（通信与信息系统专业论文）mpls组播在iptv网络中的应用研究.pdf

摘要 由于网络传输技术和流媒体技术的成熟，通过高速互联网提供电视服务 ( i p t v ) 正在成为现实。为了解决i p t v 组播的服务质量问题，迫切需要高效传 输方案，m p l s ( 多协议标记交换) 技术成为理想解决方案。m p l s 将三层i p 技术和 二层交换技术结合在一起，传输中只处理一个定长的标签，在无连接的网络中引 入连接模式，提供i p 业务时能确保服务质量。m p l s 不但支持流量工程，也是当 前最有前景的v p n 的主要实现技术，因此如何实现肝l s 组播业务传输成为研究 的热点，而且具备实际的应用需求。 本文对m p l s 组播进行了研究，并在此基础上设计了一对多模型来解决i p t v 组播流对网络传输带来的压力，即点到多点( p 2 m p ) 方案。本文从i p t v 业务类 型入手，分析了承载网的组播需求；接着介绍了m p l s 组播框架，提出了适合i p t v 业务的组播流量工程，分析得出新的m p l s 组播流量工程方案点到多点标签 转发路径( p 2 m pl s p ) 。 本文研究重点是如何在r s v p 协议基础上扩展支持p 2 m pl s p ，即建立点到多 点标签转发路径实现流量转发，其中包括：对当前可预留资源的标记分配机制的 改进，提出了基于r s v p 协议的点到多点标签分发机制；研究了具有流量工程的 消息处理机制；讨论了在链路失效与链路恢复时，点到多点组播树的快速重路由 方案，从而增强组播标签转发路径的可靠性、提高协议的信令能力。 本文使用标准c 语言，在v x w o r k s 嵌入式操作系统的集成开发环境 t o r n a d o 下，开发r s v p - t e 的p 2 m p 模块，实现p 2 m p 隧道建立，实现单播和组播 在m p l s 网络中的单一信令协议控制。 关键词：多协议标签交换；组播；交互式网络电视；点到多点：流量工程 a bs t r a c t 、i t l lt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dt h ep o p u l a r i t yo fm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , 口t vi st h o u g h tt ob eap o t e n t i a ls e r v i c e t h e r ei se x p e c t e dh i g hr e l i a b l e m e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo f 口t vm u l t i c a s ta n ds a t i s f yi t sq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) m p l s ( m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) ，w h i c hc o m b i n e sl 2s w i t c h i n ga n d l 3r o u t i n gd a t at r a n s m i s s i o nu s i n go n l yac e r t a i nb y t el a b e li nc o n n e c t i o nm o d e u n d e rc o n n e c t i o n l e s sn e t w o r kt om a k es u r et h eq o so ft h ei ps e r v i c e ，w o u l db ea n i d e a ls o l u t i o n m p l sn o to n l ys u p p o r tt r a f f i ce n g i n e e r i n gb u ta l s om a i nt e c h n o l o g yo f v p n s oh o wt or e a l i z em p l sm u l t i c a s ti sc o n s i d e r e da st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e n e t w o r ks y s t e m i nt h i sp a p e r , w ed os o m er e s e a r c h e so nt h et e c h n o l o g yo fm p l sm u l t i c a s ta n d d e s i g nas o l u t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo fd t v m u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n ，w h i c hi sc a l l e d p o i n t - t o - m u l t i p o i n t f i r s t l y , b yc o n s i d e r i n gt h et y p eo fi p t vb u s i n e s s ，w ea n a l y z et h e d e m a n do fc a r r i e d g r a d em u l t i c a s t s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fm p l sm u l t i c a s t f r a m e w o r k , m u l t i c a s tt r a f f i ce n g i n e e r i n g ( t e ) w h i c hi sp e r f e c tf i tf o rp t vs e r v i c ei s p r o p o s e d , a n df o r mp o i n tt om u l t i p o i n tl a b e ls w i t c h i n gs o l u t i o n h o wt os u p p o r tp 2 m pl s p u s i n gr s v pp r o t o c o li st h ei m p o r t a n ti nt h i sp a p e r i t i sd i s c u s s e da sf o l l o w s ：i m p r o v er e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ( r s v p ) i nl a b e l d i s t r i b u t i o n ，f r o mo n ei n g r e s sp o r tt om a n ye g r e s sp o r t s ，d i s c u s st h em e c h a n i s mo f m e s s a g ep r o c e s s i n gw i t ht r a f f i ce n g i n e e r i n g ，p r o p o s et h em e t h o do f f a s tr e r o u t et h a ti s au s e f u lm e t h o dw h e nt h ef a i l u r eh a p p e n s w eu s es t a n d a r dcl a n g u a g e ，i m p l e m e n t er s v p t ep 2 m pp r o g r a m ，r e a l i z e p 2 m pt u n n e lu n d e rm p l sn e t w o r k ，i m p l e m e n to n es i g n a lp r o t o c o lp r o c e s s e su n i c a s t a n dm u l t i c a s ti nm p l sn e t w o r k s ，w h i c hi si n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h e v x w o r k se m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：m p l s ；m u l t i c a s t ；i p t v ：p 2 m p ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：强奠久签字日期：沙。7 年f 月 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞叁茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 职妖 签字日期：p 1 年1 月工f 日 导师签名：淼垂 oo 幻 签字日期：易哟7 年月同 第一章引言 1 1 技术背景 第一章引言 随着宽带在中国的普及，伴随而来的是i n t e r n e t 社会化时代的到来，人们 对网络的需求不再是单一的网上冲浪和查看新闻，而是提出了多样化的应用需 求，网络的发展迫切需要一种更为高效的技术，来解决网络的服务质量问题以及 对各种新兴增值业务的支持。 i p t v ( 网络电视) 超越了广播电视的时间限制，使电视的互动性和可修 改性得以真正实现，其解决的不仅仅是一个传输渠道的技术问题。发展i p t v 从技 术上说已经是水到渠成的事，并且将成为全球下一个极具前景的产业。据预测到 2 0 0 8 年，中国的i p t v 用户总数将达到1 亿。如果按照每用户年人均消费1 0 0 0 元 计算，在未来4 年内，中国的i p t v 市场将达到i 0 0 0 亿元，所以i p t v 在中国的发 展潜力巨大，前景光明。 i p t v 业务本质上是一种点到多点的数据流，若采用传统的点到点链路来组 网，传送效率较低，这种情况下点对多点或是多点对多点的组播阳1 应用得到广 泛的关注。点或多点对多点的组播需要适合的组播路由协议乜3 来支持，再加上 对于网络资源管理与网络传输质量的需求日益倍增，使之充分利用网络资源是非 常重要的。单纯地增加带宽不是解决问题的关键，应寻求一种适应一对多模型的 技术来缓解对带宽的压力。目前，m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，多协 议标签交换技术) 技术聆一1 有望成为一种理想的解决方案。 m p l s 是继i p 技术以来的下一代广域网传输技术，将三层i p 技术和二层硬 件交换技术结合在一起，使用一个定长的m p l s 标记作为标志，是分组在m p l s 网 络中唯一需要处理的标志。它兼具了i p 的灵活性、可扩展性以及a t m 等硬件交 换技术的高速性能、流量控制性能、q o s 性能等。在一个无连接的网络中引入连 接模式，从而减少了网络复杂性，并且兼容现有各种主流网络技术，能大大降低 网络成本，在提高i p 业务性能的同时，能确保网络通信的服务质量和数据传输 的安全性。 随着m p l s 网络的不断推进，如何在肝l s 网络上实现对i p t v 组播的支持成 为一项新的研究课题，并且具备了实际的应用需求。 第一章引言 1 2 主要工作 本论文对m p l s 网络支持流量工程的组播系统进行了研究，并在此基础上设 计了一种一对多模型的技术来解决i p t v 承载网业务流对网络传输带来的压力， 这种一对多模型为点到多点技术，即p 2 m p 方案。具体完成了以下工作： ( 1 ) 分析i p t v 承载网中组播业务的服务质量，以及若用i p 组播传输i p t v 业务 存在的不足，得出承载网m p l s 的解决方案，即m p l s 组播两j 用m p l s 网 络传输组播。 ( 2 ) 详细介绍m p l s 组播中需要注意的问题，主要体现在标记空间的不足、标记 的映射与合并、路由跳数的递减三个方面，另外，m p l s 现有的信令协议均不 支持组播，而且利用组播路由协议获得路由信息也存在缺陷。因此m p l s 组 播是现在研究的热点问题。 ( 3 ) 引入组播流量工程的概念，即通过一定的策略路由建立的组播树。由于i p t v 业务对网络的时延、抖动、丢包率均有较高要求，鉴于单播的流量工程能够 宏观上解决网络拥塞，充分利用网络资源，合理管理业务数据，达到良好的 效果，因此组播流量工程吸引运营商的广泛关注。需要提出的是现在生成的 具有流量工程的组播树多是利用组播路由协议扩展建立的，而这些方案均存 在严重缺陷，如r p f ( 反向逆径转发) 、叶子节点的加入与退出等等。 ( 4 ) 介绍m p l s 组播的一种方案：p 2 m pl s p ( 点到多点标签转发路径) ，实现m p l s 控制层面的单播、组播单一信令协议。即m p l s 内的组播树不是由组播路由 协议建立的，而是由信令协议如r s v p l d p 协议生成的，而其需要的路由信 息则由组播协议提供。 ( 5 ) 本文采用的r s v p - t e 协议信令生成p 2 m pl s p ，支持流量工程，它的优势在于 只需在现有的r s v p 协议上进行扩展，就能够实现m p l s 控制层面的单播、组 播单一信令协议，并且此技术虽仍为草案，但是己基本成熟，具备了实现条 件。 ( 6 ) 重点在于r s v p - t ep 2 m p 的系统设计，从三个方面详细说明系统的体系结构， 软件环境以及p 2 m p 的模块开发。特别是详细分析了p 2 m p 重要数据结构的设 计和与其它模块接口的设计。 第一章引言 1 3 论文结构 论文分为六章，各章节的具体安排如下： 第一章引言部分对论文内容进行了综述，介绍了研究背景、问题提出及论文 的主要研究工作和论文的内容安排。 第二章i p t v 及其组播传输。i p t v 中的组播进行详细介绍。首先给出了i p t v 的 基本概念及系统组成，包括i p t v 的业务类型及承载网的技术实现，接 着详细分析了组播技术，最后说明i p t v 承载网中组播的现状及存在问 题。 第三章m p l s 组播。m p l s 组播详细的理论介绍。首先给出了m p l s 组播框架， 接着说明在m p l s 中的具有流量工程的组播实现，最后重点介绍m p l s 点 到多点的组播实现，并分析其广泛的应用前景。 第四章m p l sr s v p t ep 2 m p 。对r s v p 协议支持点到多点进行详细的理论介绍。 首先从r s v p t e 的发展说明信令消息、建路过程等，接着是支持快速 重路由的信令实现，然后给出了r s v p t e 支持p 2 m p 所做的扩展，最后 详细介绍p 2 m p 功能的工作原理及信令实现。 第五章m p l sr s v p t ep 2 m p 系统设计。本章对支持点到多点系统的资源预留协 议的软件设计进行详细介绍。首先讨论系统的体系结构，接着在此基础 上详细分析系统运行的软件环境，最后重点介绍了p z m p 功能涉及到的 重要数据结构和系统的关键处理流程。 第六章结束语 * = ij m & # 日播* 2 1 i p t v 第二章i p t v 及其组播传输 随着宽带在中国的普及，伴随而来的是网络社会化时代到来，人们不仅仅满 足于网络新闻或冲浪，而是提出多样化的应用需求。现在多媒体技术日新成熟， 数字技术和计算机技术日益与消费家电相结合，整合多媒体内容平台、宽带网络 平台厦数字i p t v 终端平台的、全新的宽带服务模式将成为全球下一代极具前景 的产业。 i p t v ，交互式网络电视，是一种基于以太网的新兴技术，是一种个性化、交 互式崭新的媒体形态。它是一种利用宽带网络，以家用电视机( 或计算机) 做为 主要终端设备，集i n t e r n e t 、多媒体和通信等技术于一体，通过网络协议，向 家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。用户在 家中可以有两种方式享受i p t v 服务：一是计算机方式；其次是网络机顶盒+ 普 通电视机方式。i p t v 业务有效的将电视、通信和p c 三个领域结合在一起，充分 利用了网络资源，适应当前发展趋势，系统组成如图2 - l 所示。 喜军量目e 邑兰刮j 二e 量邕匕曼爿 t - 垃t 4 j e k t n * m 蛐 窿鬻黧裂黧鬻瓣 酋萄 置 固三 圈2 - 1i p t v 的系统示意围 2 1 p t v 业务类型 i p t v 技术是一项系统集成技术能使音视频节目内容或信号，以i p 包的 方式，在不同物理阿络中，被安全、有效且有保质的传送或分发给不同用户。i p t v 镕= il p 丁v 其a 播# # 应用主要提供四类业务：直播电视( b t v ，b r o a d c a s tt v ) 、视频点播( v o d ，v i d e o o nd e m a n d ) 、时移电视( t i m e - s h i f tt v ) 、基于机顶盒的因特网浏览业务。它 们对i p 承载网络有各自不同的传输质量要求。i p t v 业务类型如图2 - b 所示， 直播电视是i p t v 应用的关键业务，直接从业务源向全网提供实时数据流。 因业务本身不需要太多的互动性，常采用b u l t i c a s t ( 组插) 传送，以减轻骨干 网的带宽压力。但缺陷是组播本身不提供可靠传输机制，尤其i p t v 运营商要保 证不能比传统的有线电视有太多的时延( 特别竞技类节目) ，这种情况下就不能 简单地靠本地缓存技术保证图像的连贯性：而且直播电视实时性的要求很高，要 严格保证服务质量，同时要求网络不仅有保护倒换机制，且保护倒换的时间应实 现毫秒级。 视频点播和时移电视是i p t v 系统的增值业务。由于内容是由用户定制的 只能基于u n i c a s t ( 单播) 提供对带宽和服务质量需求大。一般通过c d n ( 内 容分发网络) 技术设置分存储节点，采用分布式结构将节目源推到用户侧，主要 业务流量在p o p 点以下的接入网。基于机顶盒的传统宽带业务要求类似于p c 的 服务要求和管理控制要求。在此不再重述。 在技术上，如何建立高q o s 保障的、高可靠性的组插传送通道是运营商建设 i p t v 城域承载网的关键。 2 i 2i p t v 承载网 围2 - 2l p t v 业务类型图 i p t v 是一种实时性的流媒体业务，其对端到端带宽、时延、抖动和误码率 有较高的要求。由于视频流可变速率的特点，而且大小变化范围比较太，平均带 宽需求受分辨率和帧速率的影响。采用时分利用的传送方式，视频总是要占据高 第二章i p t v 及其组播传输 峰带宽，并且通道内带宽同业务流速率很难匹配，会带来较大的浪费；统计复用 的传送方式，可以适应各种速率和不同大小的，能容忍很大幅度的突发，从统计 上说，视频只占用平均带宽，资源利用率高。 i p t v 承载网，即i p t v 城域骨干网，负责为i p t v 业务提供保证的网络传输 摄影师，同时担当数据交换平台和承载层广域节点，简化网络结构，与i n t e r n e t 业务隔离，图2 3 中表示的是承载网在i p t v 系统中所处的位置。 p 丁v 舞 之婶氟纸翁霸 a 妒t y 恕嵩强蠢墨e 图2 - 3i p t v 承载网的系统位置 承载网技术多采用r p r 或m p l s 技术来实现：组网结构常用两种，一为星型 组网结构，即分为核心层、汇聚层和边缘层几个层次，各个层次之间采用星型连 接。为保证可靠性，可采用双星型方式。这时通过采用组播每个设备都面向端口 进行复制，组播流经的链路上增加相应的带宽。二为星型+ 环型组网结构，在此 结构中，星型结构用于承载单播流量，而环型结构用于承载组播流量。之所以将 单播与组播分开传送，是因为城域范围内单播流量远小于骨干网，但组播流量相 比不会减少，也就是说组播流量占的比例相对较大，如果通过星型方式分发，每 个节点要进行多份报文的复制，每一对节点之间都要增加相当大的带宽，设备开 销大，链路价格昂贵。推荐采用星型+ 环形的结构，它更符合i p t v 业务流量模 型，并且组播业务采用专用链路，提高了安全性。同时点对点链路和环形链路还 可以相互备份，提高了网络可靠性。 2 2 组播 建立高可靠性，高服务质量的组播承载网是运营商发展i p t v 业务的关键。 第二章碑t v 及其组播传输 在本节中介绍i p 组播的相关内容。组播，源节点发送一份数据包，一个或多个 目的节点接收到。即源主机向区域内所有或部分主机发送数据包，只有这部分内 的主机能够接收到，而其它主机则不能。组播的网络模型决定了它是一种既能降 低骨于网带宽占用率，又能成倍增加用户数量的有效途径，可以大缓解网络由于 多媒体应用而产生的流量拥塞、带宽瓶颈等问题。根据协议的作用范围，组播协 议分为主机一路由器之间的协议即组播成员管理协议，以及路由器一路由器之间 协议，主要是各种组播路由协议，下面将分别进行说明。 2 2 1 组播树 单播模型中分组沿着单一路径从源主机向目标主机传递，但在组播模型中组 播源向一个组地址传递数据包，而这组地址却代表许多主机地址的集合。为了向 所有接收者传递数据，采用组播树描述数据包在网络里经过的路径。组播树分为 有源树、共享树两种基本类型。 2 2 1 1 有源树 有源树，以组播源为根构造的从根到所有接收者路径最短的组播树，又称为 基于信源的树或最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ，s p t ) 。若组中有多个组播源， 则必须为每个组播源都构造一棵组播树。由于不同组播源发出的分组被分散到各 自分离的组播树上，因此采用有源树方式有利于网络中数据流量的均衡。 有源树的优势，因为从组播源到每个接收者的路径最短，所以时延性能较好， 有利于流量大、时延性能要求较高的实时媒体应用。而缺点是要为每个组播源构 造各自的分布树，当数据流量不大时，构造有源树的开销相对较大。图2 4 中表 示两个组播源s 1 ，s 2 分别向接收者r 1 ，r 2 发送数据包，红色路径为s 1 的有源树， 蓝色路径为s 2 的有源树。 拶姆 源s 1 溉 猢r源s 2口m 、v - 瓣 o 接收者r 1 溉 、“枷争 接收者r 2 图2 _ 4 有源树数据分发图 警 第二章i p t v 及其组播传输 2 2 1 2 共享树 共享树( s h a r et r e e ) 也称r p 树( r p t - r e n d e n z v o u sp o i n tt r e e ) 指为每个组 播组选定一个共用根( 汇合点r p ) ，以r p 为根建立的组播树。同一组播组的组播 源将所要组播的数据单播到r p ，再由r p 向其它成员转发。共享树在所需维护的 状态数和组播树总代价两个方面具有较好的性能。但是，当组的规模较大，而每 个成员的数据发送率较低时，则使用共享树比较适合：然而当通信量大时，使用 共享树将导致流量集中及根( r p ) 附近的瓶颈。目前，讨论最多同时也是最具代表 性的两种共享树是s t e i n e r 树和有核树( c b t ) 。图2 - 5 中表现了共享树的数据分 发过程，组播源s l ，s 2 ，组播目标成员r 1 ，r 2 。可见在组播共享树中，首先要为组 播组选定一个共用根r p ( 节点d ) ，然后从r p 节点到r 1 ，r 2 建立共享树以实现 数据组播转发。 2 2 2 组播组成员管理 源s 2 斋争薯志甲 围 图2 5 共享树数据分发图 主机使用i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 管理组播组内成员， 实现的功能是双向的：一方面，主机通过i g m p 协议通知本地路由器加入并接收某 个特定组播组的信息：另一方面，路由器通过i g m p 协议周期性地查询某个组播组 成员是否处于活动状态。 在使用三层组播的情况下，主机等组播接收者使用i n t e r n e t 组管理协议 ( i g m p ) 向本地路由器注册接收i p 组播数据。路由器使用组播路由协议来构造组 播转发树。然后，给播源传送i p 组播的一个副本，路由器只有在遇到转发树分叉 时，才会复制副本进行传送。由于数据包仅针对每个注册接收者复制，因此这种 通信方式带宽利用效率很高。 第二章i p t v 及其组播传输 到目前为止，i g m p 有三个版本：i g m p v l ( r f c l l l 2 ) 中定义了基本的组成员查 询和报告过程，目前通用的是i g m p v 2 ( r f c 2 2 3 6 定义) ，在i g m p v l 的基础上添加 了组成员快速离开的机制，i g m p v 3 中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定 不接收某些组播源的报文。i g m p v 2 的原理如图2 - 6 所示。 组成员 i 丽l 气 蓉 i 仨嚣 应抑制i j 尊全纂、丛葶篓雾笞击应 鼬少路由器 2 2 3 组播路由协议 图2 - 6i g m p v 2 的工作原理 利用组播技术进行传输组播数据流时，要采用专门的组播路由协议来建立和 维护组播路由表，以充分利用带宽。组播路由协议是i p 组播协议体系中最核心 的部分，它分为两种类型：密集模式和稀疏模式。 密集模式组播路由协议( d e n s e - m o d em u ltic a s tr o u tin gp r o t o c o ls ) 是指 组播成员密布在整个网络上，即许多子网至少包含一个成员，采用“泛洪法 f l o o d i n g 技术把信息传播到网络中的所有路由器。此模式包括距离矢量组播路 由协议( d v m r p ，d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ，开放最短 路径优先的组播扩展( m o s p f ，m u l t i c a s tf o ro p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 以 及协议独立组播一密集模式( p i m - d m ，p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - d e n s e m o d e ) 。 稀疏模式组播路由协议适用于组播组成员稀疏的分布在整个网络中，并且未 必有充裕的带宽可以利用，稀疏模式组播路由协议包括基于核心的树( c b t ，c o r e b a s e dt r e e s ) 和p i m s m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n tm u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 。 2 3i p t v 承载网组播 2 3 1 承载网组播现状 i p t v 业务本质上是一种点到多点的业务，采用传统的点对点链路来组网， 第二章i p t v 及其组播传输 传送效率较低，因为应尽量采用广播型的传输技术平台，例如m p l s 等。i p t v 业 务最适合采用组播方式实现，因此，要求整个网络支持组播，网络的骨干层要支 持动态p i m 协议或静态组播协议。 有线电视网的频道切换非常快，i p t v 也应尽量减少端到端的时延，据i p t v 用户调查，用户可接受1 s 的t v 切换时间及i o s 以下的v o d 切换时间。为了保证 i p t v 用户在不同频道之间的切换具有和普通电视切换相同的性能，i p t v 业务的 部署策略以及城域网带宽的考虑，核心网和城域网必须支持i p 组播技术。除去 应用系统、服务器、终端的响应、编解码要求外，i p t v 业务对承载网的端到端 o o s 要求如表2 - 1 所示。 表2 - 1i p l n ，业务中承载网q o s 要求 业务时延 抖动丢包率 视频直播 1 s 5 0 m s 0 1 视频点播 1 s 5 0 m s 0 1 可视电话视频会议 9 0 m s 2 0 m s 0 1 i p t v 广播业务适合采用组播方式向用户提供。i p t v 承载网必须提供对组播 网络的支持 ( 1 ) 网络骨干层可以利用p i m 建立组播分发树，建议采用静态分发方式 ( 2 ) 接入和汇聚层支持i g m p 协议，支持i g m ps n o o p i n g p r o x y ，实现可控组播 ( 3 ) 广播节目内容首先推送到城域网内，由城域网内组播源通过城域网组播发送 到汇聚层边缘业务接入控制点( b r a s a r ) ，再由业务接入控制点通过接入层 提供给用户 丢包和抖动等都会严重影响i p t v 的收看质量，因为在i p t v 业务中，网络服 务质量的保证，一方面通过组播来实现，更一方面就要通过现在普遍使用的区分 服务和流量工程等技术来实现。 2 3 2 承载网组播存在问题 目前组播的运营还存在一定的困难，主要是缺乏有效用户管理，表现在认证 难( 组播协议没有用户认证功能，用户可以随意加入和离开) 、计费难( 组播协 议没有涉及计费部分，且组播源无法得知用户何时加入和离开，也无法统计某个 时间到底有多少用户在收看组播节目，因此无法准确计费) 、管理难( 组播源缺 乏有效的管理手段控制组播信息在网上传递的范围和方向) 。因此需要对承载网 中的组播进行改进，以适应新业务的开展。 为了保证i p t v 的收看质量b 1 ，适合不同的部署策略以及节约城域网带宽，承 第二章i p t v 及其组播传输 载网必须支持组播。但是由于i p t v 独特的数据流，对端到端带宽、时延、误码率 都有较高的要求。现在承载网中的丢包和抖动都会严重影响i p t v 的收看质量，会 让用户觉得i p t v l l 不上有线电视，承载网组播的主要不足有： ( 1 ) 故障恢复机制：对于i p 组播流量，故障恢复机制相对比较慢( 秒级) ，恢复 时间部分地依赖i g p 的收敛时间，这使得i p 组播不适合实时视频分发应用。 相反，r s v p t e 的f r r 可以使得流量快速( 毫秒级) 切换到备份路径上。 ( 2 ) 承载流量的路径控制：对于i p 组播来说，控制承载流量的路径比较困难。 组播树是按照最短路径来建立的，路径是由i g p 决定的。尽管可以使用静态 组播路由来替代，但是显得太麻烦。而r s v p - t e 本身就能对承载流量的路径 进行控制，基于带宽资源或者用户定义的约束条件( 显示路径) 。 ( 3 ) 带宽保证：i p 组播协议不具备资源预留的能力，因而不能保证流量达到目的 地的可用资源。而r s v p t e 的资源预留和路径计算，可以保证流量的可用带 宽。 ( 4 ) 接收者加入树的许可控制：i p 组播协议不能完全控制树的扩展或者允许加入 的接收者，接收者可以接入任何现存的树，除非使用p i m 接入过滤器工具。 而对于r s v p - t e 来说，树扩展到的接收者集合是由入口节点决定的。 第三章i v i p l s 组播 第三章m p l s 组播 为了保证i p t v 的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当，i p t v 承载网要 求能在带宽、频道切换时延、网络服务质量q o s 等方面提供保证，而m p l s 网络7 1 独 特的优势完全可以满足这些要求：首先m p l s 的高效转发特性，能保障多媒体业务 在骨干网中的高效处理；其次m p l sv p n 啪1 的安全性，保证多媒体应用的安全 在骨干网中，i p t v 业务作为一个v p n ，与i n t e r n e t 隔离；并且m p l s 技术在多业务 骨干网络中，完全能满足i p t v 单播流( r o d 、时移电视) 的网络承载质量要求， 即使对组播业务( b t v ) 建立有q o s 保障的、高可靠性的组播路径的要求，也是能 满足的；同时o o s 在m p l s 域内也是能够保障的：最后在i p t v 应用中，网络可靠性 不仅是指网络要提供保护路径，更重要的是提供能快速切换的保护路径，尤其是 对组播业务，否则主各路径一切换，全城直播电视节目全部长时间停顿。路由的 收敛时间往往要数秒或更长，单纯路由技术不适用。m p l s t e 的f r r ( 快速重路 由) 技术能实现5 0 m s 的快速切换，这点对于i p t v 的可靠性而言，极为重要。 基于m p l s 的i p t v 承载网络既能够利用现有i p 技术的灵活性和优秀的可扩 展性，又能够通过资源预留协议( r s v p t e ) 的算法，提供类似于面向连接的网 络所能够提供的高保证的q o s 、网络安全和网络可靠性j 不仅如此，借助独特的 标签交换路径( l a b l es w i t c hp a t h ，l s p ) 带宽自动调整和优化能力，能够建一 张性价比极高的i p t v 承载网。 3 1m p l s 组播框架 在许多网络中使用m p l s 来转发单播数据流，同时还使用i p 组播来转发组播 数据流。因此，对于单播数据流、组播数据流来说，分离的控制、转发层面在网 络中是并发而独立地运作的。在网络上使用m p l s 来建立l s p ，由于信令不同， l s p 的特点也不一样。对于采用r s v p t e 形成的l s p 是点到点的，也就是p 2 p ， 数据从单个入口l s r 传送到单个出口l s r 。而采用l d p 形成的l s p 是多点到点， 也就是m p 2 p ，数据从多个入口l s r 传送到单个出口l s r 。 m p l s 上支持组播业务，除了能够更有效的利用昂贵的三层资源外，还有其它 的一些优势。首先，组播流量通常是一些长期宽带流( 如视频流) ，而这正是标 记交换的应用对象。此外，组播流的检测将会比较直接，因为它们一般会使用显 第三章m p l s 组播 性的路由信息( 如在p i m s m 中接收者触发加入信息) ，而这些信息是很容易被截 取的。当前i e t f 的m p l s i 作组在i p 单播下的标记交换作了很多工作，在主要的 m p l s 文档中有专门的r f c 文档中讨论组播内容。r f c 3 3 5 3 协议哺3 ，使得m p l s 可以通 过现有的组播路由协议，如d v m r p 、p i m s m 、p i m - d m 和c b t 瞳1 等驱动来建立p 2 忡( 点 到多点) 或m p 2 m p ( 多点到多点) l s p 。另外在本协议里也允许使用显示路由来建 立树，也就是允许显示的路由和标签分发建立的l s p 树来覆盖由组播路由协议建 立的树。 在支持组播的网络中，各节点使用组播路由协议( 如d v m r p 、p i m 、c b t 等) 建立组播树。源( s o u r c e ) 的流量沿着组播树进行传播n 】，到达组播组的各个成 员。在m p l s 环境下，组播流量就要沿着p 2 m p ( 点到多点) 或m p 2 m p ( 多点到多 点) l s p 进行交换，这样的标记交换路径叫做组播l s p 。组播路由协议生成的路由 树映射到组播l s p 上，在l s r 上存在一个入标记对应于多个出标记。从m p l s 本身 来说，它在进行标记的l 2 映射时存在着三个主要的局限性：有限的标记空间、 合并( 某些l 2 的技术不支持多点到点和多点到多点的链接) 、1 1 1 l 值的递减， 在2 层技术中，没有t t l 的概念。由于树的各个枝节的长度是不一样的，所以t t l 递减的地方应该在出口处。 这些局限在组播的情况下更加突出：分层的组播树要消耗大量的标记值，组 播情况下存在点到多点、多点到多点的链接。所以，必须对现有的各种机制进行 改进，满足组播模式下的要求。m p l s 组播模型的关键性技术包括标记交换的发 起方式、信令的选择、组播路由协议行为对m p l s 组播实现技术的影响等。 3 1 1 标记发起方式 目前标记交换发起( 即l s p 建立的过程) 方式主要有三种：请求驱动、拓 扑驱动和流量驱动。 请求驱动指通过侦听控制协议的消息来触发标记的分发；拓扑驱动指将三层 的路由协议形成的网络拓扑映射成标记交换路径，在网络中没有流量时也建立 l s p ；流量驱动是指在某一个l s r 收到特定的业务流时发起标记的分发。前两者 合起来可以称为控制驱动。 3 1 1 1 拓扑驱动 对于拓扑驱动，组播路由协议模块负责维护组播路由表( m r t ) ，m p l s 的控 制单元负责把m r t 映射到p 2 m p ( 点到多点) 标记交换路径( l s p ) 上。 第三章b l p l s 组播 3 1 1 2 请求驱动 对于请求驱动，从目前i e t f 的定义来看，组播环境下可以使用两种控制消 息：组播路由消息和资源预留消息。 组播路由消息适用于发送显式信令的组播路由协议，如p i m s m 和c b t ( c o r e b a s e d t r e e ，简称c b t ) ，其中p i m s m 为软状态，c b t 则为硬状态。如果d v m r p 和 p i m d m 也需要支持，则需要修改这些协议。缺点：m p l s 模块需要利用3 层组播 报文来计算l s p ，并且m p l s 模块需要不断的更新计算。同时组播树也需要使用3 层组播报文来计算。如此同一任务( 指3 层组播报文) 被运行两次，不如直接使 用m r t 来计算组播l s p 。如果同时支持( ，i c ，g ) 和( s ，g ) ，则计算会变得异常复杂， 因为更多的消息需要被截获解释。如果路由器连接主机，则还需要对i g m p j o i n p r u n e 消息进行截获解释。 资源预留消息则是利用r s v p 中的r e s vm e s s a g e 来触发l s p 的建立，而且 组播和单播的处理情况是一致的。使用r s v p 来建立l s p ，r s v p 能够合并，可以 很好的支持组播 基于请求驱动的方式，有两套信令控制体系( 1 、组播路由信令，2 、m p l s 标记分发信令) 。可以通过p i g g y b a c k i n g 的方式，将两套信令体制合为一套体 制。p i m - s m 和c b t 等有显示信令的协议，可以标签请求和分配的内容可以寄放 在组播信令消息中。对于没有显示信令的组播协议，需要对组播协议进行扩展。 r s v p 可以扩展一个标签映射对象到组播协议中。 3 1 1 3 流量驱动 流量驱动技术的性能问题在于数据流中夹杂着非标记交换的分组，这些分组 必须由上层的控制单元来转发。从目前的实现来看，网络处理器可以实现高效的 流的鉴别，但是标记分发还是要使用软件来处理。所以，数据流驱动情况下，影 响性能的主要问题在于控制单元承受负载的能力和数据流中非标记交换分组比 例f ，：转发性能啦制单元交换能力p1 l 硬件转发能力n 一 但是在组播的情况下，流量驱动技术有自己的优势。它在有流量的情况下， 才触发标记的分发，这样不但减少了标记的消耗，而且这种由数据流驱动建立的 l s p 更加符合组播本身基于源树的结构。 如果l s r 不支持l 2 l 3 混和转发：这里就有一个矛盾，如果不支持l 2 l 3 ， 在建立l s p 时，需要数据流的触发。如果通过l 3 发现组播流，但是在发现组播 流又需要l 3 的功能：如果通过l 2 发现组播流，但是这个时候，l s p 还没有建立。 第三章v i p l s 组播 3 1 1 4 标记发起方式对比 表3 1 列出了组播情况下三种驱动方式的比较。流量驱动的可靠性无法和控 制驱动相比，主要原因是数据流驱动技术受数据流变化的影响，而数据流的变化 非常频繁而且难以预测。相对来说，控制驱动主要受控制流包括拓扑结构、用户 请求、组播成员变化等因素的影响，而这些因素相对数据流的变化来说是较少的。 表3 - 1 标记发起方式对比 标记值控制报文开销控制单元组播l s p可靠性 的消耗软件对性的建立 拓扑变化流到达率 能影响 流量驱动少小反比大方便低 、 请求驱动多大 小困难商 拓扑驱动多大|小方便高 3 1 2 信令的选择 3 1 2 1p i m s m 建立组播树 提出用p i m s mj o i n 消息来对组播路由器分配m p l s 标签，此方式可应用在 具有多播能力的局域网，p 2 p 链路上，及n b n m a 网络上。p i m s mj o i n 消息被扩 展为可以携带下游l s r 分配的m p l s 标签能力，在p i m - s m 下用p i g g y b a c k i n g 方 法进行标签分配进行分析，此方法仍需要r p f 的检验，因而并不能充分发挥m p l s 流量工程的优势。又可进一步扩展p i m s mj o i n 消息，即携带显式路径及带宽 等其他限制条件，从而发挥组播t e 。 3 1 2 2r s v p t e 建立组播树 对r s v p 进行必要的扩展来支持m p l s 网中组播功能，i