（通信与信息系统专业论文）二层组播技术研究及其在epon上的实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 i n t e m e t 网络传输和处理能力的大幅提高使得如视频点播、远程教育、网络 电视等以多媒体为特征的新应用越来越多，而点到多点的组播技术正是这类数 据量大、时延要求高、质量需求高新应用的理想发案，组播是一种允许一个或 多个发送者( 组播源) 一次同时发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。 组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数 据包。在很多视频应用中，组播源往往仅有一个，即使用户数量成倍增长，主 干带宽不需要随之增加，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条 主干链路上只传送单一视频流，即所谓“一次发送，组内广播”。它能够有效地利 用网络带宽，提高网络资源的利用率。下一代互联网的一个重要目标就是为多 媒体等应用提供有效的支持，因此m 组播技术已经成为下一代互联网不可缺少 的关键技术。 支持高带宽的光网络技术在骨干网的应用已经相当成熟，然而在传统接入 网中，“最后一公里”依然是大容量骨干网和域域网之间的瓶颈所在，并不能提供 足够的带宽以支持网络电视、互动游戏等这样的组播业务。e p o n ( e t h e m e t - b a s e d p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 基于以太网的无源光网络) 以其低成本、高速率和功能强 大的优势成为未来宽带接入的主流，它同时具备了应用普遍、低成本的光纤设 施、易于管理和光网络提供巨大带宽等优点。以上特性使得为e p o n 成为是组 播实现的最佳宽带接入方案。 笔者结合在x x x 公司e p o n 完善项目组实习所做的工作，对e p o n 系统的 相关技术和组播业务的应用展开讨论，提出在e p o n 环境下开展可控组播业务 的解决方案：本文首先以i e e e 8 0 2 3 h a 为参考，研究e p o n 的系统结构、应用原 理及相关关键技术；接着分析口组播技术的系统结构，特别深入研究二层组播 i g m ps n o o p i n g 和i g m pp r o x y 的发展现状；然后讨论现有e p o n 利用i g m p s n o o p i n g 承载组播业务的方案，并对该方案的局限性和内容安全性等问题做出 综合分析，提出通过应用层认证+ m a c 的改进方案来实现e p o n 环境下组播业 务应用的可控；最后，以i p l v 为例，详细设计该改进方案的实现流程，并在实 验室测试验证。测试结果表明，与现有的用户可以随意不受限制的接收任何组 播数据流的实现方式相比，本方案实现了在接入设备处对组播用户的管理，为 新一代接入网承载可控组播业务提供了一种切实可行的思路。 关键词：e p o n ，组播业务，可控，i g m p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 es u b s t a n t i a li n c r e a s i n gi ni n t e r a c tn e t w o r kt r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c em a k e st h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o ns u c h 弱v i d e oo nd e m a n d ，r e m o t e e d u c a t i o n , a n dn e t w o r kt e l e v i s i o nt ou s em o r ea n dr n o r e a n dp o i n t e dt om u l t i p o i n t m u l t i c a s tt e c h n o l o g yw h i c hh a sh i 曲d a t a , t i m ed e l a ya n dq u a l i t yd e m a n dc a nb e e f f e c t i v e l yu s e d i nt h en e t w o r kb a n d w i d t ha n di m p r o v et h en e t w o r kr e s o u r c e u t i l i z a t i o n m u l t i c a s ti sat e c h n o l o g yt h a tc a l ls e n dd a t at om u l t i p l er e c e i v e r si na n e f f j f i c i e n ta n de x t e n d a b l ew a y m u l t i c a s ts o u r c es e n d sp a c k e t st oas p e c i f i cm u l t i c a s t g r o u p ，a n do n l yt h ea d d r e s sw h i c hb e l o n g st ot h i sm u l t i c a s tg r o u pc a nr e c e i v e st h e p a c k e t s i na p p l i c a t i o n si nv i d e o ，t h e r ei so n l yo n em u l t i c a s ts o u r o e t h em u l t i p l y i n g g r o w t ho f t h eu s e r sw i l ln o tu p g r a d et h en e t w o r kb a n d w i d t h b e c a u s en om a t t e rh o w m a n yt a r g e ta d d r e s s e sa r e ，t h e r ei so n l yo n ev i d e os t e a mi nt h eb o n en e t w o r k i tc a l l s t h a t s e n do n c e ，b r o a d c a s ti nt h eg r o u p m u l t i c a s tt e c h n o l o g yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c y o fd a t as e n d i n ga n dr e d u c e st h ep o s s i b i l i t i e so ft h et r a f f i cc o n g e s t i o ni nb o n en e t w o r k t h ei m p o r t a n to b j e c t i v eo ft h en e x tg e n e r a t i o no fi n t e m e ti st oh a v ee f f e c t i v e l y s u p p o r tm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dt h ei pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g y w h i c hi si n d i s p e n s a b l ef o rt h en e x t - g e n e r a t i o ni n t e m e tt e c h n o l o g y i nt r a d i t i o n a la c c e s sn e t w o r k , t h el a s tm i l e i ss t i l lt h eb o t t l e n e c kb e t w e e nt h e 1 1 i g hp e r f o r m a n c eb a c k b o n en e t w o r ka n dw a n h i g h - b a n d w i d t ho p t i c a ln e t w o r k t e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r ei nt h eb a c k b o n en e t w o r k ，b u ti tc a n tp r o v i d ee n o u g h b a n d w i d t ht os u p p o r tm u l t i c a s to p e r a t i o n ss u c ha sn e t w o r k i n t e r a c t i v eg a m e s f o r i t sl o w - c o s t ，h i 曲s p e e da n dp o w e r f u la d v a n t a g e s ，e p 0 l n ( e t h e m e t - b a s e dp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ) w i l lb ep o p u l a ri nt h ef u t u r ea n da l s oh a st h ea d v a n t a g e so fe t h e m e t s u c ha sl o wc o s t ，g e n e r a la p p l i c a t i o n sa n de a s ym a n a g e m e n t 。t h i sc h a r a c t e r sm a k e e p o nt ob et h eb e s ts o l u t i o no fa c c e s sn e t w o r ks c h e m e c o m b i n e d 埘t l lt h ee p o nt e a mw o r ki nf i b e rh o m ec o m m u n i c a t i o n si n t e r n s h i p ， t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i c a s ts e r v i c e sa n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e s o fe p o n s y s t e m s ，a n dp r o p o s e ss o l u t i o n sf o rm u l t i c a s ts e r v i c e sw h i c hc o n t r o l l e di n e p o ne n v i r o n m e n t f i r s t ，t h ea r t i c l es t u d i e st h ee p o ns y s t e m ss t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o n i l 武汉理工大学硕士学位论文 p r i n c i p l ea n d r e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e s ；t h e na n a l y z e st h ei pm u l t i c a s ts y s t e m a r c h i t e c t u r e ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e p t hl a y e rm u l t i c a s ti g m ps n o o p i n g a n dt h ei g m pp r o x y ；s e c o n d ，t h ea r t i c l ed i s c u s st h ee x i s t i n gp r o g r a m st h a te p o n u s i n gi g m ps n o o p i n gt oc a l t ym u l t i c a s tb u s i n e s s ，m a k i n gc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st o t h el i m i t a t i o n so ft h ep r o g r a ma n dc o n t e n ts e c u r i t yi s s u e s ，a n dr e a l i z e st h ec o n t r o lo f m u l t i c a s tb u s i n e s sa p p l i c a t i o n s 诹廿le p o n ，w h i c ht h r o u g ht h ea p p l i c a t i o nl a y e r a u t h e n t i c a t i o na n dt h ei m p r o v e dm a cp r o g r a m ；f i n a l l y , w i t ht h ee x a m p l eo fi p t h ea u t h o rd e s i g n st h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s i o no ft h ei m p r o v e dp r o g r a m ，a n d m a k e st h et e s t i n ga n dv a l i d a t i o ni nl a b o r a t o r y t h ee x i s t i n gu s e r sa r ef r e et ou s ea n y u n l i m i t e dw a yt or e c e i v em u l t i c a s td a t as t r e a m ，c o m p a r e dw i t ht h i sa c h i e v e m e n t ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g r a ma c h i e v e st h ed e p a r t m e n to ft h em u l t i c a s tu s e ri na c c e s s d e v i c e s ，w h i c hp r o v i d e sap r a c t i c a lw a yo ft h i n k i n g f o rt h em a n a g e m e n to f n e x t - g e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r kp r o v i d eb ym u l t i c a s ts e r v i c ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e p o n ，i g m p , c o n t r o l ，m u l t i c a s ts o l u t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盟日期：边竺：圣曼 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：亩7 髟导师c ：洳嗍沙。路6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章引言 i n t e r a c t 网络传输和处理能力的大幅提高使得基于网络的新应用越来越多， 特别是音频和视频压缩技术的发展和成熟，使得网上音频、视频应用成为i n t e r a c t 上更重要的应用之一【l 】。多媒体为特征的新应用有着数据量大、时延要求高、持 续时间长、质量需求高等特点。因此要解决这些应用所要求的传输带宽大、实 时性强等问题，需要采用不同于传统点对点单播和广播机制的转发技术及q o s 保证机制来实现。而组播技术正是解决这一问题的理想发案，组播是一种点到 多点的通信方式，即多个接收者同时接收一个组播源发送的相同信息，它能够 有效地利用网络带宽，提高网络资源的利用率【2 j 。下一代互联网的一个重要目标 就是为多媒体等应用提供有效的支持，因此i p 组播技术已经成为下一代互联网 不可缺少的关键技术。 目前在高性能主干网上，光纤通信已经成为主流，骨干网的宽带大约在几 十g 到几百g 的水平【3 】。而在靠近用户侧的接入网部仍然采用的是传统的拨号、 a d s l 和c a t v 形式，在用户数据最为集中的接入侧，传统的话音业务和电视业 务已经逐渐被基于口业务的各种应用所取代。而这些应用对带宽的吞噬作用不 容忽视，采用新技术，部署新设备，解决接入网部分“瓶颈 问题刻不容缓。 光纤通信( 嬲) 可以直接采用主干传输技术，实现对集团大客户的接入，并 且能够提供很宽的带宽【4 】，因此光接入网对宽带急多业务的接入有着明显的优 势。利用光接入网，运营商不仅可以改善服务质量，降低运营成本，而且还能 满足日益增长的宽带综合业务的需求。因此，绝大多数运营商断言：“理想的宽 带接入网将是基于光纤的网络。 p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络) 一直被认为是光接入网中非常有 前景的技术，由于p o n 中不包括任何有源器件，成本低、设备维护简单方便、 可靠性搞等，使其成为光接入网技术中的热点，发展迅速。无源光网络技术有 基于a t m 的a p o n 、基于以太网的e p o n 以及基于a t m 和可变帧长混合使用 的g p o n 5 。1 9 9 5 年f s a n 刚成立时a 1 m 是局域网( l 舢吣、城域n ( m a n ) 和广 域网w a n ) 的主流技术。然而随着以太网的迅速发展，a t m 逐渐被以太网超过， 武汉理工大学硕士学位论文 使得以太网成为世界范围内被大家广泛接受的标准。随着千兆以太网的广泛应 用，万兆以太网产品也逐渐成熟了。易于升级和管理的以太网在m a n 和w a n 获得了应用。同时a t m 由于技术成本高，制造商在减少，并且a t m 交换机和 网卡比以太网交换机和网卡贵的多。g p o n 是传输速度超过i gb i t s s 的p o n 系 统，它也是基于a t m 信元，g p o n 和a p o n 一样采用g e m 打包，也可以包含 t d m 帧和以太帧，这样g p o n 可以适应不同的业务和较高的q o s 保证。由于 g p o n 对时间参数要求苛刻，故g p o n 在物理层对设备做出了更加严格的要求， 在激光器开启和关闭时间上作了更严格的规定，当然这就意味着需要付出更加 高昂的成本。正是由于g p o n 的技术难度高，其成本高成为了该技术在现阶段 运行的最大阻碍。 e p o n ( e t h e m e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k 无源光网络) 是将以太网技术与 p o n 结合起来，其目标是用最简单的方法实现一个点到多点拓扑结构千兆以太 网光纤接入网络 6 1 。随着中国电信e p o n 入网规范的制定和各厂商入围测试的顺 利结束，i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ，因特网服务供应商) 早己看到e p o n 下 组播业务能为自己带来的经济效益，不惜更换设备，在入网规范中明确指出 e p o n 网络必须提供组播服务，支持组播协议。e p o n 网络下行方向上数据传输 点到多点的特性使得同一组播组的用户可以共享同一份数据的拷贝，从而提高 下行带宽的利用率，实现对组播业务的有效支持。但是由于组播模型的开放性， 任意主机都可以申请加入任意组播组，使得组播组成员的管理和组播数据的接 收方控制变得困难，尤其是对于i s p 需要向用户收取费用以提供组播服务的业务 需要，难以找到能在e p o n 环境下执行的有效方案 z l 。 本文依据作者在烽火通信公司实习期，在e p o n 接入环境中对组播业务做 出的理论研究和相关实践基础下，旨在设计出一种在e p o n 中实现动态可控组 播应用的方案，使之能够成功应用到新的增值应用中。 1 2 国内外研究现状 随着多媒体业务的不断发展，下一个互联网的一个重要目标就是为多媒体 应用提供安全有效的支持，组播技术已经成为下一代互联网中不可缺少的关键 技术，它已经得到了国内外网络运营商的高度重视。 对于单播通信，从一台主机发送出去的每个数据包只能发送给一台主机， 当客户端想接收数据时，首先启动一个进程建立与服务器的连接，由服务器将 2 武汉理工大学硕士学位论文 数据传送给用户主机。单播通信存在以下两个缺陷：当客户数目很大时，由服务 器按照轮询的方式将数据依次传送到客户端，需要服务器有着较大的带宽，可 见其可扩展性不好；并且同一信道上传送多份同样信息的拷贝方式不仅浪费了 宝贵的网络资源，又给发送服务器带来沉重的负担颈。采用组播通信模型，服 务器要向组播组发送数据包而不是某个特点单播地址的主机，服务器只需发送 一份数据，由具有组播功能的路由器负责复制和转发，而客户端只需要加入该 组播组即可。组播提供了一种发送方同时发送信息到多个接收方的高级通信机 制，但是组播的安全问题却阻碍了组播技术的广泛应用【8 1 。i p 组播的良好扩展性 得益于其开放性模型，不需要与一个集中式实体进行任何交互，接受方可以加 入组播组并且发送方能够向组播组发送数据包。但就是组播模型的开放性却为 组播安全性和组播用户管理带来了阻碍，钰何主机都可以随意加入任意组播组， 组播源并不能有效的对接收方进行限定。 因特网工程任务组( i e t f ) 下属的安全组播组( m s e c ) 已就组播安全体系结 构、组密钥管理体系结构、组播数据源认证、组安全策略和安全组播路由协议 等提出了一系列r f c 和草案。但是在实现应用口组播上还有很多有待解决的问 题，如组播的可扩展性、组播管理、组播拥塞控制等【9 】。 组播协议模型中对组播数据复制和转发的工作是交给路由器的，之前人们 一直希望能够在层寻求一种有效的解决方案对组播数据的可控分发起到严格 的限制作用。国内外不少的学者也曾对口层的可控组播技术进行了深入的研究， 然而，由于网络运营商之间存在不同的利益取向，以前的运营商以带宽使用来 计费，从中获得收益，对承载的是单播业务还是组播业务没有必要进行区分， 也就没有动力在路由器中增加对口组播的支持。换句话说，在m 层实现可控组 播需要路由器做出相应修改，而成本敏感的方案是无法被i s p 所接受的，i p 层 的可控组播研究一度进展缓慢。直到近些年来受到分布式数据共享业务( 如p 2 p 应用) 的启发，组播技术重新受到广泛关注，人们考虑在应用层实现组播以及对 组播数据的控制。应用层组播思想提出后的短短几年内，多个国际研究机构开 展了应用层组播体系结构的研究项目 1 0 i ： ( 1 ) e s m e s m 是c m u ( 卡耐基梅隆大学) 开展的一个端系统组播研究项目，是目前 为止最成功的一个项目。2 0 0 5 年，e s m 的研究表明，在端系统中实现组播功能 的体系结构是可行的，可以支持组成员在几百范围内、分布稀疏的、较小规模 的多方通信。2 0 0 6 年，通过在因特网中实际运行基于e s m 的视频会议，验证了 3 武汉理工大学硕士学位论文 e s m 采用的自组织协议可以在动态的、异构的因特网中支持较小规模的视频应 用。n a r a d a 是e s m 的组网协议，n a r a d a 协议首先在组播成员之间建立一个网状 的叠加网，然后在叠加网上运行组播路由协议，建立一棵组播转发树【l l 】。通过 动态探测网络状态，n a r a d a 动态地对叠加网进行维护和改良。 ( 2 ) y o i d y o i d 是a c i r i ( a t & tc e n t e rf o ri n t e m e tr e s e a r c ha ti c s i ) 研究中心在2 0 0 6 年提出的，基于应用层组播的一整套内容分发的解决方案，包括了应用层组播 之上的可靠、安全、拥塞控制等机制【1 2 1 。y m t p ( y o i dm u l t i c a s tt r e ep r o t o c 0 1 ) 是 y o i d 体系的核心，是一种自组织的拓扑管理协议，将主机组织成网状网和共享 的组播转发树。 ( 3 ) s e a t t e r c a s t b e r k e l e y 大学的y c h a w a c h e 在其博士论文中提出了s c a t t e r c a s t 的体系结构。 这是一种基于应用层组播实现因特网大规模广播业务的体系结构。其思想是在 因特网中部署支持广播业务的服务器，称为s c a t t e r c a s tp r o x y 节点，应用层组播 将这些服务器组织成一个因特网广播业务的支撑网，支持用户规模巨大的 i n t e m e t 广播和软件分发应用【1 3 1 。s c a t t e r c a s t 体系结构包括应用层组播机制、应 用层组播之上的传输层机制以及内容请求的实现机制。g o s s a m e r 是s c a t t e r c a s t 体系结构的自组织组网协议。 国内学者近年来对组播的可控性技术也进行了大量的研究，并且在应用层 组播协议以及组播转发树的构造算法等方面取得了较大的成绩，对原有的应用 层组播模型进行了优化。不过在应用层之外的组播技术研究依然少人问津，发 展缓慢【1 4 j 。 1 3 本文的主要工作安排 本文主要研究的是在接入网环境下的组播可控性技术，在e p o n 网络的 m a c 层提供了相应的机制对组成员进行管理，通过对端口数据的管理实现内容 分发的可控性。鉴于e p o n 技术是一个相对较新的领域，本文通过对e p o n 相 关技术的深入学习和研究，分析e p o n 网络为承载可控组播业务提供的硬件条 件，借鉴应用层实现可控组播业务的解决方案，避开现有网络层组播方案通过 在组成员之间共享密钥，对组播组数据加密，效率低的缺点，提出一种应用层 和m a c 层相结合的，适用于e p o n 接入网环境的可控组播方案，其将组播数据 4 武汉理工大学硕士学位论文 复制和转发的工作是交给二层交换机，而将复杂的用户认证和管理放在应用层 来控制。本论文主要安排如下： 第二章分析e p o n 的体系结构、技术特性和应用优势，e p o n 作为现今最佳 的接入网络也是本文研究的意义所在； 第三章分析i p 组播的体系结构、特点及由组播特性引起的组播安全问题与 组管理问题，并深入讨论现有的二层组播技术i g m ps n o o p i n g 和i g m pp r o x y 机 制，分析现有的i g m ps n o o p i n g 为基础的e p o n 组播业务的应用缺点； 第四章提出一种应用层验证和m a c 层相结合的动态可控组播方案并在实 验室测试验证； 第五章对本文的所有内容进行了回顾，分析作者提出的e p o n 下组播业务 可控性和可运营性，证明将应用层和网络层很好的结合能够向用户提供更好更 方便的服务，并对本课题有待于进一步深入研究的问题予以展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e p o n 系统概述 目前在主干网上，光纤通信已经成为主流，对于接入网而言，光纤通信 ( f 懈) 正显示着前所未有的前景。由于光纤带宽很宽，因此光接入网对宽带 多媒体业务的接入有着明显的优势。利用高带宽的光纤接入网络运营商可以满 足日益增长的宽带综合业务的需求，还能够保证服务质量【1 5 1 。所以绝大多数运 营商断言：“理想的宽带接入网将是基于光纤的接入网络”p o n ( p a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k 无源光网络) 一直被认为是光接入网中非常有前景的技术，由于p o n 中 不包括任何有源器件，成本低、设备维护简单方便、可靠性搞等，使其成为光 接入网技术中的热点，发展迅速。无源光网络技术有基于a t m 的a p o n 、基于 以太网的e p o n 以及基于a t m 和可变帧长混合使用的g p o n t 。 2 1e p o n 的系统结构 e p o n 是一个点到多点结构的光接入网，由光纤线路终端( o l t ) 、光分配 网络( o d n ) 和光网络单元( o d n ) 组成。使用上行1 3 1 0 n m 和下行1 4 9 0 n m 波长 传送数据和语音，c a t v 业务则使用1 5 5 0 n m 波长进行承载【l7 1 。o l t 位于局端， 负责分配和控制信道的连接，并且有实时监控、管理及维护功能。o n u 位于用 户侧，接入用户终端。o l t 与o n u 之间通过无源的光分配网o d n 按照 1 ：1 6 1 ：3 2 1 ：6 4 方式连接，e p o n 系统结构如图2 1 。 核心网 ； 接入网 驻地网 图2 - 1e p o n 系统结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) o l t ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 在e p o n 中，从o l t 到o n u 下行传输数据的过程采用数据广播方式发送( 图 2 2 所示) ，数据以变长信息包的形式从o l t 下行广播到o n u t l 8 j 。依据i e e e 8 0 2 3 协议，信息包最长为1 5 1 5 字节；e p o n 上行数据传输采用时分复用技术( 图2 3 所示) ，每个o n u 上行数据分配一个专用时隙，使得在数据汇合到公共光纤的 时候，从o n u 来的信息包就不会互相干扰。 在下行方向，o l t 提供面向无源光网络的光纤接口；在上行方向，o l t 提 供高速以太网接口。为了支持其他流行的协议，o l t 还支持a t m 、f r 以及等速 率的s d h s o n e t 的接口标准，并通过支持e l 接口来实现传统的t d m 话音的 接入。在e p o n 的统一网管方面，o l t 是主要的控制中心。通常o l t 可设置在 本地交换机接口处，也可设置在远端，物理上可以是独立设备，也可与其他功 能集成在一个设备内。 图2 - 2e p o n 下行数据传输 图2 3e p o n 上行数据传输 o l t 作为e p o n 的核心，主要实现以下功能【1 9 l ： a ) 向o n u ( 光网络单元) 以广播方式发送以太网数据； b ) 发起并控制测距过程，记录测距的信息； c ) 发起并控制o n u ( 光网络单元) 功率； 7 武汉理工大学硕士学位论文 d ) 为o n u ( 光网络单元) 分配带宽： e ) 支持e p o n 的统一网管，o l t 是主要的控制中心，实现网络管理的五大功 能。 ( 2 ) 光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ，o n u ) 光网络终端( o p t i c a ln e t w o r k t e r m i n a t i o n , o n t ) o n u o n t ( o n u 与o n t 的区别在于o n t 直接位用户端而o n u 与用户之 间还有其它的网络，如以太网) 在用户端提供用户到接入网的接口，完成光电转 换，同时连接o d n ，终结o d n 的光信号并为用户提供多个业务接i z l t 2 0 3 。 o m ( ) n t 的主要功能： a ) 选择接受o l t 发送的广播数据； b ) 响应o l t 发出的测距及功率控制命令，并做出相应的调整； c ) 提供多个业务接口，提供用户业务适配功能，完成速率适配、信令转换等 功能并在o l t 配备的发送窗口中向上行方向发送数据。 ( 3 ) 光分离器( p a s s i v eo p t i c a ls p u t t e r ，p o s y 光分配节点( o p t i c a ld i s t r i b u t i o n n o d e ，o d n ) p o s o d n 是无源光纤分支器，是由光纤和光分路器组成的连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能是分发下行数据和集中上行数据【2 。一个o d n 的分线率一般为1 ：8 、1 ：1 6 、1 ：3 2 或1 ：6 4 ，并可以进行多级连接。 2 2e p o n 相关技术分析 通常说的e p o n 技术有以下几种：1 同步；2 钡4 距；3 d b a ( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n 动态带宽分配) ；4 l l i d ( l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r s 逻辑链路 标记) ；5 a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 加密；6 o a m ( o p e r a t i o n a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e 操作管理和维护协议) ；7 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量) 保证陋1 。下面主要介绍下与本文有关的关键技术： 2 2 1l l i d l l i d ( l o g i c a ll i n ki d e n t i f i e r s 逻辑链路标记) 位于每一帧开头的前导码中 ( 如图2 4 所示) ，与数据帧将要前往的m a c 端口有关，用来实现o l t 和o m u 的数据过滤，每个o n u 在初始注册的阶段，o l t 会为他们分配一个或多个标签 2 3 1 。当o n u 接收到o l t 广播发送的下行信号时，根据l l i d 值只接收发送给自 己的数据帧，过滤掉不符合自己l l i d 值的数据；当o l t 接收到上行的数据时， 8 武汉理工大学硕士学位论文 查看l l i d 并将此数据帧传送到逻辑链路标识相同的虚拟端口。l l i d 有两种分 配方式：l l i d o n u 和l l i d q u e u e 。 8 i 勰釉赡哟：l1 i 8 l 8 i 6 i 2i钙一1 5 0 0 l 4 2 。3 n r a m e f r a m o 瑚嘲b 轴 国眦fo a 8 a 蚓嘞蝴吣l ，8 j i i i r 9 彝戳俐s 9 鲥咧l 上l d c r c 墨i l。lii 2 2 2o a m 图2 _ 4e p o n 中帧前导码格式 o a m ( o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e 操作管理和维护协议) ， 一般将网络的管理工作根据运营商网络运营的实际需要可以分为3 大类： 1 操作( o p e r a t i o n ) ；2 管理( a d m i n i s t r a t i o n ) ；3 维护( m a i n t e n a n c e ) ，简 称o a m 。操作主要是对日常网络和业务进行分析、预测、规划和配置的工 作；维护主要是日常进行的网络及其业务的测试和故障管理等的操作活动【。 标准的i e e e8 0 2 3 a h 协议规定在o s i 参考模型的数据链路中m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制) 控制子层和l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l 逻辑链路 控制) 层之间增加o a m 子层来提供e p o n 网络管理的传输和处理机制的服务接 口洲。因此e p o n 的o a m 的主要内容是性能管理和故障管理。性能管理主 要包括对o t l 、o n u 工作状况的监控，光纤线路状况的监控以及用户的流 量统计。故障管理主要包括在系统或线路出现状况后，如何报告、检测和 排除故障的措施。现在己经达成的关于e p o no a m 要实现的主要功能有以 下三个： ( 1 ) 远端故障指示：指示对端本地接收通道处于故障状态； ( 2 ) 远端环回：提供了一种支持数据链路层帧一级环回模式的机制； ( 3 ) 链路管理：支持轮询m i b 变量和包括诊断信息的事件通知； ( 4 ) 其他：o a m 的实现和激活是可选的，可扩展用于高层应用以及 完成o a m 能力的发现。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 在“光进铜退 的今天，宽带接入技术的代表e p o n 集中了当前众多网络 的优点，同时也克服了以太网的固有缺点，并有着强大的网络管理能力，不论 在芯片成熟度、模块产量规模、以及规模部署上都是下一代全光网络“最后一 公里”的最佳接入方案。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章i p 组播在e p o n 中的实现 i n t e m e t 网络传输和处理能力的大幅提高使得基于网络的新应用越来越多， 特别是音频和视频压缩技术的发展和成熟，使得网上音频、视频应用成为i n t e m e t 上更重要的应用之一，出现了如视频点播、远程教育、网络电视、远程实况、 计算机协同工作等以多媒体为特征的新应用【2 5 1 。这类应用具有数据量大、时延 要求高、持续时间长、质量需求高等特点。因此要解决这些应用所要求的传输 带宽大、实时性强等问题，需要采用不同于传统点对点单播和广播机制的转发 技术及q o s 保证机制来实现。点到多点的组播技术正是解决这一问题的理想发 案，它能够有效地利用网络带宽，提高网络资源的利用率。下一代互联网的一 个重要目标就是为多媒体等应用提供有效的支持，因此口组播技术已经成为下 一代互联网不可缺少的关键技术。 对应点到多点复制传输特性的组播特性，在以交换式以太网为基础的接入 网环境中，e p o n 作为现有主流先进的接入技术，其精确的点对多点控制技术是 组播实现的最佳宽带接入方案。它能够利用组播的特性方便的为用户提供包括 网络电视、视频会议、在线网络游戏等增值业务并提供高带宽和高q o s 保证【2 6 j 。 3 1i p 组播技术的研究 3 1 1 组播概念及特点 单播是指在发送源与接收端之间建立点对点的通信方式，这种通信方式只 涉及到一个发送端和接收端，即发送源在接收端发出请求时，向接收端发送数 据包，两者建立起一一对应的关系，每一个接收端与发送源之间会建立一条物 理逻辑链路，如果有多台主机想从一个发送端得到相同的数据，发送端则必须 向每台主机单独发生多份同样数据的拷贝( 如图3 1 ) 。w e b 浏览和f t p 文件传 输都是常见的单播应用，是目前计算机网络中使用最普遍的通信方式。 广播是指发送源与接收端之间建立对多的通信方式，即发送源发送数据 包到网络中的所有其他的主机，不管用户是否需要数据，发送源每次广播都要 发生数据给所有接收端，这不仅浪费了网络带宽，同时也消耗了所有主机的资 武汉理工大学硕士学位论文 源，增加交换机和路由器的负担。广播是局域网中经常使用的通信方式，如图 3 - 2 所示。 组播是指发送源与接收端之间建立一对多或多对多通信方式，是一种允许 一台主机( 称为组播源或发送端) 一次同时发送单一数据分组到多台主机( 接 收端) 的技术网。发送源把一份数据包发送到特定的节点子集，这个子集称为 组播组，数据包内的目的i p 地址为组播地址，属于该组播组的所有目标主机都 可以接收到同样的数据拷贝，而其它主机则不能收到此组播数据。组播技术被 广泛应用在网络音频、视频点播、网络视频会议、多媒体远程教育、推送技术 ( 如股票行情) 和虚拟游戏等方面。单播和广播都可以看作是组播的特殊形式， 组播通信如图3 3 所示。 发送源 接收端 非接 发送源发送源 接收端 接收端 图3 1 单播通信图3 2 广播通信图3 3 组播通信 由上可见相对单播和广播，组播有着如下优点【2 8 】： ( 1 ) 节省网络带宽资源，带宽的需求并不会随着用户数量的增加而增加； ( 2 ) 有效解决服务器负载过重问题，从而为互联网服务供应商降低了成本； ( 3 ) 减轻网络负载； ( 4 ) 适用于分布式应用。 3 1 2 组播地址分配及地址映射 组播使用一种虚拟组地址的概念工作，数据包的目的地址不是一个而是一 组，拥有同一个组播地址的主机构成一个i p 组播组【2 9 1 。i p 组播地址指定了一个 i p 主机的集合，集合内的用户都加入一个组播组组并希望接受发向该组的组播 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 信息。 ( 1 ) i p v 4 组播地址 i n t e m e t 地址分配机构控制着i p 组播地址的分配，为其分配了i p v 4 的d 类 地址，所有组播组地址都包含在从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 的范围内d 类口 地址并被划分为保留的局部链接组播地址、全局范围地址和限制范围地址三类。 d 类组播地址如图3 4