EPON QOS by RUBEN REYES

ESTADO ACTUAL DE LA CALIDAD DEL SERVICIO EN LAS REDES DE ACCESO ETHERNET

MARIA CAROLINA GUTIERREZ SALAMANCA RUBEN DARIO REYES MONSALVE

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESPECIALIZACION EN TELEMATICA SANTA FE DE BOGOTA 2008

ESTADO ACTUAL DE LA CALIDAD DEL SERVICIO EN LAS REDES DE ACCESO ETHERNET

MARIA CAROLINA GUTIERREZ SALAMANCA RUBEN DARIO REYES MONSALVE

ASESOR: MSC. MIGUEL FELIPE ANZOLA

PROYECTO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR AL TITULO DE ESPECIALISTA EN TELEMATICA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESPECIALIZACION EN TELEMATICA SANTA FE DE BOGOTA 2008

Nota de aceptaci贸n: ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________

________________________________ Firma del Presidente del Jurado

________________________________ Firma del Jurado

Santa fe de Bogot谩, 19 de febrero de 2008

A Dios por su eterno amor, a nuestras familias por su comprensi贸n y apoyo incondicional, a nuestro asesor por su invaluable direcci贸n.

TABLA DE CONTENIDO

Pág

RESUMEN

INTRODUCCION

1. REDES DE ACCESO PON

1.1 ESTRUCTURA DE RED USANDO FIBRA ÓPTICA EN EL ACCESO

1.2 REDES ÓPTICAS PASIVAS PON

1.2.1 Componentes de las redes ópticas pasivas

1.2.2 Topologías de Redes Ópticas Pasivas

1.2.3 BPON

1.2.4 GPON

1.2.5 EPON

1.2.6 Comparación de las redes EPON frente a las redes ATM y SONET

1.3 FUNCIONAMIENTO DE EPON

1.3.1 Codificación en EPON

1.3.2 Capa Física y Capa de enlace

1.3.3 Formato de la trama IEEE 802.3

1.3.4 Formato de la trama EPON

2. FUNDAMENTOS DE CALIDAD DEL SERVICIO

2.1 DEFINICIÓN Y PARÁMETROS

2.2 MODELOS QUE PROVEEN CALIDAD DEL SERVICIO

2.2.1 Modelo de Servicios Integrados Int-Serv (RFC 1633)

2.2.2 Modelo de Servicios Diferenciados Diffserv (RFC2474, RFC2475)

2.2.3 VLAN IEEE 802.1Q

3. CALIDAD DEL SERVICIO EN LA RED DE ACCESO EPON

3.1 MULTI POINT CONTROL PROTOCOL MPCP

3.1.1 Estructura de la trama MPCP

3.2 METODOS DE POLLING

3.3 INTER-ONU E INTRA-ONU

3.4 ASIGNACION DE ANCHO DE BANDA

3.4.1 Asignación Estática o Fixed

3.4.2 Asignación Dinámica de ancho de Banda

3.5 ALGORITMOS PARA ASIGNACION DINAMICA DE ANCHO DE BANDA

3.6 COMPARACIÓN DE TÉCNICAS DE ASIGNACIÓN DE ANCHO DE BANDA 49 3.7 METODOS DE SCHEDULING

3.7.1 Método Directo

3.7.2 Método Jerárquico

3.8 CONTROL DE ADMISION

4. SIMULACION

4.1 TIPOS DE TRÁFICO

4.2 HERRAMIENTA DE SIMULACION

4.3 INTERVALOS DE CONFIANZA

4.4 SIMULACION Y ANALISIS DE RESULTADOS

4.4.1 Promedio del retardo

4.4.2 Tamaño de la cola de espera

4.4.3 Porcentaje de pérdida de paquetes

4.4.4 Jitter

4.4.5 Comparación de resultados de trafico LRD con un ejemplo de SLA

5. TENDENCIA DEL MERCADO

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

LISTA DE TABLAS

Pág

Tabla 1. Comparación de los protocolos Xpon

Tabla 2. Requerimientos de QoS en aplicaciones

Tabla 3. Campos de marcación 802.1Q

Tabla 4. Clases de servicios

Tabla 5. Formato general de la trama MPCP

Tabla 6. Campo Opcode

Tabla 7. Algoritmos de Asignación Dinámica de ancho de banda

Tabla 8. Valores de configuración de la red

Tabla 9. Datos de configuración de la red

Tabla 10. Valores de parámetros de QoS

LISTA DE FIGURAS

Pág

Figura 1. Suscriptores de Banda ancha por tecnología en países miembros de la OECD 16 Figura 2. Red Punto a Punto

Figura 3. Red Curb-Switched

Figura 4. Red Óptica Pasiva

Figura 5. Red de acceso EPON

Figura 6. Topologías de Redes Ópticas Pasivas

Figura 7. Comparación de elementos en redes EPON y ATM /SONET

Figura 8. Tráfico de bajada para redes EPON

Figura 9. Tráfico de subida para redes EPON

Figura 10. Capa subyacente del modelo OSI

Figura 11. Formato de la trama IEEE 802.3

Figura 12. Formato de la trama EPON en downstream

Figura 13. Formato de la trama EPON en upstream

Figura 14. Campo de Servicios diferenciados (DS)

Figura 15. Métodos de Polling

Figura 16. IPACT

Figura 17. Intra-ONU e Inter-ONU Scheduling

Figura 18. Componentes del retardo de un paquete en la ONU

Figura 19. Promedio del Retardo Vs. Carga de tráfico de la ONU

Figura 20. Promedio del Tamaño del buffer Vs. Carga de la ONU

Figura 21. Paquetes descartados Vs. Carga de la ONU

Figura 22. Promedio del tiempo de ciclo Vs. Carga de la ONU

Figura 23. Método directo de scheduling mono-nivel en EPON

Figura 24. Método jerárquico de scheduling multi-nivel en EPON

Figura 25. Cola Tandem en una ONU

Figura 26. Esquemas de Sibling-fair scheduling y cousin-fair scheduling

Figura 27. Diagrama de librerías y dependencias herramienta DESL

Figura 28. Diagrama lógico de la red EPON en la herramienta DESL

Figura 29. Parametros de confianza para el promedio del tamaño de cola

Figura 30. Promedio del retardo para los tráficos LRD, SRD y CBR

Figura 31. Promedio del tamaño de la cola para los tráficos LRD, SRD y CBR

Figura 32. Porcentaje de pérdida de paquetes para los tráficos LRD, SRD y CBR

Figura 33. Jitter para los tráficos LRD, SRD y CBR

LISTA DE ANEXOS

Pรกg

Anexo 1. Grรกficas y tablas generadas para calcular los intervalos de confianza

Anexo 2. Tablas de resultados de la simulaciรณn

LISTA DE ACRONIMOS

ADM

Add/Drop Multiplexers

ADSL

Asynchronous Digital Subscriber Line

AES

Advanced Encryption Standard

AON

Active Optical Network

APON

ATM Passive Optical Network

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Best Effort

BPON

Broad Band Passive Optical Network

CBR

Constant Bit Rate

Central Office

CoS

Class of Service

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

DCX

Cross-Connects

DESL

Discrete Event Simulation Libraries

Diffserv

Servicios Diferenciados

DSCP

Differentiated Services Codepoint

EFMA

Ethernet in The First Mile Alliance

EPON

Ethernet Passive Optical Network

FCS

Frame Check Sequence

FIFO

First In First Out

FQSE

Fair Queuing With Service Envelopes

FSAN

Full Service Access Network

FTTB

Fiber To The Building

FTTC

Fiber To The Curb

FTTH

Fiber To The Home

GEM

GPON Encapsulation Method

GEPON

Gigabit EPON

GPON

Gigabit-capable Passive Optical Network

IEEE

Institute of Electronic and Electric Engineers

Intserv

Servicios Integrados

IPACT

Interleaved Polling with Adaptive Cycle

ISO

International Organization for Standardization

ISP

Internet Service Provider

ITU

International Telecommunication Union

LAN

Local Area Network

LLC

Logical Link Control

LLID

Logical Link Identifier

LRD

Long Range Dependent

MAC

Medium Access Control

MPCP

MULTI POINT CONTROL PROTOCOL

MPLS

Multiprotocol Label Switching

OAM

Operation Administration and Maintenance

OECD

Organisation for Economic Co-Operation And Development

OLT

Optical Line Terminal

ONT

Optical Network Terminal

ONU

Optical Network Unit

PHB

Per Hop Behavior

PLR

Packet Loss Rate

PON

Passive Optical Network

QoS

Quality of Service

RSVP

Resource Reservation Protocol

RTT

Round Trip Time

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SLA

Service Level Agreement

SONET

Synchronous Optical Network

SRD

Short Range Dependent

TDM

Time Division Multiplexing

ToS

Type of Service

VBR

Variable Bit Rate

VLAN

Virtual LAN

WAN

Wide AREA Network

WDM

Wave Division Multiplexing

RESUMEN

En este documento se presenta el estado del arte de los principales desarrollos relacionados con la Calidad del servicio en las redes de acceso Ethernet. Se describen las estructuras y tecnologías de red de acceso que se pueden implementar utilizando como medio de transmisión la fibra óptica. Luego se hace énfasis en las redes ópticas pasivas PON, se mencionan los elementos que conforman estas redes, y se destacan las tecnologías GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) y EPON (Ethernet Passive Optical Network). Posteriormente, se hace una comparación de los dispositivos requeridos en EPON frente a las redes ATM y SONET, enfocando el estudio en el funcionamiento de las redes EPON.

Más adelante, se presentan los principales parámetros indicadores de la calidad del servicio, las clases de servicio, el modelo de servicios integrados IntServ y el modelo de servicios diferenciados DiffServ. Posteriormente, se estudian los métodos que se pueden implementar para que se satisfaga la calidad en el servicio en las redes EPON. Se describe el protocolo de señalización MPCP propio de EPON, los métodos y algoritmos para la asignación tanto estática como dinámica de ancho de banda, los métodos para organización de colas y el control de admisión.

Teniendo como fundamento la parte teórica, se realiza una simulación, con el fin de observar el comportamiento de algunos de los parámetros más significativos en la red EPON para diferentes tipos de tráfico (LRD, SRD y CBR).

El documento finaliza observando la tendencia del mercado de las redes EPON, incluyendo también a las redes GPON, debido a su alta representación en el mercado de redes ópticas. Por último se presentan las conclusiones obtenidas de este proyecto.

INTRODUCCION

En los últimos años se ha venido presentando un continuo y alto crecimiento en Internet, la red pública de comunicaciones por excelencia. Este crecimiento se debe al número de usuarios que se agregan a la red constantemente y a los requerimientos en capacidad que las nuevas aplicaciones demandan, de esta manera, el ofrecimiento de grandes anchos de banda no son suficientes, y el enfoque se torna hacia la calidad del servicio en la red.

Inicialmente el estudio e implementación de calidad del servicio se enfocó en el backbone de la red, en donde se maneja la mayor carga de tráfico, con tecnologías como MPLS o ATM que proporcionan garantías en el servicio. Actualmente estos desarrollos de calidad se centran en la red de acceso, que es donde se presenta cuello de botella, esto se hace con el fin de ofrecer calidad en todo el trayecto de la red.

La red debe ser capaz de soportar las cada vez más complejas aplicaciones que se manejan, tales como video conferencia, conectividad de usuarios móviles, canales de televisión de alta definición, juegos en línea y datos. Los usuarios esperan recibir un paquete integrado que incluya todos los servicios que requieren, con condiciones y confiabilidad garantizadas, de esta manera, resulta necesario que se brinde un acceso con niveles establecidos de tráfico cursado (throughput), retardo o latencia y variación del retardo (jitter), entre otros parámetros de desempeño.

Ethernet se ha consolidado como una de las tecnologías más prometedoras para las redes de acceso, su desarrollo temprano a la par con el desarrollo de las redes de datos ha permitido que esta sea hoy en día una tecnología madura y económica, con buenos potenciales para el manejo de grandes flujos de tráfico y de amplio ancho de banda. Las redes Ethernet se diseñaron con la perspectiva de funcionamiento del mejor esfuerzo, pero las aplicaciones actuales, como las previamente mencionadas, demandan mayores exigencias, ya que no 13

pueden ejecutarse de forma apropiada sobre protocolos que se basen en el mejor esfuerzo, sino que requieren de una red que ofrezca calidad. De esta manera, para el proveedor de servicios se hace necesario que se establezcan niveles de calidad según los requerimientos del cliente.

El propósito de este documento es presentar el estado del arte de los principales desarrollos relacionados con la calidad del servicio en las redes de acceso Ethernet, describiendo las redes ópticas pasivas como un medio apropiado para este fin, examinando los métodos para implementar calidad en el servicio y observando la tendencia del mercado. Adicionalmente, se realiza una simulación que permita analizar los principales indicadores de desempeño de una red óptica pasiva.

1. REDES DE ACCESO PON

La red de acceso se puede considerar como la infraestructura de comunicaciones que permite la conexión entre la oficina central (CO) del proveedor del servicio al suscriptor residencial o corporativo [1]; es decir, esta red conecta los terminales de comunicaciones de los usuarios al backbone de la red. Las velocidades de transmisión tanto en el backbone, como en las redes de área local LAN han aumentado considerablemente frente a las redes de acceso; hoy día se pueden encontrar tasas del orden de Gigabits por segundo en redes locales, requiriendo que la red de acceso brinde mayores características que eviten un cuello de botella entre el backbone de la red y el suscriptor. Según estadísticas a Junio de 2007 de la OECD1 (Organisation for Economic Co-operation and Development), la tecnología más ampliamente difundida en la actualidad para la red de acceso, es ADSL, pero no está optimizada para manejar tráfico de datos con los requerimientos actuales. Estas redes no permiten tasas altas conforme aumenta la distancia, debido a la distorsión de la señal y al crosstalk, ya que a partir de los 2,5 km comienza a disminuir la velocidad de bajada; además ADSL, en su versión simple no hace corrección de errores en la línea, ni posee algoritmos para el tratamiento de la señal que permitan mejorar la calidad de la misma, adicionalmente las redes de par trenzado usadas en el acceso por medio de ADSL exigen mayor mantenimiento que una red de fibra óptica [2].

En el sector residencial, además del ADSL se encuentra con alta penetración el servicio de acceso a Internet ofrecido por los proveedores de TV por cable, a través de sus líneas de cable coaxial que fueron inicialmente diseñadas para broadcast de video análogo. La arquitectura típica de estas redes corresponde a un medio compartido, en el que la tasa efectiva se divide en un número de usuarios, obteniendo bajas tasas de transmisión en horas pico [4]. 1

www.oecd.org

Figura 1. Suscriptores de Banda ancha por tecnología en países miembros de la OECD

En el sector corporativo se encuentran tecnologías de acceso de alta velocidad como canales dedicados T1/E1, T3/E3, OC3/STM-1, cuyos costos de acceso son elevados y la administración es compleja.

Para suplir las necesidades actuales de los usuarios, se requiere una tecnología económica, simple, escalable, y capaz de manejar los servicios de voz, video y datos sobre una única red [3]. De esta manera se han venido desarrollando tecnologías con fibra óptica como las redes ópticas pasivas PON (Passive Optical Network) y las redes ópticas activas AON (Active Optical Network). Las redes PON se diferencian de las redes AON en que PON no utiliza elementos activos2 entre el usuario y la central, lo que reduce notablemente los costos de implementación y de mantenimiento de la red, por esto de acá en adelante el enfoque se hará en las redes PON.

Mediante el uso de tecnologías ópticas en la red de acceso, el backbone se hace transparente a la señal debido a la posibilidad de manejar mayores anchos de banda, eliminando el cuello de botella entre el backbone y la red local del usuario. 2

Un Elemento activo o generador es un dispositivo capaz de suministrar energía

1.1 ESTRUCTURA DE RED USANDO FIBRA ÓPTICA EN EL ACCESO [3]

A continuación se describen tres estructuras que se pueden implementar en la red de acceso, usando la fibra óptica como medio de transmisión:

Red Punto a Punto Usa una fibra dedicada desde la oficina central CO al usuario final, esta topología usualmente no se emplea debido a los altos costos de cada fibra por usuario y al espacio que requieren los conectores en la CO. Para N usuarios, se necesitan N*L Km de fibra y 2*N transceivers3.

Figura 2. Red Punto a Punto Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

Red Curb-Switched Usa una sola fibra hasta un switch remoto, disminuyendo el uso de fibra a L km desde la CO al switch, pero incrementando el número de transceivers a 2N+2 para N usuarios. Adicionalmente se requiere suministro de energía eléctrica con su respectivo respaldo (backup).

Red Óptica Pasiva

Es una red punto-multipunto que no emplea elementos activos,

eliminando la necesidad de usar suministro de energía eléctrica. Se utiliza un splitter óptico que divide la señal óptica de una fibra en muchas fibras y recíprocamente para combinar múltiples fibras a una sola. Se requieren N+1 transceivers en los extremos de la red y L km de fibra de la CO al splitter. Esta topología que es la utilizada en las redes EPON, reduce la

Un Transceiver es un dispositivo que puede funcionar como transmisor y como receptor [7]

necesidad de instalar grandes cantidades de fibra comparando con una red punto a punto y reduce la cantidad de transceivers ópticos al compararla con la red curb-switched.

Figura 3. Red Curb-Switched Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

Figura 4. Red Óptica Pasiva Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

1.2 REDES ÓPTICAS PASIVAS PON

Entre las tecnologías usadas en redes ópticas pasivas, se encuentran APON (ATM Passive Optical Network), GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) y EPON (Ethernet Passive Optical Network). A continuación se describen estas tecnologías, sus componentes principales y los tipos de topología de red, profundizando el estudio en las redes EPON.

1.2.1 Componentes de las redes ópticas pasivas Los elementos activos son la OLT (Optical Line Terminal) que se encuentra en la oficina central y las ONU’s (Optical 18

Network Unit) que corresponden a cada usuario. Los elementos pasivos se encuentran en la red de distribución4, estos incluyen cables de fibra óptica, splitters pasivos, acopladores y conectores [6]. A continuación se detallan los principales elementos de la red de acceso PON: •

Fibra Óptica

Guía de ondas dieléctrica inmune a las interferencias

electromagnéticas, con baja atenuación de la señal que puede soportar altas tasas de transferencia de bit del orden de Gigabit por segundo [7]. En las redes de acceso EPON se puede usar a distancias típicas entre 10 y 20 Km mediante una sola fibra, con el fin de reducir los costos de reparación y mantenimiento. Por lo general para la dirección de subida (upstream) se usa la longitud de onda de 1310nm, mientras que para la dirección de bajada (downstream) se usa 1550 nm [3].

Figura 5. Red de acceso EPON Fuente: G. Kramer, Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT) [5]

• OLT (Optical Line Terminal) Entre los elementos activos se encuentra la OLT que es el elemento más importante en esta red, es una interfaz ubicada en la oficina central (CO) que conecta el sistema PON con el backbone del proveedor de servicios de red de telefonía y datos como switches ATM, voice gateways, dispositivos de video, entre otros. Entre las principales funciones de la OLT se encuentran [6]: 4

La red de distribución de una PON comprende del elemento distribuidor, como el splitter o el curb switch al usuario.

- Interfaz de múltiples servicios con el backbone de la red WAN - Interfaz Gigabit Ethernet hacia la PON - Enrutamiento y switching de Capa 2 y 3 - Agregación de tráfico - Calidad del Servicio y niveles de calidad del servicio SLA (Service Level Agreement) • ONU (Optical Network Unit) La ONU provee la interfaz entre el usuario y la red PON, la función principal es recibir el tráfico en su formato óptico para transformarlo al formato que usa el usuario, con la ventaja de tener una interfaz Ethernet que elimina agregar mas interfaces como módems. Una función única de este dispositivo es que no solamente transforma la información para el usuario sino que también cumple funciones de enrutamiento y switching (capa 3 y 2). La ONU se localiza en el “curb” de la red en una solución Fiber to the curb (FTTC), o hasta el edificio o residencia del cliente en una solución Fiber to the building o Fiber to the home (FTTB, FTTH)5 [8]. • Splitter En las redes PON se utiliza un splitter óptico pasivo que divide la señal óptica de una fibra en muchas fibras (1:N, N de 4 a 64) y recíprocamente para combinar múltiples fibras a una sola.

1.2.2 Topologías de Redes Ópticas Pasivas

Las redes ópticas pasivas pueden

implementarse en topologías de árbol en la que el splitter divide la señal óptica hacia cada usuario, topologías de bus en la que cada usuario se conecta a la red principal a través de acopladores ópticos, topología de anillo en la que la topología de bus se conecta al anillo principal a través de acopladores, y topologías redundantes como doble árbol [5].

La topología usada para redes PON es la de árbol, debido a que con esta topología las distancias de las ONU’s a la OLT son semejantes, evitando grandes variaciones en los 5

FTTH es la tecnología que lleva la fibra hasta el usuario residencial, FTTB lleva la fibra hasta el usuario corporativo.

niveles de potencia de la señal [4], adicionalmente, con la red en árbol únicamente se utiliza un splitter, representando un ahorro en estos dispositivos en comparación con la topología de anillo o la de bus.

Figura 6. Topologías de Redes Ópticas Pasivas Fuente: G. Kramer, Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT) [5]

1.2.3 BPON La Red de acceso multiservicio FSAN6 (Full Service Access Network) fue fundada en 1995 por un grupo de operadores y vendedores de telecomunicaciones, que tuvieron la finalidad de desarrollar tecnologías de alta velocidad y económicas para extender el uso de los servicios de banda ancha a través de los usuarios residenciales y corporativos [4].

Actualmente, la FSAN está conformada por las compañías Bell Canada, Bharat Sanchar Nigam Limited BSNL, BT Group, China Telecom, Chunghwa Telecom Co., Deutsche Telekom, France Telecom, KT Corporation, Nippon Telegraph and Telephone Corporation, Qwest Broadband Services, Inc., SaskTel, Singapore Telecommunications Ltd., Sprint, TELUS Corporation y Verizon Communications [13].

www.fsanweb.org

En 1995 la FSAN desarrolló un protocolo de red óptica pasiva basado en ATM como protocolo de capa 2, al que denominaron APON (ATM Passive Optical Network), y que fue después conocido como BPON (Broadband Passive Optical Network) debido al soporte de diferentes servicios de banda ancha. La ITU (International Telecommunication Union) adoptó esta tecnología en el año 1999 con el estándar G.983 [4].

La FSAN seleccionó a ATM por su eficiencia en características de operación y mantenimiento (OAM) y a PON por ser el medio más económico en banda ancha que ofrece mayores distancias. Inicialmente el estándar G.983.1 especifica a BPON con configuración de tráfico simétrico con velocidades de 155 Mbps de la oficina central CO al elemento de distribución o splitter, posteriormente esta velocidad se modificó para permitir configuraciones ascendentes de 155 Mbps y descendente de 622 Mbps, y simétricas de 622 Mbps [3].

Los fabricantes de BPON ofrecen terminales de usuario ONU (Optical Network Unit) o ONT (Optical Network Terminal), con las interfaces para diferentes servicios como voz, datos y video que son soportados por medio de capas de adaptación. Hacia el backbone de la red la interconexión se realiza a nivel SDH o SONET sobre ATM [4].

BPON no tuvo gran aceptación, debido a la complejidad para implementarlo y a las mayores demandas de ancho de banda, de esta manera surge GPON.

1.2.4 GPON Esta tecnología es desarrollada por la FSAN y adoptada en el año 2003 por la ITU con el estándar G.984. GPON está basado en su totalidad en su predecesor BPON, pero sin depender de la tecnología ATM. Con GPON se aumenta la velocidad de transmisión alcanzando 2,5 Gbps en canal descendente y 1.25 Gbps en canal ascendente, también soporta tráficos simétricos de 622Mbps y 1,25Gbps [4].

GPON utiliza un método de encapsulación denominado GEM (GPON Encapsulation Method) con el que es posible que paquetes de diferentes protocolos puedan ser

transmitidos en sus formatos originales. De esta manera se pueden transportar tramas Ethernet 10/100 Base y trafico TDM, entre otros. Además GPON proporciona facilidades de gestión, operación y mantenimiento OAM en la red [4].

1.2.5 EPON Las redes EPON son redes ópticas pasivas que transportan tráfico de datos encapsulado en tramas Ethernet (basado en el estándar IEEE 802.3). EPON es desarrollado por la EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance), y fue aprobado por la IEEE7 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en el año 2004 con el estándar IEEE 802.3ah.

Tabla 1. Comparación de los protocolos XPON

BPON

GPON

EPON

Ancho de banda max Descendente

622Mbps

2,5 Gbps

1,25 Gbps

λ (nm) Descendente

1490 y 1550

1550

λ (nm) Ascendente

1310

Protocolo capa 2

ATM

Ethernet sobre ATM y/o ATM

Ethernet

Alcance tramo de fibra

20Km

10Km 20Km

TDM sobre ATM

TDM sobre ATM o TDMoIP

TDMoIP

AES

Soporte tráfico TDM Seguridad en descendente

Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3] 7

www.ieee.org

EPON surge debido a que se consideró que la funcionalidad compleja de BPON y GPON no era necesaria y gracias al crecimiento y aceptación de Ethernet, que ha sido el estándar universalmente aceptado, ya que es económico, fácilmente escalable y administrable ofreciendo velocidades del orden de Gbps, que asegura interoperabilidad, y además aplicando técnicas de calidad del servicio, las redes Ethernet pueden soportar voz, datos y video [3].

1.2.6 Comparación de las redes EPON frente a las redes ATM y SONET

implementación de las redes EPON le ofrece a los proveedores del servicio eliminar de las redes elementos complejos y costosos, tales como switches ATM que crean circuitos virtuales, los add/drop multiplexers (ADM) y digital cross-connects (DCX) que administran los anillos SONET y enlaces ópticos DWDM. En la siguiente figura se ilustra que en una red EPON se reemplaza al ADM SONET y al router por la ONU y al switch ATM y al ADM SONET de la oficina central por la OLT. [6]

Figura 7. Comparación de elementos en redes EPON y ATM /SONET Fuente: International Engineering Consortium, EPON, www.iec.org [6]

La reducción en la inversión de capital para los carriers es clara al implementar redes EPON frente a redes ATM y SONET. La implementación de EPON es más sencilla porque requiere menos hardware y menos mantenimiento y ofrece los mismos servicios en cuanto a seguridad como VLAN, VPN, IPSEC y tunneling [6].

1.3 FUNCIONAMIENTO DE EPON

En la dirección del canal descendente, la OLT transmite tramas Ethernet que pasan a través del splitter dividiendo la señal que va hacia cada ONU. Este comportamiento corresponde al de un medio compartido, ya que la OLT hace broadcast con las tramas y la ONU correspondiente las recibe basado en un identificador lógico del enlace (LLID Logical Link Identifier) [1]. También pueden enviarse tramas hacia todas las ONU’s o hacia un grupo específico de ellas. Las tramas que no van dirigidas hacia la ONU, son descartadas. En esta dirección de downstream se tiene una red punto multipunto en el que la OLT tiene el ancho de banda disponible todo el tiempo [3].

Un aspecto a tener en cuenta es la seguridad de la red, ya que a pesar de que la ONU debe aceptar únicamente los paquetes que se dirigen a ella, es posible aceptar los paquetes de otras ONU’s y monitorear este tráfico, para solucionar este inconveniente, se pueden emplear métodos de cifrado confiables como AES8 (Advanced Encryption Standard) con el fin de proteger la información.

Figura 8. Tráfico de bajada para redes EPON Fuente: Metro Ethernet Forum Tutorial PON [9]

Para ampliación del tema de seguridad en redes se puede consultar la referencia [14]

Para el tráfico en la dirección ascendente (de las ONU’s a la OLT), las ONU’s transmiten las tramas que pasan por el splitter, quien las combina y las dirige hacia la OLT [10]. Hay que tener en cuenta que el splitter en esta dirección funciona como un combinador de tramas en donde se pueden presentar colisiones, por lo que se debe establecer un método que las evite.

Figura 9. Tráfico de subida para redes EPON Fuente: Metro Ethernet Forum Tutorial PON [9]

Un método para evitar las colisiones en la transmisión desde las ONU’s hacia la OLT es mediante Multiplexación por división de longitud de onda (WDM), en donde cada ONU opera a una diferente longitud de onda. Esta solución resulta costosa y con alta carga administrativa, debido a que se requiere que cada ONU tenga un láser con el ancho espectral controlado [3].

El protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) es útil en redes pequeñas, pero para una red de acceso EPON que puede alcanzar los 20 km de distancia ya no es útil, debido a que si la OLT detecta colisión y envía una señal JAM para

informarle la colisión a las ONU’s, el retardo de propagación a través de la distancia es elevado, afectando la eficiencia de la red.

Una forma de aplicar CSMA/CD en la red óptica es implementando una técnica de loopback mediante un acoplador que realimenta una señal hacia las ONU cuando una ONU transmite, de esta manera si se presenta colisión, las ONU la detectarán y detendrán la transmisión. La OLT descartará las tramas que hayan colisionado. Esta solución no se aplica, ya que no permite implementar calidad del servicio, al no tener garantizado ancho de banda a las ONU’s en el medio de contención y por otra parte eleva los costos al requerir dispositivos adicionales como un circuito que detecte el medio [10].

Un método económico y efectivo para controlar las colisiones es TDMA (Acceso múltiple por división de tiempo), en el que las ONU’s se sincronizan a un tiempo común de referencia y se localizan en una ranura [3]. Mientras cada ONU espera su turno de transmisión, los paquetes se encolan en un buffer, para luego ser transmitidos en la ranura de tiempo, utilizando el ancho de banda disponible del canal [4]. Con esta solución todas las ONU’s utilizan la misma longitud de onda y la OLT requiere un único receptor óptico, disminuyendo costos de equipos al comparar con WDM.

1.3.1 Codificación en EPON Las señales que llegan, tanto a la ONU como a la OLT, deben ser transformadas en señales ópticas. Una vez estas señales se tienen en un formato óptico, se codifican por medio del código de línea 8b/10b para que puedan ser transmitidas a través de la fibra.

El código de línea 8b/10b es usado para la transmisión de bits a alta velocidad. Este tipo de codificación transforma las cadenas de 8 bits (que representan hasta 256 símbolos), en 10 bits (que representan hasta 1024 símbolos), estableciendo que no se pueden tener más de cinco unos seguidos, ni cinco ceros seguidos [7].

Debido a que los láser de la ONU emiten ruido en ausencia de datos, la ONU debe apagar el láser mientras no este en la ranura asignada para transmisión de tramas, con el fin de evitar que ruido de varias ONU distorsionen la señal en la OLT. Estos láser deben tener rápida recuperación al estar expuestos a encendidos y apagados continuos [3].

1.3.2 Capa Física y Capa de enlace

Del modelo OSI de la ISO9 (Internacional

Organization for Standardization), es de interés para EPON las capas física y de enlace. La capa física corresponde al medio físico y se encarga de las características eléctricas, mecánicas, funcionales y de procedimiento para que los bits viajen en el medio de comunicación [7].

La capa de enlace de datos “se ocupa del direccionamiento físico, de la topología de la red, del acceso a la red, de la notificación de errores, de la distribución ordenada de tramas y del control del flujo” [7]. Esta capa se divide en subcapa MAC (Medium Access Control) y subcapa LLC (Logical Link Control) [12].

A la subcapa MAC conciernen los componentes físicos que se usan para comunicar la información. En esta capa se agregan los encabezados y trailers que contienen información de control para transmitir la trama al nodo destino. La subcapa LLC mantiene independencia entre los equipos físicos y las capas superiores. Ethernet opera en la capa física y en la subcapa MAC [12].

Subcapa LLC Subcapa MAC PHY

} Capa de Enlace } Capa física

Operación de Ethernet en capa PHY y subcapa MAC

Figura 10. Capa subyacente del modelo OSI

1.3.3 Formato de la trama IEEE 802.3 El modelo EPON lleva el tráfico de datos encapsulado en tramas Ethernet, por lo que es de importancia observar el formato de esta trama según el estándar IEEE 802.3 [7]: 9

www.iso.org

El preámbulo es un campo de 7 bytes empleado para señalización, cada byte contiene la secuencia de bits (10101010). El delimitador de inicio de trama es un byte que indica que el siguiente bit será el más significativo de la dirección MAC destino, este byte contiene la secuencia (10101011).

El campo de dirección origen es de 6 bytes y contiene la dirección MAC del equipo que transmite la trama, el campo de dirección destino de 6 bytes contiene la MAC del equipo destino. El campo tipo de trama identifica el protocolo de red de capa superior asociado con el paquete, o en su defecto la longitud del campo de datos. El campo información contiene el datagrama IP con longitud de 0 a 1500 bytes. El relleno garantiza que la trama total tenga una longitud mínima y FCS (Frame check sequence) es el campo que contiene el valor de verificación CRC (Control de redundancia cíclica) para verificar la integridad de la trama.

7 bytes

Preámbulo

1 byte

Delimitador de Inicio de trama

6 bytes

Direccion de destino

6 bytes

Direccion de origen

2 bytes 0-1500 bytes

Tipo de trama/Longitud Trama Información

0-n bytes

Relleno

4 bytes

FCS

Figura 11. Formato de la trama IEEE 802.3 Fuente: www.textoscientificos.com [11]

1.3.4 Formato de la trama EPON En la dirección del canal descendente, el tráfico es segmentado dentro de tramas de duración fija, cada una de las cuales lleva múltiples paquetes de longitud variable dirigidos a ONU’s específicas [6].

Cada 2 mseg la OLT envía un marcador de sincronización, que indica el comienzo de cada trama y que permite la sincronización de las ONU’s con la OLT. Cada paquete de longitud variable se encuentra encapsulado en el formato IEEE 802.3 y es transmitido a 1Gbps.

En la siguiente figura se muestra el formato de la trama EPON en canal descendente, en donde se observa que cada trama contiene paquetes que pueden ser dirigidos para cualquiera de las N ONU’s presentes en la red. También se observa cada paquete que tiene el formato IEEE 802.3 y que es resumido en encabezado, carga útil y FCS:

Figura 12. Formato de la trama EPON en dirección descendente Fuente: International Engineering Consortium, EPON, www.iec.org [6]

El tráfico en el canal ascendente es dividido dentro de tramas que representan un ciclo. Cada inicio de trama es identificado por su encabezado. Dentro de cada trama, la OLT le asigna a la ONU una ranura de tiempo dedicada, para que la ONU pueda transmitir los paquetes que tenga en el buffer.

Figura 13. Formato de la trama EPON en dirección ascendente Fuente: International Engineering Consortium, EPON, www.iec.org [6]

El tamaño de la ranura de tiempo en TDMA puede ser fijo o variable, pero debido a la naturaleza de ráfaga de tráfico en la red, se pueden presentar en algunas ranuras de tiempo paquetes con retardos, mientras que en otras ranuras se subutiliza el ancho de banda. Por estas razones la asignación fija de ancho de banda no ofrece buenas características de utilización de ancho de banda, por lo que se prefiere emplear técnicas de asignación dinámica de ancho de banda, las cuales se observaran en los siguientes capítulos de este documento.

2. FUNDAMENTOS DE CALIDAD DEL SERVICIO

En este capítulo se presenta la definición de calidad del servicio, indicando los principales parámetros que evalúan la calidad en una red. Posteriormente se describe el modelo de servicios integrados Int-serv y el modelo de servicios diferenciados Diff-serv. El capítulo finaliza con una reseña de VLAN’s.

2.1 DEFINICIÓN Y PARÁMETROS La ITU1 define la calidad del servicio como “el grado de satisfacción de un cliente respecto a un servicio prestado”. Una definición que se enfoca más a las redes de transmisión de datos es la de ISO2, que establece que la calidad del servicio es “la capacidad de un proveedor de servicio para atender los requerimientos de las aplicaciones de los usuarios relacionados con ancho de banda, latencia, jitter y pérdida de tráfico” [2].

Los siguientes son los parámetros más significativos que miden la Calidad del servicio:

Ancho de banda Es la cantidad de información que se puede enviar a través de un medio en un periodo de tiempo dado. Su unidad de medida está dada en bits por segundo [15].

Retardo o latencia Tiempo que toma una trama o paquete en viajar desde una fuente a un destino [12].

Jitter Es la variación del retardo, esto es, la diferencia de tiempo en que llega un paquete y el tiempo en que se estima que llega [12].

1 2

www.itu.int www.iso.org 32

Tasa de pérdidas (loss rate) Es la proporción de paquetes que se pierden respecto a los que se envían, está dado en porcentaje [15].

La siguiente tabla presenta los requerimientos de los parámetros indicadores de la calidad del servicio para ciertas aplicaciones, se observa que la aplicación más exigente es el video por demanda, que requiere alto ancho de banda y bajos tiempos en retardo (<100 ms), jitter y tasa de perdidas. Las aplicaciones de voz como telefonía requieren bajo ancho de banda, pero también bajos tiempos en retardo (<10 ms), jitter y pérdidas.

Tabla 2. Requerimientos de QoS en aplicaciones Ancho de Tipo de Aplicación

Tasa de

Banda

Retardo

Jitter

perdidas

www)

Bajo

Medio/Alto

Medio*

Batch (e-mail, ftp)

Alto

Alto*

Telefonía

Bajo

Vídeo Interactivo

Alto

Bajo

Alto

Medio/Alto

Bajo

Medio/Alto

Nulo

Interactivo (telnet,

Video Unidireccional (streaming) Frágil (emulación de circuitos)

* La aplicación requiere pérdida nula, pero esto lo garantiza el protocolo de transporte TCP Fuente: R. Montañana, QoS, Universidad de Valencia [15]

2.2 MODELOS QUE PROVEEN CALIDAD DEL SERVICIO

Desde mediados de los años 80, la Calidad del Servicio ha empezado a cobrar importancia, poco a poco se han creado protocolos o estándares con el fin de manejar los diferentes tipos

de tráfico en las diferentes zonas de la red, todo con el fin de que el usuario esté satisfecho con el servicio prestado [15].

2.2.1 Modelo de Servicios Integrados Int-Serv (RFC 1633) El modelo de servicios integrados estandarizado en la norma RFC 1633, se centró en el uso de un protocolo de señalización llamado Resource Reservation Protocol (RSVP), el cual reserva recursos tales como ancho de banda, en cada nodo de la comunicación.

RSVP requiere que en cada nodo se garanticen los recursos solicitados antes de admitir un flujo entrante, lo cual no resulta viable en una red grande, debido a los diferentes tipos de tráfico y equipos existentes a lo largo de la red, limitando la escalabilidad.

Los mecanismos de control de tráfico en IntServ descritos en la RFC 1633 para soportar los servicios son: [16] •

Planificador de paquetes Se encarga del envío de diferentes flujos de tráfico que permanecen en la cola del buffer, organizándolos. Entre los esquemas de planificación están strict priority, en donde los paquetes de alta prioridad siempre se transmiten primero retrasando a los de menor prioridad; Round Robin asigna porciones iguales de tiempo a cada prioridad, este esquema funcionaría si el trafico de la red fuera siempre constante; Weighted Fair Queueing (WFQ) en donde el orden que se le da a los paquetes se asigna estadísticamente.

•

Clasificación de paquetes Selecciona o agrupa diferentes tipos de tráfico para asignar un tratamiento específico, la selección de clase o tipo de tráfico se hace basado en el contenido del encabezado.

•

Control de admisión Es el indicador de la disponibilidad de recursos de red, en donde se admite o no, el ingreso de paquetes al nodo de la red con el fin de garantizar que otros de mayor importancia puedan seguir su trayecto sin retrasos.

•

Descarte de paquetes Con el fin de proporcionar control de la congestión y obtener la calidad deseada del servicio, se especifican niveles de control de paquetes descartados. “La pérdida de un paquete puede contribuir al éxito de muchos”, si la perdida de ese paquete reduce el retardo de otros paquetes que estén en la cola [15].

2.2.2 Modelo de Servicios Diferenciados Diffserv (RFC2474, RFC2475) Con el fin de mejorar el esquema presentado en Int-Serv surgió el estándar RFC 2475 o Servicios Diferenciados (Diff-Serv) el cual etiqueta los paquetes de datos de manera independiente según el tipo de tráfico o servicio que manejen [17]. Este estándar no usa protocolo de señalización y no requiere que se mantenga información de estado de tráfico en cada nodo de la red.

Cada categoría dentro de la cual se clasifican los paquetes corresponde a un SLA (Service Level Agreement). El SLA es un acuerdo que se establece entre el usuario y el ISP, con el fin de definir los servicios que se le proporcionarán al cliente. Los servicios se pueden establecer de acuerdo a requerimientos tales como bajo jitter, bajo retardo, servicios que ofrezcan seguridad de los paquetes, entre otros.

Para que al paquete se le de tratamiento particular PHB (Per Hop Behavior), los paquetes se marcan en el campo de servicios diferenciados (DS) del encabezado IP. Para esta marcación se utilizan los 6 bits del campo DSCP (Differentiated Services CodePoint). El campo CU (Currently Unused) que también está contenido en el campo DS, es reservado.

Figura 14. Campo de Servicios diferenciados (DS) Fuente: RFC 2475 [17]

El PHB describe el trato que se le da a cada clase de paquetes de un servicio específico. Los siguientes son los PHB más utilizados [18]:

•

Expedited Forwarding Behavior (EF) Aplicado en tipos de tráfico como voz, video o aplicaciones en tiempo real, en donde se necesita bajo retardo, baja pérdida de paquetes y bajo jitter.

•

Assured Forwarding Behavior (AF) Permite ofrecer distintos niveles de garantía o de calidad relativa para los paquetes IP. Para esto se definen N clases AF y a cada clase AF se le reservan ciertos recursos en cada uno de los nodos.

•

Default Behavior Es el servicio por defecto de la Internet o Best Effort, donde no se proporcionan garantías.

En la capa 3 DSCP se usa para marcar los paquetes, en la capa 2 las VLAN (IEEE 802.1Q) también pueden llevar la misma información.

2.2.3 VLAN IEEE 802.1Q [19] El estándar IEEE 802.1Q que trata acerca de las redes virtuales de área local (VLAN), se desarrolló con el fin de crear redes lógicamente independientes dentro de una misma red física. Diferentes host en diferentes lugares, inclusive fuera del segmento de red se pueden agrupar para formar una VLAN. Para esto se deben marcar las tramas que envían los host con el fin de identificarlos.

El campo Ethertype en la trama Ethernet, se utiliza para identificar el tipo de protocolo que transporta cada trama, aquí se encuentra el protocolo 802.1Q que al seleccionarlo añade 4 bytes a la trama Ethernet, obligando a recalcular el campo FCS. Los campos añadidos se conforman de la siguiente manera:

Tabla 3. Campos de marcación 802.1Q Bits

Campo

TPID

PRIORITY

CFI

VID

Fuente: www.cisco.com [19]

A continuación se describen los campos de la tabla anterior:

- Tag Protocol Identifier (TPID) Este campo es el utilizado por 802.1Q para identificar el tipo de protocolo Ethertype.

- Canonical Format Indicator (CFI) Utilizado para la compatibilidad con las redes Token Ring, permanece en cero para las redes Ethernet.

- VLAN Identifier (VID) Este campo identifica de manera única la VLAN a la que la trama pertenece.

- User Priority Es un campo de 3 bits que se basa en el esquema de prioridades del protocolo 802.1P, e indica el nivel de prioridad de la trama. De esta manera el estándar 802.1P provee a nivel de enlace mecanismos de Calidad de Servicio definiendo 8 clases de servicios, que se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 4. Clases de servicios USER

TIPO DE

PRIORITY

TRAFICO

Background

DESCRIPCION

Caracterizado por aplicaciones que no impactan el uso de la red, tales como la transferencia de archivos, transmisión de alarmas, e-mail.

Best Effort

Tráfico en el cual no se provee ningún tipo de garantías respecto a calidad de servicio.

Excellent Effort

Al igual que carga controlada, Excellent effort no es crítico frente al retardo, pero si frente a la pérdida de paquetes.

Controlled Load

Bajo esta clase de tráfico, se clasifican los paquetes de importantes aplicaciones, en los que

no puede haber pérdida de paquetes, por lo que mediante control de capacidad se asegura que se reciba el servicio a pesar de condiciones de red con sobrecarga. 4

Video

Aplicaciones de video, Caracterizado por menos de 100 mseg de retardo.

Voice

Las aplicaciones de voz, requieren mínimo retardo y mínimo jitter. Se caracterizan por un retardo menor a 10mseg y un jitter límitado.

Internetwork

Con menor prioridad que Network Control,

Control

Internetwork Control se refiere al tráfico presente dentro de un dominio administrativo.

Network Control

Se encuentran los paquetes a los que se les debe dar mayor prioridad en una transmisión, son los que siempre deben llegar a su destino, con el objetivo

mantener

soportar

infraestructura de la red [3]. Se establecen límites de tiempo extremo a extremo del paquete en los retardos en las colas, garantizando así el ancho de banda y el retardo Se caracteriza por menos de 10mseg. Fuente: IEEE Standard for Local and metropolitana rea networks [36]

Las redes EPON están basadas en el protocolo Ethernet por lo que pueden utilizar estas características para marcar, agrupar y diferenciar el tráfico en la red de acceso. En el siguiente capítulo se muestran las técnicas utilizadas por EPON para brindar calidad del servicio.

3. CALIDAD DEL SERVICIO EN LA RED DE ACCESO EPON

Como se estudió en el primer capítulo, la estructura de la red de acceso EPON es punto multipunto, por esta razón el canal de subida es compartido, lo que implica la creación de métodos que eviten que haya colisiones; por otra parte las nuevas aplicaciones como VoIP, video conferencia o IPTV entre otras, demandan no solamente gran cantidad de ancho de banda, sino también requerimientos máximos o mínimos de calidad del servicio vistos en el capitulo anterior. Para que las redes EPON puedan tener éxito en el mercado deben soportar los requerimientos de las nuevas aplicaciones, de esta manera, se deben implementar métodos para ofrecer y mantener la calidad del servicio establecida en los SLA. Inicialmente se observa el protocolo base de las redes EPON, Multi Point Control Protocol (MPCP), el cual es utilizado para solicitar y asignar el ancho de banda y para el autodescubrimiento de nuevos elementos del sistema; proseguimos con los métodos de polling existentes que optimizan el envío de mensajes de control. Posteriormente se examinan los algoritmos de asignación de ancho de banda, tanto estáticos como dinámicos, que determinan la cantidad de paquetes que se van a transmitir en un ciclo. Luego se estudian los métodos de scheduling, empleados para asignar los turnos de transmisión de las colas desde la ONU hacia la OLT y distribuir el ancho de banda para cada cola. Por ultimo, se trata el tema de control de admisión que se utiliza para mantener los niveles de calidad de servicio.

3.1 MULTI POINT CONTROL PROTOCOL MPCP MPCP es un protocolo de señalización estandarizado en el año 2004 para IEEE 802.3ah. Este protocolo es utilizado en las redes punto multipunto para transportar los mensajes de control entre la OLT y la ONU. 39

3.1.1 Estructura de la trama MPCP La estructura general de la trama MPCP consta de los campos dirección destino DA y dirección fuente SA, cada uno de 6 bytes de longitud. El campo Lenght/type de 2 bytes indica el tipo de la trama, para el caso de MPCP es 88-08 hexa. El campo Opcode de 2 bytes es usado para indicar el tipo de mensaje MPCP en la subcapa de control MAC. El campo Timestamp de 4 bytes contiene la información del contador y se usa para calcular el Round Trip Time RTT entre la OLT y una ONU y para sincronizar la OLT con la ONU. El siguiente campo de la trama general de MPCP de 40 bytes contiene información de las funciones específicas del protocolo y el último campo de 4 bytes contiene el valor de la secuencia de verificación de trama FCS [4]. A continuación se observa esta estructura de trama con longitud total de 64 bytes: Tabla 5. Formato general de la trama MPCP Campo

Octetos

Destination address DA

Source address SA

Lenght/type = 88-08 hexa

Opcode

Timestamp

Opcode-specific fields/pad

Frame check sequence (FCS) 4 Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

Específicamente, el campo Opcode indica el tipo de mensaje: Tabla 6. Campo Opcode Valor del campo

Tipo de Mensaje

00-0116

PAUSE

00-0216

GATE

00-0316

REPORT

00-0416

REGISTER_REQ

00-0516

00-0616 REGISTER_ACK Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

Los mensajes REPORT y GATE son usados en modo de funcionamiento normal del protocolo. El mensaje REPORT envía de la ONU hacia la OLT la información acerca del estado del buffer solicitando que se le asigne ancho de banda, estos mensajes REPORT son enviados junto con los datos en cada ciclo, la OLT es libre de utilizar estos mensajes para la asignación del ancho de banda [4]. El mensaje GATE es la respuesta por parte de la OLT indicándole a la ONU la ranura de tiempo en la cual puede transmitir y cuanto ancho de banda se le asignó. Un máximo de 4 slots se pueden asignar a cada ONU para su transmisión en cada ciclo, la ONU es libre de utilizarlos cuando le corresponda [4]. Los siguientes tres tipos de mensajes son usados para registrar a la OLT la presencia de nuevas ONU en la red en modo de auto descubrimiento. El mensaje REGISTER_REQ lo envía la nueva ONU hacia la OLT con información tal como el Round Trip Time (RTT) y la dirección MAC [3]. El mensaje REGISTER es enviado por la OLT hacia la ONU, asignándole un identificador único LLID para la ONU. El último mensaje es REGISTER_ACK en donde la ONU le confirma a la OLT que ya está registrada. El protocolo MPCP no está sujeto a ningún esquema de polling, por lo que los fabricantes diseñan algoritmos para que el envío de los paquetes de control sea eficiente y así se reduzca los retardos causados por estos de mensajes. [4]

3.2 METODOS DE POLLING El ciclo de polling corresponde al intervalo de tiempo en que la OLT interactúa con las ONU’s enviando y recibiendo mensajes de control, con el fin de asignar el ancho de banda de cada ONU [4]. A continuación se describen algunos métodos de polling:

Poll and stop polling La OLT envía el mensaje GATE a la ONU y no envía mas mensajes GATE hasta que la ONU no le envíe el mensaje REPORT, este método no utiliza eficientemente el canal por lo que tiene una baja utilización presentando retardo de los paquetes [10]. Interleaved polling Gracias a que la OLT conoce información como la demanda de ancho de banda y el Round Trip Time (RTT) con cada ONU, la OLT puede enviar mensajes GATE sin necesidad de esperar a que el respectivo mensaje REPORT le haya llegado, de esta manera mejora la eficiencia en la utilización y envío de mensajes. [10]. Interleaved polling with stop La diferencia con el método anterior es que en Interleaved polling, la OLT asigna ancho de banda en base a las demandas que ya conoce. En Interleaved polling with stop la OLT no empieza el siguiente ciclo hasta que todos los mensajes REPORT sean recibidos, lo que permite a la OLT calcular de manera completa la asignación de ancho de banda del siguiente ciclo pero presentando reducción en la utilización del canal debido a la espera de los mensajes REPORT [10]. Interleaved Polling with Adaptive Cycle IPACT La OLT al ser el elemento central de la red conoce todos los datos de cada una de las ONU’s presentes en la red, tal como el RTT o la cantidad de datos almacenados en el buffer; con estos datos la OLT calcula el tiempo preciso para el envío de los datos por parte de la ONU y del envió de los mensajes de control por parte de la OLT. El siguiente mensaje REPORT de la ONU llevará consigo la información de los paquetes que se quedaron en el buffer después de la asignación y así mismo la OLT de manera predictiva, realizará cálculos estadísticos para la asignación del próximo ciclo [4]. Entre los métodos anteriores, se tiene que IPACT es el método más eficiente debido a su adaptación, sin embargo IPACT en cortas distancias (<10 km) envía mayor cantidad de paquetes de control causando reducción en la eficiencia de la red. [4]

Figura 15. MĂŠtodos de Polling a). Poll and stop polling, b). Interleaved polling , c). Interleaved polling with stop Fuente: J. Zheng, Media Access Control for EPON, IEEE Communications Magazine [10]

Figura 16. IPACT Fuente: D. Nowak, Dynamic Bandwidth Allocation, Dublin City University [4]

3.3 INTER-ONU E INTRA-ONU Existen 2 paradigmas con enfoques diferentes, estos son Inter-ONU e Intra-ONU. En InterONU se controla el turno para las transmisiones de las ONU’s hacia la OLT y el ancho de banda disponible, mientras que en Inter-ONU se arbitran las transmisiones de las colas al interior de cada ONU, tratando los métodos de control de admisión [10]. Inicialmente se trata el tema de Inter-ONU explicando y comparando los métodos de asignación de ancho de banda, luego se muestran los métodos de scheduling para programación de turnos en las colas y distribución de ancho de banda para cada cola, posteriormente se examina el control de admisión.

Figura 17. Intra-ONU e Inter-ONU Scheduling Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

3.4 ASIGNACION DE ANCHO DE BANDA Existen 2 clases de asignación de ancho de banda, la estática y la dinámica. La asignación estática le fija a la ONU un tiempo máximo para la transmisión (tamaño de ventana de

transmisión), mientras que la asignación dinámica incluye algoritmos que calculan un uso eficiente del ancho disponible para cada una de las ONU’s. Debido a que el protocolo MPCP solamente cumple con la función del envío de las solicitudes de ancho de banda y el estándar IEEE 802.3ah no definió funciones para esta asignación, cada fabricante de los dispositivos debe crear algoritmos que optimicen el uso de los recursos sin afectar los tipos de tráfico presentes en la red. Los valores que se determinan son tiempo de inicio y ancho de banda asignado, los cuales son calculados por la OLT con los mensajes REPORT y enviados a las ONU con los mensajes GATE. 3.4.1 Asignación Estática o Fixed Está basada en datos fijados por el fabricante en donde se establece el tamaño máximo de la ventana de transmisión por parte de la ONU, de esta manera se ignora al protocolo MPCP, pues ya se tiene establecido el tiempo de transmisión que se va a asignar a cada ONU y por lo tanto, se tienen tiempos de ciclo constantes. Fixed utiliza FIFO en el ordenamiento de los paquetes en cada timeslot [3]. 3.4.2 Asignación Dinámica de ancho de Banda DBA Para mejorar la eficiencia en la asignación de ancho de banda, se crean algoritmos que mejoran la utilización de la red. Para esto se deben tener en cuenta los tiempos mínimo y máximo de ciclo. El tiempo mínimo de ciclo garantiza niveles mínimos de ancho de banda a cada ONU. El ciclo corresponde al instante en donde inicia la transmisión de la primera ONU hasta que la última envíe sus datos, es decir, el tiempo que tarda la OLT en asignar nuevamente la ventana de transmisión. Se puede presentar en el canal de subida, que una ONU se apropie del canal al tener gran cantidad de paquetes que enviar, por esta razón es útil establecer un tamaño máximo de transmisión para cada ONU. Esta ventana máxima se denota como Wimax en bits y determina el máximo ciclo Tmax para las condiciones de tráfico [3].

T max = ∑ (G + i =1

max

Wi ) RN

(1)

En donde N es el número de ONU’s disponibles en la red EPON, RN [bps] es la tasa de transmisión en la línea EPON, G es el tiempo o intervalo de guarda entre transmisiones y Wimax corresponde a la ventana máxima. La ventana máxima Wimax, también determina el ancho de banda garantizado para cada ONU de la siguiente manera:

Bimin =

Wi max − W REPORT T max

(2)

Bimin denota el ancho de banda garantizado para cada ONU. La i-esima ONU tiene B

permitido como máximo enviar la ventana Wimax menos los bits del mensaje REPORT Wreport en un tiempo máximo Tmax. Esto se cumple solo si todas las demás ONU’s usan el ancho de banda disponible, ya que si una sola de estas requiere menos ancho de banda, a esta se le asignará una ventana menor y lo restante se le distribuirá a las demás. En el caso en que una sola ONU tenga datos para enviar, solamente a esta se le asignará el ancho de banda total disponible, como se presenta en la siguiente expresión [3].

Bimax =

Wi max − W REPORT W max N *G + i RN

(3)

Asumiendo que todas las ONU’s en la red tienen las mismas políticas en el SLA (Service Level Agreement), es decir Wimax=Wmax para todo i, se obtiene como resultado la siguiente expresión para el tiempo de ciclo máximo:

max

W max ) = N (G + RN

(4)

Otro aspecto de suma importancia en la asignación de ancho de banda es el retardo presentado entre la ONU y la OLT. El retardo en la red es la sumatoria de los siguientes componentes [3]: • Retardo por solicitud DPOLL Es el tiempo entre la llegada de los paquetes a la OLT y la siguiente solicitud por parte de la ONU, este retardo en promedio es igual a la mitad del tiempo de ciclo. • Retardo por asignación DGRANT Este es el intervalo de tiempo desde que la ONU requiere hacer una transmisión, hasta el comienzo de la ranura de tiempo en donde se va a transmitir la trama, este tiempo depende de la ubicación del paquete dentro de la cola de espera. • Retardo en cola DQUEUE Retardo que va desde el comienzo de la ranura de tiempo hasta el inicio de la transmisión de la trama, en promedio es igual a la mitad de un timeslot.

Figura 18. Componentes del retardo de un paquete en la ONU Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

3.5 ALGORITMOS PARA ASIGNACION DINAMICA DE ANCHO DE BANDA (DBA) Para la asignación dinámica de la ventana máxima Wimax [bits] de transmisión se han propuesto varios algoritmos, a continuación se presentan los básicos [3]: Tabla 7. Algoritmos de Asignación Dinámica de ancho de banda [3] Servicio

Expresión matemática

{

Wi ,k = min Vi ,k , W max

Descripción El tamaño de la ventana es ajustado a lo

}

solicitado por la ONU en su mensaje

Vi ,k = Tamaño _ requerido _ ven tan a Limited

REPORT, pero limitado al máximo permitido. La OLT siempre autoriza a la ONU para que envíe el número requerido de bytes, pero este tamaño de la ventana está

Wi ,k = Vi ,k

limitado de acuerdo al tamaño del buffer de la ONU de Q bytes. En Gated el tiempo de cada ciclo es bastante amplio.

Gated

En este método se suma un valor constante

tamaño

ventana

requerido, con el fin de compensar el retardo después de que se envía el

{

Wi ,k = min (Vi ,k + const ),W max

}

mensaje REPORT, en el que llegan nuevos paquetes. El propósito es que con este valor adicional que aumenta el tamaño de la ventana, los nuevos paquetes puedan transmitirse sin tener que esperar hasta el próximo ciclo. Al igual que con Limited la ventana no

Constant Credit

puede sobrepasar el valor máximo.

La diferencia de este método con el

{

Wi ,k = min (Vi ,k * const ),W max

}

anterior es que para Linear Credit el valor extra asignado no es constante sino proporcional

Linear Credit

ancho

banda

solicitado. El límite para este caso es el tamaño máximo de ciclo. El tamaño máximo de i −1 ⎧ ⎫ la ventana está dado según el tamaño de Wi ,k = min ⎨(Vi ,k , N * W max − ∑ Wn ,k ⎬ n =1− N ⎩ ⎭ la ventana máxima por el número de

ONU’s (N*Wmax), de esta forma si solo está transmitiendo una ONU se le puede asignar el tamaño total disponible para todas las ONU’s.

Elastic

Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

3.6 COMPARACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE ASIGNACIÓN DE ANCHO DE BANDA

Según los análisis que se encuentran en los diferentes documentos de referencia, ninguna de las técnicas de asignación de ancho de banda estudiadas (Fixed, Limited, Gated, Constant Credit, Linear Credit o Elastic), tiene ventajas notables una sobre las otras, que permitan determinar cuál es la que se debe usar [4]. Las simulaciones indican que sin importar la utilización del canal todas tienen un comportamiento similar. Al analizar los parámetros de promedio del retardo, promedio del tamaño de la cola, el promedio del descarte de paquetes y el tiempo de ciclo promedio, y reproducir las simulaciones mediante una herramienta de simulación de eventos discretos en Visual C++ suministrada por Glen Kramer, el autor de muchos de los documentos de referencia, se puede comprobar la afirmación anterior. (La veracidad de los resultados obtenidos con la

herramienta de simulación, se corroboran con los resultados que se encuentran en los textos de referencia). La mayoría de los flujos de tráfico, tales como HTTP, FTP, VBR (Variable-Bit-Rate), pueden ser caracterizados como tráfico Long Range Dependent (LRD) o Self Similar, mostrando que LRD modela el tráfico que por lo general viaja en la Internet, debido a esto en la simulación de las siguientes gráficas comparativas se simula tráfico LRD. La configuración de la red es la siguiente: Tabla 8. Valores de configuración de la red: Parametro

Descripción

Valor

Numero de ONU's

Tasa de la línea del usuario a la ONU

100 Mbps

Tasa de la línea de EPON

1000 Mbps

Tamaño del buffer en la ONU

Intervalo de guarda

Tcycle

Tiempo del ciclo máximo

Tamaño del timeslot

Distancia entre la ONU y la OLT

RTT Round Trip Time Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

1 Mbyte 1 µs 2 ms 15500 bytes 0,5 - 20 Km. 5 - 200 µs

Retardo de los paquetes La siguiente figura muestra el promedio del retardo de paquetes

para cada uno de los métodos de asignación de ancho de banda, la gráfica se encuentra en escala logarítmica. Se observa que todos los métodos de asignación dinámica siguen un comportamiento similar, mientras que Fixed, el algoritmo de asignación estática, tiene un promedio de retardo mayor, ya que la ventana de asignación es constante. Para cargas de la ONU superiores al 58% todos los algoritmos tienen el mismo comportamiento, presentándose que el retardo se estabiliza aproximadamente en 140 mseg, esto se debe a que el buffer se satura y comienza a descartar paquetes.

Figura 19. Promedio del Retardo Vs. Carga de tráfico de la ONU Tamaño de la cola en el buffer En la siguiente figura se observa que el promedio del

tamaño de la cola en el buffer, tiende al valor configurado de un 1 Mbyte. Al igual que en el retardo, cuando la carga de la ONU supera el 58%, se comienzan a descartar paquetes debido a que el buffer está saturado. Se

nota que para todos los algoritmos el

comportamiento es similar.

Figura 20. Promedio del Tamaño del buffer Vs. Carga de la ONU

Porcentaje de pérdida de paquetes En la figura 21, se corrobora que la pérdida de

paquetes inicia a partir del 58% de carga en la ONU, debido a que para cargas superiores a éstas, el buffer se ha saturado. Al igual que en los resultados anteriores, se nota el comportamiento similar para todos los algoritmos.

Figura 21. Paquetes descartados Vs. Carga de la ONU Tiempo de ciclo promedio El tiempo de ciclo del método Fixed siempre es constante en 2

mseg, causando para bajas cargas de tráfico se subutilice el ancho de banda. Para el método Gated, la OLT autoriza a la ONU enviar todos los paquetes que tiene en el buffer, por lo que los tiempos de ciclo son bastante grandes cuando aumenta la congestión, representando altos retardos en el envío de paquetes desde otras ONU’s. Por estas razones los métodos Fixed y Gated no son recomendados. Por otra parte, los demás métodos mantienen un comportamiento similar, por lo que es recomendable el uso del método Limited por ser el más conservador [4].

Figura 22. Promedio del tiempo de ciclo Vs. Carga de la ONU

3.7 METODOS DE SCHEDULING [3]

Una vez se asignen los anchos de banda para cada una de las ONU’s, se deben programar los turnos de las colas y distribuir el ancho de banda entre ellas. Cada una de estas asignaciones puede tener diferentes tipos de tráfico o mayor cantidad de ancho de banda asignado, para satisfacer a cada uno de los requerimientos de la red se implementan algoritmos de ordenamiento o de selección de transmisión, los cuales tienen como objetivo, garantizar los SLA, dando un trato justo a todos los puntos de la red sin perjudicar el diferente tráfico que la atraviesa. Un ejemplo, es el caso en el que una ONU se disponga para múltiples usuarios y se esté utilizando clase de servicios en la cola de espera, cada uno de los paquetes que llegue al buffer serán etiquetados con su clase de tráfico, lo que significa que en el caso en que uno de los usuarios no tenga tipo de tráfico prioritario, este se verá restringido y experimentará mayores retardos. Por otra parte, en el caso de tener 2 ONU’s, de las que una de ellas sólo atiende un usuario y la otra tiene cuatro usuarios, cada una reportando 10000 bytes con el mismo tipo de prioridad, la OLT asigna a cada ONU 5000 bytes lo cual no sería justo para

la ONU con cuatro usuarios, ya que sería mejor que se asignará 8000 bytes a la ONU con más usuarios y 2000 a la otra, pero en este caso se desconocería el tipo de tráfico que lleva cada una. De esta manera, garantizar el mínimo requerido de ancho de banda a cada cola y distribuir justamente los recursos que no se están utilizando es la meta final del scheduler. Un scheduling justo ha sido un problema que se ha tratado desde hace tiempo atrás: Los algoritmos existentes como Weight Fair Quieng WFQ, Worst-Case Fair Weighted Fair Queuing (WF2Q), Self-Clocked Fair Queuing (SCFQ) y Start-Time Fair Queuing (STFQ), distribuyen de manera equitativa el exceso de ancho de banda entre otros. Estos algoritmos no se tratan debido a que no se ajustan al sistema EPON, ya que éste funciona con terminales remotas, en las que las colas se encuentran a grandes distancias de la OLT. Las siguientes son propiedades típicas de un sistema scheduler remoto, que afectan el funcionamiento del algoritmo de scheduling. - Significant queue switch-over overhead En la conmutación de una ONU a otra, el

receptor requiere de un tiempo para ajustar los niveles de energía que recibe de la nueva ONU. Adicionalmente, cuando una ONU está transmitiendo, las demás ONU tienen los láseres apagados, el proceso de encendido y apagado de los láseres toma un determinado tiempo que también contribuye al overhead, que para redes EPON tiene un máximo de 2µs. - Large control-plane propagation delay En los sistemas como EPON, en donde se

manejan distancias de hasta 20 km, los tiempos de retardo pueden exceder los tiempos de transmisión de los datos y los de control, por lo que el scheduler va a trabajar con información desactualizada. - Limited control-plane bandwidth El scheduler debe tener en cuenta los mensajes de

control a la hora de asignar el ancho de banda, ya que estos ocupan un lugar, así sea mínimo, tanto en la transmisión de subida como en la bajada.

Teniendo en cuenta

estas limitantes, existen dos métodos para hacer efectiva la

programación de turnos, el método directo y el método jerárquico: 3.7.1 Método Directo (mono-nivel) [20] En este método se ubica el scheduler en la OLT,

la cual puede realizar la programación de los turnos según las colas en cada una de las ONU’s. La OLT puede hacer esto debido a que conoce el estado del sistema, por medio de los mensajes REPORT que le llegan. Para una red EPON que contiene pocas ONU’s, este sistema funciona adecuadamente, ya que el número de colas no sería muy alto y la ocupación de los paquetes de control no es crítica, pero el problema aparece cuando la red posee una gran cantidad de ONU’s, cada ONU con sus usuarios y cada usuario con un número de colas de tráfico, que incrementa la cantidad de mensajes de control que viajan en la red.

Figura 23. Método directo de scheduling mono-nivel en EPON Fuente: G. Kramer, On Configuring Logical Links in EPON, Teknovus, Inc [20]

3.7.2 Método Jerárquico (multi-nivel) [20] En este método los mensajes REPORT y

GATE se intercambian entre la OLT y la ONU, solicitando y asignando el ancho de banda por ONU. De esta manera se elimina la necesidad de enviar un mensaje GATE y REPORT por cola, ya que la ONU administra sus colas, y se soluciona el inconveniente de swicth-

over overhead, ya que se suprimen los tiempos de guarda entre las transmisiones de las colas.

Figura 24. Método jerárquico de scheduling multi-nivel en EPON Fuente: G. Kramer, On Configuring Logical Links in EPON, Teknovus, Inc [20]

Algunos esquemas jerárquicos son: Strict priority [10] Este diseño solo funciona si el tráfico es de una sola clase, ya que

debido a su naturaleza estricta, sí existe en cola tráfico de alta prioridad como la voz y otro tráfico de menor prioridad como el Best Effort, este último no se transmitirá mientras permanezca tráfico con mas alta prioridad en el buffer, causando que el retardo del tráfico de menor prioridad pueda tornarse infinito y pueda haber alta pérdida de paquetes. A este problema se le llama “light load penalty” debido a que ocurre en los momentos de poca solicitud de ancho de banda. Non-strict priority [10] Aquellos paquetes que se reportaron en el mensaje REPORT, son

enviados durante el time slot asignado, el orden para su transmisión es según la prioridad de la cola. Sí los paquetes que fueron reportados ya están agendados en el time slot, y en este time slot todavía se pueden acomodar más paquetes, los nuevos paquetes que llegan y que no habían sido reportados son también enviados de acuerdo a su prioridad.

Debido a la necesidad de priorizar paquetes para las nuevas aplicaciones, se crean modificaciones a Strict Priority, con el fin de eliminar el problema de light load penalty. Tandem Queuing [3] Este método tiene 2 etapas, en la etapa 1 están las múltiples colas de

tráfico, mientras que la etapa 2 consiste de una cola en que se envía lo primero que le llegue al estilo FIFO (First in Fist out). La ONU reporta a la OLT los paquetes de la cola de la etapa 2 que son transmitidos en el time slot asignado. En ese momento los paquetes que están acomodados en su respectiva cola de la etapa 1, pasan a la fila del etapa 2. De esta forma se utiliza el 100% del espacio del time slot asignado, aunque se aumenta el retardo en los paquetes de alta prioridad debido a los tiempos de espera de las 2 etapas, por lo que se debe limitar el tiempo de ciclo, de tal forma que no se vea afectado este tipo de paquetes.

Figura 25. Cola Tandem en una ONU Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

CBR Credit [3] Este esquema consiste en la predicción del tráfico de alta prioridad que va

a llegar de una ONU determinada, asignando time slots de tamaño ajustado a estos paquetes. Para realizar esta predicción, se debe tener conocimiento del tipo de tráfico de la red. En el caso de tráfico CBR se conoce que el flujo tiende a ser constante por lo que la OLT en el siguiente ciclo puede anticiparse a la asignación. En la red el tráfico no siempre va a ser de flujo constante por lo que con este método se tiende a penalizar el tráfico menos prioritario.

La asignación de ancho de banda para las colas se debe hacer de forma equitativa o justa, de acuerdo a los requerimientos de cada una. Para esto se tienen los siguientes esquemas: Sibling-Fair Scheduling [21] Este esquema permite asignación de ancho de banda a las

colas en base a un peso asignado φ, a su tamaño q, y al requerimiento de ancho de banda w en bytes. Con este esquema la equidad es establecida para cada ONU por separado pero no para el conjunto total de ONU’s de la red EPON.

Figura 26. Esquemas de Sibling-Fair Scheduling y Cousin-Fair Scheduling Fuente: G. Kramer, Fair Queuing with Service Envelopes [21]

Cousin-Fair Scheduling [21] A diferencia del método anterior, este esquema distribuye

equitativamente para todas las ONU’s la asignación sin diferenciar entre grupos, es decir que todos los usuarios finales reciben un trato justo.

Fair Queuing with Service Envelopes [21]

FQSE es un algoritmo jerárquico de

scheduling remoto, cuyo objetivo es garantizar un mínimo ancho de banda a cada cola y de manera justa compartir el exceso de ancho de banda. FQSE está basado en un concepto denominado service envelope (SE) que representa el tamaño del timeslot entregado a un nodo en particular en función de un valor no negativo llamado parámetro de satisfacibilidad (SP), que mide el total de la demanda de ancho de banda que se puede satisfacer en la

jerarquía. Cada nodo tiene su función SE asignada. La longitud de la cola i en el comienzo del ciclo k se define como qi,k, y el mínimo tamaño del slot que representa el mínimo ancho de banda que la cola i obtiene en el ciclo k se define como Wi ,MIN . El mínimo tamaño del k timeslot que garantiza a la cola i su mínimo ancho de banda es Wi MIN [21].

{

Wi ,MIN = min qi ,k , Wi MIN k

}

(5)

3.8 CONTROL DE ADMISION [22]

Además de manejar en la red métodos de asignación de ancho de banda (Inter-ONU) y diferenciación de servicio mediante las colas (Intra-ONU), se requiere realizar control en la admisión de nuevos tráficos, con el fin de garantizar la continuidad de la calidad en el servicio y los SLA. Para aplicaciones de tiempo real, se pueden predefinir métricas de calidad del servicio en una unidad de políticas de control, llamada PCU (Policy Control Unit) y se pueden especificar varios umbrales. Al recibir una aplicación con ciertas tasas de pérdidas o retardos que no se pueden cumplir, estos flujos de tráfico serán rechazados. Para tramas de tiempo real que ya se admitieron en la ONU, la OLT las agenda únicamente sí ya se predeterminó y reservó el ancho de banda. El control de admisión se puede hacer en dos pasos con el fin de proporcionar ancho de banda garantizado para las aplicaciones de tiempo real. En el primer paso, desde cada ONU es garantizado un mínimo ancho de banda por ciclo Bmin, ya que la ONU puede ejercer localmente control de admisión de acuerdo a los requerimientos de ancho de banda del nuevo flujo que llega y la disponibilidad que se tenga de ancho de banda.

La siguiente expresión determina si se admite un nuevo flujo i+1, en esta ecuación gi es el ancho de banda garantizado basado en los parámetros de tráfico del flujo i, SjTW es el ancho de banda asignado y reservado por la ONU j, y hj es el número de flujos en tiempo real ya admitidos en la ONU j.

j i +1

+ ∑ g ij ≤ S TW j i =1

(6)

Si el flujo no es aceptado en la ONU, viene el segundo paso en donde la ONU reporta la llegada de un nuevo flujo a la OLT, esto se hace mediante el protocolo MPCP. La OLT admite el nuevo flujo si puede asignar el ancho de banda para los flujos ya admitidos y para el nuevo. Este método de control de admisión puede resultar en desperdicio de ancho de banda, en el caso en que la ONU no tenga suficiente tráfico para transmitir en la ventana asignada, o puede incrementar retardos si la ONU tiene más tráfico para enviar que el que realmente puede transmitir. Este método presenta deficiencias en la predicción y reserva del ancho de banda, para superar esto, se tiene una solución de dos ramas, en la que la OLT selecciona un superciclo Tsc=λ*Tcycle, con λ constante, donde a cada flujo admitido la OLT le garantiza un ancho de banda por superciclo. El tráfico Best Effort BE corresponde a una pequeña parte del ciclo total de tiempo (α*Tcycle, para α<1), el resto del tiempo de ciclo ((1- α)*Tcycle) se usa para el tráfico en los que se debe garantizar la calidad. Así el periodo ((1- α)*Tsc) se divide dentro de dos new periodos T1 y T2, en donde cada ONU garantiza un ancho de banda Bmin que es calculado

en base al periodo T1. El resto de tiempo del superciclo es controlado por la OLT. Cuando llega un nuevo flujo f a la ONU j con ancho de banda garantizado B gf , el flujo se admite o se rechaza de acuerdo a lo descrito anteriormente (ver ecuación (6)).

Para que con la reserva no se desperdicie ancho de banda, se tiene el sistema de acreditación (crediting system), en el que se informa a la OLT cada vez que un flujo es admitido, y ésta estima un numero de bytes disponibles por superciclo para el flujo

C fij = Bgfi * Tscr , donde Tscr es el periodo desde la llegada del flujo y el fin del superciclo. La OLT mantiene un crédito total por ONU para los tipos de tráfico CBR y VBR. Para la asignación del ancho de banda, en el ciclo n-1 la ONU j reporta a la OLT su ocupación del buffer de acuerdo al tipo de tráfico (QCBR(N-1), QVBR(N-1) y QBE(N-1)) y solicita la asignación de ancho de banda (Aj CBR(n), Aj VBR(n), Aj BE(n)) y se deben cumplir las siguientes condiciones:

∑(A j =1

j CBR

min j (n) + AVBR (n)) ≤ Bcycle − Gtt − ( N * BBE )

∑A j =1

j BE

min (n) ≤ N * BBE

(7)

(8)

Bcycle es el total de ancho de banda disponible en el Tcycle, y Gtt es el total de tiempos de min es el mínimo de ancho de banda guarda (en bytes) entre las transmisiones de la ONU. BBE

garantizado para el tráfico Best Effort. Cada vez que la ONU asigna ancho de banda a una ONU, se ajustan los créditos, si se acaban los créditos para un tipo de tráfico específico, la OLT no podrá asignar más ancho de banda para esta clase de tráfico y la transmisión tendrá que esperar el siguiente superciclo.

4. SIMULACION

En este capítulo se realiza la simulación del proceso de transmisión entre la ONU y la OLT de la red EPON para diferentes tipos de tráfico, utilizando una herramienta en Visual C++ que simula eventos discretos. Iniciamos describiendo los tipos de tráfico que se van a simular (CBR, LRD, SRD), hacemos una breve descripción de la herramienta utilizada para la simulación, posteriormente se calculan los intervalos de confianza en donde se establece el número de corridas, se describen los resultados obtenidos de las simulaciones y finalmente los comparamos con un ejemplo de SLA.

4.1 TIPOS DE TRÁFICO A continuación se describen los tipos de tráfico LRD (Long-Range Dependent), CBR (Constant Bit Rate) y SRD (Short-Range Dependent): Tráfico Long-Range Dependent LRD El tráfico LRD trata el comportamiento de un proceso que es dependiente del tiempo y que muestra estadísticamente correlaciones significativas a través de escalas grandes de tiempo. Por su parte el tráfico auto similar (self-similar) describe fenómenos en los cuales el comportamiento de un proceso es preservado independiente de la escala en el espacio o tiempo [23]. El tráfico LRD, también conocido como tráfico auto similar o fractal, incluye el tráfico Ethernet, tráfico ATM, tráfico VBR (Variable Bit Rate), tráfico de video comprimido, entre otros [24]. Este tráfico presenta con alta probabilidad grandes ráfagas de datos y grandes periodos de silencio entre las ráfagas [3]. Sea X(t) la variable para definir un proceso estocástico, se dice que X(t) es estacionario si su distribución conjunta a través de los tiempos t1,….,tN es invariante a los desplazamientos

en el tiempo. Se puede caracterizar la dependencia entre los valores de los procesos en diferentes tiempos evaluando la función de auto correlación del proceso (ACF) ρ (k ) . La función ACF mide la similitud entre una serie Xt y su versión desplazada en el tiempo Xt+k [23].

ρ (k ) =

E[( X t − μ )( X t +k − μ )]

σ2

(9)

Donde μ y σ son la desviación media y estándar respectivamente para X. Se dice que un proceso estacionario X es Long-Range Dependent (LRD), si la suma de la función de auto correlación sobre los intervalos de tiempo k no converge:

∑

∞ k =1

ρ (k ) = ∞

(10)

Para grandes intervalos de k, ρ (k ) es modelado como una función hiperbólica decreciente [25]:

ρ (k ) = c r k − ( 2− 2 H ) , k → ∞

(11)

Donde cr es una constante positiva y H (0,5≤H<1) es el parámetro de Hurst, que mide el grado de auto similitud de un proceso. Para procesos SRD, H=0,5, valores de H cercanos a 1, indican un proceso LRD [25].

La densidad espectral de potencia (PSD) f(v) de X(n) satisface f (v) = c f v

−α

v → 0,

donde cf es una constante positiva y α es el exponente de escala. Para procesos LRD, 0< α<1 y se tiene la siguiente relación lineal [25]. H=0,5(1+ α)

(12)

Tráfico Constant Bit Rate CBR Caracteriza aplicaciones que necesitan un ancho de banda constante disponible mientras permanezca la conexión, estas aplicaciones son de tiempo real sensibles al retardo y a su variación, tales como la voz y el video [26]. Tráfico Short-Range Dependent SRD Este tráfico puede ser caracterizado por ráfagas y tiempo entre ráfagas, descrito por el proceso de Poisson. SRD no es Long-Range Dependent [3]. Al contrario que LRD, para SRD la función de auto correlación si converge.

4.2 HERRAMIENTA DE SIMULACION En el mercado se pueden conseguir paquetes de software como OPNET y NS2 que simulan diferentes tipos de redes, pero tienen una limitante, ya que no manejan los dispositivos de redes ópticas pasivas, tales como la ONU, el splitter y la OLT. Para el caso de OPNET, se encuentra un desarrollo realizado por el español Jesús Trujillo (www.jesustrujillo.com), quien programó librerías, con el fin de poder simular las redes EPON; desafortunadamente estas librerías solo se pueden utilizar con la versión 11.5 y no funcionan para la versión libre IT GURU OPNET. Glen Kramer, autor de muchos libros y documentos acerca de las redes EPON, desarrolló una herramienta con la que se pueden simular redes EPON, obteniendo datos de resultados con parámetros propios de la red, estos datos se pueden manipular para realizar análisis de los mismos y también generar gráficas. Esta herramienta de simulación fue proporcionada por su creador para el desarrollo de este proyecto, pero también se puede descargar de la página Web http://wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~kramer/code/desl.html; en este enlace se encuentra toda la información relacionada con la herramienta descrita. La herramienta de Kramer es un desarrollo hecho en Visual C++ llamado Discrete Event Simulation Libraries (DESL). El programa está basado en el algoritmo IPACT, y se pueden modificar los algoritmos de asignación de ancho de banda y otros parámetros que se

describen más adelante, además de esto la herramienta sólo simula un tipo de tráfico a la vez. Las librerías incluidas en este programa para el manejo de redes EPON son Link.h, pktsrc.h, olt.h, onu.h, sim_output.h, sim_config.h, conf_001.h, test_001.h. pktsrc.h Librería que contiene las rutinas para la generación de los paquetes. olt.h Librería de con las características de la Optical Line Terminal. onu.h Librería de con las características de la Optical Network Unit. sim_output.h Librería con las rutinas para los archivos de resultados y pantalla. sim_config.h Librería de parámetros de configuración diferentes a las de los escenarios de simulación. conf_001.h Librería con los parámetros de configuración del escenario de simulación. Las demás librerías son utilizadas por el DESL para generar números aleatorios para el tráfico (tiempo, tamaños) o cálculos estadísticos. En la figura 27 se observa una breve descripción de lo que hace cada una de estas librerías [27]. Las librerías que se pueden configurar o manipular para la variación de los experimentos son conf_001.h, olt.h, y sim_config.h. La librería Conf_001.h contiene los parámetros de tipo de tráfico (CBR, LRD y SRD), constantes de tiempo (Tiempo de guarda, tiempo de procesamiento de la ONU y de la OLT), parámetros de topología de la red (distancia máxima y mínima entre la OLT y la ONU y número de ONU’s) y configuración de la ONU (tamaño máximo del Buffer, tamaño máximo del slot). En el archivo OLT.h se puede configurar el tipo de algoritmo de asignación de ancho de banda (Fixed, Limited, Gated, Constant Credit, Linear Credit y Elastic).

Sim_config.h contiene los parámetros de configuración del tráfico Ethernet, las tasas de transmisión de la red EPON y la asignada a cada ONU.

Figura 27. Diagrama de librerías y dependencias herramienta DESL Fuente: http://wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~kramer/code/desl.html (Computer Science Instructional Facility) [28]

La topología de la red PON es representada por una colección de enlaces punto a punto bidireccionales de diferentes tamaños, de tal forma que cada ONU sólo tiene una interfaz, mientras que la OLT tiene una interfaz por cada ONU.

Figura 28. Diagrama lógico de la red EPON en la herramienta DESL Fuente: http://wwwcsif.cs.ucdavis.edu/~kramer/code/desl.html (Computer Science Instructional Facility) [28]

Las simulaciones empiezan desde un 5% de carga con el fin de que las condiciones iniciales no afecten los resultados, y aumentan en 5% cada vez, hasta llegar al tope de 90% de carga con el fin de que puedan salir todos los paquetes que se generaron, esto lo hace el simulador de manera automática. Para este proyecto se seleccionó simular los diferentes tipos de tráfico (CBR, LRD Y SRD) y compararlos entre sí, teniendo en cuenta la configuración básica inicial de las redes EPON: Tabla 9. Datos de configuración de la red Parametro

Descripción

Valor

Numero de ONU's

Tasa de la linea del usuario a la ONU

100 Mbps

Tasa de la linea de EPON

1000 Mbps

Tamaño del buffer en la ONU

Intervalo de guarda

1 µs

Tcycle

Tiempo del ciclo máximo

2 ms

1 Mbyte

Tamaño del timeslot

D Distancia entre la ONU y la OLT Fuente: G. Kramer, Ethernet Passive Optical Networks, McGraw-Hill [3]

15500 bytes 0,5 - 20 Km.

4.3 INTERVALOS DE CONFIANZA Para la obtención de resultados confiables se debe determinar un nivel de confianza basado en un número de corridas determinadas. Esto se hace mediante el cálculo de máximos y mínimos a partir de la siguiente expresión [29]. S S ⎤ ⎡ Pr ⎢ X − t a / 2;n −1 ≤ μ ≤ X + t a / 2;n −1 = 1− a n n ⎥⎦ ⎣

(13)

La media μ está dentro del intervalo de confianza X ± ta/2;n-1 S/√n con un nivel de confianza (1 – a) [29]. Donde:

1 n ∑ X i es la media de las muestras n i =1

S2 =

(14)

1 n ( X i − X )2 es la varianza de las muestras ∑ n − 1 i =1

(15)

n es el número de corridas de la simulación

X − μ tiene una distribución T-de-Student con n-1 grados de libertad S/ n

(16)

Para un nivel de confianza del 99% se tiene a=0,01, y para n=5 corridas, el percentil de la distribución de T-de-student según tablas es ta/2;n-1=t 0,005;4 =4,6041.

Cada uno de los tipos de tráfico se simuló mediante 5 corridas, y se calculó el promedio de estas cinco simulaciones con el fin de estimar los intervalos de confianza máximos y mínimos. Al observar las gráficas resultantes se muestran que los datos no tienen alta dispersión, por el contrario las gráficas de los máximos y mínimos se ajustan a la del promedio indicando la confiabilidad de los datos. A continuación se muestra la gráfica del promedio de la cola de espera en bytes con tráfico CBR. Los intervalos de confianza para el promedio del retardo, el porcentaje de pérdida de paquetes y el promedio de tamaño de la cola para los tráficos SRD y CBR presentan menos dispersión en los intervalos de confianza que los obtenidos con LRD. Estas gráficas y sus tablas de datos se presentan en el anexo 1.

Figura 29. Parametros de confianza para el promedio del tamaño de cola

4.4 SIMULACION Y ANALISIS DE RESULTADOS

Una vez obtenidos los resultados en las simulaciones de los tipos de tráfico CBR, SRD y LRD, procedemos a compararlos. Los valores analizados fueron, el promedio del retardo, el

promedio del tamaño de la cola, el porcentaje de pérdida de paquetes y el Jitter. Todas las simulaciones se realizaron para el método de asignación dinámico de ancho de banda Limited, que como se observó en el capítulo anterior es el más conservador. Las tablas de los resultados se presentan en el anexo 2. 4.4.1 Promedio del retardo El retardo es uno de los parámetros de calidad del servicio de

alta importancia para las transmisiones de paquetes de control, voz o video. Los resultados de la simulación arrojaron que el tráfico LRD es el más afectado entre los tres tipos de tráfico conforme aumenta la carga en la ONU. Esto se debe a que algunas de las ráfagas de tráfico superaron el tamaño máximo de la ventana de 15.500 bytes en los 2 mseg de tiempo de ciclo máximo, y tuvieron que esperar al siguiente ciclo para ser transmitidas. Por su parte, el retardo del tráfico SRD crece levemente hasta alcanzar un 55% de carga, de aquí en adelante comienza a aumentar, estabilizándose en cargas en la ONU mayores al 65%, en donde alcanza valores promedio de retardo de 145ms, ya que el buffer está saturado y hay pérdida de paquetes. El tráfico CBR que por su naturaleza requiere anchos de banda constante mientras dura la conexión, recibe en el time slot aproximadamente el mismo número de bytes, por esta razón, este tipo de tráfico presenta retardos muy pequeños del orden de 0,6 mseg para cargas en la ONU menores al 55%, pero cuando la ONU alcanza una carga del 60% el retardo se ha incrementado a 97 ms y se estabiliza con cargas superiores al 65% con valores de retardo promedio de 145 ms. Como se observa, en general para los tres tipos de tráfico, el valor mínimo promedio de retardo para pequeñas cargas es de 0,3 ms; a partir del 40% se presentan aumentos de retardo en LRD y SRD, y a partir del 65% de carga en la ONU, con todos los tipos de tráfico se están presentando retardos promedio de 145 ms que se mantienen constantes conforme aumenta la carga, esto se debe a la saturación de las colas y la nivelación de los tiempos de ciclo a su máximo.

Figura 30. Promedio del retardo para los tráficos LRD, SRD y CBR 4.4.2 Tamaño de la cola de espera El comportamiento del tamaño de la cola de espera es

similar al presentado en el retardo, este es dependiente de lo que exista en el buffer y los tiempos de ciclo. Para cargas menores del 50%, los tres tipos de tráfico se mantienen con un mínimo de bytes en la cola, ya que al haber baja carga, los tiempos de ciclo son menores y las colas se están vaciando rápidamente. Entre el 50% y el 65% de carga para LRD, las condiciones cambian y aumentan exponencialmente hasta llegar a la saturación del buffer en donde se nivelan los tres tipos de tráfico. Para SRD y CBR este cambio se presenta para cargas entre 55% y 65%. Es de notar que el promedio de la cola del tráfico LRD al igual que el retardo, presenta valores mayores que para los demás tipos de tráfico. Esto como se explicó anteriormente, se debe a la naturaleza de ráfagas en LRD, sin embargo se observa que este tráfico se satura después de que lo hace SRD y CBR, debido a que los intervalos sin datos (GAPS) entre cada una de las ráfagas se mantienen y ocasionan que se puedan descargar las colas. A continuación se observan los resultados gráficamente:

Figura 31. Promedio del tamaño de la cola para los tráficos LRD, SRD y CBR

4.4.3 Porcentaje de pérdida de paquetes

En la perdida de paquetes se observa el

momento en que se llena el buffer de memoria. Para LRD comienza aproximadamente a partir del 45% de carga en la ONU y continua aumentando la pérdida de paquetes, conforme aumenta la carga. Este incremento representa un aumento en la cola del buffer. Para los tráficos SRD y CBR se presenta un porcentaje de perdida de paquetes menores que en LRD. La pérdida de paquetes para estos tipos de tráfico, comienza al tener carga en la ONU del 60% y aumenta conforme se llenan las colas. Se observa que para aplicaciones que son exigentes en la clase de servicio, tales como paquetes de control de red, o en aplicaciones de carga controlada como por ejemplo las bancarias, en las que no es permisible la pérdida de paquetes, es necesario que se garantice el ancho de banda y el retardo. Para estas aplicaciones se tienen mayores niveles de prioridad en el Service Level Agreement (SLA) diferenciando las colas, situación que no se está simulando acá, ya que la herramienta de software no lo contempla.

Figura 32. Porcentaje de pérdida de paquetes para los tráficos LRD, SRD y CBR 4.4.4 Jitter Este parámetro muestra la variación mostrada por el retardo, y se calcula

mediante la desviación estándar del retardo.

Figura 33. Jitter para los tráficos LRD, SRD y CBR En la figura anterior, se observa que para el tráfico LRD se presenta Jitter para cargas entre 40% y 70%, alcanzando valores máximos de 6,8 mseg con cargas del 55%. El Jitter es más

visible en el tráfico LRD porque la desviación del retardo para este tráfico es mayor para cargas entre 40% y 60%. Para el tráfico SRD el Jitter máximo es de 3,6 mseg y se presenta para cargas del 60%, CBR, por su parte presenta valores de Jitter de 0,4 mseg, mostrando que este esquema es apropiado para aplicaciones de voz. 4.4.5 Comparación de resultados de tráfico LRD con un ejemplo de SLA Un ejemplo

de requerimientos contemplados en un Service Level Agreement (SLA), garantiza ancho de banda mayor o igual a 2Mbps, tiempos de retardo menores a 80 mseg, tiempos de Jitter menores a 20 mseg, y tasa de pérdida de paquetes menor a 0,01% [15]. Comparando con los resultados obtenidos para el tráfico LRD que es el que más se ajusta al tráfico Web, se tiene que la condición de retardo se cumple para cargas menores del 55%. La condición de Jitter se cumple para todas las cargas, ya que como se mencionó, en la simulación no se obtuvieron valores de Jitter mayores de 6,8 mseg. Respecto a la pérdida de paquetes, la exigencia de un 0,01% es alta, y para esto se requiere asignar a las colas de la ONU prioridades para diferenciar las clases de servicios, con esto también se mejoran los tiempos de retardo. Otro ejemplo de requerimientos que brinden QoS a la red, es el SLA garantizado por GPON a sus usuarios, en este se definen 4 niveles de calidad de servicio [30]: - CoS4 low delay, low jitter, low PLR - CoS3 medium delay, medium jitter, low PLR - CoS2 Medium Delay, Medium Jitter, Medium PLR - CoS1 high delay, high jitter, high PLR

Los valores de estos parรกmetros bajo, medio y alto se ven en la siguiente tabla: Tabla 10. Valores de parรกmetros de QoS

Bajo

Medio

Alto

Delay (ms)

100

500

Jitter (ms)

0,4

Packet loss Rate

-6

-5

Fuente: A. Cauvin, Common Technical Specification of the G-PON [30]

10-4

5. TENDENCIA DEL MERCADO

Ethernet Passive Optical Network (EPON) fue desarrollado por la IEEE y estandarizado en Junio de 2004. Desde su estandarización los costos de los equipos ópticos se han reducido entre un 50% y 70% [31], eliminando las limitantes económicas para la implementación de redes ópticas e indicando las ventajas a futuro que se tienen con estas redes.

EPON y GEPON (Gbps EPON), están siendo implementados de forma amplia en Asia, principalmente en Japón, en donde se están desarrollando redes ópticas pasivas desde el año 2002. Japón inició implementando redes BPON, pero desde el 2004 ha comenzado a migrar al estándar EPON [32]; este país está a la vanguardia en este tema, implementando Fiber to the Home (FTTH) en más de 8 millones de hogares según estadísticas de la OECD a junio de 2007. Otros países en donde se está adoptando EPON son China, Corea y Taiwán [33].

La tecnología GPON junto con EPON posee la mayor representación en el mercado de redes de acceso ópticas pasivas. Es importante destacar que EPON no utiliza en su infraestructura elementos ATM y SONET, complejos y costosos como los de GPON, permitiéndole a EPON obtener beneficios en los costos y competitividad en el mercado [33].

En GPON el cifrado es únicamente en el canal descendente y el estándar define a AES (Advanced Encryption Standard) como el método a utilizar. Para EPON el cifrado se puede implementar, tanto en canal ascendente como descendente y no está definido en el estándar [33]. Sin embargo el método más utilizado es AES, aunque en China este estándar no está aprobado, por lo que los vendedores de EPON están implementando métodos de cifrado desarrollados por China Telecom [35].

Las empresas que han adquirido redes EPON en los últimos años han desarrollado más de 6 millones de líneas, entre estas empresas se encuentran: China Netcom, KDDI, KOpticom, Korea Telecom, NTT, SBB, NEC entre otras [31]. Entre las empresas que hacen desarrollos y dan soporte de redes EPON para Transceivers ópticos se encuentran (Optics/Transceivers/PHY): Delta Electronics, ETRI, Fiberxon, Hitachi/Lightron, NEC, Sumitomo, Vitesse y Zenko. Para equipos de prueba se destacan Agilent y Fujitsu, y entre las empresas que desarrollan el sistema EPON están Allied Telesyn, Alloptic, Corecess, Dasan/ Siemens, Entrisphere, Fiberhome, Fujitsu, Furukawa, Hitachi, Huawei, Hyundai, Mitsubishi, Nayna, NEC, OKI-Fujikura, Salira, Samsung, Sumitomo, UTStarcom y ZTE ETC [31]. Con esto se puede observar el soporte que tienen estas redes y el futuro que prometen.

GPON por su parte se ha establecido en Europa principalmente con British Telecom y France Telecom. Estas empresas tienen proyectada la instalación de este tipo de tecnología en sus países Inglaterra y Francia. En Norte América, la empresa Verizon tiene planeado migrar su red de BPON a GPON comenzando en el año 2008 [34].

El futuro de EPON está encaminado en el aumento de la velocidad de transmisión, de hecho el estándar para 10GEPON está en estudio y su aprobación está pactada para los próximos años. Un punto importante para lograr esto es mejorar los algoritmos de asignación de ancho de banda para que se utilice de manera más eficiente el medio. La eficiencia que proveería 10GEPON aumentaría si se reducen los overhead del actual EPON. 10GEPON planea utilizar como método de codificación 64b/66b lo que representa mayor eficiencia en la utilización del ancho de banda.

EPON se enfoca en aplicaciones de servicios avanzados como video por demanda, varios canales de televisión de alta definición, juegos en línea, video conferencia y voz, entre otras. Cada una de estas aplicaciones conforme pasa el tiempo demandan mas ancho de banda y mejores atributos de calidad de servicio, por lo que solamente el aumento de ancho

de banda no es el único punto a trabajar. Hoy en día se ofrecen entre 30 y 100 canales y se estima que para el año 2010 se ofrezcan 1000 canales con alta definición. La tecnología EPON cuenta con la ventaja de ser escalable y compatible y así fácilmente se puede ajustar a desarrollos futuros. Los láseres actuales en la ONU y la OLT restringen a EPON en la posibilidad de manejar mayores distancias, anchos de banda y cantidad de ONU’s, pero conforme avanza más la tecnología y los costos se reducen, se podrán obtener velocidades con 100GEPON o más. Por otra parte un tercer haz de luz esta siendo visto como una solución para transmitir video stream como un canal dedicado.

Ethernet, al ser el medio de acceso más difundido en el mundo de las redes LAN, ubica a las redes EPON en ventaja con respecto a las demás redes, pues no se requieren interfaces extras para establecer conexiones con los usuarios. Esto reduce los costos para ambas partes, mientras que las ventajas de GPON con respecto a EPON están basadas en que GPON tiene estandarizado todo su desarrollo tecnológico, lo que hace que todas las empresas que utilicen este sistema sean totalmente compatibles. Por otra parte el tamaño del overhead para GPON es mucho menor que el utilizado en la red EPON.

La tecnología EPON al dejar libre a los fabricantes los métodos de asignación de ancho de banda, permite que se realicen más desarrollos y mejoras. En relación al método de multiplexación en canal ascendente, se están realizando estudios que permitan implementar WDM con el fin de soportar mayor número de usuarios por fibra.

CONCLUSIONES

Las redes de acceso son el punto crítico a la hora de prestar calidad del servicio a los usuarios, debido al cuello de botella que se presenta entre el backbone y la red del usuario que manejan altas tasas de transferencia. Por esto es fundamental que se implementen técnicas de calidad en el servicio como las estudiadas en este documento. La arquitectura punto a punto en redes ópticas es la ideal para que cada usuario tenga acceso dedicado a todos los servicios y obtenga escalabilidad a largo plazo, desafortunadamente los costos de implementación son por ahora demasiado altos. Las redes ópticas pasivas punto multi-punto son una solución a los costos presentados por las redes punto a punto, sin embargo requieren que se controlen las transmisiones en el canal ascendente. Estas redes al no tener elementos activos en la red de distribución, presentan disminución en costos de equipos y mantenimiento. Comparando con las redes de acceso tradicionales como ADSL, EPON aumenta en gran proporción el ancho de banda asignado por subscriptor llegando en promedio a 60 Mbps en una red de 16 ONU’s y a 15 Mbps en una red de 64 ONU’s. Otra gran ventaja de las redes PON respecto a las redes de acceso ADSL, es la distancia a la que puede llegar. Mientras ADSL tiene un alcance máximo sin deterioro de 2,5 km, PON puede alcanzar distancias de 20km. Mediante las simulaciones se pudo observar y analizar el comportamiento de algunos de los parámetros de calidad del servicio para los métodos de asignación de ancho de banda y corroborar los resultados con los encontrados en los textos de referencia. Para cargas superiores al 60% se pudo observar que sin aplicar diferenciación de tráfico en las colas el tráfico es deficiente, además es necesario tener en cuenta que en la práctica no es deseable tener alta utilización en la red, ya que conforme la carga se acerca al 100% el

comportamiento debido a las colas conlleva al aumento de pérdida de paquetes. De esta manera EPON para cargas menores del 60% ofrece características de los parámetros de calidad del servicio satisfactorias. Para mantener la calidad en el servicio prestado, también se debe buscar la forma de entregar servicios justos a cada uno de los tipos de tráfico y usuarios de la red, los algoritmos de scheduling que presenta EPON logran mantener un trato equitativo a estos parámetros. Permitir en un estándar la libertad de escoger el sistema de seguridad que se implementa en la red, le ha significado a EPON poder posicionarse en el mercado Chino, ya que en este país no se permite el cifrado a partir de AES. Lo mismo sucede con los métodos de asignación de ancho de banda, ya que como en el estándar no está establecido cual se debe utilizar, se promueve la investigación de métodos que se adapten con mejores características al sistema. El estándar EPON utiliza 8b/10b como código de línea, el cual reduce la eficiencia de la transmisión en un 20% aproximadamente. La tendencia del mercado se enfoca en el empleo de 10GEPON que maneja tasas de transferencia del orden de 10 Gbps y mejora la codificación con 64b/66b, resultando en reducción de eficiencia de apenas el 3%. Para una próxima investigación se propone realizar simulaciones sobre una herramienta que genere varios tipos de tráfico y los diferencie en colas, que a su vez asigne prioridades a cada cola, para observar las mejoras en la calidad del servicio. Un tema de interés para un próximo estudio, es realizar una investigación técnicoeconómica en Colombia, con el fin de evaluar la factibilidad de implementar EPON en el país.

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ANEXO 1 TABLAS DE DATOS Y GRAFICAS PARA TRAFICOS LRD, SRD Y CBR CON UN NIVEL DE CONFIANZA DEL 99%

TABLA DE TRAFICO LRD PERCENTIL

4,6041

NUMERO DE CORRIDAS NIVEL DE CONFIANZA ONU LOAD AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) PROMEDIO MAXIMO MINIMO JITTER AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) PROMEDIO MAXIMO MINIMO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PROMEDIO MAXIMO MINIMO

5 0,06 0,35 0,36 0,33 0,32 0,36 0,34 0,38 0,30 0,02 242 238 237 235 249 240 251 229 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,11 0,35 0,36 0,33 0,32 0,36 0,34 0,38 0,30 0,02 479 507 460 444 539 486 564 408 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

99% 0,17 0,35 0,36 0,33 0,32 0,36 0,34 0,38 0,31 0,02 753 763 675 673 733 719 808 631 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,23 0,35 0,36 0,33 0,33 0,36 0,35 0,38 0,31 0,02 1.011 1.023 919 922 1.078 991 1.132 849 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,29 0,36 0,36 0,33 0,33 0,37 0,35 0,39 0,31 0,02 1.297 1.236 1.144 1.099 1.275 1.210 1.386 1.035 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,34 0,37 0,37 0,48 0,37 0,37 0,39 0,50 0,29 0,05 1.549 1.577 2.074 1.485 1.559 1.649 2.144 1.154 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,38 0,45 0,50 0,38 0,42 0,45 0,44 0,53 0,35 0,04 2.151 2.444 1.798 2.156 2.152 2.140 2.612 1.668 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,44 0,79 0,89 1,07 0,79 1,08 0,93 1,22 0,63 0,14 4.399 4.928 6.037 4.496 5.976 5.167 6.798 3.537 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,50 7,53 5,19 3,67 3,66 1,72 4,36 8,81 -0,09 2,16 45.609 31.215 23.014 22.326 10.518 26.536 53.232 -159 0% 0% 0% 0% 0% 0% 1% 0%

0,56 11,93 14,94 22,99 8,62 9,04 13,50 25,61 1,40 5,88 80.954 101.480 151.771 58.744 62.741 91.138 169.155 13.121 1% 1% 2% 0% 0% 1% 2% -1%

0,60 73,58 83,35 67,41 82,06 71,85 75,65 89,73 61,57 6,84 525.043 596.535 475.858 583.827 509.585 538.169 642.973 433.366 3% 3% 3% 4% 4% 3% 5% 2%

0,66 129,77 127,48 127,78 122,89 120,81 125,75 133,44 118,05 3,74 933.605 911.616 920.933 880.829 865.278 902.452 961.102 843.802 9% 8% 10% 8% 10% 9% 11% 7%

0,71 141,85 140,82 140,67 138,78 139,36 140,30 142,82 137,78 1,22 1.011.911 1.007.018 1.002.403 991.831 996.119 1.001.856 1.018.503 985.210 16% 17% 17% 14% 14% 15% 18% 13%

0,78 144,60 144,72 144,60 144,70 144,29 144,58 144,93 144,23 0,17 1.030.584 1.030.698 1.031.142 1.031.170 1.028.188 1.030.356 1.032.910 1.027.803 21% 20% 21% 22% 20% 21% 23% 19%

0,83 145,69 145,70 145,52 145,76 145,87 145,71 145,97 145,45 0,13 1.037.585 1.038.015 1.036.645 1.037.989 1.039.006 1.037.848 1.039.603 1.036.094 25% 24% 22% 24% 25% 24% 26% 22%

0,87 146,31 146,31 146,41 146,20 146,29 146,31 146,46 146,15 0,07 1.041.671 1.041.469 1.042.357 1.041.282 1.041.888 1.041.733 1.042.589 1.040.877 27% 27% 29% 27% 28% 28% 29% 26%

0,93 146,60 146,60 146,61 146,58 146,59 146,60 146,62 146,58 0,01 1.043.686 1.043.332 1.043.447 1.043.249 1.043.479 1.043.439 1.043.781 1.043.097 31% 30% 30% 29% 30% 30% 31% 29%

0,94 146,74 146,70 146,80 146,63 146,71 146,72 146,85 146,58 0,06 1.044.270 1.044.086 1.044.379 1.044.246 1.044.382 1.044.273 1.044.522 1.044.023 32% 31% 32% 32% 32% 32% 32% 31%

GRAFICAS PARA EL TRAFICO LRD

PROMEDIO DEL RETARDO

TIEMPO ms 200,00

PROMEDIO

150,00

MAXIMO

100,00

MINIMO

50,00 0,00 -50,000,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

CARGA DE LA ONU

MBYTES

TAMAﾃ前 PROMEDIO DE LA COLA

1,2 1 0,8 0,6

PROMEDIO MAXIMO MINIMO

0,4 0,2 0 -0,20,00

PORCENTAJE

0,20

0,40 0,60 CARGA DE LA ONU

0,80

1,00

PORCENTAJE DE PERDIDA DE PAQUETES

40% 30% 20%

PROMEDIO MAXIMO MINIMO

10% 0% 0,00 -10%

0,20

0,40

0,60

CARGA DE LA ONU

0,80

1,00

TABLA DE TRﾃ：ICO SRD PERCENTIL

4,6041

5 0,050 0,352 0,330 0,346 0,360 0,337 0,345 0,369 0,321 0,012 221 208 217 227 210 217 233 201 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

99% 0,101 0,353 0,331 0,347 0,362 0,338 0,346 0,371 0,322 0,012 446 419 437 457 424 437 469 405 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,151 0,355 0,333 0,349 0,364 0,340 0,348 0,373 0,323 0,012 670 627 657 688 640 656 706 607 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,201 0,360 0,335 0,352 0,367 0,349 0,353 0,378 0,328 0,012 909 844 887 921 877 888 949 826 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,252 0,373 0,343 0,364 0,374 0,366 0,364 0,390 0,338 0,013 1.175 1.082 1.148 1.176 1.151 1.146 1.225 1.068 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,304 0,393 0,375 0,375 0,394 0,393 0,386 0,407 0,365 0,010 1.491 1.414 1.425 1.494 1.478 1.460 1.539 1.382 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,353 0,449 0,394 0,437 0,456 0,405 0,428 0,484 0,372 0,027 1.979 1.736 1.915 2.032 1.780 1.888 2.150 1.627 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,403 0,519 0,485 0,496 0,529 0,490 0,504 0,543 0,464 0,019 2.633 2.444 2.494 2.646 2.467 2.537 2.734 2.340 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,453 0,698 0,660 0,744 0,746 0,556 0,681 0,842 0,520 0,078 3.962 3.692 4.263 4.243 3.157 3.863 4.808 2.918 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,503 0,876 1,094 0,932 0,935 0,965 0,960 1,127 0,793 0,081 5.501 6.894 5.908 5.925 6.104 6.066 7.122 5.011 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,555 3,934 2,790 2,951 3,462 4,323 3,492 4,823 2,161 0,646 27.216 19.293 20.462 24.110 30.134 24.243 33.586 14.900 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,603 109,487 111,815 105,747 115,048 107,365 109,892 117,459 102,326 3,675 795.596 810.914 768.641 834.086 779.737 797.795 850.992 744.598 2% 2% 2% 2% 2% 2% 3% 2%

0,655 143,817 143,772 143,657 143,790 143,865 143,780 143,939 143,621 0,077 1.026.300 1.026.559 1.024.838 1.027.021 1.026.467 1.026.237 1.027.939 1.024.535 10% 10% 9% 10% 10% 10% 10% 9%

0,700 145,119 145,152 145,205 145,228 145,170 145,175 145,263 145,086 0,043 1.034.734 1.035.027 1.035.276 1.035.054 1.034.687 1.034.956 1.035.458 1.034.453 14% 15% 15% 15% 14% 15% 15% 14%

0,756 145,853 145,806 145,830 145,801 145,834 145,825 145,868 145,781 0,021 1.038.987 1.038.967 1.038.799 1.038.715 1.038.845 1.038.863 1.039.099 1.038.626 19% 19% 19% 19% 19% 19% 19% 19%

0,805 146,176 146,226 146,152 146,212 146,216 146,196 146,261 146,132 0,031 1.041.103 1.041.240 1.041.148 1.041.216 1.041.147 1.041.171 1.041.286 1.041.056 23% 23% 23% 23% 23% 23% 23% 23%

0,853 146,447 146,458 146,443 146,449 146,457 146,451 146,465 146,437 0,007 1.042.574 1.042.643 1.042.617 1.042.757 1.042.665 1.042.651 1.042.791 1.042.511 26% 26% 26% 26% 26% 26% 26% 26%

0,904 146,634 146,616 146,620 146,569 146,581 146,604 146,661 146,547 0,028 1.043.712 1.043.665 1.043.742 1.043.699 1.043.659 1.043.695 1.043.766 1.043.625 29% 29% 29% 29% 29% 29% 30% 29%

GRAFICAS PARA EL TRAFICO SRD

PROMEDIO DEL RETARDO

TIEMPO ms 1.000,000

PROMEDIO MAXIMO

100,000

MINIMO

10,000 1,000 0,100 0,000

MBYTES

0,200

0,400 0,600 CARGA DE LA ONU

0,800

1,000

TAMAﾃ前 PROMEDIO DE LA COLA

1 PROMEDIO

1 1

MAXIMO MINIMO

1 0 0 0 0,000 0

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

CARGA DE LA ONU

PORCENTAJE 40%

PORCENTAJE DE PERDIDA DE PAQUETES PROMEDIO

30%

MAXIMO

20%

MINIMO

10% 0% -10%0,000

0,200

0,400

0,600

CARGA DE LA ONU

0,800

1,000

TABLA DE TRAFICO CBR PERCENTIL

4,6041

NUMERO DE CORRIDAS

NIVEL DE CONFIANZA ONU LOAD AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) AVG DLY (ms) PROMEDIO MAXIMO

0,05 0,32 0,32 0,34 0,35 0,35 0,34 0,37

99% 0,10 0,32 0,32 0,34 0,35 0,36 0,34 0,37

0,25 0,33 0,32 0,35 0,36 0,36 0,34 0,37

0,30 0,33 0,33 0,35 0,36 0,36 0,34 0,38

0,35 0,34 0,33 0,35 0,36 0,36 0,35 0,38

0,40 0,35 0,33 0,36 0,37 0,37 0,36 0,39

0,45 0,37 0,35 0,38 0,39 0,39 0,37 0,41

0,50 0,41 0,40 0,42 0,42 0,44 0,42 0,45

0,55 0,65 0,58 0,56 0,66 0,59 0,61 0,70

0,60 96,66 97,09 97,51 97,38 96,62 97,05 97,89

0,65 145,32 145,41 145,36 145,48 145,44 145,40 145,53

0,70 145,83 145,81 145,88 145,94 145,91 145,88 145,98

0,75 146,23 146,22 146,16 146,24 146,21 146,21 146,28

0,80 146,40 146,41 146,40 146,48 146,41 146,42 146,49

0,85 146,55 146,58 146,59 146,57 146,55 146,57 146,61

0,90 146,67 146,66 146,72 146,68 146,62 146,67 146,75

MINIMO JITTER AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) AVG QUEUE (bytes) PROMEDIO MAXIMO MINIMO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PACKET LOSS RATIO PROMEDIO MAXIMO MINIMO

0,30 0,02 202 199 215 220 222 212 233 190 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,30 0,31 0,31 0,31 0,02 0,02 0,02 0,02 405 610 819 1.035 399 602 803 1.009 430 647 866 1.082 441 663 885 1.113 446 669 894 1.120 424 638 853 1.072 468 701 936 1.171 381 575 770 972 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,31 0,01 1.252 1.222 1.309 1.339 1.349 1.294 1.408 1.180 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,32 0,01 1.493 1.449 1.546 1.583 1.588 1.532 1.655 1.408 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,32 0,02 1.736 1.668 1.797 1.834 1.860 1.779 1.939 1.619 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,34 0,02 2.071 1.956 2.123 2.173 2.185 2.102 2.293 1.910 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,39 0,01 2.583 2.528 2.610 2.649 2.754 2.625 2.799 2.451 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

0,52 0,05 4.487 3.995 3.830 4.547 4.082 4.188 4.835 3.541 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%

96,22 0,41 705.113 708.326 710.251 710.007 704.839 707.707 713.066 702.348 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1%

145,27 0,06 1.036.614 1.036.974 1.037.443 1.037.671 1.037.450 1.037.231 1.038.112 1.036.349 9% 9% 9% 9% 9% 9% 9% 9%

145,77 0,05 1.039.565 1.039.603 1.039.813 1.040.205 1.040.185 1.039.874 1.040.508 1.039.241 14% 14% 14% 14% 14% 14% 14% 14%

146,14 0,03 1.041.642 1.041.568 1.041.173 1.041.655 1.041.598 1.041.527 1.041.941 1.041.113 18% 18% 18% 18% 18% 18% 18% 18%

146,35 0,03 1.042.733 1.042.905 1.042.452 1.042.891 1.042.455 1.042.687 1.043.148 1.042.227 22% 22% 22% 22% 22% 22% 22% 22%

146,53 0,02 1.043.319 1.043.556 1.043.430 1.043.563 1.043.413 1.043.456 1.043.669 1.043.244 26% 26% 26% 26% 26% 26% 26% 26%

146,60 0,04 1.044.130 1.044.136 1.044.186 1.044.132 1.044.046 1.044.126 1.044.230 1.044.022 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29% 29%

0,15 0,32 0,32 0,34 0,35 0,36 0,34 0,37

0,20 0,33 0,32 0,35 0,35 0,36 0,34 0,37

GRAFICAS PARA EL TRAFICO CBR TIEMPO ms 1.000,00

PROMEDIO DEL RETARDO PROMEDIO

100,00

MAXIMO MINIMO

10,00 1,00 0,10 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

CARGA DE LA ONU

MBYTES

TAMAﾃ前 PROMEDIO DE LA COLA

1 1 1 1

PROMEDIO MAXIMO MINIMO

0 0 0 00,00

PORCENTAJE 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% -5%0,00

0,20

0,40 0,60 CARGA DE LA ONU

0,80

1,00

PORCENTAJE DE PERDIDA DE PAQUETES PROMEDIO MAXIMO MINIMO

0,20

0,40 0,60 CARGA DE LA ONU

0,80

1,00

ANEXO 2 TABLA DE DATOS CON LOS RESULTADOS DE LA SIMULACION PARA LOS TRAFICOS LRD, SRD Y CBR

TABLA DE DATOS DE LA SIMULACION 0,1 0

0,1 5

0,2 0

0,3 4 0,3 5 0,3 4

0,3 5 0,3 5 0,3 4

0,0 2 0,0 1 0,0 2

24 0 21 7 21 2

48 6 43 7 42 4

71 9 65 6 63 8

PACKET LOSS RATE LRD SRD

0% 0%

CBR

ONU LOAD DELAY [MS] LRD SRD CBR

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,66

0,70

0,76

0,80

0,85

0,90

0,35

0,39

0,44

0,93

4,36 13,50

75,65

0,36

0,39

0,43

0,50

0,68

0,96

3,49

125,7 5 109,8 9

140,30

144,58

145,71

146,31

146,60

146,72

143,78

145,17

145,82

146,20

146,45

146,60

0,34

0,35

0,36

0,37

0,42

0,61

97,05

145,40

145,88

146,21

146,42

146,57

146,67

0,02

0,05

0,04

0,14

2,16

5,88

6,84

3,74

1,22

0,17

0,13

0,07

0,01

0,06

0,01

0,03

0,02

0,08

0,65

3,67

0,08

0,04

0,02

0,03

0,01

0,03

0,02

0,01

0,02

0,01

0,05

0,41

0,06

0,05

0,03

0,02

0,04

99 1 88 8 85 3

1.21 0 1.14 6 1.07 2

1.64 9 1.46 0 1.29 4

2.14 0 1.88 8 1.53 2

5.16 26.53 91.13 7 6 8 2.53 7 3.863 6.066 1.77 9 2.102 2.625

538.1 69 24.24 3 4.188

902.4 52 797.7 95 707.7 07

1.001.8 56 1.026.2 37 1.037.2 31

1.030.3 56 1.034.9 56 1.039.8 74

1.037.8 48 1.038.8 63 1.041.5 27

1.041.7 33 1.041.1 71 1.042.6 87

1.043.4 39 1.042.6 51 1.043.4 56

1.044.2 73 1.043.6 95 1.044.1 26

0% 0%

1% 0%

3% 0%

9% 2%

15% 10%

21% 15%

24% 19%

28% 23%

30% 26%

32% 29%

14%

18%

22%

26%

29%

JITTER [MS] LRD SRD CBR

TAMAﾃ前 PROMEDIO DE COLA [MBYTES] LRD SRD CBR