ASON組播技術(shù)及其應(yīng)用研究

組播是未來光網(wǎng)絡(luò)必不可少的技術(shù)。層疊網(wǎng)絡(luò)的進一步演進，將進一步融合IP組播和光網(wǎng)絡(luò)組播。未來，可以通過降低光網(wǎng)絡(luò)組播樹的粒度來降低光組播的使用門檻，這將有利于促進組播技術(shù)的更廣泛使用。

摘要：業(yè)務(wù)的多樣性和不斷出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)正在驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以IPTV為代表的基于流媒體的業(yè)務(wù)對光網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)，光網(wǎng)絡(luò)需要引入組播功能，支持組播業(yè)務(wù)。組播功能的引入使得光網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率得到有效提高。組播是未來光網(wǎng)絡(luò)必不可少的技術(shù)。層疊網(wǎng)絡(luò)的進一步演進，將進一步融合IP組播和光網(wǎng)絡(luò)組播。未來，可以通過降低光網(wǎng)絡(luò)組播樹的粒度來降低光組播的使用門檻，這將有利于促進組播技術(shù)的更廣泛使用。

關(guān)鍵詞：光網(wǎng)絡(luò);自動交換光網(wǎng)絡(luò);組播技術(shù);流媒體

Abstract:Thedevelopmentofservices and emergence of new services are now driving the development of corresponding optical transport networks. Streaming media services such as IPTV pose new challenges to optical networks as the optical networks must provide multicast capability, taking advantage of multicast for bandwidth efficiency. Multicast is a necessary ingredient in future optical networks. Overlay networks will integrate multicast capabilities of the IP and optical network. In the future, multicast technologies can be promoted through lowering the threshold for multicast applications, that is, decreasing the granularity for an optical network multicast tree.

Keywords:opticalnetwork;ASON; multicast; streaming media

基金項目：國家“863”計劃項目(2003AA103310)

近幾年來，光網(wǎng)絡(luò)市場出現(xiàn)復(fù)蘇，全球市場每年增長約5%～8%。增長主要來自以下幾個方面[1]：移動傳送網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，極大促進市場對多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSPP)和分插復(fù)用器(ADM)的需求;三重播放業(yè)務(wù)的開展，使得家庭用戶的每線數(shù)字用戶線(DSL)帶寬增長10～15倍;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，運營商升級或新建網(wǎng)絡(luò)，如波分復(fù)用(WDM)和自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)的建設(shè)，以有限的建設(shè)投資獲得運營維護的成本的降低;專網(wǎng)市場蓬勃發(fā)展，如地鐵、機場、能源和交通領(lǐng)域用戶的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大大促進了光網(wǎng)絡(luò)市場的增長。

組播技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)分組的復(fù)制，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率，是支持諸如IPTV、視頻會議、存儲和內(nèi)容分發(fā)等帶寬密集型城域應(yīng)用必不可少的技術(shù)。隨著城域光網(wǎng)絡(luò)越來越多地被部署，在光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)組播功能受到業(yè)界的關(guān)注。

1.光網(wǎng)絡(luò)組播的作用

光網(wǎng)絡(luò)中的組播問題早就被研究多波長路由光網(wǎng)絡(luò)的研究人員所提出。在多波長路由的光網(wǎng)絡(luò)中，一條由一個光發(fā)射機和一個光接收機構(gòu)成的光傳輸通道被稱為光路，光路可以實現(xiàn)點到點的通信。光樹是對光路擴展后一種新的連接關(guān)系。在波長路由網(wǎng)絡(luò)中，一棵光樹是包含一個光發(fā)射機和多個光接收機的傳輸通道。光樹實現(xiàn)點到多點的通信，即組播，如圖1所示。

除了支持組播業(yè)務(wù)以外，在波長路由光網(wǎng)絡(luò)中引入光樹還可以帶來更多的好處[2]，例如：

(1)更高速的傳輸

光層組播不需要傳統(tǒng)IP組播中的光電光(OEO)轉(zhuǎn)換，避免了可能的“瓶頸”，所以可以實現(xiàn)更高速信號的傳輸。

(2)更高的虛擬可達性

使用光樹可以讓一個客戶同時連接到更多的其他客戶，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的虛擬可達性。

(3)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)

通用多協(xié)議標記交換(GMPLS)技術(shù)允許把一組多協(xié)議標記交換(MPLS)標記交換路徑(LSP)放入一個波長通道中進行傳輸，但是LSP僅限于相同的源和目的節(jié)點。光樹允許一系列低速點到點的LSP被疏導(dǎo)到不同的目的節(jié)點，而不需要關(guān)心這些目的節(jié)點具體與哪個光交叉連接(OXC)出口相連。

(4)1+1光層保護

光樹為實現(xiàn)1+1光層保護提供了一種新的方案。把保護路徑和工作路徑放入一棵以組播光交叉連接(MC-OXC)入口為根的光樹，即可以實現(xiàn)1+1保護。

(5)更好的光網(wǎng)絡(luò)性能

點到點的光路是點到多點的光樹的一個特例，所以在引入光樹以后所能構(gòu)建的虛擬拓撲是沒有光樹相對應(yīng)的虛擬拓撲的一個超集，因此，對于特定的一個虛擬拓撲構(gòu)造問題，使用光樹可以獲得更好的性能。而在相同的性能要求下，引入組播功能可以減少光硬件(例如光收發(fā)器)的數(shù)量，從而降低成本，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

2.光網(wǎng)絡(luò)組播與IP組播的比較

與光組網(wǎng)組播相比，IP組播已經(jīng)發(fā)展了相當長的一段時間。IP組播的特點是靈活，并且目前已經(jīng)在廠商的設(shè)備中得到廣泛的支持。但是由于IP網(wǎng)絡(luò)本身盡力服務(wù)的特點，IP組播無法提供服務(wù)質(zhì)量保證，IP組播的安全性也沒有得到完全的解決。

比較光網(wǎng)絡(luò)組播和IP組播，可以發(fā)現(xiàn)這兩種同樣以有效利用資源為目的的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在著很大的不同，如表1所示。從表1可以看出，兩種組播技術(shù)存在很強的互補性。

3.光網(wǎng)絡(luò)組播的關(guān)鍵技術(shù)

3.1光網(wǎng)絡(luò)組播的物理層支持

由于光網(wǎng)絡(luò)本身技術(shù)繁雜，所以實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)組播的物理層機制也各不相同。前面所述的光樹是光組播的一種形式，光網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)信號在具有組播能力的光節(jié)點上被分束(或者復(fù)制)并發(fā)往組播樹的下游節(jié)點，直至到達目的地[3]。這種組播形式適用于全光的波長路由網(wǎng)絡(luò)。

最近，隨著對光分組交換(OPS)網(wǎng)絡(luò)研究的深入，基于光分組交換的組播技術(shù)也開始得到關(guān)注，并可以通過多波長變換的方式實現(xiàn)組播[4]。但是由于這種網(wǎng)絡(luò)本身尚有很多需要解決的問題，基于光分組交換網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)相當長一段時間內(nèi)還不會成為光組播的主流技術(shù)。

基于傳統(tǒng)SDH/SONET電交叉連接的光網(wǎng)絡(luò)中的組播，是通過在電交叉節(jié)點上進行虛通路信號的復(fù)制實現(xiàn)的。由于基于SDH/SONET的廣域網(wǎng)/城域網(wǎng)占據(jù)目前光網(wǎng)絡(luò)市場的絕大部分，所以在這種網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)組播具有更大的實際意義。國家“863”計劃從2003年就開始進行這方面的研究，并在基于SDH的ASON中實現(xiàn)組播。

3.2光網(wǎng)絡(luò)組播的分布式控制

基于集中式波長路由管理的光網(wǎng)絡(luò)組播的動態(tài)性差，組管理復(fù)雜。改善這一情況的方法是在目前支持點到點連接的光網(wǎng)絡(luò)控制平面中引入點到多點連接，也就是組播支持。從2003年底開始，在不到一年時間里，因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)收到了3個基于資源預(yù)留協(xié)議-流量工程(RSVP-TE)的組播擴展草案。2004年12月，NTT、Alcatel、Cisco、Avici、Juniper、Tellabs、Motorola和France Telecom等公司向IETF共同提出了基于RSVP-TE擴展的點到多點通信的需求草案[5]，業(yè)界對點到多點通信的潛在應(yīng)用價值達成了共識。

在中國國家“863”計劃“高性能寬帶信息網(wǎng)”專項中，中國企業(yè)和研究機構(gòu)也較早地進行了ASON組播分布式控制的研究和開發(fā)。參加的單位有：上海交通大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸所、中國電信北京研究院、上海電信研究院、中興通訊、烽火、華為、北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)等單位，在光互聯(lián)論壇(OIF)的用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)規(guī)范的基礎(chǔ)上，起草了超用戶網(wǎng)絡(luò)接口(BUNI)規(guī)范。該規(guī)范是OIF UNI1.0和2.0的補充，定義了支持組播和光虛擬專用網(wǎng)的消息集合和過程。2004年初，中國國內(nèi)中興通訊、烽火和華為分別在其自動交換傳送網(wǎng)絡(luò)(ASTN)產(chǎn)品上開發(fā)了基于GMPLS的組播擴展協(xié)議[6]，實現(xiàn)了組播功能，并提交了若干標準文稿[7]。

3.3組播光交換網(wǎng)絡(luò)中的生存性問題

提高組播樹的生存性的方法是對工作組播樹進行保護，在故障發(fā)生時，業(yè)務(wù)流從工作樹快速切換到保護樹，保證業(yè)務(wù)不會發(fā)生長時間中斷。組播樹本身需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，對其進行保護會消耗更多的帶寬。所以，用最少的資源實現(xiàn)有效的組播樹保護，就成為非常有價值的研究課題。

組播業(yè)務(wù)最直觀的保護方式是建立一棵與工作樹鏈路分離的保護樹[8]，這種保護方式資源占用多，尋找保護樹失敗的概率很大，改進的方法是，建立一棵與工作樹有向鏈路分離的保護樹[9]。這兩種方式都是建立一個完整的樹進行保護，其缺點是保護占用資源過多，并且在網(wǎng)絡(luò)中尋找一棵完整的保護樹失敗的概率很大。

另一類保護方式是把工作樹進行分割保護[10]。這類保護方式提供每個分割段的保護，把保護的粒度從一棵樹為單位降低到樹上的分割段為單位，并且允許保護段與其他工作段的資源共享，增大了成功建立保護的概率。這種保護方式的缺點是保護粒度在某些情況還是很大，計算保護失敗的概率也會很大。也有針對工作樹的所有失效情況來分別預(yù)留保護資源的保護方式[10-11]。這種方式往往針對靜態(tài)業(yè)務(wù)情況，采用整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)優(yōu)化資源使用，這種保護方式與把工作樹分割進行保護有異曲同工之處，就是把保護粒度從一棵樹為單位降低到段的保護，并且允許工作樹與保護段的資源共享，提高了計算保護成功的概率。但是這種保護的最大缺點是當工作樹的規(guī)模較大時，失效的情況很多，計算開銷大。

由于環(huán)狀保護的優(yōu)越性(占用資源少，保護范圍大)，有一些文章探討了把組播的源、宿節(jié)點放在一個環(huán)上進行保護或者把所有的組播源、宿節(jié)點放在一個環(huán)上保護[10-12]。這種保護的最大缺點就是很多情況不可能找出這樣的環(huán)。

4.3TNet中的組播結(jié)構(gòu)及其特點

在3TNet中，實現(xiàn)了一種結(jié)合IP組播和ASON組播的兩層兩級組播結(jié)構(gòu)，通過核心具有組播能力的ASON設(shè)備和外圍的組播接入?yún)R聚路由器，向用戶提供電視業(yè)務(wù)，如圖2所示。需要說明的是，考慮到本文是介紹ASON組播技術(shù)其應(yīng)用，圖2對3TNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了簡化，突出了ASON組播技術(shù)，其他技術(shù)不再在本文中詳細介紹，實際中3TNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比圖2更豐富。

3TNet在業(yè)界首次實現(xiàn)了ASON/GMPLS組播功能，具有組播能力的光交叉連接設(shè)備在物理層通過在虛容器級進行信號的復(fù)制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的組播功能。來自視頻頭端的IP組播視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)以太網(wǎng)匯聚后被放入光網(wǎng)絡(luò)中的點到多點隧道，并通過點到多點的隧道被透明分發(fā)到相應(yīng)的離用戶較近的IP路由器。IP路由器及基于IP的接入網(wǎng)通過IP組播的方式將組播業(yè)務(wù)流推送到用戶的機頂盒。

在這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中存在兩種形式的組播。第一是核心光網(wǎng)絡(luò)中的光組播，主要實現(xiàn)信號在虛通道級的透明復(fù)制，為上層提供透明的點到多點通道;第二是IP組播，視頻流被封裝在IP組播數(shù)據(jù)包中，在頭端側(cè)進入由核心光網(wǎng)絡(luò)提供的點到多點通道，直至用戶側(cè)IP路由器。從協(xié)議層次來看，邊緣的IP組播和核心的光組播存在層疊關(guān)系，因此稱這種結(jié)構(gòu)為IP組播架構(gòu)于光組播之上的層疊組播結(jié)構(gòu)[13]。

3TNet中的組播方式和傳統(tǒng)的純IP組播的方式相比，具有如下明顯的優(yōu)勢：

(1)由于核心網(wǎng)絡(luò)中建立的是一個優(yōu)化的點到多點的組播樹，而不是采用多條點到點連接的模擬，它與IP組播具有相同的帶寬效率。

(2)邊緣網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)容提供和本地分發(fā)部分)仍然采用IP組播方式，技術(shù)成熟，成本較低，與現(xiàn)有的IPTV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兼容，運營商在部署IPTV業(yè)務(wù)時，可以最大限度地保護以前的投資。

(3)由于核心網(wǎng)絡(luò)的點到多點連接是基于電路交換的，傳輸時延和抖動幾乎可以忽略，端到端僅有一個IP跳，因此可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)，特別適合傳送大規(guī)模的IPTV業(yè)務(wù)。

(4)若干邊緣小粒度帶寬的IP組播流可以被匯聚到一個較大帶寬的點到多點的動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)組播樹，極大地減少組播狀態(tài)的維護，因而提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

(5)不需要為每個IP組播業(yè)務(wù)提供單獨的保護恢復(fù)機制，核心網(wǎng)絡(luò)的點到多點組播樹匯聚了IP組播業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的生存性。

目前，3TNet的組播業(yè)務(wù)包括中央臺電視頻道、上海文廣電視頻道、省市衛(wèi)星電視頻道、上�；�動電視頻道等近百個電視頻道，每個電視頻道的IP流帶寬6～8 Mb/s。此外，還有一路高清晰電視頻道(HDTV)，其IP流帶寬24～26 Mb/s�？梢酝ㄟ^數(shù)字電視機和個人計算機觀看。

5.結(jié)束語

本文介紹了光網(wǎng)絡(luò)組播的支撐技術(shù)，并結(jié)合中國國家“863”計劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項中的研究工作，對IP組播架構(gòu)于光網(wǎng)絡(luò)組播這種層疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了介紹。組播是未來光網(wǎng)絡(luò)必不可少的一種技術(shù)。層疊網(wǎng)絡(luò)的進一步演進，將進一步融合IP組播和光網(wǎng)絡(luò)組播。在未來的幾年內(nèi)，降低光網(wǎng)絡(luò)組播樹的粒度，從而降低光組播的使用門檻，有利于促進這一技術(shù)的更廣泛使用。全光交換是未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。針對波長路由網(wǎng)絡(luò)和光分組/突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)的研究將繼續(xù)進行。

本文涉及工作得到中國國家“863”計劃的支持，本論文的主要內(nèi)容以“863”計劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項中的研究工作為主。在此，作者特別感謝專項總體組，并感謝參加ASON組播工作的有關(guān)單位，包括信息產(chǎn)業(yè)部通信標準研究所、中國電信北京研究院和上海電信、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等，感謝參加ASON設(shè)備研制的中興通訊、烽火和華為公司，感謝上海寬帶技術(shù)工程中心。

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作者簡介：

孫衛(wèi)強，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)，博士。上海交通大學(xué)電子工程系講師，先后主持和參加國家“863”計劃和國家自然科學(xué)基金項目多項。主要研究領(lǐng)域為自動交換光網(wǎng)絡(luò)中的控制和管理、光網(wǎng)絡(luò)組播和業(yè)務(wù)驅(qū)動。金耀輝，上海交通大學(xué)電子工程系教授。主持了多項國家“863”計劃、自然科學(xué)基金和上海市科委項目。已發(fā)表論文50余篇。研究方向為新型光網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、光子網(wǎng)格、光網(wǎng)絡(luò)組播和具有QoS保證的高速交換機等。胡衛(wèi)生，上海交通大學(xué)電子工程系教授，區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室主任，國家“863”計劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項總體組專家，負責(zé)自動交換光網(wǎng)絡(luò)及其示范網(wǎng)工程的工作。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，申請國家發(fā)明專利25項。