組播技術(shù)在EPON系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(hù)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(hù)接入手段。在EPON系統(tǒng)中應(yīng)用組播，可以充分發(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(hù)共享一條流，從而提高下行帶寬的利用率。

1、引言

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，很多高帶寬的視頻應(yīng)用逐步走進(jìn)了人們的生活，如IPTV、視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)音視頻廣播、VoD、股市行情發(fā)布、E-learning、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，引起了帶寬的急劇消耗和網(wǎng)絡(luò)擁擠等問(wèn)題。IP組播技術(shù)有效地解決了單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收、多點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

采用EPON（ethernet passive optical network）系統(tǒng)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)可以為每個(gè)用戶(hù)提供較高帶寬，可以滿(mǎn)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點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，并且支持組播協(xié)議，是視頻組播業(yè)務(wù)最好的用戶(hù)接入手段。因此，在EPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)視頻組播是非常有意義的，它可以利用網(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(xiàn)直播、網(wǎng)絡(luò)電視、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)。

2、組播技術(shù)

組播的概念最早于1988年出現(xiàn)在Steve Deering的博士論文中，1989年Deering又對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了IP組播規(guī)范，1992年3月第一次建立組播主干網(wǎng)（Mbone），IETF成功地在組播網(wǎng)上舉行了一次會(huì)議后引起了人們的廣泛關(guān)注。

組播業(yè)務(wù)的實(shí)施具有以下基本特征。

●組播地址。組播地址使源不需要知道組播接收者的具體地址，只需要向組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)即可。希望接收數(shù)據(jù)也只需按照組播地址加入組播組。IP地址方案專(zhuān)門(mén)為組播劃出一個(gè)地址范圍，在IPv4中為D類(lèi)地址（224.0.0.0～239.255.255.255），并將D類(lèi)地址劃分為局部鏈接組播地址、預(yù)留組播地址、管理權(quán)限組播地址，在IPv6中進(jìn)一步為組播地址提供了許多新的標(biāo)識(shí)功能。

●組播路由。組播數(shù)據(jù)通過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)樹(shù)發(fā)送到當(dāng)前組中所有的成員。當(dāng)有新的成員加入組播組時(shí)，一條到達(dá)該成員的路徑就被續(xù)接到當(dāng)前的組播樹(shù)上。當(dāng)成員退出組時(shí)，不再必要的路徑就被剪枝。構(gòu)建組播樹(shù)有多種不同的組播路由協(xié)議，路由協(xié)議運(yùn)行于組播路由器之間，負(fù)責(zé)將組播信息路由到每個(gè)接收者。

●成員管理。組成員關(guān)系通過(guò)IGMP（互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議）進(jìn)行管理。主機(jī)使用IGMP消息通知本地的邊緣組播路由器想加入的組，即告知組播路由器相應(yīng)組的組播地址。組播路由器通過(guò)IGMP來(lái)維護(hù)一個(gè)組播成員列表，并且定期發(fā)送“成員詢(xún)問(wèn)”消息來(lái)探尋表中的各個(gè)成員是否仍然存在。組成員利用IGMP的加入和離開(kāi)消息來(lái)動(dòng)態(tài)地加入或者退出組播組。目前，IGMP v2已經(jīng)廣泛地配置在路由器中。IGMP v3增加了允許主機(jī)指定它要接收通信流量的主機(jī)對(duì)象功能。來(lái)自網(wǎng)絡(luò)中其他主機(jī)的流量是被隔離的，IGMP v3也支持主機(jī)阻止那些來(lái)自于非要求的主機(jī)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

3、EPON技術(shù)

EPON旨在將目前最為簡(jiǎn)單和應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)與PON系統(tǒng)相結(jié)合，以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式解決以太網(wǎng)接入問(wèn)題。EPON系統(tǒng)主要由中心局的線(xiàn)路終端（OLT）、光配線(xiàn)網(wǎng)（ODN）、用戶(hù)端的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）組成。OLT的作用是為光纖接入網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與其他網(wǎng)絡(luò)之間的接口并經(jīng)一個(gè)或多個(gè)ODN與ONU通信，OLT與ONU的關(guān)系為主從通信關(guān)系。ODN為OLT與ONU之間提供光傳輸手段，其主要功能是完成光信號(hào)功率的分配。

無(wú)源光配線(xiàn)網(wǎng)為點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)，按照其連接方式不同主要可分為星型、樹(shù)型、總線(xiàn)型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。在選擇結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮多種因素，如房屋的分布與建筑結(jié)構(gòu)、OLT和ONU之間的距離、不同業(yè)務(wù)的光通道、可用的產(chǎn)品與技術(shù)、光功率預(yù)算、波長(zhǎng)的分配、升級(jí)的需要、可靠性和可用性、操作管理和維護(hù)、ONU供電、安全性、光纜容量、接續(xù)次數(shù)等。ONU的組成分為光纖光纜、無(wú)源光衰減器、光連接器、光分路器、ODF、光纜交接箱、分支接頭盒、分纖盒、用戶(hù)智能終端盒等。EPON中的ONU采用了技術(shù)成熟而又經(jīng)濟(jì)的以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了成本低廉的以太網(wǎng)二層或三層交換功能，可以為多個(gè)最終用戶(hù)提供相當(dāng)高的共享帶寬。

4、EPON系統(tǒng)中組播的實(shí)現(xiàn)

在EPON系統(tǒng)中，采取SCB+IGMP的方式實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)的分發(fā)，利用基于擴(kuò)展OAM的組播控制報(bào)文實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)的控制和管理功能。

目前EPON系統(tǒng)基本都采用IGMP Proxy/Snooping協(xié)議實(shí)現(xiàn)組播，這種方式下，OLT利用IGMP Proxy、ONU利用IGMP Snooping實(shí)現(xiàn)對(duì)組播組成員的管理，通過(guò)IGMP Join/Leave和Query消息實(shí)現(xiàn)組播成員的動(dòng)態(tài)加入/退出和維持。另外，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商為了更靈活地管理組成員，可能采用自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如動(dòng)態(tài)可控組播協(xié)議以更好滿(mǎn)足IPTV的業(yè)務(wù)需求。下面對(duì)IGMP Proxy/Snooping和動(dòng)態(tài)可控組播協(xié)議分別加以介紹。

4.1　IGMP Proxy/Snooping

IGMP Proxy的實(shí)現(xiàn)原理：OLT靠攔截用戶(hù)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)原理：OLT以偵聽(tīng)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，并根據(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)4部分組成。

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）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(hù)名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，獲得電子節(jié)目表。

第3步：用戶(hù)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(hù)復(fù)制視頻流。

第7步：用戶(hù)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。主要是通過(guò)IGMP Join/Leave和Query消息實(shí)現(xiàn)組播組成員的動(dòng)態(tài)加入/退出和維持。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(méi)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(hù)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(hù)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(tīng)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。在實(shí)際應(yīng)用中，EPON系統(tǒng)通過(guò)UNI端口的組播VLAN配置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的用戶(hù)組播權(quán)限控制，更復(fù)雜的業(yè)務(wù)權(quán)限控制（如預(yù)覽、禁止等）由IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

4.2　動(dòng)態(tài)可控組播業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)

由于IGMP Proxy/Snooping組播協(xié)議中沒(méi)有提供用戶(hù)認(rèn)證支持，所以用戶(hù)可以隨意加入一個(gè)組播組并可以任意離開(kāi)，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商無(wú)法對(duì)用戶(hù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。針對(duì)這些問(wèn)題，為了給不同級(jí)別用戶(hù)提供相應(yīng)服務(wù)以實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)在實(shí)際環(huán)境中的靈活應(yīng)用，提出了基于IGMP Proxy/Snooping方式的動(dòng)態(tài)可控組播方案，可控組播方案強(qiáng)調(diào)的是業(yè)務(wù)開(kāi)展的控制能力和增值能力。

業(yè)務(wù)控制能力要使網(wǎng)絡(luò)安全在嚴(yán)密的控制之下，能夠有效地防止協(xié)議攻擊、非法組播源、非法轉(zhuǎn)播、非法接收者。業(yè)務(wù)增值能力要能夠?yàn)榻M播源組播接收者訂制服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的認(rèn)證計(jì)費(fèi)，為用戶(hù)提供QoS保障使網(wǎng)絡(luò)得到有效增值。

4.2.1　實(shí)現(xiàn)方式

動(dòng)態(tài)可控組播協(xié)議的核心思想是OLT基于IGMP控制報(bào)文攜帶的用戶(hù)標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行用戶(hù)鑒權(quán)，并通過(guò)擴(kuò)展OAM消息實(shí)現(xiàn)ONU對(duì)組播數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)控制。具體協(xié)議如下所述。

OLT維持一個(gè)用戶(hù)組播業(yè)務(wù)權(quán)限控制表，集中管理用戶(hù)的組播業(yè)務(wù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。OLT利用用戶(hù)的LLID或上行的IGMP Join報(bào)文攜帶的VLAN ID進(jìn)行端口（用戶(hù)）識(shí)別，并基于組播權(quán)限控制表判斷該端口（用戶(hù)）是否具有所申請(qǐng)的組播業(yè)務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限及其參數(shù)。OLT通過(guò)擴(kuò)展的組播控制OAM報(bào)文將端口（用戶(hù)）對(duì)該組播頻道的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限下發(fā)到ONU，由ONU執(zhí)行對(duì)該端口（用戶(hù)）的組播業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)或關(guān)斷操作。組播權(quán)限控制統(tǒng)一由OLT側(cè)網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，OLT是組播權(quán)限管理的主體，ONU是組播權(quán)限管理的執(zhí)行者。同時(shí)OLT支持IGMP Proxy功能與上層的組播路由器配合，實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和送達(dá)。

ONU維持一個(gè)組播組地址過(guò)濾和組播轉(zhuǎn)發(fā)表。相對(duì)于OLT的組播控制表，該表容量較小，僅處理本ONU內(nèi)當(dāng)前的組播業(yè)務(wù)流控制功能，并按照OLT下發(fā)的MulticastControl OAMPDU動(dòng)態(tài)刷新。ONU將接收到的IGMP Join/Leave報(bào)文打上標(biāo)識(shí)端口（用戶(hù)）身份的VLAN Tag，并透?jìng)鞯絆LT。ONU接收OLT下發(fā)的擴(kuò)展的組播控制OAM報(bào)文（該報(bào)文包含一系列組播控制表項(xiàng)），并按照該報(bào)文增加或刪除ONU本地的組地址過(guò)濾和組播轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，然后執(zhí)行相應(yīng)的組播業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)和關(guān)斷。同時(shí)，ONU應(yīng)支持對(duì)下行組播業(yè)務(wù)流的untag操作（即將組播業(yè)務(wù)流上的VLAN Tag剝除）。

4.2.2　組播VLAN

EPON系統(tǒng)應(yīng)支持組播VLAN。OLT上劃分組播專(zhuān)用的VLAN，即組播業(yè)務(wù)使用一個(gè)或者多個(gè)專(zhuān)用于組播業(yè)務(wù)的VLAN實(shí)現(xiàn)與其他業(yè)務(wù)相隔離，一個(gè)組播VLAN對(duì)應(yīng)一個(gè)組播頻道或者一個(gè)頻道組（指一個(gè)權(quán)限統(tǒng)一管理的組播頻道的集合）。一個(gè)組播頻道僅屬于一個(gè)特定的組播VLAN。在SCB信道中傳送的組播業(yè)務(wù)流均帶有組播VLAN Tag。用戶(hù)的其他數(shù)據(jù)流（包括單播業(yè)務(wù)以及上行的IGMP報(bào)文等）劃入另外的單播VLAN/CVLAN。

5、組播在EPON系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于EPON網(wǎng)絡(luò)具有點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，OLT通過(guò)廣播LLID信道以單拷貝廣播（SCB）方式將組播內(nèi)容分發(fā)給所有ONU。通過(guò)EPON系統(tǒng)傳輸組播數(shù)據(jù)，將極大地節(jié)省和有效利用帶寬。鑒于組播和EPON的這些特點(diǎn)，筆者在EPON系統(tǒng)上搭建了一套視頻組播環(huán)境，為組播業(yè)務(wù)在EPON系統(tǒng)中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境包括1臺(tái)OLT設(shè)備提供2個(gè)PON口、2個(gè)上聯(lián)接口。每個(gè)PON口為32臺(tái)ONU提供接入服務(wù)；1個(gè)上聯(lián)接口作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上聯(lián)接口；1個(gè)上聯(lián)接口作為視頻業(yè)務(wù)接口。系統(tǒng)共包含64臺(tái)ONU，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播和普通互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等功能。

5.1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

組播服務(wù)器與OLT上聯(lián)口連接，提供組播視頻業(yè)務(wù)（如圖1所示）。

圖1　視頻組播業(yè)務(wù)組網(wǎng)

5.2　實(shí)現(xiàn)過(guò)程

對(duì)不同的組播源設(shè)置組播組，并進(jìn)行VLAN劃分，對(duì)各用戶(hù)設(shè)置其組播映射表，下面用一個(gè)應(yīng)用可控組播協(xié)議的例子來(lái)說(shuō)明組播業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

將用于視頻會(huì)議的組播源1設(shè)置為組播組224.1.1.1，并將其劃入VLAN 4000；將用于學(xué)習(xí)用的視頻資料組播源2設(shè)置為組播組224.1.2.1，將其劃入VLAN 4010。在EPON系統(tǒng)中設(shè)置各個(gè)ONU用戶(hù)對(duì)于組播組的接收權(quán)限。如用戶(hù)A/B/C對(duì)于組播224.1.1.1，并且組播VLAN為4000的組播流的權(quán)限都為允許，而對(duì)于組播224.1.2.1，且組播VLAN為4010的組播流的權(quán)限依次為允許、預(yù)覽（一次預(yù)覽時(shí)長(zhǎng)2 min，預(yù)覽間隔10 min，每天預(yù)覽次數(shù)3次）、禁止。動(dòng)態(tài)可控組播是基于多端口ONU，表1中ONU端口ID代表ONU的端口號(hào)。

表1　OLT側(cè)用戶(hù)組播權(quán)限控制

那么對(duì)于A、B、C收看視頻會(huì)議組播源1的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

●A/B/C在客戶(hù)端發(fā)送組播組224.1.1.1的Join報(bào)文。

●OLT部分根據(jù)接收到的Join報(bào)文查找各用戶(hù)的組播映射表，發(fā)現(xiàn)對(duì)于224.1.1.1的組播流，A/B/C均擁有收看權(quán)，然后對(duì)A/B/C發(fā)送包含組播組224.1.1.1，以及它對(duì)應(yīng)的組播VLAN 4000的OAM消息，告訴A/B/C（ONU）可以轉(zhuǎn)發(fā)該組播流。

●OLT檢查該組播組是否是第一次加入，若不是，則不再做處理，否則發(fā)送Join報(bào)文給組播服務(wù)器，組播服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)組播流。

對(duì)于A/B/C收看視頻會(huì)議組播源2的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

●A/B/C在客戶(hù)端發(fā)送組播組224.1.2.1的Join報(bào)文。

●OLT部分根據(jù)接收到的Join報(bào)文查找各用戶(hù)的組播映射表，發(fā)現(xiàn)對(duì)于224.1.2.1的組播流，A的權(quán)限為允許，B的權(quán)限為預(yù)覽，C的權(quán)限為禁止，對(duì)于A的處理同上個(gè)例子，不再重復(fù)。

●對(duì)于B，發(fā)送包含組播組224.1.2.1，以及它對(duì)應(yīng)的組播VLAN 4010的OAM消息，告訴A/B/C（ONU）可以轉(zhuǎn)發(fā)該組播流，但到了預(yù)覽時(shí)間后，OLT會(huì)發(fā)OAM消息給B（ONU），刪掉B中允許轉(zhuǎn)發(fā)224.1.2.1，組播VLAN為4010的組播流。

●由于用戶(hù)C對(duì)于該組播流的權(quán)限為禁止，所以O(shè)LT在收到C的Join請(qǐng)求后不會(huì)做任何操作，C將不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該組播流（由于EPON下行是廣播的方式，所以如果和C在一個(gè)PON下的其他ONU能接收轉(zhuǎn)發(fā)該組播流，則C也能收到，只是C中沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)該組播流的權(quán)限而不轉(zhuǎn)發(fā)）。

●OLT檢查該組播組是否是第一次加入，若不是，則不再做處理，否則發(fā)送Join報(bào)文給組播服務(wù)器，組播服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)組播流。

上面例子只是描述了用戶(hù)的加入過(guò)程，由于組播傳輸過(guò)程中的查詢(xún)、離開(kāi)應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)的IGMP，所以在這里就不再做描述。