ASON組播技術及其應用研究
基金項目：國家“863”計劃項目(2003AA103310)
近幾年來，光網絡市場出現復蘇，全球市場每年增長約5%～8%。增長主要來自以下幾個方面[1]：移動傳送網絡建設，極大促進市場對多業務傳送平臺(MSPP)和分插復用器(ADM)的需求;三重播放業務的開展，使得家庭用戶的每線數字用戶線(DSL)帶寬增長10～15倍;網絡優化，運營商升級或新建網絡，如波分復用(WDM)和自動交換光網絡(ASON)的建設，以有限的建設投資獲得運營維護的成本的降低;專網市場蓬勃發展，如地鐵、機場、能源和交通領域用戶的網絡建設大大促進了光網絡市場的增長。
組播技術通過在網絡層進行數據分組的復制，可以有效地提高網絡的利用效率，是支持諸如IPTV、視頻會議、存儲和內容分發等帶寬密集型城域應用必不可少的技術。隨著城域光網絡越來越多地被部署，在光網絡中實現組播功能受到業界的關注。
1.光網絡組播的作用
光網絡中的組播問題早就被研究多波長路由光網絡的研究人員所提出。在多波長路由的光網絡中，一條由一個光發射機和一個光接收機構成的光傳輸通道被稱為光路，光路可以實現點到點的通信。光樹是對光路擴展后一種新的連接關系。在波長路由網絡中，一棵光樹是包含一個光發射機和多個光接收機的傳輸通道。光樹實現點到多點的通信，即組播，如圖1所示。
除了支持組播業務以外，在波長路由光網絡中引入光樹還可以帶來更多的好處[2]，例如：
(1)更高速的傳輸
光層組播不需要傳統IP組播中的光電光(OEO)轉換，避免了可能的“瓶頸”，所以可以實現更高速信號的傳輸。
(2)更高的虛擬可達性
使用光樹可以讓一個客戶同時連接到更多的其他客戶，從而增加了網絡的虛擬可達性。
(3)業務疏導
通用多協議標記交換(GMPLS)技術允許把一組多協議標記交換(MPLS)標記交換路徑(LSP)放入一個波長通道中進行傳輸，但是LSP僅限于相同的源和目的節點。光樹允許一系列低速點到點的LSP被疏導到不同的目的節點，而不需要關心這些目的節點具體與哪個光交叉連接(OXC)出口相連。
(4)1+1光層保護
光樹為實現1+1光層保護提供了一種新的方案。把保護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，即可以實現1+1保護。
(5)更好的光網絡性能
點到點的光路是點到多點的光樹的一個特例，所以在引入光樹以后所能構建的虛擬拓撲是沒有光樹相對應的虛擬拓撲的一個超集，因此，對于特定的一個虛擬拓撲構造問題，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(例如光收發器)的數量，從而降低成本，提高網絡資源的利用效率。
2.光網絡組播與IP組播的比較
與光組網組播相比，IP組播已經發展了相當長的一段時間。IP組播的特點是靈活，并且目前已經在廠商的設備中得到廣泛的支持。但是由于IP網絡本身盡力服務的特點，IP組播無法提供服務質量保證，IP組播的安全性也沒有得到完全的解決。
比較光網絡組播和IP組播，可以發現這兩種同樣以有效利用資源為目的的網絡技術存在著很大的不同，如表1所示。從表1可以看出，兩種組播技術存在很強的互補性。#p#
3.光網絡組播的關鍵技術
3.1光網絡組播的物理層支持
由于光網絡本身技術繁雜，所以實現光網絡組播的物理層機制也各不相同。前面所述的光樹是光組播的一種形式，光網絡中的業務信號在具有組播能力的光節點上被分束(或者復制)并發往組播樹的下游節點，直至到達目的地[3]。這種組播形式適用于全光的波長路由網絡。
最近，隨著對光分組交換(OPS)網絡研究的深入，基于光分組交換的組播技術也開始得到關注，并可以通過多波長變換的方式實現組播[4]。但是由于這種網絡本身尚有很多需要解決的問題，基于光分組交換網絡的組播技術相當長一段時間內還不會成為光組播的主流技術。
基于傳統SDH/SONET電交叉連接的光網絡中的組播，是通過在電交叉節點上進行虛通路信號的復制實現的。由于基于SDH/SONET的廣域網/城域網占據目前光網絡市場的絕大部分，所以在這種網絡中實現組播具有更大的實際意義。國家“863”計劃從2003年就開始進行這方面的研究，并在基于SDH的ASON中實現組播。
3.2光網絡組播的分布式控制
基于集中式波長路由管理的光網絡組播的動態性差，組管理復雜。改善這一情況的方法是在目前支持點到點連接的光網絡控制平面中引入點到多點連接，也就是組播支持。從2003年底開始，在不到一年時間里，因特網工程任務組(IETF)收到了3個基于資源預留協議-流量工程(RSVP-TE)的組播擴展草案。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擴展的點到多點通信的需求草案[5]，業界對點到多點通信的潛在應用價值達成了共識。
在中國國家“863”計劃“高性能寬帶信息網”專項中，中國企業和研究機構也較早地進行了ASON組播分布式控制的研究和開發。參加的單位有：上海交通大學、信息產業部電信傳輸所、中國電信北京研究院、上海電信研究院、中興通訊、烽火、華為、北京郵電大學、清華大學等單位，在光互聯論壇(OIF)的用戶網絡接口(UNI)規范的基礎上，起草了超用戶網絡接口(BUNI)規范。該規范是OIF UNI1.0和2.0的補充，定義了支持組播和光虛擬專用網的消息集合和過程。2004年初，中國國內中興通訊、烽火和華為分別在其自動交換傳送網絡(ASTN)產品上開發了基于GMPLS的組播擴展協議[6]，實現了組播功能，并提交了若干標準文稿[7]。
3.3組播光交換網絡中的生存性問題
提高組播樹的生存性的方法是對工作組播樹進行保護，在故障發生時，業務流從工作樹快速切換到保護樹，保證業務不會發生長時間中斷。組播樹本身需要占用大量的網絡資源，對其進行保護會消耗更多的帶寬。所以，用最少的資源實現有效的組播樹保護，就成為非常有價值的研究課題。
組播業務最直觀的保護方式是建立一棵與工作樹鏈路分離的保護樹[8]，這種保護方式資源占用多，尋找保護樹失敗的概率很大，改進的方法是，建立一棵與工作樹有向鏈路分離的保護樹[9]。這兩種方式都是建立一個完整的樹進行保護，其缺點是保護占用資源過多，并且在網絡中尋找一棵完整的保護樹失敗的概率很大。
另一類保護方式是把工作樹進行分割保護[10]。這類保護方式提供每個分割段的保護，把保護的粒度從一棵樹為單位降低到樹上的分割段為單位，并且允許保護段與其他工作段的資源共享，增大了成功建立保護的概率。這種保護方式的缺點是保護粒度在某些情況還是很大，計算保護失敗的概率也會很大。也有針對工作樹的所有失效情況來分別預留保護資源的保護方式[10-11]。這種方式往往針對靜態業務情況，采用整數線性規劃(ILP)優化資源使用，這種保護方式與把工作樹分割進行保護有異曲同工之處，就是把保護粒度從一棵樹為單位降低到段的保護，并且允許工作樹與保護段的資源共享，提高了計算保護成功的概率。但是這種保護的最大缺點是當工作樹的規模較大時，失效的情況很多，計算開銷大。
由于環狀保護的優越性(占用資源少，保護范圍大)，有一些文章探討了把組播的源、宿節點放在一個環上進行保護或者把所有的組播源、宿節點放在一個環上保護[10-12]。這種保護的最大缺點就是很多情況不可能找出這樣的環。#p#
4.3TNet中的組播結構及其特點
在3TNet中，實現了一種結合IP組播和ASON組播的兩層兩級組播結構，通過核心具有組播能力的ASON設備和外圍的組播接入匯聚路由器，向用戶提供電視業務，如圖2所示。需要說明的是，考慮到本文是介紹ASON組播技術其應用，圖2對3TNet網絡結構進行了簡化，突出了ASON組播技術，其他技術不再在本文中詳細介紹，實際中3TNet網絡結構比圖2更豐富。
3TNet在業界首次實現了ASON/GMPLS組播功能，具有組播能力的光交叉連接設備在物理層通過在虛容器級進行信號的復制，從而實現數據平面的組播功能。來自視頻頭端的IP組播視頻數據流經以太網匯聚后被放入光網絡中的點到多點隧道，并通過點到多點的隧道被透明分發到相應的離用戶較近的IP路由器。IP路由器及基于IP的接入網通過IP組播的方式將組播業務流推送到用戶的機頂盒。
在這種結構的網絡中存在兩種形式的組播。第一是核心光網絡中的光組播，主要實現信號在虛通道級的透明復制，為上層提供透明的點到多點通道;第二是IP組播，視頻流被封裝在IP組播數據包中，在頭端側進入由核心光網絡提供的點到多點通道，直至用戶側IP路由器。從協議層次來看，邊緣的IP組播和核心的光組播存在層疊關系，因此稱這種結構為IP組播架構于光組播之上的層疊組播結構[13]。
3TNet中的組播方式和傳統的純IP組播的方式相比，具有如下明顯的優勢：
(1)由于核心網絡中建立的是一個優化的點到多點的組播樹，而不是采用多條點到點連接的模擬，它與IP組播具有相同的帶寬效率。
(2)邊緣網絡(內容提供和本地分發部分)仍然采用IP組播方式，技術成熟，成本較低，與現有的IPTV網絡結構兼容，運營商在部署IPTV業務時，可以最大限度地保護以前的投資。
(3)由于核心網絡的點到多點連接是基于電路交換的，傳輸時延和抖動幾乎可以忽略，端到端僅有一個IP跳，因此可以顯著提高網絡服務質量(QoS)，特別適合傳送大規模的IPTV業務。
(4)若干邊緣小粒度帶寬的IP組播流可以被匯聚到一個較大帶寬的點到多點的動態光網絡組播樹，極大地減少組播狀態的維護，因而提高了網絡的可擴展性。
(5)不需要為每個IP組播業務提供單獨的保護恢復機制，核心網絡的點到多點組播樹匯聚了IP組播業務，提高了網絡業務的生存性。
目前，3TNet的組播業務包括中央臺電視頻道、上海文廣電視頻道、省市衛星電視頻道、上海互動電視頻道等近百個電視頻道，每個電視頻道的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。可以通過數字電視機和個人計算機觀看。
5.結束語
本文介紹了光網絡組播的支撐技術，并結合中國國家“863”計劃高性能寬帶信息網專項中的研究工作，對IP組播架構于光網絡組播這種層疊網絡結構進行了介紹。組播是未來光網絡必不可少的一種技術。層疊網絡的進一步演進，將進一步融合IP組播和光網絡組播。在未來的幾年內，降低光網絡組播樹的粒度，從而降低光組播的使用門檻，有利于促進這一技術的更廣泛使用。全光交換是未來光網絡的發展方向。針對波長路由網絡和光分組/突發交換網絡的組播技術的研究將繼續進行。
本文涉及工作得到中國國家“863”計劃的支持，本論文的主要內容以“863”計劃高性能寬帶信息網專項中的研究工作為主。在此，作者特別感謝專項總體組，并感謝參加ASON組播工作的有關單位，包括信息產業部通信標準研究所、中國電信北京研究院和上海電信、清華大學、北京郵電大學等，感謝參加ASON設備研制的中興通訊、烽火和華為公司，感謝上海寬帶技術工程中心。
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