Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2011 13 1 Konfigurace a testování triple play služeb v pasivní optické síti Configuration and Testing of Triple Play Services in a Passive Optical Network Pavel Lafata, Matěj Rohlík lafatpav@fel.cvut.c, rohlimat@fel.cvut.cz Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze Abstrakt: Pasivní optické přístupové sítě představují perspektivní řešení v sektoru přístupových sítí pro poskytování náročných multimediálních služeb, vysokorychlostního přístupu k Internetu, ale i telefonních služeb prostřednictvím technologie VoIP (Voice over IP). V tomto článku je představeno pracoviště pasivní optické sítě EPON (Ethernet PON), vybudované v laboratoři Katedry telekomunikační techniky na ČVUT v Praze a je proveden ukázkový návrh zapojení a konfigurace optické přístupové sítě pro potřeby triple play služeb (data, telefon, video) následně otestovaný v plně funkční přístupové síti. Abstract: Passive optical access networks represent a promising solution in the access networks to provide modern multimedia services, Internet, and telephone service via VoIP (Voice over IP). This article presents a workplace of passive optical networks EPON (Ethernet PON), built in the laboratory of the Department of Telecommunication Engineering, Czech Technical University in Prague. In the next part, a sample network design and configuration of optical access network for triple play services (data, phone, video), and finally several tests are performed.
Konfigurace a testování triple play služeb v pasivní optické síti Pavel Lafata, Matěj Rohlík Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze Email: {lafatpav, rohlimat}@fel.cvut.cz Abstrakt Pasivní optické přístupové sítě představují perspektivní řešení v sektoru přístupových sítí pro poskytování náročných multimediálních služeb, vysokorychlostního přístupu k Internetu, ale i telefonních služeb prostřednictvím technologie VoIP (Voice over IP). V tomto článku je představeno pracoviště pasivní optické sítě EPON (Ethernet PON), vybudované v laboratoři Katedry telekomunikační techniky na ČVUT v Praze a je proveden ukázkový návrh zapojení a konfigurace optické přístupové sítě pro potřeby triple play služeb (data, telefon, video) následně otestovaný v plně funkční přístupové síti. 1 Úvod Optické přípojky FTTx (Fiber To The x), založené na některé ze současných variant pasivních optických přístupových sítí PON (Passive Optical Network), jako je EPON (Ethernet PON), GPON (Gigabit PON) či 10GEPON (10 Gigabit EPON), směřují k postupné náhradě ostatních technologií v oblasti přístupových sítí (např. xdsl, WiFi, aj.) a pravděpodobně se ve velmi brzké budoucnosti stanou dominantní přístupovou technologií pro přístupové sítě nové generace NGA (Next Generation Access) [1]. Jejich možnosti poskytovat sdílené přenosové rychlosti, v současné době 2,5 či 10 Gbit/s, je předurčují do role moderních vysokorychlostních přístupových sítí, nabízejících dostatečné přenosové rychlosti pro pokrytí moderních multimediálních služeb, vysokorychlostního přístupu k Internetu a kvalitních hlasových služeb VoIP (Voice over IP). S dalším vývojem, a zejména díky využití vlnového multiplexu WDM (Wavelength Division Multiplex), se budou dále tyto přenosové rychlosti zvyšovat a v kombinaci se současnou generací pasivních optických sítí založených na časově sdíleném přístupu TDMA (Time Division Multiple Access) vzniknou hybridní optické sítě označované jako WDM-TDMA PON s přenosovými rychlostmi v řádech desítek Gbit/s [2]. Kromě čistě optických přípojek FTTx, které přivádí vlastní optické vlákno až do samostatného domu či bytu koncového uživatele (varianta FTTH Fiber To The Home, či FTTO Fiber To The Office v případě firemních či kancelářských prostor), však existují i kombinované opticko-metalické přípojky využívající stávající metalické rozvody v budovách, objektech či větších blocích. Nejčastěji se jedná o varianty FTTB (Fiber To The Building), FTTC (Fiber To The Curb) či FTTN (Fiber To The Node), které byly podrobně popsány v příspěvku [1]. Základní idea všech optických přípojek FTTx je však stejná. Zajistit dostatečnou přenosovou rychlost pro koncové body sítě a umožnit tak účastníkům přístup k moderním multimediálním službám, realizovat vysokorychlostní datovou přípojku a zprostředkovat hlasové služby v odpovídající kvalitě, a to vše s využitím pouze jednoho sdíleného optického vlákna. Pro vzájemnou konvergenci hlasových, datových a multimediálních služeb do jedné uživatelské nabídky bylo postupně zavedeno označení triple play a v moderním pojetí optických přípojek FTTx pak bude postačovat připojit každého koncového uživatele přímo či navazující metalickou infrastrukturou k úplné nabídce zvolených služeb pouze jednou optickou přípojkou. Uvedená koncepce však bude vyžadovat provedení komplexního návrhu a naplánování nejen vlastní optické infrastruktury z hlediska přenosových parametrů, ale i vytvoření odpovídajícího síťového zázemí v podobě multimediálních serverů s patřičnou nabídkou služeb, VoIP ústředen, servisních a monitorovacích prostředků a zejména vhodně dimenzovat celý provoz. S ohledem na odlišné požadavky uvedených základních služeb v rámci nabídky triple play je rovněž nutné garantovat jejich kvalitu QoS (Quality of Service) zavedením potřebných mechanismů pro vyhrazení dostatečných přenosových prostředků, u multimediálních a hlasových služeb uspokojivě vyřešit otázku zpoždění při šíření signálů a jeho kolísání aj. V první části tohoto příspěvku bude představeno pracoviště pasivních optických přístupových sítí vybudované v rámci projektu FTTx Lab v laboratoři Katedry telekomunikační techniky, Fakulty elektrotechnické, Českého vysokého učení technického v Praze, jehož domovská stránka bude již brzy spuštěna [11]. Pracoviště obsahuje zejména plně funkční pasivní optickou přístupovou síť typu EPON, ale i další podpůrné prvky a zařízení pro vybudování nejen vlastní optické infrastruktury, ale i navazujících metalických rozvodů v prostorech koncových uživatelů a poskytovatele triple play služeb. V navazující části článku pak bude proveden komplexní návrh optické přístupové sítě včetně jeho síťového řešení na obou koncích optické přípojky. Na závěr budou ověřeny parametry navržené sítě a budou diskutovány její případné modifikace či rozšíření. 2 Pracoviště FTTx Lab Nové pracoviště FTTx Lab vzniklo doplněním a přepracováním původní koncepce optického pracoviště v Laboratoři přenosových systémů na Katedře telekomunikační techniky, FEL, ČVUT v Praze [3]. Navazuje na zkušenosti s přípojkami xdsl používané v koncepci FTTB, FTTC, FTTN. Zároveň však představuje FTTx Lab otevřenou koncepci připravenou pro budoucí rozšiřování pracoviště o další technologie. Původní pracoviště nově umožňuje též využití výkonných lokálních směrovačů (Switch) a přepínačů (Router) i integraci dal- 3 1
ších přenosových technologií v přístupových sítích, jako je např. ADSL/2/2+, VDSL/2, WiFi, WiMAX aj. Pracoviště slouží pro pokrytí výuky v předmětech nových i stávajících studijních programů vyučovaných na FEL, ČVUT v Praze, z oblasti přístupových a přenosových systémů a to jak formou demonstrací a praktických ukázek doplňujících teoretické přednášky a semináře, tak i praktickými úlohami v rámci cvičení a laboratorních měření z těchto předmětů. Samostatnou kapitolou je pak jeho využití v rámci prakticky zaměřených bakalářských či diplomových prací studentů a jiných projektů. O úspěchu pracoviště FTTx Lab v oblasti výuky svědčí nemalý zájem studentů a nepřímo i vysoký počet vypracovaných bakalářských a diplomových prací z této oblasti. Jiné praktické využití pracoviště představuje oblast celoživotního a profesního vzdělávání zajišťované pro širokou veřejnost a komerční sféru. Je možno testovat zvolené technologie, provádět ověření vzájemné spolupráce různých technologií, podrobovat zařízení zátěžovým testům a diskutovat možné náměty a řešení praktických otázek spojených s plánováním, výstavbou a provozem pasivních optických sítí a přípojek FTTx. V neposlední řadě slouží vybudované pracoviště pro potřeby aplikovaného výzkumu. 2.1 Optická infrastruktura Základem optické části pracoviště FTTx Lab je centrální jednotka optického linkového zakončení OLT (Optical Line Termination) od firmy Allied Telessis s označením MiniMAP 9100 [4]. Dané zařízení splňuje požadavky na nenáročnou konfiguraci, dobrou podporu od výrobce včetně dostupné dokumentace, modulární koncepci pro dosažení maximální variability a v neposlední řadě i požadavek přijatelné ceny celého řešení. V současné době obsahuje OLT jednotka MiniMAP 9100 modul pro vzdálenou správu a řízení prostřednictvím sériového konzolového rozhraní a rozhraní aplikačního protokolu Telnet společně se čtveřicí odchozích portů 1 Gbit/s (2 porty metalické typu 1000 Base-T a 2 porty optické typu 1000 Base-LX) pro připojení jednotky OLT k páteřním telekomunikačním sítím, kterými je jednotka připojena přes lokální směrovač do páteřní fakultní sítě. Další pozice je obsazena účastnickou kartou obsahující 10 portů pro připojení P2P (Point-to-Point) Ethernet 100 Base-FX prostřednictvím optických vláken a s využitím opticko-metalických konvertorů na straně koncových uživatelů. Třetí pozice jednotky OLT obsahuje kartu společně s EPON modulem pro realizaci pasivní optické sítě typu EPON. Uvedená varianta pasivní optické sítě umožňuje připojit maximálně 32 koncových uživatelů na vzdálenost až 20 km s celkovou sdílenou přenosovou rychlostí 1,25 Gbit/s na fyzické vrstvě. Blíže k parametrům pasivních optických sítí v [5]. Poslední kartou umístěnou v centrální jednotce OLT je digitální účastnický multiplexor pro realizaci širokopásmových přípojek typu VDSL/2 prostřednictvím telefonní linky, umožňující připojit až 24 koncových modemů. Z aktivních optických prvků dále obsahuje pracoviště dvojici klasických opticko-elektrických konvertorů FE 100Base- FX Ethernet pro realizaci přípojek P2P. Pro potřeby přístupové sítě EPON jsou k dispozici dvě síťové jednotky ONU (Optical Network Unit) typu AT-ON1000, které zajišťují konverzi signálů mezi optickou sítí EPON a koncovým zařízením, případně následnou metalickou infrastrukturou. Připojení koncových zařízení uživatelů je možné pomocí jednoho rozhraní Ethernet 10/100/1000Base-T, pro potřeby realizace FTTx přípojky nabízející triple play služby je proto nutné jednotku ONU doplnit o lokální přepínač s podporou VLAN (Virtual LAN) dle IEEE 802.1Q. Pracoviště však lze doplnit dalšími jednotkami ONU pro venkovní montáž, které již obsahují dostatečný počet portů Ethernet a umožňují nativní podporu 802.1Q. Pro realizaci optické distribuční sítě ODN (Optical Distribution Network) obsahuje pracoviště cívky s optickými vlákny o délkách 1; 1,6; 2,2; a 7,8 km. Nezbytnou součástí ODN jsou rovněž pasivní optické rozbočovače (Splitter), v současné době zastoupené rozbočovači s rovnoměrným dělícím poměrem a rozbočovacími poměry 1:2 a 1:4. Pro aplikace sběrnicové topologie PON sítě s jedním společným vláknem a množstvím krátkých odboček jsou k dispozici asymetrické rozbočovače s nerovnoměrným dělením výkonů na jejich výstupech. Tyto rozbočovače umožní efektivnější návrh PON sítí se sběrnicovou topologií určené pro specifické aplikace, jak bylo prezentováno v [6]. Pro výzkum v oblasti WDM PON síti je pracoviště vybaveno vhodnými širokopásmovými zdroji, detektory, zesilovači typu EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) i Ramanova typu a vhodnými vlnovými filtry a směrovými odbočnicemi. Obr. 1: Centrální část pracoviště FTTx. 3 2
2.2 Datová infrastruktura Nezbytnou součástí pracoviště FTTx Lab je i navazující datová infrastruktura tvořená výkonnými směrovači a přepínači sloužícími pro realizaci metalické části přípojky FTTx v prostorách koncového uživatele a přístupy ke službám v uzlu poskytovatele. Vybavení uzlu poskytovatele zahrnuje nezbytného zázemí a servery: VoIP ústředna, Media server (IPTV), konfigurační a monitorovací server (TFTP), brána do páteřní sítě a další podpůrné systémy. Na druhé straně je realizováno typického uspořádání síťových prvků koncového uživatele dané FTTx přípojky pro využití jejích služeb v běžné domácnosti (VoIP telefon, IPTV set-top box, PC s vysokorychlostním přístupem k Internetu). Pro realizaci nezbytných síťových prvků přepínače, směrovače byly zvoleny produkty z řady MikroTik zejména z důvodu jejich dostatečného výkonu, bohatých možností konfigurace, dobré podpory ze strany výrobce a v neposlední řadě i přijatelné ceny. Z požadavku na vysoké přenosové rychlosti a přítomnost rozhraní 1000Base-T byla v případě přepínačů i směrovačů zvolena konkrétně řada RB450G, která obsahuje celkem pět portů Ethernet [7]. Obr. 1 představuje současný stav centrální části pracoviště FTTx Lab, ve kterém byla navržena a realizována plně funkční ukázková konfigurace pasivní optické sítě a přípojky FTTx, která bude blíže představena v následující části článku. 3 Návrh optické přípojky FTTx a její konfigurace Při komplexním návrhu pasivní optické přístupové sítě je nutné uvážit různé aspekty nejen vlastního síťového zapojení a topologie, ale i optimalizaci přenosových parametrů pro dané služby. 3.1 Optická infrastruktura Mezi základní podmínky pro bezchybnou činnost optické distribuční sítě patří mimo jiné nutnost zajistit dostatečnou úroveň přenášeného optického signálu ve všech jejich úsecích a podstatných bodech [8]. Za tímto účelem byly ve standardech jednotlivých variant pasivních optických sítí GPON, EPON, 10GEPON a perspektivně též XG-PON definovány limitní hodnoty vysílacích a přijímacích úrovní optických signálů, útlumu použitých prvků a omezení pro maximální délky optických tras, rozbočovací poměry a zpoždění při šíření optického signálu. Z pohledu návrhu a plánování optické distribuční sítě a její topologie pro provoz optické přípojky FTTx je potřeba provést detailní analýzu a kalkulaci celkového útlumu a dalších provozních parametrů a na jejím základě provést výslednou optimalizaci optické distribuční sítě ODN [9]. Tuto optimalizaci je potřeba důsledně provést již v počátečním návrhu a plánování optické infrastruktury, zejména volbou vhodné topologie budoucí sítě, výběrem pasivních optických rozbočovačů, jejich rozmístěním apod. V nejjednodušším popsaném případě je pro testovací účely použita pouze dvojice optických síťových jednotek ONU a několika optických vláken o celkové délce cca 12 km. Optickou distribuční síť ODN pak tvoří rozbočovač s poměrem 1:4 s využitím optických vláken o délce 7,8 km, které tvoří hlavní přívodní vlákno (Feeder) mezi jednotkou OLT a rozbočovačem, na jehož dva výstupy jsou přes vlákna o délkách 1,6 a 2,2 km připojeny optické jednotky ONU 1 a ONU 2. Další koncové jednotky ONU lze přidávat na volné porty rozbočovačů a zapojení libovolně měnit pro otestování různých topologií a situací. 3.2 Datová infrastruktura Důležitá je rovněž topologie a zapojení navazující datové infrastruktury celého řešení. V případě modelového případu koncového bodu umístěného v domácnosti se jedná pouze o základní uspořádání s využitím jednoho zařízení MikroTik v roli lokálního přepínače s podporou virtuálních LAN sítí VLAN a s dostatečným počtem síťových rozhraní pro připojení koncových zařízení VoIP telefon, IPTV set-top box, PC s Internetem. Složitější situace je na opačném konci optické přípojky FTTx, která slouží pro připojení síťových prvků a serverů poskytovatele připojení a služeb. Za tímto účelem byl využit další MikroTik jako lokální směrovač, jehož úkolem je zejména realizovat připojení k jednotlivým službám pomocí oddělených virtuálních VLAN sítí (bude popsáno dále), zajistit směrování veškerých odchozích a příchozích požadavků, realizovat lokální DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) a NAT (Network Address Translation) server pro potřeby celé optické přípojky FTTx a připojených zařízení a v neposlední řadě zprostředkovat připojení celé vybudované optické přípojky do páteřních telekomunikačních sítí (v tomto modelovém případě páteřní fakultní síť). Další vhodnou funkcí směrovače je realizace firewallu, který společně s překladem adres pomocí NAT serveru zajistí dodatečnou ochranu celé sítě. Pro potřeby realizace a simulace poskytovatele služeb byly implementovány jednotlivé služby pomocí patřičného softwarového vybavení na dostatečně výkonných počítačích v laboratoři. Mezi tyto služby patří především Media server pro potřeby distribuce videa (stream) a TV vysílání (IPTV [10]) ve vysoké HD (High Definition) i standardní SD (Standard Definition) kvalitě, dále lokální VoIP ústředna, konfigurační a monitorovací server s podporou TFTP (Trivial File Transfer Protocol) a FTP (File Transfer Protocol) protokolů pro potřeby monitorování, konfigurace a vzdálené správy jednotlivých koncových serverů a síťových prvků. Posledním rozhraním je celá optická přípojka FTTx připojena do místního přepínače a jeho prostřednictvím do páteřní fakultní sítě. Výsledné schéma zapojení celé situace je uvedeno na následujícím obr. 2. 3 3
Obr. 2: Výsledné zapojení optické přípojky FTTx. 4 Konfigurace parametrů optické přípojky Vzhledem k tomu, že představená FTTx optická přípojka slouží k distribuci triple play služeb video, hlas, data a každá z uvedených služeb vyžaduje odlišné přenosové parametry pro zajištění optimální kvality dané služby QoS, je nutné tyto parametry zohlednit při jejím návrhu a konfiguraci. Použitá pasivní optická síť je typu EPON, nicméně obdobný princip, který zde bude představen, lze s drobnými obměnami využít i v případě jiných variant PON sítí, či v případě produktů jiných výrobců než Allied Telesis. V rámci konfigurace jednotky OLT MiniMAP 9100 [4] lze vytvářet jednotlivé profily (označované jako qospolicy) s různými přenosovými parametry: 3 4
Minimální přenosová rychlost ve směru sestupném a vzestupném (mindownstreamrate, minupstreamrate) jedná se o minimální přenosovou rychlost, která je pro daný profil garantována. Tato pevně vyhrazená rychlost je pro danou službu vždy k dispozici nezávisle na potřebách a nárocích zbylých služeb. Je zřejmé, že součet minimálních garantovaných přenosových rychlostí v jednotlivých směrech nesmí překročit celkovou povolenou sdílenou rychlost, která v případě varianty EPON na druhé (spojové) vrstvě OSI modelu činí 1 Gbit/s (je nutno uvažovat ještě určitou rezervu pro přenos služebních a řídících zpráv a režie protokolu). Maximální přenosová rychlost ve směru sestupném a vzestupném (maxdownstreamrate, maxupstreamrate) analogicky k předchozímu případu se jedná o maximální povolenou přenosovou rychlost definovanou v daném profilu. Tato přenosová rychlost není pevně garantována a představuje horní mezní limit v případě, že díky nízké zátěži optické sítě (jiné služby či uživatelé nevyužívají možnosti své přípojky) zbývají v dané optické síti nevyužité přenosové prostředky, které takto mohou být nabídnuty definovanému profilu pro navýšení přenos. rychlosti. Na rozdíl od minimální (garantované) rychlosti může suma maximálních rychlostí ve všech definovaných profilech v každém směru překročit celkovou sdílenou rychlost optické sítě. V praxi slouží tento parametr jako bezpečnostní omezení v případech, kdy je v optické síti nízký počet aktivních uživatelů, aby tito uživatelé z ekonomických a bezpečnostních důvodů nepředstavovali přílišné zatížení sítě a jejich nevyužitých přenosových prostředků. Je zřejmé, že výsledná přenosová rychlost v daném profilu se typicky pohybuje v oblasti omezené zespodu minimální a seshora maximální rychlostí v závislosti na aktuálním vytížení optické sítě. Velikost multirámce (burst) přenášeného najednou ve směru sestupném a vzestupném (downburstsize, upburstsize) provoz v pasivních optických sítích probíhá v obou směrech v dávkovém (burst) režimu, kdy ve směru sestupném vysílá optická jednotka OLT nepřetržitý tok multirámců, ve kterých jednotlivé části obsahují příspěvky pro koncové síťové jednotky ONU či ONT a ve směru vzestupném naopak koncové jednotky ONU/ONT odesílají své příspěvky v jim vyhrazených časových intervalech [5]. V obou případech však uvedené multirámce neobsahují pouze jeden standardní rámec Ethernet (v případě varianty EPON, pro variantu GPON se využívají ATM buňky či častěji rámce protokolu GEM), ale obsahují hned několik rámců seřazených a odeslaných dohromady v jedné hromadné dávce (burst). Tento systém je v případě PON sítí použit z důvodu snížení nezbytné režie protokolu a počtu služebních zpráv a zejména s ohledem na potřebu vyhrazených a garantovaných vysílacích intervalů pro zabránění vzniku kolizí (v případě odesílání samostatných rámců Ethernet by enormně narostl počet nutných služebních zpráv s informacemi o vyhrazeném časovém okamžiku pro vysílání jednotek ONU/ONT a narostla by potřeba přesnosti synchronizace či počet kolizí v důsledku nedodržení mnohem přísnějších vysílacích okamžiků). Pro realizaci dávkového provozu jsou všechny koncové jednotky v PON síti vždy vybaveny dostatečně velkou vyrovnávací pamětí, do které jsou uživatelská data průběžně ukládána a ze které jsou následně odesílána v případě jejího předem určeného zaplnění. Nevýhodou uvedeného způsobu komunikace je však vznik zpoždění (delay) a zejména jeho možného kolísání (jitter) v případě měnící se zátěže optické sítě. Toto zpoždění vzniká v důsledku nutnosti čekání na nashromáždění minimálního potřebného objemu dat pro odeslání, zpoždění způsobené při vyčkávání na začátek vyhrazeného časového intervalu určeného pro danou optickou jednotku a zpoždění při zpracování dávkových toků. Vzhledem k tomu, že jednotlivé služby v rámci triple play FTTx přípojky typicky vykazují odlišnou citlivost na zpoždění a jeho kolísání při přenosu dat, byla v rámci definice přenosových profilů implementována možnost individuálně měnit velikost vyrovnávací paměti, do které se daná data před svým odesláním ukládají a tím pádem ovlivnit velikost multirámce (burstu) v rámci dávkového provozu. Je zřejmé, že například hlasové a multimediální služby (VoIP, distribuce videa) představují služby náročné na celkové zpoždění při přenosu a jeho kolísání, je proto vhodné pro tyto služby nastavit menší vyrovnávací paměť, než např. pro službu vysokorychlostní datové přípojky k Internetu. Současně s nastavením menších odesílaných dávek však stoupá režie použitého protokolu a počet služebních zpráv a celkově klesá uživatelsky využitelná část vyhrazené přenosové rychlosti. Označení citlivosti dat ve směru sestupném a vzestupném na zpoždění (downdelaysensitivity, updelaysensitivity) vzhledem k tomu, že zařízení MiniMAP 9100 podporuje pouze IP protokol verze 4 (i přes četné aktualizace), implementoval výrobce částečně proprietární řešení pro prioritizaci přenášených dat za účelem snížení případného zpoždění. Řešení umožňuje označit daný profil a potažmo i přenášená data za citlivá či tolerantní vůči zpoždění. Na základě této informace lze takto označená uživatelská data obousměrně ukládat prioritně do vyrovnávací paměti optické jednotky a odesílat je z ní přednostně na úkor dat, která jsou označena jako tolerantní vůči zpoždění. Podmínkou pro využití této funkcionality je rovnost minimální (garantované) a maximální přeno- 3 5
sové rychlosti v daném profilu. Efekt tohoto parametru není v praxi příliš citelný, nicméně v případě vysokého zatížení optické přístupové sítě lze u vybraných služeb (hlas, video) zpoždění částečně snížit a zajistit tak jejich vyšší kvalitu. 4.1 Konfigurace přenosových profilů Pro návrh optické přípojky FTTx a pasivní optické sítě uvedený na obr. 2 byly vytvořeny následující profily s parametry definovanými dle tab. 1. Název profilu Přenosová rychlost v sestupném směru Minimální Maximální Tab. 1: Přehled profilů a jejich přenosových parametrů. Přenosová rychlost ve vzestupném směru Minimální Maximální Velikost multirámce v sestupném směru [kb] Velikost multirámce ve vzestupném směru [kb] Citlivost na zpoždění Sestupný směr Vzestupný směr Cílová VLAN Broadcast_limit 0* 100* 8 8 100* 100* Ne Ne - Multicast_video 0* 100* 400 1000 100* 100* Ne Ne - VoIP 0,256 0,256 0,256 0,256 6 6 Ano Ano VLAN 110, 140 HD_video 8 10 0,512 2 16 16 Ne Ne VLAN 120 HD2_video 16 20 1 4 16 16 Ne Ne - SD_video 4 5 0,256 1 16 16 Ne Ne VLAN 150 Data 8 10 2 4 24 24 Ne Ne VLAN 100, 130 Data_gold 15 20 3 6 24 24 Ne Ne - Management 1 2 1 2 24 24 Ne Ne VLAN 10, 11 * Tyto hodnoty jsou ponechány v jejich výchozím stavu. Profily pojmenované Broadcast_limit a Multicast_video jsou určeny pro omezení hromadného provozu (s výjimkou služebních zpráv nežádoucí provoz ve vzestupném směru v PON síti) a garanci potřebných přenosových rychlostí ve směru sestupném na rozhraní jednotky OLT. Jsou proto implementovány pouze na EPON rozhraní této jednotky. Zbylé profily jsou využity pro jednotlivé služby poskytované vytvořenou FTTx přípojkou, jak společně s jejich přiřazením k dané VLAN ukazuje obr. 2 a tab. 1. Každý z profilů je aplikován na jednu či více separátních VLAN rozhraní. Díky tomu je tak na druhé vrstvě OSI modelu tvořena optická přípojka souborem virtuálních samostatných sítí, takže má každá virtuální síť samostatně definované vlastní přenosové parametry nezávisle na ostatním provozu v síti. Oddělením pomocí separátních VLAN se rovněž zvyšuje bezpečnost celé sítě, zabraňuje nežádoucím odposlechům provozu v jiné VLAN a znemožňuje zneužití vyhrazených přenosových prostředků pro jiné účely. Pro realizaci uvedené konfigurace slouží následující příklad vytvoření profilu HD_video a jeho přiřazení pro VLAN 120: create vlan vid 120 vytvoření VLAN s ID 120 create qospolicy HD_video mindownstreamrate 8M maxdownstreamrate 10M minupstreamrate 512K maxupstreamrate 2M downburstize 16K upburstsize 16K vytvoření požadovaného profilu add vlan 120 interface 0.0.0 frame tagged přiřazení VLAN 120 na rozhraní jednotky ONU 1 (adresa 0.0.0) add vlan 120 interface 4.0 frame tagged přiřazení VLAN 120 na odchozí rozhraní jednotky OLT do páteřní sítě add qospolicy HD_video interface epon:0.0 bidirectional VLAN 120 přiřazení profilu HD_video na rozhraní EPON VLAN 120 Zbylé profily, vytvoření VLAN a jejich vzájemné přiřazení probíhá analogicky s výjimkou profilů Broadcast_limit, který má parametr bruum (Broadcast, Unknown Unicast and flooded Multicast) a Multicast_video, který je typu ipmc (IP Multicast). Profily uvedené v tab. 1, které nebyly použity v návrhu dle obr. 2, mohou být využity v případě dalšího rozšiřování původní koncepce, nebo při požadavku na dodatečnou změnu parametrů přípojky. Pro kontrolu správnosti nastavení jednotlivých profilů a ověření funkčnosti vytvořené optické přípojky byla provedena měření dosažených přenosových rychlostí (propustností) pomocí programu Iperf s těmito výsledky: Název profilu Tab. 2: Ověření nastavených přenosových parametrů. Nastavená přenosová rychlost Směr sestupný Směr vzestupný Změřená přenosová rychlost Směr sestupný Směr vzestupný VoIP 0,256/0,256 0,256/0,256 0,2395 0,2425 HD_video 8/10 0,512/2 9,438 1,664 SD_video 4/5 0,256/1 4,759 0,865 Data 8/10 2/4 9,526 3,729 Pro ilustraci vzniku zpoždění a jeho možného kolísání byla navržená FTTx přípojka otestována pomocí základního měření s využitím programu Iperf pro jednotlivá virtuální VLAN rozhraní a přenosové profily. Testování probíhalo jednak při nízké zátěži FTTx přípojky, kdy komunikace probíhala jen na měřeném rozhraní a pro danou VLAN, ale i při plně zatížené FTTx přípojce, kdy naopak byl simulován maximální provoz při plných přenosových rychlostech na všech rozhraních a virtuálních VLAN sítích. Příklad výsledků naměřeného zpoždění a jeho kolísání v čase (měření probíhalo po dobu 6 minut) pro profil VoIP (VLAN 110 a 140), profil Data (VLAN 100 a 130) a profil HD_video (VLAN 120) s parametry nastavenými 3 6
dle tab. 1 uvádí následující obr. 3, 4 a 5 s porovnáním zpoždění při minimální a maximální zátěži celé FTTx přípojky. Obr. 3: Vznik zpoždění a jeho kolísání v případě profilu VoIP a jeho porovnání při minimální a maximální zátěži FTTx přípojky. Obr. 4: Vznik zpoždění a jeho kolísání v případě profilu Data a jeho porovnání při minimální a maximální zátěži FTTx přípojky. Obr. 5: Vznik zpoždění a jeho kolísání v případě profilu HD_video a jeho porovnání při minimální a maximální zátěži FTTx přípojky. V grafech na obr. 3, 4 i 5 je zřejmý vznik pravidelného kolísání zpoždění při zaplnění vyrovnávací paměti koncové jednotky ONU, jejíž velikost lze ovlivnit pomocí nastavení velikosti multirámce (burst) pro dávkový provoz. Vliv parametru označení citlivosti dat na zpoždění a možnost garance minimální (pevně vyhrazené) přenosové rychlosti v případě profilu VoIP v kombinaci s krátkou délkou odesílaných multirámců je patrný z průměrné hodnoty zpoždění a jeho rozptylu vypočtených pro oba profily při obou režimech zátěže FTTx přípojky, jak uvádí následující tab. 3. Rozdíl zpoždění a jeho průběhu mezi profily Data a HD_video je dán odlišnou velikostí multirámce pro dávkový provoz. Díky větší velikosti multirámce (vyrovnávací paměti) v případě profilu Data je patrné delší zpoždění způsobené čekáním na zaplnění vyrovnávací paměti a výraznější kolísání zpoždění dané potřebou delšího čekání v případě dávkového provozu pasivní optické sítě. Naopak, vliv celkového zatížení (provozu) FTTx přípojky se dle očekávání neprojevil. To je způsobeno již samotnou koncepcí návrhu a uspořádání přípojky, kdy jednotlivé služby jsou odděleny pomocí separátních VLAN okruhů a jejich vzájemné ovlivnění je tak minimální. Jiná situace by však zřejmě nastala v případě plně zatížené PON sítě s maximálním počtem 32 aktivních ONU jednotek, kdy v případě profilů, kde není rovna minimální (garantovaná) a maximální přenosová rychlost, by toto kolísání v rámci překročení minimálních přenosových rychlostí v jednotlivých profilech bylo pravděpodobně vyšší. V případě maximálního vytížení celé pasivní optické sítě by rovněž došlo k omezení horních (negarantovaných) limitů přenosových rychlostí pro jednotlivé profily. S ohledem na vyčerpání dodatečných rezerv přenosových prostředků by tak v případě jednotlivých profilů bylo možné dosáhnout pouze spodního limitu minimálních pevně vyhrazených přenosových rychlostí (garantovaných), což by např. v případě profilů HD_video a Data (viz tab. 1) znamenalo dosažení maximální přenosové rychlosti pouze 8 Mbit/s. Služby, u kterých je minimální i maximální (garantovaná i negarantovaná) přenosová rychlost rovna, např. VoIP (viz tab. 1), by byly tímto stavem plného vytížení sítě nedotčeny. Pro porovnání velikosti zpoždění a jeho kolísání v rámci testovaných profilů VoIP, Data a HD_video byla provedena statistická analýza naměřených výsledků v případě obou režimů zátěže FTTx přípojky a její výsledky uvádí tab. 3. Tab. 3: Statistická analýza zpoždění naměřeného pro profily VoIP, Data a HD_video. Název profilu Zpoždění při nezatížené FTTx přípojce Zpoždění při plně zatížené FTTx přípojce Střední hodnota [ms] Rozptyl Střední hodnota [ms] Rozptyl VoIP 1,6372 0,3108 1,8197 0,5949 Data 4,6938 2,1297 4,6894 2,1628 HD_video 2,2825 0,3591 2,3558 0,4576 3 7
Pro úplné otestování parametrů profilu HD_video byla provedena distribuce testovacího videa v plném HD rozlišení s použitým kodekem Windows Media Video 9 [12]. Přenosová rychlost přehrávaného videa se pohybovala řádově na hodnotách 9,1-9,5 Mbit/s (měřeno na spojové vrstvě RM-OSI modelu), špičkově však v některých scénách překračovala 10 Mbit/s, jak vyplývá z průběhu naměřené přenosové rychlosti pro danou ukázku o délce 150 s na obr. 6. V tomto příspěvku bylo popsáno pracoviště na Katedře telekomunikační techniky, FEL, ČVUT v Praze, jeho koncepce a uspořádání a nastíněny možnosti jeho dalšího rozvoje o nové a perspektivní technologie v oblasti pasivních optických přístupových sítí. Toto pracoviště slouží zejména pro potřeby výuky, školení, ale i vědecké a odborné činnosti pracovníků katedry a dalších zájemců z oboru. V navazující části článku byl proveden návrh a posléze popsána realizace ukázkové plně funkční optické přípojky FTTx. Kromě nezbytného návrhu síťové topologie a jejího uspořádání byla provedena i ukázková konfigurace, definování a implementace přenosových parametrů a profilů tak, aby přípojka vyhovovala požadavkům moderních multimediálních a datových služeb a splňovala nároky dostatečné kvality poskytovaných služeb. Je zřejmé, že v praxi je nutné přihlédnout ke specifickým požadavkům a návrh přenosových vlastností optické sítě přizpůsobit konkrétním možnostem. V rámci tohoto procesu je nezbytné definovat uživatelské profily pro různé druhy a kombinace služeb. V článku byly představeny základní nástroje a nastíněn možný způsob realizace. Poděkování Tento článek byl podpořen grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS 10/275/OHK3/3T/13. Literatura Obr. 6: Časový průběh přenosové rychlosti testovací ukázky HD videa. Vzhledem k tomu, že maximální negarantovaná přenosová rychlost v profilu HD_video byla nastavena na hodnotu 10 Mbit/s ve směru sestupném, ale reálně naměřená rychlost se, dle tab. 2, pohybuje na hodnotách 9,438 Mbit/s, docházelo v určitých scénách k výpadkům přenášených rámců a poruchám v obrazu. Při nastavení horního mezního limitu přenosové rychlosti (negarantované) profilu HD_video na 12 Mbit/s, bylo již přehrávání videa plynulé, bez výpadků a bez ztráty rámců. Pro zajištění dostatečné kvality služby HD_video všem koncovým uživatelům pasivní optické sítě by však bylo potřeba v tomto případě navýšit minimální (garantovanou) přenosovou rychlost. V případě plného vytížení pasivní optické sítě, kdy by nebyly k dispozici již žádné rezervy pro navyšování maximální (negarantované) přenosové rychlosti, by zřejmě docházelo ke zhoršení kvality poskytované služby, případně její nedostupnosti. Z provedeného měření vyplývá, že v případě návrhu přenosových profilů při konfiguraci pasivní optické sítě je nutné nejprve provést detailní rozbor nároků jednotlivých služeb na přenosové rychlosti a šířku poskytovaného pásma. Uvedenou situaci by bylo rovněž možné řešit použitím jiného kodeku videa s nižší přenosovou rychlostí (vyšším kompresním poměrem), případně distribuovat video v nižším rozlišení či kvalitě (720p). 5 Závěr [1] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Rozvoj přípojek FTTx. Elektrorevue [online]. 2010, č. 2010/23, [cit. 2010-11- 21]. Dostupný z WWW: <http://www.elektrorevue.cz/cz/ download/rozvoj-pripojek-fttx/>. ISSN 1213-1539. [2] LAFATA, P.: Pasivní optické sítě WDM-PON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2010-11- 21]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz view.php?cisloclanku=2009050004>. ISSN 1214-9675. [3] LAFATA, P., JAREŠ, P.: Testovací optická přístupová síť EPON a její využití ve výuce. Access server [online]. 2008, roč. 6., č. 2008110003, s. 1-6, [cit. 2010-11-21]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2008110003>. ISSN 1214-9675. [4] ALLIED TELESIS: Allied Telesis User Guide 12 - imap User Guide. Allied Telesis Networks, 2008, [cit. 2010-11-21]. [5] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Současné a budoucí varianty pasivních optických přístupových sítí. Elektrorevue [online]. 2009, č. 2009/39, s. 39-1-39-10, [cit. 2010-11-21]. Dostupný z WWW: <http://www.elektrorevue.cz/cz/clanky/komunikacnitechnologie/>. ISSN 1213-1539. [6] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Návrh pasivních optických sítí s optimálními rozbočovacími poměry. Elektrorevue [online]. 2010, roč. 13, č. 67, s. 67-1-67-8, [cit. 2010-11-21]. Dostupný z WWW: <http://elektrorevue.cz/cz/clanky/komunikacnitechnologie/0/navrh-pasivnich-optickych-siti-soptimalnimi-rozbocovacimi-pomery/>. ISSN 1213-1539. 3 8
[7] MikroTik: MikroTik Routers and Wireless. MikroTik, 2010. Dostupný z WWW: <http://www.mikrotik.com/>. [8] LAFATA, P.: Útlumová bilance pasivních optických přístupových sítí. Access server [online]. 2009, roč. 7., č. 200906, s. 0002, [cit. 2010-11-21]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=200906 0002>. ISSN 1214-9675. [9] GIRARD, A.: FTTx PON, Technology and Testing. EXFO Electro-Optical Engineering Inc., Quebec City, Canada, 2005. ISBN 1-55342-006-3. [10] KREJČÍ, J., LAFATA, P.: Současné a budoucí možnosti řešení přístupové sítě pro IPTV. Elektrorevue [online]. 2010, roč. 13, č. 64, s. 64-1-64-8, [cit. 2010-11-21]. Dostupný z WWW: <http://www.elektrorevue.cz/cz/download/soucasne-abudouci-moznosti-reseni-pristupove-site-pro-iptv/>. ISSN 1213-1539. [11] Projekt FTTx Lab. Dostupný z WWW: <http://www.fttxlab.cz/>. [12] Windows Media Codecs. Dostupné z WWW: <http://msdn.microsoft.com/enus/library/ff819508%28v=vs.85%29.aspx>. 3 9