解析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)，對電信運營商的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，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，電信運營商要高效且經(jīng)濟地部署和實現(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）進行組播報文的路由轉(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)進行二層組播轉(zhuǎn)發(fā)，接入IPTV終端設(shè)備（即IPTV機頂盒）。圖1是IPTV端到端組播推送模型示意圖。

圖1IPTV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)

組播報文與單播報文的主要區(qū)別在于報文目的地址的標(biāo)識，組播報文目的地址為組播組地址（以“1110”開頭的D類IP地址），單播報文以目的主機IP地址作為目的地址。由于組播組地址與目的主機之間不是一一對應(yīng)關(guān)系，組播路由器只能利用報文源地址的惟一性進行路由判決。也就是說，組播路由器根據(jù)報文的源地址而不是目的地址，將報文沿著遠(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)定組播報文必須從指定的上游鄰接節(jié)點到達(dá)本路由器，而由其他鄰接節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的組播報文都被丟棄。當(dāng)組播路由出現(xiàn)問題時，組播報文可能無法像單播報文那樣通過其他路徑到達(dá)，骨干網(wǎng)會出現(xiàn)IPTV直播信號中斷，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。

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，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。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)點及其共享樹來獲得組播源發(fā)送的前幾個組播報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)時延并且避免RP節(jié)點可能引發(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來實現(xiàn)組播分發(fā)樹的切換工作。當(dāng)偵測到某個組播源的組播流速超過SPT-Threshold時，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，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組播報文后即由共享樹切換到信源。

2.3RP配置技術(shù)

RP作為共享樹的根節(jié)點，在組播過程中起到承上啟下的作用?？紤]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，可以選取多個組播路由器共同承擔(dān)RP的功能（即Anycast RP技術(shù)），將各個RP節(jié)點的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。

組播網(wǎng)絡(luò)中的RP配置問題不僅關(guān)乎RP節(jié)點自身的設(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)點的動態(tài)調(diào)整；自動發(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。對于規(guī)模較小的城域骨干網(wǎng)，可以采用在各個組播路由器上靜態(tài)配置RP的方式；對于規(guī)模較大且具有嚴(yán)格安全防范策略的城域骨干網(wǎng)，建議采用自動發(fā)現(xiàn)RP的方式。

2.4IPTV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)送的起初幾個組播報文封裝在獨立的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)

3.1IPTV用戶端的組播加入技術(shù)

IPTV用戶端（機頂盒）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)）進行信令交互，以加入或退出特定的組播組（即IPTV直播頻道）。

機頂盒向組播路由器發(fā)送組播組加入請求報文時，其報文的目的MAC地址是組播組而不是組播路由器的MAC地址，這點與單播方式不同。需注意的是，一個組播組MAC地址實際上與32個不同的組播組IP地址相對應(yīng)。這是因為組播組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，則其所對應(yīng)的組播組MAC地址均為01:00:5E:00:00:01，從而將導(dǎo)致機頂盒及寬帶接入網(wǎng)的二層設(shè)備無法區(qū)分這三路信號。因此，規(guī)劃組播IP地址時需留意此類問題。

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、DSLAM等運行在數(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，對第三層（網(wǎng)絡(luò)層）的IP報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。典型的交換機等二層設(shè)備處理IPTV組播流量時，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)通過偵聽機頂盒和組播路由器之間的IGMP報文以掌握設(shè)備端口對組播數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系；而IGMP Proxy技術(shù)則對機頂盒與組播路由器之間的IGMP報文進行攔截、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)備時可根據(jù)網(wǎng)元設(shè)備的實際性能及對IGMP Snooping/Proxy技術(shù)的支持程度進行選擇。

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用戶的組播報文會向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，即使用戶端口有10 Mbit/s接入帶寬，5個IPTV直播頻道的組播報文就可將其阻塞；采用二層組播轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)后，組播報文僅向有使用請求的端口轉(zhuǎn)發(fā)，若每個端口最多僅下聯(lián)一個IPTV機頂盒，則最多僅有一個直播頻道的組播報文（即2 Mbit/s流量）轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)端口。

3.3VLAN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

3.4靜態(tài)組播與動態(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，即動態(tài)組播模式和靜態(tài)組播模式。在動態(tài)組播模式下，交換機、DSLAM等設(shè)備只有收到某頻道（組播組）第一個用戶加入請求后，才會接收并下發(fā)該頻道節(jié)目；而當(dāng)該頻道（組播組）最后一個用戶退出時，網(wǎng)元設(shè)備會停止接收該組播流。靜態(tài)組播模式則是在交換設(shè)備上靜態(tài)配置各個IPTV頻道（組播組）的MAC組播轉(zhuǎn)發(fā)表項，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，其流量會大于單播流量；動態(tài)組播的最大流量在IPTV并發(fā)用戶數(shù)小于頻道數(shù)時等同于單播流量，在IPTV并發(fā)用戶數(shù)大于頻道數(shù)時等同于靜態(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，但對網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求較大；動態(tài)組播不論在何種情況下都能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量最小化，但當(dāng)用戶接收新頻道（組播組）時可能會有一定的網(wǎng)絡(luò)時延。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下聯(lián)的IPTV用戶數(shù)非常少時，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)可以采用動態(tài)組播甚至單播方式傳送IPTV直播信號。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，組播對網(wǎng)絡(luò)流量帶寬的節(jié)約特性越來越顯著。這時，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，以進一步提升IPTV服務(wù)品質(zhì)。因此，運營商可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、IPTV業(yè)務(wù)滲透率等實際情況來決定接入網(wǎng)設(shè)備是配置成動態(tài)還是靜態(tài)組播方式。

4、結(jié)束語

本文結(jié)合電信運營商現(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)，對電信運營商高效且經(jīng)濟地部署和實現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)具有良好的借鑒意義。

編輯：jq