在MPEG2网络上传输IP分组相关协议

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摘要  通信业务的IP化，一方面促使各种传输协议的研究者开始研究如何利用已有的传输协议来承载IP分组，另一面IP业务的提供者也研究如何将IP分组利用更多种类的传输方式传输出去以扩大IP分组的传输范围。本文将介绍在MPEG2网络上传输IP分组的相关协议。
一、概述
    “若您想了解一下通信网络和通信业务在人们生活中的地位和作用，试着过一段没有它的日子。”2006年末，台湾地区的一次地震，引起了跨太平洋海底光缆断裂，导致中国网民无法访问国际网站。人们重新考虑在进行国际IP业务时可能采用的除海底光缆外的其他传输手段。作为已经发展了多年的无线通信手段——卫星通信成为人们寄予希望的国际IP业务传输的可能替代方式。
    虽然由于卫星通信资源的价格和资源的有限性等问题的存在，但作为提供多点接收的广播或组播业务的传输网络，卫星通信有着非常大的优势。在通信业务不断IP化的进程中，不论是卫星技术的研究者还是IP业务的提供者均已经研究利用卫星网络传递IP数据分组或将IP数据分组承载在卫星网络之上的相关解决方案。目前卫星通信主要用于承载广播电视业务。随着电视、广播业务的数字化，MPEG2 TS（Transport Stream）相关技术逐渐成熟并得到了广泛应用。人们通常将利用MEPG2 TS方式传输业务的网络称为MPEG2网络。为此无论是ETSI还是IETF均将MPEG2网络作为扩展IP数据分组传输范围的一种网络，分别制定将IP数据分组封装在MPEG2 TS上的协议。本文将从MPEG2传输网络入手讨论IP数据分组在MPEG2网络上传输的框架协议。
二、MPEG2传输网络
    随着MPEG2相关技术的成熟，MPEG2 TS不仅仅被应用于提供数字广播电视业务，也被用于组建IP网络的子网技术。人们通常将利用MEPG2 TS方式传输业务的网络称为MPEG2网络。在IETF RFC 4259（A framework for transmission of IP datagram over MPEG-2 Networks）中介绍了MPEG2传输网络的如下应用场景：
    （1）电视和无线电广播信息的投递
    电视和无线电广播信息的投递场景的主要业务是数字电视和数字广播以及和它们相关的数据业务。这类网络通常包括两个部分：内容输入部分和广播部分。内容输入部分提供从一小部分单独的地点（通常是高质量的内容）到广播网络的网络集线器的通信。一般情况下，这部分的通信是需要加密的，同时在从网络的广播部分再次发送出去之前已经将内容信息处理好了。而网络的广播部分通常使用以网络集线器为中心向一些下游接收者传送的星形拓扑结构。尽管这类网络可以提供IP传输，但它们不必接入公用Internet。
    （2）作为ISP使用的广播网络
    另一种场景类似于上面所讲的广播网络，但这种场景包括提供接入到公用Internet的工P业务。这种情况下，相关的IP业务量与数字电视/广播内容无关，同时相关的业务由独立的运营者提供，包括单向的文件投递和双向的ISP接入。IP业务必须依附于用于广播传输的全系统规范，包括PID的分配以及合适的MPEG2控制信息的生成（例如DVB和ATSC SI表）。
    （3）单向星形IP场景
    单向星形IP场景利用网络集线器提供向中等数量的接收者投递共用比特流的数据网络。MPEG2传输技术为这种传输提供前进方向上的物理和链路层；由其他方式提供反馈链路（若需要）。IP业务构成该传输业务的主要部分。这类网络不必实现MPEG2的控制平面，如PSI/SI表等。
    （4）数据广播重叠网
    数据广播重叠网场景使用MPEG-2物理和链路层来提供单向组播之类的附加连接以补充现有的基于IP的Internet业务。这类网络包括到移动无线接收者的IP数据广播（MMUSIC-IMG）。
    （5）点对点链路
    使用一对支持MPEG-2物理层和链路层的发送和接收接口提供点对点的连接。通常情况下，发送者发送的信息由一个或一小部分接收者接收。这种情况的例子包括使用传送/接收DCB-S终端在使用BGP路由的ISP之间提供卫星链路。
    （6）双向IP网络
    双向IP网络是利用集线器工作站基于卫星和星形网络将共用比特流投递到中等数量的接收者。通过共用的空间接口提供双向服务，在前转方向上物理层和链路层上使用的传输技术是MPEG2，该技术也可以用于反向传输。这类系统也通常包括管理（共享的）反向链路能力的控制平面单元。具体的例子是DVB-RCS系统（ETSI-DVBRCS）。IP业务量构成传输业务量的主要组成部分。
    在第（1）到第（4）中的场景使用单向MPEG2传输网络。对于基于卫星的网络，这些场景具有星形拓扑结构，一个中心集线器向许多下行接收者提供业务。地面网络可以使用一些传输集线器，每一个集线器为特定的包含有一些接收者的覆盖区。
    从IP的角度看，业务通常是提供单向、组播或双向业务，这种情况需要一些补充的链路技术，例如调制解调器、本地多点分发业务（LMDS）、通用分组无线业务（GPRS），用来提供从接收者到Internet的反馈路由。在这种情况下，使用单向链路路由（UDLR）[RFC 3077]提供路由。
三、IP数据分组在MPEG2传输网络上的传输体系架构
    3.1　MPEG2协议栈
    图1给出了MPEG2协议栈的示意图。

图1　MPEG2 TS协议栈示意图

    从图1可以看出通过架构在各种传输线路上，MPEG2 TS可以用来封装各种类型的信息，包括数据、视频信息、音频信息以及IP数据分组等。当然也可以利用MPEG2 TS来组建纯IP子网络。从图中也可以看出，在利用MPEG2 TS传送IP数据分组时，需要将IP分组利用相应的封装协议，如AAL5、ULE或MPE进行封装，然后将封装后的信息通过MPEG2 TS的形式在相应的传送网络上传输。
    3.2　TS逻辑信道
    由于MPEG2 TS通常用于传输广播电视，而通信卫星资源的昂贵性决定了MPEG2 TS在传输信息时需要采用MPEG2传输复用器提供一系列并行信道，这些信道称为TS逻辑信道。每一个逻辑信道用特定的分组值来标识。与ATM的虚拟信道类似，在MPEG2 TS上使用了逻辑信道，而与ATM的虚拟信道不同的是。MPEG2 TS所使用的逻辑信道通常是组播信道，而不是点对点链接。同时对于MPEG2 TS逻辑信道不需要有标准的连接建立和相应的信令消息。
    3.3　复用和再复用
    在对TS逻辑信道进行复用时，允许复用器对已经复用后的信息进行再复用。在传输给端用户之前进行再复用。在进行再复用时对TS逻辑信道进行再编号。
    3.4　IP数据分组传输
    在MPEG2 TS传输复用设备上传输IP数据分组时，IP数据分组首先被投递到数据封装器（也称网关设备），在数据封装器通过在接收到的协议数据单元（如Ethernet帧或IP分组）上增加头和尾形成子网数据单元（SNDU）。然后将SNDU分装成一系列TS分组。
    在接收端，接收设备首先确认特定的复用设备（物理链路）以及TS的逻辑信道（逻辑信道的PID值）。通常采用一系列的MPEG2 TS逻辑信道来承载SNDU；因而，接收者必须接受采用一系列PID值发送的IP数据分组，然后重新组合每一个SNDU。
    3.5　利用MPEG2 TS网络支持传输的数据分组的种类
    随着IP网络和业务的发展，IP协议本身也在不断发展。目前被广泛使用的IP协议为IPv4协议，IPv6协议也逐渐成熟并在部分网络中使用，作为MPEG2 TS网络传输IP分组数据来讲，其关键技术在于如何将IP分组数据封装在MPEG2 TS上，因为从传输角度来讲，对于单播、组播、广播等方式来说，传输方式会有一些不同，需要在数据封装格式上有一些区分。为此对于利用MPEG2 TS网络传输IP分组数据来讲可将IP分组数据分成如下一些种类，在具体封装时需要采用不同的标记来实现。
     （1）IPv4单播分组，目的地是单一的端主机
     （2）IPv4广播分组，发送到IP网络中的所有端系统
     （3）IPv4组播分组
     （4）IPv6单播分组，目的地是单一的端主机
     （5）IPv4组播分组
     （6）具有IPv4/IPv6分组头压缩的分组（例如：RFC 2507，RFC 3095）
     （7）桥接Ethernet帧
     （8）其他网络协议分组协议（MPLS，其他可能的新协议）
四、数据封装协议
    4.1　对数据封装的需求
    上面已经谈到，在MPEG2网络上传输IP分组数据需要对IP数据分组进行标准的封装以便在接收端可以正确地进行解封装。所谓的封装通常是指在原有数据的前面增加封装头，而在原有数据后增加封装尾，如图2所示。封装头中需要包含信息的协议控制信息，如SNDU的长度、接收地址、复用信息、载荷类型、序号等。而封装尾需要包含数据完整性校验信息。因需要传输的数据类型和所采用的协议仍处于发展之中，在头端和尾端所考虑的控制信息对新协议而言可能会不足，为此在一些协议中可能需要增加附加的控制信息或填充信息，这些信息可以放置到尾部或尾部之后。

图2　为形成MPEG2载荷单元子网PDU（例如IPv4或IPv6分组）的封装

    协议控制信息主要用于区分所封装数据的相关信息供接收者处理，以及使用接收到的信息时使用。而数据之后的“尾”中所包含的检验信息主要是供接收端来验证接收数据的完整性以补充单向信息传输的不足。
    目前已经完成规范化的封装规范包括在RFC 4326中规定的ULE（Unidirectional Lightweight Encapsulation of IP Datagram over an MPEG2 Transport Stream（TS）），以及在ETSI EN 301 192（Digital Video Broadcasting（DVB）、DVB specification for data broadcasting）中规定的MPE（Multiple Protocol Encapsulation）。
    4.2　ULE数据封装协议
    ULE协议规定了单向轻量级封装协议，该协议支持在MPEG2 TS网络上的IPv4和IPv6网络业务。该封装也适用于其他协议和桥接Ethernet帧的传输。ULE提供了扩展头格式并规定了支持必备和选用的SNDU头的相关IANA注册，这样允许未来对协议扩展的同时可以实现后向兼容。特别地，不需执行扩展头的接收端可以安全地忽略扩展头或选择不执行扩展头。
    在RFC 4326中对ULE协议采用的SNDU格式以及扩展头进行了详细的规定，同时还规定了在封装设备和接收设备中所应进行的相应处理。
    4.3　MPE数据封装协议
    在ETSI EN 301 192中规定的MPE数据封装协议使用了传输IP分组的私有部分并使用类似于IEEE LAN/MAN标准（LLC）的封装。数据分组封装用于与私有数据的DSMCC部分格式相适应的数据报部分。一些接收设备可以使用相应的处理硬件来执行对接收设备上接收到的分组的处理。
    MPE是目前使用比较广泛的配置。考虑到现有设备的投资，在目前或未来的MPEG2传输网络中还会继续使用MPE。
五、小结
    IP业务给人们的工作和生活带来了巨大的便利，为此无论是用户、业务提供者还是网络提供者均希望IP业务可以承载在任何一种物理网络之上，以便扩大IP业务的覆盖面，增加网络的使用量。本文介绍了承载在MPEG2 TS之上的IP分组封装相关协议，这些协议的使用可将MPEG2 TS承载IP分组数据规范化。第2部分所介绍的几种MPEG2传输网络大多更适合于数据的组播传输，或为便于扩大IP网络范围在两个确定地点之间的点对点传输。在使用这些协议时需要更好地了解使用场合以及使用这些协议与采用其他方式之间的性能价格比。