GPON網(wǎng)絡(luò)中有效的多播傳輸機(jī)制

宋勇

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司，成都 610045）

1 簡(jiǎn)介

近來(lái)IPTV、VOD、 HDTV等多媒體服務(wù)越來(lái)越流行，用戶也急劇的增加，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的接入網(wǎng)帶寬有了更高的需求，因此接入網(wǎng)技術(shù)成為了當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。

GPON的目標(biāo)是通過(guò)光纖傳輸，適應(yīng)全業(yè)務(wù)，且比PON網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)。GPON能為接入網(wǎng)提供一種成本與效用雙贏的解決方案，從而解決接入網(wǎng)的瓶頸。但是隨著現(xiàn)今業(yè)務(wù)對(duì)帶寬有更高的要求，GPON鏈路的利用效率成為了主要問(wèn)題。因?yàn)槎嗖C(jī)制能將一份數(shù)據(jù)同時(shí)傳給多個(gè)站點(diǎn)，所以它被用在對(duì)帶寬要求較高的業(yè)務(wù)上。既然GPON網(wǎng)絡(luò)在下行是一個(gè)廣播通信，通過(guò)適當(dāng)?shù)呐渲肎PON網(wǎng)絡(luò)就能有效的提供可靠的多播傳輸。

本文首先介紹了GPON網(wǎng)絡(luò)和多播協(xié)議中的因特網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP），因特網(wǎng)組管理窺探協(xié)議，因特網(wǎng)組管理代理協(xié)議；接著我們介紹了本文所提出的GPON網(wǎng)絡(luò)中的多播協(xié)議和特殊的過(guò)濾器；最后我們給出了仿真對(duì)比，分析了我們的方案在IPTV中的應(yīng)用，給出了我們未來(lái)需要做的工作。

2 GPON和因特網(wǎng)組管理協(xié)議

2.1 GPON

GPON是由全業(yè)務(wù)協(xié)會(huì)于2002年9月提出，被ITU-T納入?yún)f(xié)議簇G.984.1～G.984.4。GPON網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)重要的部分組成：光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）。

圖1 GPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為一個(gè)GPON的示意圖。GPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)簡(jiǎn)單的樹(shù)形結(jié)構(gòu)[1]，它通過(guò)ODN傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)用光纖連接OLT和ONU。每一個(gè)OLT支持128個(gè)ONU，GPON采用特殊封裝方法（GPON Encapsulating Method，GEM），不僅支持以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，而且還支持TDM和ATM業(yè)務(wù)。GPON上行速率能達(dá)到1.2 Gbit/s,下行速率能達(dá)到2.488 Gbit/s，覆蓋范圍能達(dá)到60 km[2]。

下行OLT發(fā)出的信號(hào)通過(guò)廣播通信能達(dá)到所有的ONU[3]。OLT通過(guò)GEM幀發(fā)送，利用GEM的端口號(hào)區(qū)分，GEM端口號(hào)對(duì)于每一個(gè)ONU是單獨(dú)唯一的。每一個(gè)ONU通過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾出端口號(hào)為自己端口號(hào)的數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖2 下行業(yè)務(wù)

上行傳輸是按時(shí)分傳輸[3]，每一個(gè)ONU按OLT分配給它們的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)幀，如圖3所示。

圖3 上行業(yè)務(wù)

2.2 IGMP

IGMP是實(shí)現(xiàn)IP多播的基礎(chǔ)，IP主機(jī)通過(guò)它來(lái)發(fā)送多播組成員關(guān)系給鄰近的多播設(shè)備。在本文中，我們討論IGMP v2[4]，在此版本中可以快速匯報(bào)同組的終端，這在寬帶多播和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中很重要。

2.3 IGMP窺探

IGMP窺探是在層2實(shí)現(xiàn)的，也就意味著會(huì)監(jiān)控主機(jī)與路由器之間的數(shù)據(jù)分組，解出原本屬于層3的信息，傳給層2，使其能維護(hù)多播表。

當(dāng)路由器傳播一個(gè)地址為多播的數(shù)據(jù)分組時(shí)，它將給每一個(gè)在傳播方向上的終端發(fā)送此數(shù)據(jù)分組，這將不能有效的利用帶寬，特別是當(dāng)此數(shù)據(jù)分組本來(lái)只是想傳給一小部分節(jié)點(diǎn)。如果一種能實(shí)現(xiàn)IGMP窺探的設(shè)備能識(shí)別出數(shù)據(jù)要發(fā)送的多播地址，那么不屬于此多播組的節(jié)點(diǎn)將不會(huì)收到這些數(shù)據(jù)分組，從而IGMP窺探提高了帶寬的使用率。

2.4 IGMP代理

IGMP代理機(jī)制是基于IGMP協(xié)議。在大多數(shù)的場(chǎng)景中，一個(gè)邊緣的節(jié)點(diǎn)只一條與核心網(wǎng)的連接，然而連接有許多的終端節(jié)點(diǎn)。利用IGMP代理代替邊緣節(jié)點(diǎn)上的多播業(yè)務(wù)，則可大大減化邊緣節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)難度，因?yàn)椴挥弥С謴?fù)雜的多播路由協(xié)議，因此不僅可以減少成本，而且可以降低信令開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)因?yàn)榇碓O(shè)備與多播協(xié)議獨(dú)立，因此可以很容易的布放。

IGMP代理與IGMP窺探類(lèi)似，不同之處在于代理站點(diǎn)能替代其它站點(diǎn)處理IGMP協(xié)議，但I(xiàn)GMP窺探只是能獲取IGMP信息；最重要的是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有路由器時(shí)，IGMP代理能詢問(wèn)站點(diǎn)，IGMP代理可以視為主機(jī)與路由器的匯聚點(diǎn)。對(duì)于多播路由器，它是主機(jī)；對(duì)于主機(jī)，它是路由器。IGMP通過(guò)IGMP數(shù)據(jù)分組建立多播表，上行端口扮演著主機(jī)的角色，下行端口扮演著路由器的角色。

3 本文的方案

3.1 基于GPON封裝包端口號(hào)的多播

在GPON系統(tǒng)中，端口號(hào)為12bit的數(shù)據(jù)，由OLT分配給ONU，它能支持4096個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)識(shí)別號(hào)，使GPON能提供多樣的業(yè)務(wù)。每一個(gè)端口號(hào)表示一條傳輸流。

GPON系統(tǒng)主要通過(guò)端口號(hào)來(lái)過(guò)濾數(shù)據(jù)。每一個(gè)ONU至少有一個(gè)端口號(hào)。只要收到一個(gè)數(shù)據(jù)分組，ONU將檢測(cè)此分組的端口號(hào)與自己的端口號(hào)是否匹配，如果匹配則傳給上層，否則丟棄。圖4給出了基于多播端口號(hào)的下行復(fù)用。有兩種方法將數(shù)據(jù)傳送給多個(gè)ONU：（1）將包含多個(gè)端口號(hào)的多份數(shù)據(jù)發(fā)送給多個(gè)ONU；（2）傳送一個(gè)分組含多播端口號(hào)的數(shù)據(jù)分組發(fā)送給多個(gè)ONU。第一種方法將浪費(fèi)許多的帶寬，所以必須將多播端口號(hào)應(yīng)用到端口號(hào)多播機(jī)制中。

圖4 下行多路復(fù)用

3.2 GPON系統(tǒng)中的多播

我們提出了在GPON系統(tǒng)中的一種有效的多播方案，目的是將OLT的數(shù)據(jù)分組傳送給事先設(shè)定好的多個(gè)ONU；其它的ONU將不會(huì)收到這些信息。圖5給出了GPON系統(tǒng)中多播結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)按多播的方式運(yùn)行時(shí)，OLT只需要傳送多播流，這樣不僅能降低帶寬浪費(fèi)，而且能提高下行速率，同時(shí)能減輕GPON系統(tǒng)的壓力。

3.3 GPON系統(tǒng)中多播的傳播流程

圖5 GPON網(wǎng)絡(luò)中的多播結(jié)構(gòu)

下面給出GPON系統(tǒng)中的多播傳播流程，OLT中只實(shí)現(xiàn)窺探，ONU中只實(shí)現(xiàn)代理，如圖6給出的IGMP信息傳送流程。

3.3.1 IGMP代理流程

在發(fā)揮IGMP代理功能時(shí)，ONU代表了它下游的終端，它匯聚了它下游所有終端的IGMP報(bào)告，反饋給多播路由器。同時(shí)它也會(huì)攔截路由器的詢問(wèn)報(bào)告，通過(guò)它目前所知道的轉(zhuǎn)發(fā)表生成一個(gè)多播報(bào)告反饋給路由器。

為了維護(hù)這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表，ONU對(duì)它下游的終端生成一個(gè)詢問(wèn)，從而得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)發(fā)表。類(lèi)似的它也會(huì)丟棄它下游終端離開(kāi)的信息。當(dāng)ONU下游沒(méi)有任何終端時(shí)，它也會(huì)生成一個(gè)離開(kāi)的信息反饋給路由器。

時(shí)間窗機(jī)制也被引入進(jìn)來(lái)：假如新產(chǎn)生一個(gè)多播組，則同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器，周期設(shè)為最大。假如在這個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有組內(nèi)關(guān)系的報(bào)告，ONU認(rèn)為所有的終端都不需要多播服務(wù)，它將刪除所有的多播組和端口信息。通過(guò)這種方法將有效的降低OLT處理IGMP信息的壓力。

在家庭環(huán)境中，一個(gè)IPTV的終端通過(guò)以太網(wǎng)連到ONU上。當(dāng)IPTV選擇一個(gè)頻道時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)多播合并的消息，當(dāng)實(shí)現(xiàn)IGMP代理的ONU收到這個(gè)合并消息，它檢查多播表。表1給出了ONU中的多播表。假如組MAC地址不在多播表中，一條新的記錄被加入進(jìn)去，同時(shí)相應(yīng)的端口也加入進(jìn)去；ONU也必須發(fā)送一個(gè)多播合并的消息來(lái)通知OLT，加入新的組。假如組MAC地址已經(jīng)存在，則檢查終端的端口是否已經(jīng)加入，如果沒(méi)有，則加進(jìn)去。當(dāng)ONU接收到多播離開(kāi)消息時(shí)，它將檢查多播表，假如查到相應(yīng)的端口，則刪除相應(yīng)的信息，同時(shí)發(fā)送一個(gè)詢問(wèn)此到組MAC地址，假如ONU在時(shí)間窗口內(nèi)沒(méi)有收到反饋消息，則ONU發(fā)送一個(gè)離開(kāi)消息給OLT，通知?jiǎng)h除此組。為了維護(hù)此多播表，ONU將周期性的發(fā)送詢問(wèn)分組。

3.3.2 IGMP窺探流程

IGMP窺探是在層2運(yùn)行。在GPON系統(tǒng)中，IGMP的合并和離開(kāi)消息是先發(fā)送給ONU，再傳給OLT。所以O(shè)LT也需要像ONU一樣維護(hù)一個(gè)多播表。IGMP窺探通過(guò)監(jiān)控ONU與多播路由器之間的數(shù)據(jù)分組，解讀層3的信息，反饋給層2多播功能來(lái)維護(hù)多播表。在GPON系統(tǒng)中，OLT已經(jīng)提前具有了IGMP窺探功能。表2給出了OLT中多播表的結(jié)構(gòu)。

圖6 IGMP信息傳送流程

表1 ONU中多播表結(jié)構(gòu)

表2 OLT中多播表結(jié)構(gòu)

OLT分析IGMP數(shù)據(jù)分組后，就要以獲取到合并或者離開(kāi)多播組的信息。當(dāng)OLT監(jiān)控到IGMP合并包，它將檢查多播表，假如用戶的MAC地址不在多播表中，一條新的記錄將加入，并同時(shí)加入GPON封裝分組端口號(hào)。當(dāng)OLT監(jiān)控到離開(kāi)的消息時(shí)，它將檢查多播表，刪除對(duì)應(yīng)的MAC地址和端口信息。

3.4 IGMP過(guò)濾機(jī)制

GPON系統(tǒng)中下行是通過(guò)廣播方式發(fā)送，因此所有的ONU都將收到下行數(shù)據(jù)信息。每一個(gè)ONU通過(guò)GPON封裝端口號(hào)過(guò)濾數(shù)據(jù)分組，接收屬于自己的數(shù)據(jù)分組。

在我們的方案中，ONU支持特殊的過(guò)濾方式，過(guò)濾的目的是對(duì)進(jìn)入的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾通過(guò)查看層2地址（每一個(gè)IGMP組與層2的多播地址有關(guān)），假如檢查失敗，則數(shù)據(jù)分組將丟棄。假如檢查成功，則將數(shù)據(jù)分組傳送給目的端口，目的端口通過(guò)多播表決定。

4 仿真對(duì)比

在GPON網(wǎng)絡(luò)中，廣播很消耗帶寬。我們提出了一種適合于GPON網(wǎng)絡(luò)的廣播方法，從而提高帶寬利用率。GPON網(wǎng)絡(luò)理論的總?cè)萘縖7]可以表示為：

其中Uj是第j個(gè)終端的單播容量。J是終端數(shù)；Mk是第k個(gè)多播組的多播容量，K是多播組個(gè)數(shù)；Nk是第k個(gè)多播組內(nèi)的成員數(shù)。圖7給出了下行速率與終端個(gè)數(shù)之間關(guān)系的圖示。

下面我們通過(guò)IPTV服務(wù)來(lái)驗(yàn)證。GPON網(wǎng)絡(luò)中，IPTV的平均速率為10 Mbit/s，Na是每個(gè)多播組中平均的成員個(gè)數(shù)。從圖8中可以看出，當(dāng)下行速率為2.488 Gbit/s時(shí)，多播模式可以支持更多的終端。在多播模式中，OLT封裝包時(shí)將攜帶多播端口信息，OLT需要將多播流發(fā)送給多播組。

圖7 終端數(shù)與下行速率的關(guān)系

圖8 不同傳輸模式下IPTV流個(gè)數(shù)

所以我們可以得出，在單播模式中，IPTV流的數(shù)量急劇下降，然而在多播模式中，數(shù)量維持在一個(gè)恒定的值。

5 總結(jié)

在本文中，我們提出了適合于GPON網(wǎng)絡(luò)的一種多播方法，得到了更高的傳輸速率和帶寬利用率。通過(guò)仿真可以看出，應(yīng)用這種方法，不僅可以在下行速率保持不變的情況下可以支持更多的終端，而且可以減輕OLT處理IGMP消息的壓力。同時(shí)我們提出了IGMP過(guò)濾機(jī)制，這樣可以更有效的控制多播業(yè)務(wù)。這種方法也可以應(yīng)用在GPON網(wǎng)絡(luò)中的更多業(yè)務(wù)中。

在未來(lái)的工作中，我們將對(duì)多播控制功能做出努力，從而有能力應(yīng)對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求。

[1]ITU-T Recommendation G.984.1: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics[S]. 2008.

[2]ITU-T Recommendation G.984.2: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD)Layer Specification[S]. 2003.

[3]ITU-T Recommendation G.984.3: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Transmission Convergence Layer Specification[S].2008.

[4]Deering S. Host Extensions for IP Multicasting, RFC l112[S]. Stanford University, 1989.