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Qu’est-ce que la technologie GPON et comment ça marche : secrets techniques

GPON signifie Gigabit Passive Optical Network , l’alternative à la commutation Ethernet dans les réseaux de campus. GPON remplace la conception Ethernet traditionnelle à trois niveaux par un réseau optique à deux niveaux en éliminant les commutateurs Ethernet d’accès et de distribution avec des dispositifs optiques passifs. Aujourd’hui, dans RedesZone, nous allons vous révéler tous les secrets techniques de cette technologie, que tous les opérateurs de fibre optique en Espagne utilisent pour apporter une connexion Internet par fibre optique au domicile de tous leurs clients.

Nous allons commencer par expliquer une série de concepts qui nous aideront à mieux comprendre le fonctionnement de cette technologie.

Terminologie du réseau GPON

Les réseaux GPON sont constitués de différents équipements pour réaliser la connexion au réseau et à Internet via la fibre optique, savoir ce qu’est chaque équipement et à quoi il sert est très important, alors vous pouvez lire en détail tous les équipements avec lesquels il est utilisé ça marche quand on parle de GPON.

  • Gigabit-Capable Passive Optical Network (GPON) : Norme pour les réseaux optiques passifs (PON) publiée par l’ITU-T.
  • Réseau de distribution optique (ODN) : Ce sont les dispositifs physiques à fibre optique qui distribuent des signaux aux utilisateurs dans un réseau de télécommunications. L’ODN est composé de composants optiques passifs (POS), tels que des fibres optiques, et d’un ou plusieurs séparateurs optiques passifs.
  • Terminaison de réseau optique (ONT) / Unités de réseau optique (ONU) : Ce sont les équipements qui sont installés chez les utilisateurs finaux (bureau, téléphones, etc.) pour se connecter au réseau GPON. Ils assurent la conversion du signal optique en signal électrique. Les ONT fournissent également un cryptage AES via la clé ONT.
  • Séparateurs – Utilisés pour ajouter ou multiplexer des signaux de fibre optique à un seul câble à fibre optique en amont. En général, le ratio le plus utilisé est 1:32.
  • Terminal de ligne optique (OLT) : Un dispositif qui agrège tous les signaux optiques des ONT en un seul faisceau de lumière multiplexé qui est ensuite converti en un signal électrique, formaté aux normes Ethernet TPE de paquet pour le transfert de couche 2 ou de couche 3.
  • Multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) : Le multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) est une technologie qui multiplexe plusieurs signaux porteurs optiques sur une seule fibre optique en utilisant différentes longueurs d’onde (c’est-à-dire des couleurs) de lumière.
  • Méthode d’encapsulation GEM G-PON (GEM) : il s’agit d’un schéma de transport de trames de données utilisé dans les systèmes de réseau optique passif (G-PON) à capacité gigabit qui est orienté connexion et prend en charge la fragmentation des trames de données. taille variable.
  • Fibre to the X (FTTX) : FTTX est une généralisation pour différentes configurations de déploiement de fibre, organisée en deux groupes : FTTP / FTTH / FTTB (Fibre posée jusqu’au bout des locaux / maison / bâtiment) et FTTC / N (fibre posée jusqu’au l’armoire/nœud, avec des fils de cuivre pour compléter la connexion).
  • T-CONT / TCONT : C’est le conteneur de transmission.
  • OMCC : C’est le canal de contrôle et de gestion des unités de réseau optique.
  • OMCI : C’est l’interface de contrôle et de gestion de l’unité de réseau optique.
  • PCBd : C’est le bloc de contrôle physique aval.
  • TDM : C’est le multiplexage temporel.
  • TDMA : Accès multiple par répartition dans le temps.

Schéma de réseau

Dans la conception Ethernet populaire, nous avons trois niveaux principaux, le noyau ou le noyau où se trouve l’équipement L3, ils sont interconnectés entre eux et fournissent une redondance en utilisant des protocoles de routage dynamique de passerelle interne tels que OSPF, ainsi que des protocoles tels que VRRP. Le niveau de distribution est également composé d’équipements L3 et L2, et enfin nous avons la couche d’accès, qui sont les équipements auxquels l’équipement final sera connecté, tels que les ordinateurs, les points d’accès WiFi, les téléphones IP et autres.

Dans la conception GPON, nous trouverons un total de deux niveaux, l’OLT est l’une des pièces les plus importantes car ce sera celui utilisé pour interconnecter les différents équipements, nous avons également des répartiteurs 1:32 qui nous permettent de subdiviser la fibre à connecter plus d’utilisateurs simultanément et, enfin, nous avons une ONT pour chacun des utilisateurs. Bien entendu, tous ces appareils sont passifs, comme l’indique le nom « GPON ».

Comme vous l’avez vu, la conception GPON est très simple mais puissante, un bon exemple en est qu’elle nous permettra d’atteindre des débits élevés sur le réseau grâce à la fibre, en plus, c’est très bon marché car la consommation d’électricité est minime .

Présentation de la technologie

Tout d’abord, l’OLT est connecté au séparateur optique via une seule fibre optique, puis le séparateur optique sera connecté à l’ONU / ONT. Ensuite, GPON adoptera le WDM pour transmettre des données de différentes longueurs d’onde amont/aval sur le même ODN. Les longueurs d’onde seront comprises entre 1290 et 1330 nm dans le sens amont et entre 1480 et 1500 nm dans le sens de la décharge. Il commencera la transmission des données dans le sens du téléchargement et à son tour en mode rafale, le téléchargement en mode TDMA (basé sur l’intervalle de temps). Enfin, la transmission multidiffusion point à multipoint (P2MP) sera prise en charge.

Fonctionnalités de la technologie GPON

La technologie GPON existe depuis des années, nous offrant des vitesses de téléchargement et de téléchargement très élevées dans nos maisons, même si nous sommes très loin de l’OLT principal auquel notre branche de chiffrement se connecte. Nous allons maintenant voir les principales caractéristiques du GPON, afin que vous puissiez voir ses limites et sa consommation électrique.

Limites GPON

  • Portée logique maximale : 60 km (c’est la distance maximale gérée par les couches supérieures du système (MAC, TC, Ranging), en vue d’une future spécification dépendante des supports physiques (PMD)).
  • Distance maximale de fibre entre les points d’émission/réception (S/R) et de réception/émission (R/S) : 20 km.
  • Distance maximale de fibre différentielle : 20 km.
  • Ratio de division : perte de route limitée, PON avec répartiteurs passifs (séparation 16, 32 ou 64 voies).
  • Débit : 1,24416 Gbit/s en téléchargement, 2,48832 Gbit/s en téléchargement.

Budget énergétique

Dans le cadre du GPON, la perte de puissance optique doit être prise en compte. Cette perte peut être introduite de différentes manières, telles que :

  • Perte dans les diviseurs.
  • Perte par km de fibre (environ 0,35 dB par km pour 1310 et 1490 nm).
  • Perte d’épissure (> 0,2 dB).
  • Cintrage des fibres.

Comme le montre l’image, le montant de la perte encourue lors de l’utilisation de plusieurs diviseurs :

Comme le montre l’image, la perte de chemin optique minimale et maximale par classe :

REMARQUE : Les exigences d’une classe particulière peuvent être plus strictes pour un type de système que pour un autre, par ex. ex. la plage d’atténuation de classe C est intrinsèquement plus étroite pour le système TCM en raison de l’utilisation d’un séparateur/combinateur 1: 2 de chaque côté de l’ODN, chacun avec une perte d’environ 3 dB.

Comment fonctionne le transfert de paquets dans la technologie GPON

Chemin de paquet en aval (de l’OLT à l’ONT)

Balade en paquet en aval. Comme le montre l’image, les paquets vont en aval de l’OLT vers diverses ONU ou ONT.

Astuce pour comprendre le schéma : Le flux aval est du point de vue du splitter, on peut le considérer comme du trafic dirigé vers l’ONU/ONT, ou les utilisateurs finaux.

Les paquets en aval sont transmis en tant que transmissions, avec les mêmes données envoyées à la même ONU / ONT avec des données différentes identifiées par l’ID de port GEM. Permet à une ONU/ONT de recevoir les données souhaitées par ONU ID. La gamme de longueurs d’onde pour la décharge est de 1480 à 1500 nm. Fonctionnement en mode continu dans le sens de la décharge – même lorsqu’il n’y a pas de trafic utilisateur via GPON, il y a un signal constant, sauf lorsque le laser est administrativement désactivé.

Comme le montre l’image, la procédure de transfert de paquets en aval.

Processus de communication

  1. L’OLT envoie des trames Ethernet des ports de liaison montante au module de traitement de service GPON basé sur des règles configuré pour les ports PON.
  2. Le module de traitement de service GPON encapsule des trames Ethernet dans des paquets de données de port GEM pour une transmission en aval.
  3. Les trames de convergence de transmission GPON (GTC) contenant des PDU GEM sont transmises à tous les ONT/ONU connectés au port GPON.
  4. L’ONT/ONU filtre les données reçues sur la base de l’ID de port GEM contenu dans l’en-tête de la PDU GEM et ne conserve les données significatives que pour les ports GEM dans cette ONT/ONU.
  5. L’ONT désencapsule les données et envoie les trames Ethernet aux utilisateurs finaux via les ports de service.

Structure de trame de paquet en aval

Une trame GPON dans le sens de décharge a une longueur fixe de 125 s, composée de deux composants : le bloc de contrôle physique dans le sens de décharge (PCBd) et la charge utile. L’OLT transmet PCBd à toutes les ONU/ONT. Les ONU/ONT reçoivent le PCBd et effectuent des opérations sur la base des informations reçues. PCBd se compose d’un en-tête GTC et d’un BWmap

  • En-tête GTC – Utilisé pour la délimitation de trame, la synchronisation et la correction d’erreur directe (FEC).
  • BWmap : le champ informe l’ONU elle-même de l’allocation de largeur de bande montante. Spécifiez les intervalles de temps de début et de fin ascendants pour les T-CONT de chaque ONU, ceci garantit que toutes les ONU envoient des données sur la base des intervalles de temps spécifiés par l’OLT pour éviter les conflits de données.

    Comme le montre l’image, une vue agrandie du PCBd et de ce que contient la charge utile GTC.

Mots clés

  • Psync (4 octets de long) : champ de synchronisation physique, indique le début de chaque PCBd.
  • Ident (4 octets de long) : utilisé pour indiquer des structures de trames plus grandes, contient le compteur de super trames utilisé par le système de chiffrement.
  • PLOAMd (13 octets de long) – Champ en aval de la couche physique OAM (PLOAM), considérez cela comme un canal de gestion et d’exploitation basé sur les messages entre l’OLT et l’ONU / ONT.
  • BIP (1 octet de longueur) : parité de bits entrelacés, par le récepteur pour mesurer le nombre d’erreurs dans le lien.
  • Plend (4 octets de long) – Champ décroissant de la longueur de la charge utile.

Chemin de paquets en amont (de l’ONT à l’OLT)

Comme le montre l’image, le flux de paquets en amont de plusieurs ONU vers l’OLT.

Astuce pour comprendre le schéma : Vous pouvez penser en amont du point de vue du répartiteur, ou du trafic envoyé depuis l’ONU/ONT, les utilisateurs finaux vers l’OLT.

La transmission de paquets en amont se fait via TDMA (Time Division Multiple Access). La distance entre OLT et ONT/ONU est mesurée. Les créneaux sont alloués sur la base de la distance ONT/ONU envoie le trafic montant sur la base du créneau temporel accordé. L’allocation dynamique de bande passante (DBA) permet à l’OLT de surveiller la congestion, l’utilisation de la bande passante et la configuration en temps réel. Détecte et prévient les collisions sur toute la plage. La longueur d’onde dans la direction amont va de 1290 à 1330 nm. Comme le montre l’image, la procédure de transfert de paquets en amont.

Processus de communication

  1. ONT/ONU envoie des trames Ethernet aux ports GEM selon des règles configurées qui mappent les ports de service et les ports GEM.
  2. Les ports GEM encapsulent les trames Ethernet dans les PDU GEM et ajoutent ces PDU aux files d’attente TCONT conformément aux règles qui attribuent les ports GEM et les files d’attente TCONT.
  3. Les files d’attente TCONT utilisent des intervalles de temps basés sur DBA, puis transmettent les PDU GEM en amont à l’OLT.
  4. OLT désencapsule le GEM PDU, la trame Ethernet d’origine est maintenant visible.
  5. OLT envoie des trames Ethernet à partir d’un port de liaison montante spécifié conformément aux règles qui attribuent les ports de service et les ports de liaison montante.

Structure de trame de paquet en amont

Chaque trame GPON amont a une durée fixe de 125 s. Chaque trame montante contient les données transportées par un ou plusieurs T-CONT/TCONT. Toutes les ONU connectées à un port GPON partagent la bande passante montante. Toutes les ONU envoient leurs données en amont dans leurs propres intervalles de temps selon les exigences de la carte de bande passante (BWmap). Chaque ONU rapporte l’état des données à envoyer à l’OLT en utilisant des trames montantes. L’OLT utilise DBA pour attribuer des créneaux temporels en amont aux ONU et envoie des mises à jour sur chaque trame.

Remarque : Les trames montantes sont envoyées sous forme de rafales, qui sont constituées du surdébit de couche physique montante (PLOu) et d’un ou plusieurs créneaux d’allocation de bande passante associés à un Alloc-ID spécifique.

Comme le montre l’image, la différence entre un cadre descendant et ascendant.

Mots clés

  • Surcharge de la couche physique en amont (PLOu) – Surcharge de la couche physique en amont .
  • Couche physique OAM en amont (PLOAMu) – Messages PLOAM de données en amont . Considérez cela comme un canal d’exploitation et de gestion basé sur des messages entre l’OLT et les ONU/ONT.
  • Up Power Level Sequence (PLSu) – Up Power Level Sequence.
  • Rapport dynamique de bande passante en amont (DBRu) – Rapport dynamique de bande passante en amont .
  • Charge utile : données utilisateur.

Blocs fonctionnels de la technologie GPON

Blocs fonctionnels OLT

Un OLT se compose de trois parties principales :

  • Fonction d’interface de port de service – Fournit la traduction entre les interfaces de service et l’interface de trame TC de la section PON.
  • Fonctionnalité de brassage Fournit un chemin de communication entre le shell PON et le shell de service, ainsi qu’une fonctionnalité de brassage.
  • Interface de réseau de distribution optique (ODN) – Subdivisée en deux parties :

Fonction d’interface PON

Fonction PON TC – Les responsabilités comprennent le cadrage, le contrôle d’accès au support, l’OAM, le DBA et la délimitation de l’unité de données de protocole (PDU) pour la fonction d’interconnexion et la gestion de l’ONU.

Blocs fonctionnels ONU / OLT

Les blocs fonctionnels sont similaires à l’OLT. Dans le cas où l’ONU / OLT fonctionne avec une seule interface PON (maximum 2 à des fins de protection), la fonction de brassage est omise. Au lieu de cette fonctionnalité, les services MUX et DEMUX sont désormais responsables du trafic.

Protocole d’empilement

Le protocole GPON a sa propre pile, juste Ethernet ou IP. Suivant les indications de l’image, c’est le protocole d’empilement pour GPON :

Mots clés

  • Couche PMD – Équivalente aux interfaces GPON trouvées entre les OLT et les ONU.
  • Couche GTC – Responsable de l’encapsulation des charges utiles via l’utilisation de cellules ATM ou de trames GEM. Les trames GEM peuvent transporter des cellules Ethernet, POTS, E1 et T1.

Cartographie du trafic : Ethernet

  • Il résout les trames Ethernet et mappe directement les données de trame Ethernet à la charge utile GEM.
  • Les frameworks GEM encapsulent automatiquement les informations d’en-tête.
  • Alignement 1: 1 entre une trame Ethernet et une trame GEM.

Suivant les indications de l’image, une trame Ethernet est mappée sur une trame GEM :

OMCI

Les messages d’interface de gestion et de contrôle ONU (OMCI) sont utilisés pour découvrir les ONT/ONU pour la gestion et le contrôle. Ces messages spécialisés sont envoyés via des ports GEM dédiés établis entre une terminaison OLT et une ONT/ONU.

Le protocole OMCI permet à un OLT de :

  • Établir et libérer les connexions avec l’ONT.
  • Gérer les UNI dans l’ONT.
  • Demander des informations de configuration et des statistiques de performances.
  • Alerte autonome d’événements, comme une défaillance de liaison.

Points clés:

  • Le protocole passe par une connexion GEM entre OLT et ONT.
  • La connexion GEM est établie pendant l’initialisation de l’ONT.
  • Le fonctionnement du protocole est asynchrone – le contrôleur OLT fonctionne en tant que maître, le contrôleur ONT en tant qu’esclave.

Techniques importantes

Rang

Pour éviter les conflits de données (collisions), l’OLT doit être capable de mesurer avec précision la distance entre lui-même et chaque ONU/ONT afin de fournir un intervalle de temps approprié pour fournir des données en amont. Cela permet aux ONU d’envoyer des données à des intervalles de temps spécifiés pour éviter les problèmes en amont. Ce processus est accompli grâce à une technique appelée rang.

Processus de classement

L’OLT lance le processus au niveau d’une ONU lorsque l’ONU s’enregistre pour la première fois auprès de l’OLT et obtient le délai d’aller-retour (RTD) de l’ONU.

Sur la base du RTD, les autres composants clés sont identifiés

Calcul de la portée physique de cette ONU spécifique, puisque cette terminaison OLT nécessite un délai d’égalisation (EqD) adéquat pour chaque ONU sur la base de la portée physique. RTC et EqD synchronisent les trames de données envoyées par toutes les ONU. Comme le montre l’image, une démonstration de ce que le processus réalise, pour placer toutes les ONU/OLT à la même distance virtuelle de l’OLT.

Technologie de rafale

Le flux de paquets en amont est réalisé par rafales, et chaque ONU/ONT est responsable de la transmission des données dans les tranches de temps qui lui sont attribuées. Lorsqu’une ONU/ONT n’est pas dans son intervalle de temps, le dispositif désactive la transmission depuis son émetteur-récepteur optique pour éviter d’autres hits ONU/ONT.

  • La fonction de transmission en rafale est prise en charge par les modules ONU/ONT.
  • La fonction de réception en rafale est compatible avec les modules OLT.
  • La distance variable entre chaque ONU/ONT et OLT entraîne une atténuation du signal optique. En conséquence, la puissance et le niveau des paquets reçus par une terminaison OLT varient à différents intervalles de temps.
  • Le réglage dynamique du seuil permet à l’OLT d’ajuster dynamiquement le seuil des niveaux de puissance optique. Cela garantit que tous les signaux ONU peuvent être récupérés.

Comme le montre l’image, une démonstration de différentes données diffusées par rafales puis récupérées :

Allocation dynamique de bande passante (DBA)

DBA permet à un module OLT de surveiller la congestion du réseau PON en temps réel. Cela permet à l’OLT d’ajuster la bande passante en fonction de divers facteurs, notamment l’encombrement, l’utilisation de la bande passante et la configuration.

Points clés de DBA

Le module DBA intégré à l’OLT collecte en permanence les rapports DBA, effectue des calculs et notifie l’ONU via le champ BWMap dans la trame aval. En raison des informations BWMap, l’ONU envoie des données en amont dans les intervalles de temps alloués pour occuper la bande passante en amont. La bande passante peut également être allouée en mode statique/fixe.

L’utilisation du DBA permet

Utilisation améliorée de la bande passante en amont sur un port PON. Bande passante plus élevée pour les utilisateurs et prise en charge d’un plus grand nombre d’utilisateurs sur un seul port PON. Correction d’erreur directe (FEC). La transmission de signaux numériques peut introduire des erreurs sur les bits et des instabilités, ce qui peut dégrader la qualité de transmission du signal. GPON peut tirer parti de la FEC, qui permet au point de terminaison RX de vérifier les bits d’erreur dans la transmission.

Remarque : FEC est unidirectionnel et ne prend pas en charge les commentaires d’informations d’erreur.

Points clés du FEC :

  • Ne nécessite pas de retransmission de données.
  • Il prend en charge la FEC uniquement dans le sens aval.
  • Amélioration de la qualité de la transmission PCBd et du traitement de la charge utile.

Cryptage de ligne

Toutes les données en aval sont transmises à toutes les unités ONU. Un risque est qu’il ne soit pas autorisé. Les ONU reçoivent des données en aval destinées aux ONU autorisées. Pour lutter contre cela, GPON utilise l’algorithme AES128 pour crypter les paquets de données.

Points de chiffrement de la ligne de clé

  • L’utilisation du cryptage de ligne n’augmente pas la surcharge ni ne diminue l’utilisation de la bande passante.
  • L’utilisation du cryptage de ligne ne prolonge pas les délais de transmission.

Échange et commutation de clés

  • L’OLT initie une demande d’échange de clé à l’ONU. L’ONU répond à la demande avec une nouvelle clé.
  • Après avoir reçu la clé, l’OLT utilise la nouvelle clé pour chiffrer les données.
  • L’OLT envoie le numéro de trame que les utilisateurs de la nouvelle clé envoient à l’ONU.
  • L’ONU reçoit le numéro de trame et commute la clé de vérification sur les trames de données entrantes.

Suivant les indications de l’image, le processus d’échange de clés :

Modes de protection du réseau en technologie GPON

Il existe plusieurs types de modes de protection réseau que GPON peut utiliser.

Type A

  • Il ne nécessite pas de port OLT PON supplémentaire.
  • Lorsque la fibre primaire tombe en panne, les services sont transférés vers la fibre secondaire.
  • La durée de la coupure dépend du temps de récupération de la ligne.
  • Si la panne se produit sur la ligne de séparation vers l’ONU, il n’y a pas de sauvegarde.

Type B

  • OLT fournit deux ports GPON en tant qu’OLT valides et de protection.
  • La protection est limitée à la fibre de l’OLT au répartiteur et aux cartes OLT.
  • Aucune redondance d’équipement n’est prévue sur l’ONU ou les fibres d’alimentation.
  • Pas de protection ONU ou ODN complète.
  • Il utilise un séparateur 2 x N et sans aucune perte optique supplémentaire.

Type C

Redondance pour OLT, ODN et ONU(s)

  • Fournit 2 liens entièrement redondants vers les installations des abonnés.
  • Deux options : 1 + 1 linéaire et 1 : 1 protection linéaire.

1 + 1 protection :

  • La protection PON est dédiée aux PON valides.
  • Le trafic normal est copié et transmis aux deux PON, avec un pont permanent entre les deux OLT.
  • Le trafic est envoyé à une ONU simultanément, la sélection entre les deux signaux est basée sur des critères prédéterminés.

1 : 1 protection :

  • Le trafic normal est acheminé sur le PON valide ou de protection.
  • La protection automatique bascule entre les PON.
  • Plus cher, mais offre une disponibilité maximale.

Enfin, remarquez que la technologie GPON est une technologie d’accès aux télécommunications qui, comme nous l’avons vu, utilise la fibre optique pour atteindre le client final. Ses normes techniques ont été approuvées en 2003-2004 par l’UIT-T dans les recommandations G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 et G.984.5. Tous les équipementiers doivent s’y conformer pour assurer l’interopérabilité. Ce sont les normalisations des réseaux PON à des débits supérieurs à 1 Gbit/s. Deux nouvelles recommandations ont par la suite été éditées : G.984.6 (Extension du champ d’application) et G.984.7 (Périmètre long). Avec toutes ces informations, nous espérons que vous pouvez maintenant comprendre pleinement la technologie GPON.

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