FTTH-EPON

FTTH-EPON

イーサネットパッシブオプティカルネットワーク（EPON）は、イーサネットでデータをカプセル化したPONであり、1 Gbps〜10 Gbpsの容量を提供できます。 EPONはPONの元のアーキテクチャに従います。 ここで、次の図に示すように、DTEはツリーのトランクに接続され、Optical Line Terminal（OLT）と呼ばれます。

通常、サービスプロバイダーにあり、ツリーの接続されたDTEブランチは加入者の構内にある光ネットワークユニット（ONU）と呼ばれます。 OLTからの信号はパッシブスプリッターを通過してONUを実現し、その逆も同様です。

最初のマイルのイーサネット

2000年11月にイーサネットインザファーストマイル（EFM）と呼ばれる新しい研究グループが設立され、イーサネット銅線を使用したイーサネットポイントツーマルチポイント（P2MP）ファイバーの研究を主な目的として、標準化プロセスが始まりました。 Ethernet over point-to-point（P2P）ファイバーおよびネットワーク操作メカニズム、管理と保守（OAM）を介して、ネットワーク操作とトラブルシューティングを容易にします。 EFMワーキンググループは、2004年6月のIEEE Std 802.3ahの批准により、正規化のプロセスを終了します。

EFMによる製品（最初の1マイルのイーサネット）。 イーサネットに基づいたPONテクノロジー。 これは、主要な規格であるIEEE 802.3ahに基づいています。 P2MPトポロジへのアクセスを制御するために、MAC制御サブレイヤー内の機能として定義されたマルチポイント制御プロトコル（MPCP）に基づきます。

EPON / MPCPプロトコルの基礎は、ポイントツーポイント（P2P）エミュレーションサブレイヤーにあります。 その伝送速度は→対称1.25Gです。 距離：10KM / 20KM; スプリッター比率：> 1:32 EFMは、プロトコルの成熟度、テクノロジーのシンプルさ、拡張の柔軟性、ユーザー指向など、コアテクノロジーとしてのイーサネットに基づくEPONの多くの利点を指摘しています。

EPONシステムは高価なATMハードウェアとSONET機器を選択しないため、既存のイーサネットネットワークと互換性があります。 システム構造を簡素化し、コストを削減し、アップグレードに柔軟に対応します。 機器ベンダーは、機能と実用性の最適化に重点を置いています。

BPON ATMシステム

BPON ATMベースのシステムは、アクセスネットワーク上のトラフィックの大部分が大きなIPフレームと可変サイズで構成されているため、非常に効率が悪いことが証明されています。 それは、純粋なイーサネットベースのEPON、QoSを享受するGigEパスワード、および他の新しいイーサネット機器との費用効果の高い統合の開発の機会を生み出しました。 イーサネットは、IPトラフィックの理想的なトランスポーターであることが長い間実証されてきました。

したがって、IEEE 802.3ah規格802.3は、「ファーストマイルのイーサネット」ワーキンググループに、ポイントツーポイントおよびポイントツーマルチポイントアクセスネットワークの標準の開発を指示しました。後者はイーサネットPONを示しています。 EPONは現在、イーサネット標準の一部です。

パッシブ光ネットワーク（GPON）、すなわちギガビット装備標準（G.984シリーズ）の開発は、ATM / Ethernet PONソリューションに対するFSANメンバー（クアンタムブリッジ、Al）の提案の後、本当に始まりました。 プロトコルに依存しないGbpsは、IEEE 802.3ahワーキンググループ内ではあまり一般的ではありませんでした。 FSANは、これをITUとは異なる競合標準として追求することを決定しました。

EPONとGPONは、BPONの標準であるG.983から、うまく機能する一般的な概念（運用中のPON光配信ネットワーク（ODN）、波長計画、およびアプリケーション）に大きく依存しています。 どちらも独自の拡張機能を提供して、可変レートGbpsでより良いサイズのIP / Ethernetフレームに対応します。

IEEE 802.3ahイーサネット規格はアクセスネットワークを指定し、ファーストマイルのイーサネットとしても知られています。 IEEE802.3ahのセクション5は、サービスとプロトコル要素の定義に対応するIEEE Std 802.3を構成しています。 加入者アクセスネットワークのステーション間でIEEE 802.3形式のフレームを交換できます。

EPONのコンセプト

EFMは、ポイントツーマルチポイント（P2MP）ネットワークトポロジがパッシブ光スプリッターで実装されるEPONの概念を導入しました。 ただし、イーサネットポイントツーポイントファイバは、合理的なコストで最高の帯域幅を提供します。 イーサネットポイントツーマルチポイントファイバは、比較的高い帯域幅を低コストで提供します。 IEEE Std 802.3ahの目的は、イーサネットのアプリケーションを拡張してアクセス加入者ネットワークを含め、運用と保守の機器コストを最小限に抑えながらパフォーマンスを大幅に向上させることでした。

IEEE 802.3ah EFM規格の結論は、アクセスおよびメトロネットワークで使用するためのイーサネットトランスポートの範囲と範囲を大幅に拡大します。 この規格により、サービスプロバイダーは、アクセスおよびメトロネットワークでブロードバンドイーサネットサービスを提供するための、柔軟で費用効果の高いさまざまなソリューションを利用できます。

EFMは、メディアのタイプと信号速度が異なる一連のテクノロジーをカバーします。タイプまたは複数のFSMメディアのネットワークに展開され、混合10/100/1000/10000 Mbと対話するように設計されています。 / sイーサネットネットワーク。 IEEE 802.3で定義されているネットワークトポロジは、加入者の構内で使用し、イーサネット加入者アクセスネットワークに接続できます。 EFMテクノロジーにより、さまざまなタイプのトポロジーで最大限の柔軟性を実現できます。

IEEE Std 802.3ah

IEEE Std 802.3ahは、加入者のイーサネットアクセスネットワークの仕様を含み、IEEE Std 802.3ah EPONは、各チャネルで約1 Gb / s（10 Gb / sに拡張可能）の公称レートをサポートします。 これらは2つの波長で定義されます。1つはダウンストリーム波長で、もう1つはユーザーデバイス間の共有アップストリーム方向用です。

EFMは全二重リンクをサポートしているため、全二重簡易メディアアクセス制御（MAC）を定義できます。 イーサネットアーキテクチャは、物理層を、Physical Medium Dependent（PMD）、Physical Medium Attachment（PMA）、およびPhysical Coding Sublayer（PCS）に分割します。

EPONはP2MPネットワークトポロジを実装し、アンダーコートおよび調整サブレイヤMAC制御への適切な拡張、およびこのトポロジをサポートするための光ファイバアンダーレイヤ物理メディア依存（PMD）を備えています。

物理層

P2MPトポロジの場合、EFMは1000BASE-Xから派生した物理層用のシグナリングシステムのファミリを導入しました。 ただし、RS、PCS、およびPMAの拡張機能が含まれており、オプションの前方誤り訂正（FEC）容量があります。 1000BASE-X PCSおよびPMAサブレイヤーは、インターフェイスの特性をマッピングします。 PMDサブレイヤー（MDIを含む）は、アンダーコートの調整によって期待されるサービスです。 1000BASE-Xは、他の全二重メディアをサポートするように拡張できます。環境がPMDのレベルと一致していることのみが必要です。

中負荷インターフェース（MDI）

これは、PMDと物理メディアの間のインターフェースです。 信号、物理メディア、機械的および電気的インターフェースについて説明します。

物理メディア依存（PMD）

PMDは、伝送媒体へのインターフェースを担当します。 PMDは、接続されている物理メディアの性質に応じて電気信号または光信号を生成します。 PONを介した少なくとも10キロメートルおよび20キロメートル（1000BASE-PX10および1000BASE-PX20 PMDのアンダーコート）への1000BASE-X接続は、P2MPを提供します。

PONイーサネットでは、DおよびUサフィックスはリンクの各端でPMDを示し、これらの方向で送信および反対方向で受信します。つまり、単一のダウンストリームPMDは1000BASE-PX10-Dおよびアップストリーム1000BASE-PX10 Uとして識別されますPMD。 同じ繊維が両方の方向で同時に使用されます。

1000BASE-PX-U PMDまたは1000BASE-PX-D PMDは、適切なPMA 1000BASE-Xに接続され、MDIを介してサポートされます。 PMDは、オプションで、管理インターフェイスを介してアクセスできる管理機能と組み合わされます。 10 kmまたは20 km Ponsの場合のアップグレードの可能性を可能にするために、1000BASE-PX20-D 1000BASE-PX10 PMDとPMDUの両方を相互運用できます。

物理媒体添付ファイル（PMA）

PMAには、送信、受信、クロックリカバリ、および調整機能が含まれます。 PMAは、ビット指向の一連の物理メディアシリーズの使用をサポートするために、PCSに独立した中間方法を提供します。 物理コーディング（PCS）のサブレイヤーは、コード化ビット機能で構成されています。 PCSインターフェイスはギガビットメディア独立インターフェイス（GMII）であり、1000 Mb / s PHYのすべての実装に対して調整サブレイヤーへの統一インターフェイスを提供します。

ギガビットメディア独立インターフェイス（GMII）

インターフェースGMIIは、ギガビットMAC層と物理層の間のインターフェースを指します。 速度ギガビットの物理層からのさまざまな実装と複数のDTEを混在させることができます。 PCSサービスインターフェイスにより、1000BASE-X PCSはPCS顧客と情報をやり取りできます。 PCSのお客様には、MAC（調整のアンダーコート経由）およびリピーターが含まれます。 PCSインターフェースは、Gigabit Media Independent Interface（GMII）として正確に定義されています。

調整サブレイヤー（RS）は、サービスアクセス制御メディアを定義するGMII信号の一致を保証します。 GMIIとRSは独立したメディアを提供するために使用されるため、アクセスコントローラの同一のメディアをあらゆるタイプの銅および光PHYで使用できます。

データリンク層（マルチポイントMAC制御）

MAC制御プロトコルがサポートされるように指定され、同時に新しい機能が実装され、標準に追加されました。 これは、マルチポイント制御プロトコル（MPCP）の場合です。 P2MPの管理プロトコルは、マルチポイント制御プロトコルで定義されている機能の1つです。

マルチポイントMAC制御機能は、マルチポイントを指す物理層デバイスを含む加入者のデバイスにアクセスするために実装されます。 一般的に、MACエミュレーションの管轄はOLTとONUの間のポイントツーポイントサービスを提供しますが、追加のインスタンスが、一度にすべてのONUの通信目標に含まれるようになりました。

MPCP（マルチポイント制御プロトコル）

MPCPは非常に柔軟で、実装が簡単です。 MPCPは5種類のメッセージ（各メッセージはMAC制御フレーム）を使用し、ONU / ONTは複数のパケット境界を報告し、OLTはパケット境界で許可します-描写オーバーヘッドはありません。

MPCPは、OLSTと、ポイントツーマルチポイント（P2MP）PON部分に関連付けられたONUの間のシステムを示し、UPSTREAMヘッダーの情報の生産的な送信を可能にします。

MPCPは次の機能を実行します-

• MPCPは自動検出プロセスを制御します。

• ONTへのタイムスロット/帯域幅の割り当て。

• ONTを同期するために提供されるタイミング基準。

MPCPは5つの新しいMAC制御メッセージを導入しました-

• ゲート、レポート

• 登録済みREQ

• 登録

• 登録済みACK

• 自動検出

メッセージ検出シーケンスの概要

次の図は、メッセージ検出シーケンスの概要を示しています。

DBA EPON

EPONでは、OLTとONY間の通信はダウンストリームと見なされ、OLTは帯域幅全体を使用してダウンストリームデータをONTにブロードキャストし、もう一方の端でイーサネットフレームで利用可能な情報を使用してフレームを受信します。 ONTからOLTへのアップストリームは、単一チャネル通信を使用しています。これは、1つのチャネルが複数のONTによって使用されることを意味し、データの衝突を意味します。

この問題を回避するには、有効な帯域幅割り当てスキームが必要です。これにより、リソースをONTに均等に割り当てると同時にQoSを確保できます。このスキームは、動的帯域幅割り当て（DBA）アルゴリズムと呼ばれます。 DBAは、レポートおよびゲートメッセージを使用して、ONTに伝達される送信スケジュールを作成します。

DBAの特性

EPONの重要な機能は、現在および将来のアプリケーションの需要を満たすために、異なるDBA割り当てを使用して最適なQoSと帯域幅の効果的な割り当てをさまざまなサービスに提供することです。

現在、EPONで利用できるDBAアルゴリズムの2つの異なるタイプは次のとおりです-

• 1つ目は、トラフィックの変動に対応するためのものです。

• 2つ目は、さまざまなタイプのトラフィックにQoSを提供することです。

他の特徴は、フレームコリジョン、QoSを介したリアルタイムトラフィックの管理、および各サブスクライバの帯域幅管理を回避し、低優先度トラフィックの遅延を減らすことです。

EPONフレーム形式

EPON操作はイーサネットMACに基づいており、EPONフレームはGbEフレームに基づいていますが、拡張が必要です-

• 条項64-マルチポイント制御プロトコルPDU。 これは、必要なロジックを実装する制御プロトコルです。

• 条項65-ポイントツーポイントエミュレーション（調整）。 これにより、EPONはポイントツーポイントリンクのように見え、EPON MACにはいくつかの特別な制約があります。

• CSMA / CDの代わりに、許可されると送信します。

• MACスタックを通過する時間は一定でなければなりません（±16ビットの持続時間）。

• 正確な現地時間を維持する必要があります。

EPONヘッダー

標準イーサネットは、本質的にコンテンツのない8Bプリアンブルで始まります-

• 1と0が交互に並ぶ7B 10101010

• SFD 10101011の1B

新しいPONヘッダーを隠すために、EPONはプリアンブルバイトの一部を上書きします。

LLIDフィールドには次の要素が含まれています-

モード（1b）-

• ONUの場合は常に0

• OLTユニキャストの場合は0、OLTマルチキャスト/ブロードキャストの場合は1

実際の論理リンクID（15b）-

• 登録済みのONUを識別します

• 放送用7FFF

CRCは、LLID（バイト7）を介してSLD（バイト3）から保護します。

セキュリティ

ダウンストリームトラフィックはすべてのONUにブロードキャストされるため、悪意のあるユーザーがONUを再プログラムして、必要なフレームをキャプチャすることが容易になります。

アップストリームトラフィックは他のONUに公開されていないため、暗号化は必要ありません。 EPONは標準の暗号化方式を提供しないため、ファイバータッパーを考慮しないでください。

• IPsecまたはMACsecで補うことができ、

• 多くのベンダーが独自のAESベースのメカニズムを追加しています。

BPONは、チャーニングと呼ばれるメカニズムを使用しました—チャーニングは、次のようないくつかのセキュリティ上の欠陥がある低コストのハードウェアソリューション（24bキー）でした-

• エンジンは線形でした-単純な既知のテキスト攻撃。

• 24bキーは512回の試行で導出可能であることが判明しました。

そのため、G.983.3にはAESサポートが追加され、現在ではGPONで使用されています。

QoS – EPON

多くのPONアプリケーションは高いQoS（IPTVなど）を必要とし、EPONはQoSを次のような上位層に残します-

• VLANタグ。

• PビットまたはDiffServ DSCP。

これらに加えて、LLIDとポートIDの間には重大な違いがあります-

• ONUごとに常に1つのLLIDがあります。

• 入力ポートごとに1つのポートIDがあります-ONUごとに多数ある場合があります。

• これにより、ポートベースのQoSをPONレイヤーで簡単に実装できます。

EPON対GPON

次の表は、EPONとGPONの比較機能を示しています-

次の画像は、EPONとGPONの異なる構造を示しています-