ASON組播技術(shù)及其應(yīng)用研究
基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2003AA103310)
近幾年來(lái)，光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)出現(xiàn)復(fù)蘇，全球市場(chǎng)每年增長(zhǎng)約5%～8%。增長(zhǎng)主要來(lái)自以下幾個(gè)方面[1]：移動(dòng)傳送網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，極大促進(jìn)市場(chǎng)對(duì)多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)(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(zhǎng)10～15倍;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，運(yùn)營(yíng)商升級(jí)或新建網(wǎng)絡(luò)，如波分復(fù)用(WDM)和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)的建設(shè)，以有限的建設(shè)投資獲得運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本的降低;專網(wǎng)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，如地鐵、機(jī)場(chǎng)、能源和交通領(lǐng)域用戶的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大大促進(jìn)了光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的增長(zhǎng)。
組播技術(shù)通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)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(huì)議、存儲(chǔ)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(lái)越多地被部署，在光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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(wèn)題早就被研究多波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)的研究人員所提出。在多波長(zhǎng)路由的光網(wǎng)絡(luò)中，一條由一個(gè)光發(fā)射機(jī)和一個(gè)光接收機(jī)構(gòu)成的光傳輸通道被稱為光路，光路可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的通信。光樹是對(duì)光路擴(kuò)展后一種新的連接關(guān)系。在波長(zhǎng)路由網(wǎng)絡(luò)中，一棵光樹是包含一個(gè)光發(fā)射機(jī)和多個(gè)光接收機(jī)的傳輸通道。光樹實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)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(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)中引入光樹還可以帶來(lái)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(shí)現(xiàn)更高速信號(hào)的傳輸。
(2)更高的虛擬可達(dá)性
使用光樹可以讓一個(gè)客戶同時(shí)連接到更多的其他客戶，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的虛擬可達(dá)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(gè)波長(zhǎng)通道中進(jìn)行傳輸，但是LSP僅限于相同的源和目的節(jié)點(diǎn)。光樹允許一系列低速點(diǎn)到點(diǎn)的LSP被疏導(dǎo)到不同的目的節(jié)點(diǎn)，而不需要關(guān)心這些目的節(jié)點(diǎn)具體與哪個(gè)光交叉連接(OXC)出口相連。
(4)1+1光層保護(hù)
光樹為實(shí)現(xiàn)1+1光層保護(hù)提供了一種新的方案。把保護(hù)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(shí)現(xiàn)1+1保護(hù)。
(5)更好的光網(wǎng)絡(luò)性能
點(diǎn)到點(diǎn)的光路是點(diǎn)到多點(diǎn)的光樹的一個(gè)特例，所以在引入光樹以后所能構(gòu)建的虛擬拓?fù)涫菦](méi)有光樹相對(duì)應(yīng)的虛擬拓?fù)涞囊粋€(gè)超集，因此，對(duì)于特定的一個(gè)虛擬拓?fù)錁?gòu)造問(wèn)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(zhǎng)的一段時(shí)間。IP組播的特點(diǎn)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(diǎn)，IP組播無(wú)法提供服務(wù)質(zhì)量保證，IP組播的安全性也沒(méi)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(qiáng)的互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)組播的物理層機(jī)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(hào)在具有組播能力的光節(jié)點(diǎn)上被分束(或者復(fù)制)并發(fā)往組播樹的下游節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地[3]。這種組播形式適用于全光的波長(zhǎng)路由網(wǎng)絡(luò)。
最近，隨著對(duì)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(guò)多波長(zhǎng)變換的方式實(shí)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(wèn)題，基于光分組交換網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還不會(huì)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(guò)在電交叉節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行虛通路信號(hào)的復(fù)制實(shí)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(chǎng)的絕大部分，所以在這種網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)組播具有更大的實(shí)際意義。國(guó)家“863”計(jì)劃從2003年就開始進(jìn)行這方面的研究，并在基于SDH的ASON中實(shí)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(zhǎng)路由管理的光網(wǎng)絡(luò)組播的動(dòng)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(diǎn)到點(diǎn)連接的光網(wǎng)絡(luò)控制平面中引入點(diǎn)到多點(diǎn)連接，也就是組播支持。從2003年底開始，在不到一年時(shí)間里，因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)收到了3個(gè)基于資源預(yù)留協(xié)議-流量工程(RSVP-TE)的組播擴(kuò)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(kuò)展的點(diǎn)到多點(diǎn)通信的需求草案[5]，業(yè)界對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)通信的潛在應(yīng)用價(jià)值達(dá)成了共識(shí)。
在中國(guó)國(guó)家“863”計(jì)劃“高性能寬帶信息網(wǎng)”專項(xiàng)中，中國(guó)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也較早地進(jìn)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(guó)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(bǔ)充，定義了支持組播和光虛擬專用網(wǎng)的消息集合和過(guò)程。2004年初，中國(guó)國(guó)內(nèi)中興通訊、烽火和華為分別在其自動(dòng)交換傳送網(wǎng)絡(luò)(ASTN)產(chǎn)品上開發(fā)了基于GMPLS的組播擴(kuò)展協(xié)議[6]，實(shí)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(wèn)題
提高組播樹的生存性的方法是對(duì)工作組播樹進(jìn)行保護(hù)，在故障發(fā)生時(shí)，業(yè)務(wù)流從工作樹快速切換到保護(hù)樹，保證業(yè)務(wù)不會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間中斷。組播樹本身需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)會(huì)消耗更多的帶寬。所以，用最少的資源實(shí)現(xiàn)有效的組播樹保護(hù)，就成為非常有價(jià)值的研究課題。
組播業(yè)務(wù)最直觀的保護(hù)方式是建立一棵與工作樹鏈路分離的保護(hù)樹[8]，這種保護(hù)方式資源占用多，尋找保護(hù)樹失敗的概率很大，改進(jìn)的方法是，建立一棵與工作樹有向鏈路分離的保護(hù)樹[9]。這兩種方式都是建立一個(gè)完整的樹進(jìn)行保護(hù)，其缺點(diǎn)是保護(hù)占用資源過(guò)多，并且在網(wǎng)絡(luò)中尋找一棵完整的保護(hù)樹失敗的概率很大。
另一類保護(hù)方式是把工作樹進(jìn)行分割保護(hù)[10]。這類保護(hù)方式提供每個(gè)分割段的保護(hù)，把保護(hù)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(hù)段與其他工作段的資源共享，增大了成功建立保護(hù)的概率。這種保護(hù)方式的缺點(diǎn)是保護(hù)粒度在某些情況還是很大，計(jì)算保護(hù)失敗的概率也會(huì)很大。也有針對(duì)工作樹的所有失效情況來(lái)分別預(yù)留保護(hù)資源的保護(hù)方式[10-11]。這種方式往往針對(duì)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(hù)方式與把工作樹分割進(jìn)行保護(hù)有異曲同工之處，就是把保護(hù)粒度從一棵樹為單位降低到段的保護(hù)，并且允許工作樹與保護(hù)段的資源共享，提高了計(jì)算保護(hù)成功的概率。但是這種保護(hù)的最大缺點(diǎn)是當(dāng)工作樹的規(guī)模較大時(shí)，失效的情況很多，計(jì)算開銷大。
由于環(huán)狀保護(hù)的優(yōu)越性(占用資源少，保護(hù)范圍大)，有一些文章探討了把組播的源、宿節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)環(huán)上進(jìn)行保護(hù)或者把所有的組播源、宿節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)環(huán)上保護(hù)[10-12]。這種保護(hù)的最大缺點(diǎn)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(diǎn)
在3TNet中，實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)合IP組播和ASON組播的兩層兩級(jí)組播結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(shuō)明的是，考慮到本文是介紹ASON組播技術(shù)其應(yīng)用，圖2對(duì)3TNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(guò)在虛容器級(jí)進(jìn)行信號(hào)的復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的組播功能。來(lái)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(diǎn)到多點(diǎn)隧道，并通過(guò)點(diǎn)到多點(diǎn)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(guò)IP組播的方式將組播業(yè)務(wù)流推送到用戶的機(jī)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(shí)現(xiàn)信號(hào)在虛通道級(jí)的透明復(fù)制，為上層提供透明的點(diǎn)到多點(diǎn)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(jìn)入由核心光網(wǎng)絡(luò)提供的點(diǎn)到多點(diǎn)通道，直至用戶側(cè)IP路由器。從協(xié)議層次來(lái)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(shì)：
(1)由于核心網(wǎng)絡(luò)中建立的是一個(gè)優(yōu)化的點(diǎn)到多點(diǎn)的組播樹，而不是采用多條點(diǎn)到點(diǎn)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(yùn)營(yíng)商在部署IPTV業(yè)務(wù)時(shí)，可以最大限度地保護(hù)以前的投資。
(3)由于核心網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)到多點(diǎn)連接是基于電路交換的，傳輸時(shí)延和抖動(dòng)幾乎可以忽略，端到端僅有一個(gè)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(gè)較大帶寬的點(diǎn)到多點(diǎn)的動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)組播樹，極大地減少組播狀態(tài)的維護(hù)，因而提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。
(5)不需要為每個(gè)IP組播業(yè)務(wù)提供單獨(dú)的保護(hù)恢復(fù)機(jī)制，核心網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)到多點(diǎn)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(tái)電視頻道、上海文廣電視頻道、省市衛(wèi)星電視頻道、上?；?dòng)電視頻道等近百個(gè)電視頻道，每個(gè)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?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字電視機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)觀看。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了光網(wǎng)絡(luò)組播的支撐技術(shù)，并結(jié)合中國(guó)國(guó)家“863”計(jì)劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項(xiàng)中的研究工作，對(duì)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(jìn)行了介紹。組播是未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)必不可少的一種技術(shù)。層疊網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步演進(jìn)，將進(jìn)一步融合IP組播和光網(wǎng)絡(luò)組播。在未來(lái)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(jìn)這一技術(shù)的更廣泛使用。全光交換是未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。針對(duì)波長(zhǎng)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(jìn)行。
本文涉及工作得到中國(guó)國(guó)家“863”計(jì)劃的支持，本論文的主要內(nèi)容以“863”計(jì)劃高性能寬帶信息網(wǎng)專項(xiàng)中的研究工作為主。在此，作者特別感謝專項(xiàng)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(guó)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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