Ethernet на "первой миле"

Представим себе ядро Internet как некий материк, вокруг которого расположены небольшие острова -- локальные сети и домашние пользователи. На материке и на островах хорошо развита транспортная инфраструктура, по ней данные передаются с огромными скоростями, составляющими десятки и сотни гигабит в секунду. Однако острова связаны с материком узкими мостиками, пропускная способность которых на восемь--десять (!) порядков ниже, сводя на нет выдающиеся результаты инженерной мысли. Такие узкие мостики до недавнего времени назывались "последней милей", хотя и случайно, но очень точно отражая отношение разработчиков сетевых технологий к данному участку. Однако времена меняются и вместе с ними и приоритеты. В конце концов, для кого предназначены эти "гигабиты в секунду"? Для конечного пользователя. А с его точки зрения, эта миля -- первая. И сетевая индустрия, стремясь правильно расставить акценты, пришла к новому термину -- "первая миля".

Итак, что же такое первая миля? Так называют часть коммуникационной инфраструктуры, соединяющей центральный офис или точку присутствия поставщика услуг (оператора) с аппаратурой конечного пользователя, будь то либо модем частного лица, либо устройство доступа локальной сети организации или городка. Она известна также как абонентская сеть доступа, или абонентский шлейф. Коммутаторы и маршрутизаторы, установленные в офисе оператора, направляют трафик от пользователей в городские сети или ядро глобальной сети и доставляют оттуда данные в обратном направлении. Иногда последняя миля локализуется внутри здания в виде распределенной сети, которая с помощью коммутатора уровня 3 и высокоскоростного канала связана с офисом оператора. Это могут быть многоквартирные дома, здания, где размещаются несколько офисов, отели, госпитали и т. п. Заметим, что выражение "первая миля" не должно пониматься буквально. В действительности длина канала может составлять и несколько миль.

Канал от пользователя к оператору реализуется посредством разных сред передачи: неэкранированные витые пары разного качества -- от протянутых еще в XIX веке (речь идет не о нашем регионе передовых технологий) до современных телефонных пар; коаксиальные кабели, обязанные своим появлением кабельному телевидению; одномодовое или многомодовое оптоволокно, а также беспроводная оптика (оптика в свободном пространстве).

Поддерживаемые топологии	Точка--точка по медной паре Точка--точка по оптоволоконному каналу Точка--группа точек по оптоволоконному каналу


Семейство физических уровней	1000Base-X на оптике с расширенным температурным диапазоном 1000Base-X, одномодовое оптоволокно, не менее 10 км PHY для ненагруженной медной пары голосового диапазона (категории 1, 2, 3), не менее 750 м PHY для пассивных оптических сетей с расщеплением не менее 16:1, длина канала не менее 10 км
Техническое обслуживание и управление	Дистанционная индикация неисправностей Дистанционная проверка по шлейфу Мониторинг канала

Соответственно не меньшее разнообразие наблюдается и в существующих протоколах и технологиях. Здесь можно встретить xDSL, кабельные модемы, ISDN, спутниковые каналы, всевозможные широкополосные беспроводные средства связи. Первые три технологии обеспечивают скорость передачи данных меньшую, чем Ethernet 10 Mbps в дуплексном режиме, спутниковые же каналы применяются, как правило, только для нисходящих потоков. Так или иначе, но высокоскоростные каналы доступа в любом случае не составляют основную часть существующих абонентских шлейфов. Здесь превалирует витая пара, и использование технологии Ethernet на первой миле (Ethernet in the First Mile -- EFM), которая к тому же работает со всеми упомянутыми выше средами передачи, обещает коренным образом изменить абонентские сети доступа. И эти обещания небезосновательны.

"Ничто не может сокрушить Ethernet" -- этот лозунг подтверждается каждым днем 28-летней "жизни" данной технологии. Стремясь удовлетворить постоянно растущие запросы на полосу пропускания и функциональность, сетевая индустрия проделала выдающуюся работу по ее развитию. Спроектированная изначально для использования коаксиального кабеля в качестве разделяемой среды передачи Ethernet в результате своей эволюции стала поддерживать выделенные дуплексные соединения с пропускной способностью до 10 Gbps.

Ethernet очень хорошо встраивается в первую милю на уровне протокола канального уровня. Интересно отметить, что модемы DSL и кабельные модемы подключаются к пользовательским системам через Ethernet-порт, укрепляя тем самым восприятие Ethernet как универсального порта широкополосного доступа. Таким образом, разъем RJ-45 играет роль универсальной "двери" в Internet.

Рис. 1

Трафик от абонента начинается и заканчивается как IP поверх Ethernet. Однако по пути следования от начальной точки до конечной он проходит через системы, поддерживающие различные протоколы, к примеру, такие, как PPP, ATM, SONET. Преобразование пакетов от одного протокола к другому не только увеличивает стоимость передачи, но и усложняет управление трафиком, что в итоге приводит к снижению эффективности работы сети в целом. Внедрение Ethernet с первой мили даст возможность строить сети (в фигуральном смысле) только из двух кирпичиков: IP и Ethernet. Это позволит избежать накладных расходов на преобразование протоколов, упростит архитектуру и управление сетью и тем самым повысит эффективность и надежность ее эксплуатации. На рис. 1 приведены примеры архитектур традиционных сетей доступа (а) и на базе EFM (б).

Собственно эти соображения и привели к тому, что в ноябре 2000 г. Рабочая группа IEEE 802.3 Ethernet образовала для изучения проблемы Ethernet in the First Mile Study Group. В сотрудничестве с более чем 100 компаниями эта группа выработала требования к топологии, семейству поддерживаемых физических уровней, а также к техническому обслуживанию и управлению для абонентского канала доступа (см. таблицу). В июле 2001 г. IEEE официально одобрил проект и создал для разработки технологии и стандартов группу IEEE 802.3ah Task Force.

Рассмотрим теперь вкратце особенности реализаций EFM.

Ethernet по медной паре (точка--точка)

Не будет ошибкой утверждение, что почти все каналы -- от абонентов до районных телефонных станций -- выполнены на медных парах категорий 1, 2 и 3. Поэтому крайне желательно определить физический уровень, который смог бы обеспечить передачу данных по медным парам столь низкого качества на расстояния не менее 750 м со скоростью 10 Mbps. Надо полагать, что физический уровень для среды передачи будет взят у какой-нибудь транспортной технологии. В случае с Ethernet это делается не в первый раз. Вспомним, что стандарт Fast Ethernet заимствовал часть физического уровня у FDDI, а Gigabit Ethernet -- у Fibre Channel. На роль транспортных технологий здесь претендуют скоростные варианты DSL. Неясно только, какой технологии будет отдано предпочтение -- симметричной или асимметричной. Из асимметричных, которые хорошо подходят для доставки голоса, видео и данных домашним пользователям, в первую очередь рассматривается VDSL. Эта технология может обеспечить передачу информации в нисходящем потоке со скоростями 50 Mbps на расстояниях до 300 м и 15 Mbps на расстояниях до 1,5 км. Для бизнес-приложений, требующих более длинных каналов и высоких скоростей, и для восходящего трафика больше подходит SHDSL. При этом возможны следующие значения: 5 Mbps на расстоянии 1,2 км и 3,33 Mbps на расстоянии 1,2 км. Много копий ломается также и в дискуссиях о выборе схемы кодирования. Конкурируют две: квадратурная амплитудная модуляция и дискретная мультитоновая.

Ethernet по оптоволокну (точка--точка)

Если речь идет об оптоволокне и топологии точка--точка, то здесь вне конкуренции стоит Gigabit Ethernet (GE). В корпоративных сетях топология GE обычно реализуется с помощью двух волокон: отдельно для приема и передачи. Однако для домашних пользователей такой вариант немного дороговат. Более приемлемо осуществление приема и передачи по одному волокну. Поэтому группой IEEE 802.3ah Task Force рассматривается новая спецификация физического уровня, которая является модификацией 1000Base-LX для одномодового оптоволокна. Она должна обеспечить передачу данных со скоростью 1 Gbps на расстоянии не менее 10 км.

Рис. 2

Как и в 1000Base-LX, новая спецификация использует схему кодирования 8B/10B и, вероятно, так называемое грубое (в отличие от плотного) мультиплексирование с разделением по длинам волн (CWDM) для разграничения входящего и выходящего трафика. При этом информация к абоненту будет передаваться на длине волны 1550 нм, а в обратном направлении -- на длине волны 1300 нм. Конечно, для этого потребуется разработать соответствующий трансивер. Возможная схема такой архитектуры приведена на рис. 2.

Ethernet по оптоволокну (точка--группа точек)

Рис. 3

Для реализации данной топологии применяются пассивные оптические сети (PON). Напомним, что в общем PON состоит из одного оптического кабеля, соединяющего точку присутствия оператора с оптическим расщепителем (optical splitter), от которого прокладываются выделенные оптические каналы к каждому абоненту. Правда, эта технология порождает определенные проблемы, связанные с множественным доступом к среде передачи и отсутствующие при топологии точка--точка. Нисходящий поток реализуется в широковещательном режиме. От центрального офиса пакеты Ethernet направляются всем оконечным оптическим терминалам (Optical Network Units -- ONU), а каждый терминал выделяет пакеты, содержащие его MAC-адрес. При передаче пакетов от абонентов к оператору применяется мультиплексирование с разделением по времени (TDM). Для использования одного оптоволокна для передачи трафика в обоих направлениях здесь также будет применяться разделение по длинам волн. На рис. 3 приведена схема такой сети.

Як RPA-платформа допомогла SkyUр автоматизувати оплату рахунків