Bảo mật dữ liệu truyền trong mạng quang thụ động

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A-DBA Adaptive Dynamic Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông thích ứng dữ liệu APON ATM Passive Optical Network ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không

-X—W -

BẢO MẬT DỮ LIỆU TRUYỀN

TRONG MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG

Hµ Néi - 2009

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ng−êi h−íng dÉnKHOA HỌC: PGS.TS Ph¹m minh hµ

LÊ THỊ THÚY HẰNG

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 6

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG VÀ CÔNG NGHỆ ETHERNET 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.2 Cấu trúc mạng quang thụ động 11

1.3 Các thành phần của mạng quang thụ động 13

1.3.1 Bộ tách/ghép quang 13

1.3.2 Các đầu cuối mạng PON 15

1.4 Mô hình PON 15

1.5 Phân loại PON: WDM và TDM PON 17

1.5.1 Phương pháp phân chia theo bước sóng (WDM PON) 17

1.5.2 Phương pháp phân chia theo thời gian (TDM PON) 17

1.6 Công nghệ Ethernet 20

1.6.1 Tổng quan về Ethernet 20

1.6.2 Các phần tử của mạng Ethernet 20

1.6.3 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet 21

1.6.4 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu OSI 22

1.6.5 Lớp con MAC Ethernet 25

1.6.6 Lớp vật lý Ethernet 28

1.6.7 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu ISO 29

CHƯƠNG 2 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET (EPON) 31

2.1 Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet 31

2.2 Nguyên lý hoạt động 32

2.2.1 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multi Point Control

Protocol) 34

2.2.2 Sự tương thích của EPON với kiến trúc 802 38

2.3 Phân phối băng thông trong EPON 44

2.3.1 Mô hình truy cập 44

2.4 Cấp phát băng thông cố định 53

2.5 Cấp phát băng thông cân đối 53

2.6 Sự cấp phát băng thông theo quyền ưu tiên 54

2.7 SLA aware p-DBA 55

2.8 SLA aware Adaptive DBA 57

2.9 Những bước phát triển tiếp theo 59

CHƯƠNG 3 CƠ BẢN VỀ BẢO MẬT VÀ MÃ HÓA 60

3.1 Các nguyên lý cơ bản của quá trình bảo mật và mã hóa 60

3.2 Khái niệm về chìa khoá 61

3.3 Thuật toán mã hóa 62

3.4 Một số thuật toán nổi tiếng 65

3.5 Hàm hash 68

3.6 Thuật toán mã hóa tiên tiến AES 69

3.6.1 Giới thiệu 69

3.6.2 Mô tả thuật toán 69

3.6.3 AddRoundKey 70

3.6.4 SubBytes 71

3.6.5 ShiftRows 71

3.6.6 MixColumns 72

3.6.7 Tối ưu hóa 72

3.6.8 Bảo mật 73

3.7 Bảo mật điều khiển truy nhập MACSec 74

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN BẢO MẬT MAC TRONG

EPON 81

4.1 Khái niệm bảo mật trong EPON 82

4.2 MACsec và EPON 84

4.3 Thiết kế bảo mật MAC 86

4.3.1 Module MACsec bên phát 89

4.3.2 Module MACsec phía nhận 90

4.3.3 Lõi GCM-AES 128 bit 92

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

TÓM TẮT LUẬN VĂN 96

ABSTRACT 97

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc mạng quang thụ động PON 12

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản các loại Couper 13

Hình 1.3: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều Coupler 14

Hình 1.4: Các mô hình mạng PON 16

Hình 1.5: Mạng PON sử dụng một sợi quang 18

Hình 1.7: Mô hình kết nối bus 22

Hình 1.8: Mô hình kết nối sao 22

Hình 1.9: Quan hệ vật lý của Ethernet với mô hình tham chiếu OSI 23

Hình 1.10: Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền thông dữ liệu cơ sở 24

Hình 1.11: Khuôn dạng truyền dữ liệu song công 28

Hình 1.12: Mô hình tham chiếu lớp vật lý Ethernet 30

Hình 2.1: Lưu lượng hướng xuống trong EPON 32

Hình 2.2: Lưu lượng hướng lên trong EPON 33

Hình 2.3: Thời gian round-trip 35

Hình 2.4 : Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate 36

Hình 2.5: Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report 38

Hình 2.6: Trường LinkID được nhúng trong mào đầu 39

Hình 2.7: Mô hình điểm-điểm 41

Hình 2.8: Cầu giữa các ONU trong mô hình điểm-điểm 42

Hình 2.9: Mô hình chia sẻ phương tiện 43

Hình 2.10: Mô hình mạng truy cập EPON 45

Hình 2.11: Sự phân phát lưu lượng trong EPON 46

Hình 2.12: Các bước của thuật toán Interleaved Polling 48

Hình 2.13 : Các thành phần của trễ gói 52

Hình 3.1: Thuật toán mã hóa đối xứng 63

Hình 3.2: Thuật toán mã hóa bất đối xứng 64

Hình 3.3: 16 bước trong quá trình mã hóa bằng DES 67

Hình 3.4:Tạo khóa sử dụng phép toán XOR 71

Hình 3.5:Quá trình thay thế Byte 71

Hình 3.6: Bước dịch hàng 72

Hình 3.7: Quá trình biến đổi tuyến tính trên cột 72

Hình 3.8: Vị trí của LinkSec trong mô hình mạng 7 lớp 75

Hình 3.9: Kết nối an toàn giữa các thiết bị A, B và C 75

Hình 3.10: Các kênh giữa các thiết bị A, B và C 76

Hình 3.11: Định dạng khung MACsec 77

Hình 3.12: MACsec 78

Hình 3.13: Sự hoạt động của MACsec 79

Hình 4.1: Truyền dẫn theo hướng lên và xuống trong EPON 82

Hình 4.2: Mối quan hệ giữa MACsec và KEYsec 84

Hình 4.3: MACsec với EPON 85

Hình 4.4: Kiến trúc logic và kênh truyền thông của MACsec 87

Hình 4.5: Định dạng khung MACsec 88

Hình 4.6: MACsec phía phát và quá trình xử lý khung 89

Hình 4.7: Bộ thu MACsec và quá trình xử lý khung 91

LỜI MỞ ĐẦU

Trong mạng viễn thụng ngày nay, mạng quang cú thể sử dụng cỏc thiết

bị chủ động hoặc cỏc thiết bị thụ động Cỏc thiết bị này cú thể là cỏc thiết bị nằm tại tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ, cỏc thiết bị đầu cuối của khỏch hàng cũng như cỏc trạm lặp, cỏc thiết bị chuyển tiếp và một số cỏc thiết bị khỏc trờn đường truyền Việc thay thế cỏc thiết bị chủ động bởi cỏc thiết bị thụ động sẽ tiết kiệm chi phớ cho cỏc nhà cung cấp dịch vụ vỡ họ khụng cũn cần đến năng lượng và cỏc thiết bị chủ động trờn đường truyền nữa

EPON là mạng quang thụ động trong mụi trường Ethernet dựa trờn mạng mụi trường chia sẻ và cấu hỡnh cõy quang kiểu điểm-đa điểm Cỏc khung truyền tới bất cứ ONU nào đều là truyền quảng bỏ đồng thời tới tất cả cỏc ONU Trong EPON, việc bảo mật dữ liệu là rất quan trọng, bảo vệ sự riờng tư của người dựng và tớnh bảo mật của người dựng MACsec là một phương phỏp bảo mật đường truyền tuõn theo tiờu chuẩn IEEE802.1AE và cỏc tiờu chuẩn dưới nú MACsec cung cấp sự bảo mật dữ liệu người dựng, kiểm tra sự toàn vẹn dữ liệu khung và xỏc thực gốc dữ liệu Vỡ thế nú cung cấp khả năng bảo mật như chống tấn cụng DoS và trễ, Những phương phỏp bảo mật này được cung cấp bởi cơ chế mó húa GCM-AES 128 bit

Bố cục của luận văn như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng quang thụ động và cụng nghệ Ethernet, Chương 2 trỡnh bày về mạng quang truy nhập thụ động EPON, Chương 3 trỡnh bày về bảo mật và mó húa, Chương 4 là kết quả thực hiện bảo mật trong EPON

Trong thời gian thực hiện nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ và sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phạm Minh Hà Tuy nhiờn, do thời gian cú hạn, luận văn khú

tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để luận văn hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A-DBA Adaptive Dynamic Bandwidth

Allocation

Cấp phát băng thông thích ứng

dữ liệu APON ATM Passive Optical Network

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ BPON Broadband Passive Optical

Network

CA Secure Connectivity Association Sự kết hợp kết nối bảo mật

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detect

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột

DCE Data Communication Equipment Thiết bị giao dịch dữ liệu DTE Data Terminal Equipment Thiết bị dữ liệu đầu cuối

EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet

FSAN Full Service Access Network Mạng truy cập dịch vụ đầy đủ

GPON Gigabit Passive Optical Network

ICV Integrity Check Value Giá trị kiểm tra tính toàn vẹn IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Hiệp hội các kỹ sư điện và điện

tử thế giới

ISDN Integrated Services Digital

ITU International Telecommunication Liên hiệp viễn thông quốc tế

phương tiện

MDI Medium Depentdent Interface Giao diện phụ thuộc phương

tiện MII Medium Indepentdent Interface Giao diện độc lập phương tiện MPCP Multi Point Control Protocol Giao thức điều khiển đa điểm MPDU MACsec Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức

MACsec

MTBF Mean Time Between Failures Khoảng thời gian trung bình

giữa những lần sai hỏng

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

PDH Plesiochoronous Digital Hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ PMA Physical Medium Attachment Lớp con thuộc lớp vật lý

POTS Plain Old Telephony System Hệ thống điện thoại kiểu cũ

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SCI Secure Channel Identifier Bộ định danh kênh bảo mật SDH Synchoronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SDM Space Division Multiplexing Ghép/tách kênh theo không gian

SFD Start of Frame Delimiter Byte xác định sự bắt đầu khung SLA-DBA Service Level Agreement Dynamic

SONET Synchoronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép/phân kênh theo bước sóng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG VÀ

CÔNG NGHỆ ETHERNET 1.1 Giới thiệu chung

Hầu hết các mạng viễn thông ngày nay đều dựa trên các thiết bị chủ động Các thiết bị này có thể là các thiết bị nằm tại tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ, các thiết bị đầu cuối của khách hàng cũng như các trạm lặp, các thiết

bị chuyển tiếp và một số các thiết bị khác trên đường truyền Với các thiết bị chủ động này người ta thường phải cung cấp nguồn cho một số thành phần, thường là bộ xử lý, các chíp nhớ, …

Với mạng mạng quang thụ động, tất cả các thành phần tích cực giữa tổng đài CO (Central Office) và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, để điều hướng lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lượng của các bước sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đường truyền Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ không còn cần đến năng lượng và các thiết bị chủ động trên đường truyền nữa Các bộ ghép/tách thụ động chỉ làm các công việc đơn thuần như cho đi qua hoặc chặn ánh sáng lại… Các thiết bị này không cần năng lượng hay các động tác xử lý tín hiệu nào, do đó gần như kéo dài vô hạn thời gian trung bình giữa những lần sai hỏng MTBF, giảm chi phí bảo trì tổng thể cho các nhà cung cấp dịch vụ

1.2 Cấu trúc mạng quang thụ động

Một hệ thống mạng PON bao gồm các thiết bị kết cuối kênh quang OLT đặt tại nhà cung cấp dịch vụ CO và bộ các thiết bị kết cuối mạng quang ONU/ONT được đặt tại vị trí người sử dụng Giữa OLT và ONU là hệ thống phân phối mạng quang ODN bao gồm cáp quang, các thiết bị ghép/tách thụ

động (splitter) Hoạt động của mạng PON được điều khiển bởi giao thức truy nhập theo địa chỉ MAC (lớp 2)

Hình 1.1: Cấu trúc mạng quang thụ động PON

Ưu điểm của mạng quang thụ động PON:

• Mạng quang thụ động sử dụng các thiết bị splitter không cần cấp nguồn, có giá thành rẻ và có thể đặt ở bất kì đâu, không phụ thuộc và các điều kiện môi trường, không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết bị giữa phòng máy trung tâm và phía người dùng Ngoài ra,

ưu điểm này còn giúp các nhà khai thác giảm được chi phí bảo dưỡng, vận hành

• Kiến trúc PON cho phép giảm chi phí cáp sợi quang và giảm chi phí cho thiết bị tại CO do nó cho phép nhiều người dùng (thường là 32) chia sẻ chung một sợi quang

a)

c) b)

O2 O2

O3

1.3 Các thành phần của mạng quang thụ động

1.3.1 Bộ tách/ghép quang

Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại Thiết bị này là Coupler quang Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số

Hình 1.2: Cấu hình cơ bản các loại Couper

Hình 1.2a có chức năng tách tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler

Y Hình 1.2b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra Hình 1.2c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2 Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2

Hình 1.3: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều Coupler

Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau:

• Tổn hao tách (Splitting loss): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler

so với năng lượng đầu vào (dB) Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB Hình 1.3 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn Trong mô hình này mỗi đầu

ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào

• Tổn hao chèn (Insertion loss): Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB

• Độ định hướng (Directivity): Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một Combiner (bộ kết hợp) Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo có tính không đối xứng cao (với tỷ số tách là 5/95 hoặc 10/90) Các Coupler loại này được

sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”

1.3.2 Các đầu cuối mạng PON

• Thiết bị đường truyền quang OLT (Optical Line Terminal): OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động EPON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS (Element Management System)

• Thiết bị kết cuối mạng quang ONU (Optical Network Unit): ONU cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng PON Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng như Ethernet, POST,T1,

• Hệ thống quản lý EMS (Element Management System): EMS quản

lý các phần tử khác nhau của mạng PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ EMS có chức năng quản lý

về cấu hình, đặc tính và bảo mật

1.4 Mô hình PON

Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô hình cây, vòng hoặc bus Mạng quang thụ động PON có thể triển khai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng một tap coupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N

Hình 1.4: Các mô hình mạng PON

Ngoài những mô hình trên, PON có thể triển khai trong cấu hình dự phòng như là vòng đôi hoặc cây đôi hay cũng có thể là một phần của mạng PON được gọi là trung kế cây

Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU OLT ở tại tổng đài, kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM hay SONET) ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH (Fiber To The Home), FTTB (Fiber To The Building) hoặc ở tại vỉa hè, lề đường trong giải pháp FTTC (Fiber To The Curb) và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng

Tuỳ theo điểm cuối của tuyến cáp quang xuất phát từ tổng đài mà các mạng truy nhập thuê bao quang có tên gọi khác nhau như sợi quang đến tận nhà FTTH, sợi quang đến khu dân cư FTTC

1.5 Phân loại PON: WDM và TDM PON

Ở hướng xuống (từ OLT đến ONU), mạng PON là mạng điểm-đa điểm OLT chiếm toàn bộ băng thông hướng xuống Trong hướng lên, mạng PON là mạng đa điểm-điểm: nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không được nhận biết bởi các ONU khác Tuy nhiên các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng có thể bị xung đột

Vì vậy trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh

để tránh xung đột dữ liệu và chia sẻ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế

1.5.1 Phương pháp phân chia theo bước sóng (WDM PON)

Một phương pháp chia sẻ kênh ở hướng lên của ONU là sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với phương pháp này, mỗi ONU sẽ hoạt động ở một bước sóng khác nhau Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng laser của nó Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền Mặc khác, nếu một bước sóng

bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON Việc sử dụng laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay

1.5.2 Phương pháp phân chia theo thời gian (TDM PON)

Một giải pháp khác dựa trên công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian TDM là TDM PON Trong TDM PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp Để ngăn chặn xung đột dữ liệu,

mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cả các ONU có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cỡ khe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON

Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải là Peer to Peer; vì vậy điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên và xuống Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian (SDM) mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa

và bảo quản, một sợi quang có thể được sử dụng cho truyền theo hai hướng Trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là: hướng lên λ1=1310nm, hướng xuống λ2=1550nm Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU

Hình 1.5: Mạng PON sử dụng một sợi quang

Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc chia sẽ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư

Một số công nghệ mạng quang thụ động dựa trên phương pháp phân chia theo thời gian: APON/BPON, EPON, GPON, … Sự khác nhau đáng kể giữa các loại công nghệ này là ở tốc độ hỗ trợ và kiểu xử lý gói tin BPON hỗ trợ tốc độ 622 Mbps và dựa trên giao thức ATM EPON hỗ trợ tốc độ đối xứng 1Gbps và dựa trên giao thức Ethernet và IP GPON hỗ trợ tốc độ bất đối xứng, tốc độ đường xuống là 2,5 Gbps và đường lên 1,25 Gbps và hỗ trợ giao thức ATM, GEM và Ethernet

APON (ATM PON): Đây là chuẩn mạng PON đầu tiên Nó chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng kinh doanh và dựa trên ATM

BPON (Broadband PON): là một chuẩn dựa trên APON Nó hỗ trợ thêm công nghệ WDM, băng thông dành cho đường uplink là động và cao hơn Nó cũng cung cấp một giao diện quản lý chuẩn OMCI giữa OLT và ONU/ONT cho phép nhiều nhà cung cấp dịch vụ cùng hoạt động

GPON (Gigabit PON): GPON là giao thức FSAN TDMA PON thứ 2 được định nghĩa trong chuỗi khuyến nghị G.984 của ITU-T GPON là sự nâng cấp của chuẩn BPON, nó hỗ trợ tốc độ cao hơn, bảo mật được tăng cường và sự đa dạng trong việc lựa chọn giao thức lớp 2: ATM, GEM, Ethernet

EPON (Ethernet PON): được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3, sử dụng Ethernet trong việc truyền dữ liệu EPON sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau

1.6 Công nghệ Ethernet

1.6.1 Tổng quan về Ethernet

Thuật ngữ Ethernet được quy vào họ sản phẩm của mạng LAN thuộc chuẩn 802.3 và được định nghĩa như là một giao thức CSMA/CD (Carrier Sence Multiple Access/Collision Detect) Hiện tại có 4 tốc độ dữ liệu được định nghĩa cho hoạt động trên cáp sợi quang:

• Dễ hiểu, dễ thực hiện, dễ quản lý và bảo dưỡng

• Cho phép triển khai mạng với chi phí thấp

• Cung cấp nhiều mô hình linh hoạt cho việc cài đặt mạng

• Bảo đảm kết nối thành công và hoạt động theo tiêu chuẩn của sản phẩm, không phụ thuộc vào nhà sản xuất

• DCE (Data Communication Equipment): là các thiết bị mạng trung gian có nhiệm vụ nhận và chuyển tiếp các khung dữ liệu thông qua mạng DCE có thể là các thiết bị Standalone như là bộ lặp, bộ

chuyển mạch hay các thiết bị giao tiếp truyền thông như là Card giao tiếp

Các thiết bị mạng trung gian độc lập được xem như là một node trung gian hoặc DCE Card giao tiếp mạng được xem như là một NIC (Network Interface Card)

1.6.3 Kiến trúc mô hình mạng Ethernet

Mạng LAN có nhiều mô hình kiến trúc khác nhau, nhưng không phụ thuộc độ phức tạp và kích cỡ của nó, tất cả đều kết hợp từ ba kiến trúc kết nối

cơ bản: kết nối điểm-điểm, kết nối bus và kết nối hình sao

Kiến trúc đơn giản nhất là kết nối điểm-điểm (hình 1.6) Chỉ 2 đơn vị mạng được kết nối với nhau và kết nối này có thể là DTE với DTE, DTE với DCE, DCE với DCE Dây cáp trong kết nối điểm điểm được gọi là network link Chiều dài cho phép lớn nhất của cáp phụ thuộc vào kiểu cáp và phương thức truyền được sử dụng

Hình 1.6: Mô hình kết nối điểm-điểm

Mạng Ethernet cơ sở được thực hiện với kiến trúc bus cáp đồng trục (hình 1.7) Chiều dài của Segment (đoạn) được giới hạn ở 500m và có thể kết nối 100 trạm vào một Segment Từng Segment có thể kết nối với các trạm lặp, miễn là nhiều đường không tồn tại giữa hai trạm bất kỳ trên mạng và số lượng DTE không vượt quá giá trị qui định

Hình 1.7: Mô hình kết nối bus

Mặc dù những mạng mới không được kết nối trong cấu hình bus nhưng một vài mạng bus cũ vẫn tồn tại và vẫn được sử dụng hữu ích

Từ đầu thập niên 90, cấu hình mạng được lựa chọn là mô hình kết nối sao (hình 1.8) Đơn vị mạng trung tâm là bộ lặp đa cổng (còn gọi là Hub) hoặc là một chuyển mạch mạng Tất cả kết nối trong mạng sao là kết nối điểm

điểm được thực hiện với cáp sợi quang

Hình 1.8: Mô hình kết nối sao

1.6.4 Quan hệ vật lý giữa IEEE802.3 và mô hình tham chiếu OSI

Hình 1.9: Quan hệ vật lý của Ethernet với mô hình tham chiếu OSI

Hình 1.9 mô tả các lớp vật lý của IEEE802.3 và quan hệ của nó với mô hình tham chiếu OSI Với giao thức IEEE802, lớp liên kết dữ liệu trong OSI được chia thành hai lớp con IEEE802: lớp con MAC (Media Access Control)

và lớp con MAC-Client Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI

Lớp con MAC-Client có thể là một trong các lớp con sau:

• Là lớp con LLC (Logical Link Control) nếu đầu cuối là một DTE Lớp con này cung cấp giao tiếp giữa Ethernet MAC và lớp trên trong ngăn giao thức của trạm đầu cuối Lớp con LLC được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.2

• Là thực thể cầu nối (Bridge Entity) nếu đầu cuối là DCE Thực tế cầu nối cung cấp giao tiếp LAN to LAN giữa các mạng LAN sử dụng cùng giao thức (ví dụ Ethernet to Ethernet) và cũng cung cấp giữa các giao thức khác nhau (ví dụ Ethernet với Token Ring) Thực thể cầu nối được định trong chuẩn IEEE802.1

Bởi vì đặc điểm kỹ thuật của LLC và thực thể cầu nối là chung cho tất

cả các giao thức LAN IEEE802, tính tương thích của mạng là cơ sở của các giao thức mạng đặc biệt Hình 1.10 minh hoạ các yêu cầu tương thích khác nhau được lợi dụng bởi lớp vật lý và lớp MAC trong truyền thông dữ liệu cơ

sở trên kết nối Ethernet

Hình 1.10: Lớp vật lý và lớp MAC tương thích với các yêu cầu cho truyền thông

dữ liệu cơ sở

Lớp MAC điều khiển sự truy nhập của một node đến phương tiện truyền thông của mạng và đặc biệt là đến các giao thức riêng biệt Tất cả lớp MAC phải có sự thiết lập cơ bản về các yêu cầu vật lý, bất chấp liệu có phải chúng bao gồm một hay nhiều giao thức mở rộng được lựa chọn định nghĩa Chỉ những nhu cầu cho truyền thông cơ sở (truyền thông không có nhu cầu lựa chọn giao thức mở rộng) giữa hai node mạng thì cả hai lớp MAC phải hỗ trợ cùng tốc độ truyền

Lớp vật lý 802.3 quy định rõ tốc độ truyền dữ liệu, kiểu mã hoá tín hiệu

và kiểu kết nối phương tiện giữa hai node Ví dụ, Gigabit Ethernet định nghĩa hoạt động trên cáp xoắn đôi hoặc cáp sợi quang, nhưng tuỳ theo mỗi kiểu mã

hoá tín hiệu hoặc từng kiểu cáp riêng biệt mà yêu cầu một sợi thi hành lớp vật

lý khác nhau

1.6.5 Lớp con MAC Ethernet

Lớp con MAC có hai chức năng chính:

• Đóng gói dữ liệu kể cả đóng khung trước khi truyền, phân tích và dò lỗi trong suốt và sau khi nhận khung

• Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo một sự truyền khung và phục hồi lại sự truyền bị hỏng

a) Dạng khung cơ bản của Ethernet

Chuẩn 802.3 định nghĩa dạng khung dữ liệu cơ bản được yêu cầu cho tất cả sự thi hành của MAC, cộng thêm một vài khuôn dạng để chọn bổ sung

mà được sử dụng để mở rộng giao thức Dạng khung dữ liệu cơ sở gồm có 7 trường:

• PRE (Preamble): gồm có 7 byte PRE là các mức logic 0 và 1 xen kẽ nhau để báo cho trạm nhận khung dữ liệu đang đến và cung cấp phương tiện để đồng bộ mức thu nhận khung của lớp vật lý bên nhận với luồng bit đến

• DA (Destination Address): trường DA xác định trạm sẽ nhận khung Một bit ngoài cùng bên trái chỉ định có phải là địa chỉ của một địa chỉ cá nhân (chỉ định bởi 0) hoặc của một nhóm địa chỉ (chỉ định bởi 1) Bit thứ hai kể từ bên trái chỉ định có phải DA được quản lý toàn cục (mức 0) hoặc được quản lý nội bộ (mức 1), 46 bit còn lại là một nhóm các trạm hoặc tất cả các trạm trên mạng

• SA (Source Address): có độ dài 6 byte Trường SA xác định trạm nguồn (trạm gửi) Trường SA luôn là địa chỉ duy nhất và bit đầu tiên bên trái luôn ở mức 0

• Length/Type: có độ dài 4byte Trường này chỉ định số byte dữ liệu của lớp con MAC-Client mà được chứa trong trường dữ liệu của khung hoặc kiểu ID khung nếu khung được tập hợp sử dụng một dạng khung lựa chọn Nếu giá trị của trường Length/Type ít hơn hoặc bằng 1500, số byte của LLC trong trường dữ liệu bằng giá trị của trường Length/Type Nếu lớn hơn 1536, khung này là một kiểu khung lựa chọn và giá trị của trường Length/Type chỉ định kiểu của khung sẽ được gửi và nhận

• Data: Là sự nối tiếp của n byte giá trị bất kỳ với n ≤ 1500 Nếu chiều dài của trường dữ liệu nhỏ hơn 46, trường dữ liệu phải được

mở rộng bằng cách thêm một bộ lọc thích hợp để mang trường dữ liệu dài 46 byte

• FCS (Frame Check Sequence): 4 byte Trường này chứa một giá trị

32 bit kiểm tra độ dư vòng được tạo bởi lớp MAC bên gửi và được tính toán lại ở lớp MAC bên nhận để kiểm tra độ hư hại của khung FCS được phát trên các trường DA, SA, Length/Type và Data

b) Sự truyền khung dữ liệu

Bất cứ lúc nào, một trạm MAC đầu cuối nhận một yêu cầu truyền khung kèm theo địa chỉ và thông tin dữ liệu từ lớp con LLC, lớp MAC bắt đầu truyền một cách tuần tự bằng cách truyền thông tin LLC vào bộ đệm khung lớp MAC

• Việc định ranh giới mào đầu khung được chèn vào trường PRE và SOF

• Địa chỉ nguồn và đích được chèn vào trường địa chỉ

• Số byte dữ liệu LLC được tính và chèn vào trường Length/Type

• Số byte dữ liệu LLC được chèn vào trường dữ liệu Nếu lượng byte

dữ liệu LLC nhỏ hơn 46 thì phải đệm thêm để trường dữ liệu dài 46byte

• Một giá trị FCS được phát trên trường DA, SA, Length/Type, data và được gán vào phần sau của trường dữ liệu

Sau khi khung được tập hợp, quá trình phát khung phụ thuộc vào lớp MAC hoạt động ở chế độ đơn công hay song công

Chuẩn IEEE 802.3 hiện tại yêu cầu tất cả các lớp MAC Ethernet hỗ trợ hoạt động ở chế độ đơn công, trong chế độ này lớp MAC có thể truyền và nhận khung nhưng không thể thực hiện cả hai Ở chế độ hoạt động song công cho phép lớp MAC có thể đồng thời truyền và nhận khung

Truyền đơn công phương thức truy nhập CSMA/CD

Giao thức CSMA/CD được bắt đầu phát triển như là một phương thức

để hai hoặc nhiều trạm có thể chia sẻ chung một phương tiện trong một môi trường không chuyển mạch khi giao thức không yêu cầu xử lý tập trung, truy nhập Token hoặc ấn định khe thời gian để cho biết khi nào một trạm sẽ được phép truyền Mỗi Ethernet MAC tự quyết định khi nó sẽ được phép khung dữ liệu

• Có cảm nhận sóng mang (Carrier sense): mỗi trạm liên tục lắng nghe lưu lượng trên cáp để xác định khi nào khoảng trống giữa các khung truyền xảy ra

• Đa truy nhập (Multiple Access): các trạm có thể bắt đầu truyền bất

cứ lúc nào nó dò thấy mạng rỗi

• Phát hiện đụng độ (Collision detect): nếu hai hoặc nhiều trạm trong cùng mạng CSMA/CD bắt đầu truyền cùng một lúc, thì các luồng bit này sẽ bị xung đột trước khi nó hoàn thành việc gửi dữ liệu Nó

phải ngưng truyền ngay khi phát hiện xung đột và phải đợi đến một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi sẽ thử truyền lại

Truyền song công-một cách tiếp cận để hiệu quả mạng cao hơn

Sự hoạt động song công là một khả năng lựa chọn MAC cho phép truyền đồng thời theo hai hướng thông qua kết nối điểm-điểm Truyền song công về mặt chức năng là đơn giản hơn truyền đơn công bởi vì nó không tranh chấp phương tiện truyền thông, không xung đột, không phải truyền lại

và không cần bit mở rộng trong các khung ngắn Kết quả là không những chỉ

có nhiều thời gian cho việc truyền tải dữ liệu mà còn gấp đôi hiệu quả băng thông vì mỗi đường có thể hổ trợ tốc độ cao nhất và truyền đồng thời theo hai hướng

Quá trình truyền thường bắt đầu ngay khi khung sẵn sàng để gửi Chỉ

có một giới hạn là phải có một khoảng trống IFG (InterFrame Gap) giữa các khung liên tiếp (hình 3.7) và mỗi khung phải phù hợp với dạng khung Ethernet chuẩn

Hình 1.11: Khuôn dạng truyền dữ liệu song công

1.6.6 Lớp vật lý Ethernet

Các thiết bị Ethernet chỉ được sử dụng ở dưới của lớp 2 trong ngăn giao thức OSI, thiết bị điển hình được sử dụng như Card giao tiếp mạng (NIC) Các NIC khác nhau được xác định dựa trên thuộc tính lớp vật lý

Việc đặt tên qui ước là một sự sâu chuỗi của ba thuật ngữ xác định tốc

độ truyền, phương pháp truyền và phương tiện mã hoá tín hiệu Ví dụ:

• 10 Base-T = 10 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi

• 100 Base-T2 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 2 cáp xoắn đôi

• 100 Base-T4 = 100 Mbps, băng thông cơ sở, trên 4 cáp xoắn đôi

• 1000 Base-LX = 1000 Mbps, bước sóng dài trên cáp sợi quang

1.6.7 Quan hệ giữa lớp vật lý Ethernet và mô hình tham chiếu ISO

Mặc dầu mô hình vật lý cụ thể của lớp vật lý có thể thay đổi từ phiên bản này sang phiên bản khác nhưng tất cả Ethernet NIC nói chung đều tương thích với mô hình được minh hoạ trong hình 1.12

Lớp vật lý đối với từng tốc độ truyền được phân thành các lớp con độc lập với kiểu phương tiện truyền thông riêng biệt và lớp con theo kiểu phương tiện truyền thông hay mã hoá tín hiệu

• Lớp con Reconciliation (điều hòa) và MII (Media Independent Interface) cung cấp kết nối logic giữa lớp con MAC và tập hợp khác nhau của lớp phụ thuộc phương tiện MII và GMII được định nghĩa với các đường dẫn dữ liệu thu và phát riêng biệt ở tốc độ dữ liệu là

10 Mbps (độ rộng là 1 bit), với tốc độ 100Mbps (độ rộng là 4 bit), với tốc độ là 1000 Mbps (độ rộng là 8 bit) Giao tiếp độc lập phương tiện (MII) và lớp con Reconciliation có chung từng tốc độ truyền của nó và được cấu hình cho hoạt động song công

• Lớp con mã hoá vật lý phụ thuộc phương tiện (PCS): cung cấp logic cho mã hoá, ghép kênh và đồng bộ của luồng dữ liệu đi cũng như sự liên kết mã tách kênh và giải mã cho dữ liệu đến

• Lớp con PMA (Physical Medium Attachment): chứa tín hiệu thu và phát cũng như phục hồi đồng hồ cho luồng dữ liệu thu

• Giao diện phụ thuộc phương tiện MDI (Medium Dependent Interface): là bộ kết nối cáp giữa tín hiệu thu nhận và đường truyền

• Lớp con tự động dàn xếp (Auto-negotiation Sublayer) cho phép NIC ở mỗi đầu cuối đường truyền trao đổi thông tin về khả năng riêng có của nó, sau đó thương lượng và chọn lựa mô hình hoạt động thuận lợi nhất mà cả hai mô hình đều có thể hỗ trợ Auto-negotiation là một tuỳ chọn trong Ethernet trước đây và được uỷ thác phiên bản sau

Phụ thuộc vào kiểu mã hoá tín hiệu được sử dụng và cấu hình đường truyền như thế nào mà PCS và PMA có thể hoặc không thể hổ trợ hoạt động song công

Hình 1.12: Mô hình tham chiếu lớp vật lý Ethernet

CHƯƠNG 2 MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG

ETHERNET (EPON) 2.1 Lợi ích của mạng truy cập quang thụ động Ethernet

EPON là sự kết hợp giữa mạng truy cập quang thụ động PON và kỹ thuật Ethernet nên nó mang ưu điểm của cả hai kỹ thuật này Việc triển khai EPON mang lại lợi ích rất to lớn bao gồm:

• Băng thông cao hơn: EPON sẽ cung cấp băng thông cao nhất cho người dùng trong bất kỳ hệ thống truy cập quang thụ động nào Tốc

độ lưu lượng hướng xuống là 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps Với khả năng cung cấp băng thông rất lớn như vậy, EPON có một số lợi ích sau:

o Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn

o Băng thông trên mỗi thuê bao cao

o Khả năng cung cấp video

o Chất lượng dịch vụ tốt hơn

• Chi phí đầu tư thấp hơn: Hệ thống EPON đang khắc phục giữa chi phí và hiệu suất bằng sợi quang và các linh kiện Ethernet EPON cung cấp các chức năng và đặc tính sợi quang với giá có thể so sánh được với cáp đồng T1/E1/DSL Hơn nữa, việc giảm chi phí đạt được nhờ kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo dưỡng thấp EPON chuyển giao những cơ hội giảm giá sau:

o Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắt đỏ

o Các linh kiện quang thụ động hoạt động lâu đã giảm được chi phí bảo dưỡng

o Những giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu cho DSL và modem cáp bổ sung

• Nhiều lợi nhuận hơn: EPON có thể hỗ trợ đồng thời các dịch vụ thoại, dữ liệu và video; cho phép nhà cung cấp nâng cao dịch vụ băng rộng một cách linh hoạt Ngoài ra, nó cũng cung cấp các dịch

vụ truyền thống như POTS, T1, 10/100 Base-T, hỗ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM và SONET

2.2 Nguyên lý hoạt động

Chuẩn IEEE 802.3 định nghĩa hai cấu hình cơ bản cho một mạng Ethernet Một cấu hình trong đó các trạm sử dụng chung môi trường truyền dẫn với giao thức đa truy cập sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD)

và cấu hình còn lại, các trạm sẽ giao tiếp với nhau thông qua một chuyển mạch sử dụng các tuyến kết nối điểm-điểm và song công Tuy nhiên, EPON

có một số đặc tính mà khiến cho nó không thể triển khai trên một trong hai cấu hình này mà thay vào đó ta phải kết hợp cả hai

Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động 1:N đến từng ONU (với N trong khoảng từ 4 đến 64) ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải

là của nó nhờ vào địa chỉ MAC trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng

Hình 2.1: Lưu lượng hướng xuống trong EPON

Ở hướng lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác Trong trường hợp đó, ở hướng lên, đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm - điểm Tuy nhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn

có thể bị xung đột Vì vậy, ở hướng lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần

sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý Ở đây, luồng dữ liệu hướng lên được phân bố theo thời gian

Hình 2.2: Lưu lượng hướng lên trong EPON

Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian thì 10 bit đặc tính rỗng sẽ được truyền Sự sắp xếp định vị khe thời gian hợp lý có thể định vị tĩnh (TDMA cố định) hoạt động dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU (thực hiện thống kê) Có nhiều mô hình định vị như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết SLA

2.2.1 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multi Point Control Protocol)

Để hỗ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển MPCP không xây dựng một cơ chế phân

bổ băng tần cụ thể, thay vào đó, nó là một cơ chế hỗ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report Bản tin Gate được gửi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm giữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC

Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường Mô hình tự khởi tạo được dùng để dò các kết nối ONU mới, nhận biết trễ hành trình (round-trip) và địa chỉ MAC của ONU đó Trong mô hình bình thường được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU được khởi tạo

Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo

tự động là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau:

1 OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU nào khởi tạo trước nào được phép truyền Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là: <transmission size> + <maximum round-trip time> -

<minimum round-trip time>; với <transmission size> là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU chưa khởi tạo có thể dùng

2 OLT gửi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của

nó

3 Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate

4 Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạo Report) Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gửi

5 Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của nó và thời gian round-trip Như được minh họa ở hình 2.3, thời gian round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report

Hình 2.3: Thời gian round-trip

Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bản tin Report có thể xung đột Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xung đột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó Nếu như ONU không nhận được khe thời gian trong khoảng

thời gian nào đó, nó sẽ kết luận rằng sự xung đột đã xảy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate ngẫu nhiên Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột

Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:

1 Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu để truyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONU bắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (hình 2.4)

Hình 2.4 : Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate

2 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ Trong khi truyền bản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó

3 Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tin Gate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian truyền ONU sẽ cập nhật đồng

hồ của nó theo thời gian lưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được Nếu sự sai

biệt đã vượt quá ngưỡng đã được định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất

sự đồng bộ và sẽ tự chuyển sang chế độ chưa khởi tạo Ở chế độ này, ONU không được phép truyền Nó sẽ chờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại

4 Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trên nhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian Khi đồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền dẫn, ONU sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khung Ethernet ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn Nếu phần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụng trong khe thời gian hiện tại

Bản tin Report sẽ được ONU gửi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùng với các khung dữ liệu Các bản tin Report có thể được gửi một cách tự động hay theo yêu cầu của OLT Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiển MAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC (Hình 2.5) Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếp theo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khung mào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu

Hình 2.5: Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report

Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC (lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần) Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình đi và về với mỗi nguồn ONU Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của thời gian một hành trình (thời gian round-trip) mới và thời gian này được tính từ trước dựa trên sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt độ thay đổi Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mất đồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó được khởi tạo lại

Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởi nhóm 802.3ah của IEEE Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa

ra các giải pháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập

2.2.2 Sự tương thích của EPON với kiến trúc 802

Kiến trúc IEEE 802 định nghĩa hai phương thức: môi trường chia sẻ (shared medium) và song công (full duplex) Trong môi trường chia sẻ, tất cả các trạm được kết nối đến miền truy nhập đơn, ở đó phần lớn mỗi trạm có thể

phát tại một lúc và tất cả các trạm có thể nhận bất cứ lúc nào Trong phương thức song công, đó là sự kết nối điểm-điểm, kết nối hai trạm (hoặc giữa trạm

và cầu - bridge) và cả hai trạm có thể phát và nhận đồng thời Dựa vào định nghĩa đó, các cầu không bao giờ chuyển tiếp khung trở lại cổng vào của nó Nói cách khác, nó cho rằng tất cả các trạm được kết nối đến cùng một cổng của cầu và có thể truyền thông với nhau mà không cần sự tác động của cầu Phương thức này cho phép người dùng được kết nối đến các ONU khác nhau trong cùng mạng PON và có thể truyền thông với nhau mà dữ liệu không cần

xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn

Để giải quyết vấn đề tương thích với kiến trúc 802, điển hình là P802.1D và với các mạng Ethernet khác, các thiết bị gắn liền với EPON sẽ gắn thêm lớp con Dựa trên cấu hình của thiết bị mà lớp con này sẽ chọn phương thức chia sẻ hay phương thức truyền điểm-điểm Lớp con này được xem như là lớp con mô hình chia sẻ phương tiện (SME) hoặc điểm-điểm (PtPE) Lớp con này phải ở dưới lớp MAC để đảm bảo hoạt động của Ethernet MAC hiện tại được định nghĩa trong chuẩn P802.3 của IEEE Hoạt động của lớp này dựa vào việc đánh dấu các khung Ethernet với thẻ (tag) duy nhất cho mỗi ONU (hình 2.6) Những thẻ này được gọi là LinkID và được đặt vào trong mào đầu trước mỗi khung

Hình 2.6: Trường LinkID được nhúng trong mào đầu

Để bảo đảm sự duy nhất cho LinkID, OLT sẽ ấn định một hoặc nhiều thẻ cho mỗi ONU trong suốt quá trình đăng ký lúc đầu