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组播是未来光网络必不可少的技术。层叠网络的进一步演进，将进一步融合IP组播和光网络组播。未来，可以通过降低光网络组播树的粒度来降低光组播的使用门槛，这将有利于促进组播技术的更广泛使用。
摘要：业务的多样性和不断出现的新业务正在驱动网络的发展，以IPTV为代表的基于流媒体的业务对光网络提出了新的挑战，光网络需要引入组播功能，支持组播业务。组播功能的引入使得光网络的带宽利用率得到有效提高。组播是未来光网络必不可少的技术。层叠网络的进一步演进，将进一步融合IP组播和光网络组播。未来，可以通过降低光网络组播树的粒度来降低光组播的使用门槛，这将有利于促进组播技术的更广泛使用。
关键词：光网络;自动交换光网络;组播技术;流媒体
Abstract:Thedevelopmentofservices and emergence of new services are now driving the development of corresponding optical transport networks. Streaming media services such as IPTV pose new challenges to optical networks as the optical networks must provide multicast capability, taking advantage of multicast for bandwidth efficiency. Multicast is a necessary ingredient in future optical networks. Overlay networks will integrate multicast capabilities of the IP and optical network. In the future, multicast technologies can be promoted through lowering the threshold for multicast applications, that is, decreasing the granularity for an optical network multicast tree.
Keywords:opticalnetwork;ASON; multicast; streaming media
基金项目：国家“863”计划项目(2003AA103310)
近几年来，光网络市场出现复苏，全球市场每年增长约5%～8%。增长主要来自以下几个方面[1]：移动传送网络建设，极大促进市场对多业务传送平台(MSPP)和分插复用器(ADM)的需求;三重播放业务的开展，使得家庭用户的每线数字用户线(DSL)带宽增长10～15倍;网络优化，运营商升级或新建网络，如波分复用(WDM)和自动交换光网络(ASON)的建设，以有限的建设投资获得运营维护的成本的降低;专网市场蓬勃发展，如地铁、机场、能源和交通领域用户的网络建设大大促进了光网络市场的增长。
组播技术通过在网络层进行数据分组的复制，可以有效地提高网络的利用效率，是支持诸如IPTV、视频会议、存储和内容分发等带宽密集型城域应用必不可少的技术。随着城域光网络越来越多地被部署，在光网络中实现组播功能受到业界的关注。
1.光网络组播的作用
光网络中的组播问题早就被研究多波长路由光网络的研究人员所提出。在多波长路由的光网络中，一条由一个光发射机和一个光接收机构成的光传输通道被称为光路，光路可以实现点到点的通信。光树是对光路扩展后一种新的连接关系。在波长路由网络中，一棵光树是包含一个光发射机和多个光接收机的传输通道。光树实现点到多点的通信，即组播，如图1所示。
除了支持组播业务以外，在波长路由光网络中引入光树还可以带来更多的好处[2]，例如：
(1)更高速的传输
光层组播不需要传统IP组播中的光电光(OEO)转换，避免了可能的“瓶颈”，所以可以实现更高速信号的传输。
(2)更高的虚拟可达性
使用光树可以让一个客户同时连接到更多的其他客户，从而增加了网络的虚拟可达性。
(3)业务疏导
通用多协议标记交换(GMPLS)技术允许把一组多协议标记交换(MPLS)标记交换路径(LSP)放入一个波长通道中进行传输，但是LSP仅限于相同的源和目的节点。光树允许一系列低速点到点的LSP被疏导到不同的目的节点，而不需要关心这些目的节点具体与哪个光交叉连接(OXC)出口相连。
(4)1+1光层保护
光树为实现1+1光层保护提供了一种新的方案。把保护路径和工作路径放入一棵以组播光交叉连接(MC-OXC)入口为根的光树，即可以实现1+1保护。
(5)更好的光网络性能
点到点的光路是点到多点的光树的一个特例，所以在引入光树以后所能构建的虚拟拓扑是没有光树相对应的虚拟拓扑的一个超集，因此，对于特定的一个虚拟拓扑构造问题，使用光树可以获得更好的性能。而在相同的性能要求下，引入组播功能可以减少光硬件(例如光收发器)的数量，从而降低成本，提高网络资源的利用效率。
2.光网络组播与IP组播的比较
与光组网组播相比，IP组播已经发展了相当长的一段时间。IP组播的特点是灵活，并且目前已经在厂商的设备中得到广泛的支持。但是由于IP网络本身尽力服务的特点，IP组播无法提供服务质量保证，IP组播的安全性也没有得到完全的解决。
比较光网络组播和IP组播，可以发现这两种同样以有效利用资源为目的的网络技术存在着很大的不同，如表1所示。从表1可以看出，两种组播技术存在很强的互补性。
3.光网络组播的关键技术
3.1光网络组播的物理层支持
由于光网络本身技术繁杂，所以实现光网络组播的物理层机制也各不相同。前面所述的光树是光组播的一种形式，光网络中的业务信号在具有组播能力的光节点上被分束(或者复制)并发往组播树的下游节点，直至到达目的地[3]。这种组播形式适用于全光的波长路由网络。
最近，随着对光分组交换(OPS)网络研究的深入，基于光分组交换的组播技术也开始得到关注，并可以通过多波长变换的方式实现组播[4]。但是由于这种网络本身尚有很多需要解决的问题，基于光分组交换网络的组播技术相当长一段时间内还不会成为光组播的主流技术。
基于传统SDH/SONET电交叉连接的光网络中的组播，是通过在电交叉节点上进行虚通路信号的复制实现的。由于基于SDH/SONET的广域网/城域网占据目前光网络市场的绝大部分，所以在这种网络中实现组播具有更大的实际意义。国家“863”计划从2003年就开始进行这方面的研究，并在基于SDH的ASON中实现组播。
3.2光网络组播的分布式控制
基于集中式波长路由管理的光网络组播的动态性差，组管理复杂。改善这一情况的方法是在目前支持点到点连接的光网络控制平面中引入点到多点连接，也就是组播支持。从2003年底开始，在不到一年时间里，因特网工程任务组(IETF)收到了3个基于资源预留协议-流量工程(RSVP-TE)的组播扩展草案。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扩展的点到多点通信的需求草案[5]，业界对点到多点通信的潜在应用价值达成了共识。
在中国国家“863”计划“高性能宽带信息网”专项中，中国企业和研究机构也较早地进行了ASON组播分布式控制的研究和开发。参加的单位有：上海交通大学、信息产业部电信传输所、中国电信北京研究院、上海电信研究院、中兴通讯、烽火、华为、北京邮电大学、清华大学等单位，在光互联论坛(OIF)的用户网络接口(UNI)规范的基础上，起草了超用户网络接口(BUNI)规范。该规范是OIF UNI1.0和2.0的补充，定义了支持组播和光虚拟专用网的消息集合和过程。2004年初，中国国内中兴通讯、烽火和华为分别在其自动交换传送网络(ASTN)产品上开发了基于GMPLS的组播扩展协议[6]，实现了组播功能，并提交了若干标准文稿[7]。
3.3组播光交换网络中的生存性问题
提高组播树的生存性的方法是对工作组播树进行保护，在故障发生时，业务流从工作树快速切换到保护树，保证业务不会发生长时间中断。组播树本身需要占用大量的网络资源，对其进行保护会消耗更多的带宽。所以，用最少的资源实现有效的组播树保护，就成为非常有价值的研究课题。
组播业务最直观的保护方式是建立一棵与工作树链路分离的保护树[8]，这种保护方式资源占用多，寻找保护树失败的概率很大，改进的方法是，建立一棵与工作树有向链路分离的保护树[9]。这两种方式都是建立一个完整的树进行保护，其缺点是保护占用资源过多，并且在网络中寻找一棵完整的保护树失败的概率很大。
另一类保护方式是把工作树进行分割保护[10]。这类保护方式提供每个分割段的保护，把保护的粒度从一棵树为单位降低到树上的分割段为单位，并且允许保护段与其他工作段的资源共享，增大了成功建立保护的概率。这种保护方式的缺点是保护粒度在某些情况还是很大，计算保护失败的概率也会很大。也有针对工作树的所有失效情况来分别预留保护资源的保护方式[10-11]。这种方式往往针对静态业务情况，采用整数线性规划(ILP)优化资源使用，这种保护方式与把工作树分割进行保护有异曲同工之处，就是把保护粒度从一棵树为单位降低到段的保护，并且允许工作树与保护段的资源共享，提高了计算保护成功的概率。但是这种保护的最大缺点是当工作树的规模较大时，失效的情况很多，计算开销大。
由于环状保护的优越性(占用资源少，保护范围大)，有一些文章探讨了把组播的源、宿节点放在一个环上进行保护或者把所有的组播源、宿节点放在一个环上保护[10-12]。这种保护的最大缺点就是很多情况不可能找出这样的环。
4.3TNet中的组播结构及其特点
在3TNet中，实现了一种结合IP组播和ASON组播的两层两级组播结构，通过核心具有组播能力的ASON设备和外围的组播接入汇聚路由器，向用户提供电视业务，如图2所示。需要说明的是，考虑到本文是介绍ASON组播技术其应用，图2对3TNet网络结构进行了简化，突出了ASON组播技术，其他技术不再在本文中详细介绍，实际中3TNet网络结构比图2更丰富。
3TNet在业界首次实现了ASON/GMPLS组播功能，具有组播能力的光交叉连接设备在物理层通过在虚容器级进行信号的复制，从而实现数据平面的组播功能。来自视频头端的IP组播视频数据流经以太网汇聚后被放入光网络中的点到多点隧道，并通过点到多点的隧道被透明分发到相应的离用户较近的IP路由器。IP路由器及基于IP的接入网通过IP组播的方式将组播业务流推送到用户的机顶盒。
在这种结构的网络中存在两种形式的组播。第一是核心光网络中的光组播，主要实现信号在虚通道级的透明复制，为上层提供透明的点到多点通道;第二是IP组播，视频流被封装在IP组播数据包中，在头端侧进入由核心光网络提供的点到多点通道，直至用户侧IP路由器。从协议层次来看，边缘的IP组播和核心的光组播存在层叠关系，因此称这种结构为IP组播架构于光组播之上的层叠组播结构[13]。
3TNet中的组播方式和传统的纯IP组播的方式相比，具有如下明显的优势：
(1)由于核心网络中建立的是一个优化的点到多点的组播树，而不是采用多条点到点连接的模拟，它与IP组播具有相同的带宽效率。
(2)边缘网络(内容提供和本地分发部分)仍然采用IP组播方式，技术成熟，成本较低，与现有的IPTV网络结构兼容，运营商在部署IPTV业务时，可以最大限度地保护以前的投资。
(3)由于核心网络的点到多点连接是基于电路交换的，传输时延和抖动几乎可以忽略，端到端仅有一个IP跳，因此可以显著提高网络服务质量(QoS)，特别适合传送大规模的IPTV业务。
(4)若干边缘小粒度带宽的IP组播流可以被汇聚到一个较大带宽的点到多点的动态光网络组播树，极大地减少组播状态的维护，因而提高了网络的可扩展性。
(5)不需要为每个IP组播业务提供单独的保护恢复机制，核心网络的点到多点组播树汇聚了IP组播业务，提高了网络业务的生存性。
目前，3TNet的组播业务包括中央台电视频道、上海文广电视频道、省市卫星电视频道、上海互动电视频道等近百个电视频道，每个电视频道的IP流带宽6～8 Mb/s。此外，还有一路高清晰电视频道(HDTV)，其IP流带宽24～26 Mb/s。可以通过数字电视机和个人计算机观看。
5.结束语
本文介绍了光网络组播的支撑技术，并结合中国国家“863”计划高性能宽带信息网专项中的研究工作，对IP组播架构于光网络组播这种层叠网络结构进行了介绍。组播是未来光网络必不可少的一种技术。层叠网络的进一步演进，将进一步融合IP组播和光网络组播。在未来的几年内，降低光网络组播树的粒度，从而降低光组播的使用门槛，有利于促进这一技术的更广泛使用。全光交换是未来光网络的发展方向。针对波长路由网络和光分组/突发交换网络的组播技术的研究将继续进行。
本文涉及工作得到中国国家“863”计划的支持，本论文的主要内容以“863”计划高性能宽带信息网专项中的研究工作为主。在此，作者特别感谢专项总体组，并感谢参加ASON组播工作的有关单位，包括信息产业部通信标准研究所、中国电信北京研究院和上海电信、清华大学、北京邮电大学等，感谢参加ASON设备研制的中兴通讯、烽火和华为公司，感谢上海宽带技术工程中心。
6.参考文献
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作者简介：
孙卫强，中国科学技术大学毕业，博士。上海交通大学电子工程系讲师，先后主持和参加国家“863”计划和国家自然科学基金项目多项。主要研究领域为自动交换光网络中的控制和管理、光网络组播和业务驱动。金耀辉，上海交通大学电子工程系教授。主持了多项国家“863”计划、自然科学基金和上海市科委项目。已发表论文50余篇。研究方向为新型光网络的协议设计与网络优化、光子网格、光网络组播和具有QoS保证的高速交换机等。胡卫生，上海交通大学电子工程系教授，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室主任，国家“863”计划高性能宽带信息网专项总体组专家，负责自动交换光网络及其示范网工程的工作。已发表学术论文100余篇，申请国家发明专利25项。
