În Bulgaria soluția de cablare a companiei pe fibră optică avansează cel puțin la fel de mult ca și în România.
Mai mult, profesorii pregătiți din punct de vedere tehnic analizează în detaliu diferențele față de soluțiile clasice, pe cupru. Este un exemplu ce sperăm să fie urmat și de specialiști din România, știut fiind că România are oameni foarte bine pregătiți în orice domeniu de activitate.
Studiu este foarte bine documentat și bazat pe studi similare făcute de alți cercetători străini, având ca referințe:
[1] “GPON evolution: energy-efficient way for Next [13] Generation Access”, J. Montalvo, The SANS Institute, 2013
[2] “Comparative Risk Analysis Between GPON Optical LAN and Traditional LAN Technologies”, Jason Young, Antonios Atlasis, The SANS [14] Institute, 2013
[3] “LANscape Passive Optical Solutions for Local Area Networks”, Corning Cable Systems, 2013
[4] “Deploying a Passive Optical Network in a [15] Standards-Based Enterprise Environment”, Craig Kegerise, BICSI News Magazine, 2013
[5] Rodney Casteel, "Passive Optical LAN", CommScope, Inc., 2012.
[6] Xianbin Yu, Ying Zhao, Lei Deng, Xiaodan Pang, [16] Monroy, I.T., “Existing PON infrastructure supported hybrid fiber-wireless sensor networks”, IEEE Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC/NFOEC), and the National [17] Fiber Optic Engineers Conference, 2012.
[7] Haotian Wang, Yongjun Zhang, Wei Wang , Lei Yan, Zheng Ma, Wanyi Gu, Zhiyun Chen, “Study on Application of GPON-Based Transmission Hierarchy in Mesh Network”, IEEE Symposium on Photonics and Optoelectronics (SOPO), 2012.
[8] Benyuan Zhu, Au, D., Farooq Khan, Yaowen Li, “Coexistence of 10G-PON and GPON reach extension to 50-km with entirely passive fiber plant”, 37th IEE European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC), 2011.
[9] Jain, S., Effenberger, F., Szabo, A., Zhishan Feng, Forcucci, A., Wei Guo, Yuanqiu Luo, Mapes, R., Yixin Zhang, O'Byrne, V., “World's First XG- PON Field Trial”, Journal of Lightwave Technology, 2011.
[10] Weis, E., Breuer, D., Lange, C., “Technologies for next generation optical access”, 14th IEEE International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2-5 July 2012.
[11] Matavulj, P.S., Blanusa, M.S., “Techno-economic analysis of GPON and FTTC/VDSL access networks”, 19th Telecommunications Forum (TELFOR), 2011.
[12] Gebizlioglu, O.S. ; Kuwahara, H. ; Jain, V. ; Spencer, J., “ Passive optical networks (PONs): toward next-generation PONs “, IEEE Communications Magazine, 2011
Rezumat: - Rețelele optice pasive (PON), denumite uneori rețele locale (LAN) optice pasive (POL), câștigă teren ca mijloc de a muta fibra optică mai aproape de utilizatorul final, sporind în același timp securitatea rețelei, economisind spațiu și oferind o infrastructură mai ecologică și mai durabilă. Această lucrare prezintă arhitectura POL-urilor în mediul de companie, utilizând tehnologia Gigabit Passive Optical Network (GPON).
1. Introducere
Rețelele companiilor se confruntă cu schimbări și provocări cauzate de utilizarea Internetului față de aplicațiile bazate tipice companiilor, creșterea conținutului video, integrarea serviciilor de voce în rețeaua locală (LAN) și tranziția de la rețelele LAN cu fir la cele fără fir (wireless). Adaptarea la cerințele de lățime de bandă sporită, deși este obiectivul principal care provoacă schimbări majore, nu este singura. Alți factori de schimbare includ necesitatea de a:
• asigurarea conectivității prin cablu și fără cablu;
• acceptă servicii de voce, video și date;
• migrarea de la securitatea perimetrală la securitatea bazată pe rol;
• reducerea operațiunile de mentenanță a rețelei care necesită multă muncă și sarcini;
• implementarea de soluții ecologice;
În timp ce se confrunta cu schimbările tehnologice a unui sediu existent al unei companii, fie la un nou sediu nou, o companie globală a avut ocazia să reducă dramatic costul total de proprietate (TCO) prin trecerea la o rețea optică pasivă bazată pe tehnologia GPON, în loc să continue cu utilizarea soluție tradițională Ethernet (pe cupru) comutată cu două sau trei niveluri. Tehnologia GPON este utilizată pentru a stabili o infrastructură pasivă care nu necesită energie electrică la noduri intermediare (switchurile de distribuție orizontală) între agregare și nodurile utilizatorului (prize) [1].
Rețeaua Passive Optical LAN este adoptată într-un ritm rapid de către marii clienți guvernamentali și de companii, atrași de beneficiile unor economii semnificative de costuri. Migrarea la o rețea locală de înaltă performanță nu trebuie să însemne să plătiți mai mult în costurile echipamentelor sau în consumul de energie. O nouă generație de tehnologie LAN optică pasivă reduce efectiv costurile pe termen lung, oferind în același timp toate beneficiile de performanță așteptate de la rețelele optice [2].
2 Obiective
La implementarea rețelelor LAN, o companie globală a jonglat cu trei cerințe, adesea contradictorii. Constrângerile bugetare au dictat nevoia de a controla atât costurile inițiale, cât și cele pe termen lung de întreținerea rețelei. Cu toate acestea, companiile au vrut să instaleze cea mai recentă tehnologie – în ceea ce privește viteza rețelei, funcționalitatea și securitatea – într-un mod care să permită evoluția rentabilă a rețelelor în pas cu progresele inevitabile ale tehnologiei. În cele din urmă, ca o companie conștiincioasă față de mediu, o organizație globală a căutat calea cea mai ecologică posibilă pentru atingerea celorlalte două obiective, și anume prin implementarea rețelelor LAN care ar reduce consumul de energie.
Din fericire, acum a fost posibil să se atingă toate cele trei obiective în același timp prin implementarea soluției avansate pe fibră optică, bazată pe tehnologia GPON.
3 Prezentare generală a rețelei LAN optice pasive
Rețeaua LAN optică pasivă este o alternativă la infrastructura LAN tradițională de Layer 2 bazată pe cupru [3]. Conceputul de cablare este acoperit de standardul industrial ITU-T G984.x (Full Service Access Network), care se bazează pe tehnologia GPON, folosind o metodă de încapsulare generică (GEM) care acceptă transportul de date Ethernet, ATM și TDM. POL permite livrarea de rețele unificate de înaltă securitate care oferă comunicații de voce IP, date și orice tip de video printr-o singură fibră.
Rețeaua de Gigabit pasivă folosește fibră optică single mode pentru a conecta echipamentul principal (OLT), cu ajutorul unuia sau a mai multor splittere optice pasive, către mai multe puncte terminale denumite terminale optice de rețea (ONT-uri), cu porturi Gigabit. GPON furnizează 2,5 Gbps de lățime de bandă fiecărui ONT [4]. ONT convertește semnalele optice în semnalele utilizate în cablarea clădirilor, cum ar fi Ethernet și serviciul de telefonie simplă analogică cu fir. Fiecare port PON poate încorpora de la 1:1 până la 1:128 împărțiri și depinde de ratele de splittare și de încărcarea portului. În practică, majoritatea PON-urilor sunt implementate cu un raport de împărțire de 1:32 sau 1:64 (Figura 1).
Pot fi acceptate distanțe de până la 20 km cu o împărțire în 32 de direcții. Tehnologia este considerată „pasivă”, deoarece transmisia este alimentată direct de la OLT la ONT și nu există nicio comutare electrică sau rutare între ele.
Fig. 1 Distributia GPON in solutia de Passive Optical LAN
4 COMPARAȚIA DE ARHITECTURĂ
În cadrul companiilor, cablurile de cupru de categoria 3, Cat.5 sau Cat.6 conectează de obicei trei straturi de routere și comutatoare într-o rețea LAN Ethernet activă tradițională. Un router din stratul superior (CoreLayer) face legătura cu switchurile de campusul sau cele de distribuție de agregare pe verticala în clădire (Distribution Layer) [5]. Aceste comutatoare, la rândul lor, se conectează la comutatoarele de nivel de acces din dulapurile de comunicații. Cablurile de cupru se extind de la dulapurile de comunicații la utilizatori (Figura 2).
Figura 2. LAN Ethernet activ tradițional pe cupru
Un LAN optic, pe de altă parte, simplifică rețeaua și elimină nivelurile de agregare [6]. Această soluție menține routerul în cel mai înalt nivel, iar echipamentul principal (OLT) servește același scop ca și comutatoarele de agregare a companiei, ceea ce elimină efectiv agregarea campusului și a clădirii pe switchuri, precum și dulapurile de comunicații.
În schimb, o fibră single mode, conectata de obicei cu un splitter optic 1x32, rulează între router și OLT la terminalele de rețea optică (ONT) care deservesc utilizatorii finali [7]. Un splitter optic este un dispozitiv pasiv, astfel încât nu există cerințe de alimentare cu energie electrică. (Figura 3).
Figure 3. Passive Optical LAN
5 PREZENTARE GPON
GPON este o arhitectură de rețea multiservicii nefragmentată de tip Layer 2, care completează serviciile de Layer 3 oferite de un switch de bază prin VLAN-uri native sau etichetate, suport SIP nativ și vizibilitate, control și management pe biți, porturi și segmente. Prin multiplexarea diviziunii lungimii de undă (WDM), folosește o lungime de undă (1490nm) pentru traficul în downstream de 2,5G și alta (1310nm) pentru traficul de upstream de 1,2G pe o singură fibră. Lungimea de undă de 1550 nm este rezervată serviciilor opționale de video RF (analogic) [8].
GPON este o arhitectură de rețea centrală de agregare punct la mai multe puncte care oferă segmentare de porturi și biți pentru calitatea serviciului garantată (QoS). GPON nu difuzează (broadcast) și, în schimb, distribuie toate semnalele în downstream prin conexiuni securizate, virtuale punct la punct, care utilizează criptarea AES-128 între OLT și ONT. Semnalele în upstream sunt combinate folosind un protocol de acces multiplu, de obicei acces multiplu pe diviziune în timp (TDMA) sau o schemă dinamică de alocare a lățimii de bandă, care împiedică interferența cadrelor de date ale diferiților utilizatori [9].
Un port Ethernet GPON care se conectează la un telefon VoIP funcționează în același mod ca o rețea tradițională comutată. Dacă ONT-ul este configurat în sprijinul QoS pentru conexiunea VoIP, va suporta acea rată de biți. Dacă este necesară o capacitate suplimentară de porturi, este o simplă chestiune de configurare a capacităţii portului pentru serviciile necesare [10].
Traficul GPON circulă în mod simetric în cadrul segmentelor și VLAN-urilor alocate. Sunt acceptate până la 4000 de VLAN-uri per OLT. ONT-urile configurate pentru un VLAN nu pot fi schimbate cu un alt VLAN sau segment în niciun moment. Acest lucru îmbunătățește securitatea, gestionarea și performanța rețelei. Atunci când GPON este proiectat corespunzător pentru Peak and Committed Information Rate (PIR/CIR), segmentat de VLAN și serviciu pentru QoS și stabilit în funcție de capacitatea de intrare pentru a include comutatorul de bază (Core switch), performanța va fi excepțională în mare parte din eliminarea fragmentării switchului [11].
Ratele de biți GPON sunt configurate în funcție de cerințele QoS pentru anumite servicii. O rețea GPON complet integrată reduce efectiv numărul de sisteme de management al rețelei neconexe și cerințele de lățime de bandă într-un centru de date sau un dulap de cablare. GPON oferă convergență de voce, date, video IP și RF, POTS, securitate, supraveghere, alarme, BMS, informare, sisteme de mediu și sisteme de control al accesului într-o singură rețea, utilizând caracteristicile avansate de securitate ale QoS, clasa de serviciu și mecanismele VLAN [12].
Șasiul GPON (OLT) este însoțit de o stație de lucru de management (Element Management System) care prezintă o interfață grafică de utilizator (GUI) și o interfață de linie de comandă (CLI) în scopuri de configurare. Capacitatea de a gestiona nivelurile de biți, porturi și putere în sistem, în VLAN-uri și grupuri și până la porturile individuale oferă o asigurare a performanței care pur și simplu nu este disponibilă în configurațiile de rețea pe switchuri vechi [13].
ONT-urile GPON sunt disponibile cu Power over Ethernet (PoE), atât în configurații standard IEEE 802.3af de putere redusă, cât și IEEE 802.3 de mare putere. Configurația GPON poate oferi, de asemenea, o gestionare garantată a energiei sau furnizare de alimentare PoE. Broadcast storm transmise de cablurile loopback sunt, de asemenea, eliminate printr-o oprire implicită a portului de 5 ms și prin fibră neconductivă [14].
6 PASSIVE OPTICAL LAN VS. LAN TRADIȚIONALĂ PE CUPRU
Figura 4 prezintă diferențele dintre POL și infrastructura LAN Ethernet activă tradițională.
Figura 4. Diferențele dintre Active Ethernet LAN și Passive Optical LAN
7 Trecerea la CLOUD COMPUTING
Deși virtualizarea și consolidarea generează nevoi de capacitate foarte mare în centrul de
date corporativ, tendința ca aplicațiile și datele să fie situate din ce în ce mai mult pe un site fizic diferit de majoritatea utilizatorilor, modifică unele dintre cerințele fundamentale de proiectare pentru rețelele locale ale unei companii [15].
Apariția modelelor de cloud computing agravează acest efect (Figura 5). În spațiile „tradiționale pe cupru” proiecte LAN care suportă servere locale, capacitatea LAN (în special backbone) era mai importantă decât capacitatea WAN. Dar cu serverele și resursele de la distanță din centrele de date centralizate sau „în cloud”, cerințele privind capacitatea WAN și LAN/backbone converg.
Figura 5. Tendința către modelul Cloud Computing
În plus, rețelele de companii folosesc din ce în ce mai mult wireless pentru accesul utilizatorilor, iar Wi-Fi devine alegerea wireless implicită. Deoarece suprafața suportată de un punct de acces Wi-Fi obișnuit este mai mică decât cea suportată de un switch Ethernet cu fir obișnuit, raza fizică a coloanei vertebrale a rețelei trebuie să crească. Cablajul cu fibră optică îndeplinește aceste nevoi, iar modelul de coloană vertebrală de fibră/acces fără fir a fost deja denumit „Fi-Wi“. GPON este o potrivire bună pentru aceste nevoi și, de asemenea, permite rețele de campus cu costuri mai mici, deoarece este mai rentabil. la distanțe mari decât Ethernet pe switchuri clasice [16]
Acest lucru deschide o oportunitate pentru modelul GPON mai simplu și mai puțin costisitor, dar partajat de lățime de bandă pentru LAN-ul unei companii (Figura 6).
Figura 6. Oportunitatea de a regândi LAN-ul unei companii
8 Arhitectura PON implementată
Arhitectura aplicată pentru rețele LAN optice care utilizează tehnologia GPON a fost aplicată pentru mai multe cazuri de utilizare corporativă pentru a oferi conectivitate între OLT și ONT:
• sucursală mare (campus) și un centru de date global, cuprinzând între 1000 și 5000 de utilizatori conectați local;
• sucursală medie și o cameră de date locală, cuprinzând între 250 și 1000 de utilizatori conectați local;
• sucursală mică care cuprinde între 50 și 250 de utilizatori conectați local;
• sucursală foarte mică, care cuprinde până la 50 de utilizatori conectați local;
Transmisia este alimentată direct de la OLT la ONT și nu există comutare sau rutare între ele. Figura 7 descrie arhitectura soluției LAN pe fibră optică implementate. Prezintă implementarea rețelelor LAN optice pasive pentru o organizație globală, bazată pe tehnologia GPON, inclusiv cazurile de utilizare LAN pentru un birou mare, birou mediu, birou mic și un birou foarte mic, precum și un centru de date global care operează într-un model de cloud hibrid.
Figura 7. Arhitectura aplicată pentru POL-urile bazate pe GPON în mediul companiilor
ONT convertește „semnalele luminoase” din fibră optică în „semnale electrice” de cupru pentru livrarea de servicii avansate precum IPTV, VoD (Video la cerere), VoIP și alte servicii video și voce bazate pe pachete direct către echipamentul utilizatorului final. La desktopul utilizatorului final, un ONT oferă un punct de demarcație gestionat pentru serviciile de rețea. ONT în sine nu are controale de utilizator și este gestionat prin sistemul de management al elementelor OLT. O caracteristică cheie de securitate oferită prin soluția LAN optică asigură că ONT-ul nu poate funcționa decât dacă este admistrat si controlat de OLT.
OLT permite livrarea de servicii de bandă largă simetrică către dispozitivul utilizatorului final, care este ONT, și echipamentele utilizatorului final, cum ar fi IPTV box, camera de supraveghere, telefonul VoIP și computerele / laptopuri. De asemenea, acceptă calitatea serviciului (QoS) și alocarea dinamică flexibilă a lățimii de bandă. OLT trimite un singur flux de trafic în downstream care este văzut de toate ONT-urile.
Fiecare ONT citește doar conținutul acelor pachete care îi sunt adresate. Criptarea este utilizată pentru a preveni interceptarea traficului din downstream. Fluxul de date dintre OLT și ONT este criptat folosind standardul de criptare AES cu cifru bloc AES-128.
POL-urile bazate pe GPON aplicate în mediul unei companii au permis convergența vocii, datelor și video pe un singur fir de fibră single-mode, ceea ce a redus hardware-ul infrastructurii de rețea la o fracțiune din ceea ce este necesar în ceea ce privește cablarea și electronica în abordarea convențională Ethernet. Soluția nu numai că a permis o întreținere mai ușoară, ci și a îmbunătățit eficiența în ceea ce privește adăugările, mutările și modificările legate de utilizatorul final.
Deoarece nu există componente electronice active între centrul de date și utilizatorul final, în special în dulapurile de pe etajele clădirii, există economii semnificative de energie, deoarece nu este necesară răcirea în dulapuri. Rețelele LAN cu fibră optică implementate sunt mai eficiente din punct de vedere energetic, mai ecologice și ocupă mai puțin spațiu pe podea, rafturi și dulap decât LAN-urile Ethernet active tradiționale pe cupru. Soluția aplicată nu necesită, de asemenea, regenerarea semnalului pe o distanță de până la 20 de
kilometri între rackul principal (unde se află OLT) și utilizatorul final (la ONT). Aceste caracteristici și capabilități permit o rentabilitate mai
rapidă a investiției și reduc semnificativ costul total de proprietate, atât în ceea ce privește capitalul, cât și cheltuielile de exploatare pe durata de viață a infrastructurii (Figura 8)
Fibra optică single mode este de așteptat să susțină progresele mari în tehnologia GPON în anii următori. Rețelele LAN optice pasive pot fi actualizate fără implementarea unei noi infrastructuri de cablu. Extinderea unui POL bazat pe GPON este pur și simplu o chestiune de adăugare a unei noi tipuri de conectivitati OLT. Pe măsură ce 10GPON (sau XGPON) apare, o companie globală își poate actualiza rețelele locale optice pur și simplu prin modernizarea electronicii terminalului in ambele capete. Spre deosebire de rețelele LAN Ethernet tradiționale, în care infrastructura de cablare trebuie înlocuită de fiecare dată când comutatoarele Ethernet cresc viteza conexiunii, rețelele LAN optice nu necesită actualizări ale infrastructurii de fibră sau orice modificare a mediului de lucru.
Astfel, prin înlocuirea rețelelor LAN vechi cu soluții optice bazate pe tehnologia GPON, o organizație globală și-ar putea atinge cu ușurință obiectivele LAN prioritare. POL-urile bazate pe GPON aplicate au oferit vitezele, capacitatea și funcționalitățile necesare în mediul unei companii. Compania investitoare poate controla acum atât CapEx, cât și pe termen lung - OpEx. La fel de important, prin implementarea POL-urilor bazate pe GPON, o organizație globală are o rețea concepută pentru a satisface cerințele sale unice pentru anii următori.
9 Concluzie
Centralizarea centrelor de date și apariția cloud computing-ului, combinată cu trecerea tot mai mare de la cablu la wireless la marginea rețelei unei companii, schimbă subtil cerințele pentru rețelele LAN [17]. Aceste tendințe schimbă nevoile pentru funcții avansate și de înaltă performanță în rețelele de centre de date, rezultând o oportunitate pentru rețele LAN mai simple, pe fibră.
POL-uri bazate pe GPON implementate în mediul de întreprindere, serviciu extins la orice punct terminal Ethernet staționar. Acesta a permis livrarea unei rețele unificate fiabile și foarte sigure, care furnizează voce IP, date și orice tip de video printr-o singură fibră. De asemenea, a crescut dimensiunea blocului de construcție a rețelei, ceea ce a simplificat foarte mult implementarea, operarea și gestionarea rețelei unei companii. Soluția a susținut conservarea energiei, deoarece infrastructura LAN optică folosește componente pasive, cum ar fi hub-urile de distribuție optică și instalația de fibră, care nu necesită energie sau răcire, ceea ce duce la economii semnificative de energie. POL-urile implementate oferă rentabilitate imediată a investiției și un cost total scăzut de proprietate în comparație cu rețelele LAN bazate pe cupru.
Furnizorii de servicii de comunicații (CSP) care operează deja GPON ca parte a serviciilor lor FTTH se vor afla într-o poziție interesantă pentru a opera infrastructură LAN optică pasivă pentru companiile care sunt interesate să-și externalizeze rețelele locale. Ca atare, rețelele LAN optice pasive ar putea deveni o parte integrantă a strategiilor cloud ale CSP-urilor.