EPON系統(tǒng)中高效視頻組播的實(shí)現(xiàn)方法

摘要　采用EPON系統(tǒng)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)可以為每個(gè)用戶提供較高帶寬，并且能較好地支持組播功能，是視頻組播業(yè)務(wù)重要的用戶接入手段。提供一種在EPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效率組播的方法，充分發(fā)揮EPON網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使同一個(gè)組播組的用戶共享一條流，從而提高下行帶寬的利用率。

1、EPON簡(jiǎn)介

　　以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）技術(shù)是一種基于以太網(wǎng)技術(shù)、點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖接入技術(shù)，它集以太網(wǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)單性和PON網(wǎng)絡(luò)的高效等特點(diǎn)于一身，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖到戶的光纖接入網(wǎng)的最佳方式。

　　EPON系統(tǒng)由局側(cè)的OLT（光線路終端）、用戶側(cè)的ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及ODN（光分配網(wǎng)絡(luò)）組成。一般其下行采用TDM廣播方式、上行采用TDMA（時(shí)分多址接入）方式，而且可以靈活地組成樹型、星型、總線型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（典型結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu)）。所謂“無(wú)源”，是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無(wú)源器件組成，因此其管理維護(hù)的成本較低。

2、EPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視頻組播的意義

　　采用EPON系統(tǒng)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)可以為每個(gè)用戶提供較高帶寬，可以滿足任何視頻壓縮格式的視頻業(yè)務(wù)傳送需要，能在傳輸過(guò)程中提供較高的QoS保障。同時(shí)，由于EPON網(wǎng)絡(luò)其點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，并且支持組播協(xié)議能較好地支持組播功能，是視頻組播業(yè)務(wù)最好的用戶接入手段。因此，在EPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效的視頻組播是非常有意義的：可以利用網(wǎng)絡(luò)的組播特性方便地提供一些新的增值業(yè)務(wù)，包括在線直播、網(wǎng)絡(luò)電視、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等互聯(lián)網(wǎng)的信息服務(wù)領(lǐng)域。

3、EPON系統(tǒng)中現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)組播方案

　　目前EPON系統(tǒng)均采用IGMP Proxy/Snooping協(xié)議實(shí)現(xiàn)組播。

　　IGMP Proxy的實(shí)現(xiàn)機(jī)理：OLT靠攔截用戶和路由器之間的IGMP報(bào)文建立組播表，Proxy設(shè)備的上聯(lián)端口執(zhí)行主機(jī)的角色，下聯(lián)端口執(zhí)行路由器的角色。

　　IGMP Snooping的實(shí)現(xiàn)機(jī)理：OLT以偵聽主機(jī)發(fā)向路由器IGMP成員報(bào)告消息的方式，形成組成員和交換機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，OLT則根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，將收到的組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到組成員的端口。

　　組播系統(tǒng)由視頻組播業(yè)務(wù)系統(tǒng)、IP城域網(wǎng)、接入網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)四部分組成，如圖1所示。


圖1　一般組播實(shí)現(xiàn)方案

　　EPON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻組播的一般流程如下：

　　第1步：機(jī)頂盒（STB：Set-top Box）或PC機(jī)通過(guò)發(fā)送DHCP報(bào)文從DHCP服務(wù)器獲得一個(gè)IP地址；

　　第2步：BRAS對(duì)STB上報(bào)的用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，獲得電子節(jié)目表；

　　第3步：用戶在電子節(jié)目表進(jìn)行節(jié)目選擇；

　　第4步：選中節(jié)目后，STB就發(fā)送一個(gè)IGMP加入的請(qǐng)求報(bào)文；

　　第5步：在組播路由器上建立組播映射表（組和VLAN相對(duì)應(yīng)）；

　　第6步：OLT上建立組播轉(zhuǎn)發(fā)表，為每個(gè)加入組的用戶復(fù)制視頻流；

　　第7步：用戶觀看組播節(jié)目。

　　其中關(guān)鍵的是要在組播路由器中建立組播映射表和OLT上建立組播轉(zhuǎn)發(fā)表并復(fù)制視頻流。具體實(shí)現(xiàn)因IGMP Proxy和IGMP Snooping的不同而不同。

　　在IGMP Proxy模式下當(dāng)OLT收到IGMP申請(qǐng)加入報(bào)文后，OLT啟動(dòng)IGMP Proxy功能，截獲這個(gè)申請(qǐng)報(bào)文。然后是鑒權(quán)，鑒權(quán)通過(guò)后進(jìn)行以下邏輯檢查：若申請(qǐng)的組是OLT中還沒有的，那么OLT就向上層路由器發(fā)送一個(gè)IGMP加入請(qǐng)求，并建立組播轉(zhuǎn)發(fā)表；如果在OLT內(nèi)已經(jīng)存在一個(gè)這樣的組播組，則直接將該用戶加入OLT上的組播轉(zhuǎn)發(fā)表，不再向上層路由器發(fā)送IGMP加入報(bào)文，同時(shí)建立組播業(yè)務(wù)和用戶的對(duì)應(yīng)表。

　　在IGMP Snooping模式下當(dāng)OLT收到IGMP加入報(bào)文后，通過(guò)偵聽獲得組播轉(zhuǎn)發(fā)表消息，但對(duì)IGMP報(bào)文而言，它是透?jìng)鹘?jīng)過(guò)OLT的。

4、EPON系統(tǒng)中高效組播

　　目前，EPON系統(tǒng)中采用的IGMP Proxy/Snooping協(xié)議方式，在OLT上需要對(duì)每個(gè)加入組播組的用戶復(fù)制一條視頻流，使下行帶寬的利用率降低。

　　本文提供一種可行方案，充分發(fā)揮EPON網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在EPON系統(tǒng)中高效視頻組播，使同一個(gè)組播組的用戶共享一條流，從而提高下行帶寬的利用率。

　　4.1　EPON系統(tǒng)高效組播實(shí)現(xiàn)思路

　　EPON系統(tǒng)中，MAC控制子層的MPCP（multi point control protocol）機(jī)制是核心和基礎(chǔ)。MPCP通過(guò)消息、狀態(tài)機(jī)和定時(shí)器來(lái)控制訪問(wèn)P2MP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時(shí)隙的分配、ONU的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和加入、向高層報(bào)告擁塞情況以便動(dòng)態(tài)分配帶寬。

　　P2MP拓?fù)渲械拿總�(gè)ONU都包含一個(gè)MPCP實(shí)體，它可以和OLT中的MPCP實(shí)體進(jìn)行消息交互。MPCP在OLT和ONU之間規(guī)定了一種控制機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中上行方向在一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)ONU發(fā)送，位于OLT的高層負(fù)責(zé)處理發(fā)送的定時(shí)和不同ONU的擁塞報(bào)告，從而優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。P2P仿真子層是EPON/MPCP協(xié)議中的關(guān)鍵組件，通過(guò)給每個(gè)分組包增加LLID（logical link identification）從而替代2字節(jié)的前綴，它可使P2MP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)于高層來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路的集合。

　　ONU通過(guò)一個(gè)唯一的“ONU ID”標(biāo)識(shí)自己的身份，OLT端通過(guò)ONU ID識(shí)別ONU，實(shí)現(xiàn)測(cè)距、時(shí)隙分配等功能。下行數(shù)據(jù)都會(huì)帶有ONU ID，ONU據(jù)此來(lái)識(shí)別自己的數(shù)據(jù)。任何監(jiān)測(cè)、破壞和竊聽ONU端口通信的企圖都會(huì)被阻擋在外。

　　在此基礎(chǔ)上，本文提出以下組播實(shí)現(xiàn)思路：系統(tǒng)定義一系列專用于組播的ONU ID，用戶的組播加入請(qǐng)求經(jīng)過(guò)OLT時(shí)，OLT對(duì)這個(gè)消息進(jìn)行監(jiān)聽并記錄下來(lái)，建立ONU LLID與組播組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確定哪些ONU可以接收這個(gè)組播ID下的業(yè)務(wù)。ONU利用同樣的機(jī)制根據(jù)各端口用戶是否申請(qǐng)加入和是否通過(guò)認(rèn)證來(lái)確定是否把業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶端口。

　　4.2　EPON系統(tǒng)高效組播實(shí)現(xiàn)流程

　　充分利用EPON系統(tǒng)點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，將IGMP協(xié)議與PON的多播機(jī)制相映射，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)組的組播流共享，如圖2所示。


圖2　高效組播實(shí)現(xiàn)方案

　　詳細(xì)流程如下：

　　第1步：用戶IP TV機(jī)頂盒（STB：Set-top Box）或PC機(jī)通過(guò)發(fā)送DHCP請(qǐng)求從DHCP服務(wù)器獲得一個(gè)IP地址；

　　第2步：認(rèn)證服務(wù)器對(duì)STB/PC上報(bào)的用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)認(rèn)證后，可在特定的視頻服務(wù)網(wǎng)站上獲得由視頻服務(wù)器提供的電視以及視頻點(diǎn)播的節(jié)目表；

　　第3步：用戶使用遙控器選擇電視或視頻點(diǎn)播節(jié)目；

　　第4步：用戶選中節(jié)目后，STB/PC會(huì)向組播路由器發(fā)送一個(gè)IGMP組播加入請(qǐng)求報(bào)文；

　　第5步：在IGMP加入請(qǐng)求報(bào)文經(jīng)過(guò)ONU時(shí)，ONU對(duì)這個(gè)消息進(jìn)行監(jiān)聽并記錄下來(lái)，同時(shí)ONU生成組成員和ONU端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并形成組播過(guò)濾表；

　　第6步：在IGMP加入請(qǐng)求報(bào)文經(jīng)過(guò)OLT時(shí)，OLT對(duì)這個(gè)消息進(jìn)行監(jiān)聽并記錄下來(lái)，同時(shí)OLT生成廣播ID和組播組成員的相應(yīng)ONU ID的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合ONU的組播申請(qǐng)權(quán)限，形成組播對(duì)應(yīng)表，然后通過(guò)管理通道下發(fā)給ONU；將IGMP加入請(qǐng)求報(bào)文傳送到組播路由器；

　　第7步：組播路由器在收到IGMP加入請(qǐng)求報(bào)文后，建立組播映射表（組和VLAN對(duì)應(yīng)關(guān)系），并轉(zhuǎn)發(fā)組播流；

　　第8步：OLT接收到組播流后，將組播報(bào)文的前導(dǎo)碼中的LLID域填充為廣播ID，并將組播流廣播給ONU；

　　第9步：ONU接收到帶廣播ID的報(bào)文時(shí)，根據(jù)OLT下發(fā)的組播對(duì)應(yīng)表接收相應(yīng)的組播流，檢查組播過(guò)濾表，并向發(fā)起IGMP請(qǐng)求報(bào)文的用戶端口轉(zhuǎn)發(fā)組播流。

　　第10步：用戶觀看組播節(jié)目。

5、EPON系統(tǒng)中高效組播的特點(diǎn)

　　本文提出的方法在現(xiàn)有的采用IGMP Proxy/Snooping實(shí)現(xiàn)視頻組播的基礎(chǔ)上，結(jié)合EPON系統(tǒng)本身固有的廣播機(jī)制，改善原有組播帶寬利用率低的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效視頻組播。

　　本文提出的方法相對(duì)于現(xiàn)有方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：

　�、俦痉椒▽�(shí)現(xiàn)了PON系統(tǒng)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效視頻組播，能夠大量節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；

　�、趦H需要對(duì)現(xiàn)有OLT、ONU進(jìn)行軟件升級(jí)；

　�、鄄恍枰獙�(duì)PON網(wǎng)絡(luò)作任何改動(dòng)，方案容易實(shí)施；

　　④容易與數(shù)據(jù)網(wǎng)IGMP組播協(xié)議實(shí)現(xiàn)互通。