EPON là một mạng PON nền tảng mà nó mang lưu lượng dữ liệu được đóng gói trong các khung Ethernet. Nó sử dụng chuẩn mã đường truyền 8b/10b
tức 8 bit người dùng được mã hoá như 10 bit đường truyền và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet.
4.4.1 Nguyên lý hoạt động
Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet. Một cấu hình mà trong đó các trạm triển khai chung môi trường truyền dẫn sử dụng giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD) .Trong 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 1: N 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 trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng.
Hình 4.3: Lưu lượng hướng xuống trong EPON
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 mà không đến các ONU khác. Trong trường hợp đó thì 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 tức là 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 4.4: Lưu lượng hướng lên trong EPON
Tất cả các ONU được đồng bộ hoá với một tham chiếu thời gian chung và mỗi ONU được phân bổ một khe thời gian. Mỗi khe thời gian có khả năng mang nhiều khung Ethernet. Một ONU nên có bộ đệm khung nhận được từ một thuê bao cho đến khi khe thời gian của nó đến. Khi khe thời gian của nó đến, các ONU sẽ "gắn" tất cả các khung được lưu trữ ở tốc độ kênh đầy đủ mà phải tương ứng với một mức tiêu chuẩn Ethernet
Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian thì 10 bit không tải trọng sẽ được truyền. Sự sắp xếp định vị khe thời gian hợp lý có thể định vị tĩnh sử dụng phương thức truy nhập phân chia theo thời gian cố định, hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU. 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...
4.4.2 Giao thức điều khiển đa điểm : MPCP-Multi Point Control Protocol 4.4.2.1. Cấu trúc khung MPCP
Khung MPCP thường được nói đến như đơn vị dữ liệu MPCP gọi tắt là MPCPDU - MPCP Data Units. MPCP xác định năm bản tin sử dụng để trao đổi
thông tin giữa OLT và ONU: GATE, REPORT, REGISTER_REQ, REGISTER và REGISTER_ACK.
Hình 4.5: Đinh dạng chung khung MPCP
Tất cả MPCPDU là khung điều khiển bao gồm những vùng sau:
Địa chỉ đích - Destination Address: trường địa chỉ đích khung điều khiển MAC chứa 48 bit địa chỉ trạm chứa khung đó. Ngoại trừ bản tin REGISTER, tất cả MPCP Data Units sử dụng 48 bit địa chỉ multicast phân công toàn cầu C2- 00-00-0116. Khung REGISTER sử dụng địa chỉ MAC riêng của ONU đích.
Địa chỉ nguồn - Source Address: trường địa chỉ nguồn khung điều khiển MAC chứa 48 bit địa chỉ riêng của trạm gửi khung. Trong thiết bị OLT chức năng mô phỏng topo logic LTE – Logic Topology Emulation, phân giới giao diện môi trường gigabit độc lập GMII riêng với nhiều trường hợp địa chỉ MAC và những trường hợp này có thể được gán địa chỉ duy nhất. Những khung bắt đầu ở thiết bị OLT nên sử dụng địa chỉ nguồn kết hợp với trường hợp địa chỉ MAC truyền khung.
Length/type: trường chiều dài / loại khung điều khiển MAC, là vùng 2 octet chứa giá trị hệ thập lục 88-08. Giá trị này được gán toàn cầu để xác định khung điều khiển địa chỉ MAC .
Opcode: trường mã hoạt động xác định khung điều chỉnh địa chỉ MAC cụ thể như 00-0116: PAUSE; 00-0216: GATE; 00-0316: REPORT; 00-0416: REGISTER_REQ; 00-0516: REGISTER; 00-0616: REGISTER_ACK
Timestamp: trường đánh dấu thời gian mang giá trị xung đồng hồ MPCP tương ứng với truyền byte đầu tiên của Destination Address. Giá trị đánh dấu thời gian được dùng để đồng bộ xung đồng hồ MPCP trong OLT và ONU .
Trường xác định mã hoạt động : trường này mang thông tin tương ứng với chức năng MPCP cụ thể . Phần payload không được trường xác định mã hoạt động sử dụng nên được thêm 0 vào.
Chuỗi kiểm tra khung FCS - Frame Check Sequence: Trường FCS mang giá trị CRC-32 mà MAC sử dụng để kiểm lại tính nguyên vẹn của khung được nhận.
4.4.2.2 Mô hình hoạt động của MPCP
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 chẳng hạn mức chiếm giữ 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 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. 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. 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:
Một là: 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.
Hai là: 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.
Ba là: 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.
Bốn là: Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo, ONU sẽ truyền bản tin của chính nó tức 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.
Năm là: 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. Cách tính thời gian Round-trip như sau :
1. OLT gửi bản tin GATE tại T1 2. ONU nhận bản tin GATE tại T1 3. ONU gửi bản tin REPORT tại T2 4. OLT nhận bản tin REPORT tại T3 5. OLT tính toán RTT = T3 - T2
Hình 4.6: Cách tính thời gian Round-trip
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:
Từ lớp cao hơn là 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 như trong Hình 4.4. 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.
Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp vì 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.
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.
Hình 4.7: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin GATE
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 và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC như
Hình 3.26. 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 là lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần. Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi và về với mỗi nguồn ONU như trong Hình 4.8. Sẽ có một số chênh lệch nhỏ 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.
Hình 4.8: Giao thức MPCP - hoạt động của bản tin REPORT
Để xử lý các yêu cầu về lưu lượng trong luồng lên, EPON sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCP. Đây là giao thức dựa trên việc truyền các khung, dựa trên việc truyền các bản tin điều khiển lớp MAC 64 byte. Các bản tin này kết hợp với lưu lượng đường xuống để cung cấp việc truyền dẫn tùy ý cho các khung Ethernet 802.3. Các chức năng của MPCP là :
Yêu cầu và phân bổ băng tần, thỏa thuận các tham số, quản lý và định thời luồng xuống từ các ONU để tránh đụng độ, sắp xếp và tối ưu hóa các khe thời gian luồng xuống để giám sát độ trễ, tự động khôi phục và đăng ký các ONU.
4.4.3 Bảo mật trong EPON
Các kỹ thuật PON rất hạn chế trong việc chống nghe lén và chống ăn cắp các dịch vụ , những đề nghị về cơ cấu bảo mật trong tiêu chuẩn 802.3ah không có được những hỗ trợ cần thiết, thay vào đó là các tiêu chuẩn về cơ cấu bảo mật. Do các tiêu chuẩn này không hoàn thành vào đúng lúc các tiêu chuẩn về EPON ra đời nên hầu hết các mạng EPON được triển khai trên thế giới hiện nay đều sử dụng một cơ chế bảo mật duy nhất. Trong vài trường hợp, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn đưa ra cơ chế bảo mật riêng của mình, cơ chế này không những đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cần thiết mà còn có thể được coi là môi trường giám sát nội hạt.
Cơ cấu mật mã hóa của EPON được dựa trên thuật toán mật mã hóa tiên tiến AES-Advance Encryption Standard do viện kỹ thuật và tiêu chuẩn của Hoa Kỳ xuất bản . AES cho phép sử dụng các từ khóa 128 bit, 192 bit hay 256 bit. Để đảm bảo tính cá nhân cao, phương pháp này mật mã hóa toàn bộ một khung Ethernet, bao gồm cả phần header Ethernet và trường FCS. Các bản tin OAM và MPCP cũng được mật mã hóa.
4.4.4 EPON với kiến trúc 802
Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức truyền thông tin: Share Medium và song công. Trong phương thức chia sẻ trung gian còn gọi là Share Medium, tất cả các trạm được kết nối đến một miền truy nhập duy nhất, 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 Point to Point kết nối hai trạm và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đó, các cầu nối không bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nó. Nói cách
khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu nối và có thể truyền thông với nhau mà không cần thông qua cầu nối. 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 gọi tắt là 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 như ở Hình 4.6. Những tag này được gọi là LinkID và được đặt vào trong mào đầu trước mỗi khung.