АРИФМЕТИКА GPON
СКОРОСТЬ ДОСТУПА
Назад к блогу Назад к блогу
24.05.2017

АРИФМЕТИКА GPON: СКОРОСТЬ ДОСТУПА

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

6 лет назад журнал Фотон- Экспресс напечатал мою статью про FTTH-системы ШПД «волокно в дом». Поводом была фраза «FTTH: Все говорят, никто не понимает»... За 6 лет многое изменилось. С легкой руки компании Huawei и усилиями российских операторов(СЗТ) в Петербурге был запущен первый в России крупный проект по строительсву FTTH сети на технологии GPON . В Питере и СЗ регионе построено уже более 700 тыс. абонентских ШПД портов по технологии GPON . В Москве полным ходом идет строительство сети FTTH на 4 с лишним миллиона портов- также на технологии GPON. Сегодня уже ни у кого не возникает ощущения «Все говорят, никто не понимает», как это было 6 лет назад. И все ж таки...

«Что- то не летает PON в России,- ну вот не летает. В чем тут дело?»- сказал мне как то умудренный жизнью Sales Manager уже российской компании. «В Японии и Корее «летает», а у нас- не очень». Имелось в виду сразу многое- и скорости доступа, и то что операторы берут технологию не «нарасхват», и то что ставят её не на сетях ШПД не везде. Ставят, но не везде. Ну что же, разберемся,- «летает- не летает». Может «мотор» не тянет, может «самолет» перегружен, может дороговата «машинка», а может в воздухе тесно?

ОЧЕНЬ КОРОТКО

В системе FTTH на технологии PON все абоненты «висят» гроздьями/ветвями по N портов на питающих портах OLT-станционного оборудования в головном узле. Поток питающий ветвь GPON - 2500 Мбит/сек (Интерфейс OLT- порта) . Этот поток физически, с помощью оптики, делится на N однаковых потоков к N абонентам. Первое что приходит в голову – разделить 2500 Мбит/сек на N и получить скорость абонентского доступа. Например , для N=64 , 2500/64= 39 Мбит/сек . Это неверно. Почему?- Функционально ветвь GPON с N=64 подобна Ethernet- свичу с основным каналом в 2500 Мбит/сек и 64 выходами каждый в 2500 Мбит/сек. Если на ветви PON в данный момент грузит данные только 1 абонент, он получит весь ресурс канала - 2500 Мбит/сек. Если в данный момент грузят данные 2 абонента, то каждый получит по 1250 мбит/сек , если в данный момент грузятся 3, то то каждый получит получит по 833 Мб/с. Таким образом вопрос о скорости доступа у абонента сводится к вопросу : «какой процент абонентов на сети загружают информацию в данный момент ?» Этот процент назовем загруженностью сети. 100% загруженности- это когда загружаются все абоненты сети одновременно. На рис .1 приведен график зависимости скорости абонента в GPON –ветви на 64 порта от загруженности сети (процента одновременно загружающихся абонентов) . Для удобства показана чаcть графика при значениях загруженности сети до 10%. Видно что при нагрузках менее 1,5% скорость абонента составит около 1500 Мбит/сек и выше.

СКОРОСТЬ ШПД /ДОСТУПА GPON-АБОНЕНТА. ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ЗАГРУЖЕННОСТИ СЕТИ

Сколько же нас, пользователей ШПД, одновременно грузит что-то из сети/Интернета в час наибольшей нагрузки? 100%?- Конечно нет. Может 10%? – кто знает? А может 1%? А может вообще 1 из тысячи?- Не будем гадать. Возьмем крупный узел и посмотрим. По России у меня данных нет, возьмем Японию- и ШПД там развит очень хорошо и страна вся в одном часовом поясе- так что все 120 млн японцев живут по одному графику. Там они точно могут загрузить сеть по- серьезному.

Так вот, в японский час пик процент абонентов осуществляющих загрузку информации в данный момент времени составляет не более 0,8 % от общего числа абонентов. При таких пиковых(!) нагрузках в сети скорость абонента на GPON –ветви в 64 порта будет все равно заведомо более 1000 Мбит/сек. Это показано черной стрелкой на Рис. 1 . Почему так? Потому что 0,8 % от 64 абонентов это 0,008х64=0,35, то есть если подключить к GPON–ветви в 64 порта японских абонентов, то в каждый момент времени (в час пик!) в среднем будет «грузиться» меньше одного абонента и он , абонент, получит в свое распоряжение полный ресурс ветви в 2500 Мбит/сек. Реально ситуация будет еще лучше, т.к. при увеличении скорости доступа загруженность сети уменьшается и реальный % загруженности в FTTH GPON будет не 0,8 %, а гораздо меньше. В результате получится, что в реальной практике скорость ШПД абонента на сети будет почти точно равна 2500 Мбит/сек. Так что можно сказать что GPON – арифметика такова: 2500:64=2500. Как так может быть? Обсудим подробнее

.

БОЛЕЕ ПОДРОБНО РАБОТА GPON-СИСТЕМЫ

Скорость абонентского интерфейса в GPON FTTH-тоже 2500 Мбит/сек. Это та скорость на которой работает интерфейс абонентского устройства, постоянно, в любой момент. Другой скорости у него нет. Повторю-тактовая частота абонентского интерфейса - 2500 Мбит/сек, всегда, как бы много абонентов ни «висело» на ветви GPON. Просто доля данных предназначенных абоненту в этом потоке 2500 Мбит/сек меняется в зависимости от нагрузки на ветви, т. е. от того сколько абонентов грузится в данный момент. Причем перераспределение доли происходит естественным образом в процессе работы . Подчеркну- речь идет не том сколько абонентов просто одновременно «сидит в сети» за компьютером, «сидение» еще не значит загрузку. Речь идет о проценте портов осуществляющих загрузку данных из сети (с порта OLT) – в данный момент времени. Например в данную секунду. На скорости 2500 Мбит/сек одна секунда- это 312 МегаБайт данных, это около 450 средних Web- страниц, то есть даже 1/100 секунды более чем достаточно чтобы передать/получить элементарный кусок информации в процессе общения с Internet или локальной сетью. Если абонентский порт принял этот кусок(за 1/100 секунды) и пока «молчит», его долю общего ресурса можно перебросить тем, кто в данный момент работает- «грузится». В результате каждый из абонентов будет «ощущать» высокую скорость доступа - до тех пор пока суммарные запросы всех абонентов не превысят возможностей системы. Поэтому скорость абонента в системе GPON принципиально зависит от загруженности сети - так как показано на Рис.1 .

Аналогично происходит динамическое деление ресурса системы на всех абонентов осуществляющих «выгрузку» данных «наверх», в сеть. В этом случае ресурс ветви GPON составляет 1250 Мбит/сек. Он также делится на всех абонентов «выгружающих» данные в сеть в данный момент времени . Если абонентский порт пока «молчит» его доля общего ресурса автоматически перебрасывается тем кто в данный момент работает. В GPON этим занимается система DBA(Dinamic Bandwidth Allocation). Система DBA несколько десятков раз за МИЛИсекунду делает опрос состояния абонентских портов и оперативно делит ресурс 1250 мбит/сек только на тех кто «грузит» прямо сейчас. Как зависит скорость «восходящего» абонентского потока от в системе GPON от загруженности сети- также показано на Рис.1.- график скорости «восходящего потока» от абонента.

ЗАГРУЖЕННОСТЬ СЕТИ

Не более 0,8% загруженности сети в пике трафика – таковы данные по Японии. Может Япония - особенная страна? Там абоненты не включают Торренты и не смотрят Youtube? В таблице 1 также показаны данные по Европе и Северной Америке .

Процент абонентов фиксированного ШПД осуществляющих одновременную загрузку/выгрузку в час пик по регионам

Не нравится Япония – посмотрим Северную Америку: около 0,7% загруженности сети в пике трафика. Причем в США 14% всего трафика это Р2Р приложения-«торренты». Европа - около 1,4% загруженности сети в пике трафика, причем в Европе уже 40% всего трафика это «торренты». На рис.1 загруженность сети в Северной Америке и Европе показана фиолетовой и красной стрелками. У нас, в России, в отсутствие объективных данных, связисты иногда придумывают "страшилки" типа: 1. все включат торренты, 2. все одновременно будут смотреть IPTV, 3. все будут одновременно смотреть You/RuTube- и так далее, как будто нашим абонентам нечего больше в жизни делать. В инженерных расчетах встречаются более трезвые оценки типа: «в сети одновременно присутствуют 30% абонентов, из них каждый 20% времени что- то грузит». Получается около 6% одновременно грузящих, но, как видим из мировой статистики, это все равно достаточно далеко от реальности. Даже если загруженность наших ШПД сетей абонентским трафиком будет в 2 раза выше чем в Японии, все равно средняя скорость абонетов в сети GPON 1:64 будет не менее 1000 Мбит/сек в пиковый час. НО(!) реальная загруженность сети GPON будет в сотни раз ниже чем сегодняшняя загруженность ШПД-сетей в Японии.

ОДНАКО ЭТО ЕЩЕ НЕ ВСЕ! Процент одновременных загрузок в таблице 1- это то, что имеет место при абонентских скоростях доступа в 4-18 Мб/сек. При таких скоростях абонентский порт находится в состоянии загрузки в среднем от 0,5-1,5% всего времени. При увеличении скорости доступа например в 10 раз, примерно во столько же раз уменьшится время, которое абонентский порт находится в состоянии загрузки, т.к. ту же «работу» по загрузке данных он сделает в 10 раз быстрее. В результате уменьшится загруженность сети, а следовательно , увеличится скорость доступа- см. рис. 1. И вот тут все повторится опять: раз увеличится скорость- уменьшится загруженность. В конечном итоге установится низкий процент загруженности сети, который существенно, в несколько сот раз, ниже чем исходный. На рис 2. показана примерная зависимость загруженности сети от скорости доступа для Европы, Северной Америки и Японии вместе с нагрузочной кривой GPON ветви 1:64; точка пересечения этой зависимости с нагрузочной кривой GPON показывает какая скорость и загруженность установятся в GPON ветви 1:64 при современных потребностях абонентов.

. СКОРОСТЬ ШПД ДОСТУПА GPON-АБОНЕНТА. ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ЗАГРУЖЕННОСТИ СЕТИ

Скорость будет 2500 Мб/с и загруженность порядка 0,002%. В разных странах есть вариации загруженности, но скорость будет одна- 2500 Мбит/с –если только сервера Интернета смогут поддержать абонентскую скорость 2500 Мб/с . Более того видно, что GPON FTTH может поддержать индивидуальную абонентскую скорость в ~2500 Мб/с при стократно больших потребностях абонентов нежели сегодняшние потребности абонентов ШПД в развитых странах. Существенное понижение «личной» скорости от уровня 2500 Мб/с абонент начнет ощущать только когда средне потребляемый поток данных на абонента ШПД приблизится, хотя бы по порядку величины, к 40 Мб/сек. Это соответсвует 12 ТераБайтам(!) трафика на абонента в месяц- примерно в 1000 раз больше чем сегодняшнее потребление европейского абонента ШПД. Сегодня нам до этого очень и очень далеко. Как видим, на сегодняшний день узким местом является совсем не GPON- система. Система GPON FTTH была задумана и будет работать на многие годы вперед– на годы будущего роста потребностей и скоростей абонента. Сегодня узкое место ШПД – это сервера Интернета и вся техника «верхнего», по отношению к GPON, уровня. А именно это сервера BRAS, сервера Интернета, протоколы передачи, а в них -размеры «окна» передачи, время задержки и т.п. Забавно, но в этом смысле торрент -приложения являются передовой технологией , т.к. именно они позволяют раскачать большую скорость загрузки при всех сегодняшних ограничения «верхнего уровня» в интернете. Так что если вы сделали ШПД- доступ на GPON, то «торренты» из вашего врага превращаются в вашего друга. Именно в Торрентах абонент сможет получить ту скорость на которую способна система GPON – 2500 Мбит/сек на абонетский терминал.

ЕСЛИ ГОВОРИТЬ СОВСЕМ ПРОСТО

Тот же вывод можно получить с другого конца. Инвариантом поведения ШПД абонентов по миру является скорее не процент загруженности сети, он- то зависит от скорости доступа, а месячный объем трафика, потребляемый абонентом. В Европе это 12 Гбайт, в Северной Америке -6 Гбайт. Этот объем показывает потребность среднего абонента и может быть пересчитан в средний поток постоянно «текущий к абоненту». В Европе этот поток 40 Кбит/сек, в Сев. Америке- 18 Кбит/сек, в Японии-48 Кбит/сек .Реально абонент потребляет трафик не каждую секунду и не 24 часа в сутки, но в среднем получаются вышеуказанные цифры. Знание такого «среднего потока» позволяет достаточно точно оценить среднее потребление трафика группой абонентов. Рост потребления трафика в час пик не превышает 70% по отношению к среднему, и даже самые пиковые флуктуации из-за наложения нескольких абонентов в группах порядка 100 человек не превышают 3-4 раз по отношению к среднему. Среднее потребление интернет-трафика в час пик группой из 64 абонентов ШПД(средних жителей) составляет: в Европе- не более 5 Мбит/сек, в Северной Америке-не более 2,5 Мбит/сек, в Японии-не более 6 Мбит/сек. Емкость же “трубы”–порта, к которому подключается одна ветвь GPON, составляет 2500 Мбит/сек. Как видим емкость “2,5 Гбс-трубы” на ветви GPON более чем в 500 раз превышает суммарную потребность 64 средневропейских абонентов в «час пик», более чем в 1000 раз превышает потребность 64 среднеамериканских абонентов в «час пик» и более чем в 400 раз превышает потребность 64 среднеяпонских абонентов в «час пик». Подчеркну: это реальная статистика того что происходит в сетях ШПД в мире.

Теоретически конечно же возможны кратковременные наложения абонентов в сети и пики суммарного трафика до больших величин -из-за пересечения нескольких абонентских запросов во времени. Однако, статистическое усреднение приводит к тому что уже в группе из 50 пользователей случайные вариации суммарного трафика( по отношению к среднему) становятся очень малыми. На рис 3. показан классический пример статистического усреднения трафика от нескольких пользовательских компьютеров в группах от 1 до 50, видно как относительные колебания суммарного трафика уменьшаются при увеличении числа пользователей в группе и уже для 50 пользователей флуктуации суммарного трафика не превышают 50% от среднего.

pic4.png

В реальности самые пиковые значения суммарного трафика в группах современных ШПД- пользователей* порядка 100 человек не превышают 3-4 раз по отношению к тому же среднему потоку- включая вариации в час пик. И это -даже при современном проценте загруженности сети около 1%-2% . В нашей же GPON- сети, как видим на рис 2., процент загруженности будет в ~1000 раз меньше, а значит и вероятность пересечения абонентских запросов значительно меньше- во много раз. Вот и получается, что в конечном итоге емкость “2,5 Гбс-трубы” на ветви GPON более чем в 500 раз превышает суммарную потребность 64 средневропейских абонентов в «час пик», более чем в 1000 раз превышает потребность 64 среднеамериканских абонентов в «час пик» и более чем в 400 раз превышает потребность 64 среднеяпонских абонентов в «час пик». При таком запасе каждый абонент получит «личную» скорость в ~2500 Мб/сек на время своих загрузок.

Если же специально тестировать скорость на протяжении нескольких секунд подряд- так как это делает какой -нибудь интернетный Speed Tester, то и тогда он покажет скорость практически равную 2500 Мб/сек . Как это работает? -Если к ветви GPON подключено 64 абонента, то во время одной «загрузки» одного абонента остальные 63, все вместе, заберут не более 6 Мбит/сек. Оставшийся ресурс : 2500 Мбит/с -6 Мбит/с =2494 Мбит/с- это именно та скорость, которую покажет SpeedTester или любой другой интернетный измеритель скорости. И это та скорость которую будет «ощущать» каждый абонент во время своей работы -конечно, если скорость не ограничена оператором связи на сервере BRAS. На рис.4 показано какова будет измеряемая скорость доступа при разных уровнях потребления трафика.

Среднее потребление трафика в "час пик", один абонент, Кбит/с

Видно, что при сегодняших потребностях скорость равна 2500 Мбит/сек– если, конечно, оператор связи не ограничивает скорость абонента на сервере BRAS. Существенное понижение «личной» скорости от уровня 2500 Мбит/с абонент начнет ощущать только когда среднепотребляемый поток данных на абонента ШПД приблизится к уровню 40 Мбит/сек (сегодня это 40 Килобит/сек). Если судить по темпам роста потребления трафика в Японии, среднеяпонский абонент ШПД достигнет этого уровня в 40 Мбит/сек примерно к 2040 году( см.рис 4.), т.е. почти через 30 лет.

“ПОТЯНЕТ” ЛИ UPLINK?

В любой системе ШПД есть канал, несущий суммарный поток данных от всех абонентов местной сети в магистральную скоростную линию- так называемый uplink. Иногда, при больших нагрузках он может быть узким местом, ограничивающим скорость ШПД абонентов. В GPON -платформах Huawei МА 5600Т и МА5603 стандартные значения uplink могут быть выбраны от 1 до 40 Гигабит/сек. На рис 5. показана зависимость скорости доступа для абонента GPON от среднего абонентского потребления трафика . Зеленым показано ограничение скорости накладываемое стандартным каналом uplink в 40 Гбит/сек в платформе Huawei МА5600T . Синим показано ограничение скорости накладываемое каналом uplink емкостью в 1 Гбит/сек.

Скорость абонентского ШПД в системе GPON FTTH, сплит 1:64

Видно, что если для случая uplink в 1 Гбит/сек может вызвать ограничение скорости, то для случая 40 Гбит/сек характеристики канала uplink и интерфейса GPON- ветви пересекаются при таких значениях потребления трафика на абонента, которые будут достигнуты в Японии примерно к 2030 году. До того как это случится абонентская скорость будет определяться скоростью достижимой внутри самой ветви GPON, которая как видим на рис. 5, будет практически равна 2500 Мбит/сек. Так что 2,5 Гб/сек абонент ветви 1:64 может получить при стандартной емкости uplink 40 Гбит/сек в GPON –платформе Huawei МА5600Т. В платформе же МА 5603 мощность uplink в расчете на абонента почти в 3 раза больше чем в МА 5600Т. Так что при стандартном канале uplink в 40 Гбит/сек в GPON –платформах Huawei скоростей абонентского доступа заметно ниже ~ 2,5 Гигабит/сек не предвидится примерно до 2030 года.

Как видим и на сегодняшний день и на много лет вперед GPON -платформы Huawei МА 5600Т и МА5603 способны поддержать в конфигурации 1:64 абонентскую скорость 2500 Мбит/сек без проблем. Сегодня узким местом является не GPON, а операторские ограничения на BRAS и удаленные серверы Интернета.

Ну так как? «летает» GPON или «не летает»?

Одному курсанту летной школы бабушка написала письмо, в котором просила «внучка» быть осторожным и летать «потише и пониже» дабы он, не дай Б-г, не разбился. Коллеги летчика сильно смеялись, так как летать «потише и пониже» - самый верный способ разбиться. По незнанию особенностей техники бабуля убила бы и себя, и внучка, и технику. Так и в России с GPON- летают «потише и пониже». Результат? ... -«что-то не летает»

GPON- то летает, только «летчиков» мало, которые знают на что самолет способен. А летать «потише и пониже» - верный способ угробить «самолет». Да и себя самого с ним. И дискредитировать хорошую технику.

Стандарт GPON был задуман компаниями, которые очень хорошо знали статистику абонентских сетей и проектировщики GPON знали что делали, господа. И «мотор» у GPON системы «тянет» и «летать» есть где. С «самолетом»-то все в порядке. Летать надо уметь. Если рулить на самолете по взлетке со скоростью 40 км/час, самолет никогда не полетит. « Подъемная сила»- то зависит от скорости. Сильно зависит. Разогнаться надо. GPON «полетит» на скорости больше 100 Мб/с, лучше-на скорости 1000 Мб/с, а вообще-то «родная» скорость FTTH GPON – это 2500 Мб/сек на каждого абонента ветви.

Не верится?

  • В Новосибирске ростелекомовские абоненты уже «летают» на скорости 500 Мб/сек на оборудовании GPON Huawei. Без особых проблем. Проверено на реальных Торрент- загрузках.

  • А в Москве абоненты бытовой сети ШПД разгоняются на GPON Huawei до 980 Мбит/сек . Местный оператор «Алло Инкогнито» подтвержает скорость на известном интернет-тестере speedtest.com. 

Кто научился «летать» - летают. А тот кто еще не научился, говорит- «....что-то не летает»....

Мировая статистика показывает, что большинство людей в мире не злоупотребляет закачкой данных с сети и даже в часы пик, при скоростях доступа ~10 Мбит/с одновременно нагружают сеть около 1% абонентов подключенных к сетям ШПД. При скоростях 100-2500 Мбит/с загруженность будет во много раз меньше и равновесным состоянием сети GPON на 64 современных абонента будет загруженность около 0,001 % и «личная» абонентская скорость в ~2500 Мб/с. Так что получается, что сегодня в сетях FTTH GPON 2500 Мб/сек : 64=2500 Мб/сек.

Способна ли поддержать такие скорости пользовательская техника, как разгнать ваш ПК до 1000 Мбит/сек, поддержит ли такую скорость внешняя сеть Интернет и Интернет-протоколы передачи данных, какие варианты услуг и тарифов возможны – об этом в следующей статье. Там же рассмотрим как работает статистическое мультиплексирование пользователей в сети -на примере сценариев Торрент-скачивания, ОТТ-просмотров, Web-serfing и т.п.


Теги: #GPON #FTTH
1090
  • Поделиться:
Написать комментарий:
Статьи по теме: