Jensi's Blog

IEEE 802 Architektur

Im Standard 802 wird angenommen, dass alle Stationen in einem LAN durch ein “Shared Medium” miteinander verbunden sind. Sie befinden sich in einer gemeinsamen Zugriffsdomäne und jede Station kann mit jeder anderen direkt kommunizieren.

Unterschiedliche Zugriffsdomänen können mit einer Bridge verbunden werden. Eine Bridge kennt alle MAC-Adressen in jeder Zugriffsdomäne. Eine Bridge leitet deshalb ein Paket nur dann weiter, wenn es in der Zugriffsdomäne nicht zugestellt werden kann. Demzufolge würde sie ein Paket auch nicht in eine Zugriffsdomäne zurückschicken, aus der sie es erhalten hat. Dabei stoßen wir auf das folgende Problem:

Im EPON sind alle Stationen (ONU’s) durch einen Port mit dem OLT verbunden. Würde sich der OLT verhalten wie eine LAN-Bridge, würde er ein Paket, was er empfangen hat, nie auf dem gleichen Port wieder zurückschicken. Die angeschlossenen ONU’s können nicht direkt auf Layer 2 miteinander kommunizieren. Um die 802.3 MAC Operationen weiterhin zu unterstützen, wurde die “Logical Topology Emulation (LTE)” eingeführt. Sie agiert unterhalb des MAC-Layers. Die MAC-Frames werden mit “Logical Link Identifiern (LLID’s)” getaggt. Der Tag befindet sich in der Präambel des Ethernet-Frames und wird unterhalb des MAC-Layers beim Sender eingefügt und beim Empfänger entfernt, bevor das Paket den MAC erreicht.

Point-to-Point Emulation

• gleiches Verhalten wie in einem geswitchten LAN
• der OLT hat für jede angeschlossene ONU einen virtuellen MAC-Port mit der LLID des jeweiligen ONU
• P2PE-Funktion im ONU vergleicht bei empfangenem Paket die LLID des Paketes mit der eigenen, wenn beide identisch sind wird der Frame an den MAC weitergeleitet

Shared Medium Emulation

• es gibt eine Broadcast-LLID (0x7FFF)
• der OLT benötigt nur einen einzigen MAC-Port mit seiner eigenen LLID
• Downstream: OLT sendet das Paket mit der Broadcast-LLID
• Upstream: Der OLT schickt den empfangenen Frame im Downstream zurück an alle Stationen
• Der ONU akzeptiert einen Frame nur, wenn die LLID nicht seine eigene ist oder die Broadcast-LLID

Kombinierte P2PE + SME

• Aufteilung der LLID in 2 Felder
• 1 Bit = Mode-Feld (0 = P2PE, 1 = SME)
• 15 Bit LLID

mehrere Access Domains

• Aufteilung der LLID in 3 Felder
• 1 Bit = Mode Bit (P2PE/SME)
• 3 Bit = Gruppen-ID -> Insgesamt 8 Access Domains möglich
• 12 Bit = LLID (2047 Stationen)

Standard 802.3ah

• P2PE mit SCB-Port (Single Copy Broadcast)
• standardmäßig wird im Point-to-Point Modus gearbeitet
• der OLT besitzt die Möglichkeit, über den SCB-Port Multicast-Pakete an alle Stationen zu schicken
• die ONU’s können keine Pakete an den SCB-Port schicken, da sonst ein STP-Loop möglich wäre
• der SCB-Port darf deshalb nicht an eine 802.1D Bridge angeschlossen werden!
• übrig geblieben ist auch noch das Mode-Bit, was allerdings keinen Nutzen hat.

Filterregeln für Pakete

Infrastruktur heute

Durch die ständig wachsende Nutzung des Internet für die Übertragung von Daten, Telefonie und Video wächst der Bandbreitenbedarf enorm. Leider sind die vorhandenen Kommunikationsnetze schon vor Jahren aufgebaut worden, als die zu übertragenden Daten fast ausschließlich Telefongespräche waren. Die Access- und Carriernetzwerke sind demzufolge für diese Übertragung (kontinuierlicher, gleichmäßiger Datenstrom, feste Länge der Datenpakete) ausgelegt. Heutige Netze müssen sich mit burstartig auftretenden Daten mit variabler Paketlänge herumschlagen und versuchen diese Daten in kleine ATM-Zellen oder Zeitschlitze von TDMA basierten Übertragungsverfahren zu pressen.

Infrastruktur morgen

Das Passive Optical Network setzt genau an diesem Punkt an, bei der Anbindung des Kunden an das Backbone (First Mile). Im Moment sind viele Menschen über ADSL oder sogar Modem mit dem Internet verbunden. Eine Übertragung, welche das letzte Quäntchen Geschwindigkeit aus den vorhandenen Telefonleitungen herausquetscht. Die Zukunft liegt jedoch in der Übertragung über Glasfaserkabel (Fiber to the Home FTTH, Fiber to the Desk FTTD), die eine Übertragungsgeschwindigkeit von 1Gb/s im Up- und Downlink erreichen und eineReichweite von 20km und mehr haben (ADSL: 5,5km).

Von der Glasfaser zum PON

Nun ist es möglich, jedem Kunden eine eigene Glasfaser vom Central Office [CO] (Ortsvermittlungsstelle) ins Haus zu legen. Es entstünde ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk. Die Kosten sind enorm hoch, da die Verlegung von N Glasfasern extrem teuer ist. Außerdem müssen für jeden Kunden 2 Transceiver installiert werden, einer im CO und einer beim Kunden zu Haus.

Eine nächste Möglichkeit ist die Verlegung einer einzigen Glasfaser (Trunk) zu einem Switch, der sich kurz vor dem Kunden befindet. Somit müssen nur sehr kurze Glasfasern zu jedem Kunden verlegt werden. Der Nachteil dieser Architektur liegt darin, dass man noch 2 Transceiver zusätzlich zwischen CO und Switch benötigt, und der Switch eine aktive Netzwerkkomponente ist. Er benötigt also Strom und ist potentiell Fehleranfällig –> verursacht also Kosten.

Nun sind wir endlich beim Passive Optical Network angelangt. Wir tauschen den Switch aus Bild b) einfach gegen einen optischen Splitter aus, welcher das Signal auf die einzelnen Kundenleitungen aufteilt. Der passive Splitter benötigt keinen Strom und ist somit kostengünstiger und ausfallsicherer. Außerdem sparen wir pro PON-Installation 2 Transceiver. Wir arbeiten allerdings nun auf einem Point-to-Multipoint Netzwerk, und müssen uns um die gerechte Verteilung der Ressourcen kümmern, da nicht jeder Kunde gleichzeitig auf das Netz zugreifen kann.

[Die Bilder stammen aus "Glen Kramer - Ethernet Passive Optical Networks"]

Ethernet, ATM oder GFP

Jetzt bleibt natürlich noch die Frage, welches Layer2 Übertragungsprotokoll denn auf dem PON laufen soll. Die Entwicklung des PON beginnt schon in den späten 80er Jahren. Damals wurde ein ATM-PON entwickelt (APON oder BPON [Broadband-PON]). ATM sollte als universelles Transportprotokoll für Voice, Video und Daten eingesetzt werden, was sich allerdings später als nicht praktikabel erwies. Die kleinen ATM-Zellen hatten einen verhältnismäßig großem Overhead, waren für die perfekte Übertragung von Sprachdaten zu groß und für andere Daten zu klein. Es sollte sich später herausstellen, dass sich Ethernet im Heim- und Firmenbereich durchsetzen und sehr preiswert erhältlich sein wird. Dank Gigabit-Ethernet und QoS wird dieses universelle Protokoll auch im Backbonebereich eingesetzt und nach und nach alles andere ablösen. GFP (Generic Framing Procedure) basiert auch auf ATM, und hat ähnliche Nachteile.

Damit man die Heimnetze, Firmennetze und Backbones nahtlos anbinden kann, ist ein PON auf Ethernetbasis die beste Entscheidung (EPON). Ethernet hat variable Framegrößen bis 1500 Byte, in der sich ohne viel Overhead und Fragmentierung die Nutzdaten verstauen lassen.