Optik Erişim Ağları (Optical Access Networks)

Transkript

1 Optik Erişim Ağları (Optical Access Networks) BSM 450 Fiber Optik Ağlar Bahar 2016 Bu sunum, Prof. Mukherjee nin UC Davis te verdiği Optical Network dersinden adapte edilmiştir.

2 Erişim ağlarında neden optik? 2 M. Wegleitner, Maximizing the Impact of Optical Technology," Keynote Address, IEEE/OSA Optical Fiber Communication Conference (OFC 2007), Anaheim, CA, March 2007.

3 Erişim ağlarında neden optik? Kullanıcı ve hane halkı başına trafik tahmini

4 Erişim ağlarında neden optik? Aylık İnternet trafiğin yıllık yükselme grafiği 4

5 Erişim ağlarında neden optik? Internet trafik Tahmini % 350 küresel tepe internet trafiğinde büyüme, % 35 internet trafiğindeki yıllık bileşik büyüme % 293 günlük internet trafiğindeki artış, % 300 kişi başı GB artışı, % 5300 küresel internet trafiğinde artış, million kişi Felix Baumgartner in uzay atlayışını canlı olarak aynı anda izledi. 5

6 Telekom Ağ Hiyerarşisi Omurga ağlar km - Örgüsel (Mesh) Metro - 10 lar km - Halka Erişim - Birkaç km - Dağıtımlı Halka, PON Kullanıcılar İlk Son km 6

7 Telekom Ağ Hiyerarşisi 7

8 Pasif Optik Ağlar Optik Hat Terminali - Optical Line Terminal (OLT) Optik ağ ünitesi - Optical Network Units () 8 Telcordia, Passive Optical Network Testing and Consulting, April 2006,

9 Kablolu erişim ağları Bugünün erişim teknolojilerinin problemleri (DSL, CM)? Daha düşük boyutlarda veri iletimi (örneğin ses) için geliştirildiler. Daha büyük veriler için yapılan geliştirmeler yeterli olmuyor. Mesafede, bantgenişliğinde, ölçeklenmede, esneklikte, maliyette, vs. sınırlı kalıyor. Peki ne yapılabilir?: FTTX - X = { H, B, C, P, MDU, BS, AP, } Uzun erişim: 0-20 km Fiber erişim ağlar: Fiber yapılar uzun yaşam süreleri vardır (~20 years) Yeni ekipmanlar yerleştirmeden (yani yerin altından fiberleri çıkarmadan) yeni teknolojilere uyumlu olmalı ve ölçeklenebilmelidir. Kısa mesafeli kablosuz ağları, uzun mesafe erişim avantajını kullanarak rahatlatabilir PON (FTTx): Ethernet PON (EPON) Diğer PON çeşitleri: APON, BPON, GPON WDM PON 9

10 PON Noktadan-noktaya bağlantılar N fiber hattı 2N transceiver (alıcı/verici) Mahallede toplama anahtarı 1 fiber hat Elektrik gücü gerektiriyor 2N + 2 transceivers CO CO L km L km C u rb s w itc h N s u b s c rib e rs N s u b s c rib e rs PON bir dağıtımlı anahtar 1 fiber hat N + 1 transceivers P a s s iv e o p tic a l s p litte r Yol saydamlığı CO L km N s u b s c rib e rs 10

11 PON 11

12 PON Topolojileri OLT Optik Hat Terminali OLT Optik Ağ Ünitesi (a) Ağaç topolojisi OLT OLT (c) Halka topology (b) Bus topoloji 12

13 PON Tipleri Ethernet PON (E-PON) WDM-PON TDM-PON 13

14 WDM-PON ve TDM-PON Geleneksel olmayana bir bağlanırlık Downstream: broadcast Upstream: Noktadan-noktaya, fakat çarpışma mümkün Upstream kanalları ayrılmalı. Nasıl? WDM Her farklı bir dalgaboyuna sahip olmalı OLT, bu durumda bir alıcı dizesine sahip olmalı Pahalı TDM Alıcı ve elektronik ekipmanlar yüksek hızda çalışırlar Zaman senkronizasyonu gerekiyor OLT OLT 1 N 1 14 N

15 Melez WDM-TDM-PON Her bir dalgaboyundatdm Dalgaboyları arasında WDM 15

16 EPON EPON tek bir fiber kullanır (yerleştirme ve bakım/onarım maliyetleri az) Downstream ve upstream yolları WDM kullanılarak ayrılmışlardır. sadece OLT den gelen trafiği görür, birbirlerinden gelen trafiği görmezler. Tek bir seferde yalnızca bir upstream kanalına iletim yapabilir. 16

17 EPON frame formatını korur. Mevut MAC protokollerini kullanır (mevcut Ethernet i EPON haline getirmek kolaydır). Mevcut 8b/10b şifrelemeyi kullanır. Standart hat hızında (1Gbps) çalışır. Dünya çapında 1 milyara yakın Ethernet portu kurulmuştur (Tüm anahtar portlarının yaklaşık %95 i) IEEE 802.3ah standardı. 17

18 Downstream iletimi Downstream kanalı broadcast Frame leri lar tarafından çıkartılır. header Payload FCS frame USER OLT 2 USER USER 3 18

19 Upstream iletimi Upstream zaman bölmeli Paketler bütün olarak ilerler USER 1 Çarpışma olmaz 1 1 OLT 2 USER time slot frame USER 3 header Payload FCS 19 lar nasıl zamanlanmalı?

20 PON Fiber kopmalarına karşı koruma 1 1 2xN splitter 2 2 OLT 3 OLT (a) Yedek gövdeli ağaç (b) Tam yedekli ağaç 20

21 Çok-Noktalı Kontrol Protokolü Multi-Point Control Protocol (MPCP) MPCP, noktadan-çok-nokta segmentine bağlı master/slave üniteleri arasında verimli veri iletimi için kontrol mekanizmasını tanımlar. MPCP, MAC Kontrol katmanında uygulanır. MPCP iki MAC kontrol mesajını kullanır: GATE ve REPORT Farklı üreticilerin, farklı bantgenişliği atama ve zamanlama algoritmaları vardır. 21

22 GATE Mesajı OLT, lara zaman slotları atamak için GATE mesajı gönderir. GATE mesajı bir MAC kontrol mesajıdır. GATE mesajı şunları içerir; Zaman damgası (Timestamp) Slot başlangıç zamanı Slot uzunluğu OLT atanan zaman slotlarında çakışma olmayacağını garantiler (yani kanal çarpışması oluşmaz). 22

23 GATE İşlemi O L T O N U M A C C o n tro l C lie n t M A C C o n tro l C lie n t G e n e ra te G A T E m e s s a g e S ta r t S to p M A _ C O N T R O L.re q u e s t(g A T E ) M A _ C O N T R O L.in d ic a tio n (G A T E ) M A _ D A T A.re q u e s t( ) M A C C o n tro l M A C P H Y C lo c k re g is te r T im e s ta m p G A T E m e s s a g e TS S ta r t S to p I N S C O P E M A C C o n tro l W rite re g is te rs M A C P H Y TS S ta r t S to p C lo c k re g is te r S lo t S ta rt re g is te r S lo t S to p re g is te r L a s e r O N /O F F U p s tre a m D a ta P a th 23

24 REPORT Mesajı, yerel durumunu (kuyruk uzunluğu queue length) bildirmek için OLT ye bir REPORT mesajı gönderir. REPORT mesajı şunları kapsar; Zaman damgası Kuyruk uzunluğu, bu REPORT mesajını kendine atanmış zaman slotında gönderir. REPORT mesajı önetkin olarak ve OLT in isteği üzerine gönderilebilir. 24

25 REPORT İşlemi O L T O N U M A C C o n tro l C lie n t M A C C o n tro l C lie n t T B D T B D G e n e ra te R E P O R T m e s s a g e M A _ C O N T R O L.in d ic a tio n (R E P O R T ) M A _ C O N T R O L.re q u e s t(r E P O R T ) M A C C o n tro l M A C C o n tro l M A C P H Y C lo c k re g is te r R T T re g is te r M e a s u re R o u n d -T rip T im e - TS T B D T B D I N S C O P E M A C P H Y TS T B D T B D C lo c k re g is te r T im e s ta m p R E P O R T m e s s a g e 25

26 Gecikme telafisi (Delay Compensation) lar farklı yayılım gecikmelerine sahiptir (hepsi OLT den eşit uzaklıkta değildir.) OLT 1 den Yayılım gecikmesi Slotlar çakıştı Slot 1 Slot 2 Slot 3 2 den Yayılım gecikmesi Gecikme telafisi olmadan lara atanan slotlar, OLT ye vardıklarında çakışabilirler 1 2 Slot 1 Slot 2 2 den Yayılım gecikmesi 3 Slot 3 26 Slotlar çakışmıyor

27 Gecikme telafisi Gecikme telafisi OLT tarafında yapılır; OLT kanalın boşalacağı T zamanını hesaplar (en son zamanlanan i-1 den gelecek son bitin tahmini alınma zamanı) OLT, i ye GATE mesajını gönderirken Slot başlangıç zamanına SlotStart=T-RTT i yazar. RTT i =Round-TripTime, yani i ve OLT arasındaki gidip gelme süresi. Bu durumda OLT her bir için RTT yi bilmek zorundadır. 27

28 RTT Ölçümü 1. OLT, T1 zamanında zaman damgası T1 olan bir GATE mesajı yollar 2.,GATE mesajını alır ve yerel zamanını T1 e ayarlar 3.,T2 zamanında zaman damgası T2 olan bir REPORT mesajı yollar 4. OLT, T3 de REPORT mesajını alır 5. OLT hesaplar: RTT = T3 T2 Tx OLT Rx Tx Rx T1 GATE T1... Downstream delay T1 T1... GATE RTT = (T3-T1) (T2-T1) = T3-T2 (T3-T1) (T2-T1) T2 Upstream delay T2... REPORT T3 REPORT T2... OLT local time local time 28

29 Bantgenişliği ataması Statik (durağan/sabit) atama Slot boyutu ve slot periyodu değişmez. Her aboneye sabit sanal devreler verilir. Genellikle şirketler tarafından kullanılır. Ağın durumlarından ve/veya kullanıcı taleplerinden bağımsız olarak bantgenişliği verilir. Dinamik atama Slot boyutu ve slot periyodu kullanıcın taleplerine göre veya ağ durumuna göre değişiklik gösterir. 29

30 Statik atamadaki problemler Veri/video trafiği kendine-benzerdir (self-similar), yani birçok zaman ölçeği için yığınlı bir yapıya sahiptir. Bu nedenle optimum sabit slot boyutu mevcut değildir. Birçok slot ya fazla yüklenmiştir yada kapasitesinin altında kullanılmıştır. N e tw o rk T ra f f ic T im e s lo t o c c u p a n c y 3.0 E E E E E E Overutilized Underutilized

31 Dinamik Atama Daha fazla servisi/uygulamayı karşılamak için bantgenişliği, boş duran lardan gönderecek çok şeyi olan lara yeniden dağıtılmalıdır. Nasıl? Arz/Talep planı kullanılabilir. Her ya, o daki kuyruk boyutuna göre bir slot atanır. Problemler: Yayılım zamanlarının birikimi Çözüm: Uyarlanabilir Devir Zamanı ile Sırayla Birleştirilmiş Kuyruklama (Interleaved Polling with Adaptive CycleTime - IPACT) Yayılım zamanlarından kazanmak için farklı lara sıralı ve aralıklı bir şekilde arz gönderme 31

32 IPACT: Adım 1 Bir kuyruklama tablosunun oluşturulduğunu varsayalım Bytes RTT Kuyruklama tablosu (Polling table) 1. 1 için 6000 byte lık Arz gönder Tx OLT Rx Tx 1 Rx bytes Byte ı gönderir ve 550 byte lık yeni Talep gönderir. Tx 2 Rx Tx 3 Rx x -x slot boyutunda arz y - y slot boyutunda talep 32 z - Kullanıcı verisi (z boyutunda çoklu Ethernet paketi)

33 IPACT: Adım 2 OLT, 1 den veri almaya başlamadan önce 2 ye de Arz gönderir. OLT Tx Rx 6000 Bytes RTT Kuyruklama tablosu (Polling table) Yeni Arz gönderilirken 1 ve 2 arasında veri çarpışması olmayacak şekilde gönderilir. Tx 1 Rx Tx 2 Rx Tx 3 Rx x 6000 bytes x slot boyutunda arz y - y slot boyutunda talep 33 z - Kullanıcı verisi (z boyutunda çoklu Ethernet paketi)

34 IPACT: Adım 3 Benzer bir şekilde 2 den veri alımı yapılmaya başlamadan önce 3 e Arz gönderilir. 1 den ilk bit alındığında tablo RTT verisi için güncellenir. 1 den REPORT mesajı alındığında tablo kuyruk boyutu için güncellenir. OLT Tx 1 Rx Tx 2 Rx Tx 3 Rx Tx Rx 6000 Bytes RTT x y bytes x slot boyutunda arz bytes y slot boyutunda talep 3200 bytes 3200 Bytes RTT z - Kullanıcı verisi (z boyutunda çoklu Ethernet paketi)

35 IPACT: Adım 4 2 den ilk bit alındığında tablo RTT verisi için güncellenir Bytes RTT Bytes RTT Bytes RTT den REPORT mesajı alındığında tablo kuyruk boyutu için güncellenir. Tx OLT Rx Tx 1 Rx bytes 6000 bytes bytes 5700 OLT Alıcı (Receiver) kanalı neredeyse %100 kullanıldı. Tx 2 Rx Tx 3 Rx x 3200 bytes x slot boyutunda arz bytes y - y slot boyutunda talep 35 z - Kullanıcı verisi (z boyutunda çoklu Ethernet paketi)

36 Sistem Parametreleri Parametre Açıklama Değer N sayısı 16 R U Kullanıcı hat hızı 100 Mbps R N EPON hat hızı 1000 Mbps Q buffer boyutu 10 Mb B Koruma aralığı 5 s T Devir zamanı 2 ms* 36 *Sabit atama için sabit devir zamanı; Dinamik atama için maksimum devir zamanı

37 Uzun-Erişimli PON Long-Reach PON (LR-PON) Kapsama alanının genişletilmesi 20km den 100km veya daha fazlasına Aktif bölgeler azaltılıyor. Daha etkili bir ağ Daha yüksek bantgenişliği Daha fazla son kullanıcı Yüksek enerji verimliliği Düşük maliyet 37

38 Toploji: Ağaç yada Halka Ağaç-ve-Dal LR-PON (Tree-and-Branch LR-PON) Halka-ve-Çıkıntı LR-PON (Ring-and-Spur LR-PON) OLT 90km OLT RN n 90km Splitter Splitter RN 1 RN 2 38

39 Halka-ve-Çıkıntı LR-PON İki boyutlu kapsama arızalara karşı koruma için Mevcut metro ağlarının yeniden kullanımı Maliyet-verimli Genişletilmiş kapsama Entegre sistem Daha az aktif bölge Düşük sermaye giderleri (CapEx) ve operasyonel giderler (OpEx) Splitter Central Office OLT λ 1 λ n Remote Node n OADM-based Remote Node 1 Splitter Remote Node 2 λ2 Splitter 39

40 Uzun-Erişim Genişbant Erişim Long-Reach Broadband Access P 2,2 P 1,2 P 1,1 λ1 λ1 ~ λ4 WR E/G-PON WR λ2 WE-PON Access Ring WR λ3 WR P 2,3 λ4 WDM-PON P P 3,1 1,3 WR WR WR Access Ring Metro Ring λ5 ~ λ9 WR Access Ring WR WR WR λ10 ~ λ16 WR P 2,1 λ1~ λ16 P 3,3 OLT Backbone Network P 3,2 100 Km ACK: ETRI Korea and NSF 40

41 Kablosuz Optik Genişbant Erişim Ağları Wireless Optical Broadband Acess Networks - WOBAN 41

42 WOBAN WOBAN değişik teknolojilerin birbirlerini tamamlayan özelliklerini birleştiriyor Optik ağlar Yüksek kapasite ve dayanırlılık Kablosuz ağlar Esneklik, serbest erişim ve maliyet verimliliği Kablosuz ön kısım Kablosuz örgüsel (mesh) ağ Optik arka kısım - PON 42

43 WOBAN Yönlendirme Algoritmaları Gecikme-FarkındalıYönlendirme (Delay-aware routing) Kablosuz hatların durumunu tahmin eder Kablosuz mesh de ortalama paket gecikmesini minimize eder Geleneksel en kısa yol algoritmalarına kıyaslandığında daha iyi yük dengelemesi ve daha az tıkanma olur Kapasite- ve Gecikme-FarkındalıYönlendirme (Capacity- and Delay-aware routing) Sınırlı kablosuz radyo kapasitesi Gecikmeyi minimize ve işlem hacmini (throughput) maksimize eder Risk- ve Gecikme-FarkındalıYönlendirme (Risk- and Delay-aware routing) Paket gecikmesini minimize eder Çoklu arıza senaryoları için (OLT,, Mesh düğümü, gateway arızası veya fiber kopması gibi) paket kaybını azaltır. 43

44 Soru-Cevap Haftaya: Optik Metro Ağlar 44