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1 Introduzione
Come nuovo servizio multimediale Internet ad alta larghezza di banda e di alta qualità, l'IPTV impone requisiti più elevati alla rete dell'area metropolitana IP degli operatori di telecomunicazioni. Rispetto alla tradizionale tecnologia unicast, la tecnologia multicast ha il vantaggio che la larghezza di banda della rete non aumenta linearmente con il numero di utenti sulla base di un'efficienza di trasmissione equivalente, e può effettivamente risparmiare il carico del server video e della rete portante. Pertanto, affinché gli operatori di telecomunicazioni possano distribuire e implementare i servizi IPTV in modo efficiente ed economico, si consiglia di utilizzare il push multicast end-to-end e la configurazione della rete multicast IP è la chiave.
Attualmente, la rete dell'area metropolitana IP degli operatori di telecomunicazioni è composta principalmente da una rete dorsale dell'area metropolitana e una rete di accesso a banda larga, ei dati del servizio IPTV vengono inviati all'utente finale attraverso la rete dorsale dell'area metropolitana e la rete di accesso a banda larga a loro volta. La rete backbone metropolitana è composta principalmente da dispositivi di livello di rete (livello 3), che possono abilitare i protocolli di routing multicast come PIM-SM per accedere a fonti multicast (cioè dispositivi IPTV head-end) per l'instradamento e l'inoltro di pacchetti multicast. La rete di accesso a banda larga è composta principalmente da apparecchiature di livello di collegamento dati (livello 2) e tecnologie come IGMP Proxy o IGMP Snooping possono essere utilizzate per l'inoltro multicast di livello 2 per accedere alle apparecchiature terminali IPTV (ad esempio, set-top box IPTV). La Figura 1 è un diagramma schematico di un modello push multicast end-to-end IPTV.
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Figura 1 Modello di rete push multicast end-to-end IPTV
Questo articolo descrive le tecnologie di configurazione chiave della rete push multicast end-to-end IPTV da due diversi livelli di rete: la rete dorsale metropolitana e la rete di accesso a banda larga.
2. Tecnologia di configurazione multicast chiave per la rete backbone metropolitana
2.1 Tecnologia di routing multicast
La principale differenza tra un messaggio multicast e un messaggio unicast è l'identificazione dell'indirizzo di destinazione del messaggio. L'indirizzo di destinazione del messaggio multicast è l'indirizzo del gruppo multicast (indirizzo IP di classe D che inizia con "1110") e il messaggio unicast si basa sull'IP host di destinazione. L'indirizzo viene utilizzato come indirizzo di destinazione. Poiché non esiste una corrispondenza uno-a-uno tra l'indirizzo del gruppo multicast e l'host di destinazione, il router multicast può utilizzare solo l'unicità dell'indirizzo di origine del messaggio per prendere decisioni di instradamento. In altre parole, il router multicast invia il messaggio nella direzione lontana dalla sorgente multicast in base all'indirizzo di origine del messaggio anziché all'indirizzo di destinazione. Questa tecnologia è chiamata reverse path forwarding (RPF in breve).
Per evitare problemi come i loop di instradamento, RPF stabilisce che i pacchetti multicast devono raggiungere il router dal nodo adiacente a monte designato e i pacchetti multicast inoltrati da altri nodi vicini vengono scartati. Quando si verifica un problema con il routing multicast, i pacchetti multicast potrebbero non essere in grado di raggiungere altri percorsi come i pacchetti unicast, i segnali di trasmissione live IPTV verranno interrotti nella rete backbone e le applicazioni unicast come la navigazione web e l'invio e la ricezione di posta sono normali ostacoli. A questo punto, lungo il percorso di distribuzione multicast, controlla la tabella di instradamento RPF del router multicast e dei suoi nodi vicini a monte.
2.2 Tecnologia di commutazione del routing multicast
L'albero di distribuzione multicast nel protocollo PIM-SM può essere suddiviso in due categorie: albero dei sorgenti e albero condiviso. L'albero di origine utilizza l'origine multicast come radice dell'albero, noto anche come albero del percorso più breve, che può ridurre al minimo il ritardo multicast end-to-end, ma il router deve memorizzare una grande quantità di informazioni di routing, che consuma molto delle risorse di sistema; l'albero condiviso utilizza RP (PIM-SM) Un router importante nel protocollo, utilizzato per l'instradamento e la convergenza tra sorgenti multicast e router multicast) Essendo il nodo radice comune di tutti gli alberi di distribuzione multicast, il traffico sorgente multicast deve prima raggiungere l'RP prima di essere consegnato e il percorso multicast di solito non è ottimale, introdurrà un ritardo di rete aggiuntivo, ma le informazioni di instradamento che il router deve conservare possono essere molto piccole.
Il protocollo PIM-SM sfrutta appieno i vantaggi dei due alberi di distribuzione multicast. Nella fase iniziale del multicast, il router multicast non può utilizzare l'albero della sorgente perché non può conoscere la posizione della sorgente multicast, ma può ottenere i primi pochi pacchetti multicast inviati dalla sorgente multicast attraverso il nodo RP noto e il suo albero condiviso. Conoscere la posizione della sorgente multicast e passare dall'albero condiviso all'albero sorgente per ridurre i ritardi di rete ed evitare colli di bottiglia di rete che possono essere causati dai nodi RP.
La rete backbone metropolitana è generalmente composta principalmente da router Cisco. Router come Cisco implementano la commutazione dell'albero di distribuzione multicast attraverso la soglia SPT-Threshold preimpostata della portata. Quando viene rilevato che la velocità di flusso multicast di una sorgente multicast supera la soglia SPT, il suo instradamento multicast passerà dall'albero condiviso all'albero sorgente; allo stesso modo, se la velocità di flusso multicast è inferiore a SPT-Threshold, il suo instradamento multicast È anche possibile tornare dall'albero di origine all'albero condiviso. SPT-Threshold è generalmente configurato come 0, in modo che il router passi dall'albero condiviso alla sorgente dopo aver ricevuto il primo pacchetto multicast.
Tecnologia di configurazione 2.3RP
In qualità di nodo radice dell'albero condiviso, RP svolge un ruolo di collegamento su e giù nel processo multicast. Considerando che il protocollo PIM-SM ha le caratteristiche di commutazione dell'albero di distribuzione multicast, RP viene generalmente utilizzato per stabilire la connessione iniziale tra la sorgente multicast e il router multicast. Una volta che l'instradamento multicast del router è passato dall'albero condiviso all'albero di origine, non sarà RP e il suo albero condiviso sarà nuovamente necessario. Pertanto, la posizione dell'RP nella rete multicast non è molto importante. La chiave è la sua affidabilità e stabilità.
Al fine di migliorare l'affidabilità e la stabilità di RP, è possibile selezionare più router multicast per condividere la funzione di RP (ovvero, la tecnologia Anycast RP) e all'interfaccia di loopback di ciascun nodo RP viene assegnato lo stesso indirizzo IP, formando così il condivisione del carico e protezione dai guasti.
Il problema di configurazione RP nella rete multicast non è solo correlato alla configurazione e alla distribuzione del nodo RP stesso, ma coinvolge anche il problema di come altri router multicast apprendono il nodo RP. Nella fase iniziale del multicast, il router multicast potrebbe non conoscere la posizione della sorgente multicast, ma è necessario conoscere l'indirizzo RP. Esistono due modi principali con cui un router multicast ottiene un indirizzo RP, ovvero il metodo RP di configurazione statica e il metodo RP di rilevamento automatico. La configurazione statica di RP è più sicura e può prevenire efficacemente attività fraudolente come la falsificazione di RP, ma il carico di lavoro della configurazione di rete è pesante e non favorisce l'adeguamento dinamico di RP e altri nodi; il rilevamento automatico di RP può ridurre il carico di lavoro della configurazione e facilitare i cambiamenti di rete e le strategie di controllo. Adeguamento, ma ci sono alcuni rischi per la sicurezza. Per una rete backbone di un'area metropolitana su piccola scala, è possibile utilizzare il metodo di configurazione statica di RP su ciascun router multicast; per una rete dorsale di un'area metropolitana su larga scala con rigide politiche di difesa della sicurezza, si consiglia di utilizzare il metodo di rilevamento automatico di RP.
2.4 Tecnologia di join multicast head-end IPTV
Nella fase iniziale del multicast, i router multicast generalmente ottengono informazioni sul traffico e sulla posizione dell'headend IPTV (cioè la sorgente multicast) attraverso i nodi RP noti e i loro alberi condivisi. Affinché l'RP possa conoscere la sorgente multicast, il router multicast collegato direttamente alla sorgente multicast è responsabile dell'incapsulamento dei primi pochi pacchetti multicast inviati dalla sorgente multicast in un messaggio di registro PIM separato e avvia il multicast all'RP in unicast modalità. Processo di registrazione della fonte. Attraverso questo messaggio, l'RP può ottenere non solo i pacchetti del gruppo multicast di interesse, ma anche l'indirizzo IP della sorgente multicast. Successivamente, l'RP inoltra le informazioni sulla sorgente multicast ad altri router multicast e termina il processo di registrazione della sorgente multicast con un messaggio PIM Registe-Stop.
3. Tecnologia di configurazione chiave multicast della rete di accesso a banda larga
3.1 Tecnologia di join multicast utente IPTV
Il client IPTV (set-top box) comunica con il router multicast (di solito eseguito dal router di servizio o dal server di accesso a banda larga) del livello di controllo dell'accesso al servizio di rete backbone metropolitana tramite il protocollo IGMP tramite la rete di accesso a banda larga per entrare o uscire Gruppo multicast (cioè canale live IPTV).
Quando un set-top box invia un messaggio di richiesta di partecipazione a un gruppo multicast a un router multicast, l'indirizzo MAC di destinazione del messaggio è l'indirizzo MAC del gruppo multicast invece del router multicast, che è diverso dal metodo unicast. Va notato che un indirizzo MAC del gruppo multicast corrisponde effettivamente a 32 diversi indirizzi IP del gruppo multicast. Questo perché l'indirizzo MAC del gruppo multicast è 01: 00: 5E: 00: 00: 00 ~ 01: 00: 5E: 7F: FF: FF, ovvero lo spazio degli indirizzi effettivo è di soli 23 bit e l'effettivo indirizzo del gruppo multicast IP Ci sono 28 spazi.
La relazione di mappatura tra i due consiste nell'identificare i 23 bit inferiori dell'indirizzo MACC con i 23 bit inferiori dell'indirizzo IP, il che si traduce nella perdita dei 5 bit superiori dell'indirizzo IP del gruppo multicast. Ad esempio, se tre diversi canali live IPTV utilizzano 224.0.0.1, 224.128.0.1 e 239.128.0.1 come indirizzi IP del gruppo multicast, i corrispondenti indirizzi MAC del gruppo multicast saranno tutti 01: 00: 5E: 00: 00:01, che farà sì che il set-top box e l'apparecchiatura di secondo livello della rete di accesso a banda larga non siano in grado di distinguere i tre segnali. Pertanto, prestare attenzione a tali problemi quando si pianificano indirizzi IP multicast.
3.2 Tecnologia di inoltro multicast di livello 2
La rete di accesso a banda larga è composta da un gran numero di dispositivi di elementi di rete come switch di livello 2 e DSLAM in esecuzione a livello di collegamento dati. La caratteristica dell'apparecchiatura di livello 2 è che scambia / inoltra frame di dati in base agli indirizzi MAC tra le porte del dispositivo e ha scarse funzioni di analisi e instradamento per il terzo livello (livello di rete) dei pacchetti IP, quindi non può supportare direttamente IGMP che lavora sul terzo strato. E altri protocolli multicast. Quando un tipico dispositivo di livello 2 come uno switch elabora il traffico multicast IPTV, trasmette frame di dati multicast a tutte le sue porte in base a indirizzi di destinazione sconosciuti o metodi di trasmissione, il che potrebbe causare problemi come i broadcast storm.
Per risolvere il problema del flusso di pacchetti multicast, è necessario adottare le tecnologie di inoltro multicast Layer 2, come le tecnologie IGMP Snooping e IGMP Proxy. La tecnologia IGMP Snooping monitora il messaggio IGMP tra il set-top box e il router multicast per cogliere la relazione di inoltro della porta del dispositivo al frame di dati multicast; mentre la tecnologia IGMP Proxy intercetta il messaggio IGMP tra il set-top box e il router multicast Il filtraggio e l'inoltro proxy possono salvare il traffico multicast tra il router multicast e il dispositivo Layer 2, ma richiede indicatori ad alte prestazioni come la capacità di elaborazione e la memoria del dispositivo dell'elemento di rete. Quando si configurano i dispositivi Layer 2, è possibile scegliere in base alle prestazioni effettive del dispositivo dell'elemento di rete e al grado di supporto per la tecnologia IGMP Snooping / Proxy.
Prendi un canale live IPTV con una larghezza di banda di 2 Mbit / s come esempio. Se il dispositivo Layer 2 non utilizza la tecnologia di inoltro multicast Layer 2, i pacchetti multicast inviati a tutti gli utenti IPTV verranno inoltrati a tutte le porte, anche se la porta utente ha 10 Mbit / s. s Accesso alla larghezza di banda, i pacchetti multicast di 5 canali live IPTV possono essere bloccati; dopo aver adottato la tecnologia di inoltro multicast Layer 2, i pacchetti multicast vengono inoltrati alle porte solo con la richiesta di utilizzo, e se ogni porta è collegata al massimo solo Per un set-top box IPTV, al massimo un solo pacchetto multicast (ovvero, 2 Mbit / s di traffico) di un canale live viene inoltrato alla porta corrispondente.
3.3 Tecnologia di configurazione VLAN
Il traffico inoltrato dal multicast Layer 2 coinvolge solo i servizi multicast IPTV e non coinvolge altri servizi a banda larga. Pertanto, nella rete di accesso a banda larga, le tecnologie come le VLAN vengono generalmente utilizzate per isolare il traffico multicast IPTV da altri servizi e dal traffico degli utenti. Le tecnologie VLAN comunemente utilizzate includono la tecnologia di replica multicast cross-VLAN dalla VLAN multicast a ciascuna VLAN utente e QinQ, che risolve un numero insufficiente di ID VLAN
3.4 Multicast statico e tecnologia multicast dinamica
Il programma live IPTV viene consegnato al terminale utente tramite la rete portante IP e ci sono principalmente due modalità multicast, vale a dire la modalità multicast dinamica e la modalità multicast statica. In modalità multicast dinamica, switch, DSLAM e altri dispositivi riceveranno e forniranno il programma del canale solo dopo aver ricevuto la prima richiesta dell'utente di entrare in un canale (gruppo multicast); e quando il canale (gruppo multicast) dura Quando un utente si disconnette, il dispositivo dell'elemento di rete smetterà di ricevere il flusso multicast. La modalità multicast statica consente di configurare staticamente le voci di inoltro multicast MAC di ciascun canale IPTV (gruppo multicast) sull'apparecchiatura di commutazione, indipendentemente dal fatto che gli utenti a valle lo guardino o meno, il flusso multicast è stato consegnato all'apparecchiatura dell'elemento di rete.
Il traffico multicast statico non ha nulla a che fare con il numero di utenti IPTV, solo il numero di canali e la larghezza di banda per canale. Quando il numero di utenti è inferiore al numero di canali, il traffico sarà maggiore del traffico unicast; il traffico massimo del multicast dinamico è quando il numero di utenti IPTV simultanei è inferiore al numero di canali Quando il numero di utenti simultanei IPTV è maggiore del numero di canali, è equivalente al traffico multicast statico. Nella modalità multicast statica, la velocità di commutazione del canale dell'utente è elevata e la percezione del servizio è buona, ma la richiesta di larghezza di banda della rete è maggiore; il multicast dinamico può ridurre al minimo il traffico di rete in qualsiasi circostanza, ma quando l'utente riceve un nuovo canale (gruppo multicast), potrebbe esserci un certo ritardo di rete.
Quando il numero di utenti IPTV collegati all'apparecchiatura di rete è molto ridotto, i vantaggi del multicast non sono evidenti. Pertanto, nella fase iniziale dello sviluppo dei servizi IPTV, non ci sono molti utenti IPTV o la rete di accesso a banda larga non è stata ricostruita. È possibile utilizzare multicast dinamico o anche unicast per trasmettere segnali live IPTV. Quando il numero di utenti collegati a un dispositivo di rete supera di gran lunga il numero di canali IPTV, le caratteristiche del multicasting per risparmiare larghezza di banda del traffico di rete diventano sempre più significative. In questo momento, cioè quando il servizio IPTV è stato sviluppato in una fase matura e la trasformazione della rete di accesso a banda larga è stata attuata, la modalità multicast statica può essere utilizzata per trasmettere il segnale live IPTV per migliorare ulteriormente la qualità del servizio IPTV. Pertanto, gli operatori possono decidere se configurare le apparecchiature di rete di accesso in modalità multicast dinamica o statica in base alle condizioni effettive come la qualità della rete e la penetrazione del servizio IPTV.
Conclusione 4
Combinando la rete dell'area metropolitana IP esistente degli operatori di telecomunicazioni, questo documento espone sistematicamente le tecnologie chiave della configurazione di rete push multicast end-to-end IPTV, che ha un buon significato di riferimento per gli operatori di telecomunicazioni per implementare e implementare i servizi IPTV in modo efficiente ed economico.
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