Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.1 En el epígrafe 1_6_2_ ( Redes PON, Passive Optical Network ) se detallan las redes APON, ATM over PON, según se contemplan en las primeras versiones de la recomendación UIT-T/G.983 [1]. No obstante, y en consideración a la actual prevalencia del protocolo Ethernet, diversos organismos están estandarizando el uso de las redes PON para el soporte de dicho protocolo, destacando al respecto los trabajos del IEEE (draft EPON) y de la UIT (recomendación G.984), que se resumen a continuación. A3_1_ Normalización EPON (IEEE) y GPON (UIT-T) Basándose en los trabajos del FSAN [2], la UIT aprobó en enero de 2003 la recomendación G.984.1/2/3, conocida genéricamente como GPON (Gigabit over Passive Optical Network), que posibilita la explotación de las redes PON hasta regímenes de 2.488 Mbps, soportando los protocolos Ethernet, ATM y TDM. Paralelamente, y dentro de los desarrollos de EFM (Ethernet in the First Mile), el grupo 802.3ah del IEEE está normalizando las redes EPON (Ethernet over PON), cuyo estándar se prevé para el 2004. A3_1_1_ Capacidad y Servicios Según se ilustra en la Tabla A3.1. adjunta, mientras el estándar GPON considera configuraciones tanto asimétricas como simétricas, el EPON únicamente admite las segundas. Asímismo, mientras los regímenes binarios de GPON se sustentan en los establecidos para SDH (Synchronous Digital Hierarchy), los regímenes de EPON se alinean con el estándar Gigabit_Ethernet. [1] Actualmente, la recomendación UIT-T/G.983 está constituida por una serie de normas (G.983.x) que, bajo la denominación genérica de BPON, Broadband over Passive Optical Network, estandarizan las redes APON (ATM over PON), incluyendo facilidades tales como el Dynamic Bandwidth Assignment (DBA),... [2] Full Services Access Network (FSAN), según se detalla en el epígrafe 1_6_2_ SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 1 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.2 CAPACIDAD ( Upstream / Downstream ) GPON (a) (b) (c) EPON 1,25 Modo ASIMETRICO 155 Mbps / 1,2 Gbps 622 Mbps / 1,2 Gbps 155 Mbps / 2,4 Gbps 622 Mbps / 2,4 Gbps 1,2 Gbps / 2,4 Gbps Modo SIMETRICO 1,2 Gbps / 1,2 Gbps 2,4 Gbps / 2,4 Gbps Gbps / 1,25 Gbps (a) 155 Mbps 155,52 Mbps MTS-1 // 622 Mbps 622,08 Mbps MTS-4 1,2 Gbps 1.244,16 Mbps // 2,4 Gbps 2.488,32 Mbps MTS-16 (b) 1,25 Gbps 1 Gbps x Código de Línea (8B/10B) También se está considerando el modo 2,5 Gbps / 2,5 Gbps Tabla A3.1. Capacidades GPON / EPON Ambos estándares admiten redes PON soportadas por una o dos fibras, empleándose la técnica WDM (Wavelength Divisin 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. Red PON Upstream Downstream sobre 1 Fibra 1.260 1.360 nms 1.480 1.500 1.539 1.565 nms sobre 2 Fibras 1.260 1.360 nms 1.260 1.360 nms Tabla A3.2. Bandas ópticas GPON / EPON SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 2 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.3 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. clase de Red Margen de Pérdidas (db) A 5-20 B 10-25 C 15-30 Tabla A3.3. GPON / EPON: Clases de Red En dicha línea, por ejemplo, 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 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) [3], 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 [4] ) como asíncronos (datos, por ejemplo, vía ATM [4] ), 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 [5] ). [3] [4] [5] FEC que aporta una ganancia comprendida entre 2 y 3 db. Time Division Multiplexing (TDM) y Asynchronous Transport Mode (ATM) Como se sabe, el protocolo Ethernet-nativo presenta ciertas limitaciones (no reserva capacidad, y, consecuentemente, no garantiza el retardo,...), que promete subsanar la nueva tecnología EoMPLS (Ethernet over MultiProtocol Label Switching). SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 3 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.4 A3_1_2_ Configuraciones Como se ha apuntado en el epígrafe anterior, 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, según se ilustra en la Figura A3.1. adjunta. -1 SPLITTER -n CONFIGURACION BASICA -1 SPLITTER -n DIVERSIFICACION s (1) SPLITTER (n) DIVERSIFICACION TOTAL Figura A3.1. Redes PON: Configuraciones SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 4 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.5 A3_1_3_ 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, según se refleja (para EPON) en la Figura A3.2. adjunta. 2 1 1 User 1 1 1 1 3 1 3 1 2 1 3 1 2 2 2 User 2 1 3 Trama IEEE 802.3 header payload FCS 1 2 3 3 User 3 Figura A3.2. Sentido donwstream en EPON Al respecto, mientras EPON utiliza la trama_ethernet, el estándar GPON emplea bien la célula_atm o bien el método de encapsulación GFP (Generic Framing Procedure [6] ) para los servicios nativos TDM (voz, por ejemplo), IP/PPP, Ethernet, Fibre Channel,... [6] GFP, estándar UIT-T desde Octubre de 2001, 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_2, de modo que el nodo de destino puede reproducir el flujo de nivel_2 original. SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 5 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.6 El sentido ascendente (upstream, del usuario hacia la red) resulta sin embargo más complejo, dado que se impone algún protocolo al objeto de evitar la colisión, en el tramo comprendido entre el splitter y la, de las tramas enviadas por las distintas s. En dicha línea, los protocolos upstream --TDMA (Time Division Multiple Access) para GPON y MPCM (Multi-Point Control Protocol) para EPON-- descansan sobre la sincronización entre y s, con la misma referencia temporal, y el mecanismo de ranging, que sitúa las distintas s a la misma distancia virtual de la, según se ilustra en la Figura A3.3. adjunta. antes del Ranging después del Ranging Figura A3.3. Mecanismo de Ranging Por ejemplo, el MPCP que está siendo desarrollado por el IEEE 802.3ah, se basa en dos tipos de mensajes (tramas_ de control, tipo 88-08): el GATE, enviado a las s por la al objeto de facilitarles la referencia temporal, indicar a cada su intervalo (timeslot) para transmitir, calcular el round-trip time (RTT),... el REPORT, enviado por las s --durante su timeslot de transmisión-- a la, bien de forma automática o bien bajo solicitud de ésta, para informar sobre su estado (nivel de ocupación del buffer,...) o, durante el período Además, GFP aprovecha las nuevas prestaciones de las redes_sdh, tales como la VCAT (Virtual Concatenation) y la LCAS (Link Capacity Adjustement Scheme). SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 6 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.7 de inicialización --caso de /s nueva/s --, informar sobre su dirección_, momento de envio (para el cálculo del retardo RTT),.. Además del MPCP, en el caso de EPON se requiere también el concurso de algún protocolo adicional al objeto de alcanzar la compatibilidad con el IEEE 802.1D bridging [7], soportando así la comunicación entre s a nivel_2 (nivel de Enlace), sin necesidas del nivel_3 (nivel de Red). Al efecto, se introduce una sub-capa adicional --bien tipo (Point to Point Emulation) o bien tipo (Shared Medium Emulation)-- que reside bajo la capa-, preservándose así invariante la funcionalidad de ésta. Ambos tipos ( y ) descansan en el etiquetado de la trama_ethernet, asignando a cada una etiqueta de 16 bits denominada link-id, según se representa en la Figura A3.4. adjunta. PREAMBULO SOP reservado link-id CRC DA FCS TRAMA IEEE 802.3 Figura A3.4. Ubicación del link-id para subcapa o En el sentido downstream, la sub-capa inserta el link-id correspondiente a la interesada; en el resto de las s, la subcapa elimina la trama en cuestión, que, de esta forma, no pasa a la capa-. En el upstream el proceso es similar, según se ilustra en la Figura A3.5. adjunta. Según se desprende de dicha Figura, la sub-capa requiere en la tantos interfaces- como s dependientes. [7] Un bridge_ethernet no retransmite una trama por el puerto de entrada de la misma; es decir, se asume que las estaciones conectadas a cada puerto del bridge pueden comunicarse entre sí sin el concurso del bridge. SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 7 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.8 inserta link-id asociado con la de la interesada PtP Emulation acepta trama si el link-id de la misma coincide con el asignado a la rechaza trama si el link-id de la misma no coincide con el asignado a la 1 2 3 downstream dirige trama a un puerto determinado en función de su link-id PtP Emulation inserta link-id asociado con la de la 1 2 3 downstream Figura A3.5. sub-capa SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 8 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.9 Como complemento, en la Figura A3.6. adjunta se refleja la comunicación entre s, merced al bridge equipado en la. Bridge PtP Emulation 1 2 3 Figura A3.6. Bridging entre s mediante En el sentido downstream de la sub-capa, la inserta un link-id tipo broadcast, que será aceptado por todas las s. Y en el upstream, la sub-capa de la retransmite las tramas hacia todas las s; en dicho contexto, y al objeto de evitar la duplicación de tramas, las mismas serán aceptadas por una siempre que el link-id de la trama sea diferente al asignado a la. Como se aprecia en la Figura A3.7. adjunta, la sub-capa requiere solamente una interfaz en la, eliminando así la necesidad del bridge. En base a cuanto antecede, se aprecia que ambas sub-capas facilitan la compatibilidad con el estándar IEEE 802.1D bridging, siendo la PtPe más idónea para los servicios unicast y la más adecuada para los servicios multicast y broadcast. En dicha línea, se podría considerar una dual, con N+1 interfaces_, N de ellos dedicados para la conexión con otras tantas (N) s vía, y SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 9 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.10 inserta un link-id tipo broadcast acepta tramas con cualquier link-id, excepto el asignado a la 1 2 3 downstream acepta todas las tramas, y las retransmite hacia las s cuando transmiten tramas, insertan el link-id asignado cuando reciben tramas, las aceptan, salvo que el link-id de la trama conincida con el de la 1 2 3 upstream Figura A3.7. Share-Medium Emulation () SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 10 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.11 la interfaz adicional para la conexión con (también) dichas s vía. Por su parte, cada dispondría de dos interfaces_, una para la sub-capa y la otra para la. A3_1_4_ Seguridad (Encriptación) Tanto el estándar GPON como el draft EPON contemplan la utilización del AES (Advanced Encryption Standard), originalmente diseñado para reemplazar al DES (Data Encryption Standard), que permite el uso de claves de 128, 192 y 256 bits. Concretamente, el draft EPON considera la utilización del cuarto octeto del Preámbulo para la identificar la clave a utilizar, según se ilustra en la Figura A3.8. adjunta, incrementando así la seguridad del túnel establecido entre la y cada merced al link-id y la sub-capa. En dicha línea, cada mantiene la clave establecida mediante dicho octeto, que se renueva en cada sesión para mayor seguridad. PREAMBULO SOP reservado key link-id CRC DA FCS TRAMA IEEE 802.3 Figura A3.8. Ubicación del Identificador de Clave ( key ) Referencias Bibliográficas.- UIT-T/G.984.1 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics..- UIT-T/G.984.2 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification.- IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile Task Force, Point to Multipoint Ethernet on SM Fiber (PON) SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 11 de 12)
Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.12.- G.Kramer, B. Mukherjee, y G. Pesavento, Ethernet PON (EPON): Design an Analysis of a Optical Access Network, Photon. Netw. Commun. 3(3), 307-319, 2001.- G Kramer y G. Pesavento, Ethernet over Passive Optical Network (EPON): Building a next-generation Access Network, IEEE Communications, vol. 4, nº 1, páginas 89-107, Enero_2002 SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 12 de 12)