IPTV端到端組播推送網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵配置技術(shù)

1、引言

IPTV作為一種高帶寬、高質(zhì)量的新型互聯(lián)網(wǎng)多媒體業(yè)務(wù)，對(duì)電信運(yùn)營商的IP城域網(wǎng)提出了更高要求。組播技術(shù)與傳統(tǒng)單播技術(shù)相比，在傳輸效率相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上具有網(wǎng)絡(luò)帶寬不隨用戶數(shù)量線性增長的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地節(jié)約視頻服務(wù)器和承載網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。因此，電信運(yùn)營商要高效且經(jīng)濟(jì)地部署和實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)，建議采用端到端組播推送，且IP組播網(wǎng)絡(luò)的配置是關(guān)鍵。

目前電信運(yùn)營商IP城域網(wǎng)主要由城域骨干網(wǎng)與寬帶接入網(wǎng)構(gòu)成，IPTV業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)依次通過城域骨干網(wǎng)和寬帶接入網(wǎng)推送到用戶端。城域骨干網(wǎng)主要由網(wǎng)絡(luò)層(第三層)設(shè)備組成，可啟用PIM-SM等組播路由協(xié)議接入組播源(即IPTV頭端設(shè)備)進(jìn)行組播報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)。寬帶接入網(wǎng)主要由數(shù)據(jù)鏈路層(第二層)設(shè)備組成，可采用IGMP Proxy或IGMP Snooping等技術(shù)進(jìn)行二層組播轉(zhuǎn)發(fā)，接入IPTV終端設(shè)備(即IPTV機(jī)頂盒)。圖1是IPTV端到端組播推送模型示意圖。

圖1　IPTV端到端組播推送網(wǎng)絡(luò)模型

本文分別從城域骨干網(wǎng)和寬帶接入網(wǎng)兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)層面，闡述IPTV端到端組播推送網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵配置技術(shù)。

2、城域骨干網(wǎng)的組播關(guān)鍵配置技術(shù)

2.1　組播路由技術(shù)

組播報(bào)文與單播報(bào)文的主要區(qū)別在于報(bào)文目的地址的標(biāo)識(shí)，組播報(bào)文目的地址為組播組地址(以“1110”開頭的D類IP地址)，單播報(bào)文以目的主機(jī)IP地址作為目的地址。由于組播組地址與目的主機(jī)之間不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，組播路由器只能利用報(bào)文源地址的惟一性進(jìn)行路由判決。也就是說，組播路由器根據(jù)報(bào)文的源地址而不是目的地址，將報(bào)文沿著遠(yuǎn)離組播源的方向發(fā)送，該技術(shù)稱為逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)(簡稱RPF)。

為避免路由環(huán)路等問題，RPF規(guī)定組播報(bào)文必須從指定的上游鄰接節(jié)點(diǎn)到達(dá)本路由器，而由其他鄰接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的組播報(bào)文都被丟棄。當(dāng)組播路由出現(xiàn)問題時(shí)，組播報(bào)文可能無法像單播報(bào)文那樣通過其他路徑到達(dá)，骨干網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)IPTV直播信號(hào)中斷，而網(wǎng)頁瀏覽、郵件收發(fā)等單播應(yīng)用卻正常的障礙。這時(shí)應(yīng)沿著組播分發(fā)路徑，檢查組播路由器的RPF路由表及其上游鄰接節(jié)點(diǎn)。

2.2　組播路由切換技術(shù)

PIM-SM協(xié)議中的組播分發(fā)樹可以分為兩大類：信源樹和共享樹。信源樹以組播源作為樹根，也稱最短路徑樹，可以使端到端的組播延遲達(dá)到最小，但是路由器必須保存大量的路由信息，系統(tǒng)資源消耗大;共享樹以RP(PIM-SM協(xié)議中的重要路由器，用于組播源與組播路由器之間路由匯接)作為所有組播分發(fā)樹公共根節(jié)點(diǎn)，組播源流量必須先到達(dá)RP再下發(fā)，組播路徑通常并非最優(yōu)，會(huì)引入額外的網(wǎng)絡(luò)延遲，但是路由器所需保留的路由信息可以很少。

PIM-SM協(xié)議充分利用了兩種組播分發(fā)樹的優(yōu)點(diǎn)。在組播初始階段，組播路由器由于無法知道組播源位置而無法使用信源樹，但可以通過已知的RP節(jié)點(diǎn)及其共享樹來獲得組播源發(fā)送的前幾個(gè)組播報(bào)文從而獲知組播源位置，并由共享樹切換到信源樹，以減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延并且避免RP節(jié)點(diǎn)可能引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。

城域骨干網(wǎng)一般主要由Cisco路由器組成。Cisco等路由器通過流量速率預(yù)設(shè)門限SPT-Threshold來實(shí)現(xiàn)組播分發(fā)樹的切換工作。當(dāng)偵測到某個(gè)組播源的組播流速超過SPT-Threshold時(shí)，其組播路由將從共享樹切換到信源樹;同樣，若組播流速低于SPT-Threshold時(shí)，其組播路由也可以從信源樹回切到共享樹。SPT-Threshold一般配置為0，使路由器收到第一個(gè)組播報(bào)文后即由共享樹切換到信源。

2.3　RP配置技術(shù)

RP作為共享樹的根節(jié)點(diǎn)，在組播過程中起到承上啟下的作用。考慮到PIM-SM協(xié)議具有組播分發(fā)樹切換特性，RP一般用于建立組播源與組播路由器之間的初始連接，一旦路由器的組播路由從共享樹切換到信源樹后，就不再需要RP及其共享樹。因此，組播網(wǎng)絡(luò)中RP的位置選擇不是非常重要，關(guān)鍵是其可靠性和穩(wěn)定性。

為提高RP的可靠性和穩(wěn)定性，可以選取多個(gè)組播路由器共同承擔(dān)RP的功能(即Anycast RP技術(shù))，將各個(gè)RP節(jié)點(diǎn)的loopback接口配成相同IP地址，由此形成RP的負(fù)荷分擔(dān)和故障保護(hù)。

組播網(wǎng)絡(luò)中的RP配置問題不僅關(guān)乎RP節(jié)點(diǎn)自身的設(shè)置部署，還涉及到其他組播路由器如何獲知RP節(jié)點(diǎn)的問題。在組播初始階段，組播路由器可以不知道組播源位置，但是必須清楚RP地址。組播路由器獲取RP地址的方式主要有兩種，即靜態(tài)配置RP方式和自動(dòng)發(fā)現(xiàn)RP方式。靜態(tài)配置RP方式較為安全，可以有效防止偽造RP等欺騙行為，但是網(wǎng)絡(luò)配置的工作量大，且不利于RP等節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整;自動(dòng)發(fā)現(xiàn)RP方式可以減少配置工作量，方便網(wǎng)絡(luò)變更和控制策略調(diào)整，但是存在一定的安全隱患。對(duì)于規(guī)模較小的城域骨干網(wǎng)，可以采用在各個(gè)組播路由器上靜態(tài)配置RP的方式;對(duì)于規(guī)模較大且具有嚴(yán)格安全防范策略的城域骨干網(wǎng)，建議采用自動(dòng)發(fā)現(xiàn)RP的方式。

2.4　IPTV頭端的組播加入技術(shù)

在組播初始階段，組播路由器一般通過已知的RP節(jié)點(diǎn)及其共享樹來獲取IPTV頭端(即組播源)的流量及位置信息。為使RP獲知組播源，與組播源直聯(lián)的組播路由器負(fù)責(zé)將組播源發(fā)送的起初幾個(gè)組播報(bào)文封裝在獨(dú)立的PIM Register消息中，以單播方式向RP發(fā)起組播源注冊過程。RP通過該消息不僅可獲取感興趣的組播組報(bào)文，還可獲知該組播源的IP地址。之后，RP向其他組播路由器轉(zhuǎn)發(fā)該組播源信息，并通過PIM Registe-Stop消息結(jié)束本次組播源注冊過程。

3、寬帶接入網(wǎng)的組播關(guān)鍵配置技術(shù)

3.1　IPTV用戶端的組播加入技術(shù)

IPTV用戶端(機(jī)頂盒)通過IGMP協(xié)議經(jīng)由寬帶接入網(wǎng)與城域骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)接入控制層的組播路由器(通常由業(yè)務(wù)路由器或?qū)拵Ы尤敕?wù)器承擔(dān))進(jìn)行信令交互，以加入或退出特定的組播組(即IPTV直播頻道)。

機(jī)頂盒向組播路由器發(fā)送組播組加入請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，其報(bào)文的目的MAC地址是組播組而不是組播路由器的MAC地址，這點(diǎn)與單播方式不同。需注意的是，一個(gè)組播組MAC地址實(shí)際上與32個(gè)不同的組播組IP地址相對(duì)應(yīng)。這是因?yàn)榻M播組MAC地址為01:00:5E:00:00:00～01:00:5E:7F:FF:FF，即有效地址空間僅有23位，而組播組IP的有效地址空間卻有28位。兩者的映射關(guān)系是將MACC地址的低23位數(shù)值等同于IP地址的低23位數(shù)值，從而導(dǎo)致組播組IP地址的高5位比特信息丟失。例如，若三個(gè)不同的IPTV直播頻道分別采用224.0.0.1、224.128.0.1和239.128.0.1作為組播組IP地址，則其所對(duì)應(yīng)的組播組MAC地址均為01:00:5E:00:00:01，從而將導(dǎo)致機(jī)頂盒及寬帶接入網(wǎng)的二層設(shè)備無法區(qū)分這三路信號(hào)。因此，規(guī)劃組播IP地址時(shí)需留意此類問題。

3.2　二層組播轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

寬帶接入網(wǎng)由大量二層交換機(jī)、DSLAM等運(yùn)行在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)元設(shè)備組成。二層設(shè)備的特點(diǎn)是在設(shè)備端口之間基于MAC地址交換/轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，對(duì)第三層(網(wǎng)絡(luò)層)的IP報(bào)文解析和路由功能較差，因此不能直接支持工作在第三層的IGMP等組播協(xié)議。典型的交換機(jī)等二層設(shè)備處理IPTV組播流量時(shí)，按目的地址未知或者廣播方式，向其所有端口廣播組播數(shù)據(jù)幀，容易引發(fā)廣播風(fēng)暴等問題。

要解決組播報(bào)文泛濫問題需采用二層組播轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，如IGMP Snooping、IGMP Proxy技術(shù)等。IGMP Snooping技術(shù)通過偵聽機(jī)頂盒和組播路由器之間的IGMP報(bào)文以掌握設(shè)備端口對(duì)組播數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系;而IGMP Proxy技術(shù)則對(duì)機(jī)頂盒與組播路由器之間的IGMP報(bào)文進(jìn)行攔截、過濾和代理轉(zhuǎn)發(fā)，可以節(jié)約組播路由器到二層設(shè)備之間的組播流量，但對(duì)網(wǎng)元設(shè)備的處理能力、內(nèi)存等性能指標(biāo)要求較高。配置二層設(shè)備時(shí)可根據(jù)網(wǎng)元設(shè)備的實(shí)際性能及對(duì)IGMP Snooping/Proxy技術(shù)的支持程度進(jìn)行選擇。

以2 Mbit/s帶寬的IPTV直播頻道為例，若二層設(shè)備未采用二層組播轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，則發(fā)往所有IPTV用戶的組播報(bào)文會(huì)向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，即使用戶端口有10 Mbit/s接入帶寬，5個(gè)IPTV直播頻道的組播報(bào)文就可將其阻塞;采用二層組播轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)后，組播報(bào)文僅向有使用請(qǐng)求的端口轉(zhuǎn)發(fā)，若每個(gè)端口最多僅下聯(lián)一個(gè)IPTV機(jī)頂盒，則最多僅有一個(gè)直播頻道的組播報(bào)文(即2 Mbit/s流量)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)端口。

3.3　VLAN配置技術(shù)

二層組播轉(zhuǎn)發(fā)的流量僅涉及IPTV組播業(yè)務(wù)，不涉及其他寬帶業(yè)務(wù)，因此在寬帶接入網(wǎng)中一般要先用VLAN等技術(shù)將IPTV組播流量從其他業(yè)務(wù)和用戶的流量中隔離出來。常用的VLAN技術(shù)包括解決組播VLAN到各個(gè)用戶VLAN的跨VLAN組播復(fù)制技術(shù)，以及解決VLAN ID數(shù)目不夠的QinQ技術(shù)等。

3.4　靜態(tài)組播與動(dòng)態(tài)組播技術(shù)

IPTV直播節(jié)目經(jīng)IP承載網(wǎng)送抵用戶終端，主要有兩種組播模式，即動(dòng)態(tài)組播模式和靜態(tài)組播模式。在動(dòng)態(tài)組播模式下，交換機(jī)、DSLAM等設(shè)備只有收到某頻道(組播組)第一個(gè)用戶加入請(qǐng)求后，才會(huì)接收并下發(fā)該頻道節(jié)目;而當(dāng)該頻道(組播組)最后一個(gè)用戶退出時(shí)，網(wǎng)元設(shè)備會(huì)停止接收該組播流。靜態(tài)組播模式則是在交換設(shè)備上靜態(tài)配置各個(gè)IPTV頻道(組播組)的MAC組播轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，不論下聯(lián)用戶是否收看，組播流都已下發(fā)到網(wǎng)元設(shè)備。

靜態(tài)組播流量與IPTV用戶數(shù)無關(guān)，僅與頻道數(shù)及每頻道帶寬有關(guān)，在用戶數(shù)小于頻道數(shù)時(shí)，其流量會(huì)大于單播流量;動(dòng)態(tài)組播的最大流量在IPTV并發(fā)用戶數(shù)小于頻道數(shù)時(shí)等同于單播流量，在IPTV并發(fā)用戶數(shù)大于頻道數(shù)時(shí)等同于靜態(tài)組播流量。在靜態(tài)組播方式下，用戶的頻道切換速度快，業(yè)務(wù)感知好，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求較大;動(dòng)態(tài)組播不論在何種情況下都能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量最小化，但當(dāng)用戶接收新頻道(組播組)時(shí)可能會(huì)有一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下聯(lián)的IPTV用戶數(shù)非常少時(shí)，組播的優(yōu)勢不太明顯，因此在IPTV業(yè)務(wù)開展初期，IPTV用戶數(shù)不多或?qū)拵Ы尤刖W(wǎng)改造未到位存在流量瓶頸的情況下，寬帶接入網(wǎng)可以采用動(dòng)態(tài)組播甚至單播方式傳送IPTV直播信號(hào)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下聯(lián)的用戶數(shù)遠(yuǎn)超過IPTV頻道數(shù)時(shí)，組播對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量帶寬的節(jié)約特性越來越顯著。這時(shí)，也就是IPTV業(yè)務(wù)開展到成熟期且寬帶接入網(wǎng)改造也已到位的情況下，可以采用靜態(tài)組播方式傳送IPTV直播信號(hào)，以進(jìn)一步提升IPTV服務(wù)品質(zhì)。因此，運(yùn)營商可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、IPTV業(yè)務(wù)滲透率等實(shí)際情況來決定接入網(wǎng)設(shè)備是配置成動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)組播方式。

4、結(jié)束語

本文結(jié)合電信運(yùn)營商現(xiàn)有的IP城域網(wǎng)，系統(tǒng)地闡述了IPTV端到端組播推送網(wǎng)絡(luò)配置的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)電信運(yùn)營商高效且經(jīng)濟(jì)地部署和實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)具有良好的借鑒意義。