PON has the point-to-multipoint downstream and multipoint-to-point upstream structure. Especially EPON among the PON technologies uses Ethernet as a basic transmission protocol.
The advantages of EPON are wider bandwidth, lower cost and easy to implement. A failure in network elements can cause serious problems because optical access networks transmit aggregated high-speed data from several hundreds of subscribers. Therefore, the survivability of EPON is necessary and becomes important to provide seamless services and operate the reliable networks.
In this thesis, we propose a new protection architecture and its protection algorithms. Our proposed protection architecture, type N, provides the diverse protection demands, a high class user and a universal user, like protection architecture C. However, with adding additional switch to the PON, type N offers higher grade service than type C. Under the single failure occurrence, if another failure occurs, type N can serve high class user, but type C breaks down. We present protection algorithms for our protection architecture using different two EPON messages; MPCP message and OAM message. We detect a failure occurrence using these messages, switch to the recovery module and provide stable transmission. Though MPCP message is not the traditional maintenance intended message but the upstream control functionality message, if we use MPCP, we can control the upstream with no collision, detect network failures and recover from failures in fast time without special OAM function.
We show the performance evaluation of our protection architecture. Our protection architecture guarantees 50ms recovery time with using both MPCP message and OAM message. Additionally our protection architecture has the longest MTTF and the smallest break down probability of all protection architectures. In these results, we know that our protection architecture provide stable and reliable services.
본 논문에서는 Ethernet PON(Passive Optical Network)에서 가입자에게 서비스를 다양하게 제공할 수 있는 적용 가능한 보호 복구 구조와 알고리즘을 제안하였다.
PON이란 수동형 광 소자를 이용한 가입자 망 기술을 의미한다. 여러 PON 기술 중 EPON은 큰 대역폭을 제공하는 것에 비해 저렴한 비용으로 구현이 가능한 광 가입자 망 기술이다. 광 가입자 망에서는 수 많은 가입자로부터 고속의 데이터가 OLT (Optical Line Terminator)로 전송 되기 때문에, 망 내 특히 각 가입자들이 공유하는 링크에서 고장이 발생하면 망 전체적으로 심각한 문제가 발생할 수 있다. 그러므로, EPON에서의 생존성은 중요한 사안이고 고려 되어야 할 문제이다. EPON에서의 다루어지는 주요 이슈는 OAM (Operation, Administration and Management), 대역폭 할당, 보호복구 등이라고 할 수 있는데, EPON에서의 보호복구에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 EPON에서의 새로운 보호복구 구조와 알고리즘을 제안하고 기존에 ITU-T에서 제안한 구조의 성능을 비교 및 검증한다.
현재 ITU-T 문서 G-983.1에 PON을 위한 보호 복구 구조 4가지가 제안되어 있다. 이들 구조 중, 보호 복구 구조 C는 ODN(Optical Distribution Network)의 모든 부분이 이중화 되어 있기 때문에, 다른 구조에 비해 뛰어난 보호 복구 기능을 가진다. 하지만, 이 구조는 단일 고장(single failure)에 대해서는 보호복구 기능을 지원하지만, 이중 고장(dual failure)이 발생할 경우에는 시스템이 동작하지 못하는 단점이 있다. 본 논문에서 구조 C를 비롯한 기존 구조의 장점을 수용하고, 단점을 보완하는 새로운 보호복구 구조 N을 제안한다.
본 논문에서 제안한 구조 N은 PON내 ODN 전체를 이중화 하는 동시에 일반 가입자와 한 단계 높은 서비스 즉, 이중 고장이 발생 한 경우에도 서비스 제공이 가능한 고급 가입자를 동시에 수용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 구조 N은 1+1 보호복구를 제공하기 때문에, 고속 스위칭이 가능하다. 제안한 구조 N에 EPON에 정의되어 있는 MPCP (MultiPoint Control Protocol) 메시지와 OAM 메시지를 사용하여 고장이 발생하였을 경우, 각각 보호 복구 동작에 대한 알고리즘을 OLT, ONU별로 제안하였다.
구조 N에의 보호복구 기법에 대한 성능을 검증하기 위하여 구조의 구축 비용, 보호복구 시간, MTTF (Mean Time To Failure), break down probability 측면에서 분석 및 검증하였다.
구조의 구축 비용 측면은 비슷한 보호복구 수준, 즉 이중화 된 ONU와 그렇지 않은 ONU를 동시에 수용할 수 있는 구조 C, D 그리고 제안한 N의 경우를 ONU 수, OLT와 ONU가 떨어진 거리에 따라 검증하였다. 검증결과, 제안한 구조 N은 구조 C와 D의 중간 정도의 구축 비용이 필요하다는 결과가 얻었다. 구조 N은 이중 고장에도 동작 가능한 고급 가입자를 수용하기 위하여 구조 C와 비교하여 스위치와 링크가 더 필요하기 때문에 구조 C보다 비용이 더 필요함을 알 수 있다. 하지만, EPON이 가입자 망에 많이 쓰이게 될수록 소자 별 단가의 가격이 낮아져서, 총 구축 비용이 저렴해질 수 있다.
두 번째로 MPCP와 OAM 메커니즘을 이용하여 구조 별로 보호복구 시간을 구하였다. 제안한 구조 N은 MPCP와 OAM을 이용한 알고리즘을 적용하여 보호 복구 시간을 구하였을 때, 두 경우 모두 50ms 이내에 복구된다는 것을 수식을 통하여 분석하였다. 보호 복구 구조 N이 구조 C에 비해 보호 복구 시간이 많이 걸리는 것은, 고급 가입자에게 한 단계 높은 보호 복구 기능을 제공하기 때문에 부가적으로 더 많은 시간이 걸리기 때문이다. 따라서, MPCP가 본래 보호 복구를 위한 프로토콜이 아니기 때문에 MPCP를 적용하였을 때 보호 복구 시간이 OAM을 적용한 경우보다 길다는 것을 알 수 있다. 그러나, MPCP와 OAM은 모두 EPON에 있어서 선택사항이기 때문에, MPCP를 EPON에 적용하게 되면, 부가적인 OAM 기능이 없어도 망의 고장을 감지해서 복구할 수 있다는 장점이 있다.
세번째는 MTTF에 관한 것으로써 MTTF는 시스템에서 고장이 발생하는 간격을 의미하며, 시스템의 안정성을 판단할 수 있는 요소이다. 보호복구 구조에서 고장이 발생하는 이벤트에 따라 상태 천이도를 작성하여 각 구조의 MTTF를 구하고, 각 구조에서 고장이 발생하는 간격을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 제안한 구조 N은 다른 구조들에 비해 가장 긴 MTTF 값을 가진다. 즉, 제안한 구조 N이 가장 안정적인 구조라는 것을 알 수 있다.
마지막으로 break down probability는 단일 혹은 이중 고장으로 인하여 시스템이 더 이상 동작하지 못하는 상태를 의미한다. 앞선 상태 천이도를 이용하여 각 구조의 break down probability를 구한 결과, 제안한 구조 N이 다른 구조들에 비하여 월등히 높은 신뢰성을 가진다는 결론을 내릴 수 있었다.
