Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Ethernet stał się standardem połączeń urządzeń sieciowych, który zupełnie zdominował metody transportu danych w sieciach komputerowych. Specyfikacja Ethernet powstała jednak kilkadziesiąt lat temu, a przez ten okres zdecydowanie zmieniły się typy interfejsów, prędkości transmisji i inne charakterystyczne elementy technologii.

W 2001 roku MEF (Metro Ethernet Forum) rozpoczęło pracę nad definicją specyfikacji Carrier Ethernet 1.0. Carrier Ethernet stał się technologią pozwalającą na wykorzystanie standardu Ethernet w budowie struktur WAN. Dzięki wykorzystaniu technologii Carrier Ethernet operatorzy uzyskali możliwość udostępniania klientom struktur Ethernet, ale i wykorzystywania tej technologii w ramach własnych sieci rozległych. Pierwotnym założeniem operatorskiego Ethernetu była możliwość zestawiania połączeń Ethernet w relacji punkt-punkt poprzez różne połączenia, w ramach sieci jednego operatora. Jedną z najmocniejszych stron pierwszej generacji CE była możliwość zmiany przepustowości łącza na żądanie oraz bardzo wysoka skalowalność rozwiązania. Gdy firmy rozrastały się, CE 1.0 idealnie wpisywał się w schematy pracy wielooddziałowej, dostosowując dynamicznie parametry łączy do aktualnych potrzeb.

Jeżeli technologia Carrier Ethernet w wersji 1.0 w obecnych czasach nie musiałaby oferować nic ponad prostą i skalowalną usługę, prawdopodobnie nadal odnosiłaby sukcesy. Zwiększone wymagania związane z pracą w chmurach, wielooddziałowość czy praca zdalna wymusiły ewolucję operatorskiego Ethernetu. W 2012 roku pojawiła się nowa specyfikacja oznaczona nazwą Carrier Ethernet 2.0.

Jak odróżnić Carrier Ethernet od zwykłego Ethernetu?

Carrier Ethernet pomimo pokrewieństwa z tradycyjną siecią Ethernet, nie jest technologią sieci lokalnych LAN. Istnieje kilka kluczowych aspektów odróżniających omawiane technologie. Tradycyjna technologia Ethernet tworzy sieć LAN, która obsługuje jedną organizację, zazwyczaj jest ograniczona do jednego budynku. Każdy użytkownik w tym modelu jest przyłączony do niezależnego gniazda sieci LAN na przełączniku sieciowym. W przypadku Carrier Ethernet mamy do czynienia z technologią, która wykorzystuje dodatkowe funkcjonalności sieciowe, pozwalające dostawcom i operatorom tworzyć infrastrukturę dostarczającą technologię Ethernet poprzez sieci WAN czy MAN. Technologia CE pozwala na budowę sieci łączących różne organizacje i lokalizacje, tworzyć połączenia Ethernet poprzez sieci różnych technologii czy przyłączać całą organizację do sieci Ethernet. Carrier Ethernet został stworzony dzięki wykorzystaniu podstawowych założeń technologii Ethernet, uzupełnionych dodatkowymi funkcjonalnościami. Podstawowymi zaletami Carrier Ethernet jest standaryzacja, skalowalność, zarządzanie, niezawodność oraz gwarancja jakości usług. Carrier Ethernet jest technologią pozwalającą na implementację technologii Ethernet z wykorzystaniem różnych technologii transportowych m.in. SONET/SDH, PDH, MPLS, OTN, WDM, xDSL.

CE 1.0 a CE 2.0

Technologia Carrier Ethernet w pierwszej generacji została stworzona, w celu dostarczania standardowych usług Ethernet w ramach sieci jednego operatora. Technologia CE 1.0 umożliwiała transmisję Ethernet przez dowolną technologię transportową, przykładowo FrameRelay/ATM, SONET/SDH, OTN/WDM z określonym poziomem SLA. CE 1.0 to sieci i usługi, które oparte były na standardowych elementach Ethernet, dostarczanych poprzez sieć jednego operatora. Wspierane usługi to E-LAN i E-Line. MEF nadal przewiduje zastosowania dla CE 1.0, jako skalowalnej usługi realizowanej w ramach sieci jednego operatora.

W 2013 roku MEF rozpoczęło nowy rozdział w certyfikacji, związany z drugą wersją Carrier Ethernet, oznaczoną symbolem CE 2.0. Druga generacja Carrier Ethernet 2.0 była naturalną ewolucją pierwszej generacji CE. Umożliwia dostarczanie różnych usług i aplikacji poprzez globalną, zarządzaną infrastrukturę różnych operatorów. CE 2.0 wprowadza kilka głównych udoskonaleń obszarów znanych ze specyfikacji CE 1.0. CE 2.0 to sieci i usługi wspierane przez wiele klas jakości usług, zarządzalne i realizowane poprzez połączone sieci dostawców. CE 2.0 wspiera usługi E-LAN, E-Line, E-Tree, E-Access. Jak widać, w przeciwieństwie do CE 1.0, nowy standard CE 2.0 wspiera większą liczbę usług. Dodatkowymi nowościami są rozbudowane klasy jakości Multi-CoS, rozbudowane zarządzanie oraz połączenia międzyoperatorskie.

Elementy sieci operatorskiego Ethernetu

Najważniejsze elementy sieci CE (Carrier Ethernet) to interfejsy oznaczone jako Ethernet UNI oraz Ethernet ENNI. Elementy te są szczególnie istotne w procesie rozwiązywania awarii i porozumień na linii klient – usługodawca – operator – dostawca – producent sprzętu.

Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Połączenie P2P (point-to-point) pomiędzy UNI.

Ethernet UNI jest fizycznym interfejsem usługi Ethernet, który jest przyłączony do sieci użytkownika końcowego. Użytkownik końcowy usługi zawsze będzie przyłączony do usług Carrier Ethernet poprzez interfejs UNI. Na tym interfejsie rozgraniczana jest jednocześnie odpowiedzialność operatora i klienta. Operator odpowiada za łącze do interfejsu UNI, natomiast odpowiedzialność klienta zaczyna się od interfejsu UNI i prowadzi poprzez sieć LAN. Interfejs Ethernet ENNI stanowi fizyczny interfejs Ethernet pozwalający uzyskać połączenie pomiędzy różnymi operatorami lub dostawcami usług. Każdy operator lub dostawca usług odpowiada za adekwatny odcinek sieci do określonego interfejsu ENNI. Logiczne połączenia pomiędzy dwoma lub więcej punktami końcowymi UNI określane są wirtualnymi kanałami komunikacji EVC (Ethernet Virtual Connectivity). Istnieją trzy typy EVC – MP2MP (multipoint-to-multipoint), P2P (point-to-point), RMP (root-multipoint). Logiczne połączenie pomiędzy UNI a ENNI lub ENNI a ENNI określane jest nazwą OVC (Operator Virtual Connection). OVC może być częścią EVC. Istnieją dwa typy OVC – MP2MP (multipoint-to-multipoint) oraz P2P (point-to-point). Z przedstawionych elementów składane są różne usługi technologii Carrier Ethernet.

Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Połączenie EVC – MP2MP (multipoint-to-multipoint) pomiędzy UNI.

Usługi w sieciach Carrier Ethernet

Usługi w specyfikacjach CE 1.0 oraz CE 2.0 są definiowane przez MEF. Usługi są podzielone na odpowiednie kategorie oraz typy, do których przypisane są atrybuty i parametry. Kategorie te zależą od typu zastosowanego połączenia – EVC lub OVC.

Istnieją trzy typy usług bazujących na EVC: E-Line (P2P), E-LAN (MP2MP), E-Tree (RMP). Usługi E-Line tworzone są w postaci wirtualnego kanału punkt-punkt Ethernet. Zazwyczaj realizujemy za pomocą tego elementu usługi EVPL (Ethernet Virtual Private Lines), EPL (Ethernet Private Lines), a także EIA (Ethernet Internet Access). Usługi E-LAN są tworzone w postaci wirtualnych połączeń wielopunkt-wielopunkt Ethernet. Za pomocą tego elementu realizujemy usługi wielopunktowego VPN w warstwie drugiej (EVP-LAN), przeźroczyste usługi LAN (EP-LAN), sieci multicast. Usługi E-Tree stanowią drzewiastą architekturę wielopunktowych kanałów wirtualnych Ethernet. Realizowane są tu usługi sieci rozgłoszeniowych, separacji ruchu, wielopunktowy L2 VPN, a także EP-Tree i EVP-Tree.

Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Połączenie RMP (root-multipoint) pomiędzy UNI.

Usługi oparte na połączeniach OVC zostały zebrane w jedną kategorię, określaną nazwą E-Access. Usługi E-Access są przeznaczone do realizacji usług punkt-punkt w całej relacji, od źródła do przeznaczenia, z wykorzystaniem elementów UNI oraz ENNI. Realizowane są w tym procesie usługi Access EPL (E-APL) oraz Access EVPL (E-AVPL). Access EPL (Access Ethernet Private Line Services) wykorzystuje technologię punkt-punkt OVC pomiędzy UNI i ENNI. Umożliwia dostarczenie ramek z UNI do ENNI niezmienionych, przy możliwości dodania znaczników S-VLAN oraz nagłówków MPLS. Access EVPL (Access Ethernet Virtual Private Line) – podobnie jak Access EPL używa kanału OVC punkt-punkt pomiędzy UNI oraz ENNI, ale wspiera wiele instancji usług. W technologii Carrier Ethernet dość powszechnie wykorzystywane są mechanizmy VLAN. Występują elementy standardu IEEE 802.1Q, rozszerzone o mechanizmy pozwalające na zapewnienie niezawodności i skalowalności (802.11ad oraz 802.11ah). Dzięki funkcjonalności, która umożliwia mapowanie przesyłanych informacji etykietami VLAN, dostawca może oddzielić ruch VLAN separujący usługi klienta (C-VLAN) od VLAN-ów wykorzystywanych przez dostawcę usług (S-VLAN). Dzięki tak skonstruowanemu mechanizmowi dostawca może separować ruch w sieci bez naruszania informacji VLAN klienta. Mechanizm ten często określany jest terminem Q-in-Q VLAN.

Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Schemat połączenia sieci LAN klienta z siecią dostawcy Carrier Ethernet.

Usługi E-Access są często oferowane jako dostęp Ethernet dla dostawców usług, którzy realizują z wykorzystaniem tego elementu usługi EVC dla końcowych użytkowników. E-Access może zostać użyte także na kilka innych sposobów – do łączenia z Internetem i dostarczenia centralizowanego szybkiego dostępu do Internetu, do połączeń z wirtualnymi sieciami prywatnymi (VPN), w celu połączenia pomiędzy wieloma oddziałami, a także połączenia do chmury, dla klienta wymagającego dedykowanego połączenia do lokalizacji centrum danych. W każdym z przypadków E-Access daje dostawcy usług wyższą przepustowość przy niższych kosztach własnych. Operator nie musi inwestować w rozbudowę własnej sieci.

Parametry usług

Z usługami Carrier Ethernet nieodłącznie powiązane są atrybuty. Atrybuty pozwalają dostawcy dostosować usługę do potrzeb klienta końcowego oraz w rezultacie stworzyć umowę SLA (Service Level Agreements). Jednym z ważniejszych atrybutów jest profil przepustowości, który definiuje prędkość transmisji ramek Ethernet na zewnętrznym interfejsie. Profile mogą dotyczyć ruchu przychodzącego (ingress), jak i wychodzącego (egress). Pozwalają ograniczyć ruch zgodnie z założoną umową SLA, a także wspierają wiele kanałów EVC lub OVC przez jeden interfejs UNI, poprzez odpowiedni podział przepustowości pomiędzy wiele EVC (OVC). Profile przepustowości mogą być realizowane ze wskazaniem na UNI, kanały wirtualne EVC (OVC) na UNI, kanały wirtualne EVC (OVC) z wykorzystaniem klas usług CoS. Natomiast te, przypisywane do ENNI, mogą być realizowane z wyszczególnieniem OVC w ENNI lub OVC na podstawie klas usług (CoS).

Operatorski Ethernet – Carrier Ethernet 2.0

Połączenie hurtowego i detalicznego dostawcy usługi poprzez interfejs ENNI.

Profile przepustowości poprzez elementy CIR, EIR, CBS, EBS, CM wskazują kluczowe parametry ruchu. Parametr CIR wskazuje przepustowość, przy której gwarantowane są określone parametry zdefiniowane w SLA. Parametry CIR muszą zostać zarezerwowane na całej ścieżce ramek Ethernet związanej z danym EVC (OVC). Parametr EIR definiuje poziom przekroczeń przepustowości dozwolony w sieci, ale nie gwarantujący utrzymania odpowiednich parametrów ruchu. CBS i EBS określają maksymalną liczbę bajtów, które mogą zostać przetransmitowane przez sieć i są powiązane z CIR oraz EIR.

Kontrola ścieżek w Carrier Ethernet

Sieci Carrier Ethernet muszą być wyposażone w elementy kontroli ścieżki trasowania. Pozwala to odpowiednio kierować ruchem oraz alokować zasoby, w celu spełnienia określonych wymagań SLA.

Pierwszym elementem szkieletu sieci CE jest BEB (Backbone Edge Bridge). W tym miejscu realizowane jest przyjmowanie ramek klienta i opakowywanie w ramki szkieletowe operatora, oznaczane źródłowym i docelowym MAC-adresem na poziomie sieci szkieletowej. Wykorzystanie w tym procesie mechanizmów VLAN daje operatorowi właściwie nieograniczoną skalowalność. Szkielet sieci operatora PBBN (Provider Backbone Bridged Network) składa się z zestawu brzegowych BEB-mostów operatora, przyłączonych do mostów szkieletowych operatora BCB (Backbone Core Bridges).

Przykładem mechanizmu realizującego zadania kontroli trasowania może być PBB-TE (IEEE 802.1Qay). Operatorzy wdrażają mechanizmy PBB-TE w domenie usług PBBN w celu zapewnienia struktury gwarantującej odpowiednią niezawodność, parametry QoS, zarządzanie ruchem, a w rezultacie spełnienie norm SLA. Ruch może być monitorowany, a awarie wykrywane z użyciem mechanizmów 802.1ad i 802.1ah. PBB-TE może być także wykorzystywany w procesie dywersyfikacji ścieżek, w celu balansowania ruchem, ale też zapewnienia odpowiedniej wydajności. Przekazywanie ramek w PBB-TE jest realizowane na podstawie MAC-adresu oraz VLAN ID. Mechanizmy kontroli i zarządzania PBB-TE umożliwiają wspieranie przełączania ścieżek w topologii punkt-punkt oraz wielopunkt poprzez środowisko PBBN. PBB-TE kontroluje elementy BCB i BEB w ramach struktury PBBN.

Nowości w Carrier Ethernet 2.0

Na usługi Ethernet i ich jakość niewątpliwie wpływa zjawisko nadsubskrypcji. Występuje ono w przypadku, gdy zapotrzebowanie na zasoby przepustowości jest większe niż faktycznie dostępna przepustowość. Nadsubskrypcja jest często wykorzystywana przez operatorów usług dostępu do Internetu, którzy mogą spodziewać się, że w danym czasie nie wszyscy klienci będą wykorzystywali usługi w pełnym zakresie przydzielonej przepustowości. Operator może w takim przypadku posiadać mniej zasobów przepustowości, niż wynika to z zawartych z klientami umów. W przypadku usług CarrierEthernet mamy do czynienia w większości przypadków z usługami o gwarantowanych parametrach. Jeżeli jednak w sieci pojawi się zator, mechanizmem obronnym jest odrzucanie pakietów. W większości aktualnie wykorzystywanych usług Ethernet pracujących w topologii punkt-punkt, wszystkie dane są traktowane identycznie. W przypadku zatorów nie istnieje mechanizm, który mógłby stwierdzić, jakie pakiety odrzucać w pierwszej kolejności. W standardowym Ethernecie możliwe jest wprowadzenie mechanizmów QoS (Quality of Sernice), pozwalających marginalizować wpływ zatorów na pracę sieci. Rozwiązaniem tego problemu w specyfikacji CE 2.0 jest funkcjonalność Multi-CoS. Mechanizm przypisuje określone klasy usług do różnych aplikacji. W ten sposób określamy ważność poszczególnych danych i wskazujemy te, które będą odrzucane w pierwszej kolejności w przypadku zatorów. CE2.0 określa trzy klasy usług (niską, średnią i wysoką). W przypadku zatorów pakiety z najwyższym priorytetem zostaną przesłane w pierwszej kolejności.

Wdrożenie usług Carrier Ethernet wymaga zdolności do zdalnego diagnozowania problemów pojawiających się w sieci. Diagnostyka w przypadku tej technologii jest szczególnie utrudniona, ponieważ infrastruktura może rozciągać się nawet na kilkaset kilometrów. Według nowej specyfikacji usługi Ethernet mogą być wspierane przez wielu dostawców i sprzęt pochodzący od różnych producentów jednocześnie. W przypadku awarii bardzo trudno ustalić, kto jest odpowiedzialny za odpowiedni sprzęt czy kabel. Szczególnie trudne jest ustalenie, który port, kabel, światłowód czy urządzenie stwarza problem. Zazwyczaj będzie to oznaczało konieczność wykonania kilkunastu telefonów oraz niezłego zamieszania w komunikacji na liniach pomiędzy operatorami, użytkownikami a producentami sprzętu. Rozszerzenie mechanizmów OAM zdefiniowane przez MEF może zostać wykorzystane do znalezienia i wskazania problemów w sieci. CE 2.0 poskazuje sposoby szybkiej diagnostyki problemów, zmierzającej do usunięcia wszelkich uszkodzeń. Ethernet OAM stanowi zestaw mechanizmów, spełniających zadania diagnostyki CE. Mechanizmy Ethernet OAM zostały zdefiniowane w dokumentach IEEE 802.1ag/802.11ah i na tej podstawie zostały przeniesione na poziom usług Carrier Ethernet.

Kluczowym komponentem OAM jest zarządzanie problemami połączeń, które określa protokoły i procedury rozwiązywania kłopotów. Elementy OAM przeprowadzają procesy wyszukiwania i weryfikacji ścieżek poprzez mosty warstwy L2, a następnie wykrywają i izolują błędy łączności w określonym moście. Komponent CFM (Connectivity Fault Management) tworzy zarządzane obiekty MA (Maintenance Associations), w celu stworzenia struktury wymiany wiadomości CFM. Zakres zarządzania jest zdefiniowany poprzez domenę zarządzania MD (Maintenance Domain), która wskazuje zakres sieci monitorowanej i zarządzanej. Każdy MA dowiązuje dwa lub więcej MEP (Maintenance Association Endpoint) i pozwala zarządzać MIP (Association Intermediate Points), w celu wspierania wykrywania i izolacji problemów. Komunikaty CFM są przesyłane w każdym MA, aby zweryfikować łączność. Każdy MEP może wysyłać okresowo komunikaty sprawdzające komunikację CCM (Connectivity Check Message) i śledzić CCM odbierane z innych MEP, w celu zarządzania powiązaniami. Sprawdzanie łączności pomaga wykrywać straty pakietów, opóźnienia, miejsce powstania problemu. Gdy zostanie on znaleziony, następuje weryfikacja błędu oraz próba przywrócenia łączności. W procesie sprawdzania wykorzystywana jest metoda wykrywania ścieżki (path discovery). Używa ona protokołu kontroli ścieżki realizowanego poprzez ruch multicast, który sprawdza każde łącze (od jednego MEP do kolejnych) na ścieżce do docelowego adresu MAC.

Zastosowania

Wzrastająca dominacja IP oraz Ethernet w różnego typu sieciach, umożliwia transmisję szerokiego wachlarza usług poprzez tę samą infrastrukturę. To właśnie największa zaleta Carrier Ethernet.

Przykładem zastosowania technologii Carrier Ethernet może być szkielet sieci dla operatora mobilnego. Operatorzy mobilni typowo uruchamiają stacje bazowe w miejscach zapewniających maksymalne pokrycie zasięgiem bezprzewodowym określonego terenu. Dodatkowym założeniem jest także możliwie minimalny koszt realizacji tego typu infrastruktury. W związku z powyższym zdecydowana większość stacji bazowych sieci mobilnych jest połączona radioliniami wysokich częstotliwości, które przyłączone są do szkieletu światłowodowego. Technologie mobilne 3GPP migrują w rozwiązania IP oraz Ethernet, natomiast połączenia SONET/SDH są coraz bardziej marginalizowane.

Wzrasta także zapotrzebowanie biznesu na połączenia wielu lokalizacji z prędkością sieci lokalnej 100, 1000, a czasami 10 Gb/s. W ten sposób można skonsolidować infrastrukturę teleinformatyczną, umożliwiając bardzo szybką pracę przez sieć dla rozproszonych jednostek. Do tej pory najczęściej zadania te realizowane były z wykorzystaniem technologii Frame-Relay/ATM. Zaletą technologii Carrier Ethernet ponad wysoką przepustowość, jest możliwość łączenia lokalizacji w warstwie L2 sieci. Technologia Carrier Ethernet pozwala także na znaczące przyspieszenie dostępu do Internetu, które nie było dostępne do tej pory przy standardowych technologiach, przykładowo xDSL. Z punktu widzenia biznesu z pewnością Carrier Ethernet będzie technologią, która umożliwi wygodną pracę w chmurze, najczęściej poprzez bezpośredni dostęp L2 z lokalizacji klienta do centrum danych.

Z punktu widzenia operatora usług dostępu do Internetu nowa technologia pozwala na znaczne zwiększenie możliwości dostępu do węzłów wymiany ruchu, możliwości dostarczenia zasobów IPTV od dostawców tej usługi, czy po prostu coraz większą przepustowość dostępu do globalnych zasobów Internetu. Dla operatora potencjalnym zastosowaniem CE może być transmisja wideo aplikacji od dostawcy usług czy konferencje wideo P2P. Technologia CE spełnia rygorystyczne normy opóźnień oraz przepustowości wymaganych przez ruch wideo. Strumienie IPTV mogą być transportowane do użytkownika końcowego poprzez tunele CE.


TOP 200