Evaluation des Performances dans une Architecture Réseau

Evaluation des Performances dans une Architecture Réseau
Optique Transparente avec Accès PON
Charlotte Roger, Julio Orozco, Philippe Niger
France Telecom Recherche & Développement
2, av. Pierre Marzin 22307 Lannion
E-mail : c[email protected]
Résumé. Ce document présente une architecture réseau s'inscrivant dans le cadre des réseaux
d'accès optiques et intégrant plusieurs accès PON. Elle permet d'obtenir des communications tout
optique de bout en bout à très haut débit. Ce modèle utilise le principe de l'Optical Burst Switching
associé à des techniques de multiplexage temporel et en longueur d'onde. Son fonctionnement se
déroule sur deux plans distincts : plan de contrôle et plan de transfert. Nous présentons les
principales fonctions du modèle de simulation utilisé pour l'étude des performances du plan de
transfert. Nos résultats montrent qu'un partage des ressources entre plusieurs entités a un effet
majeur sur l'utilisation des ressources.
1 Introduction
Aujourd'hui, l'ADSL est la technologie haut débit la plus utilisée en France. Si le haut débit permet les
usages actuels avec un bon niveau de confort, il risque de limiter les nouveaux usages. Depuis l'offre
Triple Play (voix, TV, internet), les usagers demandent des débits toujours plus élevés avec une
meilleure réactivité du réseau. L'accès au réseau évolue désormais vers le très haut débit. Cette montée
croissante du très haut débit permet l'ouverture vers des nouvelles méthodes d'accès utilisant la fibre
optique qui offre des débits de plusieurs centaines de Mbits/s. Déjà largement utilisée dans les réseaux
longue distance, car moins limitée par la distance que le cuivre, l'optique entre désormais dans les
réseaux de desserte grand public. On parle de FTTx (Fiber To The…, «fibre jusqu'à…») : la fibre est
amenée au plus près de l'usager final. A ce jour, seulement quelques infrastructures commencent à être
déployées en France, alors qu'à l'étranger (au Japon et en Corée du sud) cette technologie est
massivement utilisée.
Un PON (Passive Optical Network) est une technologie d'accès point-multipoint passive sur fibre
optique, déployée pour une infrastructure à large bande de type Fiber-To-The-Home (FTTH). Dans un
PON, une fibre unique part du central et se raccorde à un groupe de fibres au niveau d’un point de
partage afin de desservir plusieurs usagers (voir figure 1). Outre les câbles optiques, trois éléments
principaux constituent un PON : un OLT (Optical Line Terminal), un coupleur (ou splitter) et plusieurs
ONT (Optical Network Termination). L'OLT, équipement actif, positionné au Nœud de Raccordement
Optique (NRO) assure l'interconnexion du PON avec les autres réseaux. L'ONT, équipement actif placé
chez l'usager, gère la connexion avec les terminaux de l'abonné ; il est l'interlocuteur direct de l'OLT.
Le coupleur est un élément passif, son fonctionnement est basé sur la seule propagation de la lumière à
l’intérieur des fibres. Dans le sens descendant, il divise le signal optique en provenance de l'OLT ; dans
le sens montant, il combine par addition les signaux optiques en provenance des abonnés. La
technologie PON permet d'obtenir une forte capacité de transport tout en minimisant l'infrastructure
fibre nécessaire. La génération actuelle du PON est le GPON (ITU G9.84) [1] et le EPON (IEEE
802.3ah) dont les caractéristiques sont résumées ci-dessous. Ces deux standards utilisent la technique
de multiplexage temporel avec une longueur d'onde pour le sens montant et une pour le sens
descendant.
EPON GPON
Débit max. total par port 1,25 Gbit/s symétrique 2,5 Gbit/s asymétrique
Abonnés par port OLT Jusqu’à 32 Jusqu’à 64
Distance OLT-ONT Jusqu’à 20km Jusqu’à 60km
Encapsulation Ethernet ATM, Ethernet

Les prochaines générations de PON tendent à s'orienter autour de 3 axes :
- accroître le nombre de longueur d'onde sur le PON (avec l'objectif d'attribuer une longueur
d'onde par utilisateur ou de les partager entre les utilisateurs) en utilisant la technique du
multiplexage en longueur d'onde (WDM) [2], dans l'optique d'augmenter le débit final afin
d'atteindre une capacité de 10 Gbits/s.
- étendre le nombre d'ONT par PON à 128 ou plus
- augmenter la portée entre ONT et OLT en utilisant par exemple des amplificateurs optiques,
permettant ainsi de relier plus d'abonnés.
OLT situé
au NRO
ONT
ONT
ONT
Coupleur
OLT situé
au NRO
ONT
ONT
ONT
Coupleur
Fig. 1. FTTH ou point-multipoint passif
La commutation par rafales optiques (ou Optical Burst Switching) est proposée pour réaliser des
commutations transparentes de bout en bout appelées aussi commutation toute optique c'est-à-dire
toutes les communications sont faites exclusivement dans le domaine optique, aucune conversion
optoélectronique n'est faite dans les nœuds intermédiaires . L'OBS est une solution intermédiaire entre
la commutation de paquets et la commutation de circuits optiques, elle est utilisée pour des modèles de
réseaux tout optique. Elle permet de palier aux inconvénients des deux commutations : un besoin
important de ressources pour une utilisation de la bande passante peu efficace pour la commutation de
circuits et une nécessité de buffers optiques pour la commutation de paquets. OBS consiste en une
séparation fonctionnelle du réseau en deux plans : le plan de contrôle (ou signalisation) et le plan de
transfert (ou plan de données). Le plan de contrôle gère la réservation des chemins optiques. L'envoi
des bursts (ou trame de données) se fait de manière tout optique sur le plan de transfert. L'entête et les
données sont transmis en différés sur deux longueurs d'onde différentes. L'entête est envoyé en avance
pour établir une réservation unidirectionnelle du chemin (Tell-and-go) [3]. Aucun acquittement n'est
attendu. Les données suivent après un délai correspondant au traitement des informations de l'entête. Il
existe une alternative à cette architecture connue sous le nom de Wavelength Routed OBS [4], utilisant
un mécanisme de réservation de type bidirectionnelle (two-way).
Une architecture optique interconnectant plusieurs PON dans un réseau de type métropolitain et
utilisant la commutation par rafales optiques a été introduite dans [5]. Cette architecture n'est pas une
évolution directe des solutions PON mais plutôt une évolution en rupture intégrant des PON WDM.
Nous avons développé un modèle flexible de l'architecture sous OPNET. Des premiers résultats sur
l'évaluation des performances du plan de contrôle ont été publiés dans [6]. Dans cette publication, nous
allons décrire le modèle et présenter les performances de l'architecture en termes d'utilisation de
ressources. La suite du document est organisée de la manière suivante : dans la section 2 nous
présentons l'étude de l'architecture réseau ; dans la section 3 nous montrons l'évaluation des
performances ; finalement les conclusions et perspectives seront exposées dans la section 4.
2 Architecture Réseau
Une architecture réseau OBS a deux types de nœuds : les nœuds de bordure (Edge node) et les nœuds
du cœur du réseau (Core node). Les nœuds de bordure agrègent les paquets en burst ; les nœuds du
cœur allouent, en fonction des informations de l'entête, un chemin optique pour transmettre au nœud
suivant le burst. L'architecture étudiée consiste en une interconnexion de PON WDM dont le but est
d'obtenir des communications tout optique entre deux ONT différents. Elle est adaptée à un réseau de
type métropolitain avec quelques PON de longue portée (voir figure 2). Cette architecture permet
d'établir des communications à très haut débit (>1 Gigabit/s) grâce à la technique de commutation par
rafales optiques. Elle adapte le principe WR-OBS à un réseau intégrant des PON. L'ONT joue dans ce

cas, le rôle de nœud de bordure et assemble les paquets en burst. Les nœuds de contrôle ne sont plus
disséminés mais centralisés en une seule entité correspondant à l'ensemble Control Node et Optical
Cross Connects (OXC). L'emploi de longueurs d'ondes partagées entre différents ONT impose d'utiliser
un processus d'allocation des ressources. Ce processus repose sur une solution de transmission hybride,
le TDM/WDM (Time Division Multiplexing / Wavelength Division Multiplexing).
Fig. 2. Architecture
Par la suite, nous étudierons un réseau limité à quelques PON comprenant un seul commutateur.
L'utilisation de plusieurs commutateurs pour le model n'apporte rien de plus du point de vue de la
simulation et des résultats, étant donné que le délai de propagation n'est pas pris en compte et que le
plan de transfert est transparent. La figure 3 représente trois PON (0,1 et 2) reliés à deux ONT chacun
et à un nœud central. Le système comprend l'utilisation de plusieurs longueurs d'onde, ici huit, dont
deux sont réservées uniquement pour le plan de contrôle au niveau de chaque PON (une pour le sens
montant : L1, et une pour le sens descendant : L0). Au niveau du plan de contrôle le procédé est le
même que pour un PON classique : broadcast dans le sens descendant (entité centrale vers les ONT) et
partage de la longueur d'onde entre les différents ONT dans le sens montant (les ONT vers l'entité
centrale). Les six longueurs d'onde restantes (L2-L7) sont attribuées au plan de transfert. Elles
permettent d'interconnecter, au niveau du switch optique, une paire de PON (une pour chaque sens).
Par exemple, le PON 2 est relié au PON1 par l'intermédiaire des longueurs L4 et L5. Chaque ONT
utilise deux lasers : un à longueur fixe dédiée pour le plan de contrôle et un à longueur d'onde
accordable pour le plan de transfert. C'est l'ONT qui initie et termine la communication en accordant
son laser.
Fig. 3. Détail de l'architecture avec trois PON

2.1 Plan de Contrôle
L'architecture étant basée sur le Wavelength-Routed OBS, le plan de contrôle a deux fonctions
principales : gérer la signalisation des paquets et allouer dynamiquement des ressources aux ONT pour
qu'ils puissent émettre leurs bursts. Le schéma de fonctionnement de la signalisation est de type two-
way : chaque demande de ressources doit recevoir un acquittement positif. La figure 4 montre les
différents échanges effectués cycliquement sur le plan de contrôle. L'ONT source envoie l'entête du
burst ou requête. L'entité centrale exécute le processus d'allocation des ressources et envoie un accusé
positif ou grant à l'ONT source, ainsi qu'une commande de configuration à l'ONT destination. Ce type
d'opérations (requête suivie d'un accusé) correspond au schéma utilisé dans les dialogues ONT/OLT de
la norme GPON actuelle pour une réservation de ressources.
ONT
src ONT dest
Control
req
grant config
data
ressource
allocation
Fig. 4. Dialogue ONT / Entité centrale
Nous considérons un plan de transfert cyclique : le temps d'émission est divisé en trames de 1 ms qui
elles-mêmes sont divisées en y slots de durée 1/y ms. Une trame contient plusieurs bursts de
provenances différentes. Le délai entre l'envoi de la requête et l'envoi du burst est fonction de la vitesse
du processus signalisation/allocation. Ce délai est égal ou supérieur à la durée d'une trame. Sur la figure
3 les ONT 01 et 02 (PON 0) ont besoin d'envoyer des informations aux ONT 11 (PON 1) et 21 (PON
2). Chaque ONT a assemblé un burst par destination et envoie une requête pour chacun de ces bursts.
Le tableau 1 résume ces informations, ainsi que le nombre de slots requis pour l'envoi de chaque burst.
Table 1. Information nécessaire à l'allocation
Id Source Destination Size (# timeslots)
B0 ONT 01 ONT 11 2
B1 ONT 01 ONT 21 3
B2 ONT 02 ONT 11 5
B3 ONT 02 ONT 21 2
Comme une seule longueur d'onde est attribuée par destination (exemple : L2 pour envoyer du PON
0 vers le PON 1), deux ONT d'un même PON ne peuvent émettre en même temps sur une même
destination, ceci afin d'éviter tout risque de collision. Le processus d'allocation tient compte de cet
élément dans sa réservation des ressources. Dans la même perspective, un ONT ne peut recevoir sur
deux longueurs différentes au même instant. Le résultat de l'allocation sur une trame est schématisé
dans la figure 5. Les grants sont envoyés une fois le processus d'allocation terminé. Ils spécifient une
longueur d'onde, une date d'émission ainsi que la taille de la fenêtre allouée correspondant au nombre
de slots requis pour envoyer le burst. La solution présentée ci-dessus illustre le mécanisme de base.
D'autres informations peuvent être ajoutées à la signalisation et à l'algorithme d'allocation.

T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7
B0 B2
B3 B1
L2
L7
Fig. 5. Résultat de l'allocation par longueur d'onde
2.2 Plan de Transfert
Le plan de transfert est la partie la plus simple de l'architecture, aucun traitement n'est fait sur les
paquets. Au niveau de l'entité centrale, le switch optique commute les longueurs d'onde en fonction
d'une table de routage. Cette table met en correspondance une longueur avec un port destination et un
port source. La figure 6 présente un exemple de table de routage. Les ONT 01 et 02 du PON 0 utilisent
deux longueurs d'onde différentes, L2 et L7, pour envoyer des données vers les ONT 11 et 21. Au
niveau du switch optique, les longueurs sont redirigées en fonction de leur port d'arrivée vers le port de
sortie correspondant. Ici, la longueur L2 arrivant sur le port P1 est redirigée, d'après la table, vers le
port P2. Au niveau de l'ONT, les paquets sont stockés dans une file d'attente jusqu'à l'envoi. Les
paquets d'un même burst sont transmis en rafales dans la fenêtre qui a été allouée pour ce burst. Au
niveau du récepteur, les paquets sont directement transmis aux couches supérieures.
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?2
?3
?7
P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
……
P1
Port Dest
–λ
DestPort Src – λ Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
λ2
λ3
λ7
P3
P2
P1
P1
P2 L2
P3
P2 P3
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?2
?3
?7
P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
……
P1 L2
Port Dest
–λ
DestPort Src – λ Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
L2
L3
L7 P3
P2
P1
P1 L7 P3 L7
P2 L3 P3 L3
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?2
?3
?7
P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
……
P1
Port Dest
–λ
DestPort Src – λ Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
λ2
λ3
λ7
P3
P2
P1
P1
P2 L2
P3
P2 P3
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?2
?3
?7
P3
P2
P1
Switch Optique
…
LambdaPort DestPort Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
?1
?3
?2 P3
P2
P1
Switch Optique
……
P1 L2
Port Dest
–λ
DestPort Src – λ Src
ONT 01
ONT 02
ONT 11
ONT 12
ONT 21
ONT 22
PON 0
PON 1
PON 2
L2
L3
L7 P3
P2
P1
P1 L7 P3 L7
P2 L3 P3 L3
Fig. 6. Commutation des longueurs d'ondes
3 Evaluation de l'Utilisation des Ressources
3.1 Modèle de Simulation
Nous avons développé l'architecture sous OPNET Modeler (logiciel de simulation réseau) afin d'avoir
un prototype permettant de simuler et d'évaluer les différents éléments la constituant. Ce modèle a été
implémenté avec trois PON reliés chacun à huit ONT. Le but de cette configuration est d'avoir un trafic
relativement important sans pour autant alourdir le système, permettant ainsi d'évaluer ses
performances. Comme une seule longueur d'onde est dédiée sur chaque PON pour le sens montant du
plan de contrôle, un protocole d'accès (MAC) est nécessaire pour assurer le partage des ressources.
Nous avons implémenté trois schémas classiques de protocole d'accès : Aloha, Slotted-Aloha et TDMA
(Time Division Multiple Access). L'idée, derrière cette étude, est que le trafic de signalisation est
beaucoup moins volumineux que celui des données. De plus, grâce à la séparation des deux plans, un
plan de contrôle avec un débit faible peut gérer un plan de transfert avec un haut débit. L'objectif est
d'optimiser les ressources tout en réduisant la capacité du plan de contrôle.