宋勇

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司四川分公司，成都 610045）

1 簡介

近來IPTV、VOD、 HDTV等多媒體服務(wù)越來越流行，用戶也急劇的增加，同時對現(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)對帶寬有更高的要求，GPON鏈路的利用效率成為了主要問題。因為多播機制能將一份數(shù)據(jù)同時傳給多個站點，所以它被用在對帶寬要求較高的業(yè)務(wù)上。既然GPON網(wǎng)絡(luò)在下行是一個廣播通信，通過適當(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)議和特殊的過濾器；最后我們給出了仿真對比，分析了我們的方案在IPTV中的應(yīng)用，給出了我們未來需要做的工作。

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GPON的示意圖。GPON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個簡單的樹形結(jié)構(gòu)[1]，它通過ODN傳輸數(shù)據(jù)，同時用光纖連接OLT和ONU。每一個OLT支持128個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上行速率能達到1.2 Gbit/s,下行速率能達到2.488 Gbit/s，覆蓋范圍能達到60 km[2]。

下行OLT發(fā)出的信號通過廣播通信能達到所有的ONU[3]。OLT通過GEM幀發(fā)送，利用GEM的端口號區(qū)分，GEM端口號對于每一個ONU是單獨唯一的。每一個ONU通過過濾器過濾出端口號為自己端口號的數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖2 下行業(yè)務(wù)

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

圖3 上行業(yè)務(wù)

2.2 IGMP

IGMP是實現(xiàn)IP多播的基礎(chǔ)，IP主機通過它來發(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實現(xiàn)的，也就意味著會監(jiān)控主機與路由器之間的數(shù)據(jù)分組，解出原本屬于層3的信息，傳給層2，使其能維護多播表。

當(dāng)路由器傳播一個地址為多播的數(shù)據(jù)分組時，它將給每一個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)分組本來只是想傳給一小部分節(jié)點。如果一種能實現(xiàn)IGMP窺探的設(shè)備能識別出數(shù)據(jù)要發(fā)送的多播地址，那么不屬于此多播組的節(jié)點將不會收到這些數(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代理機制是基于IGMP協(xié)議。在大多數(shù)的場景中，一個邊緣的節(jié)點只一條與核心網(wǎng)的連接，然而連接有許多的終端節(jié)點。利用IGMP代理代替邊緣節(jié)點上的多播業(yè)務(wù)，則可大大減化邊緣節(jié)點的實現(xiàn)難度，因為不用支持復(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銷，同時因為代理設(shè)備與多播協(xié)議獨立，因此可以很容易的布放。

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

3 本文的方案

3.1 基于GPON封裝包端口號的多播

在GPON系統(tǒng)中，端口號為12bit的數(shù)據(jù)，由OLT分配給ONU，它能支持4096個獨立的業(yè)務(wù)識別號，使GPON能提供多樣的業(yè)務(wù)。每一個端口號表示一條傳輸流。

GPON系統(tǒng)主要通過端口號來過濾數(shù)據(jù)。每一個ONU至少有一個端口號。只要收到一個數(shù)據(jù)分組，ONU將檢測此分組的端口號與自己的端口號是否匹配，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的下行復(fù)用。有兩種方法將數(shù)據(jù)傳送給多個ONU：（1）將包含多個端口號的多份數(shù)據(jù)發(fā)送給多個ONU；（2）傳送一個分組含多播端口號的數(shù)據(jù)分組發(fā)送給多個ONU。第一種方法將浪費許多的帶寬，所以必須將多播端口號應(yīng)用到端口號多播機制中。

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ONU；其它的ONU將不會收到這些信息。圖5給出了GPON系統(tǒng)中多播結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)按多播的方式運行時，OLT只需要傳送多播流，這樣不僅能降低帶寬浪費，而且能提高下行速率，同時能減輕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中只實現(xiàn)窺探，ONU中只實現(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，ONU代表了它下游的終端，它匯聚了它下游所有終端的IGMP報告，反饋給多播路由器。同時它也會攔截路由器的詢問報告，通過它目前所知道的轉(zhuǎn)發(fā)表生成一個多播報告反饋給路由器。

為了維護這個轉(zhuǎn)發(fā)表，ONU對它下游的終端生成一個詢問，從而得到當(dāng)前的轉(zhuǎn)發(fā)表。類似的它也會丟棄它下游終端離開的信息。當(dāng)ONU下游沒有任何終端時，它也會生成一個離開的信息反饋給路由器。

時間窗機制也被引入進來：假如新產(chǎn)生一個多播組，則同時會產(chǎn)生一個定時器，周期設(shè)為最大。假如在這個周期內(nèi)沒有組內(nèi)關(guān)系的報告，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IPTV的終端通過以太網(wǎng)連到ONU上。當(dāng)IPTV選擇一個頻道時，它將發(fā)送一個多播合并的消息，當(dāng)實現(xiàn)IGMP代理的ONU收到這個合并消息，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去，同時相應(yīng)的端口也加入進去；ONU也必須發(fā)送一個多播合并的消息來通知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，如果沒有，則加進去。當(dāng)ONU接收到多播離開消息時，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，同時發(fā)送一個詢問此到組MAC地址，假如ONU在時間窗口內(nèi)沒有收到反饋消息，則ONU發(fā)送一個離開消息給OLT，通知刪除此組。為了維護此多播表，ONU將周期性的發(fā)送詢問分組。

3.3.2 IGMP窺探流程

IGMP窺探是在層2運行。在GPON系統(tǒng)中，IGMP的合并和離開消息是先發(fā)送給ONU，再傳給OLT。所以O(shè)LT也需要像ONU一樣維護一個多播表。IGMP窺探通過監(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多播功能來維護多播表。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，并同時加入GPON封裝分組端口號。當(dāng)OLT監(jiān)控到離開的消息時，它將檢查多播表，刪除對應(yīng)的MAC地址和端口信息。

3.4 IGMP過濾機制

GPON系統(tǒng)中下行是通過廣播方式發(fā)送，因此所有的ONU都將收到下行數(shù)據(jù)信息。每一個ONU通過GPON封裝端口號過濾數(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支持特殊的過濾方式，過濾的目的是對進入的數(shù)據(jù)分組進行過濾，過濾通過查看層2地址（每一個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，目的端口通過多播表決定。

4 仿真對比

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

下面我們通過IPTV服務(wù)來驗證。GPON網(wǎng)絡(luò)中，IPTV的平均速率為10 Mbit/s，Na是每個多播組中平均的成員個數(shù)。從圖8中可以看出，當(dāng)下行速率為2.488 Gbit/s時，多播模式可以支持更多的終端。在多播模式中，OLT封裝包時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。同時我們提出了IGMP過濾機制，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。

在未來的工作中，我們將對多播控制功能做出努力，從而有能力應(yīng)對不同的業(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.