组播协议在GPON中的实现及应用_本期优秀论文_
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１ 引言
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 业务的开展。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地 利用当前有限的带宽。ＧＰＯＮ 网络是由一个 ＯＬＴ 和最 多 １２８ 个 ＯＮＵ 组成的树型网络。在下行方向（ 从 ＯＬＴ 到 ＯＮＵ） 上， 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， 不但浪费了大量的网络带宽， 还不利于业务
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 。 当 ＯＮＵ 执 行 了
表 ２ ＯＬＴ 侧的组播地址表
３ 组播协议在 ＧＰＯＮ 中的实现方案
ＧＰＯＮ 系 统 是 由 光 线 路 终 端 （ ＯＬＴ） 、光 分 配 网 络 （ ＯＤＮ） 和光网络单元 （ ＯＮＵ） 组成的树型 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 （ ２２４．０．０．０－ ２３９．２５５．２５５．２５５） 与 用户主机端 口相对应。 在 上行方向， 用 户通过机 顶盒 （ ＳＴＢ） 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。图 １ 为 ＧＰＯＮ 组播协议试验 平台示意图。 ３．１ 加入组播组方法的研究与设计
对 于 终 端 用 户 离 开 组 播 组 的 过 程 ， ＩＧＭＰｖ１ 和 ＩＧＭＰｖ２ 有很大差别［４］。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 ， ＩＧＭＰｖ２ 把离开延 迟减少到紧紧几秒钟。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 。 图 ２ 为 主 机 １ 和 ＳＴＢ１ 离开组播组的过程。
以图 １ 为例， 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 （ 见 表 １） ， 并 把 ＳＴＢ１ 要 加 入 该组的 ＩＧＭＰ 信息转发到 ＯＬＴ。
应用的优势。 关键词： ＧＰＯＮ； Ｉ Ｐ 组播； Ｉ ＧＭＰ； ＳＮＯＯＰＩ ＮＧ 中图分类号： ＴＮ９２９．１１ 文献标识码： Ａ
Ｉｍｐｌｅ ｍｅ ｎｔａ ｔｉｏｎ ａ ｎｄ ａ ｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｃａ ｓ ｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｎ ＧＰ ＯＮ
ＷＡＮＧ Ｘｉｎ， ＧＵＯ Ｘｉｎ， ＧＵ Ｗａｎ－ｙｉ
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 （Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ Ｑｕｅｒｙ： ０ｘ１１）、 成 员 关 系 报 告 消 息 （Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ Ｒｅｐｏｒｔ： ０ｘ２２／０ｘ１６） 和 离 开 组 消 息 （Ｌｅａｖｅ Ｇｒｏｕｐ： ０ｘ１７）。
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 ＩＧＭＰ ｓｍｏｏｐｉｎｇ 功 能 ， 而 ＯＬＴ 在 这 个 基 础 上 还 具 有 ＩＧＭＰ Ｐｒｏｘｙ 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。 ３．２ ＧＰＯＮ 对下行组播数据处理方法的研究
而 在 ＯＬＴ 中 ， 当 ＯＬＴ 接 收 到 了 要 求 加 入 组
图 １ ＧＰＯＮ 组播协议试验平台示意图
王 欣， 等： 组播协议在 ＧＰＯＮ 中的实现及应用 表 １ ＯＮＵ 侧的组播地址表
组播地址
端口
０１－ ００－ ５Ｅ－ ０１－ ０２－ ０３
０
０１－ ００－ ５Ｅ－ ０１－ ０２－ ０３
１
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， 建立与该组播组的联接。
当 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 （ 见 表 ２） ， 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。由表 ２ 可见， 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。
组播地址
ＯＮＵ－ ＩＤ
０１－ ００－ ５Ｅ－ ０１－ ０２－ ０３
ＯＮＵ１
０１－ ００－ ５Ｅ－ ０１－ ０２－ ０５
ＯＮＵ２
０１－ ００－ ５Ｅ－ ０１－ ０２－ ０４
ＯＮＵ３
２００７ 年第 ６ 期 光通信技术 !"
专题聚焦
王 欣， 等： 组播协议在 ＧＰＯＮ 中的实现及应用
Ｓｎｏｏｐｉｎｇ 功能后， 它会采用本文 ３．１ 节所描述的过程， 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。 ３．３ 离开组播组方法的研究与设计
收稿日期： ２００７－ ０３－ ０１。 基金项目： 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 （ ＮＣＥＴ－ ０５－ ０１１２） 资助； 国家 ８６３ 项目（ ２００６ＡＡ０１Ｚ２４６） 资助。 作者简介： 王 欣（１９７６－ ）， 女， 博士研究生， 主要从事 ＦＴＴＨ 光接入网及多 媒体关键技术的研究。
!" 光通信技术 ２００的正常运营。因此 迫切需要在 ＧＰＯＮ 中实现组播。
２ ＩＰ 组播， ＩＧＭＰ 和 ＩＧＭＰ Ｓ ｎｏｏｐｉｎｇ
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［１］。
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ ，１００８７６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： ａｔ ｆｉｒｓｔ， ｔｈｅ ｍｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｉｎ ＧＰＯＮ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｃｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚ－ ｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｅｃｏｎｄ ｌａｙｅｒ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ， ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｉｎ ＧＰＯＮ ｕｓｉｎｇ ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ ｐｒｏｔｏｃｏｌ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ａ ｎｏｖｅｌ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ＧＰＯＮ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｃｈｅｍｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｏ ＩＰ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｄａｔａ ｂｙ ＯＬＴ ａｎｄ ＯＮＵ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＩＧＭＰ ｆｒａｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅｒｓ＇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ｅｎｔｅｒｉｎｇ ｏｒ ｌｅａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｇｒｏｕｐ． Ａｔ ｌａｓｔ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＰＴＶ ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎ ＧＰＯＮ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ＧＰＯＮ； ＩＰ ｍｕｌｔｉｃａｓｔ； ＩＧＭＰ； ＳＮＯＯＰＩＮＧ
