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摘要 采用EPON系统的宽带接入网络可以为每个用户提供较高带宽，并且能较好地支持组播功能，是视频组播业务重要的用户接入手段。提供一种在EPON系统中实现高效率组播的方法，充分发挥EPON网络点到多点结构的特点，使同一个组播组的用户共享一条流，从而提高下行带宽的利用率。
1、EPON简介
以太无源光网络（EPON）技术是一种基于以太网技术、点到多点的光纤接入技术，它集以太网技术的简单性和PON网络的高效等特点于一身，是未来实现光纤到户的光纤接入网的最佳方式。
EPON系统由局侧的OLT（光线路终端）、用户侧的ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）组成。一般其下行采用TDM广播方式、上行采用TDMA（时分多址接入）方式，而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构（典型结构为树形结构）。所谓“无源”，是指ODN中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器（Splitter）等无源器件组成，因此其管理维护的成本较低。
2、EPON系统中实现视频组播的意义
采用EPON系统的宽带接入网络可以为每个用户提供较高带宽，可以满足任何视频压缩格式的视频业务传送需要，能在传输过程中提供较高的QoS保障。同时，由于EPON网络其点到多点的结构，并且支持组播协议能较好地支持组播功能，是视频组播业务最好的用户接入手段。因此，在EPON系统中实现高效的视频组播是非常有意义的：可以利用网络的组播特性方便地提供一些新的增值业务，包括在线直播、网络电视、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网的信息服务领域。
3、EPON系统中现有实现组播方案
目前EPON系统均采用IGMP Proxy/Snooping协议实现组播。
IGMP Proxy的实现机理：OLT靠拦截用户和路由器之间的IGMP报文建立组播表，Proxy设备的上联端口执行主机的角色，下联端口执行路由器的角色。
IGMP Snooping的实现机理：OLT以侦听主机发向路由器IGMP成员报告消息的方式，形成组成员和交换机端口的对应关系，OLT则根据该对应关系，将收到的组播数据包转发到组成员的端口。
组播系统由视频组播业务系统、IP城域网、接入网络和家庭网络四部分组成，如图1所示。
图1 一般组播实现方案
EPON系统实现视频组播的一般流程如下：
第1步：机顶盒（STB：Set-top Box）或PC机通过发送DHCP报文从DHCP服务器获得一个IP地址；
第2步：BRAS对STB上报的用户名和密码进行验证，获得电子节目表；
第3步：用户在电子节目表进行节目选择；
第4步：选中节目后，STB就发送一个IGMP加入的请求报文；
第5步：在组播路由器上建立组播映射表（组和VLAN相对应）；
第6步：OLT上建立组播转发表，为每个加入组的用户复制视频流；
第7步：用户观看组播节目。
其中关键的是要在组播路由器中建立组播映射表和OLT上建立组播转发表并复制视频流。具体实现因IGMP Proxy和IGMP Snooping的不同而不同。
在IGMP Proxy模式下当OLT收到IGMP申请加入报文后，OLT启动IGMP Proxy功能，截获这个申请报文。然后是鉴权，鉴权通过后进行以下逻辑检查：若申请的组是OLT中还没有的，那么OLT就向上层路由器发送一个IGMP加入请求，并建立组播转发表；如果在OLT内已经存在一个这样的组播组，则直接将该用户加入OLT上的组播转发表，不再向上层路由器发送IGMP加入报文，同时建立组播业务和用户的对应表。
在IGMP Snooping模式下当OLT收到IGMP加入报文后，通过侦听获得组播转发表消息，但对IGMP报文而言，它是透传经过OLT的。
4、EPON系统中高效组播
目前，EPON系统中采用的IGMP Proxy/Snooping协议方式，在OLT上需要对每个加入组播组的用户复制一条视频流，使下行带宽的利用率降低。
本文提供一种可行方案，充分发挥EPON网络点到多点结构的特点，实现在EPON系统中高效视频组播，使同一个组播组的用户共享一条流，从而提高下行带宽的利用率。
4.1 EPON系统高效组播实现思路
EPON系统中，MAC控制子层的MPCP（multi point control protocol）机制是核心和基础。MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。
P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时和不同ONU的拥塞报告，从而优化PON系统内部的带宽分配。P2P仿真子层是EPON/MPCP协议中的关键组件，通过给每个分组包增加LLID（logical link identification）从而替代2字节的前缀，它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合。
ONU通过一个唯一的“ONU ID”标识自己的身份，OLT端通过ONU ID识别ONU，实现测距、时隙分配等功能。下行数据都会带有ONU ID，ONU据此来识别自己的数据。任何监测、破坏和窃听ONU端口通信的企图都会被阻挡在外。
在此基础上，本文提出以下组播实现思路：系统定义一系列专用于组播的ONU ID，用户的组播加入请求经过OLT时，OLT对这个消息进行监听并记录下来，建立ONU LLID与组播组的对应关系，以确定哪些ONU可以接收这个组播ID下的业务。ONU利用同样的机制根据各端口用户是否申请加入和是否通过认证来确定是否把业务转发给用户端口。
4.2 EPON系统高效组播实现流程
充分利用EPON系统点到多点的结构，将IGMP协议与PON的多播机制相映射，实现同一个组的组播流共享，如图2所示。
详细流程如下：
第1步：用户IP TV机顶盒（STB：Set-top Box）或PC机通过发送DHCP请求从DHCP服务器获得一个IP地址；
第2步：认证服务器对STB/PC上报的用户名和密码进行验证，通过认证后，可在特定的视频服务网站上获得由视频服务器提供的电视以及视频点播的节目表；
第3步：用户使用遥控器选择电视或视频点播节目；
第4步：用户选中节目后，STB/PC会向组播路由器发送一个IGMP组播加入请求报文；
第5步：在IGMP加入请求报文经过ONU时，ONU对这个消息进行监听并记录下来，同时ONU生成组成员和ONU端口的对应关系，并形成组播过滤表；
第6步：在IGMP加入请求报文经过OLT时，OLT对这个消息进行监听并记录下来，同时OLT生成广播ID和组播组成员的相应ONU ID的对应关系，并结合ONU的组播申请权限，形成组播对应表，然后通过管理通道下发给ONU；将IGMP加入请求报文传送到组播路由器；
第7步：组播路由器在收到IGMP加入请求报文后，建立组播映射表（组和VLAN对应关系），并转发组播流；
第8步：OLT接收到组播流后，将组播报文的前导码中的LLID域填充为广播ID，并将组播流广播给ONU；
第9步：ONU接收到带广播ID的报文时，根据OLT下发的组播对应表接收相应的组播流，检查组播过滤表，并向发起IGMP请求报文的用户端口转发组播流。
第10步：用户观看组播节目。
5、EPON系统中高效组播的特点
本文提出的方法在现有的采用IGMP Proxy/Snooping实现视频组播的基础上，结合EPON系统本身固有的广播机制，改善原有组播带宽利用率低的缺点，从而实现高效视频组播。
本文提出的方法相对于现有方法，具有以下优点和效果：
①本方法实现了PON系统中点到多点的高效视频组播，能够大量节约网络带宽、降低网络负载；
②仅需要对现有OLT、ONU进行软件升级；
③不需要对PON网络作任何改动，方案容易实施；
④容易与数据网IGMP组播协议实现互通。
