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.

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.

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 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 средне-вропейских абонентов в «час пик», более чем в 1000 раз превышает потребность 64 средне-американских абонентов в «час пик» и более чем в 400 раз превышает потребность 64 средне-японских 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.

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.

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.

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.