（信号与信息处理专业论文）基于lan的实时mpeg2视频信号传输研究.pdf

上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 随着网络带宽和计算机处理能力的迅速提高，人们对实时i n t e r n e t 视频服 务的需求不断增长。实时i n t e r n e t 视频的典型应用主要包括交互式视频服务、 视频电话、视频会议、远程教学以及远程医疗等。2 0 世纪9 0 年代中后期以来， 国际上开始了对实时i n t e r n e t 视频传输的研究，而国内对该课题的研究只处于 剐刚起步阶段。因此，对实时i n t e r n e t 视频传输进行研究，无论在科学研究、 工业领域、商业流通还是民用产品都具有十分重要的意义。 作者在局域网( l a n ) 上对视频信号实时传输进行了研究和实现，特别在实 时性和高质量上进行了详细的实践性探索。整个实验系统基于局域网。为了提 高系统的实时性，首先要对视频信号进行压缩编码处理，本系统采用m p e g 一2 采 集压缩卡实现；第二要采用合理的传输协议，本系统采用基于u d p i p 协议的i p 组播( m u l t i c a s t ) 技术。整个系统在v i s u a lc + + 6 0 环境下，用w i n d o w ss o c k e t 编程实现。 论文介绍了基于w i n s o c k 2i p 组播的实现；提出了基于多线程和多缓冲区 视频网络传输的结构，此结构提高了系统传输的实时性和健壮性；就如何提高 整个视频传输服务质量( o o s ) 进行了探讨和研究。 关键词：i p 组播，局域网，m p e g - 2 ，多线程，套接字 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h er a p i di m p r o v e m e n to fn e t w o r kb a n d w i d t ha n dp r o c e s s i n ga b i l i t y o fc o m p u t e r s ，w en e e dm o r ea n dm o r er e a l - t i m ei n t e r n e tv i d e os e r v i c e s w h i c h i n c l u d eb e l o wt y p i c a la p p l i c a t i o n s ：v i d e ot e l e p h o n y 、d i s t a n te d u c a t i o n 、t e l e m e d i c i n e 、v i d e oc o n f o r e n c e ，a n ds oo n s i n c em e t a p h a s eo f19 9 0 s ，o v e r s e a s h a v eb e e ng o i n gi n t or e a l - t i m ei n t e r n e ty i d e od e l i v e r y w h i l e ，t h er e s e a r c hi s s t a y i n gb e g i n n i n gp h a s ew i t h i nn a t i o n t h e r e f o r e ，i ti s v i t a lt o c a r r yi n t ot h e r e s e a r c ho fi n t e r n e tv i d e od e l i v e r yf o rb o t hs t u d y i n ga n di n d u s t r i e s t h ea u t h o rs t u d i e da n d i m p l e m e n t e dr e a l - t i m ev i d e os i g n a ld e l i v e r yb a s e d o nl a n t oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fr e a l - t i m eo ft h es y s t e m ，f i r s t l yw eh a v et o c o m p r e s sa n dc o d e v i d e os i g n a lw i t ham p e g 一2r e c o r d e rc a r d ；s e c o n d l yw e s h o u l ds e l e c ts o u n dt r a n s p o r tp r o t o c o l ，i nt h es y s t e mw eu s ei pm u l t i c a s t b a s e do nu d p 门pp r o t o c 0 1 t h ew h o l es y s t e mi s i m p l e m e n t e du n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo fv i s u a lc + + 6 0w i t hw i n d o w ss o c k e ta p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) t h et h e s i ss t r e s s e so nt h e i m p l e m e n t a t i o n o fi pm u l t i c a s tb a s e do n w i n s o c k 2 ；a n d b r i n g s f o r w a r dt h ev i d e o d e l i v e r ya l g o r i t h m b a s e do n m u l t i t h r e a da n dm u l t ib u f f e r , w h i c hi m p r o v e st h ep r o p e r t i e so fv i d e od e l i v e r y a n dt h er o b u s t n e s so ft h ea p p l i c a t i o np r o g r a m t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e sh o w t oi m p r o v et h e q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) o ft h ew h o l e s y s t e m k e y w o r d s ：i pm u l t i c a s t ，la n ，m p e g 一2 ，m u l t i t h r e a d ，s o c k e t 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题意义 随着网络带宽和计算机处理能力的迅速提高，人们对实时i n t e r n e t 视频服 务的需求不断增长。实时i n t e r n e t 视频的典型应用主要包括交互式视频服务、 视频电话、远程教学以及远程医疗等。2 0 世纪9 0 年代中后期以来，国际上开 始可对实时i n t e r n e t 视频传输的研究，而国内对该课题的研究只处于刚刚起步 阶段。因此，对实时i n t e r n e t 视频传输进行研究，无论在科研还是在工业领域 都具有十分重要的意义 1 3 5 j 。图卜l 是一个实时视频信号传输的基本系统结 构示意图。 图卜1 基于网络的实时视频信号传输系统框图 1 2国际国内动态1 1 2 1 6 1 7 目前用于实时视频的常用传输方法有： 1 、只考虑编码的方法 设计低比特率编码器，并通过标准i n t e r n e t 传输协议，让其运行于不基于 重传的传输协议( 如u d p ) ，进行信号传输。其缺陷是不适应信道的时变性，在 高输出率情况下，分组丢失率的波动使接收端的接收质量很难得到保证；此外， 采用低比特率的编码器来避免处理信道的突然变化，从而造成信道资源的浪费。 利用r s ( r e e d s o l o m o n ) 码来解决上述问题，但仍然无法依据不同信道状况调整 r s 码参数，造成估计所需冗余度的过于保守。而在采用u d p 协议的情况下，需 要设计相应的流量控制和拥塞控制策略，这将导致整个网络性能下降。 2 、只考虑网络的方法 应用标准视频编码算法以产生具有固定格式的压缩视频数据流，然后设计 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 相应的传输协议对视频信号进行传输。其优越性是流量控制包含在传输协议里， 因而发送的视频数据流真正是网络信息流的一部分。视频数据流结构是已知的， 当产生拥塞时可采取许多相应的办法。缺陷是编码器性能限制了传输性能；改 进的传输协议也不能保证无错传输，当差错产生时，由于所用编码器缺少鲁棒 性而导致解码器性能的下降。 3 、信源信道联方编码j s c c ( j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g ) l l 圳 上述两种方法都是基于信源信道分离的理论，没有考虑网络中存在的延 迟、信道的不确定性和多用户等问题。为解决上述问题应结合传输协议设计相 应的数据压缩算法，了解信道的特性并设计网络和编码器的接口，从而估计并 跟踪信道状态的变化来调整编码器的参数。图卜2 是典型的信源信道联方编码 示意图。 编码器参数 1 3 本课题研究的内容 信道状态 图1 _ 2 信源信道联方编码 本项目主要是采用网络的方法进行视频信号的实时传输，整个实验系统在 局域网上实现。为了提高系统的实时性，采用t o p s t c p 公司 a v 一8 0 俨m p e g 一2 采集压缩卡对视频信号进行采集并编码压缩，获取实时固定视频编码格式 ( m p e g 一2 ) 的数据流憎3 | 。考虑到视频信号自身特点和充分利用网络带宽资源， 系统采用基于u d p i p 协议的i p 组播( m u l t i c a s t ) 。整个实验系统在v is u a l c + + 6 0 环境下，用w i n d o w ss o c k e t 编程实现，编程中采用多线程和多缓冲区 视频传输结构 3 6 3 引，此结构提高了整个实验系统传输的实时性和健壮性。课 题并就视频信号网络传输服务质量进行了探讨和研究，着重分析了新型网络协 议，实时传输协议实时传输控制协议( r t p r t c p ) 。 上海犬学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 1 4 a v - 8 0 0 似m p e g - 2 采集压缩卡 a v 一8 0 0t m ( 如图卜3 所示) 是一款用于个人计算机的m p e g 视频采集压缩卡， a v 一8 0 0t m 支持m p e g 一1 ，m p e g 一2 编码格式的实时视频记录和播放。a v 一8 0 0 刊卡 支持s v i d e o 和复合视频输入和输出以及立体声音频输入和输出。 图i - 3a v - b o o “w p e g - i i 采集压缩卡 a v 一8 0 0t m 卡具有如下m p e g 编码特性： 1 实时m p e g 硬件编码，解码。 2 符合i s o i e c l 3 8 1 8 1 ，一2 ，一3m p e g 一2 标准。 3 支持m p e g 一1s y s t e m ，v i d e o ，a u d i os t r e a m ，m p e g 一2p r o g r a m ，e l e m e n t a r y 。 4 支持音频m p e g 一1l a y e r - ii ，p c m 编码。 5 支持视频固定位速率( c b r ) 编码。位速率：i m b p s 至1 5 m b p s 。 6 支持视频可变位速率( v b r ) 编码。位速率：达l o m b p s 。 7 可编程g o p 结构，i b p 帧间隔。 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a ti o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第二章相关基础知识 2 1m p e g - 2 标准概述 m p e g - 2 的标准号为i s o i e c l 3 8 1 8 ，标准名称为“信息技术电视图像和 伴音信息的通用编码( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y - - g e n e r i cc o d i n go fm o v i n g p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i oi n f o r m a t i o n ) ”。m p e g 一2 标准包括m p e g 一2 系 统、电视图像、声音、一致性测试、软件模拟、数字存储媒体命令和扩展协议、 先进声音编码、系统解码器实时接口扩展标准、d s m c c 一致性扩展测试和先进 声音编码标准修正版1 0 个部分。 2 1 1 m p e g - - 2 的系统结构 m p e g 一2 系统，规定电视图像数据、声音数据及其他相关数据的同步，标准 名是i s o i e c l 3 8 1 8 一li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y - - g e n e r i cc o d i n go fm o v i n g p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i oi n f o r m a t i o n ：s y s t e m 。 i s o i e c l3 8 1 8 3 h i 斗 i s o i e c l 3 8 1 8 一l 图2 - 1m p e g - 2 的系统模型 流 流 m p e g 一2 系统模型如图2 一l 所示。m p e g 一2 的码流是一种分层结构，按编码先 后大致可分成三层，即基本码流e s ( e l e m e n t a r yb i ts t r e a m ) 、包基本码流p e s 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a ti o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y ( p a c k e te l e m e n t a r ys t r e a m ) 及复用后的节目码流p s ( p r o g r a ms t r e a m ) 或 传送码流t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。图2 2 给出了节目码流和传送码流的结构 图。节目码流p s 是组合一个或多个规格化的p e s 而生成的一种数据流，用在出 现错误相对比较少的情况下，适合软件处理的应用；传送码流t s 也是组合一个 或多个p e s 而生成的一种数据流，用在出现错误相对比较多的情况下，例如在 有损失或者有噪声的传输系统中。 圈2 - 2 节日码流和运输码流结构 在编码时，电视图像编码器将原始的电视图像数据压缩成视频基本码流 ( v i d e oe s ) ，声音编码器将声音数据压缩成音频基本码流( a u d i oe s ) 。这两 个基本码流在进入复合器之前应分别经包装器变换成p e s 码流。p e s 码流的包 结构可变，最大可达2 “字节，一般是一个存取单元的长度，可以是一幅视频图 像，也可以是一个音频帧。随后经复用器处理后的码流传送到信息编码器进行 信息编码与调制。 2 1 2 档次与等级 m p e g 一2 编码标准希望囊括数字电视、图像通信各个领域的编码标准，因此 m p e g 一2 按压缩比大小的不同分成五个档次( p r o f i l e ) ，每一个档次又按图像清 晰度的不同分成四种格式，或称为等级( 1 e v e l ) 。五个档次和四种级别共有2 0 种组合，较常用的如表2 一i 所示。 在表2 一l 的五个档次中，最重要的是主档次m p ，它包括了对隔行扫描图像 的编码技术；简单档次s p 是主档次的子集，它与m p 唯一的区别是无双向预测 ( 即无b 帧图像) ，这虽会降低图像质量，但是可以减少解码时所需要的存储器 而降低实现时的价格。在表中信噪比可分级型档次s n p 是表中空间可分级型档 次s s p 的子集，它们在m p 基础上分别作信噪比分级扩展和空间分辨率分级扩展， s s p 以空间滤波和再取样为基础并包括s n r 分级。h p 档包括了目前m p e g 一2 的大 上海大学硕士学位论文 堕! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 堂! 型! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竖! ! ! ! ! ! ： 部分编码技术，支持4 ：2 ：2 和4 ：2 ：0 的格式，并允许进行所有的分级扩展。 表2 1 中四个等级对语法元素( 参数) 的取值作了如下限定： 低级( l o wl e v e l ) 类似于h 2 6 1 中的c i f 格式或m p e g 一1 中的s i f 格式； 主级( m a i nl e v e l ) 对应于c c i r 6 0 1 建议中的演播室标准图像格式； 高1 4 4 0 级( h i g h1 4 4 0l e v e l ) 基本上对应于每行取样点数为1 4 4 0 的高清 晰度电视图像格式； 高级( h i g hl e v e l ) 基本上对应于每行样点数为1 9 2 0 的h d t v 图像格式。 表2 - i 肝b g - 2 的档次和等级 】p r o f i l e：；1s r ；n ； s p a t i a l h i g h n 挡辫 j ( 雠s i m p 我l e 墓j m a i n s c a l a b i l i t y s c a l a b i l i t y ( 高档型)( 基本型) 隳巍鬻 ( 空间可分级型) h pl 。，。1 + 、。j js p 慧1 ? ； 肿i “- 一：s s e s s p ( 等级f 。? 瓢 h p o h l m p 酬l4 ：2 ：0 h i g h j 4 ：2 ：04 ：2 ：2 高级，薯 1 9 2 0 x 1 1 5 2 x 6 01 9 2 0 x 1 1 5 2 x 6 h l ：i 8 0 m b s0 i ，j p ，b8 0 m b s i p b h p o h l 4 4 0 m p b h l 4 4 0s s p h 1 4 4 04 ：2 ：0 h i g h 一1 4 4 0 4 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：2 ( 高1 4 4 0 级)1 4 4 0 x 1 1 5 2 x 6 01 4 4 0 x l1 5 2 x 6 01 4 4 0 x 1 1 5 2 x 6 l h l 4 4 06 0 m b s6 0 m b so i p ，bi ，p ，b6 0 帖s i ，p ，b s p 酬lm p 酬l s n p o m lh p m l m a i n4 ：2 ：o4 ：2 ：04 ：2 ：04 ：2 ：0 ( 主级)7 2 0 x 5 7 6 x 3 07 2 0 x 5 7 6 x 3 07 2 0 x 5 7 6 x 3 07 2 0 x 5 7 6 x 3 0 m l 1 5 m b s1 5 m b s1 5 m b s1 5 m b s i pi ，p b i p ，bi ，p ，b m p o l ls n p l l 4 ：2 ：04 ：2 ：0 ( 低级)3 5 2 x 2 8 8 x 3 03 5 2 x 2 6 8 x 3 0 e l4 m b s 4 m b s i p ，bi ，p b 2 2w i n s o c k 网络编程简介 w i n s o c k 即w i n d o w ss o c k e t s 。它是根据早期b e r k e l e ys o c k e t 为范例定义 的一套m i c r o s o f tw i n d o w s 下网络编程接口。w i n d o w ss o c k e t s 规范本意在于 提供给应用程序开发者一套简单的a p i 。 上海大学硕士学位论文 2 2 1 套接字( s o c k e t ) 八十年代初，美国政府的高级工程研究机构为b e r k e l e y 提供资金，委托在 b s du n i x 操作系统下实现通信协议t c p i p 的开发接口。他们的工作成果就是 s o c k e t ，一般将其称为“套接字”。套接字是网络通信中一个端点的抽象，即应 用程序借以与其他应用程序进行网络通信的对象。套接字的数据结构中包括以 下五种信息： 本地协议端口( 接收报文或数据报的进程) 本地主机地址( 接收数据报的主机) 远地协议端口( 目的进程或程序) 远地主机地址( 目的主机) 协议( 程序在网络上传数据时使用的协议) 通信的基石就是套接字，一个套接字是通信的一端。在这一端上可以找到 与其对应的一个名字。一个正在被使用的套接字都有它的类型和与其相关的进 程。套接字通常和同一域中套接字交换数据( 交换数据也可能穿越域的界限， 但需要执行某种解释程序) 。 常用套接字有两种类型：数据报套接字( d a t a g r a ms o c k e t s ) 和流式套接 字( s t r e a ms o c k e t s ) 。这两种套接字的数据传输类型是不同的，因而其使用方 法和相应的程序设计模型也是不同的，下面对它们分别进行简单介绍。 数据报套接字( d a t a g r a ms o c k e t s ) 采用的是用户数据报协议u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 。它是建立在i p 协议之上的，提供非连接的不可靠的数据 包( p a c k e t ) 通信方式。适用于对实时性要求高、允许一定丢失率的视频、音 频的实时数据传输。使用u d p 的传输效果与网络的环境密切相关，在局域网l a n 的环境下，由于数据传输的误码率较低，使用u d p 协议传输能达到很好的效果。 流式套接字( s t r e a ms o c k e t s ) 可以将数据顺序按顺序无重复地发送到目 的地，采用的是传输控制协议t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。它提供的 是一种面向连接的数据传输方式。在数据传输之前，必须在信源端和信宿端建 立连接。在面向连接传输的每一个报文都需要接收端确认，未确认的报文被认 为是出错报文。因此流式套接字提供的是面向连接，无差错，先送先发，包长 度不限，非重复的网络信息包传输。 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 2 2 w i n d o w ss o c k e t s 规范 w i n d o w ss o c k e t s 规范是以b e r k e l e y 大学b s du n i x 中流行的s o c k e t 接口 为范例定义的一套m i c r o s o f tw i n d o w s 下网络编程接口。它不仅包含了b e r k e l e y s o c k e t 风格的库函数；也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库函数，以使程序员 能充分地利用w i n d o w s 消息驱动机制进行编程。 w i n d o w ss o c k e t s 规范本意在于提供给应用程序开发者一套简单的 a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口) 。利用这套a p i ，应用 程序能够在任何网络软件供应商的符合w i n d o w ss o c k e t s 协议的实现上工作。 因此这份规范定义了应用程序开发者能够使用，并且网络软件供应商能够实现 的一套库函数调用和相关语义。应用程序调用w i n d o w ss o c k e t s 的a p i 实现相 互之间的通讯。w i n d o w ss o c k e t s 又利用下层的网络通讯协议功能和操作系统 调用实现实际的通讯工作。它们之间的关系如图2 3 所示。 w i n d o w ss o c k e t s 规范中的针对w i n d o w s 的扩展部分主要是一些允许对网 络事件进行基于消息的异步访问的a p i 函数，为应用程序开发者提供了开发具 有w i n d o w s 应用软件的功能。它有利于使程序员写出更加稳定并且更加高效的 程序，也有助于在非占先w i n d o w s 版本中使多个应用程序在多任务情况下更好 地运作。w i n d o w ss o c k e t s 的工作方式一般为服务器一客户模式。根据连接方 式不同，分为面向连接和无连接两种方式。 r r _ 1 l 应用程序ii l 应用程序2 _ 网络编程接口( 如w i n d o w ss o c k e t s ) 网络通信协议服务接口( 如t c p i p ) 操作系统( 如w i n d o w s ) 物理通信介质 图2 - 3 应用程序与w i n d o w ss o c k e t s 关系图 上海大学硕士学位论文 堡! ! ! ! ! 竺! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 坐苎! ! ! ! ! ! ! 竺! 生! 坚! ! ! ! ! ! ! 第三章基于w i n s o c k 2 视频i p 组播的研究和实现 3 1 引言 近几年随着计算机网络技术、多媒体技术和通讯技术的发展，尤其是 i n t e r n e t 的迅速普及，i n t e r n e t 视频服务( 如：视频会议、视频电话、远程医 疗、远程教学等) 已成为现实，逐渐改变着人们的学习、工作和生活方式哺j 。 但很多时候人们不仅仅需要两点之间的通信，而是希望在一组人或节点之间进 行信息交流。但是，视频数据量巨大，将占用大量网络带宽，为此除了对视频信 号进行编码压缩以减少数据量外，i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 又提出了i p 组播( m u l t i c a s t ) 技术，它以i n t e r n e t 面向端到端的u d p i p 协 议为基础进行了扩展，并且提出了很多新的协议和草案，在很大程度上节省了 网络带宽资源。1 9 9 2 年i e t f 首先在i n t e r n e t 上建立起一个虚拟的m u l t i c a s t 子网络一一m b o n e ( m u l t i c a s tb a c k b o n e ) ，作为多点发送的实验性网络h j 。 本章对i p 组播技术的原理进行了阐述，并在v i s u a lc + + 6 0 环境下，利用 w i n s o c k 2a p i 函数集进行开发，在局域网上实现了m p e g - 2 视频信号的传输。 3 2i p 组播原理 i p v 4 定义了三种i p 数据通信方式【z 引：点对点通信( u n i c a s t ) 、全网广播 ( b r o a d c a s t ) 、组播( m u l t i c a s t ) 。三种i p 数据通信方式示意图见图3 - l 。点 对点通信是指两个i p 地址间进行的数据通信，是最常见的i p 通信：全网广播 是指在i p 子网内向i p 子网内部所有的i p 地址以广播的方式发送数据包，子网 内的i p 站点( 包括不想接收的站点) 都能够收到全网广播的数据包：组播是指在 i p 网上对一组特定的i p 地址进行数据传送，组播是居于点对点通信和全网广 播之间的通信方式。 当某个i p 站点向i n t e r n e t 上的n 个站点发送同一数据时，采用点对点通 信方式时，同一数据将重复发送n 次，不仅浪费带宽资源、效率低，而且在 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a ti o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 些链路上发生拥塞。广播虽然发送一个单独的数据流到子网内的所有站点，但 其无法知道网络上的任意节点是否需要广播数据，同样无效地消耗了网络资源。 而采用i p 组播可以减少不必要的重复发送，有效地利用网络带宽。 m u l t i c a s t 接收者 图3 - 1u n i c a s t b r o a d c a s t 与m u l t i c a s t 3 2 1i p 组播地址和以太网m a c 地址映射 i p 组播的目的地址是组地址d 类地址。d 类地址是从2 2 4 0 0 0 到 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 之间的i p 地址，其中2 2 4 0 0 0 到2 2 4 00 2 5 5 是被保留的 地址，2 2 4 0 0 1 表示子网中所有的组播组，2 2 4 0 0 2 表示子网中的所有网关。 表3 - 1i e t f 建议i p 组播地址分配原则 戴钼雏i i 誊 i ；j i | 。i 一薹巍蒸麟疆薯 。警。 全球2 2 4 0 1 o 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 有限2 3 9 0 0 o 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 本地站点2 3 9 2 5 3 0 0 2 3 9 2 5 3 0 1 6 本地机构2 3 9 1 9 2 o o 2 3 9 1 9 2 0 1 4 d 类地址是动态分配和恢复的瞬态地址，每一个组播组对应于动态分配的一 个d 类地址；当组播组结束组播时，相对应的这个d 类地址将被回收，用于以 后的组播。 由于i p 组播组地址的分配是动态的，如果只希望在自己的子网或者自己完 全能够控制的自治域中进行组播，那么可以按照自己的需求任意分配使用组播 上海大学坝士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 组地址，在边缘的组播路由器有责任将所有i p 组播的数据和路由信息都过滤 掉；如果希望和其他子网或者不能够完全控制的自治域进行组播，那么必须遵 循相应的地址分配规则，和其他子网或者不能够完全控制的自治域协商分配。 以太网m a c 地址是直接支持组播传送的，即i p 组播地址与以太网m a c 地址 之间存在映射关系。i a n a ( i n t e r n e ta s s i g n e dn u m b e r sa u t h o r i t y ) 拥有一段从 o l ：0 0 ：5 e 开始的以太网m a c 地址，其中一半被分配用于组播地址，从 0 1 0 0 5 e 0 0 0 0 0 0 到0 1 0 0 5 e 7 f f f f f 。取出i p 组播组地址的低2 3 位放入以太网 组播地址的低2 3 位，这样即完成了i pm u l t i c a s t 地址到姒c 地址的映射( 见 图3 - 2 ) 。 由图3 2 可见，由于i pm u l t i c a s t 地址在映射到以太网m a c 地址过程中， i pm u l t i c a s t 地址高五位没有用，所以在理论上会产生3 2 ( 2 5 ) 个i p 组播地 址映射到同一个以太网m a c 地址( 见图3 3 ) 。 一 翌些 ， 2 8 b r s 圃竺! ! 竺 + 1 i i + 1 i 百i + p m m x + 石面+ ：，2 - l p m u l b a na d 卉e 幅 2 2 4 1 1 1 2 2 5 1 2 9 1 2 3 口1 2 9 1 1 m w i i c a s t m a c a d 出e s s e s 区亟亟司 图3 2i pm u l t i c a s t 地址刭m a c 地址映射 圈3 - 33 2 个组播地址映射到同个眦地址 3 2 2加入和退出i p 组播组 i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 协议 2 5 运行在i p 站点和 它所在的子网多点路由器之间，用来控制组播组成员的加入和退出。当某个i p 站点加入某一个组播组时，它需要通知它所在的i p 子网的组播路由器，同时 将自己的i p 模块准备开始接受从特定的组播组传来的组播数据。在i g m p i 0 中，当每一个i p 站点离开某一个组播组时，它不通知任何人就自然地离开， 组播路由器定时向i p 子网中的所有组播组询问，如果某一个组播组在i p 子网 中已经没有任何成员，则组播路由器在确认这一事件后，不再将该组播组的数 据在子网中进行传送，同时通过路由信息的交换，将相应的组播路由器从特定 上海大学硕士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 的组播组分配树中删除。这种不通知任何人而悄悄离开的方法，使得组播路由 器知道i p 子网中已经没有任何成员的事件延时了一段时间，所以在i g m p 2 0 2 6 中，当每一个i p 站点离开某一个组播组时，需要通知子网组播路由器，组播 路由器立即向i p 子网中的所有组播组询问，从而减少了系统处理停止组播的 延时。 3 2 3i p 组播的范围 i p 数据报头有一个数据域t t l ( t i m et ol i v e ) ，它的值是一个表示数据 报被允许保持在i n t e r n e t 中的最大时间值，可以用路由器的跃距来测量或者用 秒为单位来度量。i p 数据报每通过一个组播路由器，t t l 都要减少一个特定的 常量，当t t l = o 时，路由器将i p 数据报扔掉。i p 组播数据的发送者可以指定 t t l 的初始值，以控制数据的发送范围；而网络管理员可以通过对组播路由器 的配置，将t t l 的值减少为0 ，从而将所有的组播数据只在子网内部进行传送。 表3 - 2 多路广播包的跃距数 糍黼糕瓣熏爨鬻黉鞘攀鬻麟糕 o限制到同一主机 1 限制到同一子网 3 2 限制到同一站点 6 4 限制到同一区域 1 2 8 限制到同一个洲 3 3 基于w i n s o c k 2 的局域网视频i p 组播传输的实现 3 3 1 控制平面和数据平面 w i n s o c k 2 定义了用来建立多点通信会话方法本身的控制平面( c o n t r o l p l a n e ) 和处理在会话参与者之间传送数据的数据平面( d a t ap l a n e ) ，它们都 存在“有根”和“无根”两种模式。 “有根”的控制平面模式，有一个称为c r o o t ( 根节点) 的成员( 其余的 上海大学顿士学位论文 ! 坐1 2 坠! ! ! ! ! 璺! ! ! 堕! ! ! 璺! ! 竺! ! ! ! 竺! ! ! ! 她! ! ：坐! 称秀c l e a f ，竹节点) 受责窝戆纯会落，荠建立蘩各个e l e a f 嚣连接。袭少。一 r o o t 的时候，会话将因此中断，由a t m 和s t i i 建立起来的组通信就属于这种 类墼。“无穰”的控籁平蟊，没有一个控锚会话过程静e r o o t ，所窝成员都楚 c l e a f 。它们加入的必须是已经存在的多点会话，或者通过一种不在w i n s o c k 2 规范范围内描述的带外机制来建立。这种类型的通信如i pm u l t i c a s t 和h 3 2 0 视频会议的多点控制单元8 忙u ) 。 数据平面的“有根”模式，存在一个称为d - r o o t ( 根节点) 的用户( 其余 豹称麓d - l e a f ，咛节点) ，数据瓣转赣只发生在d - r o o t 秘d - l e a f 之阕。在d - l e a f 之间没有相互通信的数据流，如s t i i 建立的通信就属于这种数据平面模式。 “无壤”静数撰罕嚣模式辛，任一爱户发送的数器帮褥传送戮维孛鹣掰蠢其它 成员，如i pm u l t i c a s t 通信。 由诧可觅，i pm u l t i c a s t 楚典型n o n - r o o t e d 控蒂平面和数据平面。 3 3 。2 基予w i n s o c k 2i p 缀播酶编裰襄瑗 w i n s o c k 蹩一套秀了馒瘸络疫曩稷净能虚羧馒孺强 莓霹终协议豹a p i 集， 它是为3 2 位m i c r o s o f tw i n d o w s 平台设计的。w i n s o c k 2 是w i n s o c k l 1 的扩展。 w i n s o c ka p i 擒侯了辩缀稽遂倍静支持，w i n s o c k l 1 僚霜套接字选疆 s e t s o c k o p t 0 ，而w i n s o c k 2 馒用的是更为合理的w s a j o i n l e a f o 函数。 袭3 qw i n s o c k 2 缀捶的主要艟i 函数 w s a b n u m p r o t o c 0 1 s ( )决定组播支持 w s a s o c k e to攒定缓搔炎型 w s a j o i n t l e a f加入缎播组，指定是发送者还是接收衡 |w s a i o c t l 0设置是否内部回送和i pt t l 本漾题剥用w i n s o c k 2 实现tm p e g - 2 巍频传号在弱域霹上驰i p 组攘传输。 i pm u l t i c a s t 应用程序流程如图3 6 所示。下面详细阐述编稔实现，各a p i 函 数参数设鬟彝一些零注慧豹运题。 堪 上海大学颈士学位论文 t h ep o s t g r a d u a t ed i s s e r t a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 初始化有关参数 调用w s a s t a r t u p ( ) 初始化w i n s o c k 调糟w s a s o c k e t ( ) 秘建h s o c k 调用b i n d 0 将h s o c k 磅定本地端口 清螽w s a i o c t l 设置t t l 蓬 调用w s a j o i n l e a f ( ) 加入缀播组 溉辫w s a s e n d t o ( ) 向组播级发送数据 调用c l o s e s o c k e t ( ) 关 j lh s o c k 图3 峭m u l t i c a s t 应用程序流程 ( 1 ) 镪媲纯籀关参数。襁始纯将嚣标缀攒地址s t r d e s t m u l t i 斌篷为 “2 3 4 5 6 7 ”，组播端墨n d e s t p o r t 设置为5 0 5 0 ，t t l 值为2 。t t l 馕可以电函 数w s a l o c t l0 进行设置，具体使用方法请参见下面对函数w s a i o c t l ( ) 的使用说 明。 ( 2 ) 调援函数w s a s t a r t u p ( 0 x 0 2 0 2 ，& s t w s a d a t a ) 来初始化w i n s o c k 动 态连藩纛w s 2 - 3 2 d l l 。w s a s t a r t u p ( ) 基数是疲建程滓谣矮兹第一个w i n d o w s s o c k e t s 函数，只有启动函数成功调用之后，其它的应用程序w i n d o w ss o c k e t s 函数才可以使用。这个函数的一个重要功能就是进行一次w i n d o w ss o c k e t sa p i 的版本协商，并获取一些w i n d o w ss o c k e t s 实现的技术细节。 ( 3 ) w i n d o w ss o c k e t s 藏功襄动螽，痘髑疆黟霹鞋蘧弱w s a e n u m p r o t o c o i s ( ) 函数浓检测一个给定酶协议是否支持组搔通信，如果支持，它怒如何分剐 支持控