyon elterjedt Alkalmas MPEG-2 átvitelre, videokonferenciázásra Az FTTC maga szimetrikus átviteli sebességeket biztosít Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

FTTC/VDSL architektúra Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

FTTH OAN OLT ONU Fiber To The Home Rendszerelemek Üvegszál otthonra Rendszerelemek OAN: Optical Access Network Optikai hozzáférési hálózat ONU: Optical Network Unit Az előfizető otthonában OLT: Optical Line Termination végződtetés a szolgáltató hálózatában OAN CO/HE // OLT ONU Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Miért FTTH? Az FTTH előnyei Hatalmas adatátviteli kapacitás Könnyen feljavítható (upgrade) Könnyen telepíthető Földben és levegőben vezethető kábelek Teljesen szimetrikus szolgáltatások biztosít Alacsony üzemeltetési és karbantartási költségek Nagyon nagy távolságok esetén is működik Kis átmérőjű, könnyű kábelek Biztonságos kommunikáció Nem zavarják elektromágneses interferenciák Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

FTTH architektúrák PON – Passive Optical Networks Active Node Több felhasználó (max. 32) megoszt egy fényvezető szálat Optikai splitter-ek a jel szétválasztására és aggregálására Áramellátás csak a végeknél szükséges Osztott hálózat – Point to Multipoint (P2MP) Active Node Az előfizetőknek saját fényvezető száljuk Point to Point (P2P) Aktív, árammal táplált csomópontok a forgalom elosztására Ethernet switch Layer2/Layer3 switching/routing Hybrid PON Az előbbi két architektúra kombinált változata Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

PON architektúra // Általában 10-20 km OLT ONU Optikai splitter // // Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Active Node architektúra 70 km-ig 10 km-ig // OLT // // ONU // // Active Node (powered) // Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Hibrid architektúra // // 70 km-ig 10 km-ig OLT Optikai splitter ONU Active Node (powered) // // // Optikai splitter Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Ethernet vagy ATM? Egy OLT-hez több PON köthető Mindegyik olcsó passzív optikai filtereken keresztül jut el sok ONU-hoz Nincs szükség aktív elektronikai eszközökre, és azok karbantartására Két külön technológia vetélkedik egymással APON – ATM-based PON ITU-T G.983.x Az első PON implementáció EPON – Ethernet-based PON Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

Le- és feltöltés A le- és feltöltés nem egyformán működik A letöltés broadcast A splitter minden szálra kitesz minden csomagot Az ONU csak azt a csomagot kezeli melyet neki címeztek (fejléc alapján) A feltöltés TDMA-t használva történik Az OLT időszeleteket oszt ki az ONU-knak Szinkronizált csomagküldés Az ONU kérhet plusz szeleteket, ha van küldenivalója Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

APON Segmentation and Reassembly (SAR) Fix hosszúságú csomagok 53 byte-os ATM cellák Az adatok átmennek egy ATM Adaptation Layer-en (AAL) ahol 48 byte-os darabokra osztják őket Plusz 5 byte a fejléc A címzettnél az eredti forgalmat újból összerakják A SAR miatt az ATM kifejezetten alkalmas video, hang és adatátvitelre A kis, fix hosszúságú cellákban jól lehet késleltetésre érzékeny forgalmat szállítani A procedúra időigényes, az 5 byte-os fejléc pedig nem hatékony (10%-os overhead) A fix hosszúságú cellák jól illeszkednek a PON TDMA alapú feltöltéséhez Könnyű az időszeletek kezelése, nincsenek ütközések Az ONU-k itt is használnak távolságbecslést (ranging) a szinkronizációhoz Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

EPON Az adatok az IEEE 802.3 (Ethernet) formátumot használják Változó hosszúságú csomagok 64 és 1518 byte között Hogyan oldjuk meg a TDMA alapú feltöltést? Lehetne max. hosszúságú szeleteket kiosztani Bármilyen csomag belefér Nem hatékony, sávszél pazarlás Lehetne fix hosszúságú szeleteket használni, melyekbe több csomagot be tud rakni az ONU Javít a hatékonyságon, de még mindig nem ideális Nehéz változó hosszúságú csomagokkal jól feltölteni egy fix hosszú szeletet Feloszthatjuk az Ethernet kereteket (frame) fix hosszúságú részekre Egyszerűbb lesz a feltöltés Az ár egy SAR funkció hozzáadása az EPON protocoll stack-hez Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

EPON downstream forgalom Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

EPON downstream csomagok Fix időközönként küldött frame-ek, változó hosszúságú csomagokkal Szinkronizációhoz szükséges információ minden frame előtt Minden csomag fejléce megmondja ki a címzett Hibaellenőrző információ a csomag végén Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

EPON upstream forgalom Hozzáférési hálózatok 2005.11.17

EPON upstream csomagok Az upstream forgalom frame-ekre osztva Minden ONU-nak van egy saját időszelete, melyet változó hosszúságú csomagokkal tölthet fel Hozzáférési hálózatok 2005.11.17