Einleitung
In diesem Dokument werden die GPON-Technologie (Gigabit Passive Optical Network) und ihre Funktionsweise beschrieben.
Voraussetzungen
Anforderungen
Es gibt keine spezifischen Anforderungen für dieses Dokument.
Verwendete Komponenten
Dieses Dokument ist nicht auf bestimmte Software- und Hardware-Versionen beschränkt.
Die Informationen in diesem Dokument beziehen sich auf Geräte in einer speziell eingerichteten Testumgebung. Alle Geräte, die in diesem Dokument benutzt wurden, begannen mit einer gelöschten (Nichterfüllungs) Konfiguration. Wenn Ihr Netzwerk in Betrieb ist, stellen Sie sicher, dass Sie die möglichen Auswirkungen aller Befehle kennen.
Hintergrundinformationen
GPON ist eine Alternative zum Ethernet-Switching in Campus-Netzwerken. GPON ersetzt das traditionelle dreistufige Ethernet-Design durch ein zweistufiges optisches Netzwerk, bei dem der Zugriff und die Verteilung von Ethernet-Switches mit passiven optischen Geräten entfallen. Cisco führt GPON mit der Catalyst GPON-Plattform ein.
Terminologie
- GPON (Gigabit Passive Optical Network) – Standard für passive optische Netzwerke (PON), veröffentlicht von der ITU-T
- ODN (Optical Distribution Network) – Die physischen Glasfaser- und optischen Geräte, die Signale an Benutzer in einem Telekommunikationsnetzwerk verteilen. Das ODN besteht aus passiven optischen Komponenten (POS), beispielsweise optischen Fasern, und einem oder mehreren passiven optischen Splittern.
- ONT (Optical Network Termination)/ONU (Optical Network Unit) – Verbindet Endbenutzergeräte (Desktop-PCs, Telefone usw.) mit dem GPON-Netzwerk. Sorgt für die Umwandlung optischer in elektrische Signale. ONTs bieten auch AES-Verschlüsselung über den ONT-Schlüssel.
- Splitter – Fassen Glasfasersignale per Aggregation oder Multiplexing in einem einzigen Upstream-Glasfaserkabel zusammen. Normalerweise beträgt das Verhältnis 1:32.
- OLT (Optical Line Terminal) – Ein Gerät, das alle optischen Signale von ONTs zu einem einzigen Multiplex-Lichtstrahl aggregiert, der dann in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das nach Ethernet-Paket-TPE-Standards für Layer-2- oder Layer-3-Weiterleitung formatiert ist.
- WDM (Wavelength-Division Multiplexing) – Eine Technologie, die eine Reihe von optischen Trägersignalen per Multiplexing in einer einzigen optischen Faser aggregiert, die verschiedene Wellenlängen (d. h. Farben) von Laserlicht verwendet.
- GEM GPON Encapsulation Method (GEM) – Ein in Gigabit-fähigen passiven optischen Netzwerksystemen (GPON) verwendetes Daten-Frame-Transportschema, das verbindungsorientiert ist und die Fragmentierung der Benutzer-Daten-Frames in Übertragungsfragmente mit variabler Größe unterstützt.
- FTTX (Fiber to the X) – Eine Verallgemeinerung für mehrere Konfigurationen der Glasfaserbereitstellung, die in zwei Gruppen unterteilt sind: FTTP/FTTH/FTTB (Glasfaser bis zum Standort/Gebäude verlegt) und FTTC/N (Glasfaser zum Serverschrank/Knoten verlegt, mit Kupferdrähten, um die Verbindung herzustellen).
- T-CONT/TCONT (Transmission Container) – Übertragungscontainer
- OMCC (Optical Network Unit Management and Control Channel) – Management- und Kontrollkanal für optische Netzwerkeinheiten
- OMC (Optical Network Unit Management and Control Interface) – Management- und Kontrollschnittstelle für optische Netzwerkeinheiten
- PCBd (Physical Control Block downstream)
- TDM (Time Division Multiplexing)
- TDMA (Time Division Multiple Access)
Netzwerkdiagramm
Technologieüberblick
- Das OLT wird über eine einzelne Glasfaser mit dem optischen Splitter verbunden. Der optische Splitter wird wiederum mit den ONUs/ONTs verbunden.
- GPON verwendet WDM, um Daten verschiedener Upstream-/Downstream-Wellenlängen über dasselbe ODN zu übertragen. Die Wellenlängen liegen bei 1.290–1.330 nm in Upstream-Richtung und 1.480–1.500 nm in Downstream-Richtung.
- Daten werden per Broadcast in Downstream-Richtung übertragen. In Upstream-Richtung erfolgt die Datenübertragung per Burst im TDMA-Modus (anhand von Zeit-Slots).
- Unterstützt P2MP-Multicast-Übertragung (Point-to-Multipoint).
GPON-Grenzwerte
- Maximale logische Reichweite: 60 km (dies ist die maximale Entfernung, die von den höheren Schichten des Systems [MAC, TC, Ranging] im Hinblick auf eine zukünftige PMD-Spezifikation [Physical Medium Dependent] unterstützt wird).
- Maximaler Glasfaserabstand zwischen Sende-/Empfangspunkten (S/R) und Empfangs-/Sendepunkten (R/S): 20 km
- Maximaler differentieller Glasfaserabstand: 20 km
- Split-Verhältnis: Eingeschränkt durch Pfadverlust, PON mit passiven Splittern (16-, 32- oder 64-Wege-Split)
- Rate: 1,24416 Gbit/s Upstream und 2,48832 Gbit/s Downstream
Leistungsbudgetierung
Im Rahmen von GPON muss der optische Leistungsverlust berücksichtigt werden. Dieser Verlust kann auf verschiedene Arten verursacht werden. Beispiele:
- Verlust innerhalb der Splitter
- Verlust pro km Glasfaser (ca. 0,35 dB pro km bei 1.310, 1.490 nm)
- Verlust in Spleißen (> 0,2 dB)
- Connector-Verlust(0,6 dB)
Wie in der Abbildung dargestellt, beträgt der durch die Verwendung verschiedener Splitter verursachte Verlust:
Wie in der Abbildung dargestellt, beträgt der minimale bzw. maximale optische Pfadverlust pro Klasse:
Paketroute
Downstream-Paketroute
Wie in der Abbildung dargestellt, werden Pakete Downstream vom OLT zu verschiedenen ONUs weitergeleitet.
Tipp: „Downstream“ ist aus Sicht des Splitters betrachtet. Sie können es sich als Traffic vorstellen, der in Richtung ONU/ONT oder Endnutzer geleitet wird.
- Downstream-Pakete werden als Broadcasts weitergeleitet. Dabei werden dieselben Daten an dieselben ONUs/ONTs gesendet, wobei unterschiedliche Daten durch die GEM-Port-ID identifiziert werden.
- So können ONUs/ONTs die gewünschten Daten nach ONU-ID empfangen.
- Der Downstream-Wellenlängenbereich liegt bei 1.480–1.500 nm.
- Downstream-Dauerbetrieb – Auch wenn kein Benutzer-Traffic durch GPON geleitet wird, gibt es ein konstantes Signal, es sei denn, der Laser wird administrativ ausgeschaltet.
Wie in der Abbildung dargestellt: Verfahren der Downstream-Paketweiterleitung.
- Das OLT sendet Ethernet-Frames von Uplink-Ports basierend auf den für die PON-Ports konfigurierten Regeln an das GPON-Serviceverarbeitungsmodul.
- Das GPON-Serviceverarbeitungsmodul kapselt dann die Ethernet-Frames für die Downstream-Übertragung in GEM-Port-Datenpakete.
- GTC-Frames (GPON Transmission Convergence), die GEM-PDUs enthalten, werden per Broadcast an alle ONTs/ONUs übertragen, die mit dem GPON-Port verbunden sind.
- Die ONTs/ONUs filtern die empfangenen Daten basierend auf der im GEM-PDU-Header enthaltenen GEM-Port-ID und behalten die nur für die GEM-Ports auf diesen ONTs/ONUs relevanten Daten bei.
- Das ONT entkapselt die Daten und sendet die Ethernet-Frames über Service-Ports an die Endbenutzer.
Downstream-Paket-Frame-Struktur
- Ein Downstream-GPON-Frame hat eine feste Länge von 125 μs und besteht aus zwei Komponenten: PCBd (Physical Control Block downstream) und Payload.
- Das OLT überträgt die PCBd per Broadcast an alle ONUs/ONTs. Die ONUs/ONTs empfangen die PCBd und führen Vorgänge basierend auf den empfangenen Informationen durch.
- PCBd besteht aus dem GTC-Header und BWmap:
- GTC-Header – Wird für Frame-Begrenzung, Synchronisierung und FEC (Forward Error Correction) verwendet.
- BWmap – Über dieses Feld werden die ONUs über die Upstream-Bandbreitenzuteilung informiert. Gibt den Upstream-Zeit-Slot für den Start und das Ende der T-CONTs jeder ONU an. Dadurch wird sichergestellt, dass alle ONUs Daten basierend auf den vom OLT festgelegten Zeit-Slots senden, um Datenkonflikte zu vermeiden.
Wie in der Abbildung dargestellt: erweiterte Ansicht von PCBd und des Inhalts der GTC-Payload.
Wichtige Begriffe:
- Psync (Länge: 4 Byte) – Feld für die physische Synchronisierung. Zeigt den Start jedes PCBd an.
- Ident (Länge: 4 Byte) – Wird verwendet, um größere Framestrukturen anzuzeigen. Enthält den Zähler für Superframes, der vom Verschlüsselungssystem verwendet wird.
- PLOAMd (Länge: 13 Byte) – Physical layer OAM (PLOAM)-Downstream-Feld. Stellen Sie sich dies als einen nachrichtenbasierten Betriebs- und Managementkanal zwischen dem OLT und den ONUs/ONTs vor.
- BIP (Bit Interleaved Parity) (Länge: 1 Byte) – Vom Empfänger zum Messen der Fehleranzahl im Link verwendet.
- Plend (Länge: 4 Byte) – Downstream-Feld für Payload-Länge.
Upstream-Paketroute
Wie in der Abbildung dargestellt, werden Pakete Upstream von den verschiedenen ONUs zum OLT weitergeleitet.
Tipp: „Upstream“ ist aus der Perspektive des Splitters oder des Traffics zu betrachten, der von den ONUs/UNTs, Endbenutzern zum OLT gesendet wird.
- Die Upstream-Paketübertragung erfolgt über TDMA (Time Division Multiple Access).
- Der Abstand zwischen OLT und ONT/ONU wird gemessen.
- Zeit-Slots werden basierend auf der Entfernung zugewiesen.
- Die ONTs/ONUs senden Upstream-Traffic auf der Grundlage des zugewiesenen Zeit-Slots.
- Durch DBA (Dynamic Bandwidth Allocation, dynamische Bandbreitenzuweisung) kann das OLT die Überlastung, Bandbreitennutzung und Konfiguration in Echtzeit überwachen.
- Erkennt und verhindert Kollisionen durch Ranging.
- Die Upstream-Wellenlänge beträgt 1.290–1.330 nm.
Wie in der Abbildung dargestellt: Verfahren der Upstream-Paketweiterleitung.
- Die ONTs/ONUs senden Ethernet-Frames an GEM-Ports basierend auf konfigurierten Regeln, die Service-Ports und GEM-Ports zuordnen.
- GEM-Ports kapseln die Ethernet-Frames in GEM-PDUs ein und fügen diese PDUs zu TCONT-Warteschlangen hinzu, basierend auf Regeln, die GEM-Ports und TCONT-Warteschlangen zuordnen.
- TCONT-Warteschlangen verwenden auf DBA basierende Zeit-Slots und übertragen dann Upstream-GEM-PDUs an das OLT.
- Das OLT entkapselt die GEM-PDU. Der ursprüngliche Ethernet-Frame ist jetzt sichtbar.
- OLT sendet die Ethernet-Frames von einem angegebenen Uplink-Port basierend auf Regeln, die Service-Ports und Uplink-Ports zuordnen.
Upstream-Paket-Frame-Struktur
- Jeder Upstream-GPON-Frame hat eine feste Länge von 125 μs.
- Jeder Upstream-Frame enthält den Inhalt, der von mindestens einem T-CONT übertragen wird.
- Alle ONUs, die mit einem GPON-Port verbunden sind, teilen sich die Upstream-Bandbreite.
- Alle ONUs senden ihre Upstream-Daten basierend auf den Anforderungen der Bandbreitenzuordnung (BWmap) in ihren eigenen Zeit-Slots.
- Jede ONU meldet den Status der an das OLT zu sendenden Daten mithilfe von Upstream-Frames. Das OLT verwendet DBA, um ONUs Upstream-Zeit-Slots zuzuweisen, und sendet Aktualisierungen in jedem Frame.
Hinweis: Die Upstream-Frames werden als Bursts gesendet, die sich aus dem PLOu (Physical Layer Overhead upstream) und einem oder mehreren Bandbreitenzuordnungsintervallen zusammensetzen, die einer bestimmten Alloc-ID zugeordnet sind.
Wie in der Abbildung dargestellt: Unterschied zwischen einem Downstream- und einem Upstream-Frame.
Wichtige Begriffe:
- PLOu (Physical Layer Overhead upstream).
- PLOAMu (Physical Layer OAM upstream) – PLOAM-Nachrichten von Upstream-Daten. Stellen Sie sich dies als einen nachrichtenbasierten Betriebs- und Managementkanal zwischen dem OLT und den ONUs/ONTs vor.
- PLSu (Power Level Sequence upstream)
- DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream)
Funktionsblöcke
OLT-Funktionsblöcke
Ein OLT besteht aus drei Hauptteilen:
- Service-Port-Schnittstellenfunktion – Sorgt für die Übersetzung zwischen Service-Schnittstellen und der TC-Frame-Schnittstelle des PON-Abschnitts.
- Cross-Connect-Funktion – Bietet einen Kommunikationspfad zwischen der PON-Shell und der Service-Shell sowie Cross-Connect-Funktionen.
- ODN-Schnittstelle (Optical Distribution Network) – Weiter unterteilt in zwei Teile:
- PON-Schnittstellenfunktion
- PON TC-Funktion – Zu den Aufgaben gehören Framing, Medienzugriffskontrolle, OAM, DBA und die Abgrenzung der PDU (Protocol Data Unit) für die Cross-Connect-Funktion und das ONU-Management.
ONU/OLT-Funktionsblöcke
Funktionsblöcke ähneln dem OLT. In dem Szenario, in dem die ONUs/OLTs mit einer einzelnen PON-Schnittstelle (max. zwei für Schutzzwecke) betrieben werden, entfällt die Cross-Connect-Funktion. Anstelle dieser Funktion sind jetzt Service-MUX und DEMUX für den Traffic zuständig.
Protokoll-Stacks
Das GPON-Protokoll hat einen eigenen Stack, nur Ethernet oder IP.
Wie in der Abbildung dargestellt: Protokoll-Stack für GPON:
Wichtige Begriffe:
- PMD-Layer – Entspricht den GPON-Schnittstellen, die zwischen den OLTs und den ONUs liegen.
- GTC-Layer – Zuständig für die Kapselung von Payloads unter Verwendung von ATM-Zellen oder GEM-Frames. GEM-Frames können Ethernet-, POTS-, E1- und T1-Zellen übertragen.
Traffic-Zuordnung – Ethernet
- Löst Ethernet-Frames auf und ordnet die Daten von Ethernet-Frames direkt der GEM-Payload zu.
- GEM-Frames kapseln automatisch Header-Informationen ein.
- 1:1-Abstimmung zwischen einem Ethernet-Frame und einem GEM-Frame.
Wie in der Abbildung dargestellt: Zuordnung eines Ethernet-Frames zu einem GEM-Frame:
OMCI
- OMCI-Nachrichten (ONU Management and Control Interface) werden verwendet, um ONTs/ONUs für Management und Kontrolle zu erkennen.
- Diese spezialisierten Nachrichten werden über dedizierte GEM-Ports gesendet, die zwischen einem OLT und einem ONT/ONU eingerichtet sind.
- Das OMCI-Protokoll ermöglicht einem OLT Folgendes:
- Herstellen und Freigeben von Verbindungen mit dem ONT.
- Verwalten der UNIs auf dem ONT.
- Anfordern von Konfigurationsinformationen und Leistungsstatistiken.
- Autonome Warnung bei Ereignissen, z. B. bei einem Verbindungsausfall.
Wichtigste Punkte:
- Das Protokoll wird über eine GEM-Verbindung zwischen OLT und ONT ausgeführt.
- Die GEM-Verbindung wird hergestellt, während ONT initialisiert wird.
- Der Protokollbetrieb ist asynchron: Der OLT-Controller fungiert als primäre Einheit, der ONT-Controller als sekundäre Einheit.
Wichtige Techniken
Ranging
Um Datenkonflikte (Kollisionen) zu vermeiden, muss das OLT in der Lage sein, die Entfernung zwischen sich selbst und jeder ONU präzise zu messen, um einen geeigneten Zeit-Slot für die Upstream-Datenübertragung bereitzustellen. Dadurch können die ONUs Daten in bestimmten Zeit-Slots senden, um Upstream-Probleme zu vermeiden. Dieser Prozess wird durch eine Technik namens Ranging erreicht.
Ranging-Prozess:
- OLT startet den Prozess auf einer ONU, wenn sich die ONU zum ersten Mal beim OLT registriert und den RTD-Wert (Round Trip Delay) der ONU erhält. Basierend auf dem RTD werden die anderen Schlüsselkomponenten identifiziert:
- Berechnung der physischen Reichweite dieser spezifischen ONU, da dieses OLT eine angemessene Entzerrungsverzögerung (Equalization Delay, EqD) für jede ONU basierend auf der physischen Reichweite erfordert.
- RTC und EqD synchronisieren von allen ONUs gesendete Daten-Frames.
Wie in der Abbildung dargestellt: Demonstration dessen, was der Prozess erreicht, indem alle ONUs/OLTs in praktisch gleicher Entfernung vom OLT platziert werden.
Burst-Technologie
Der Upstream-Paketfluss wird über Bursts erreicht, wobei die ONUs/ONTs jeweils für die Datenübertragung innerhalb ihrer zugewiesenen Zeit-Slots zuständig sind. Wenn sich ONUs/ONTs nicht innerhalb ihres Zeit-Slots befinden, deaktiviert das Gerät die Übertragung des optischen Transceivers, um andere Auswirkungen auf die ONUs/ONTs zu verhindern.
- Die Burst-Übertragungsfunktion wird von ONU/ONT-Modulen unterstützt.
- Die Burst-Empfangsfunktion wird von OLT-Modulen unterstützt.
- Unterschiedliche Entfernungen zwischen den ONUs/ONTs und OLTs führen zu einer optischen Signaldämpfung. Infolgedessen variieren Leistung und Umfang der von einem OLT empfangenen Pakete in verschiedenen Zeit-Slots.
- Die dynamische Schwellenwertanpassung ermöglicht es dem OLT, den Schwellenwert für optische Leistungspegel dynamisch anzupassen. Dadurch wird sichergestellt, dass alle ONU-Signale wiederhergestellt werden können.
Wie in der Abbildung dargestellt: Demonstration verschiedener Daten, die per Burst übertragen und dann wiederhergestellt werden:
Dynamische Bandbreitenzuweisung (Dynamic Bandwidth Allocation, DBA)
Mit DBA kann ein OLT-Modul ein PON-Netzwerk in Echtzeit auf Überlastung überwachen. So kann das OLT die Bandbreite basierend auf einer Vielzahl von Faktoren anpassen, einschließlich Überlastung, Bandbreitennutzung und Konfiguration.
Wichtige Punkte zu DBA:
- Das integrierte DBA-Modul im OLT sammelt kontinuierlich DBA-Berichte, führt Berechnungen durch und benachrichtigt die ONU über das Feld BWMap im Downstream-Frame.
- Als Ergebnis der BWMap-Informationen sendet die ONU Upstream-Daten in den Zeit-Slots, die für die Belegung der Upstream-Bandbreite zugewiesen sind.
- Die Bandbreite kann auch statisch/fest zugewiesen werden.
- Die Verwendung von DBA ermöglicht Folgendes:
- Verbesserte Nutzung der Upstream-Bandbreite an einem PON-Port.
- Höhere Bandbreite für Benutzer und Unterstützung für mehr Benutzer an einem PON-Port.
Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)
Die Übertragung von digitalen Signalen kann Bitfehler und Jitter verursachen, was die Qualität der Signalübertragung beeinträchtigen kann. GPON kann FEC nutzen, wodurch das RX-Ende auf Fehlerbits in der Übertragung prüfen kann.
Hinweis: FEC ist unidirektional und unterstützt keine Rückmeldung von Fehlerinformationen.
Wichtige Punkte zu FEC:
- Erfordert keine erneute Datenübertragung.
- Unterstützt FEC nur in Downstream-Richtung.
- Verbessert die Übertragungsqualität durch PCBd und Payload-Verarbeitung.
Leitungsverschlüsselung
Alle Downstream-Daten werden per Broadcast an alle ONUs gesendet. Ein Risiko besteht darin, dass nicht autorisierte ONUs Downstream-Daten empfangen, die für autorisierte ONUs bestimmt sind. Um dies zu verhindern, verwendet GPON den AES128-Algorithmus, um Datenpakete zu verschlüsseln.
Wichtige Punkte zur Leitungsverschlüsselung:
- Die Verwendung von Leitungsverschlüsselung erhöht weder den Overhead, noch verringert sie die Bandbreitennutzung.
- Die Verwendung von Leitungsverschlüsselung verstärkt Übertragungsverzögerungen nicht.
Schlüsselaustausch und Switchover
- OLT initiiert eine Schlüsselaustauschanfrage an die ONU. Die ONU antwortet auf die Anfrage mit einem neuen Schlüssel.
- Nach Erhalt des Schlüssels verwendet das OLT den neuen Schlüssel, um Daten zu verschlüsseln.
- Das OLT sendet die Anzahl der Frames mit dem neuen Schlüssen an die ONU.
- Die ONU empfängt die Frame-Anzahl und wechselt den Verifizierungsschlüssel für eingehende Daten-Frames um.
Wie in der Abbildung dargestellt: Prozess des Schlüsselaustauschs:
Netzwerkschutzmodi
Es gibt mehrere verschiedene Arten von Netzwerkschutzmodi, die GPON verwenden kann. Näheres zu den verschiedenen Typen finden Sie in der Abbildung.
Typ A
- Erfordert keinen zusätzlichen OLT-PON-Port.
- Wenn die primäre Glasfaser ausfällt, werden die Services auf die sekundäre Glasfaser übertragen.
- Die Dauer des Ausfalls hängt vom Zeitpunkt der Leitungswiederherstellung ab.
- Wenn der Fehler in der Leitung vom Splitter zur ONU auftritt, gibt es keine Sicherung.
Typ B
- OLT bietet zwei GPON-Ports als gültige und Schutz-OLTs.
- Der Schutz beschränkt sich auf die Glasfaser vom OLT bis zum Splitter und den Platinen des OLT.
- In den ONU- oder Feeder-Fasern ist keine Geräteredundanz vorgesehen.
- Kein ONU- oder vollständiger ODN-Schutz.
- Verwendet einen 2 x N-Splitter und funktioniert ohne zusätzlichen optischen Verlust.
Typ C
- Redundanz für OLT, ODN und ONU(s).
- Bietet zwei vollständig redundante Verbindungen bis zum Standort des Abonnenten.
- Zwei Optionen: Linearer 1+1- und linearer 1:1-Schutz
1+1-Schutz:
- Das Schutz-PON ist für das gültige PON reserviert.
- Normaler Traffic wird kopiert und an beide PONs gesendet, mit einer permanenten Brücke zwischen den beiden OLTs.
- Der Traffic wird gleichzeitig an eine ONU gesendet. Die Auswahl zwischen den beiden Signalen basiert auf vorgegebenen Kriterien.
1:1-Schutz:
- Normaler Traffic wird entweder im gültigen oder im Schutz-PON transportiert.
- Der automatische Schutz wechselt zwischen den PONs.
- Diese Variante ist am teuersten, bietet aber maximale Verfügbarkeit.