（信号与信息处理专业论文）基于流媒体的可靠组播的研究与应用.pdf

ab s tr act wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e 1 p m u l t i c a s t t e c h n o l o g y , t h e s t r e a m m e d i a a p p li c a t i o n a l s o g e t s m o r e a n d m o r e w i d e s p r e a d . h o w e v e r , t h e r e a l - t i m e a p p li c a t i o n s o f s t r e a m m e d i a h a v e 此 c h a r a c t e r i s t i c s t h a t d a t a q u a n t i ty i s b i g , t h e d e t e n t i o n a n d t h e v i b r a t i o n a re h i g h , s o t h a t t h e s t r e a m me d i a 山妞o f t e n h a s b u r s t l o s s . mo r e o v e r , 比. i p m u l t i c a s t i n h e r e n t h a s 山 e t r a n s m i s s i o n mo d e o f d o e s e v e r y t h i n g p os s i b l e . t b e r e f m e , t h e 正m u l t i c a s t a 即l i c a t i o n o f t h e s t r e a m m e d i a i s u n a b l e t o g u a r a n t e e t h e re l i a b i l i ty o f t h e d a t a t r a n s m i s s i o n , s o t h a t t h e f e e l i n g v i e w q u a l i ty o f t h e s t r e a m m e d i a i s a f f e c t e d s e r i o u s l y b y t h e m e d i a w h i c h re t u r n s . t h u s , t h e re l i a b i l i ty o f t h e s t r e a m m e d i a r e a l - t i m e a p p l i c a t i o n i s a n u r g e n t q u e s t i o n t o s o l u t e . t h i s a r t i c l e m a i n l y i s t o t h e s t r e a m m e d i a c h a r a c te r i s t i c a n d t h e l i m i t a t i o n o f t h e b m u l t i c a s t , 血 re l i a b i l i ty o f t h e i p m u l t i c a s t g e t s t o b e f u r t h e r r e s e a r c h e d . t h e f o ll o w i n g is m a i n l y s e v e r a l p o i n t s : f i r s t , 山 e c h a r a c te r i s t i c o f 咖 re l i a b l e m u l t i c a s t t h e e s s e n t i a l re l i a b i l i ty m u l t i c a s t t e c h n o l o g i e s w e re r e s e a r c h e d s u c h a s d a t a m i s s i n g a n d e x a m i n a t i o n , f e e d b a c k , r e - tr a n s m i t a n d d a t a re l i a b i li t y , 山 e n t h e re l i a b l e m u l t i c a s t p ro t o col s i s a n a l y z i e d d e t a i l e d l y , w h o s e g o o d a n d b a d p o i n t s w e re c a r r i e d o n d e t a i l e d c o m p a n i o n s . t h u s i t l a y s t h e s o li d f o u n d a t i o n f o r t h e re l i a b l e m e c h a n i s m i n t h e 山i d c h a p t e r . s e c o n 氏t h e re l i a b l e m u l t i c a s t c o n t ro l m e c h a n i s m i s p ro p o s e d p r i m a r i l y , t h e e x i s t i n g c o n t r o l m e c h a n i s m s w e re s tu d i e d s u c h a s t h e e r ro r c o r r e c t i o n c o d e w a y , t h e a u t o m a t i c re - t r a n s m i t f e e d b a c k w a y a s w e ll a s血 m i x e r ro r c o n t ro l m e c h a n i s ms, w h o s e g o o d a n d b a d p o i n t s w e re c a r r i e d o n c o m p a r a t i v e a n a l y s i s . a c c o r d i n g t o 血 s t r e a m m e d i a d a t a w h i c h h a s b u r s t l o s s c h a r a c te r i s t i c , t h e i n t e r w e a v e c o d . t e c h n o l o g y i s p ro p o s t 峨 a n d i t s p r i n c i p l e w a s e x o a t i a t e d o n d e t a i l e d l y . t h e n , t h e e n t i a o f t h e m i x m i s t a k e c o n t ro l w a y a n d i n t e r w e a v e s c o d e t e c h n o l o g y m e c h a n i s m w a s p ro p o s e d n e x t , a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f n e t w o r k c o n g e s t i o n a n d i p m u l t i c a s t i t s e l f , t h e e x t e n s i o n o f t h e con g e s t i o n c o n t ro l p ro t o c o l m e c h a n i s m a n d t c p - f r i e n d l y f a i m e s s c h a r a c t e r i s t i c w e re s t u d i e d , t h e p r e d e c e s s o r s c o n g e s t i o n c o n t ro l m e t h o d s w e re a n a h z e d , t h e i m p r o v e d c o n g e s t i o n c o n t ro l m e c h a n i s m o f re l i a b l e m u l t i c a s t b a s e d o n t h e s e n t r a t e s i s p r o p o s e d . t b i r d , 山 e re li a b l e m u l t i c a s t s y s t e m o f t h e s t re a m m e d i a w a s d e s i g n e d a n d re a l i z e d . ab s t r acr a c c o r d 吨 t o t h e e r r o r c o n t r o l m e c h a n i s m a n d t h e c o n g e s t i o n c o n t ro l m e c h a n i s m w h i c h p ro p o s e d a c cor d 吨 t o t h e t h i r d c h a p t e r , t h e r e l i a b l e m u l t i c a s t s y s t e m f r a m e o f t h e s t r e a m m e d i a i s d e s i g n e d s e p a r a t e l y f r o m t h e o v e r a ll , t h e s e r v e r a n d t h e c l i e n t i n 阮 f o u r t h c h a p t e r . a n d f ro m t h e m o d u l e f u n c t i o n a n g l e , t h e r e l i a b l e m u l t i c a s t s y s t e m s o f t w a r e i s d e v e l o p e d a n d t e s t e d血t h e w i n d o w s p l a t f o r m u s i n g v + + . k e y wo r d s : r e li a b l e m u l t i c a 斌 s t r e a m me d i a ; e r r o r c o m e b a c k ; c o n g e s t i o n c o n t r o l ; i n t e r w e a v e s c o d e t e c h n o l o g y 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中 特别加以 标注和致谢的地方外，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 j胜到迷色或 其 他 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) : ff a i 签 字 日 期 : 7h 0 了 年 月is 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位论 文 作 者 完 全了 解通 昌达 溃 色有 关 保留 、 使 用 学 位论 文的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅 。 本 人 授 权 直星人堂可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有关 数 据 库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ( 手写):1 1 4 导 师 签 名 。手 写 ):备 !。 h ix . 签字日期:坷年 月 才日 签 字 日 期 : 川 年 月 ) 儿 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 第 1 章绪论 第 1 章 绪论 1 . 1研究背景 随着i n t e r n e t 的 迅猛发展和普及， 流媒体业务变得日益广泛， 如: 远程教育、 视频点播( v o w、 互联网直播以及视频会议等。 为保证流媒体通信的服务质量， 组播成为流媒体通信中最常用的传输方式。然而组播通信只提供尽力而为、无 连接的服务，不能保证数据的可靠传输。因此，本文针对流媒体实时应用特点， 探究可靠组播的可靠性保障机制，设计可靠组播系统，实现流媒体实时应用业 务的可靠组播传输。 针对流媒体业务的实时性应用问题，人们提出了各种方案来解决，归纳起 来，主要有以下四种: 1 )增加互连网带宽; z )服务器的分散与集群，以改变网络流量结构，减轻主千网的瓶颈: 3 )应用q g s ( 服务质量) 机制，把带宽分配给一部分应用; 4 )采用)p 组 播 ( m u l t i c a s t ) 技术. 比 较而言， e p 组播技术具有其独特的 优越性一 在组播网络中， 即使用户数 t成倍增长，主干带宽也不需要随之增加。因此，组播技术成为当前网络技术 中的研究热点之一。 i p 组 播( m u l ti c a s t ) 技 术 il l是 一 种 允 许 一 个 或 多 个 发 送 者( 即 组 播 源 ) 发 送 单一的数据包到多个接收者( 一次的，同时的) 的网络技术。组播源把数据包发 送 到 特定 组 播组( m u l t i c a s t g r o u p ) ， 只 有属于 该 组 播组的 地址 才能 接收 到 数 据 包。可见，组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目 标地址， 在整 个网 络的 任何一条链路上只传送单一的数据包。图 1就是单播、组播和广播的 传输图， 通过比 较可知，组播大大节省了网 络带宽、减轻了 服务器的负担以 及 节省了非接收者的开销。 第 1 章绪论 明显，已 经成为组播发展的瓶颈之一。实现公平、有效和可扩展的拥塞控制机 制，是本文要探讨的主要问题。 实时流媒体可以分为非交互式实时连续流和交互式实时连续流，本文研究 的主要是非交互式实时连续流。在非交互式实时连续流应用中，数据丢失对整 个播放质量的影响远远大于传输延迟的影响。因此必须研究有效的差错恢复机 制和拥塞控制机制来保障数据的可靠传输。针对目前网络教育的需要和实时流 媒体应用质量低下的状况，本文探究了可靠组播的差错恢复机制和拥塞控制机 制， 提出 采用联合差 错恢复 ( h e c ) 机制和交织( i n t e r w e a v e ) 编码技术 相结 合 的有效差错恢复机制以及自 适应网络的速率拥塞控制机制来实现流媒体数据的 可靠组播传输， 以 保证视/ 音频数据的传输质量。 同时， 采用本文所提出的机制， 有效地降低了数据流的丢失率，保障了终端的公平性;减少了网络的运营开销。 论文的内容主要包括四部分: 1 )详细地介绍了流媒体、可靠组播、t c p / u d p协议、wi n s o c k编程以及 d i r e c t s h o w 等流媒体可靠组播相关技术。 2 )研究了 三种差错控制方法: 自 动重传 ( a r q ) 机制、 前向 纠错编码 ( f e c ) 和联合差错控制( h e c ) 机制， 详细阐 述了 交织( i n t e r w e a v e ) 编码技术， 将 h e c和 i n t e r w e a v e相结合， 有效地实现流媒体数据流组播的差错恢复， 从而保 障了视/ 音频数据的传输质量。 3 )通过分析网络拥塞原因，研究可靠组播的拥塞控制机制，提出了自 适应 网络速率的可靠组播拥塞控制机制，实现流媒体数据的可靠组播传输。 4 )基于探究的可靠组播的差错控制机制和拥塞控制机制，设计并实现了视 频可靠组播系统，对该系统进行了测试，最后对测试结果进行了详细的分析。 1 . 3论文结构 本文的组织结构如下: 第一章 绪论:介绍了论文的研究背景、研究目 标和内 容以及论文的组织结 构。 第二章 流媒体可靠组播相关技术:对ip组播、可靠组播、流媒体以及 d i r e c t s h o w技术等相关内容进行了详细的分析和探讨。 第三章 可靠组播控制机制的探究:对可靠组播的差错控制机制和拥塞控制 第 1 童绪论 机制 进 行了 探究， 提出了 联 合纠 错( i, ) 技术和 交织 ( i n t e r w e a v e ) 编 码技 术相结合的可靠差错恢复机制:通过分析和研究可靠组播拥塞控制机制， 提出 了自 适应网络的速率拥塞控制机制。 第四 章 视频可 靠组播系统的设计和实 现:通过分析系统功能需求， 选取了 有效的差错控制机制和拥塞控制机制，设计了 视频可靠组播系统的总体架构以 及模块结构。同时，从系统模块功能的角度将系统得以具体实现。 第五章 系统测试与结果分析，对整个系统进行了 测试，并对其测试结果进 行了详细的分析。 第六章 结束与展望， 对论文所做的工作进行了总结，并对下一步工作提出 了展望。 第2 章 流媒休可韶组播相关技术 第二章 流媒体可靠组播相关技术 要实现流媒体流畅的播放，就必须保证流媒体数据的可靠传输，本章节主 要讨论流媒体可靠组播的相关技术: 流媒体、 可靠组播、 t c p / u d p 协议、 wi n s o c k 编程以及d i r e c t s h o w等技术。 2 . 1 流媒体传输 流媒体1 2 1是指在互联网 上以 数据流的方式实时发 布声 音、 视频多 媒体内 容的 媒体。而流媒体技术就是采用流式传输方式，把连续的视频和声音信息经过压 缩处理后放到网络服务器上，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整 个压缩文件下载到自己 机器后才可以观看的网络传输技术。该技术先在使用者 的电脑上创建一个缓冲区，在播放前预先下载一段资料作为缓冲。当网络实际 数据接收速度小于播放所耗用资源的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲 区内的资料，避免播放的中断，使播放品质得以维持。由此可知，流媒体传输 的特点是数据量大、实时性强、严格要求同步且保证服务质量，同时对传输延 迟或抖动的要求很高。 流媒体实现的关键技术是流式传输。流式传输主要是指通过网络传送媒体 ( 如视频、音频) 技术，这里是指通过i n t e r n e t 将多媒体课件传送到p c 机上。流 式传输时，声音、影像或动画等媒体由音频、视频服务器向用户计算机连续、 实时传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或数十秒的 启动延时即可进行观看。当声音等媒体在客户机上播放时， 文件的剩余部分将 在后台从服务器上继续下载，这不仅使启动延时成数十倍地缩短，而且不需要 太大的缓存容量，极大地弥补了用户播放端占用存储资源的缺点。 实 现流式传输有两种方 法: 顺序流式传输 ( p ro g r e s s i v e s t r e a m in 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 ) 。 采用哪种方法， 依赖于 用户的具 体需 求。 ( 1 ) 顺序流式 传输( p ro g r e s s i v e s t r e a m i n g ) 顺序流式传输(3 是 顺序下载， 在下载文 件的同 时 用户 可以 观看 在线媒体， 在 特定时刻用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分，它不能 根据用户的连接速度做调整。顺序流式传输基于h t 协议，用标准的w e b 服 第z 章 流媒体可靠组擂相关技术 务器就可以实现顺序流服务。 由于顺序流传输在播放前观看的部分是无损下载的，因此可以 保证播放的 最终质量， 但是用户在观看前必须经历较长的延迟。顺序流式传输比 较适合于 高质量的短片段， 如片头、 广告等， 而不适合于长片段和有随机访问要求的视 频。 ( 2 ) 实时 流式 传 输( r e a l - t i m e s t r e a m i n g ) 实 时 流式传 输q 基 于实 时 流 协议m p ( r e a l m i m e s t r e a m i n g p ro t o c o l ) . 实 时 流传输需要专门的 流媒体服务器支持与传输协议，并且要以 一定的速率持续传 送。另外流媒体服务器可以 根据网络状况，调整发送速率，实现智能流传输。 实时流式传输总是实时传送， 特别适合现场事件，也支持随机访问，可快 进或后退以观看前面或后面的内 容。它比 较适合于播放较长时间的片段时，如 讲座、发言和电 影等。 但是，实时流传输必须匹配连接带宽，因此在低速链接 时图像质量较差。而且，由 于出 错和丢失的数据被忽略，当网络出 现拥塞时， 视频质量特别差。 2 . 2流媒体实时传输协议 原有的t c p / i p 协议不提供实时应用的有效支持， 如实时传输、 服务质量等。 针对这些问 题， 人们提出了 一些高 层协议， 如: 实时流传输协议r t p ( r e a l - t i m e t r a n s p o rt p ro t o c o l ) 、实时 流控 制协议r t c p ( r e a l - t i m e c o n t ro l p r o t o c o l ) 、资 源 预留 协议r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l )以 及实时流放协议r t s p ( r e a l - t i m e s t r e a m i n g p r o t o c o l ) 等， 下 面简 单 介绍r 7 ， 和r t c ，流 媒体 传 输协 议。 2 . 2 . 1 r t p协议 r t p ( r e a l - t i =m e t r a n s p o rt p r o t o c o l ) 协议 最初是 在7 0 年代为了 尝 试传 输声 音文件，把包分成几部分用来传输语音，时间标志和队列号而发明的。经过一 系列发展，r i ?的第一个版本在1 9 9 1 年8 月由美国的一个实验室发布了。 在文献i 叼 中， r t p被定义为 传输音频、 视频、 模拟数据等实时 数据的 传输 协议。 r i t 4 -7 1 是一种提供端对端传输服务的实时传输协议， 用来支持在单目 标 第2 童 流媒体可命组播相关技术 广播和多目 标广播网络服务中传输实时数据， 而实时数据的传输则由r t c p 协议 用来监视和控制。最初设计是为了数据传输的组播，当 然也可用于单播。与传 统的注重高可靠数据传输的传输层协议相比，它更加侧重于数据传输的实时性。 此协议提供的服务包括时间载量标识、数据序列、时戮、传输控制等。通过这 些工作， 应用程序就可利用r t p 协议的数据信息保证流数据的同步和实时传输。 在r f c 1 8 8 9 文档0 中 定 义了up 信 息包， 它 包含了 有效 载荷 类型 ( p a y l o a d t y p e ) - 顺序号( s e q u e n c e n u m b e r ) 、 时间戮( t i m e s t a m p ) 、 同 步 源标识( s y n c h r o n i z a t i o n s o u r c e i d e n t i fi e r . s s r c) 等， 有助于媒 体同 步、 丢失 和分组标识， 其结构如图 2 . 1 所示: 图2 . 1 r t p 信息包的标题域 有效载荷类型: r t p 信息包中的 有效载荷域 ( p a y l o a d t y p e f i e l d ) 的 长度为7 位， 因此r t p 可支持1 2 8 种不同的有效载荷类型。对于声音流，这个域用来指示声音使用的 编码类型。如果发送端在会话或者广播的中途决定改变编码方法，发送端可通 过这个域来通知接收端。对于电视流，有效载荷类型可以用来指示电视编码的 类型。发送端也可以在会话期间随时改变电视的编码方法。 顺序号: 顺序号 域 ( s e q u e n c e n u m b e r f i e l d ) 的 长 度为1 6 位， 其初始值随 机产生. 每发送一个r t p 信息包顺序号就加1 ， 接收端可通过检测收到的信息包顺序号来 判断是否有信息包丢失以及按顺序号处理信息包。 例如，接收端的应用程序接 收到一个r t i ， 信息包流，这个r t p 信息包在顺序号8 6 和8 9 之间有一个间隔， 接收端就知道信息包8 7 和8 8 已 经丢失，并且采取措施来处理丢失的数据。 时间戮: 时间 戮( t i m e s t a m p ) 域的 长度为3 2 字节， 其初始值也是随 机产生. 它反 映r t p 数据信息包中第一个字节的 采样时间，这个采样时间从一个时间单调性 增长的时钟获得，而不是读取系统时钟。接收端可以利用这个时间戮来去除由 网络引起的信息包延时和抖动，并为接收端播放提供同步功能。 同步源标识符: 第2 章 流媒体可霏组括相关技术 同 步 源标识符( s y n c h r o n i z a t i o n s o u r ce i d e n t i fi e r , s s r c ) 域的 长度为3 2 位。 它用来标识rip信息包流的起源，这个标识不是发送端的i p 地址， 而是在新的 信息包流开始时 源端随机分配的一个号码，并且它要求同 一个r t p 会话中的同 步源标识唯一。 威胁多媒体数据传输的一个尖锐的问 题是不可预料数据到达时间。 但是流 媒体的传输需要数据的适时的到达用以播放和回放。为此，r t p 协议提供了时 间标签、 序列号以 及其它的结构用于控制适时数据的 流放。 在流的概念中，“ 时 间标签”是最重要的 信息。发送端依照即时的采样在数据包里隐蔽地设置了时 间标签。 在接受端收到数据包后， 就依照时间 标签按照正确的 速率恢复成原始的 适时的数据。 从应用开发人员的角度来看， 可把r t p 执行程序看成是应用程序的一部分， 因为开发人员必需把 r t p集成到应用程序中。在发送端，开发人员必需把执行 r t p 协议的程序写入到创建r t p 信息包的应用程序中，然后应用程序把r t p 信 息包发送到u d p的套接接口( s o c k e t i n t e r f a ce ) : 同样， 在接收端， r t p 信息包通 过u d p 套接接口 输入到应用程序， 因此开发人员必需把执行r t p 协议的程序写 入到从r t p 信息包中抽出媒体数据的应用程序。 现以用r t p 传输声音为例来说明它的工作过程。假设音源的声音是6 4 k b / s 的p c m编码声音， 并假设应用程序取2 0 毫秒的编码数据为一个数据块( c h u n k ) ， 即在一个数据块中有 1 6 0个字节的声音数据。 应用程序需要为这块声音数据添 加r t p 标题生成r t p 信息包， 这个标题包括声音数据的类型、 顺序号和时间戮。 然后r t p 信息包被送到u d p 套接接口， 在那里再被封装在u d p 信息包中. 在 接收端，应用程序从套接接口处接收r t p信息包，并从r t p信息包中抽出声音 数据块，然后使用r t p 信息包的标题域中的信息正确地译码和播放声音。 如果应用程 序不 使用专有的 方案来提供有效 载荷类型( p a y l o a d t y p e ) 、 顺序 号或者时间戮，而是使用标准的r t p协议，应用程序就更容易与其他的网络应 用程序配合运行， 这是大家都希望的事情。例如，如果有两个不同的公司都在 开发因特网电 话软件，他们都把 r i ?合并到他们的产品中，这样就有希望使用 不同公司电话软件的用户之间能够进行通信。 r t p 只是传输层协议， 它并不负责同 步.为了 简化运输层处理， 提高该层 的效率，将部分运输层协议功能 ( 比 如流量控制)上移到应用层完成，同步就 是通过应用层协议完成的。 rip报文甚至不包括长度和报文边界的描述。同时 第2 章 流媒体可命组描相关技术 r t p 协议的数据报文和控制报文使用相邻的不同端口，这样大大提高了协议的 灵活性和处理的简单性。 使用r t p 协议的应用程序运行在r t p 之上， 而执行r t p的程序运行在u d p 的上层，目的是为了使用u d p的端口 号和检查和。 r t p 可以 看成是传输层的子 层。由多媒体应用程序生成的声音和电视数据块被封装在r t p 信息包中，每个 r t p 信息包被封装在u d p 消息段中，然后再封装在i p 数据包中。 r t p 协议和u d p 协议二者共同完成运输层协议功能。 u d p 协议只是传输数 据包， 它不管数据包传输的时间顺序。 r t p 的协议数据单元是用u d p 分组来承 载的。在承载r t p 数据包的时候，有时候一帧数据被分割成几个具有相同的时 间标签的包， 可知时间标签并不是必须的。 而u d p的多路复用让r t p 协议利用 支持显式的多点投递，可以满足多媒体会话的需求。 r t p 协议虽然是传输层协议， 但它没有作为o s i 体系结构中单独的一层来 实现。 r t p 协议通常根据一个具体的应用来提供服务， 它只提供协议框架，开 发者可以根据应用的具体要求对协议进行充分的扩展。目前，r t p的设计和研 究主要是用来满足多用户的多媒体会议需要，另外它也适用于连续数据的存储， 交互式分布仿真和一些控制、测量的应用。 由于r t p 选用u d p 协议来传送实时数据， 因此它本身并不保证数据时序性 的正确与否以及到达数据的质量，这些都依赖于底层服务来完成，它也不保证 所运行的网络是可靠的。 而r t c p协议的作用就如同t c p 在i p 协议上的作用一 样，这个协议能够保证实时数据的传送质量。 2 . 2 . 2 r t c p 协谈 r t c p ( r e a l - t i m e t r a n s p o rt c o n t r o l p r o to c o l ) s 1 是 设 计 和r t p 协 议 一 起 使 用的进行流量控制和拥塞控制的服务控制协议。其设计目的是与 r t p协议共同 合作，为顺序传输数据包提供可靠的传送机制，并对网络流量和阻塞进行控制。 当应用程序开始一个 r t p会话时将使用两个端口:一个给 r t p ，一个给 r t c p . r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流 量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。在 r t p的会话之间周期地发 放一些r t c p 包以 用来传送监听服务质量和交换会话用户信息等功能。 r t c p 包 中含有己发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料。因此，服务 第2 章 流姚体可霏组播相关技术 器可以 利用这些信息动态地改变传输速率， 甚至改变有效载荷类型. r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适 合传送网上的实时数据。根据用户间的数据传输反馈信息，可以制定流量控制 策路.而会话用户信息的交互，可以制定会话控制策路。 在r f c 1 8 8 9 文 档a 中 定义了5 种传送控制 信息的r t c p 数据包， 这5 种数 据包是: s r ; 发 送 端 报文( s e n d e r r e p o r t ) ， 由 活 动的 发 送端 产生， 它包含 发 送端 信 息部分间的同 步信息、数据包累计计算、发送的字节数等。 r r : 接收 端 报告 r e c e i v e r r e p o rt ) ，由 活 动的 接收端产生， 主要 是 数据传 输的接收质量反馈， 包括接收的最大数据包数、丢失的数据包数、计算发送端 和接收端的往返延迟等。 s d e s : 源 描 述( s o u r c e d e s c r i p t i o n ) ， 包 含 源 描述的 信息 b y e :它指示一个或多个信源不再工作，与会者退出报文 a p p : 特定应用报文， a p p 分组使得协议能够得到扩展和进行试验， 而不需 要根据有效负载或类型登记新的分组类型。 文 献 5 】 中 叙述了 利用上 述五 类r t c p 控制报文， 可以实 现如下服务: 1 ) 媒 体同 步: r t c p的s r 报文包含与r 1 ，时间戮相对应的实时信息，能 象视频帧同步一样实现媒体同步。 2 ) 信源标识: 在r t p 数据包中， 信源采用不直 观的3 2 位s s r c 进行 标识， 而r t c p 的 s d e s 包可提供具有文本信息的c n a m e 项来标识信源端系统、 n a me 项来标识用户名、e ma i l 项来标识电子邮件地址、p h o n e项来标识电 话号码、 l o c 项来标识信源的地理位置，方便实时数据传输的接收方获得发送 信源的有关信息。 3 ) 拥塞控制和q o s 监控: 这是r t c ， 的 一个 重要功能。 封装质量 信息的 r t c p 报文可以利用r r 和s r报文中一些相关字段来形成质量消息， 达到控制 回放质量的目的。这些字段包括: ) 丢失率: 从 上一个s r 或r r 报文至今为 止， r t p 数据报文的丢失 率。 功累计的 丢失 包数据: 从上一个s r 或r r 报文至今为止， r t p 数据报文的 丢失计数。 q最高 接收到的包顺序号: 从接收者接收到的r 7 ，数据报文最高 顺序号。 功 到 达时间间 隔的 抖动: 两个连续的 包之间 不同的到达时间间隔. 第2幸 流媒体可靠组播相关技术 e )最后到达s r时间戮:最后到达的s r报文的时间戳。 f )从最后到达s r至今发送r r的延迟: 接收到最后一个s r报文之后， 到 发送本r r报文之间的时间间隔。 上面这些字段可以实时反馈网络的状况，无论对发送方、接收方还是网络 管理员，r t c p 提供的数据传输反馈信息都是非常有用的:发送方可根据r t c p 的 r r 报文调整数据实时传输方式，保障视频流的稳定性和健壮性，使端系统 能够正常接收;接收方可确定网络拥塞的范围是在本地、 本区域还是全局，然 后有的放矢地采取对策:网络管理员可及时监视网络实时传输的性能。 由于r t c p 报文是周期发送的， 随着实时传输的参与者不断增加， r t c p 报 文的频繁发送对网络传输非常不利， 为防止r t c p 报文占用过多的网络资源， 协 议规定报文最多占用实时传输带宽的5 %， 根据参与者数量可自 动调节r t c p 报 文的发送频率，避免报文过多占用网络资源。 2 . 3 组播技术 2 . 3 . 1 i p 组播 从 文 献 1 中 可知， 组 播( m u l t i c a s t ) 技术 是一 种允 许 一 个或多 个 发 送 者( 组 播源) 发送单一的数据包到多个接收者( 一次的，同时的) 的网络技术.目前，正 组 播技术得到 硬件、 软件厂商的 广泛支持。 但是， 实现e p 组播 传输o ， 组播 源 和接收者以及两者之间的下层网络都必须支持组播。主要包括以下几方面: . 主机的t c p / e p实现支持发送和接收ef组播: . 主机的网络接口 支持组播: . 有 一套用于 加入、离开、 查询的 组管理协议， 如i g m p ( v l , v 2 ) ; . 有一套地址分配策略，并能将第三层i p 组播地址映射到第二层m a c地址: . 支持ep组播的应用软件; . 所有介于组播源和接收者之间的路由 器、集线器、交换机、t c p / i p 栈、防 火墙均需支持组播。 文献 9 】 中阐 述了， ep地址方案专门 为组播划出 一个地址范围. 在l p v 4 中为 d 类地址，最高位为1 1 1 0 ，范围是2 2 4 . 0 . 0 . 0 到2 3 9 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 ，并将d类地址 划分为以下三种:局部链接地址: 2 2 4 .0 .0 .0 一2 2 x 1 .0 .0 .2 5 5 ， 用于局域网，路由 器 第2 章 流媒体可雄组播柑关技术 不转发属于此范围的i p 包: 预留 组播地址:2 2 4 .0 . 1 .0 一一 2 3 8 . 2 5 5 . 2 5 5 .2 5 5 ， 用 于全球范围或网 络协议; 管理权限地址: 2 3 9 .0 . 0 .0 一 2 3 9 .2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 ， 组织内部 使用， 用于限制组播范围， 类似于私有i p 地址，可限制组播范围。 实际上，在组播通信中，需要两种地址:一个ep组播地址和一个e t h e r n e t 组播地址。其中，e p 组播地址标识一个组播组。由于所有i p 数据包都封装在 e t h e r n e t 帧中，所以 还需要一个组播e t h e r n e t 地址。为使组播正常工作，主机应 能同时接收单播和组播数据，这意味着主机需要多个e p 地址和e t h e r n e t 地址。 与i p 组播相对应的e t h e r n e t 地址范围为以o x 0 1 0 0 . 5 e x x .x x x a 的前2 4 位比 特开 始的m a c 层地址。 映射方法为将i p 组播地址的低位2 3 比 特放到指定的e t h e r n e t 组播地址的低位2 3 比 特上。 例如， i p 组播地址2 2 4 . 0 .0 . 1 映射到相应的e t h e r n e t 组播地址为o x 0 1 0 0 .5 e 0 0 .0 0 0 1 . 因为i p 组播地址的高5 位未映射，因 此， 映射 的以 太网 地址不是唯一的， 共有3 2 个i p 组播地址映射到一个以 太网 地址。图一 2 . 2 为e p 组播地址到e t h e r n e t 地址的映射。 3 2 位 e p 地址 5 位未映射后2 3 位直接映射 4 8位 ma c地 0 1 0 1 1 1 1 0 图2 . 2组播地址与以 太地址映射图 组播地址动态的绑定在一组网络的一组本地接口上。组播路由器无需知道每 一个组播组的成员列表，它只需知道那些在其子网上有成员的组播组即可。连 接到以太网的组播路由器只需给每一个在以太网上有成员的组播组关联一个以 太网组播地址即可。 组播数据通过路由 转发树发送到当前组中所有的成员。当 有新的成员加入 组播组的时候，一条到达该成员的 路径就被续接到当前的组播树上。当成员退 出组时，任何不再必要的路径就被剪枝。构建组播树有多种不同的组播路由协 议， 路由 协议运行于组播路由 器之间，它负责将组播信息路由 到每个接收者那 里去。 第 z幸 流媒体可命组播相关技术 按照构建转发 树方法的不同 可以 分成有 源树和 共享 树协议1 0 . 有 源树协议 需要为同一个组播会话中的每个组播源构建一个最短路经组播生成树;而共享 树协议需要在网络中选取某一点作为公共的根节点，然后再构建一棵生成树， 各个组播会话的组播数据均沿着一个公共的转发树发送。 显然，有源树协议的 构造、维护代价比 较大， 但是传输过程中每个组播源都可以 获得自己 最佳的传 输路径。 按照使用的范围可以将组播路由协议分为域内组播路由 协议和域间组播路 由 协议。 其中 域内 组播路由 协议包括距离向 量组播路由 协 议 ( d v m r p ) 、 最短路 径优先组播 ( m o s p f ) 、密集模式协议无关组播( p i m - d m ) 和核心树协议 ( c b t ) 等: 域间组播路由 协议包括组播边缘网关协议( m b g p ) 等。 在组播模式中， 管理所有的网络连接都是通过组的概念来体现的， 用户想接 收视/ 音频信息，必须加入相应的组播组，只有属于某个组播组的成员才可以收 到 组 播 源发 送到 这 个 组 播 组的 数 据。 i n t e m e t 组 管 理 协 议( i g m p ) i 在主 机 和 路由器之间提供必要的用于组成员关系维护的必要消息机制。当组播主机希望 加入指定的组播组并且开始接受组信息的时候，它们就发送 i g m p消息以通知 本地的组播路由器。主机也可以通知本地的组播路由器，表示主机希望离开某 个i p 组播组，并因此对接收该组播组信息不感兴趣。路由器通过i g mp获得主 机的信息，并在每个接口上维护与该接口 直接相连的组播组成员关系表。 主机使用i g m p 报文实现i p 组播如下: . 加入组播组 当 某个主机加入某个组播组时， 它通过 “ 成员资格报告”消息通知它所在 的i p 子网的组播路由器， 同时将自己的i p 模块做相应的准备，以便开始接收来 自 该组播组传来的数据。如果这台主机是它所在的企子网中第一台加入该组播 组的主机， 通过路由 信息的交换， 组播路由 器加入组播分布树。 . 退出组播组 在i g m p v l 中，当主机离开某个组播组时， 它将自 行退出。组播路由器定 时使用 “ 成员资格查询” 消息向i p 子网中的所有主机的 组地址 ( 2 2 4 .0 .0 . 1 ) 查 询， 如果某一组播组在i p 子网中已 经没有任何成员，那么组播路由器在确认这 一事件后， 将不再在子网中转发该组播组的数据。与此同时，通过路由 信息交 换，从特