ASON組播技術(shù)及其應(yīng)用研究
基金項目：國家“863”計劃項目(2003AA103310)
近幾年來，光網(wǎng)絡(luò)市場出現(xiàn)復(fù)蘇，全球市場每年增長約5%～8%。增長主要來自以下幾個方面[1]：移動傳送網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，極大促進市場對多業(yè)務(wù)傳送平臺(MSPP)和分插復(fù)用器(ADM)的需求;三重播放業(yè)務(wù)的開展，使得家庭用戶的每線數(shù)字用戶線(DSL)帶寬增長10～15倍;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，運營商升級或新建網(wǎng)絡(luò)，如波分復(fù)用(WDM)和自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)的建設(shè)，以有限的建設(shè)投資獲得運營維護的成本的降低;專網(wǎng)市場蓬勃發(fā)展，如地鐵、機場、能源和交通領(lǐng)域用戶的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大大促進了光網(wǎng)絡(luò)市場的增長。
組播技術(shù)通過在網(wǎng)絡(luò)層進行數(shù)據(jù)分組的復(fù)制，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率，是支持諸如IPTV、視頻會議、存儲和內(nèi)容分發(fā)等帶寬密集型城域應(yīng)用必不可少的技術(shù)。隨著城域光網(wǎng)絡(luò)越來越多地被部署，在光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)組播功能受到業(yè)界的關(guān)注。
1.光網(wǎng)絡(luò)組播的作用
光網(wǎng)絡(luò)中的組播問題早就被研究多波長路由光網(wǎng)絡(luò)的研究人員所提出。在多波長路由的光網(wǎng)絡(luò)中，一條由一個光發(fā)射機和一個光接收機構(gòu)成的光傳輸通道被稱為光路，光路可以實現(xiàn)點到點的通信。光樹是對光路擴展后一種新的連接關(guān)系。在波長路由網(wǎng)絡(luò)中，一棵光樹是包含一個光發(fā)射機和多個光接收機的傳輸通道。光樹實現(xiàn)點到多點的通信，即組播，如圖1所示。
除了支持組播業(yè)務(wù)以外，在波長路由光網(wǎng)絡(luò)中引入光樹還可以帶來更多的好處[2]，例如：
(1)更高速的傳輸
光層組播不需要傳統(tǒng)IP組播中的光電光(OEO)轉(zhuǎn)換，避免了可能的“瓶頸”，所以可以實現(xiàn)更高速信號的傳輸。
(2)更高的虛擬可達性
使用光樹可以讓一個客戶同時連接到更多的其他客戶，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的虛擬可達性。
(3)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)
通用多協(xié)議標(biāo)記交換(GMPLS)技術(shù)允許把一組多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)標(biāo)記交換路徑(LSP)放入一個波長通道中進行傳輸，但是LSP僅限于相同的源和目的節(jié)點。光樹允許一系列低速點到點的LSP被疏導(dǎo)到不同的目的節(jié)點，而不需要關(guān)心這些目的節(jié)點具體與哪個光交叉連接(OXC)出口相連。
(4)1+1光層保護
光樹為實現(xiàn)1+1光層保護提供了一種新的方案。把保護路徑和工作路徑放入一棵以組播光交叉連接(MC-OXC)入口為根的光樹，即可以實現(xiàn)1+1保護。
(5)更好的光網(wǎng)絡(luò)性能
點到點的光路是點到多點的光樹的一個特例，所以在引入光樹以后所能構(gòu)建的虛擬拓?fù)涫菦]有光樹相對應(yīng)的虛擬拓?fù)涞囊粋€超集，因此，對于特定的一個虛擬拓?fù)錁?gòu)造問題，使用光樹可以獲得更好的性能。而在相同的性能要求下，引入組播功能可以減少光硬件(例如光收發(fā)器)的數(shù)量，從而降低成本，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。
2.光網(wǎng)絡(luò)組播與IP組播的比較
與光組網(wǎng)組播相比，IP組播已經(jīng)發(fā)展了相當(dāng)長的一段時間。IP組播的特點是靈活，并且目前已經(jīng)在廠商的設(shè)備中得到廣泛的支持。但是由于IP網(wǎng)絡(luò)本身盡力服務(wù)的特點，IP組播無法提供服務(wù)質(zhì)量保證，IP組播的安全性也沒有得到完全的解決。
比較光網(wǎng)絡(luò)組播和IP組播，可以發(fā)現(xiàn)這兩種同樣以有效利用資源為目的的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在著很大的不同，如表1所示。從表1可以看出，兩種組播技術(shù)存在很強的互補性。#p#
3.光網(wǎng)絡(luò)組播的關(guān)鍵技術(shù)
3.1光網(wǎng)絡(luò)組播的物理層支持
由于光網(wǎng)絡(luò)本身技術(shù)繁雜，所以實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)組播的物理層機制也各不相同。前面所述的光樹是光組播的一種形式，光網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)信號在具有組播能力的光節(jié)點上被分束(或者復(fù)制)并發(fā)往組播樹的下游節(jié)點，直至到達目的地[3]。這種組播形式適用于全光的波長路由網(wǎng)絡(luò)。
最近，隨著對光分組交換(OPS)網(wǎng)絡(luò)研究的深入，基于光分組交換的組播技術(shù)也開始得到關(guān)注，并可以通過多波長變換的方式實現(xiàn)組播[4]。但是由于這種網(wǎng)絡(luò)本身尚有很多需要解決的問題，基于光分組交換網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)相當(dāng)長一段時間內(nèi)還不會成為光組播的主流技術(shù)。
基于傳統(tǒng)SDH/SONET電交叉連接的光網(wǎng)絡(luò)中的組播，是通過在電交叉節(jié)點上進行虛通路信號的復(fù)制實現(xiàn)的。由于基于SDH/SONET的廣域網(wǎng)/城域網(wǎng)占據(jù)目前光網(wǎng)絡(luò)市場的絕大部分，所以在這種網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)組播具有更大的實際意義。國家“863”計劃從2003年就開始進行這方面的研究，并在基于SDH的ASON中實現(xiàn)組播。
3.2光網(wǎng)絡(luò)組播的分布式控制
基于集中式波長路由管理的光網(wǎng)絡(luò)組播的動態(tài)性差，組管理復(fù)雜。改善這一情況的方法是在目前支持點到點連接的光網(wǎng)絡(luò)控制平面中引入點到多點連接，也就是組播支持。從2003年底開始，在不到一年時間里，因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)收到了3個基于資源預(yù)留協(xié)議-流量工程(RSVP-TE)的組播擴展草案。2004年12月，NTT、Alcatel、Cisco、Avici、Juniper、Tellabs、Motorola和France Telecom等公司向IETF共同提出了基于RSVP-TE擴展的點到多點通信的需求草案[5]，業(yè)界對點到多點通信的潛在應(yīng)用價值達成了共識。
在中國國家“863”計劃“高性能寬帶信息網(wǎng)”專項中，中國企業(yè)和研究機構(gòu)也較早地進行了ASON組播分布式控制的研究和開發(fā)。參加的單位有：上海交通大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸所、中國電信北京研究院、上海電信研究院、中興通訊、烽火、華為、北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)等單位，在光互聯(lián)論壇(OIF)的用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)規(guī)范的基礎(chǔ)上，起草了超用戶網(wǎng)絡(luò)接口(BUNI)規(guī)范。該規(guī)范是OIF UNI1.0和2.0的補充，定義了支持組播和光虛擬專用網(wǎng)的消息集合和過程。2004年初，中國國內(nèi)中興通訊、烽火和華為分別在其自動交換傳送網(wǎng)絡(luò)(ASTN)產(chǎn)品上開發(fā)了基于GMPLS的組播擴展協(xié)議[6]，實現(xiàn)了組播功能，并提交了若干標(biāo)準(zhǔn)文稿[7]。
3.3組播光交換網(wǎng)絡(luò)中的生存性問題
提高組播樹的生存性的方法是對工作組播樹進行保護，在故障發(fā)生時，業(yè)務(wù)流從工作樹快速切換到保護樹，保證業(yè)務(wù)不會發(fā)生長時間中斷。組播樹本身需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，對其進行保護會消耗更多的帶寬。所以，用最少的資源實現(xiàn)有效的組播樹保護，就成為非常有價值的研究課題。
組播業(yè)務(wù)最直觀的保護方式是建立一棵與工作樹鏈路分離的保護樹[8]，這種保護方式資源占用多，尋找保護樹失敗的概率很大，改進的方法是，建立一棵與工作樹有向鏈路分離的保護樹[9]。這兩種方式都是建立一個完整的樹進行保護，其缺點是保護占用資源過多，并且在網(wǎng)絡(luò)中尋找一棵完整的保護樹失敗的概率很大。
另一類保護方式是把工作樹進行分割保護[10]。這類保護方式提供每個分割段的保護，把保護的粒度從一棵樹為單位降低到樹上的分割段為單位，并且允許保護段與其他工作段的資源共享，增大了成功建立保護的概率。這種保護方式的缺點是保護粒度在某些情況還是很大，計算保護失敗的概率也會很大。也有針對工作樹的所有失效情況來分別預(yù)留保護資源的保護方式[10-11]。這種方式往往針對靜態(tài)業(yè)務(wù)情況，采用整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)優(yōu)化資源使用，這種保護方式與把工作樹分割進行保護有異曲同工之處，就是把保護粒度從一棵樹為單位降低到段的保護，并且允許工作樹與保護段的資源共享，提高了計算保護成功的概率。但是這種保護的最大缺點是當(dāng)工作樹的規(guī)模較大時，失效的情況很多，計算開銷大。
由于環(huán)狀保護的優(yōu)越性(占用資源少，保護范圍大)，有一些文章探討了把組播的源、宿節(jié)點放在一個環(huán)上進行保護或者把所有的組播源、宿節(jié)點放在一個環(huán)上保護[10-12]。這種保護的最大缺點就是很多情況不可能找出這樣的環(huán)。#p#
4.3TNet中的組播結(jié)構(gòu)及其特點
在3TNet中，實現(xiàn)了一種結(jié)合IP組播和ASON組播的兩層兩級組播結(jié)構(gòu)，通過核心具有組播能力的ASON設(shè)備和外圍的組播接入?yún)R聚路由器，向用戶提供電視業(yè)務(wù)，如圖2所示。需要說明的是，考慮到本文是介紹ASON組播技術(shù)其應(yīng)用，圖2對3TNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了簡化，突出了ASON組播技術(shù)，其他技術(shù)不再在本文中詳細(xì)介紹，實際中3TNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比圖2更豐富。
3TNet在業(yè)界首次實現(xiàn)了ASON/GMPLS組播功能，具有組播能力的光交叉連接設(shè)備在物理層通過在虛容器級進行信號的復(fù)制，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的組播功能。來自視頻頭端的IP組播視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)以太網(wǎng)匯聚后被放入光網(wǎng)絡(luò)中的點到多點隧道，并通過點到多點的隧道被透明分發(fā)到相應(yīng)的離用戶較近的IP路由器。IP路由器及基于IP的接入網(wǎng)通過IP組播的方式將組播業(yè)務(wù)流推送到用戶的機頂盒。
在這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中存在兩種形式的組播。第一是核心光網(wǎng)絡(luò)中的光組播，主要實現(xiàn)信號在虛通道級的透明復(fù)制，為上層提供透明的點到多點通道;第二是IP組播，視頻流被封裝在IP組播數(shù)據(jù)包中，在頭端側(cè)進入由核心光網(wǎng)絡(luò)提供的點到多點通道，直至用戶側(cè)IP路由器。從協(xié)議層次來看，邊緣的IP組播和核心的光組播存在層疊關(guān)系，因此稱這種結(jié)構(gòu)為IP組播架構(gòu)于光組播之上的層疊組播結(jié)構(gòu)[13]。
3TNet中的組播方式和傳統(tǒng)的純IP組播的方式相比，具有如下明顯的優(yōu)勢：
(1)由于核心網(wǎng)絡(luò)中建立的是一個優(yōu)化的點到多點的組播樹，而不是采用多條點到點連接的模擬，它與IP組播具有相同的帶寬效率。
(2)邊緣網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)容提供和本地分發(fā)部分)仍然采用IP組播方式，技術(shù)成熟，成本較低，與現(xiàn)有的IPTV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兼容，運營商在部署IPTV業(yè)務(wù)時，可以最大限度地保護以前的投資。
(3)由于核心網(wǎng)絡(luò)的點到多點連接是基于電路交換的，傳輸時延和抖動幾乎可以忽略，端到端僅有一個IP跳，因此可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)，特別適合傳送大規(guī)模的IPTV業(yè)務(wù)。
(4)若干邊緣小粒度帶寬的IP組播流可以被匯聚到一個較大帶寬的點到多點的動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)組播樹，極大地減少組播狀態(tài)的維護，因而提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。
(5)不需要為每個IP組播業(yè)務(wù)提供單獨的保護恢復(fù)機制，核心網(wǎng)絡(luò)的點到多點組播樹匯聚了IP組播業(yè)務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的生存性。
目前，3TNet的組播業(yè)務(wù)包括中央臺電視頻道、上海文廣電視頻道、省市衛(wèi)星電視頻道、上海互動電視頻道等近百個電視頻道，每個電視頻道的IP流帶寬6～8 Mb/s。此外，還有一路高清晰電視頻道(HDTV)，其IP流帶寬24～26 Mb/s。可以通過數(shù)字電視機和個人計算機觀看。
5.結(jié)束語
本文介紹了光網(wǎng)絡(luò)組播的支撐技術(shù)，并結(jié)合中國國家“863”計劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項中的研究工作，對IP組播架構(gòu)于光網(wǎng)絡(luò)組播這種層疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了介紹。組播是未來光網(wǎng)絡(luò)必不可少的一種技術(shù)。層疊網(wǎng)絡(luò)的進一步演進，將進一步融合IP組播和光網(wǎng)絡(luò)組播。在未來的幾年內(nèi)，降低光網(wǎng)絡(luò)組播樹的粒度，從而降低光組播的使用門檻，有利于促進這一技術(shù)的更廣泛使用。全光交換是未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。針對波長路由網(wǎng)絡(luò)和光分組/突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)的研究將繼續(xù)進行。
本文涉及工作得到中國國家“863”計劃的支持，本論文的主要內(nèi)容以“863”計劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項中的研究工作為主。在此，作者特別感謝專項總體組，并感謝參加ASON組播工作的有關(guān)單位，包括信息產(chǎn)業(yè)部通信標(biāo)準(zhǔn)研究所、中國電信北京研究院和上海電信、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)等，感謝參加ASON設(shè)備研制的中興通訊、烽火和華為公司，感謝上海寬帶技術(shù)工程中心。
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