1、引言
IPTV作為一種高帶寬、高質量的新型互聯網多媒體業務，對電信運營商的IP城域網提出了更高要求。組播技術與傳統單播技術相比，在傳輸效率相當的基礎上具有網絡帶寬不隨用戶數量線性增長的優點，可以有效地節約視頻服務器和承載網絡的負載。因此，電信運營商要高效且經濟地部署和實現IPTV業務，建議采用端到端組播推送，且IP組播網絡的配置是關鍵。
目前電信運營商IP城域網主要由城域骨干網與寬帶接入網構成，IPTV業務數據依次通過城域骨干網和寬帶接入網推送到用戶端。城域骨干網主要由網絡層（第三層）設備組成，可啟用PIM-SM等組播路由協議接入組播源（即IPTV頭端設備）進行組播報文的路由轉發。寬帶接入網主要由數據鏈路層（第二層）設備組成，可采用IGMP Proxy或IGMP Snooping等技術進行二層組播轉發，接入IPTV終端設備（即IPTV機頂盒）。圖1是IPTV端到端組播推送模型示意圖。
圖1 IPTV端到端組播推送網絡模型
本文分別從城域骨干網和寬帶接入網兩個不同的網絡層面，闡述IPTV端到端組播推送網絡的關鍵配置技術。
2、城域骨干網的組播關鍵配置技術
2.1 組播路由技術
組播報文與單播報文的主要區別在于報文目的地址的標識，組播報文目的地址為組播組地址（以“1110”開頭的D類IP地址），單播報文以目的主機IP地址作為目的地址。由于組播組地址與目的主機之間不是一一對應關系，組播路由器只能利用報文源地址的惟一性進行路由判決。也就是說，組播路由器根據報文的源地址而不是目的地址，將報文沿著遠離組播源的方向發送，該技術稱為逆向路徑轉發（簡稱RPF）。
為避免路由環路等問題，RPF規定組播報文必須從指定的上游鄰接節點到達本路由器，而由其他鄰接節點轉發來的組播報文都被丟棄。當組播路由出現問題時，組播報文可能無法像單播報文那樣通過其他路徑到達，骨干網會出現IPTV直播信號中斷，而網頁瀏覽、郵件收發等單播應用卻正常的障礙。這時應沿著組播分發路徑，檢查組播路由器的RPF路由表及其上游鄰接節點。
2.2 組播路由切換技術
PIM-SM協議中的組播分發樹可以分為兩大類：信源樹和共享樹。信源樹以組播源作為樹根，也稱最短路徑樹，可以使端到端的組播延遲達到最小，但是路由器必須保存大量的路由信息，系統資源消耗大；共享樹以RP（PIM-SM協議中的重要路由器，用于組播源與組播路由器之間路由匯接）作為所有組播分發樹公共根節點，組播源流量必須先到達RP再下發，組播路徑通常并非最優，會引入額外的網絡延遲，但是路由器所需保留的路由信息可以很少。
PIM-SM協議充分利用了兩種組播分發樹的優點。在組播初始階段，組播路由器由于無法知道組播源位置而無法使用信源樹，但可以通過已知的RP節點及其共享樹來獲得組播源發送的前幾個組播報文從而獲知組播源位置，并由共享樹切換到信源樹，以減少網絡時延并且避免RP節點可能引發的網絡瓶頸。
城域骨干網一般主要由Cisco路由器組成。Cisco等路由器通過流量速率預設門限SPT-Threshold來實現組播分發樹的切換工作。當偵測到某個組播源的組播流速超過SPT-Threshold時，其組播路由將從共享樹切換到信源樹；同樣，若組播流速低于SPT-Threshold時，其組播路由也可以從信源樹回切到共享樹。SPT-Threshold一般配置為0，使路由器收到第一個組播報文后即由共享樹切換到信源。
2.3 RP配置技術
RP作為共享樹的根節點，在組播過程中起到承上啟下的作用。考慮到PIM-SM協議具有組播分發樹切換特性，RP一般用于建立組播源與組播路由器之間的初始連接，一旦路由器的組播路由從共享樹切換到信源樹后，就不再需要RP及其共享樹。因此，組播網絡中RP的位置選擇不是非常重要，關鍵是其可靠性和穩定性。
為提高RP的可靠性和穩定性，可以選取多個組播路由器共同承擔RP的功能（即Anycast RP技術），將各個RP節點的loopback接口配成相同IP地址，由此形成RP的負荷分擔和故障保護。
組播網絡中的RP配置問題不僅關乎RP節點自身的設置部署，還涉及到其他組播路由器如何獲知RP節點的問題。在組播初始階段，組播路由器可以不知道組播源位置，但是必須清楚RP地址。組播路由器獲取RP地址的方式主要有兩種，即靜態配置RP方式和自動發現RP方式。靜態配置RP方式較為安全，可以有效防止偽造RP等欺騙行為，但是網絡配置的工作量大，且不利于RP等節點的動態調整；自動發現RP方式可以減少配置工作量，方便網絡變更和控制策略調整，但是存在一定的安全隱患。對于規模較小的城域骨干網，可以采用在各個組播路由器上靜態配置RP的方式；對于規模較大且具有嚴格安全防范策略的城域骨干網，建議采用自動發現RP的方式。
2.4 IPTV頭端的組播加入技術
在組播初始階段，組播路由器一般通過已知的RP節點及其共享樹來獲取IPTV頭端（即組播源）的流量及位置信息。為使RP獲知組播源，與組播源直聯的組播路由器負責將組播源發送的起初幾個組播報文封裝在獨立的PIM Register消息中，以單播方式向RP發起組播源注冊過程。RP通過該消息不僅可獲取感興趣的組播組報文，還可獲知該組播源的IP地址。之后，RP向其他組播路由器轉發該組播源信息，并通過PIM Registe-Stop消息結束本次組播源注冊過程。
3、寬帶接入網的組播關鍵配置技術
3.1 IPTV用戶端的組播加入技術
IPTV用戶端（機頂盒）通過IGMP協議經由寬帶接入網與城域骨干網業務接入控制層的組播路由器（通常由業務路由器或寬帶接入服務器承擔）進行信令交互，以加入或退出特定的組播組（即IPTV直播頻道）。
機頂盒向組播路由器發送組播組加入請求報文時，其報文的目的MAC地址是組播組而不是組播路由器的MAC地址，這點與單播方式不同。需注意的是，一個組播組MAC地址實際上與32個不同的組播組IP地址相對應。這是因為組播組MAC地址為01:00:5E:00:00:00～01:00:5E:7F:FF:FF，即有效地址空間僅有23位，而組播組IP的有效地址空間卻有28位。兩者的映射關系是將MACC地址的低23位數值等同于IP地址的低23位數值，從而導致組播組IP地址的高5位比特信息丟失。例如，若三個不同的IPTV直播頻道分別采用224.0.0.1、224.128.0.1和239.128.0.1作為組播組IP地址，則其所對應的組播組MAC地址均為01:00:5E:00:00:01，從而將導致機頂盒及寬帶接入網的二層設備無法區分這三路信號。因此，規劃組播IP地址時需留意此類問題。
3.2二層組播轉發技術
寬帶接入網由大量二層交換機、DSLAM等運行在數據鏈路層的網元設備組成。二層設備的特點是在設備端口之間基于MAC地址交換/轉發數據幀，對第三層（網絡層）的IP報文解析和路由功能較差，因此不能直接支持工作在第三層的IGMP等組播協議。典型的交換機等二層設備處理IPTV組播流量時，按目的地址未知或者廣播方式，向其所有端口廣播組播數據幀，容易引發廣播風暴等問題。
要解決組播報文泛濫問題需采用二層組播轉發技術，如IGMPSnooping、IGMPProxy技術等。IGMPSnooping技術通過偵聽機頂盒和組播路由器之間的IGMP報文以掌握設備端口對組播數據幀的轉發關系；而IGMP Proxy技術則對機頂盒與組播路由器之間的IGMP報文進行攔截、過濾和代理轉發，可以節約組播路由器到二層設備之間的組播流量，但對網元設備的處理能力、內存等性能指標要求較高。配置二層設備時可根據網元設備的實際性能及對IGMP Snooping/Proxy技術的支持程度進行選擇。
以2Mbit/s帶寬的IPTV直播頻道為例，若二層設備未采用二層組播轉發技術，則發往所有IPTV用戶的組播報文會向所有端口轉發，即使用戶端口有10Mbit/s接入帶寬，5個IPTV直播頻道的組播報文就可將其阻塞；采用二層組播轉發技術后，組播報文僅向有使用請求的端口轉發，若每個端口最多僅下聯一個IPTV機頂盒，則最多僅有一個直播頻道的組播報文（即2Mbit/s流量）轉發到相應端口。
3.3VLAN配置技術
二層組播轉發的流量僅涉及IPTV組播業務，不涉及其他寬帶業務，因此在寬帶接入網中一般要先用VLAN等技術將IPTV組播流量從其他業務和用戶的流量中隔離出來。常用的VLAN技術包括解決組播VLAN到各個用戶VLAN的跨VLAN組播復制技術，以及解決VLANID數目不夠的QinQ技術等。
3.4靜態組播與動態組播技術
IPTV直播節目經IP承載網送抵用戶終端，主要有兩種組播模式，即動態組播模式和靜態組播模式。在動態組播模式下，交換機、DSLAM等設備只有收到某頻道（組播組）第一個用戶加入請求后，才會接收并下發該頻道節目；而當該頻道（組播組）最后一個用戶退出時，網元設備會停止接收該組播流。靜態組播模式則是在交換設備上靜態配置各個IPTV頻道（組播組）的MAC組播轉發表項，不論下聯用戶是否收看，組播流都已下發到網元設備。
靜態組播流量與IPTV用戶數無關，僅與頻道數及每頻道帶寬有關，在用戶數小于頻道數時，其流量會大于單播流量；動態組播的最大流量在IPTV并發用戶數小于頻道數時等同于單播流量，在IPTV并發用戶數大于頻道數時等同于靜態組播流量。在靜態組播方式下，用戶的頻道切換速度快，業務感知好，但對網絡的帶寬需求較大；動態組播不論在何種情況下都能實現網絡流量最小化，但當用戶接收新頻道（組播組）時可能會有一定的網絡時延。
在網絡設備下聯的IPTV用戶數非常少時，組播的優勢不太明顯，因此在IPTV業務開展初期，IPTV用戶數不多或寬帶接入網改造未到位存在流量瓶頸的情況下，寬帶接入網可以采用動態組播甚至單播方式傳送IPTV直播信號。當網絡設備下聯的用戶數遠超過IPTV頻道數時，組播對網絡流量帶寬的節約特性越來越顯著。這時，也就是IPTV業務開展到成熟期且寬帶接入網改造也已到位的情況下，可以采用靜態組播方式傳送IPTV直播信號，以進一步提升IPTV服務品質。因此，運營商可以根據網絡質量、IPTV業務滲透率等實際情況來決定接入網設備是配置成動態還是靜態組播方式。
4、結束語
本文結合電信運營商現有的IP城域網，系統地闡述了IPTV端到端組播推送網絡配置的關鍵技術，對電信運營商高效且經濟地部署和實現IPTV業務具有良好的借鑒意義。