IPTV端到端组播推送网络的关键配置技术

    1、引言
　　
    IPTV作为一种高带宽、高质量的新型互联网多媒体业务，对电信运营商的IP城域网提出了更高要求。组播技术与传统单播技术相比，在传输效率相当的基础上具有网络带宽不随用户数量线性增长的优点，可以有效地节约视频服务器和承载网络的负载。因此，电信运营商要高效且经济地部署和实现IPTV业务，建议采用端到端组播推送，且IP组播网络的配置是关键。
　　
    目前电信运营商IP城域网主要由城域骨干网与宽带接入网构成，IPTV业务数据依次通过城域骨干网和宽带接入网推送到用户端。城域骨干网主要由网络层（第三层）设备组成，可启用PIM-SM等组播路由协议接入组播源（即IPTV头端设备）进行组播报文的路由转发。宽带接入网主要由数据链路层（第二层）设备组成，可采用IGMP Proxy或IGMP Snooping等技术进行二层组播转发，接入IPTV终端设备（即IPTV机顶盒）。图1是IPTV端到端组播推送模型示意图。

    图1　IPTV端到端组播推送网络模型
　　
    本文分别从城域骨干网和宽带接入网两个不同的网络层面，阐述IPTV端到端组播推送网络的关键配置技术。

    2、城域骨干网的组播关键配置技术
　　
    2.1　组播路由技术
　　
    组播报文与单播报文的主要区别在于报文目的地址的标识，组播报文目的地址为组播组地址（以“1110”开头的D类IP地址），单播报文以目的主机IP地址作为目的地址。由于组播组地址与目的主机之间不是一一对应关系，组播路由器只能利用报文源地址的惟一性进行路由判决。也就是说，组播路由器根据报文的源地址而不是目的地址，将报文沿着远离组播源的方向发送，该技术称为逆向路径转发（简称RPF）。
　　
    为避免路由环路等问题，RPF规定组播报文必须从指定的上游邻接节点到达本路由器，而由其他邻接节点转发来的组播报文都被丢弃。当组播路由出现问题时，组播报文可能无法像单播报文那样通过其他路径到达，骨干网会出现IPTV直播信号中断，而网页浏览、邮件收发等单播应用却正常的障碍。这时应沿着组播分发路径，检查组播路由器的RPF路由表及其上游邻接节点。
　　
    2.2　组播路由切换技术
    　　
    PIM-SM协议中的组播分发树可以分为两大类：信源树和共享树。信源树以组播源作为树根，也称最短路径树，可以使端到端的组播延迟达到最小，但是路由器必须保存大量的路由信息，系统资源消耗大；共享树以RP（PIM-SM协议中的重要路由器，用于组播源与组播路由器之间路由汇接）作为所有组播分发树公共根节点，组播源流量必须先到达RP再下发，组播路径通常并非最优，会引入额外的网络延迟，但是路由器所需保留的路由信息可以很少。
　　
    PIM-SM协议充分利用了两种组播分发树的优点。在组播初始阶段，组播路由器由于无法知道组播源位置而无法使用信源树，但可以通过已知的RP节点及其共享树来获得组播源发送的前几个组播报文从而获知组播源位置，并由共享树切换到信源树，以减少网络时延并且避免RP节点可能引发的网络瓶颈。
　　
    城域骨干网一般主要由Cisco路由器组成。Cisco等路由器通过流量速率预设门限SPT-Threshold来实现组播分发树的切换工作。当侦测到某个组播源的组播流速超过SPT-Threshold时，其组播路由将从共享树切换到信源树；同样，若组播流速低于SPT-Threshold时，其组播路由也可以从信源树回切到共享树。SPT-Threshold一般配置为0，使路由器收到第一个组播报文后即由共享树切换到信源树。
　　
    2.3　RP配置技术
　　
    RP作为共享树的根节点，在组播过程中起到承上启下的作用。考虑到PIM-SM协议具有组播分发树切换特性，RP一般用于建立组播源与组播路由器之间的初始连接，一旦路由器的组播路由从共享树切换到信源树后，就不再需要RP及其共享树。因此，组播网络中RP的位置选择不是非常重要，关键是其可靠性和稳定性。
　　
    为提高RP的可靠性和稳定性，可以选取多个组播路由器共同承担RP的功能（即Anycast RP技术），将各个RP节点的loopback接口配成相同IP地址，由此形成RP的负荷分担和故障保护。[page]
　　
    组播网络中的RP配置问题不仅关乎RP节点自身的设置部署，还涉及到其他组播路由器如何获知RP节点的问题。在组播初始阶段，组播路由器可以不知道组播源位置，但是必须清楚RP地址。组播路由器获取RP地址的方式主要有两种，即静态配置RP方式和自动发现RP方式。静态配置RP方式较为安全，可以有效防止伪造RP等欺骗行为，但是网络配置的工作量大，且不利于RP等节点的动态调整；自动发现RP方式可以减少配置工作量，方便网络变更和控制策略调整，但是存在一定的安全隐患。对于规模较小的城域骨干网，可以采用在各个组播路由器上静态配置RP的方式；对于规模较大且具有严格安全防范策略的城域骨干网，建议采用自动发现RP的方式。
　　
    2.4　IPTV头端的组播加入技术
　　
    在组播初始阶段，组播路由器一般通过已知的RP节点及其共享树来获取IPTV头端（即组播源）的流量及位置信息。为使RP获知组播源，与组播源直联的组播路由器负责将组播源发送的起初几个组播报文封装在独立的PIM Register消息中，以单播方式向RP发起组播源注册过程。RP通过该消息不仅可获取感兴趣的组播组报文，还可获知该组播源的IP地址。之后，RP向其他组播路由器转发该组播源信息，并通过PIM Registe-Stop消息结束本次组播源注册过程。 

    3、宽带接入网的组播关键配置技术
　　
    3.1　IPTV用户端的组播加入技术
　　
    IPTV用户端（机顶盒）通过IGMP协议经由宽带接入网与城域骨干网业务接入控制层的组播路由器（通常由业务路由器或宽带接入服务器承担）进行信令交互，以加入或退出特定的组播组（即IPTV直播频道）。
　　
    机顶盒向组播路由器发送组播组加入请求报文时，其报文的目的MAC地址是组播组而不是组播路由器的MAC地址，这点与单播方式不同。需注意的是，一个组播组MAC地址实际上与32个不同的组播组IP地址相对应。这是因为组播组MAC地址为01:00:5E:00:00:00～01:00:5E:7F:FF:FF，即有效地址空间仅有23位，而组播组IP的有效地址空间却有28位。两者的映射关系是将MACC地址的低23位数值等同于IP地址的低23位数值，从而导致组播组IP地址的高5位比特信息丢失。例如，若三个不同的IPTV直播频道分别采用224.0.0.1、224.128.0.1和239.128.0.1作为组播组IP地址，则其所对应的组播组MAC地址均为01:00:5E:00:00:01，从而将导致机顶盒及宽带接入网的二层设备无法区分这三路信号。因此，规划组播IP地址时需留意此类问题。
　　
    3.2　二层组播转发技术
　　
    宽带接入网由大量二层交换机、DSLAM等运行在数据链路层的网元设备组成。二层设备的特点是在设备端口之间基于MAC地址交换/转发数据帧，对第三层（网络层）的IP报文解析和路由功能较差，因此不能直接支持工作在第三层的IGMP等组播协议。典型的交换机等二层设备处理IPTV组播流量时，按目的地址未知或者广播方式，向

其所有端口广播组播数据帧，容易引发广播风暴等问题。
　　
    要解决组播报文泛滥问题需采用二层组播转发技术，如IGMP Snooping、IGMP Proxy技术等。IGMP Snooping技术通过侦听机顶盒和组播路由器之间的IGMP报文以掌握设备端口对组播数据帧的转发关系；而IGMP Proxy技术则对机顶盒与组播路由器之间的IGMP报文进行拦截、过滤和代理转发，可以节约组播路由器到二层设备之间的组播流量，但对网元设备的处理能力、内存等性能指标要求较高。配置二层设备时可根据网元设备的实际性能及对IGMP Snooping/Proxy技术的支持程度进行选择。
　　
    以2 Mbit/s带宽的IPTV直播频道为例，若二层设备未采用二层组播转发技术，则发往所有IPTV用户的组播报文会向所有端口转发，即使用户端口有10 Mbit/s接入带宽，5个IPTV直播频道的组播报文就可将其阻塞；采用二层组播转发技术后，组播报文仅向有使用请求的端口转发，若每个端口最多仅下联一个IPTV机顶盒，则最多仅有一个直播频道的组播报文（即2 Mbit/s流量）转发到相应端口。
　　
    3.3　VLAN配置技术
　　
    二层组播转发的流量仅涉及IPTV组播业务，不涉及其他宽带业务，因此在宽带接入网中一般要先用VLAN等技术将IPTV组播流量从其他业务和用户的流量中隔离出来。常用的VLAN技术包括解决组播VLAN到各个用户VLAN的跨VLAN组播复制技术，以及解决VLAN ID数目不够的QinQ技术等。
　　
    3.4　静态组播与动态组播技术
　　
    IPTV直播节目经IP承载网送抵用户终端，主要有两种组播模式，即动态组播模式和静态组播模式。在动态组播模式下，交换机、DSLAM等设备只有收到某频道（组播组）第一个用户加入请求后，才会接收并下发该频道节目；而当该频道（组播组）最后一个用户退出时，网元设备会停止接收该组播流。静态组播模式则是在交换设备上静态配置各个IPTV频道（组播组）的MAC组播转发表项，不论下联用户是否收看，组播流都已下发到网元设备。
　　
    静态组播流量与IPTV用户数无关，仅与频道数及每频道带宽有关，在用户数小于频道数时，其流量会大于单播流量；动态组播的最大流量在IPTV并发用户数小于频道数时等同于单播流量，在IPTV并发用户数大于频道数时等同于静态组播流量。在静态组播方式下，用户的频道切换速度快，业务感知好，但对网络的带宽需求较大；动态组播不论在何种情况下都能实现网络流量最小化，但当用户接收新频道（组播组）时可能会有一定的网络时延。
　　
    在网络设备下联的IPTV用户数非常少时，组播的优势不太明显，因此在IPTV业务开展初期，IPTV用户数不多或宽带接入网改造未到位存在流量瓶颈的情况下，宽带接入网可以采用动态组播甚至单播方式传送IPTV直播信号。当网络设备下联的用户数远超过IPTV频道数时，组播对网络流量带宽的节约特性越来越显著。这时，也就是IPTV业务开展到成熟期且宽带接入网改造也已到位的情况下，可以采用静态组播方式传送IPTV直播信号，以进一步提升IPTV服务品质。因此，运营商可以根据网络质量、IPTV业务渗透率等实际情况来决定接入网设备是配置成动态还是静态组播方式。

    4、结束语
　　
    本文结合电信运营商现有的IP城域网，系统地阐述了IPTV端到端组播推送网络配置的关键技术，对电信运营商高效且经济地部署和实现IPTV业务具有良好的借鉴意义。