专利名称：用于在以太无源光网络中进行带宽有效多播的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无源光网络的设计。更具体地，本发明涉及用于在以太无源光网络中进行带宽有效多播的方法和装置。
背景技术：
为了与增长的因特网通信量相适应，已经广泛地应用了光纤和相关的光传输设备以便显著地增加骨干网的容量。但是，对应的接入网容量的增长还不能与骨干网容量的增长相匹配。甚至利用诸如数字用户线路(DSL)和有线调制解调器(CM)的宽带解决方案，由当前接入网造成的有限带宽在向终端用户分发高带宽时也会产生严重的瓶颈。
在当前所开发的不同的技术中，以太无源光网络(EPON)是下一代接入网最好的候选方案之一。EPON将普遍采用的以太网技术和不昂贵的无源光器件结合在一起。因此，它们提供了以太网的简单和可扩展性以及无源光器件的低成本和大容量。特别地，由于光纤的高带宽，EPON能够同时容纳宽带语音、数据和视频通信量。使用DSL或者CM技术很难提供这种综合服务。而且，EPON更适合因特网协议(IP)通信量，因为以太帧能直接封装具有不同大小的原始IP包，然而ATM无源光网络(APON)使用固定大小的ATM信元，并且因此需要分组分段和重组。
通常，EPON在网络的“第一英里”中使用，其在服务提供商的中央局和商务或者居住用户之间提供连接。逻辑上，第一英里是点到多点的网络，其中中央局服务多个用户。在EPON中可以使用树形拓扑结构，其中一根光纤将中央局连接到无源光分路器，其将下行光信号划分和分配到用户，并且合并来自用户的上行光信号(见图1)。
在EPON中的传输通常在光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)之间执行(见图2)。OLT一般位于中央局中并且将光接入网连接到城市骨干，其通常是属于ISP或者本地交换运营商的外部网络。ONU既可以位于路边也可以位于终端用户的位置，并且能提供宽带语音、数据和视频服务。ONU通常连接到1对N(1×N)无源光耦合器，其中N是ONU的数量，并且无源光耦合器通常通过单个光链路连接到OLT。这种配置可以显著地节省EPON要求的光纤数量以及硬件数量。
EPON内的通信可以划分为上行通信量(从ONU到OLT)和下行通信量(从OLT到ONU)。在上行方向上，ONU需要共享信道容量和资源，因为只有一条链路连接无源光耦合器和OLT。在下行方向上，因为1×N无源光耦合器的广播特性，OLT将下行数据帧广播至所有ONU，随后由其目的ONU基于其单独的逻辑链路标识符(LLID)进行抽取。(LLID携带帧的物理地址信息，并且确定哪个ONU被允许对帧进行抽取)。
虽然向ONU分配单独的LLID有助于相当简便地实现单播通信量，但是这并非是用于进行多播的有效解决方案，在多播中，OLT需要向多于一个的ONU发送相同的帧。使用传统的单播LLID，在OLT中对多播帧进行复制，并作为单播帧下行发送多次，这在带宽利用上非常浪费。
因此，所需的是一种用于在EPON中提供多播的方法和装置，既是带宽有效的又具成本效率，并且满足现有以太网和EPON的要求。
发明内容
本发明一个实施方式提供一种有助于在EPON内进行带宽有效多播的系统。该系统包括中央节点以及至少一个远程节点。来自中央节点的下行数据通过无源光耦合器广播至远程节点。在另一个方向上，来自远程节点的上行数据通过无源光耦合器以单播的方式传送至中央节点。在运行期间，系统首先选择通用多播LLID，以代表包括多播组的多个远程节点。在接收到发往多播组的多播消息时，系统连同多播组的多播LLID一起发送多播消息，由此多播消息通过无源光耦合器在下行方向上进行广播。这允许属于多播组的每个远程节点通过匹配多播LLID来接收多播消息。
在这个实施方式的变形中，允许远程节点加入或者离开多播组。
在这个实施方式的变形中，向属于多播组的远程节点分配多播LIID。
在另一个变形中，与多播LLID分配相关的消息在运行、管理和维护(OAM)帧中进行传送。
在这个实施方式的变形中，还向远程节点分配单个的单播LIID。
在这个实施方式的变形中，当接收到来自远程节点的加入多播组的请求时，系统向远程节点分配相应的多播LLID。在另一个变形中，在远程节点已经成功地接收到多播LLID之后，系统接收来自远程节点的确认。
在这个实施方式的变形中，在发现远程节点存在于以太无源光网络内并且该远程节点属于多播组时，系统自动向远程节点分配多播LLID。在另一个变形中，在远程节点已经成功地接收到多播LLID之后，系统接收来自远程节点的确认。
在这个实施方式的变形中，系统基于多播组形成虚拟局域网(VLAN)，其中VLAN内的每个远程节点能够通过发送具有相应的多播LLID的消息向VLAN内的每个其它远程节点进行广播，以及其中VLAN外部的任何远程节点不能接收该消息。
图1说明无源光网络，其中中央局和多个用户通过光纤和无源光分路器相连接。
图2说明包括单个OLT和多个ONU的无源光网络。
图3说明桥接的以太区段。
图4说明依照本发明实施方式的在EPON中从OLT到ONU的下行单播通信量传输。
图5说明依照本发明实施方式的在EPON中从ONU到OLT的上行通信量传输。
图6说明依照本发明实施方式的在EPON中利用桥接从一个ONU到另一个ONU的单播通信量传输。
图7说明依照本发明实施方式的在EPON中多播通信量的传输。
图8说明依照本发明实施方式的在EPON中多播通信量和单播通信量的共存。
图9说明依照本发明实施方式的基于多播组的VLAN的形成。
图10A表示说明在发现ONU存在于EPON中时向ONU分配多播LLID的过程(“推送”过程)的时间-空间示图。
图10B表示依照本发明实施方式的相应的流程图。
图11A表示说明在从ONU接收到加入多播组的请求时向ONU分配多播LLID的过程(“拉动”过程)的时间-空间示图。
图11B表示依照本发明实施方式的相应的流程图。
具体实施例方式
下面的描述使本领域的技术人员实现以及使用本发明，并且将该描述设置在特定应用及其要求的背景中。本领域的技术人员可以容易地了解所公开的实施方式的各种修改，并且在不偏离本发明精神和范围的前提下，在此定义的一般原理可应用于其它实施方式和应用。因此，本发明并非旨在被限制于所示实施方式，而是符合在此公开的原理和特征的最广泛范围。
在这个详细描述中说明的数据结构和代码通常存储在计算机可读存储介质中，其可以是能够存储代码和/或数据以供计算机系统使用的任何设备或介质。这包括但不限于，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、半导体存储器、磁存储设备和光存储设备，例如磁盘驱动器、磁带、CD(光盘)和DVD(数字多功能光盘或数字视频光盘)以及在传输介质(带有或不带有在其上对信号进行调制的载波)中实现的计算机指令信号。例如，传输介质可包括诸如互联网之类的通信网络。
无源光网络拓扑结构图1说明无源光网络(PON)，其中中央局与多个用户通过光纤和无源光分路器相连接。如图1所示，多个用户通过光纤和无源光分路器102与中央局101相连。无源光分路器102可以位于最终用户位置附近，使得可以最小化最初的光纤部署成本。中央局101可以与外部网络103相连，例如，由因特网服务提供商(ISP)运营的城域网。注意，虽然图1示出了树形拓扑，但是PON也可以基于其它拓扑，例如环形或总线形。
图2说明包括单个OLT和多个ONU的无源光网络。OLT 201通过光纤和无源光耦合器205与ONU 202、203和204相连。如图2所示，ONU可以支持多种联网的设备，例如个人计算机、电话、视频设备、网络服务器等等。属于同一服务类别的一个或多个联网设备通常分配有逻辑链路ID(LLID)，正如IEEE 802.3标准所定义的。LLID在ONU和OLT之间建立逻辑链路，而这支持了特定服务等级协议(SLA)要求。在此示例中，将LLID#1分配给ONU 202的常规数据服务；将LLID#2分配给ONU 203的语音服务；将LLID#3分配给ONU 203的视频服务；并且将LLID#4分配给ONU 204的关键任务数据服务。
通用以太网要求图3说明桥接的以太网区段。一般来说，IEEE 802标准定义两个以太网的操作模式共享媒体和全双工。在共享媒体区段中，所有主机与单个广播域相连，其中每次至多一个主机可以进行发送，而所有其它主机可以接收所发送的信号。这是最普通的以太网实现方式。全双工区段是将两个主机连接在一起，或者将主机与以太网网桥连接在一起的点对点链路，其中两端都可以同时发送和接收。
以太网网桥通常将多个以太网区段连接在一起，以允许进行区段间通信。如图3所示，以太网网桥310具有多个端口。共享媒体区段322和321分别与端口312和311相连。如果区段322上的主机向区段321上的主机发送数据帧，则数据帧将由以太网网桥310根据其目的以太网(也称为媒体接入控制，MAC)地址，从端口312交换至端口311。如果区段322上的主机向同一区段上的另一台主机发送数据帧，则以太网网桥310将不做任何操作，因为它假设与端口相连的任何区段或者是单个主机，或者是共享媒体区段。(注意，作为广播网络，共享媒体区段可以分发其自身的区段内部数据帧)。
点对点模拟(PtPE)上述桥接行为(如IEEE 802体系结构所定义)表明EPON内的一个问题如果在OLT的以太网网桥的一个端口接收到所有上行通信量，则与同一EPON的不同ONU相连的用户不能没有在第三层(网络层)处理的数据的情况下彼此相互通信。这种配置迫使同一EPON内ONU之间的数据通信量由位于EPON外部的设备(例如，与OLT相连的IP路由器)进行处理和交换。这是一种效率非常低的分发EPON内部通信量的方法。
为了解决这个问题，并且保证EPON与其它以太网的无隙集成，附加于EPON介质的设备可以具有附加子层，该子层基于其配置，将模拟共享媒体或者点对点媒体中的任一。这个子层称为共享媒体模拟(SME)或点对点模拟(PtPE)子层。这个模拟子层位于MAC层之下，以保留IEEE P802.3标准中所定义的现有以太网MAC操作。这个模拟层的操作依赖于利用对每个ONU唯一的标签对以太帧进行标记。这些标签称为逻辑链路ID(LLID)，并且位于每帧之前的前导中。
图4说明依照本发明实施方式的在EPON中从OLT到ONU的下行单播通信量传输。在PtP模拟模式中，可进行多播的OLT 400具有多个MAC端口(接口)，其中每个对应于一个ONU。当从MAC端口431下行发送以太帧时，OLT 400中的PtP模拟子层440插入与MAC端口431相关联的LLID 461。虽然无源光耦合器将帧广播至每个ONU，但是只有一个PtPE子层将那个帧的LLID与分配给相应ONU的值相匹配。匹配的ONU将接受该帧，并且将其转交给其MAC层，以进一步进行验证。其它ONU(具有LLID 462的ONU 452，以及具有LLID 463的ONU 453)中的MAC层将不会接收到那个帧。因此，就好像该帧在点对点链路上只发送至目的ONU一样。
图5说明依照本发明实施方式的在EPON中从ONU到OLT的上行通信量传输。在上行方向上，ONU 451在每个所传输帧的前导中插入其所分配的LLID 461。可进行多播的OLT 400的PtPE子层440由此向MAC端口431传播该帧。
EPON中的桥接图6说明依照本发明实施方式的在EPON中利用桥接从ONU到另一个ONU的单播通信量传输。当ONU 451需要向ONU 452发送帧时，其用ONU 452的LLID 462对该帧进行标记。然后，以太网网桥610将这个标记的帧相应地从MAC端口431转交至MAC端口432。随后，OLT 400下行发送该帧，并由ONU 452接收。
EPON中的多播图7说明依照本发明实施方式的在EPON中多播通信量的传输。当前LLID分配标准中的问题就是其不支持，它是一种将有效多播，它是一种向同一EPON中任选多个ONU进行的数据相同拷贝的传输。根本原因就是当前的标准只为单独的ONU或整个EPON中的所有ONU(广播)定义了LLID。因此，当向同一EPON中多个具体选择的ONU发送帧时，必须为每个目的ONU生成多个帧拷贝，并且OLT需要发送多个拷贝。(广播LLID不适用于多播应用，因为其是全部包括的)。这是在EPON中进行多播的笨拙而且低效的方法。
幸运的是，EPON的独特特征是其通过使用无源光耦合器所提供的固有广播能力。在物理层中，对来自OLT的每个下行光信号进行分离，并将其分发至EPON内的每个ONU。因此，基于EPON固有广播能力的多播机制是更加适宜的方法。一种利用EPON广播能力的方法是指定特殊的多播LLID，这与通过分配给单独ONU的单播LLID进行多播相反。多播LLID与所选的ONU子集相关联，该子集组成多播组。允许属于这个多播组的每个ONU对用多播LLID标记的帧进行接收和转发。
如图7所示，EPON包括ONU 451、452、453、454和455，其分别与单播LLID 771、772、773、774和775相关联。ONU 451、453和454也属于多播组，其与多播LLID 780相关联。因此，多播MAC端口735对应于多播LLID 780。当多播帧到达可多播的OLT400时，它被用LLID 780进行标记，并进行下行发送。注意，这个帧只由OLT 400一次性地下行发送至所有ONU。当帧的标签与所分配的多播LLID 780相匹配时，ONU 451、453和454可以接收帧。
图8说明依照本发明实施方式的在EPON中多播通信量与单播通信量两者的共存。在此示例中，单播MAC端口832与单播LLID772相关联，以及单播MAC端口831与单播LLID 775相关联。当要发往ONU 452和455的单播帧到达OLT 400时，分别用单播LLID772和775对其进行标记。下行发送单播帧并且单播帧到达每个ONU，但是只有相关联的ONU将帧标签与其所分配的单播LLID相匹配。注意，多播帧可以分发至具有多播LLID的多播组，其方式与单播帧分发至单个ONU的方式相同。
VLAN配置图9说明依照本发明实施方式的基于多播组的VLAN的形成。通过多播LLID，现在有可能在EPON内形成多个VLAN区段。每个VLAN区段基于具有相应的多播LLID的多播组，其中将被发送至特定VLAN区段的帧广播至所有组内成员。这种基于多播组的VLAN区段以比较高层VLAN模拟更为直观和有效的方式类似于共享媒体以太网配置。
作为VALN成员，ONU可以不仅具有多播LLID，而且还具有唯一的单播LLID，这在与其它节点通信中提供了更大的灵活性。
图9说明两个VLAN，970和971。如图9所示，VLAN 970包括ONU 921、922和923，它们分配有多播LLID 950并且分别分配有单播LLID 931、932和933。VLAN 971包括ONU 924和925，它们分配有多播LLID 951并且分别分配有单播LLID 934和935。通过“推送”的多播LLID分配图10A和10B表示说明在发现存在于EPON中的ONU时向ONU分配多播LLID的过程(“推送”过程)的示图及相应的流程图。图10A说明表示OLT与ONU之间为进行“推送”多播LLID分配执行的控制消息交换的时间-空间示图。图10B表示对应于图10A的流程图。
系统开始于来自OLT的常规广播发现查询(DISCOVERYGATE)消息(步骤1001)。当ONU加入到EPON中时，其向OLT发送注册请求(REGISTER REQ)消息(步骤1002)。接下来，OLT在注册消息中向请求的ONU分配单播LLID(步骤1003)。当接收到单播LLID时，ONU向OLT发送回确认(REGISTER ACK)消息(步骤1004)。然后，OLT向ONU分配多播LLID(步骤1005)。当接收到多播LLID时，ONU向OLT发送回确认(MULTICAST LLIDACK)消息(步骤1006)。注意，上述所有消息可以在运行、管理和维护(OAM)帧中携带。
图11A和11B表示说明在接收到来自ONU的加入多播组的请求时向ONU分配多播LLID的过程(“拉动”过程)的示图及相应的流程图。图11A说明表示OLT与ONU之间为进行“拉动”多播LLID分配执行的控制消息交换的时间-空间示图。图11B表示对应于图11A的流程图。
系统开始于来自OLT的常规广播发现查询(DISCOVERYGATE)消息(步骤1101)。当ONU加入到EPON中时，其向OLT发送注册请求(REGISTER REQ)消息(步骤1102)。接下来，OLT在注册消息中向请求的ONU分配单播LLID(步骤1103)。当接收到单播LLID时，ONU向OLT发送回确认(REGISTER ACK)消息(步骤1104)。ONU进一步向OLT发送加入特定多播组的多播LLID请求(步骤1105)。然后，OLT向ONU分配相应的多播LLID(步骤1106)。当接收到多播LLID时，ONU向OLT发送回确认(MULTICAST LLID ACK)消息(步骤1107)。注意，上述所有消息可以在OAM帧中携带。
本发明实施方式的前述描述已经仅以说明和描述的目的给出了。其并不试图将本发明穷尽于或者限制于所公开的形式。因此，对于本领域的技术人员显然可以了解多种修改和变形。另外，上述公开并不试图限制本发明。本发明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于在包括中央节点和至少一个远程节点的以太无源光网络中进行多播的方法，其中来自该中央节点的下行数据通过无源光耦合器广播至该远程节点，以及其中来自远程节点的上行数据通过该无源光耦合器以单播方式传送至该中央节点，该方法包括选择通用多播逻辑链路ID(LLID)，以表示包括多播组的多个远程节点；以及当接收到发往该多播组的多播消息时，连同该多播组的该多播LLID一起发送该多播消息，由此该多播消息通过该无源光耦合器在该下行方向上进行广播，以及由此属于该多播组的每个远程节点可以通过匹配该多播LLID来接收该多播消息。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括允许远程节点加入或者离开该多播组。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向属于该多播组的远程节点分配该多播LLID。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在运行、管理和维护(OAM)帧中传送与该多播LLID分配相关的消息。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括向远程节点分配单个的单播LLID。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括接收来自远程节点的加入多播组的请求，以及响应于该请求向该远程节点分配相应的多播LLID。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在该远程节点已经成功地接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在发现远程节点存在于该以太无源光网络中并且该远程节点属于多播组时，自动向该远程节点分配多播LLID。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在该远程节点已经成功接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于多播组形成虚拟局域网(VLAN)，其中该VALN内的每个远程节点能够通过发送具有该相应的多播LLID的消息，向VLAN内的每个其它远程节点进行广播，以及其中位于该VLAN外部的任何远程节点不能接收该消息。
11.一种在以太无源光网络中进行多播的装置，包括至少一个远程节点；中央节点，被配置为选择通用多播LLID，以表示包括多播组的多个远程节点，以及在接收到发往该多播组的多播消息时，连同该多播组的该多播LLID一起发送该多播消息，由此该多播消息通过无源光耦合器在下行方向上进行广播，以及由此属于该多播组的每个远程节点可以通过匹配该多播LLID来接收该多播消息；以及无源光耦合器，连接在该中央节点和该远程节点之间，由此从该中央节点到远程节点的下行数据通过该无源光耦合器进行广播，以及从远程节点到该中央节点的上行数据通过该无源光耦合器以单播的方式进行发送。
12.根据权利要求11所述的装置，进一步包括允许远程节点加入或者离开该多播组的机制。
13.根据权利要求11所述的装置，其中该中央节点进一步被配置为向属于多播组的远程节点分配该多播LLID。
14.根据权利要求13所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为在OAM帧中传送与该多播LLID分配相关的消息。
15.根据权利要求11所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为向远程节点分配单个的单播LLID。
16.根据权利要求11所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为接收来自远程节点的加入多播组的请求，以及响应于该请求向该远程节点分配相应的多播LLID。
17.根据权利要求16所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为在该远程节点已经成功地接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
18.根据权利要求11所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为在发现远程节点存在于该以太无源光网络中并且该远程节点属于多播组时，自动向该远程节点分配多播LLID。
19.根据权利要求18所述的装置，其中该中央节点被进一步配置为在该远程节点已经成功接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
20.根据权利要求11所述的装置，其中该多播组形成VLAN，其中该VALN内的每个远程节点能够通过发送具有该相应的多播LLID的消息，向该VLAN内的每个其它远程节点进行广播，以及其中位于该VLAN外部的任何远程节点不能接收该消息。
21.一种存储指令的计算机可读存储介质，当该指令由计算机执行时，使该计算机执行一种用于在包括中央节点和至少一个远程节点的以太无源光网络中进行多播的方法，其中来自中央节点的下行数据通过无源光耦合器广播至该远程节点，以及其中来自远程节点的上行数据通过该无源光耦合器以单播方式传送至该中央节点，该方法包括选择通用多播逻辑链路ID(LLID)，以表示包括多播组的多个远程节点；以及当接收到发往多播组的多播消息时，连同该多播组的该多播LLID一起发送该多播消息，由此该多播消息通过该无源光耦合器在该下行方向上进行广播，以及由此属于该多播组的每个远程节点可以通过匹配该多播LLID来接收该多播消息。
22.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括允许远程节点加入或者离开该多播组。
23.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括向属于该多播组的远程节点分配该多播LLID。
24.根据权利要求23所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括在OAM帧中传送与该多播LLID分配相关的消息。
25.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括向远程节点分配单个的单播LLID。
26.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括接收来自远程节点的加入多播组的请求，以及响应于该请求向该远程节点分配相应的多播LLID。
27.根据权利要求26所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括在该远程节点已经成功地接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
28.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括在发现远程节点存在于该以太无源光网络中并且该远程节点属于多播组时，自动向该远程节点分配多播LLID。
29.根据权利要求28所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括在该远程节点已经成功接收到该多播LLID之后，接收来自该远程节点的确认。
30.根据权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中该方法进一步包括基于多播组形成虚拟局域网(VLAN)，其中该VALN内的每个远程节点能够通过发送具有该相应的多播LLID的消息，向VLAN内的每个其它远程节点进行广播，以及其中位于该VLAN外部的任何远程节点不能接收该消息。
全文摘要
本发明提供一种有助于在EPON中进行带宽有效多播的系统。该系统包括中央节点和至少一个远程节点。来自中央节点的下行数据通过无源光耦合器广播至远程节点。在另一个方向上，来自远程节点的上行数据通过无源耦合器以单播的方式传送至中央节点。在运行期间，系统首先选择通用多播LLID，以表示包括多播组的多个远程节点。在接收到发往多播组的多播消息时，系统连同多播组的多播LLID一起发送多播消息，由此多播消息通过无源光耦合器在下行方向上进行广播。这允许属于多播组的每个远程节点通过匹配多播LLID接收多播消息。
文档编号H04Q11/00GK1864433SQ200480028796
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年11月6日
发明者劳伦斯·D·戴维斯 申请人:泰克诺沃斯公司