Что является причиной задержек в пассивной сети
Немного об оптимизации задержки передачи данных
Низкая задержка — важный фактор, обеспечивающий надежную работу и высокую производительность сетей. Приложения для общения в реальном времени, стриминга и проведения транзакций сильно зависят от времени ожидания. Увеличение задержки всего на несколько миллисекунд может привести к искажению изображения и голосов, «зависанию» приложений и финансовым потерям.
Провайдеры стараются следить за пропускной способностью сети и колебанием задержек, но увеличение «ширины» канала часто не влияет на задержку в работе сети. В этом материале мы рассмотрим основные причины задержки и способы борьбы с ней.
Задержка и ее влияние на качество связи
В сетях, основанных на пакетном обмене, связь между задержкой и пропускной способностью неоднозначна и сложна в определении. При этом время ожидания складывается из следующих компонентов:
Управление трафиком
Специалисты компании Ashton, Metzler & Associates определяют термин «управление трафиком» как возможность сети обрабатывать разные виды трафика с разным приоритетом.
Этот подход используется в сетях с ограниченной пропускной способностью при работе важных приложений, чувствительных к задержкам. Управление может означать ограничение трафика для конкретных сервисов, например, электронной почты, и выделение части канала под работу критически важных бизнес-приложений.
Для управления трафиком и качеством связи в сети организации инженеры рекомендуют:
Использование NID
Устройства сетевого интерфейса (NID) дают возможность проводить мониторинг и оптимизацию трафика при небольших затратах. Обычно такие устройства устанавливаются на территории абонента: сетевых вышках и прочих точках перехода между сетями операторов.
NID обеспечивают контроль за всеми компонентами сети. Если такое устройство поддерживает H-QoS, то провайдер может не только следить за работой сети, но и проводить индивидуальную настройку параметров для каждого подключенного пользователя.
Кэширование
Относительно небольшое увеличение пропускного канала само по себе не решит проблему низкой производительности сетевых приложений. Кэширование помогает ускорить доставку контента и оптимизировать нагрузку на сеть. Этот процесс можно рассматривать как технику ускорения хранилища ресурсов — сеть работает быстрее, будто после обновления.
Обычно в организациях кэширование используется на нескольких уровнях. Стоит отметить так называемое прокси-кэширование. Когда пользователь запрашивает какие-либо данные, его запрос может быть выполнен локальным прокси-кэшем. Чем выше вероятность исполнения такого запроса, тем сильнее освобождается сетевой канал.
Прокси-кэши являются своего рода общей кэш-памятью: работают с большим числом пользователей и очень хороши в сокращении времени ожидания и сетевого трафика. Одним из полезных вариантов применения прокси-кэширования является возможность удаленного подключения нескольких сотрудников к набору интерактивных веб-приложений.
Сжатие данных
Основная задача сжатия данных — сократить размер файлов, которые передаются по сети. В некоторой степени сжатие похоже на кэширование и может дать эффект ускорения, как при увеличении пропускной способности канала. Один из самых распространённых методов сжатия — алгоритм Лемпеля – Зива – Велча, который используется, например, в ZIP-архивировании и утилите сжатия UNIX.
Однако в некоторых ситуациях компрессия данных может привести к проблемам. Например, сжатие плохо масштабируется в плане использования ресурсов оперативной памяти и процессора. Также компрессия редко приносит пользу, если трафик зашифрован. При использовании большинства алгоритмов шифрования на выходе получаются мало повторяющиеся последовательности, поэтому такие данные не могут быть сжаты стандартными алгоритмами.
Для эффективной работы сетевых приложений необходимо решать проблемы с пропускной способностью и задержкой одновременно. Сжатие данных направлено на разрешение только первой проблемы, поэтому так важно применять её в связке с методиками управления трафиком.
Одностороннее сжатие данных
Существует альтернативный подход к сжатию данных — это системы оптимизации веб-контента, размещенные на одной стороне канала передачи данных. Такие системы используют технологии оптимизации веб-страниц, различные стандарты сжатия, методы оптимизации изображений, дельта-кодирование и кэширование. Они позволяют добиться сжатия информации в 2–8 раз в зависимости от содержимого.
У этих инструментов есть некоторые преимущества перед двусторонними решениями и прокси-кэшированием. Они значительно дешевле в установке и управлении, чем двусторонние. Кроме того, такие системы могут определять скорость соединения, тип браузера, оптимизировать не только статический, но и динамический контент для конкретного пользователя.
К недостатку одностороннего сжатия относится то, что с его помощью оптимизировать можно только работу отдельно взятых программ и сайтов.
Сегодня инженеры постоянно проводят исследования, стараясь повысить производительность и эффективность сетей. Группа IEEE 802.1Qau разрабатывает улучшенные методы управления, которые позволят устранить потерю пакетов при перегрузке портов, команда Internet Engineering Task Force создает протокол для канального уровня связи, способный обеспечить кратчайшее соединение с помощью Ethernet.
Также ведутся работы над улучшением выборки данных для передачи, чтобы распределять неиспользуемые части соединения для различных классов трафика.
Поддержание высокого качества соединения в сетях — важная задача для современных организаций. Это позволяет предоставлять клиентам лучшие сервисы и использовать ресурсы сети по максимуму.
Если вам интересна тема оптимизации процессов передачи, хранения и обработки данных, то можете обратить внимание на несколько других материалов из нашего блога:
Что вызывает сетевое отставание и как его исправить
Высокая задержка также может привести к большим задержкам. Например, ваша видеоигра может иметь большую задержку, что иногда приводит к зависанию игры и не дает живое обновление других игроков. Меньшее количество задержек означало бы, что соединение испытывает меньшую задержку.
Сетевое отставание происходит по нескольким основным причинам, а именно по расстоянию и перегрузке. В некоторых случаях вы можете исправить интернет-задержку, настроив взаимодействие устройства с сетью.
Задержка и пропускная способность
Задержка и пропускная способность тесно связаны, но это два разных термина по определенной причине. Чтобы понять, что вызывает высокую задержку, важно отличать ее от высокой пропускной способности.
Если ваше интернет-соединение было показано как канал, по которому передаются данные, пропускная способность будет указывать на физический размер канала. Действительно маленький канал (с низкой пропускной способностью) не может одновременно хранить много данных, тогда как толстый канал (с высокой пропускной способностью) может передавать гораздо больше данных за раз. Пропускная способность часто измеряется в Мбит / с.
Задержка — это просто задержка, измеряемая в мс. Это время, необходимое для перемещения информации с одного конца канала на другой. Это также называется скоростью пинга.
Скорость света в компьютерной сети
Сетевой трафик не может двигаться быстрее скорости света. В домашней или локальной сети расстояние между устройствами настолько мало, что скорость света не имеет значения. Для интернет-соединения, однако, это становится фактором.
В идеальных условиях свету требуется примерно 5 мс, чтобы проехать 1000 миль (около 1600 километров). Кроме того, большая часть интернет-трафика на большие расстояния проходит по кабелям, которые не могут передавать сигналы так быстро, как свет, из-за принципа физики, называемого «преломление». Например, для передачи данных по оптоволоконному кабелю требуется, по крайней мере, 7,5 мс для прохождения 1000 миль.
Типичные задержки интернет-соединения
Помимо физических ограничений, дополнительная сетевая задержка возникает, когда трафик направляется через серверы и другие магистральные устройства. Типичная задержка подключения к Интернету также варьируется в зависимости от его типа.
В исследовании « Измерение широкополосной связи в Америке» (опубликовано в конце 2018 года) сообщалось о следующих типичных задержках интернет-соединения для распространенных форм широкополосного обслуживания в США:
Как исправить задержку
Задержка может колебаться в небольших количествах от одной минуты до следующей, но может быть заметно дополнительное отставание даже от незначительного увеличения. Ниже приведены типичные причины отставания в Интернете, некоторые из которых полностью вне вашего контроля:
Замените или добавьте роутер. Любой маршрутизатор в конечном итоге выйдет из строя, если слишком много клиентов используют его одновременно. «Конкуренция» в сети между несколькими клиентами означает, что они иногда ждут обработки запросов друг друга, что приводит к задержке.
Вы можете заменить маршрутизатор более мощной моделью или добавить другой маршрутизатор в сеть, чтобы облегчить эту проблему. Точно так же конфликт сети происходит при подключении резидента к интернет-провайдеру, если он насыщен трафиком.
Сканирование и удаление вредоносных программ. Сетевой червь похищает компьютер и его сетевой интерфейс, который может привести к его выполнению медлительно, подобно перегружено. Запуск антивирусного программного обеспечения на устройствах, подключенных к сети, помогает обнаруживать и удалять этих червей.
Используйте проводное соединение вместо беспроводного. Например, онлайновые геймеры часто предпочитают запускать свои устройства через проводной Ethernet вместо Wi-Fi, потому что Ethernet поддерживает меньшие задержки. Хотя на практике экономия обычно составляет всего несколько миллисекунд, проводные соединения также исключают риск помех, которые могут привести к значительной задержке.
Большинство браузеров по умолчанию кэшируют файлы, но если вы удаляете кэш браузера слишком часто, вы заметите, что загрузка тех же страниц, которые вы только что посещали, занимает больше времени.
Другие причины проблем с задержкой
Некоторые проблемы с задержкой могут быть исправлены, но ниже приведены проблемы с задержкой, которые обычно не контролируются вами.
Транспортная нагрузка
Пики в использовании интернета в пиковое время суток часто вызывают задержки. Характер этой задержки зависит от поставщика услуг и географического местоположения человека. К сожалению, кроме перемещения мест или смены интернет-сервиса, отдельный пользователь не может избежать такого рода задержки.
Загрузка онлайн-приложения
Беспроводные помехи
Lag Switches
Сколько задержек слишком много?
Влияние задержки зависит от того, что вы делаете в сети, и, в некоторой степени, от уровня производительности сети, к которому вы привыкли.
В целом, онлайн-приложения работают лучше всего, когда задержка в сети остается ниже 100 мс; Любая дополнительная задержка будет заметна для пользователей.
Активные и пассивные оптические сети: преимущества, недостатки
В оптоволоконных сетях данные передаются в виде световых сигналов. В процессе такого обмена информацией необходимо отделять различные пакеты данных друг от друга и отсылать их в соответствующих направлениях.
Виды оптических систем
На сегодняшний день существует два основных вида систем, которые позволяют осуществлять соединение типа FTTH:
Обе системы предоставляют возможность разделять данные и направлять их по соответствующему адресу, и при этом каждая из них имеет свои преимущества и недостатки.
Особенности построения
В системах с активной оптикой используется коммутационное оборудование, требующее подключения к электрической сети. Для осуществления обработки протекающей в сети информации используются различные коммутаторы и маршрутизаторы, которые обрабатывают поступающие на них данные и перенаправляют их по нужному адресу.
В пассивных оптоволоконных системах, напротив, нет никакого оборудования, питающегося от электричества. Вместо этого здесь используются специальные оптические разветвители, которые самостоятельно разделяют и группируют оптические сигналы, проходящие сквозь них. Таким образом, питание здесь необходимо только для источников и приемников данных.
В некоторых случаях системы типа FTTH могут одновременно состоять из активных и пассивных элементов. Такие системы называют гибридными.
Пассивные системы: преимущества, недостатки
Преимущества
Пассивные оптические сети имеют ряд явных преимуществ. Благодаря тому, что каждое оптическое волокно кабеля такой сети может обслуживать одновременно до 32 пользователей, такие системы являются очень эффективными. В сравнении с активными оптическими сетями, пассивные намного более экономичны в установке и дальнейшем техническом обслуживании. А поскольку в них используется намного меньше подвижных электрических частей, вероятность поломки в них намного ниже.
Недостатки
Есть у пассивных сетей и свои недостатки. С их помощью можно передавать информацию на более короткие расстояния, чем это возможно в активных сетях. Это значит, что пользователи таких сетей должны быть ближе расположены к центральному источнику данных, что значительно ограничивает сферу применения пассивных систем. Следующий минус заключается в том, что при возникновении поломки в такой сети очень сложно выявить ее местонахождение.
И, наконец, пропускная способность пассивных оптических сетей не предназначена для работы с индивидуальными ее абонентами, что сказывается на снижении скорости передачи данных во время их перегруженности. Это также становится причиной т.н. задержек, что особенно заметно при потоковом воспроизведении аудио и видео, для которых очень важна постоянная скорость передачи данных.
Активные системы: преимущества, недостатки
Преимущества
Активные оптические сети также имеют определенные преимущества над пассивными. Абоненты подобных сетей могут самостоятельно выбирать оборудование, которое будет обеспечивать необходимую им дальность передачи данных, а также расширять свою сеть без необходимости ее реструктуризации.
Недостатки
Говоря о слабых сторонах активных систем, стоит упомянуть необходимость установки коммутаторов для каждых 48 абонентов сети. А поскольку активные системы требуют электропитания, они намного менее надежны в сравнении со своими пассивными аналогами.
Что такое задержка сети и как ее исправить?
Задержка сети — это время между действием пользователя и полученным ответом. На практике задержка — это время между действием пользователя и ответом веб-сайта, или приложения на это действие, например задержка между переходом пользователя по ссылке на веб-страницу и отображением этой веб-страницы в браузере.
Хотя данные в Интернете распространяются со скоростью света, последствия расстояний и задержек, вызванных оборудованием инфраструктуры интернета, означают, что задержки никогда не могут быть полностью устранены. Однако их можно и нужно свести к минимуму. Большое количество задержек приводит к низкой производительности веб-сайта, негативно влияет на SEO и может побудить пользователей покинуть сайт или приложение в целом.
Что вызывает задержку интернета?
Одной из основных причин задержки сети является расстояние, в частности расстояние между клиентскими устройствами, выполняющими запросы, и серверами, отвечающими на эти запросы. Если веб-сайт размещен в центре обработки данных в Колумбусе, штат Огайо, он будет довольно быстро реагировать на запросы пользователей в Цинциннати (около 100 миль), вероятно, в течение 10-15 миллисекунд. Пользователи в Лос-Анджелесе (около 2200 миль), с другой стороны, столкнутся с более длительными задержками, ближе к 50 миллисекундам.
Увеличение на несколько миллисекунд может показаться не очень большим, но это усугубляется всей обратной связью, необходимой клиенту и серверу для установления соединения, общим размером и временем загрузки страницы, а также любыми проблемами с сетевым оборудованием, через которое проходят данные на этом пути. Время, необходимое для ответа на клиентское устройство после запроса клиента, называется временем приема-передачи (RTT).
Данные, проходящие через интернет, как правило, должны пересекать не одну, а несколько сетей. Чем больше сетей должен пройти HTTP-ответ, тем больше возможностей для задержек. Например, когда пакеты данных пересекают сети, они проходят через точки обмена интернет (IXP). Там маршрутизаторы должны обрабатывать и маршрутизировать пакеты данных, а иногда маршрутизаторам может потребоваться разбить их на более мелкие пакеты, все из которых добавляет несколько миллисекунд к RTT.
Кроме того, способ создания веб-страниц может привести к снижению производительности. Веб-страницы, которые содержат много тяжелого контента или загружают контент от нескольких третьих сторон, могут работать вяло, потому что браузеры должны загружать большие файлы для их отображения. Пользователь может находиться рядом с центром обработки данных, на котором размещен веб-сайт, к которому он обращается, но, если веб-сайт содержит несколько изображений высокой четкости (например), при загрузке изображений может сохраняться некоторая задержка.
Задержка, bandwidth, throughput
Задержка, throughput (характеристика процесса передачи информации) и bandwidth (ширина полосы) взаимосвязаны, и они измеряют разные вещи. Bandwidth — это максимальный объем данных, который может пройти через сеть в любой момент времени. Throughput — это средний объем данных, который фактически проходит через определенный период времени. Throughput не обязательно эквивалентна bandwidth, поскольку на нее влияет задержка. Задержка — это измерение времени, а не объема данных, загружаемых с течением времени.
Как можно уменьшить задержку?
Использование CDN (сети доставки контента) является важным шагом на пути к сокращению задержки. CDN кэширует статическое содержимое, чтобы значительно уменьшить RTT. Серверы CDN распределены в нескольких местах, так что контент хранится ближе к конечным пользователям и не нужно путешествовать так далеко, чтобы добраться до них. Это означает, что загрузка веб-страницы займет меньше времени, улучшая скорость и производительность веб-сайта.
Веб-разработчики также могут минимизировать количество ресурсов, блокирующих рендеринг (например, загрузка JavaScript), оптимизировать изображения для более быстрой загрузки и уменьшить размеры файлов, где это возможно. Минификация кода — это один из способов уменьшения размера файлов JavaScript и CSS.
Возможно, для уменьшения задержки, стратегически загрузки определенных ресурсов. Веб-страницу можно настроить так, чтобы она сначала загружала верхнюю часть, чтобы пользователи могли начать взаимодействовать со страницей еще до ее завершения (над сгибом отображается то, что отображается в окне браузера перед прокруткой вниз). Веб-страницы также могут загружать ресурсы только по мере необходимости, используя метод, известный как отложенная загрузка. Эти подходы на самом деле не улучшают задержку сети, но они улучшают восприятие пользователем скорости страницы.
Как пользователи могут исправить задержку на своей стороне?
Иногда, задержка сети вызвана проблемами на стороне пользователя, а не на стороне сервера. Потребители всегда имеют возможность приобрести больше пропускной способности, если задержка является постоянной проблемой, хотя пропускная способность не является гарантией производительности веб-сайта. Переключение на провод вместо WiFi приведет к более последовательному подключению к интернету и, как правило, улучшает скорость интернета. Пользователи также должны убедиться, что их интернет-оборудование обновлено, регулярно применяя обновления прошивки и заменяя оборудование в целом по мере необходимости.
На видео: Устройство интернет сети за 15 минут.
все о пассивных оптических сетях (PON)
Пару лет назад мы уже публиковали краткий ознакомительный материал о пассивных оптических сетях (PON). Однако в те времена рынок еще только присматривался к этой относительно молодой технологии – в мире только-только появлялись первые инсталляции PON-сетей и счет их шел на единицы. О приходе же PON в Беларусь тогда еще и речи не было. Сегодня ситуация изменилась: PON отлично показал себя в крупных операторских сетях по всему миру, и постепенно идет в массы, становясь доступным и привлекательным решением последней мили и для более мелких провайдеров.
В Беларуси тоже наметилась подвижка – оборудованием PON производства компании Terawave Communications занялась фирма Solo. О чем с радостью и сообщила на семинаре, проходившем в Минске 9 августа.
Вот вам и хороший повод для большого, подробного и доходчивого технического материала по PON, вступление к которому вы сейчас и читаете 🙂
Об оборудовании же мы расскажем в ближайших номерах, следите за рубрикой hardware.
архитектура сетей PON
Развитие сети Internet, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту передаваемых по сети потоков данных и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения необходимо учитывать:
— разнообразие потребностей абонентов;
— потенциал для развития сети;
— экономичность.
На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные решения, так и дожидаться появления более современной технологии. Тем более, что на взгляд авторов такая технология уже появилась – это технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network).
Распределительная сеть доступа PON, основанная на древовидной волоконной кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, возможно, представляется наиболее экономичной и способной обеспечить широкополосную передачу разнообразных приложений. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания как узлов сети, так и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.
Строительство сетей доступа в настоящее время главным образом идет по четырем направлениям:
— сети на основе существующих медных телефонных пар и технологии xDSL;
— гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC);
— беспроводные сети;
— волоконно-оптические сети.
Использование постоянно совершенствующихся технологий xDSL – это самый простой и недорогой способ увеличения пропускной способности существующей кабельной системы на основе медных витых пар. Для операторов когда требуется обеспечить скорость до 1-2 Мбит/c такой путь является наиболее экономичным и оправданным. Однако, скорость передачи до десятков мегабит в секунду на существующих кабельных системах, с учетом больших расстояний (до нескольких км) и низкого качества меди, представляется непростым и достаточно дорогим решением.
Другое традиционное решение – гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC, Hybrid Fiber-Coaxial). Подключение множества кабельных модемов на один коаксиальный сегмент приводит к снижению средних затрат на построение инфраструктур сети в расчете на одного абонента и делает привлекательным такие решения. В целом же здесь сохраняется конструктивное ограничение по полосе пропускания.
Беспроводные сети доступа могут быть привлекательны там, где возникают технические трудности для использования кабельных инфраструктур. Беспроводная связь по своей природе не имеет альтернативы для мобильных служб. В последние годы наряду с традиционными решениями на основе радио- и оптического Ethernet доступа, все более массовой становится технология WiFi, позволяющая обеспечить общую полосу до 10 Мбит/c и в ближайшей перспективе до 50 Мбит/c.
Следует отметить, что для трех перечисленных направлений дальнейшее увеличение пропускной способности сети связано с большими трудностями, которые отсутствуют при использовании такой среды передачи, как волокно.
Таким образом, единственный путь, который позволяет заложить способность сети работать с новыми приложениями, требующими все большей скорости передачи – это прокладка оптического кабеля (ОК) от центрального офиса до дома или до корпоративного клиента. Это весьма радикальный подход. И еще 5 лет назад он считался крайне дорогим. Однако в настоящее время благодаря значительному снижению цен на оптические компоненты этот подход стал актуален. Сегодня прокладывать ОК для организации сети доступа стало выгодно и при обновлении старых, и при строительстве новых сетей доступа (последних миль). При этом имеется множество вариантов выбора волоконно-оптической технологии доступа. Наряду со ставшими традиционными решениями на основе оптических модемов, оптического Ethernet, технологии Micro SDH появились новые решения с использованием архитектуры пассивных оптических сетей PON.
основные топологии оптических сетей доступа
Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: «точка-точка», «кольцо», «дерево с активными узлами», «дерево с пассивными узлами».
Топология P2P (рис.1) не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.
Кольцевая топология (рис. 2.) на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит также хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратится в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную – “сжатых” колец (collapsed rings), что значительно снижает надежность сети. Фактически, главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.
Рис. 2. Топология «кольцо».
дерево с активными узлами
Дерево с активными узлами (рис. 3.) – это экономичное с точки зрения использования волокна решение. Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям, коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.
Рис. 3. Топология «дерево с активными узлами».
дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP)
Решения на основе архитектуры PON (рис. 4.) используют логическую топологию «точка-многоточка» P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.
Рис. 4. Топология «Дерево с пассивным оптическим разветвлением».
Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. В меньшей степени обращают внимание на другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так, по оценкам компании NTT конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу оказывается экономичнее, чем сеть точка-точка, хотя сокращение длины оптического волокна практически нет! Более того, если расстояния до абонентов не велики (как в Японии) с учетом затрат на эксплуатацию (в Японии это существенный фактор) оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.
Преимущества архитектуры PON:
— отсутствие промежуточных активных узлов; экономия волокон;
— экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;
— легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных).
Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети.
К недостаткам можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.
прицип действия PON
Основная идея архитектуры PON – использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONT и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рис.5.
Число абонентских узлов, подключенных к одному приемо-передающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT – прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1550 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (нисходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Рис. 5. Основные элементы архитектуры PON и принцип действия
Прямой поток на уровне оптических сигналов, является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически, мы имеем дело с распределенным демультиплексором.
Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Для того, чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальные расписания по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC.
Некоторые стандарты ITU-T, регламентирующие технологию xPON.
В середине 90-х годов общепринятой была точка зрения, что только протокол ATM способен гарантировать приемлемое качество услуг связи QoS между конечными абонентами. Поэтому FSAN, желая обеспечить транспорт мультисервисных услуг через сеть PON, выбрал за основу технологию ATM. В результате в октябре 1998 года появился первый стандарт ITU-T G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек ATM в дереве PON и получивший название APON (ATM PON). Далее в течение нескольких лет появляется множество новых поправок и рекомендаций в серии G.983.x (x=1–7), скорость передачи увеличивается до 622 Мбит/c. В марте 2001 года появляется рекомендация G.983.3, добавляющая новые сущности в стандарт PON:
— передачу разнообразных приложений (голоса, видео, данные) – это фактически позволило производителям добавлять соответствующие интерфейсы на OLT для подключения к магистральной сети и на ONT для подключения к абонентам;
— расширение спектрального диапазона – открывает возможность для дополнительных услуг на других длинах волн в условиях одного и того же дерева PON, например, шировещательное телевидение на третьей длине волны (triple play).
За расширенным таким образом стандартом APON закрепляется название BPON (broadband PON).
APON сегодня допускает динамическое распределение полосы DBA (dynamic bandwidth allocation) между различными приложениями и различными ONT и рассчитан на предоставление как широкополосных, так и узкополосных услуг.
Оборудование APON разных производителей поддерживает магистральные интерфейсы: SDH (STM-1), ATM (STM-1/4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, видео (SDI PAL), и абонентские интерфейсы E1 (G.703), Ethernet 10/100Base-TX, телефония (FXS).
Из-за шировещательной природы прямого потока в дереве PON и потенциально существующей возможности несанкционированного доступа к данным со стороны ONT, которому эти данные не адресованы в APON предусмотрена возможность данных в прямом потоке с использованием техники шифрования с открытыми ключами. Необходимости в шифровании обратного потока нет, поскольку OLT находится на территории оператора.
Основные сведения стандарта PON G.983.1
GPON
Архитектуру сети доступа GPON (Gigabit PON) можно рассматривать как органичное продолжение технологии APON. При этом реализуется как увеличение полосы пропускания сети PON, так и повышение эффективности передачи разнообразных мультисервисных приложений. Стандарт GPON ITU-T Rec. G.984.3 GPON был принят в октябре 2003 года.
GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c, поддерживает как симметричную битовую скорость в дереве PON для нисходящего и восходящего потоков, так и ассиметричную и базируется на стандарте ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров), обеспечивая инкапсуляцию в синхронный транспортный протокол любого типа сервиса (в том числе TDM). Исследования показывают, что даже в самом худшем случае распределения трафика и колебаний потоков утилизация полосы составляет 93% по сравнению с 71% в APON, не говоря уже о EPON.
Если в SDH деление полосы происходит статично, то GFP (generic framing protocol), сохраняя структуру кадра SDH, позволяет динамически распределять полосу.
сравнение технологий APON, EPON, GPON
В таблице представлен сравнительный анализ этих трех технологий.
Примечания:
1 – обсуждается в проекте.
2 – стандарт допускает наращивание сети до 128 ONT.
3 – допускается передача в прямом и обратном направлении на одной и той же длине волны.
4 – осуществляется на более высоких уровнях.
А теперь – немного чисто технической конкретики о том, как работают сети PON. В качестве примера взята разновидность APON.
Взаимодействие абонентского узла с центральным начинается с установления соединения. После чего происходит передача данных. Все это выполняется в соответствии с протоколом APON MAC. В процессе установления соединения запускается процедура ранжирования (ranging), которая включает в себя: ранжирование по расстоянию, ранжирование по мощности и синхронизацию. Центральный узел, словно дирижер, обеспечивает слаженную работу всех абонентских узлов – оркестрантов.
Протокол MAC для систем доступа APON решает три задачи:
— исключение коллизий между передачами в обратном потоке;
— четкое, эффективное, динамическое деление полосы обратного потока;
— поддержание наилучшего согласования для транспорта приложений, инициированных конечными пользователями.
Протокол APON MAC основан на механизме запрос/разрешение. Основная идея состоит в отправке со стороны ONT запросов на требуемую полосу. На основании знаний о том, как загружен обратный поток, и какие услуги a priori закреплены за тем или иным ONT, OLT принимает решение по обработке эти запросов.
В основе инициализации сети PON лежат три процедуры: определение расстояний от OLT до разных ONT (distance ranging); синхронизация всех ONT (clock ranging); и определение при приеме на OLT интенсивностей оптических сигналов от разных ONT (power ranging).
ранжирование по расстоянию
Ранжирование по расстоянию (distance ranging) – определение временной задержки, связанной с удалением ONT от OLT – выполняется на этапе регистрации абонентских узлов, и требуется для того, чтобы обеспечить безколлизионный транспорт и создать единую синхронизацию в обратном потоке.
Сначала администратор сети заносит в OLT данные о новом ONT, его серийный номер, параметры предоставляемых ONT услуг. Затем после физического подключения к сети PON этого абонентского узла и включения питания на нем, центральный узел начинает процесс ранжирования. Ранжирование с ONT, который прописан в реестре OLT происходит каждый раз при включении ONT. При выключении и включении питания на OLT ранжирование происходит со всеми зарегистрированными ONT.
ОLT, посылая сигнал ранжируемому ONT, слушает отклик от него и на основании этого вычисляет временную задержку на двойном пробеге RTT (round trip time), затем в прямом потоке передает ONT вычисленное значение. На основании этого абонентский узел ONT вносит соответствующую задержку, которая предшествует началу отправки кадра в обратном потоке. Абонентские узлы, находящиеся на разном расстоянии будут вносить разные задержки. При этом одинаковой по всем абонентским узлам будет сумма вносимой аппаратной задержки и задержки распространения светового сигнала по оптическому пути от ONT к OLT.
С учетом того, что расстояния OLT-ОNT могут изменяться в больших пределах (стандарт G.983.1 определяет диапазон 0-20 км), оценим возможные вариации задержки. Если учесть, что скорость света в волокне составляет 2*105 км/c, то приросту расстояния OLT-ONT на 1 км будет соответствовать увеличение времени задержки на двойном пробеге на 10 мкс. А для расстояния 20 км RTT составит 0,2 мс. Фактически это минимальное теоретическое время, которое требуется OLT, чтобы выполнить ранжирование с одним ONT. Ранжирование по расстоянию большего числа абонентских узлов происходит последовательно и требует пропорционального возрастания суммарного времени ранжирования. В течение этого времени обратный поток не может использоваться для передачи данных другими ONT.
После того, как ранжирование по расстоянию выполнено, OLT на основании прописанных услуг для каждого ONT и с использованием протокола МАС принимает решение, какому абонентскому узлу передавать в каждом конкретном временном слоте.
Заметим, что общая задержка при отправлении кадра в обратный поток вносится не только конечным временем распространения сигнала по волокну, но и элементами электроники OLT и ONT. Задержка со стороны последних может испытывать небольшой дрейф, например вследствие колебаний температуры оборудования. По этому на этапе передачи данных OLT сообщает ONT о небольших подстройках задержки, вносимой в обратный поток – микроранжирование (micro ranging). В результате точность, с которой стабилизируются отправляемые кадры от разных ONT, составляет 2–3 бита.
ранжирование по мощности
Ранжирование по мощности (power ranging) – изменение порога дискриминации фотоприемника с целью повышения чувствительности фотоприемника или во избежании его нежелательного насыщения. Поскольку ONT удалены на разные расстояния от OLT, то и вносимые потери в оптические сигналы, при распространении по дереву PON будут разными. Это может привести к нарушению работы фотоприемников из-за слабости сигнала либо из-за перегрузки.
Возможны два варианта выхода из сложившейся ситуации – либо подстраивать мощность передатчиков ONT, либо подстраивать порог срабатывания на фотоприемнике OLT. Был выбран второй вариант как более надежный.
Подстройка порога срабатывания фотоприемника OLT происходит каждый раз при получении нового пакета ATM из обратного потока по преамбуле на основе измерения интегральной мощности в преамбуле пакета.
Подстройка по мощности также необходима на всех ONT. Она выполняется аналогичным путем, но только один раз прежде чем синхронизировать приемник на для работы с синхронным TDM потоком от OLT. Затем непрерывно подсчитывается интегральная мощность на ONT, и делается плавная подстройка порога дискриминации фотоприемника.
Синхронизация или ранжирование по фазе (phase ranging) необходима как для прямого, так и для обратного потока.
Абонентские узлы ONT синхронизируются вначале своей инициализации и затем все время поддерживают синхронизацию, подстраиваясь под непрерывный TDM трафика от OLT, и осуществляя, как принято называть, синхронный прием данных.
Напротив центральный узел OLT синхронизируется каждый раз по преамбуле вновь приходящего пакета ATM. Знания вычисленной на этапе ранжирования по расстоянию временной задержки со стороны ONT, отправившего этот пакет, здесь не достаточно – требуется большая точность. Метод приема данных с синхронизацией по преамбуле принято называть асинхронным. Синхронизация по преамбуле аналогична решению в технологии десятимегабитного Ethernet с размером преамбулы 64 бита (8 байт). Однако сохранить такого же размера преамбулы для относительно небольшого пакета ATM (в обратном потоке) означало бы кране неэффективное использование полосы. Для технологии APON была разработана новая методика синхронизации, основанная на методе CPA (clock phase alignment), позволяющая провести необходимую синхронизацию по получению всего трех бит! Больший размер преамбулы пакета ATM в обратном потоке был выбран постольку, поскольку преамбула также несет функцию обеспечения процедуры ранжирования по мощности.
структура кадра APON для прямого и обратного потока
Для управления механизмом запрос/разрешение, FSAN определил структуру кадра APON для прямого и обратного потока. Этот формат был стандартизирован ITU-T в рекомендации G.983.1. На рис. 6 представлен формат кадра APON для симметричного режима трафика 155/155Мбит/c. Кадр прямого потока состоит из 56 ячеек ATM по 53 байта. Кадр обратного потока состоит из 52 пакетов ATM по 56 байт и одного слота MBS общей длины также 56 байт, рассмотренного ниже.
Разрешения на передачу посылаются пачками (bursts) в специальных служебных ячейках ATM – двух на один кадр, которые называются ячейками работы и обслуживания физического уровня PLOAM (physical layer operation and maintenance). Они следуют строго регулярно, чередуясь с 27 ячейками данных. В одной ячейке PLOAM размещается 26 разрешений для ONT, каждое на передачу всего одного (!) пакета ATM. Оставшиеся 54 ячейки в кадре прямого потока несут данные и не задействуются для работы механизма запрос/разрешение.
Обратный поток представляет совокупность пачек данных (bursts) от разных ONT. Абонентский узел может передавать данные только после получения соответствующего разрешения прочитанного из ячейки PLOAM. Пачки данных от ONT в APON передаются пакетами ATM. Единственное отличие пакета ATM от ячейки в том, что пакет имеет дополнительно преамбулу 3 байта. Таким образом длина пакета ATM 56 байт. Преамбула не нужна для ячеек в прямом потоке из-за синхронного режима приема данных, как указывалось выше. Первые два бита преамбулы не содержат оптического сигнала, что является достаточным для устранения перекрытие пакетов от разных ONT – в линии неизбежны небольшие колебания задержки при распространении сигнала.
Если принять во внимание, что разрешение на передачу необходимо для каждого пакета ATM, то суммарное число прописанных в ячейках PLOAM разрешений за продолжительное время должно соответствовать числу пакетов ATM, испущенных всеми ONT за это время. Почему в PLOAM помещается 26 разрешений? Две ячейки PLOAM могут дать разрешения на передачу 52 пакетов ATM, ровно столько, сколько их есть в кадре ATM для обратного потока.
слот MBS
Слот многократных запросов MBS (multi burst slot) в обратном потоке является служебным. Он информирует OLT о характере запросов по передаче со стороны ONT. Этот слот имеет 8 подполей или минислотов, соответствующих различным ONT (рис. 7). Если система PON рассчитана на 32 абонентских узла, то передать свои сведения о запросах на передачу все 32 ONT смогут только после четырех последовательно переданных слотов MBS, что составляет цикл. В системе из 64 ONT, цикл состоит из восьми слотов MBS. Передача одного кадра при скорости 155 Мбит/с длится 0,15 мс. На передачу всего цикла при 32 ONT потребуется 0,6 мс Другими словами, с периодичностью 0,6 мс ONT посылает служебные запросы о намерениях передавать. Запрос ONT посылает, когда в его выходном буфере сформировалась очередь для передачи. Поскольку ОNT сможет передавать только после получения разрешения в ячейке PLOAM, то чтобы оценить максимальное время с момента, кода в буфере подготовлена очередь, до момента начала передачи, следует к времени цикла 0,6 мс добавить задержку на двойном пробеге RTT (для сети с радиусом 20 км RTT составляет 0,2 мс), и получается 0,8 мс. К этому значению могут быть добавлены аппаратные задержки на OLT и ONT.
Рис. 7. Структура слота MBS.
Минислот состоит и 4-х полей: преамбулы (3 байта), аналогичной преамбуле в пакете ATM; двух полей ABR/GFR и VBR, длиной 8 и 16 бит, соответствующих двум типам запросов на полосу; поля контрольной суммы CRC (8 бит).
надежность и резервирование в APON
Слабой стороной систем доступа APON с топологией простого дерева является отсутствие резервирования. Самым неблагоприятным в этом случае мог бы быть сценарий с повреждением волокна, идущего от OLT к ближайшему разветвителю (фидерного волокна). Теряет связь весь сегмент, подключенный по этому волокну – десятки абонентских узлов, сотни абонентов остаются без сети. Среднее время ремонта (MTTR, Mean Time To Repair) может варьироваться в больших пределах от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от оператора. В указанном случае однократного повреждения волокна наиболее отчетливо проявляется недостаток сети PON по сравнению с кольцевой топологией SDH.
Поэтому в уже в первой рекомендации G.983.1 в приложении IV обсуждался вопрос о построении защищенных систем APON. В силу специфики топологии PON, эта задача не является столь простой как в кольцевых топологиях SDH, поскольку полоса обратного потока в PON является общей и формируется множеством абонентских узлов. В рекомендациях G.983.1 предложено было изучить четыре различных топологии. Только две из них окончательно были выбраны для проработки в более поздней рекомендации G.983.5.
На рис. 8-10 показаны основные варианты построения резервных систем PON. Первое решение (рис. 8) обеспечивает частичное резервирование со стороны центрального узла. Для реализации данного решения требуется разветвитель 2xN. Центральный узел оснащается двумя оптическими модулями LT-1 и LT-2, в которых происходит терминирование двух волокон. В нормальном режиме при отсутствии повреждений волокон основной канал является активным, и по нему организуется дуплексная передача. Резервный канал – неактивный – лазерный диод на LT-2 выключен. Фотоприемник на LT-2 при этом может прослушивать обратный поток. Если повреждается идущее от центрального узла волокно основного канала, то автоматически активизируется приемо-передающая система LT-2, и на нее переключается модуль мультиплексирования, коммутации и кросс-коннекта на OLT, обеспечивая транспорт от интерфейсов магистрали. Для повышения надежности целесообразно брать фидерные волокна от разных, физически разнесенных оптических кабелей.
Рис. 8. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны центрального узла.
Частичное резервирование со стороны абонентского узла (рис. 9) позволяет повысить надежность работы абонентского узла. В этом случае требуется два оптических модуля LT-1 и LT-2 на абонентский узел. Переключение на резервный канал происходит аналогично предыдущему варианту. При резервировании абонентских узлов не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному потоку. Различие по стоимости абонентских узлов с резервированием (два модуля LT-1 и LT-2 ) и без него (один модуль LT) позволяет дифференцированно предлагать услуги различным категориям абонентов.
Рис. 9. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны абонентского узла.
На рис. 10 показан вариант с полным резервированием системы PON. Система становится устойчивой как к выходу из строя приемо-передающего оборудования OLT и ONT, так и к повреждению любого участка волоконно-оптической кабельной системы. Информационные потоки на ONT генерируются одновременно обеими узлами LT-1 и LT-2 и передаются в два параллельных обратных потока. На OLT только одна версия двух копий сигналов передается дальше на магистраль. Аналогично происходит дублирование трафика в прямом потоке. При повреждении волокна или приемо-передающих интерфейсов переключение на резервный поток будет очень быстрым и не приведет к прерыванию связи.
Петренко И.И, Убайдуллаев Р.Р., к.ф-м.н, Телеком Транспорт.
обсуждение статьи
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 08 за 2004 год в рубрике технологии