Mặc dầu mô hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mô hình được minh hoạ trong hình 3.8.
Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện truyền thông hay mã hoá tín hiệu.
Lớp con Reconciliation (hoà giải ) và MII (Media Independent Interface) cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác nhau của lớp phụ thuộc phương tiện. MII và GMII được định nghĩa với các đường dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là 10 Mbps (độ rộng là 1 bit), với tốc độ 100Mbps (độ rộng là 4 bit), với tốc độ là 1000 Mbps(độ rộng là 8 bit). Giao tiếp độc lập phương tiện (MII) và lớp con Reconciliation có chung từng tốc độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song công.
Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện(PCS): cung cấp logic cho mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sựu liên kết mã tách kênh và giải mã cho dữ liệu đến.
Lớp con PMA(Physical Medium Attachment): chứa tín hiệu thu và phát cũng như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu.
MDI (Medium Dependent Interface): là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận và đường truyền.
Auto-negotiation Sublayer cho phép NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền trao đổi thông tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mô hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mô hình đều có thể hổ trợ. Auto-negotiation là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau.
Phụ thuộc vào kiểu mã hoá tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc không thể hổ trợ hoạt động song công.
3.9 Kết luận chương
Với mô hình linh hoạt, kiến trúc đơn giản đặc biệt là chi phí thấp, Ethernet đã vượt qua ATM và trở thành công nghệ phổ biến hiện nay. Ethernet được chuẩn hoá theo chuẩn IEEE802.3 với các tốc độ hoạt động đa dạngvà tương tích với mô hình bảy lớp là điều kiện thuận lợi để ứng dụng vào mạng truy cập. Ngoài ra, Ethernet còn tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau nên trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho mạng truy nhập để truyền tải lưu lượng IP và hổ trợ hiệu quả lưu lượng đa phương tiện. Ethernet đã chứng tỏ là lựa chọn thích hợp nhất cho mạng quang thụ động để ứng dụng cho mạng truy nhập
CHƯƠNG4
MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON
4.1 Giới thiệu chương
Việc vượt trội về khả năng truyền dữ liệu của mạng quang thụ động PON là không phủ nhận, nhưng để khai thác tối đa khả năng của nó thì còn tuỳ thuộc vào công nghệ được lựa chọn trong truyền tải. Chương này trình bày sự kết hợp cộng nghệ Ethernet trong mạng truy nhập quang thụ động gọi tắt EPON, và đưa ra nguyên lý truyền,lợi ích của nó và EPON với kiến trúc IEEE 802, giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol)
4.2 Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet _ PON
EPON là sự kết hợp giữa mạng truy cập quang thụ động PON và kỷ thuật Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai công việc này. Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm:
Băng thông cao hơn: EPON sẽ cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng trong bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào. Tốc độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps. Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau:
o Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn. o Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều.
o Khả năng cung cấp video. o Chất lượng dịch vụ tốt hơn.
Chi phí đầu tư thấp hơn: Hệ thống EPON đang khắc phục giữa chi phí và hiệu suất bằng sợi quang và các lênh kiện Ethernet. EPON cung cấp các chức năng và đặc tính sợi quang với giá có thể so sánh được với DSL và cáp đồng T1s. Hơn nữa, việc giảm chi phí đạt được nhờ kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo dưỡng thấp. EPON chuyển giao những cơ hội giảm giá sau:
o Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắc đỏ.
o Những giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu cho DSL và Modem cáp bổ sung.
Nhiều lợi nhuận hơn: EPON có thể hổ trợ đồng thời các dịch vụ thoại, dữ liệu và video, cho phép nhà cung cấp nâng cao dịch vụ băng rộng và linh hoạt. Ngoài ra, nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thống như POST, T1, 10/100 Base- T, hổ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM(Time Division Multiplexing) và SONET.
4.3 Mạng truy cập quang thụ động EPON
EPON là mạng dựa trên mạng PON mà nó mang lưu lượng dữ liệu được đóng gói vào khung Ethernet. Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b (8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền ) và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet.
4.3.1 Nguyên lý hoạt động
Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet. Một cấu hình trong đó các trạm sử dụng chung môi trường truyền dẫn với giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD) và cấu hình còn lại, các trạm sẽ giao tiếp với nhau thông qua một chuyển mạch sử dụng các tuyến kết nối điểm- điểm và song công. Tuy nhiên, EPON có một số đặc tính mà khiến cho nó không thể triển khai trên một trong hai cấu hình này mà thay vào đó ta phải kết hợp cả hai.
Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá. Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU ( với N trong khoảng từ 4 đến 64). ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa chỉ MAC(Media Access Control) trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng. Hình 4.1.
Ở hướng lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác. Trong trường hợp đó, ở hướng lên: đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm- điểm. Tuy nhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột. Vì vậy, ở hướng lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý. Ở đây, luồng dữ liệu hướng lên được phân bố theo thời gian. Hình 4.2
Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian thì 10 bit đặc tính rỗng sẽ được truyền. Sự sắp xếp định vị khe thời gian hợp lý có thể định vị tĩnh (TDMA cố định) hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU (thực hiện thống kê ). Có nhiều mô hình định vị như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết (SLAs :Service Level Agreements). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.1: Lưu lượng hướng xuống trong EPON
4.3.2 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP(Multi Point Control Protocol)
Để hổ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển. MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON. Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report. Bản tin Gate được gởi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền. Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý. Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC (loại 88-08) và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC.
Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường. Trong mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đó. Trong mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU được khởi tạo.
Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh. Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau:
1. OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền. Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là: <transmission size> + <maximum round-trip time> - <minimum round-trip time>; với <transmission size> là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởi tạo có thể dùng.
2. OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó. Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó.
3. Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate. Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate.
4. Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó
(khởi tạo Report). Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gởi.
5. Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của nó và thời gian Round-trip. Như được minh họa ở hình 4.3, thời gian Round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report.
Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin Report có thể xung đột. Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xung đột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó. Nếu như ONU không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đó, nó sẽ kết luận rằng sự xung đột đã xãy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate ngẫu nhiên. Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột.
Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:
1. Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (hình 4.4).
2 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ. Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó.
3. Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền. ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được. Nếu sự sai biệt đã vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vào mode chưa khởi tạo. Ở mode này, ONU không được phép truyền. Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại.
4. Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian. Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền
dẫn, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn. Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khung Ethernet. ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn. Nếu phần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong khe thời gian hiện tại.
Bản tin Report sẽ được ONU gởi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu. Các bản tin Report có thể được gởi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT. Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC (Hình 4.5). Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU. Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu.
Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC (lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần). Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu
của RTT mới và RTT được tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt độ thay đổi. Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại.
Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởi nhóm 802.3ah của IEEE. Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa ra các giải pháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập.
4.3.3 EPON với kiến trúc 802
Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức: Share Medium và song công. Trong phuơng thức chia sẽ trung gian (Share Medium), tất cả các trạm được kết nối đến miền truy nhập đơn, ở đó phần lớn một trạm có thể phát tại một lúc và tất cả các trạm có thể nhận bất cứ lúc nào. Trong phương thức song công, đó là sự kết nối PtP kết nối hai trạm và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đó, các cầu không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nó. Nói khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu và có thể truyền thông với nhau mà không cần thông qua cầu. Phương thức này đã tạo ra khả năng các người dùng được kết nối đến các ONU khác nhau trong cùng mạng PON và có thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cần xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn.
Để giải quyết vấn đề này và đảm bảo thích hợp với các mạng Ethernet khác, các thiết bị gắn liền với EPON sẽ có ở lớp con thêm vào, dựa trên cấu hình của nó sẽ chọn Share Medium hoặc Point to Point Medium. Lớp con này được xem như là lớp con Share Medium Emulation (PtPE). Lớp con này phải ở dưới lớp MAC để đảm bảo hoạt động của Ethernet MAC hiện tại được định nghĩa trong chuẩn P802.3 của IEEE. Hoạt động của lớp Emulation dựa vào tagging của Ethernet với tag duy nhất cho mỗi ONU( hình 4.6). Những tag này được gọi là LinkID và được đặt vào trong mào đầu trước mỗi khung.
Hình 4.7 a): Hướng xuống trong PtPE Chèn LinkID kết hợp với cổng