组播技术在GPON网络中的应用

对于网络中出现的越来越多的IPTV、E-learning、视频会议等业务，每个数据流要占用的带宽越来越高，普通的节目流也要达到2M左右，因此目前的IP承载网无法满足IPTV业务开展的需求。要解决这个问题有两种办法：一种是不断提高IP承载网的能力，增加网络的吞吐量；另一种是充分利用组播技术来有效利用当前有限的带宽。在GPON网络中，OLT采用广播的方式将信号传送给每个ONU，这种特征非常适合于直播电视业务，但对于组播业务，如果OLT和ONU不加限制地将组播报文广播出去，不但浪费大量的网络带宽，还不利于业务和用户的隔离，将影响业务提供商的正常运营，因此迫切需要在GPON中实现组播。

组播技术简介

IP组播介于IP单播和IP广播通信之间，能将视频广播业务发送到网络中的任何一组主机上。IP组播数据使用D类地址作为组播地址。不像单播IP地址唯一地识别单个主机，组播IP地址能够指定一个任意的组播组，其中IP主机已经加入并且希望接收发往该组的信息。

IGMP是Internet组管理协议，它应用于IPv4网络系统中，向相邻的组播路由器报告组播成员消息。根据IGMP协议，IP组播路由器与相邻主机交换以下三种IGMP消息来管理组播组成员：成员关系查询消息，成员关系报告消息，离开组消息。

IP组播是工作在第三层的，而一般的GPON系统是工作在第二层的，二层交换不能直接支持IP组播，因为它不能辨别输入数据的第三层信息的内容，当OLT和ONU收到IP组播报文时，区分不出是广播报文还是组播报文，直接将其广播出去。因此，要实现组播应用，GPON系统需要增加识别第三层信息的功能，使用IGMPSnooping和MLD可以有效地解决这个问题，即OLT和ONU中的处理模块必须具备管理基于IGMPSnooping协议的二层组播MAC地址表的功能。

组播技术在GPON网络中的实现

GPON系统是由光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和光网络单元（ONU）组成的树形结构。在GPON中实现组播的基本思想是：在ONU和OLT端都建立一个组播MAC地址表，将组播MAC地址与用户主机端口相对应。在上行方向，用户通过机顶盒或主机发出希望加入组播组的报告，OLT查看组播地址表，决定是否将此报告转发给上层路由器；在下行方向，OLT接收来自路由器的组播信息，按照组播地址表的映射关系将信息发送给对应的ONU，ONU再决定将组播信息转发给特定的用户端口。

（1）加入组播组

主机1希望加入组播组224.1.2.3，并主动发送一个IGMP报告给该组，报告中显示的目的地址为0x0100.5E01.0203。ONU将这个地址写入组播地址表。这时如果STB1也希望加入组224.1.2.3，ONU将修改组播地址表，并把STB1要加入该组的IGMP信息转发到OLT。而在OLT中，在OLT接收到要求加入组224.1.2.3的IGMP协议帧后，查找组播表，若发现本GPON中已经建立了到组224.1.2.3的连接，则不再继续将这个请求转发到上层路由器，否则，发送Report消息给路由器，建立与该组播组的连接。可以看出，无论要加入的组播组的连接是否已经建立，ONU都要将终端用户加入组的请求发送给OLT，而OLT在已经建立连接的情况下则不需要将这个Report消息转发给路由器。这是因为ONU只具备IGMPsmooping功能，而OLT在这个基础上还具有IGMPProxy功能，这使得OLI可以拦截终端用户的IGMP请求并进行相关处理，再将它转发给上层路由器。

（2）对下行组播数据处理

在OLT从上层路由器接收到一个组播帧后，首先查找组播地址表，OLT的组播地址表跟ONU的地址表不同，它是将组播地址与ONU的ID号对应，也就是OLT只负责将组播信息传送给相应的ONU，它并不知道目的地址指的是哪台主机。ONU1中有主机加入组播组224.1.2.3，ONU2中有主机加入组播组224.1.2.5，而与ONU3相连的主机加入了组播组224.1.2.4。当OLT接收到上层路由器发来的MAC地址为224.1.2.3的组播帧后，会转发给ONU1，收到MAC地址为224.1.2.5的组播帧后转发给ONU2，而收到MAC地址为224.1.2.4的组播帧后，会转发给ONU3。由于OLT具备了Snooping功能，就不会将组播信息加上广播地址发送给所有的ONU，节省了带宽资源。

如果ONU不具备Snooping功能，它会将接收到的组播帧转发给它所连接的所有终端用户。这样，无论这个用户是否加入到组播组，都将能够接收到组播帧。这显然是对资源的浪费，也不能满足服务提供商对用户隔离和业务隔离的要求。在ONU执行了Snooping功能后，它会通过侦听本地终端设备发出的加入或离开组播组的IGMP协议帧，在本地维护一个组播地址表，ONU将根据这个地址表决定将组播帧转发到哪个端口上。

（3）离开组播组

对于终端用户离开组播组的过程，IGMPv1和IGMPv2有很大差别。IGMPv1协议中规定，当一个终端设备离开组播组时，不发送任何IGMP信息。在最后的主机离开组之后的几分钟内，路由器继续转发组播信息到接入网。而IGMPv2的终端设备在离开组播组时，会主动发送一个离开帧。这样，IGM－Pv2把离开延迟减少到仅仅几秒钟。为了保持兼容性，无论终端设备是执行IGMPv1还是执行IGMPv2，IP组播服务器都将周期性地发送Query消息，检查某个组播组内是否还有成员存在。若组内成员仍然希望留在该组中，则发送一个Report消息作为响应。

组播技术在GPON中的应用

随着网络电视、多媒体会议等视频业务的发展，人们对网上电视业务的需求也日益增加，所以，组播技术目前主要应用于网上电视业务。但是视频只是许多组播应用之一，组播在其他领域的应用也很广泛，比如多媒体的应用、数据分发（如远程办公）、实时数据传送、游戏和仿真等。我们以IPTV业务为例，说明组播技术如何在GPON中应用。

1）组播应用方案

IPTV直播业务采用组播技术实现，主要是依赖于网络设备所支持的组播路由协议（PIM协议等）、IGMP协议等，它将组播节目流传送至GPON，并最终到达用户终端。当用户请求观看某一个频道的时候，发送IGMP加入组播消息。当消息到达OLT时，OLT执行IGMPproxy和IGMPSnooping协议，检查是否已经存在请求的组播流对应的组播表项。如果存在，则说明已经有请求的组播流加载在OLT上了，接下来只需将用户添加到组播表中，然后将接收到的视频数据发送给用户就可以了。如果OLT上还没有加载用户要求的组播流，则向上一级的路由器请求组播数据，并依次建立组播表、将用户加入组播表中、发送组播数据。在OLT将视频数据以广播的形式发送到ONU后，ONU执行IGMPSnooping协议，根据数据帧中的组播地址判断是否接收该数据。

2）组播技术在GPON中应用的优势

由于采用一对多的传输方式，因此在信息传输时，网络干线中只需传输一路数据流，到分支时再进行复制。对于GPON网络，采用组播技术可以防止OLT将接收到的组播数据误认为是广播数据而强迫每个ONU接收，造成接入网带宽的浪费甚至网络风暴。

对于组播业务而言，IPTV属于实时交互型应用，这类应用对可靠性要求相对较低，但对端到端传输延迟和网络抖动的要求很高。GPON在传送IPTV业务方面都可以发挥优势。OLT中心处理器有一个媒体接入的芯片，当其与Proxy模块桥接后，完全可以支持IPTV需要的QoS。它能做二层和三层的分类，还可以对不同类别等级的业务进行优先排列，并且确定流量状态。另外，GPON本身还包含一种流量容器（T-CONT），不同的T-CONT分别存放不同优先级的业务，在帧结构的固定开销中体现出来。所以，GPON可以在保证PON的高质量的同时，又不会牺牲很多带宽。

综上所述，GPON与组播形成一种互助关系，组播技术可以帮助GPON网络节省带宽，防止网络风暴，同时GPON可以为组播业务提供很好的QoS支持。

随着IPTV与IP语音等业务的成熟和迅速普及，在接入网环境中支持IP组播也成为业界关注的重点之一。针对目前网络状况，我们对组播QoS保证提出以下发展建议：从逻辑上区分IPTV业务流和传统数据业务流，减少传统数据业务流对IPTV业务流的影响，在ONU侧，将IPTV业务设置为较高的优先级，优先分配带宽；利用分布式IPTV部署来缩短视频流在网上的传送距离，解决QoS问题，将IPTV视频流的复制节点下放到接近STB的位置，简化QoS的保证。

(王欣郭昕中国信息产业网-人民邮电报)