GPON网络中有效的多播传输机制

宋勇

（中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，成都 610045）

1 简介

近来IPTV、VOD、 HDTV等多媒体服务越来越流行，用户也急剧的增加，同时对现有的接入网带宽有了更高的需求，因此接入网技术成为了当今网络发展的瓶颈。

GPON的目标是通过光纤传输，适应全业务，且比PON网络更优的网络。GPON能为接入网提供一种成本与效用双赢的解决方案，从而解决接入网的瓶颈。但是随着现今业务对带宽有更高的要求，GPON链路的利用效率成为了主要问题。因为多播机制能将一份数据同时传给多个站点，所以它被用在对带宽要求较高的业务上。既然GPON网络在下行是一个广播通信，通过适当的配置GPON网络就能有效的提供可靠的多播传输。

本文首先介绍了GPON网络和多播协议中的因特网组管理协议（IGMP），因特网组管理窥探协议，因特网组管理代理协议；接着我们介绍了本文所提出的GPON网络中的多播协议和特殊的过滤器；最后我们给出了仿真对比，分析了我们的方案在IPTV中的应用，给出了我们未来需要做的工作。

2 GPON和因特网组管理协议

2.1 GPON

GPON是由全业务协会于2002年9月提出，被ITU-T纳入协议簇G.984.1～G.984.4。GPON网络由3个重要的部分组成：光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）、光分配网络（ODN）。

图1 GPON网络结构

图1为一个GPON的示意图。GPON网络结构是一个简单的树形结构[1]，它通过ODN传输数据，同时用光纤连接OLT和ONU。每一个OLT支持128个ONU，GPON采用特殊封装方法（GPON Encapsulating Method，GEM），不仅支持以太网业务，而且还支持TDM和ATM业务。GPON上行速率能达到1.2 Gbit/s,下行速率能达到2.488 Gbit/s，覆盖范围能达到60 km[2]。

下行OLT发出的信号通过广播通信能达到所有的ONU[3]。OLT通过GEM帧发送，利用GEM的端口号区分，GEM端口号对于每一个ONU是单独唯一的。每一个ONU通过过滤器过滤出端口号为自己端口号的数据包，如图2所示。

图2 下行业务

上行传输是按时分传输[3]，每一个ONU按OLT分配给它们的时隙传输数据帧，如图3所示。

图3 上行业务

2.2 IGMP

IGMP是实现IP多播的基础，IP主机通过它来发送多播组成员关系给邻近的多播设备。在本文中，我们讨论IGMP v2[4]，在此版本中可以快速汇报同组的终端，这在宽带多播和不稳定的网络中很重要。

2.3 IGMP窥探

IGMP窥探是在层2实现的，也就意味着会监控主机与路由器之间的数据分组，解出原本属于层3的信息，传给层2，使其能维护多播表。

当路由器传播一个地址为多播的数据分组时，它将给每一个在传播方向上的终端发送此数据分组，这将不能有效的利用带宽，特别是当此数据分组本来只是想传给一小部分节点。如果一种能实现IGMP窥探的设备能识别出数据要发送的多播地址，那么不属于此多播组的节点将不会收到这些数据分组，从而IGMP窥探提高了带宽的使用率。

2.4 IGMP代理

IGMP代理机制是基于IGMP协议。在大多数的场景中，一个边缘的节点只一条与核心网的连接，然而连接有许多的终端节点。利用IGMP代理代替边缘节点上的多播业务，则可大大减化边缘节点的实现难度，因为不用支持复杂的多播路由协议，因此不仅可以减少成本，而且可以降低信令开销，同时因为代理设备与多播协议独立，因此可以很容易的布放。

IGMP代理与IGMP窥探类似，不同之处在于代理站点能替代其它站点处理IGMP协议，但IGMP窥探只是能获取IGMP信息；最重要的是当网络中没有路由器时，IGMP代理能询问站点，IGMP代理可以视为主机与路由器的汇聚点。对于多播路由器，它是主机；对于主机，它是路由器。IGMP通过IGMP数据分组建立多播表，上行端口扮演着主机的角色，下行端口扮演着路由器的角色。

3 本文的方案

3.1 基于GPON封装包端口号的多播

在GPON系统中，端口号为12bit的数据，由OLT分配给ONU，它能支持4096个独立的业务识别号，使GPON能提供多样的业务。每一个端口号表示一条传输流。

GPON系统主要通过端口号来过滤数据。每一个ONU至少有一个端口号。只要收到一个数据分组，ONU将检测此分组的端口号与自己的端口号是否匹配，如果匹配则传给上层，否则丢弃。图4给出了基于多播端口号的下行复用。有两种方法将数据传送给多个ONU：（1）将包含多个端口号的多份数据发送给多个ONU；（2）传送一个分组含多播端口号的数据分组发送给多个ONU。第一种方法将浪费许多的带宽，所以必须将多播端口号应用到端口号多播机制中。

图4 下行多路复用

3.2 GPON系统中的多播

我们提出了在GPON系统中的一种有效的多播方案，目的是将OLT的数据分组传送给事先设定好的多个ONU；其它的ONU将不会收到这些信息。图5给出了GPON系统中多播结构。当网络按多播的方式运行时，OLT只需要传送多播流，这样不仅能降低带宽浪费，而且能提高下行速率，同时能减轻GPON系统的压力。

3.3 GPON系统中多播的传播流程

图5 GPON网络中的多播结构

下面给出GPON系统中的多播传播流程，OLT中只实现窥探，ONU中只实现代理，如图6给出的IGMP信息传送流程。

3.3.1 IGMP代理流程

在发挥IGMP代理功能时，ONU代表了它下游的终端，它汇聚了它下游所有终端的IGMP报告，反馈给多播路由器。同时它也会拦截路由器的询问报告，通过它目前所知道的转发表生成一个多播报告反馈给路由器。

为了维护这个转发表，ONU对它下游的终端生成一个询问，从而得到当前的转发表。类似的它也会丢弃它下游终端离开的信息。当ONU下游没有任何终端时，它也会生成一个离开的信息反馈给路由器。

时间窗机制也被引入进来：假如新产生一个多播组，则同时会产生一个定时器，周期设为最大。假如在这个周期内没有组内关系的报告，ONU认为所有的终端都不需要多播服务，它将删除所有的多播组和端口信息。通过这种方法将有效的降低OLT处理IGMP信息的压力。

在家庭环境中，一个IPTV的终端通过以太网连到ONU上。当IPTV选择一个频道时，它将发送一个多播合并的消息，当实现IGMP代理的ONU收到这个合并消息，它检查多播表。表1给出了ONU中的多播表。假如组MAC地址不在多播表中，一条新的记录被加入进去，同时相应的端口也加入进去；ONU也必须发送一个多播合并的消息来通知OLT，加入新的组。假如组MAC地址已经存在，则检查终端的端口是否已经加入，如果没有，则加进去。当ONU接收到多播离开消息时，它将检查多播表，假如查到相应的端口，则删除相应的信息，同时发送一个询问此到组MAC地址，假如ONU在时间窗口内没有收到反馈消息，则ONU发送一个离开消息给OLT，通知删除此组。为了维护此多播表，ONU将周期性的发送询问分组。

3.3.2 IGMP窥探流程

IGMP窥探是在层2运行。在GPON系统中，IGMP的合并和离开消息是先发送给ONU，再传给OLT。所以OLT也需要像ONU一样维护一个多播表。IGMP窥探通过监控ONU与多播路由器之间的数据分组，解读层3的信息，反馈给层2多播功能来维护多播表。在GPON系统中，OLT已经提前具有了IGMP窥探功能。表2给出了OLT中多播表的结构。

图6 IGMP信息传送流程

表1 ONU中多播表结构

表2 OLT中多播表结构

OLT分析IGMP数据分组后，就要以获取到合并或者离开多播组的信息。当OLT监控到IGMP合并包，它将检查多播表，假如用户的MAC地址不在多播表中，一条新的记录将加入，并同时加入GPON封装分组端口号。当OLT监控到离开的消息时，它将检查多播表，删除对应的MAC地址和端口信息。

3.4 IGMP过滤机制

GPON系统中下行是通过广播方式发送，因此所有的ONU都将收到下行数据信息。每一个ONU通过GPON封装端口号过滤数据分组，接收属于自己的数据分组。

在我们的方案中，ONU支持特殊的过滤方式，过滤的目的是对进入的数据分组进行过滤，过滤通过查看层2地址（每一个IGMP组与层2的多播地址有关），假如检查失败，则数据分组将丢弃。假如检查成功，则将数据分组传送给目的端口，目的端口通过多播表决定。

4 仿真对比

在GPON网络中，广播很消耗带宽。我们提出了一种适合于GPON网络的广播方法，从而提高带宽利用率。GPON网络理论的总容量[7]可以表示为：

其中Uj是第j个终端的单播容量。J是终端数；Mk是第k个多播组的多播容量，K是多播组个数；Nk是第k个多播组内的成员数。图7给出了下行速率与终端个数之间关系的图示。

下面我们通过IPTV服务来验证。GPON网络中，IPTV的平均速率为10 Mbit/s，Na是每个多播组中平均的成员个数。从图8中可以看出，当下行速率为2.488 Gbit/s时，多播模式可以支持更多的终端。在多播模式中，OLT封装包时将携带多播端口信息，OLT需要将多播流发送给多播组。

图7 终端数与下行速率的关系

图8 不同传输模式下IPTV流个数

所以我们可以得出，在单播模式中，IPTV流的数量急剧下降，然而在多播模式中，数量维持在一个恒定的值。

5 总结

在本文中，我们提出了适合于GPON网络的一种多播方法，得到了更高的传输速率和带宽利用率。通过仿真可以看出，应用这种方法，不仅可以在下行速率保持不变的情况下可以支持更多的终端，而且可以减轻OLT处理IGMP消息的压力。同时我们提出了IGMP过滤机制，这样可以更有效的控制多播业务。这种方法也可以应用在GPON网络中的更多业务中。

在未来的工作中，我们将对多播控制功能做出努力，从而有能力应对不同的业务需求。

[1]ITU-T Recommendation G.984.1: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics[S]. 2008.

[2]ITU-T Recommendation G.984.2: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD)Layer Specification[S]. 2003.

[3]ITU-T Recommendation G.984.3: Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Transmission Convergence Layer Specification[S].2008.

[4]Deering S. Host Extensions for IP Multicasting, RFC l112[S]. Stanford University, 1989.