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论文题目：基于局域网的流媒体组播系统的研究 专业：计算机应用技术 硕士生：李晓刚( 签名) 兰型塑竺2 指导教师：李海泉( 签名考封鹃货i 一 摘要 网络技术和通信技术在飞速发展的同时，多媒体信息的网络传播量也与日俱增。伴 随着流媒体技术的发展，出现了大量诸如高带宽需求的多媒体网络应用。与此同时一个 严峻的问题也摆在我们面前：音、视频媒体信息的网络服务使得现有的网络带宽被急剧 消耗。为解决这一问题，国内外学者提出很多方案，其中采取组播方式对流媒体进行网 络传输已成为首选方案。组播可以极大的节省网络带宽，提高网络数据的传送效率，并 且能够一定程度地解决网络拥塞问题。 本文通过对组播以及流媒体技术深入的研究，并针对现有流媒体传输系统中的不足， 提出具有一定改进的基于局域网的流媒体组播系统的设计思路。并使用基于u m l ( u i n f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ) 的统一开发过程( r u p ) 对系统进行设计，最后使用v i s u a l c + + 集成环境进行系统开发，开发过程涉及到s o c k e t 以及基于组件的程序开发方法 ( c o m p o n e n t b a s e d d e v e l o p m e n t ，c b d ) 。 系统创造性的实现了在流媒体组播系统中客户端的随即加入功能：通过设计合理的 缓冲区，服务器端可以模拟客户端的接收状况，以此进行流量控制，一定程度的减少控 制信息流量；通过对d i r e c t s h o w 体系结构的深入研究，设计改进的异步源过滤器( a s y n c s o u r c ef il t e r ) 使其具有了内存访问功能，以适应系统需求。 关键词：i p 组播流媒体1 d m r u p s o c k e t d i r e c t s h o w 组件过滤器 论文类型：基础研究 s u b j e c t ： s p e c i a l l y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a s t u d y o f t h e s t r e a m i n g m e d i am u l t i e a s t s y s t e mb a s e d o nl a n a p p h e a f i o no fc o m p u t e r s c i e n c e l i l i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n ds t r e a m i n gm e d i a , t h e t r a f f i co fm u l t i m e d i ah a si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y t h e r ea r em o r ea n dm o r em u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n so nn e t w o r kw h i c hc o n s u m eal o to fb a n d w i d t h s o ，t h ei n c r e a s eo fb a n d w i d t h c o n s u m p t i o nb e c o m e s as e r i o u sp r o b l e mw h i c hm u s tb er e s o l v e dc a r e f u l l y s c h o l a r sb r o u g h t f o r w a r dm a n yp l a n st or e s o l v et h i sp r o b l e m ，a n dt h ep l a nw h i c hu s ei pm u l f i c a s tt ot r a n s m i t s t r e a m i n gm e d i a h a sb e c a m e p r e f e r r e dp l a np r e s e n t l y m u l t i c a s t c a r ls a v em o r eb a n d w i d t ha n d i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yw h e n t r a n s m i t t i n gm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n m u l t i c a s tc 2 l r ia l s or e s o l v e c o n g e s t i o no n n e t w o r ka tac e r t a i ne x t e n t t h i sp a p e rc a r r i e do u ta ni m p r o v e ds t r e a m i n gm e d i am u l t i c a s ts y s t e mw h i c hb a s e do n l a n t h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r es t u d i e so fi pm u l t i c a s ta n ds t r e a m i n gm e d i a , a p p l y i n gt h er i j p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ) t od e s i g nt h es y s t e m ，d e v e l o p i n gt h es y s t e mi n v i s u a lc + + i n t e g r a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n ds t u d i e so f q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e 、o fm u k i c a s t t h e m e t h o d so fs o c k e tp r o g r a m m i n ga n dc b d ( c o m p o n e n tb a s e dd e v e l o p m e n t ) w e r ed i s c u s s e d i nd e v e l o p m e n t p r o c e s s t h es y s t e mh a ss o m ed e f i n i t ei m p r o v e m e n t s f i r s t i tp e r m i t sc l i e n th o s t sa d d i n gi nt h e m u l t i c a s tg r o u pa ta n ym o m e n t s e c o n d l y , s e r v e rh o s tc a r tt r a c kt h es p e c i a l l yd e s i g n e db u f f e r a n ds i m u l a t et h es t a t u so fc l i e n th o s t s d a t ar e c e p t i o n ，a n dp r o s e c u t ef l o wc o n t r o lo nt h eb a s i s o fs t a t u si n f o r m a t i o n t h i r d l y , a ni m p r o v e da s y n c h r o n o u ss o u r c ef i l t e r , w h i c hi sa c o m p o n e n t o f d i r e c t s h o w , i sd e s i g n e dt os u p p o r tm e m o r ya c c e s s i n g c l i e n th o s t sn e e dt h i sf i l t e rt or e a d s t r e a m i n gm e d i a d a t aa tr e a lt i m e k e y w o r d s ：i pm u l t i e a s t ，s t r e a m i n gm e d i a ，u m l ，r u p , s o c k e t ，d i r e c t s h o wc o m p o n e n t 。 f i l t e r t h e s h ：f u n d a m e n t s t u d y 学位论文创新性声明 y 6 0 5 5 1 1 本人声明所呈交的学位论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：) m ，j 子 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：日期：彬， r 7 疗 导师签名：至通日期：2 型鲣c ! 堡 笫一章绪论 第一章绪论 1 1 组播技术的研究意义以及目前的发展状况 网络技术和通信技术在飞速发展的同时，也增加了多媒体信息在网络上 的传播量。短短几年中，多媒体技术在网络中的应用与日俱增。伴随着流媒 体技术的发展，出现了大量诸如网络视频会议、v o d 视频点播、多媒体远程 教学等高带宽需求的多媒体网络应用。与此同时一个严峻的问题也摆在我们 面前：多媒体信息量的如此庞大使得现有的网络带宽被急剧消耗，尤其是在 具有音频、视频媒体信息的网络服务中，带宽问题显得更加突出。虽然当今 的通信技术已经可以提供相当高的带宽支持，但似乎总是不能满足多媒体通 信的需求。针对如何更有效的利用现有带宽，专家们提出了很多方案，大致 可以归纳为以下四种： 1 提高多媒体信息的编码压缩率。 2 服务器的分散和集群，以改变网络流量结构。 3 应用q o s 机制，把带宽分配给一部分用户。 4 采用i p 组播技术。 其中，采取i p 组播技术已成为首选方案。组播( 也称多播) 可以极大的 节省网络带宽，提高网络数据的传送效率，并且能够一定程度地解决网络拥 塞问题。 i p 组播是一种在网络传输层上采用u d p 协议进行的多点尽力传输。这 一描述具有两层含意。首先，它能够提供不同于广播的、有选择的一点对多 点的数据传输，在需要向多个接收端发送相同的数据时，比单点播放方式节 省带宽。第二，由于采用u d p 协议，所以它不提供传输质量的保证。组播 所具有的这些特点使得该项技术多应用于多媒体信息的传输。尤其是在流媒 体实时传输系统中。因为组播最突出的优点就是，减少数据冗余。而在实时 性较强的流媒体传输网络中，这种数据冗余不仅浪费了大量的网络带宽，还 会影响网络中其他应用的正常工作。 组播应用的研究在2 0 世纪9 0 年代初就已展开。在美国政府的帮助下， 研究者在很短的时间内就建成了第一个因特网组播主干( m b o n e ) d a r t n e t 。 西安石油大学硕士学位论文 它是一个由路由器互相连结且能够转发i p 组播信息的的小子网。到2 0 0 0 年 时在该m b o n e 上通告的路由器数量接近7 0 0 0 台，有迹象表明这种增长还在 继续，同时很多私人的m b o n e 也相继建立。但是要让互联网上的所有用户 都能够享受这项技术带来的好处还有一段距离。目前的条件还不能够满足组 播技术在互联网范围内的普遍应用，例如，不是所有的路由器都支持组播， 组播路由协议还不够完善，对组播路由转发协议还没有一个统一的标准。但 不少学者正致力于这方面的研究。目前有一个实验性的组播路由协议叫距离 矢量组播选路协议d v m r p ( d i s t a n c e v e c t o rm u k i c a s t r o u t i n gp r o t o c n ) i l l 组 播路由器使用d v m r p 在相互之间传送群组成员信息，使用这些信息来建立 路由。对于每个组播群组，路由器都为其生成一个选路树。当路由器收到一 个要发送的组播i p 数据报时，d v m r p 就将该数据拷贝到选路树的分支链路。 而对于互联网中存在不支持组播的路由器的问题，现在是使用一种称之为隧 道( m u l t i c a s t t u n n e l i n g ) 的技术。当分属于两个群组中的主机进行组播通信 时，每个群组的网关必须是支持组播的路由器。路由器通过执行m r o u t e d 程 序使用常规的i p 单播地址将组播数据报发送给隧道另一端的运行m r o u t e d 程 序的路由器。 除了以上的问题，组播作为一项新技术还有很多的缺陷需要研究并加以 改善。典型的问题有： 1 i p 组播使用u d p 这种不可靠传输协议所造成的信息包丢失从而影响 组播质量。这一问题的解决目前主要是通过在应用层上使用实时传输协议族 的r t p ( r e a l t i m et r a n s p o ap r o t o c n 来对数据进行封装，r t p 包头中的序号 和时间戳被用于了解发送端的时间信息，确定信息包的丢失情况，以及进行 信息包排序，音、视频同步操作。同时，发送端在控制端口周期性的用r t c p 信息包发送发送端报告( s r ) ，其内容包括用户名、信息包丢失数以及信号 抖动情况。接收端也要在控制端口发送包含有接收端报告( r r ) 的r t c p 信 息包。组成员可以利用这些信息进行发送调整。例如，在丢失包数量增大的 时候是否选用低质量编码的码流。 采取合理有效的质量适应机制也是提高组播质量的途径，它能够使得播 西安石油大学硕士学位论文 放具有更高的平滑性以达到一定的服务质量( q o s ) 保证。单流组播机制是 一种简单直观的组播机制。它只能提供最低的服务质量保证。重复流组播机 制是单流组播机制的一种扩展。该机制的基本思想是：发送方对单一视频数 据采取不同的压缩参数编码，不同的编码流对应不同的组播地址，接收方则 根据自身网络带宽条件，选择加入不同的组播组，以获得最佳服务质量。目 前研究较多的是视频分层编码及分层传输机制【2 j 。它是由s h a c h a m 等人提出 的。它是对重复流组播机制的在编码环节上的一种改善，而且很好的解决了 网络异构性的问题。这种机制是将发送方的原始视频数据编码为n 个层次， 第一层为基本层，可以独立译码，提供最低限度的质量。其他各个层称为增 强层，用以提高视频质量，而且每一层的译码必须依赖于底层的所有数据层。 发送方同时发送编码后的n 层数据流，每层数据流都对应有一个组播地址。 接收方根据自己的服务质量要求决定接收的层数。在将各层数据合并之后解 码，重构原始数据，层数越多，视频质量越高。 2 网络拥塞问题。这一问题也是由u d p 协议的无连接传输特性造成的。 它没有t c p 内建的阻塞避免机制，结果是组播有可能耗尽链路带宽或其他关 键的路由器资源。而就组播应用而言，多用于多媒体通信，组播不缺省使用 t c p 协议是因为t c p 的差错重传机制对于多媒体应用无多大的价值。所以一 般要求组播的数据源的速率不应超过网络带宽。 3 传统的组播不具备能够让组成员之间进行交互式的主动参与的机制。 也就是说，所有的使用者都是被动的接收者。利用h 3 2 3 国际标准中对会议 成员的管理技术，s a p ( s e s s i o na n n o u n c e m e n tp r o t o c a l ) 、s d p ( s e s s i o n d e s c r i p t i o np r o t o c a l ) 、r t c p 等协议的应用就可以使传统的i p 组播技术具有 交互功能。 综上所述，i p 组播作为一种正处于发展阶段的技术，还有许多问题有待 于解决，其实际应用也还不成熟。但由于其先进性，又是网络应用领域的研 究热点，包括组播路由协议在不断完善中；一些大的路由器生产厂商像c i s c o 3 c o r n 都在积极地进行组播路由器的新产品的研制与开发。其研究空间非常广 阔。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 基于组播的流媒体技术研究领域 目前组播技术的实际应用领域多为同流媒体技术相结合的实时视频、音 频的网络广播。流媒体( m e d i as t r e a m i n g ，或s t r e a m i n gm e d i a ) 是指在 i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术传输的连续时基媒体。如：音频、视频 或多媒体文件。流媒体实现的关键技术是流式传输，即边传边播。如果不使 用流媒体技术，网络上的多媒体文件要先将其从服务器端完全下载后才能播 放。一个典型的m p e g - 1 编码的视频节目，1 分钟的数据量大小为1 1 3 m b ， 用5 6 k b p s 的调制解调器至少要用2 7 分钟来完成下载。这极大地限制了人们 在网络上使用多媒体数据进行交流。流媒体技术完全解决了这一问题，其优 点就是：实时传输和实时播放，节省存储空间。 虽然流媒体技术发展时间不长，但各国对该技术的研究以及应用却是与 日俱增：在美国已经有三分之一的互联网用户使用流媒体业务，有近百家的 i s p 提供流媒体业务。在2 0 0 0 年已有4 0 亿左右的市场；在欧洲、亚洲等地 这样的用户也有一定的规模。在我国由予企业融资和资金聚集的要求，在一 两年内可达1 0 亿元左右的市场。有专家预测，网络流式媒体应用在美国2 0 0 4 年将达到2 1 0 亿美金的市场规模，比起1 9 9 9 年成长超过两倍随着流媒体技术 已经被广泛的应用于互联网信息服务的方方面面，例如，互联网多媒体新闻 发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、 网络电台、实时视频会议等。所以对流媒体技术的研究也极具现实意义。 流媒体的研究领域包括：流媒体编解码技术、流媒体服务器技术、端到 端( e n dt oe n d ) 流媒体技术和流媒体系统技术等。其中的流媒体的编解码技 术有：用于6 4 k b p s 视频传输的h 2 6 1 、面向1 5 m b p s 数字视频音频传输的 m p e g - 1 、高品质数字视频音频传输的m p e g 。2 以及适应低码率视频编码的 h 2 6 3 。到目前为止，最具有代表性的流媒体编解码技术是可扩展性编解码技 术f g s ( f i n eg r a n u l a rs c a l a b l e ) 和p f g s ( p r o g r e s s i v ef i n eg r a n u l a rs c a l a b l e ) 。 端到端流媒体技术用以解决在两个端系统之间传输的相关问题包括拥塞控制 策略、差错控制策略、速率整形( r a t es h a p i n g ) 等，其研究目标就是为了提 高流媒体应用的q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。 柏安石油火学硕十学位论文 基于组播的流媒体技术的应用也已相当广泛。国外很多公司、政府和大 学都提供网上视频广播服务，像y a h o o ，m u l t i c a s tt e c h n o l o g i e s ，n a s a ，u c s b 等。其中m u l t i c a s t t e c h n o l o g i e s 公司的网站o n t h e i 是目前世界上最大的在 互联网上采用组播技术提供广播服务的网站。该公司向具有组播接受能力的 用户提供高质量的音乐节目。同时，不具备组播接收能力的用户，则可以下 载特定的播放器收听该公司提供的1 6 0 k 音频流。 1 3 本文的研究目的以及所做工作 通过对国内某些以商品化的视频网络播放系统的比较研究表明，其中大 部分系统采用的是视频广播( b r o a d c a s t ) 的方式来进行资源共享，这将增加网 络中其他不准备接受该信息的主机的系统开销，而且客户端的随机收看问题 也未能很好的解决，一般是通过在客户主机开机后即运行系统的客户端程序 以等待服务器的视频流信息的方式来保证客户端视频的顺利播放，该方法并 非在真正意义上实现了客户端的随机收看。因此，对网络视频系统的进一步 研究有着积极的意义。 本文的研究目的主要是针对上述流媒体系统中的不足，设计并开发具有 一定改进的基于局域网的流媒体组播系统。 论文其间所做的工作主要为：在对i p 组播技术、流媒体技术进行了深入 研究的基础上，首先提出了一个较完整的局域网内的流式媒体组播系统的设 计思路，并使用基于u m l ( u i n f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 的统开发过程 ( r u p ) 对系统进行设计，最后使用v i s u a lc + + 集成环境进行系统开发，开 发过程涉及到s o c k e t 和基于d i r e c t s h o w 组件的程序开发方法，为适应系统需 求，对d i r e c t s h o w 的过滤器组件进行了深入地研究，设计了改进的异步源过 滤器。 在系统的设计过程中，针对出现的问题和难点提出了以下创新性的设计 思路，并加以实现： 1 通过使用m p e g 文件头，结合服务器端对客户端的媒体头请求的快速 响应，可以使得客户端随时加入随时收看。 2 通过设计合理的缓冲区，采用缓冲区模拟( 使用服务器端的缓冲区来 西安石油大学硕士学位论文 模拟客户端的接收缓冲区数据状态) 的方法进行流量控制。减少网络反馈信 息流量，并且一定程度得提高了系统的服务质量( q o s ) 。 3 对微软d i r e c t s h o w 提供的异步源过滤器( a s y n c s o u r c ef i l t e r ) 进行了 改进性设计，使其具有了内存访问功能，以适应系统客户端实时播放的需求。 本文共分为八章，从理论分析与研究到实际的方案设计与编码实现，从 底层协议到高层应用逐一叙述，详细讨论了基于局域网环境的流媒体组播系 统的设计开发全过程。各章论述的主要内容如下： 第一章：绪论，本章是在通过查阅大量的文献资料的基础上，论证了在 当今多媒体网络应用中，基于口组播的流媒体技术应用研究的现实意义。并 以此说明了本文的研究目的，以及论文期间的研究工作。 第二章：本章对i p 组播技术进行了的较全面地分析研究，包括组播地址、 组播地址到m a c 地址的映射、因特网组管理协议( i g m p ) 、组播路由及转 发，并对组播进行了正反两方面的讨论。 第三章：本章较全面地探讨了流媒体的基本概念、传输原理以及面向流 式传输的数据压缩编码技术。最后对流媒体的应用领域以及应用中所面临的 问题进行了分析。 第四章：本章对u m l 标准建模语言和基于u m l 语言的r a t i o n a l 统一开 发过程( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ) 进行讨论，初步确立本系统的开发过程。 在此基础上详细讨论了系统的分析和设计过程，对分析设计过程中建立的重 要模型以及工件( a r t i f a c t s ) 进行了描述和讨论。 第五章：本章主要讨论在v i s u a lc + + 集成环境下的系统实现。使用组播 的s o c k e t 编程方法，实现系统的组播功能。通过对d i r e c t s h o w 组件体系结构 的研究，设计改进的异步源过滤器，实现客户端对流媒体的实时回放。 第六章：本章首先讨论了在流媒体系统中，为实现一定的q o s 保障所采 用的技术，包括流媒体协议的应用( r t p r t c p ，r t s p ，r s v p ) 、可扩展性 编码技术的应用等。并且分析了目前研究较多的几种流媒体组播机制的优、 缺点，为后续研究打下基础。 第七章：本章讨论了系统的应用展望，以及系统的不足之处。为完善系 明安石油大学硕+ 学位论文 统提出进步研究的方向。 第八章：结论( 略) 。 图1 1 为本文的框架结构图 第二童t p 坌h 播技术 第二章i p 组播技术 i p 组播技术是本文所讨论的系统实现的两个主要技术支撑点之一。本章 将对组播技术进行较全面地研究与探讨。 2 1i p 组播简介 i p 组播的概念是s t e v ed e e r i n g 在研究一种被称为v s y s t e m 的分布式操作 系统时提出来的。于1 9 9 1 年1 2 月发表在他的论文在一种数据报网络里的 组播中，并最终定义在i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e 因特网工程部) 的r f c l l l 2 文档中。 传统的i p 通信方式分为：1 p 单播和i p 广播。口单播是指：由源口主机 向指定的单一的e l 标i p 主机发送信息包，此时i p 信息包的地址就是此目标 主机的i p 地址。如果该信息包要通过路由器路由转发，那么将会使用源主机 和目标主机之间路径上的每一个路由器的单播路由信息库( r i b ) 进行路由 选择。而四广播方式是指：源主机向一个网络段中的所有i p 主机发送信息 包。i p 广播包中的目标地址的主机部分被设置成全1 ，网络部分设置成该网 段的子网地址。通常情况下，i p 主机和路由器能够识别以i p 广播地址作为 目标地址的信息包，子网中的所有p 主机都将会接受这个信息包。除非特别 配置，路由器一般不会转发i p 广播信息，因此，i p 广播通信通常都被限制 在本地的予网内。由此可见，如果主机要想发送i p 组到非本地子网的其他主 机，i p 广播是没有能力办到的。 i p 组播是一种介于i p 单播和i p 广播之间，并且能使主机发送i p 信息包 到i p 网络任何一组主机的技术。为此，将i p 组播地址规定成一类特殊形式 的地址，称之为i p 组播组地址。一个组播组中的所有成员拥有同一个i p 组 播地址，某一个主机发出的组播消息会被该组播组内所有成员所接收。因为 采用组播方式只需要发送信息包的一个拷贝就可以让组播组内的所有主机都 接收到，所以有效地节省了网络带宽。图2 1 显示了当一个网路公司提供 8 k b p s 数据流的音频、1 2 0 k b p s 的视频流实时播放服务时，随着用户数量的增 加，采用单播方式和组播方式所需带宽的差别。 蹦安i i 油大学硕士学位论文 2 04 06 08 0l o o1 2 0 用户数( 个) 一一一单播 一组播 幽2 - 1 单插与组播的带宽需求 2 2i p 组播地址与到m a c 地址的映射 因特网赋号管理局i a n a ( i n t e m e t a s s i g n e d n u m b e r s a u t h o r i t y ，i a n a ) 控制着互联网上i p 组播地址的分配。由于地址空间的有限，i a n a 通常不会 给新的应用分配单独的i p 组播地址，除非这种应用有很好的技术支持。而它 更倾向于为特定的网络协议的使用确定单独的i p 组播地址。也就是说，整个 互联网上必须以动态的、合作的方式共享i p 组播地址段，如同动态主机配置 协议模式那样，当地址不再使用时，释放给其他人使用。 组播地址在i p 地址划分中为d 类地址，其值介于2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 之间。并将d 类地址进一步划分为局部链接组播地址、预留 组播地址和管理权限组播地址。 ( 1 ) 局部链接组播地址：用于局域网，路由器不转发此范围的地址，其 地址范围为2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 。 ( 2 ) 预留组播地址：用于全球范围或网络协议，其地址范围为2 2 4 0 1 o 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 ( 3 ) 管理权限组播地址：组织内部使用，用于限制组播范围，其地址范 围为2 3 9 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。 一、以太网组播m a c 地址的映射 i e e e 8 0 2 ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s 电器和电子工程 2 o 8 6 4 2 宽秘 带m 亘窒至垄盔堂堡主堂堡丝苎 师协会，i e e e ) 标准规定m a c 地址的8 位组o c t e t 0 的b i t0 位指明了目标地 址是广播组播地址，或者是单播地址。如图2 - 2 。 o c t e t oo c t e t l o c t e t 2o c t e t 3 o c t e t 4o c t e t 5 图2 - 2 i e e e8 0 2 3 m a c 地址 如果此位被置1 ，那么m a c 的帧，既可以被定义为任意的主机组的帧， 也可以被定义为网络的所有主机可接收的帧( 如果m a c 目标地址是广播地 址，则为o x f f f f f f f f f f f f ) 。第2 层口组播利用此功能传送i p 组播信息 包到局域网段的组播组成员。就以太网而言，i p 组播帧都是用以 0 x 0 1 0 0 5 e x x x x x x 的2 5 位前缀开始的m a c 层地址。剩余的2 3 位用来映射 i p 地址，因为i p 组播地址的前4 位是固定的( d 类地址前缀1 1 1 0 ) ，所以要 用m a c 的后2 3 位对应i p 地址的后2 8 位，使得有5 位丢失。这就意味着当 第3 层i p 地址映射成第2 层m a c 地址时导致3 2 ：1 的地址不明确，每一个 i e e e 组播m a c 地址能表示3 2 个i p 组播地址。如图2 - 3 所示。 3 2 位 1 0 卜鬻l i 川i 卸性 1；2 3 9 2 5 5 0 1 | 0 1 o p 5 e 7 f 。0 0 0 1 2 5 位前缀 ： z 3 位 ii il 一 一 5 位地址不明确 图2 - 3i p 组播地址到以太网f d d im a c 地址的映射 1 0 曲安“油入学硕十学位论文 二、f d d i 组播m a c 地址映射 因为f d d i ( f i b e r d i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e 光纤分布式数据接口，f d d i ) 规范的m a c 地址和i e e e 8 0 2 标准的m a c 地址有相同的格式，所以i p 组 播地址到f d d im a c 地址的映射与以太网使用的是同一种方法，差别仅仅在 于f d d i 的8 位一组序列顺序是低位先发，而以太网是高位先发。由于先发 的8 位一组的序列中分别是高位和低位，所以称这两种位序为低位优先和高 位优先。如果使用网络探测器或相似的设备在f d d i 环上查看组播帧，将会 发现位的顺序发生了反转，即以太网上的m a c 地址0 x 0 1 0 0 5 e x x x x x x 在 f d d i 上变成0 x 8 0 0 0 7 a x x x x x x 。而以太网的高位优先格式又被称为i e e e m a c 地址的标准格式。 2 3 因特网组管理协议i g m p 参与组播的所有计算机可能同处于一个局域网上，或者分布于一个广域 网中，加入某一个组播组的所有计算机构成一个计算机组，称为主机组( h o s t g r o u p ) 。设计i g m p 是为了帮助组播路由器识别在局域网中的一些主机，而 这些主机是一个组播组的成员。i g m p 协议是t c p i p 协议族中管理组播的重 要协议。 一、i g m p 报文格式及封装 i g m p 报文分两种类型：查询和报告。查询报文是由路由器发送到主机， 通过该报文获得主机组成员的情况。为了确定在子网上的任何一台主机是否 加入了某个组播组，每个子网上的路由器，都要周期性地向l a n 上的所有 终端主机发送一个主机成员查询信息，要求它们汇报主机组成员的情况，这 个查询会被送到所有主机组( 网络地址为2 2 4 0 0 1 ) 。每台主机都会向路由器 回送一个主机成员报告信息，称为报告报文。通过使用i g m p 报文，可以确 定是否要把组播组数据发送到该子网中。i g m p 第一版报文格式如图2 - 4 ： 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 4i g m p 第一版报文格式 报文共8 字节，被分为了4 个字段( 实际为5 个字段，其中有一个字段 保留未使用) ，分别为：版本4 比特4 比特，l 为查询报文，2 为报告报文； 效验和1 6 比特，它对整个8 字节进行效验和计算；组地址3 2 比特。 i q v 妒报文封装于i p 数据包中，协议值为2 。查询报文使用组播地址 2 2 4 0 0 1 。报告报文也使用组播地址，使用的目的地址为被报告的组播组的 地址，因此该报文也会被这个组中的其他主机成员收到。于是，该组播组的 其他主机将不会对于此次查询再发送任何i g m p 报告报文，可以有效避免过 多的i g m p 报告造成的网络拥塞。通过将封装了i g m p 报文的i p 数据包的 t t l 值设置为l ，保证该i p 数据包不会被路由器发送到局域网之外，否则会 同路由器与路由器之间的i g m p 报文混淆。 二、局域网中的i g m p 1 加入组播组。每一个主机都要维持一个组内成员进程表。当一个进程 要加入到一个新的组播组时就会向主机发送请求。该主机就在它的表中增加 该进程的名字和所请求的组播组的名字。只有该请求是这个组播组的第一个 成员关系的请求，这个主机才会向组播路由器发送i g m p 报告报文。换言之， 主机只为某一个组播组的成员关系发送一次报告。 2 监视组成员关系。该工作是由组播路由器完成，路由器通过周期性的 向组播地址2 2 4 0 0 1 ( 局域网中的所有主机) 发送i g m p 查询报文，用以确 定整个局域网中每一个组播组是否还有成员想要继续保持在该组播组中的成 员关系。每一个组播组都要向路由器报告一个i g m p 报文。 3 继续成员关系。当主机收到一个i g m p 查询就会检查其所维护的组内 成员进程表，对于至少有一个进程要继续其成员关系的组播组，主机都要发 送一个回应报告，即i g m p 报告报文。但每一个组播组只发送一个报文，如 堕窒鱼垫丛堂堡主堂堡堡塞 何保证每个组播组回应查询的i g m p 报告只发送一次由i g m p 软件内部定时 器机制来完成。 4 离开组播组。当主机收到查询，并发现某一个组播组已经没有任何进 程成员，它将不发送任何关于该组播组的报告。若局域网中没有任何一个主 机发送关于该组播组的查询回应报告，则经过一段时间后，路由器从它的组 播地址表中删除该组播组地址。 三、互联网中i g m p 协议的应用 当i g m p 协议应用于组播分布树中时，每一个路由器在跟它的上游网络 路由器和下游网络路由器通信中所扮演的角色是不一样的。它要以一个组播 组中的主机的身份向它的上游路由器报告i g m p 查询，同时向它的下游网络 中的路由器发送i g m p 查询报文。 2 4 组播的转发与路由 为了向所有接收站点传递组播信息，组播分布树被用来描述i p 组播在网 络里经过的路径。它的最简单的形式是有源树，有源树的根是组播信息流的 来源，有源树的分支形成了通过网络到达接收站点的分布树。因为有源树以 最短的路径贯穿网络，所以它也经常被称为最短路径树( s p t ) 。 与有源树使用“根”作为信息来源不同，共享树允许不同的组播组使用 网络上的单一的“根”作为组播信息的转发点，这个“根”通常由某个路由 器来担任，并被称为汇合点( i 冲) 或核心，因此共享树也被称为r p 树( r p t ) 或有核树( c b t ) 。 在组播模型中，源主机要向i p 信息包目标地址段内组播组地址所表示的 任意主机传送信息，组播路由器不能把是否转发的决定建立在信息包的目标 地址字段上。路由器必须在它的多个外部接口上存放组播信息包，以便能将 信息包转发到所有接收站点。因为，一个组播组内的主机可能是分布于多个 局域网或互联网上的。大多数的组播路由协议中使用了逆向路径转发( r p f ) 的概念，由组播路由器对组播信息进行r p f 检查以决定是否转发或丢弃组播 信息包。 r p f 检查机制运行如下： 西安石油大学硕士学位论文 1 路由器检查到达的组播信息包的源地址，以决定此信息包经过的是什 么接口这些接口是否在从源到此的路径上。 2 如果信息包是在可以返回到源地址的接口上到达，则r p t 检查成功， 且信息包被转发。 3 如果r p t 检查失败，就放弃信息包。 i p 组播信息包中t t l 阀值可用于组播路由器的各个接口以决定是否将 组播信息包在该接口上进行转发。p 组播信息包每经过路由器转发一次都会 将其中的r r l ，阀值减1 ，如果在路由器的每个接口上都设置一个r r l 一阀值， 路由器就可以确保只有在信息包中的t t l 阀值大于该接口的r r l 阀值时该 信息包才会被转发。 2 5 组播的正、反面讨论 i p 组播系统最大的优点就是有效的节省带宽。如果使用口单播方式对 1 0 0 0 0 个用户实时传输8 k b p s 谈话节目数据流的话，对于带宽的需求量将是 1 0 0 0 0 x 8 k b p s = 8 0 m b p s 。而对于象m p e g 2 这样的典型视频流，其需要大约 1 5 m b p s 的带宽用于流畅且逼真的映像，仍然采用i p 单播方式对1 0 0 0 0 用户 进行实时传输是不可能的。但是采用i p 组播的方式是可行的，因为在一个网 络内部，一个组播组的所有成员主机接受的是该数据包的同一份拷贝。与此 同时，其优点还表现在：减低了服务器以及路由器的负载。 i p 组播同样也存在缺陷。主要表现在以下几点：不可靠的信息包传递、 信息包副本以及网络阻塞。不可靠传输是因为i p 组播信息包使用的是用户数 据报协议( u d p ) ，它是一种尽力而为的协议。除非信息包的丢失是可接受 的，否则就要在应用层或u d p 之上进行一定的处理。网络阻塞的原因是因 为u d p 协议不具备像t c p 协议具有内建的阻塞避免机制，当一个在只有 2 5 6 k b p s 带宽的网络中的主机企图加入到一个5 0 0 k b p s 的组播组时，将使得 2 5 6 k b p s 线路完全阻塞。通过组播流量管理机制，可以避免因为组播占用过 量的带宽，而影响到现有的单播应用。但是在个流量波动较大的网络环路 中，如何使得组播所占用带宽能够随着网络流量的变动进行自适应的调节， 而不至于引起网络的阻塞也是现今组播研究的问题之一。 第三章流媒体技术与应用 第三章流媒体技术与应用 本文讨论的组播系统是对针对流媒体的传输系统。流媒体由于其所具有 的实时性以及在传输过程占用空间小等特性，为网络的音、视频传输提供了 有力的支持 7 1 。本章将对流媒体技术的概念及原理、传输协议、流媒体的编 解码技术进行讨论。 3 1 流媒体及流式传输 流媒体是指在i n t e m e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术传输的连续时基媒 体，例如音频、视频或多媒体文件等。 流式传输是对通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。主要是 指通过i n t e r n e t 将影视节目传送到p c 机。流式传输时，声音、影像或动画 等时基媒体由音视频服务器向用户计算机的连续、实时传送，用户不必等到 整个文件全部下载完毕才播放，而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进 行观看。当声音等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从 服务器内继续下载。流式传输不仅使媒体文件播放的启动延时成十倍、百倍 地缩短，而且不需要太大的存储空间来存放媒体文件。流式传输避免了用户 必须等待整个文件全部从i n t e m e t 上下载才能观看的缺点。流式传输正是流 媒体实现的关键。 流式传输的实现需要缓存。因为i m e m e t 以包传输为基础进行断续的异 步传输，对一个实时a v 源或存储的a v 文件，在传输中它们要被分解为许 多包，由于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客 户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓 存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数 据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所 需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据，通过丢弃已经 播放的内容，可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 流式传输有两种模式：顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 和实时流 式传输( r e a l t i m e s t r e a m i n g ) 。 1 顺序流式传输。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可 西安石油大学硕士学位论文 观看在线媒体。在给定时刻，用