在MPEG2網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP分組相關(guān)協(xié)議

摘要　通信業(yè)務(wù)的IP化，一方面促使各種傳輸協(xié)議的研究者開(kāi)始研究如何利用已有的傳輸協(xié)議來(lái)承載IP分組，另一面IP業(yè)務(wù)的提供者也研究如何將IP分組利用更多種類的傳輸方式傳輸出去以擴(kuò)大IP分組的傳輸范圍。本文將介紹在MPEG2網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP分組的相關(guān)協(xié)議。

一、概述

“若您想了解一下通信網(wǎng)絡(luò)和通信業(yè)務(wù)在人們生活中的地位和作用，試著過(guò)一段沒(méi)有它的日子。”2006年末，臺(tái)灣地區(qū)的一次地震，引起了跨太平洋海底光纜斷裂，導(dǎo)致中國(guó)網(wǎng)民無(wú)法訪問(wèn)國(guó)際網(wǎng)站。人們重新考慮在進(jìn)行國(guó)際IP業(yè)務(wù)時(shí)可能采用的除海底光纜外的其他傳輸手段。作為已經(jīng)發(fā)展了多年的無(wú)線通信手段——衛(wèi)星通信成為人們寄予希望的國(guó)際IP業(yè)務(wù)傳輸?shù)目赡芴娲�方式�?/p>

雖然由于衛(wèi)星通信資源的價(jià)格和資源的有限性等問(wèn)題的存在，但作為提供多點(diǎn)接收的廣播或組播業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信有著非常大的優(yōu)勢(shì)。在通信業(yè)務(wù)不斷IP化的進(jìn)程中，不論是衛(wèi)星技術(shù)的研究者還是IP業(yè)務(wù)的提供者均已經(jīng)研究利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳遞IP數(shù)據(jù)分組或?qū)�IP數(shù)據(jù)分組承載在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之上的相關(guān)解決方案。目前衛(wèi)星通信主要用于承載廣播電視業(yè)務(wù)。隨著電視、廣播業(yè)務(wù)的數(shù)字化，MPEG2 TS（Transport Stream）相關(guān)技術(shù)逐漸成熟并得到了廣泛應(yīng)用。人們通常將利用MEPG2 TS方式傳輸業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)稱為MPEG2網(wǎng)絡(luò)。為此無(wú)論是ETSI還是IETF均將MPEG2網(wǎng)絡(luò)作為擴(kuò)展IP數(shù)據(jù)分組傳輸范圍的一種網(wǎng)絡(luò)，分別制定將IP數(shù)據(jù)分組封裝在MPEG2 TS上的協(xié)議。本文將從MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)入手討論IP數(shù)據(jù)分組在MPEG2網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)目蚣軈f(xié)議。

二、MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)

隨著MPEG2相關(guān)技術(shù)的成熟，MPEG2 TS不僅僅被應(yīng)用于提供數(shù)字廣播電視業(yè)務(wù)，也被用于組建IP網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)技術(shù)。人們通常將利用MEPG2 TS方式傳輸業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)稱為MPEG2網(wǎng)絡(luò)。在IETF RFC 4259（A framework for transmission of IP datagram over MPEG-2 Networks）中介紹了MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)的如下應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）電視和無(wú)線電廣播信息的投遞

電視和無(wú)線電廣播信息的投遞場(chǎng)景的主要業(yè)務(wù)是數(shù)字電視和數(shù)字廣播以及和它們相關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這類網(wǎng)絡(luò)通常包括兩個(gè)部分：內(nèi)容輸入部分和廣播部分。內(nèi)容輸入部分提供從一小部分單獨(dú)的地點(diǎn)（通常是高質(zhì)量的內(nèi)容）到廣播網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)集線器的通信。一般情況下，這部分的通信是需要加密的，同時(shí)在從網(wǎng)絡(luò)的廣播部分再次發(fā)送出去之前已經(jīng)將內(nèi)容信息處理好了。而網(wǎng)絡(luò)的廣播部分通常使用以網(wǎng)絡(luò)集線器為中心向一些下游接收者傳送的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。盡管這類網(wǎng)絡(luò)可以提供IP傳輸，但它們不必接入公用Internet。

（2）作為ISP使用的廣播網(wǎng)絡(luò)

另一種場(chǎng)景類似于上面所講的廣播網(wǎng)絡(luò)，但這種場(chǎng)景包括提供接入到公用Internet的IP業(yè)務(wù)。這種情況下，相關(guān)的IP業(yè)務(wù)量與數(shù)字電視/廣播內(nèi)容無(wú)關(guān)，同時(shí)相關(guān)的業(yè)務(wù)由獨(dú)立的運(yùn)營(yíng)者提供，包括單向的文件投遞和雙向的ISP接入。IP業(yè)務(wù)必須依附于用于廣播傳輸?shù)娜�系統(tǒng)規(guī)范，包括PID的分配以及合適的MPEG2控制信息的生成（例如DVB和ATSC SI表）。

（3）單向星形IP場(chǎng)景

單向星形IP場(chǎng)景利用網(wǎng)絡(luò)集線器提供向中等數(shù)量的接收者投遞共用比特流的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。MPEG2傳輸技術(shù)為這種傳輸提供前進(jìn)方向上的物理和鏈路層；由其他方式提供反饋鏈路（若需要）。IP業(yè)務(wù)構(gòu)成該傳輸業(yè)務(wù)的主要部分。這類網(wǎng)絡(luò)不必實(shí)現(xiàn)MPEG2的控制平面，如PSI/SI表等。

（4）數(shù)據(jù)廣播重疊網(wǎng)

數(shù)據(jù)廣播重疊網(wǎng)場(chǎng)景使用MPEG-2物理和鏈路層來(lái)提供單向組播之類的附加連接以補(bǔ)充現(xiàn)有的基于IP的Internet業(yè)務(wù)。這類網(wǎng)絡(luò)包括到移動(dòng)無(wú)線接收者的IP數(shù)據(jù)廣播（MMUSIC-IMG）。

（5）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路

使用一對(duì)支持MPEG-2物理層和鏈路層的發(fā)送和接收接口提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。通常情況下，發(fā)送者發(fā)送的信息由一個(gè)或一小部分接收者接收。這種情況的例子包括使用傳送/接收DCB-S終端在使用BGP路由的ISP之間提供衛(wèi)星鏈路。

（6）雙向IP網(wǎng)絡(luò)

雙向IP網(wǎng)絡(luò)是利用集線器工作站基于衛(wèi)星和星形網(wǎng)絡(luò)將共用比特流投遞到中等數(shù)量的接收者。通過(guò)共用的空間接口提供雙向服務(wù)，在前轉(zhuǎn)方向上物理層和鏈路層上使用的傳輸技術(shù)是MPEG2，該技術(shù)也可以用于反向傳輸。這類系統(tǒng)也通常包括管理（共享的）反向鏈路能力的控制平面單元。具體的例子是DVB-RCS系統(tǒng)（ETSI-DVBRCS）。IP業(yè)務(wù)量構(gòu)成傳輸業(yè)務(wù)量的主要組成部分。

在第（1）到第（4）中的場(chǎng)景使用單向MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)，這些場(chǎng)景具有星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)中心集線器向許多下行接收者提供業(yè)務(wù)。地面網(wǎng)絡(luò)可以使用一些傳輸集線器，每一個(gè)集線器為特定的包含有一些接收者的覆蓋區(qū)。

從IP的角度看，業(yè)務(wù)通常是提供單向、組播或雙向業(yè)務(wù)，這種情況需要一些補(bǔ)充的鏈路技術(shù)，例如調(diào)制解調(diào)器、本地多點(diǎn)分發(fā)業(yè)務(wù)（LMDS）、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS），用來(lái)提供從接收者到Internet的反饋路由。在這種情況下，使用單向鏈路路由（UDLR）[RFC 3077]提供路由。

三、IP數(shù)據(jù)分組在MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)上的傳輸體系架構(gòu)

3.1　MPEG2協(xié)議棧

圖1給出了MPEG2協(xié)議棧的示意圖。

圖1　MPEG2 TS協(xié)議棧示意圖

從圖1可以看出通過(guò)架構(gòu)在各種傳輸線路上，MPEG2 TS可以用來(lái)封裝各種類型的信息，包括數(shù)據(jù)、視頻信息、音頻信息以及IP數(shù)據(jù)分組等。當(dāng)然也可以利用MPEG2 TS來(lái)組建純IP子網(wǎng)絡(luò)。從圖中也可以看出，在利用MPEG2 TS傳送IP數(shù)據(jù)分組時(shí)，需要將IP分組利用相應(yīng)的封裝協(xié)議，如AAL5、ULE或MPE進(jìn)行封裝，然后將封裝后的信息通過(guò)MPEG2 TS的形式在相應(yīng)的傳送網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

3.2　TS邏輯信道

由于MPEG2 TS通常用于傳輸廣播電視，而通信衛(wèi)星資源的昂貴性決定了MPEG2 TS在傳輸信息時(shí)需要采用MPEG2傳輸復(fù)用器提供一系列并行信道，這些信道稱為T(mén)S邏輯信道。每一個(gè)邏輯信道用特定的分組值來(lái)標(biāo)識(shí)。與ATM的虛擬信道類似，在MPEG2 TS上使用了邏輯信道，而與ATM的虛擬信道不同的是MPEG2 TS所使用的邏輯信道通常是組播信道，而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接。同時(shí)對(duì)于MPEG2 TS邏輯信道不需要有標(biāo)準(zhǔn)的連接建立和相應(yīng)的信令消息。

3.3　復(fù)用和再?gòu)?fù)用

在對(duì)TS邏輯信道進(jìn)行復(fù)用時(shí)，允許復(fù)用器對(duì)已經(jīng)復(fù)用后的信息進(jìn)行再?gòu)?fù)用。在傳輸給端用戶之前進(jìn)行再?gòu)?fù)用。在進(jìn)行再?gòu)?fù)用時(shí)對(duì)TS邏輯信道進(jìn)行再編號(hào)。

3.4　IP數(shù)據(jù)分組傳輸

在MPEG2 TS傳輸復(fù)用設(shè)備上傳輸IP數(shù)據(jù)分組時(shí)，IP數(shù)據(jù)分組首先被投遞到數(shù)據(jù)封裝器（也稱網(wǎng)關(guān)設(shè)備），在數(shù)據(jù)封裝器通過(guò)在接收到的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（如Ethernet幀或IP分組）上增加頭和尾形成子網(wǎng)數(shù)據(jù)單元（SNDU）。然后將SNDU分裝成一系列TS分組。

在接收端，接收設(shè)備首先確認(rèn)特定的復(fù)用設(shè)備（物理鏈路）以及TS的邏輯信道（邏輯信道的PID值）。通常采用一系列的MPEG2 TS邏輯信道來(lái)承載SNDU；因而，接收者必須接受采用一系列PID值發(fā)送的IP數(shù)據(jù)分組，然后重新組合每一個(gè)SNDU。

3.5　利用MPEG2 TS網(wǎng)絡(luò)支持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組的種類

隨著IP網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，IP協(xié)議本身也在不斷發(fā)展。目前被廣泛使用的IP協(xié)議為IPv4協(xié)議，IPv6協(xié)議也逐漸成熟并在部分網(wǎng)絡(luò)中使用，作為MPEG2 TS網(wǎng)絡(luò)傳輸IP分組數(shù)據(jù)來(lái)講，其關(guān)鍵技術(shù)在于如何將IP分組數(shù)據(jù)封裝在MPEG2 TS上，因?yàn)閺膫鬏斀嵌葋?lái)講，對(duì)于單播、組播、廣播等方式來(lái)說(shuō)，傳輸方式會(huì)有一些不同，需要在數(shù)據(jù)封裝格式上有一些區(qū)分。為此對(duì)于利用MPEG2 TS網(wǎng)絡(luò)傳輸IP分組數(shù)據(jù)來(lái)講可將IP分組數(shù)據(jù)分成如下一些種類，在具體封裝時(shí)需要采用不同的標(biāo)記來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）IPv4單播分組，目的地是單一的端主機(jī)

（2）IPv4廣播分組，發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)中的所有端系統(tǒng)

（3）IPv4組播分組

（4）IPv6單播分組，目的地是單一的端主機(jī)

（5）IPv4組播分組

（6）具有IPv4/IPv6分組頭壓縮的分組（例如：RFC 2507，RFC 3095）

（7）橋接Ethernet幀

（8）其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分組協(xié)議（MPLS，其他可能的新協(xié)議）

四、數(shù)據(jù)封裝協(xié)議

4.1　對(duì)數(shù)據(jù)封裝的需求

上面已經(jīng)談到，在MPEG2網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP分組數(shù)據(jù)需要對(duì)IP數(shù)據(jù)分組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的封裝以便在接收端可以正確地進(jìn)行解封裝。所謂的封裝通常是指在原有數(shù)據(jù)的前面增加封裝頭，而在原有數(shù)據(jù)后增加封裝尾，如圖2所示。封裝頭中需要包含信息的協(xié)議控制信息，如SNDU的長(zhǎng)度、接收地址、復(fù)用信息、載荷類型、序號(hào)等。而封裝尾需要包含數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)信息。因需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和所采用的協(xié)議仍處于發(fā)展之中，在頭端和尾端所考慮的控制信息對(duì)新協(xié)議而言可能會(huì)不足，為此在一些協(xié)議中可能需要增加附加的控制信息或填充信息，這些信息可以放置到尾部或尾部之后。

協(xié)議控制信息主要用于區(qū)分所封裝數(shù)據(jù)的相關(guān)信息供接收者處理，以及使用接收到的信息時(shí)使用。而數(shù)據(jù)之后的“尾”中所包含的檢驗(yàn)信息主要是供接收端來(lái)驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的完整性以補(bǔ)充單向信息傳輸?shù)牟蛔恪?/p>

圖2　為形成MPEG2載荷單元子網(wǎng)PDU（例如IPv4或IPv6分組）的封裝

目前已經(jīng)完成規(guī)范化的封裝規(guī)范包括在RFC 4326中規(guī)定的ULE（Unidirectional Lightweight Encapsulation of IP Datagram over an MPEG2 Transport Stream（TS）），以及在ETSI EN 301 192（Digital Video Broadcasting（DVB）、DVB specification for data broadcasting）中規(guī)定的MPE（Multiple Protocol Encapsulation）。

4.2　ULE數(shù)據(jù)封裝協(xié)議

ULE協(xié)議規(guī)定了單向輕量級(jí)封裝協(xié)議，該協(xié)議支持在MPEG2 TS網(wǎng)絡(luò)上的IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。該封裝也適用于其他協(xié)議和橋接Ethernet幀的傳輸。ULE提供了擴(kuò)展頭格式并規(guī)定了支持必備和選用的SNDU頭的相關(guān)IANA注冊(cè)，這樣允許未來(lái)對(duì)協(xié)議擴(kuò)展的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)后向兼容。特別地，不需執(zhí)行擴(kuò)展頭的接收端可以安全地忽略擴(kuò)展頭或選擇不執(zhí)行擴(kuò)展頭。

在RFC 4326中對(duì)ULE協(xié)議采用的SNDU格式以及擴(kuò)展頭進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，同時(shí)還規(guī)定了在封裝設(shè)備和接收設(shè)備中所應(yīng)進(jìn)行的相應(yīng)處理。

4.3　MPE數(shù)據(jù)封裝協(xié)議

在ETSI EN 301 192中規(guī)定的MPE數(shù)據(jù)封裝協(xié)議使用了傳輸IP分組的私有部分并使用類似于IEEE LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)（LLC）的封裝。數(shù)據(jù)分組封裝用于與私有數(shù)據(jù)的DSMCC部分格式相適應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)部分。一些接收設(shè)備可以使用相應(yīng)的處理硬件來(lái)執(zhí)行對(duì)接收設(shè)備上接收到的分組的處理。

MPE是目前使用比較廣泛的配置�？紤]到現(xiàn)有設(shè)備的投資，在目前或未來(lái)的MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)中還會(huì)繼續(xù)使用MPE。

五、小結(jié)

IP業(yè)務(wù)給人們的工作和生活帶來(lái)了巨大的便利，為此無(wú)論是用戶、業(yè)務(wù)提供者還是網(wǎng)絡(luò)提供者均希望IP業(yè)務(wù)可以承載在任何一種物理網(wǎng)絡(luò)之上，以便擴(kuò)大IP業(yè)務(wù)的覆蓋面，增加網(wǎng)絡(luò)的使用量。本文介紹了承載在MPEG2 TS之上的IP分組封裝相關(guān)協(xié)議，這些協(xié)議的使用可將MPEG2 TS承載IP分組數(shù)據(jù)規(guī)范化。第2部分所介紹的幾種MPEG2傳輸網(wǎng)絡(luò)大多更適合于數(shù)據(jù)的組播傳輸，或?yàn)楸阌跀U(kuò)大IP網(wǎng)絡(luò)范圍在兩個(gè)確定地點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。在使用這些協(xié)議時(shí)需要更好地了解使用場(chǎng)合以及使用這些協(xié)議與采用其他方式之間的性能價(jià)格比。

作者：聶秀英 來(lái)源：泰爾網(wǎng)