论文 IP组播技术在视频中的应用(黄鹏)终稿最新.doc

浅议IP组播技术在视频中的应用摘要 IP组播技术实现了IP网络中点到多点的高效数据传送。因为组播能够有效地节约网络带宽、降低网络负载，所以在实时数据传送、多媒体会议、数据拷贝、游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用。本文介绍了组播的基本概念、组播地址的分配以及目前通用的组播协议；流媒体的基本概念、流媒体系统的组成；并结合大学的校园网，利用IP组播实现现场直播。关键词 组播 IGMP IGMP-SNOOPING PIM-SM PIM-DM 流媒体 反向信道组播The Application of IP Multicast in the videoluwei(Dept. of Computer and Information Science, Southwest Forestry College, Kunming, Yunan, 650224, China)Abstract IP Multicast have realized IP network high-efficient data transmission. Because IP Multicast can economize the bandwidth of the network , reduce network load, so such a great deal of respects as data transmission , meeting of the multimedia , data copying , game and emulation ,etc. and such many aspect have extensive application . This paper introduce IP Multicast basic concept , organize Multicast the distribution of address as well as present Multicast protocol, Basic conception of the media flows , composition of medias system flows; combine the campus network of southwest forest college , utilize IP Multicast realize the direct brodcast on-the-spot.Key words Multicast Igmp Igmp-snooping PIM-SM PIM-DM Media flows Scalable multicast前言 随着INTERNET的飞速发展，利用INTERNET进行协作开发的项目越来越多。对某些应用而言，如分布式数据库开发，一个开发工作组有很多人需在不同的地点协作并经常交换情况。在组的规模比较小的情况下，只需点对点交换信息即可；如果组的规模比较大，点对点交换信息不管对网络还是对信息发送者，都是一种负担，代价昂贵。有时虽可用广播的方式进行处理，但如果在一个上百万节点的网络上向数千台主机进行广播是很低效的甚至是不大可能的。一则绝大部分机器对此不感兴趣，造成信息垃圾；更糟糕的是，部分主机虽需要此信息但可能被误认为对此信息不感兴趣而收不到此项信息。我校的校园网已经建设完成，一些大型晚会的现场直播、教师教学比赛现场直播，电视的直播，这些应用均需占用很大的带宽资源，所以给我们带来了很多的麻烦，因此，我们需要一种办法让本身规模较大而相对互连网又较小的工作组能相互方便、快捷地传递信息，而且能有效的节约带宽。为此，我们将引入IP组播的概念。1 组播概述1.1 组播产生的原因传统的IP通信有两种方式：第一种是在一台源IP主机和一台目的IP主机之间进行，即单播（unicast），如图1；第二种是在一台源IP主机和网络中所有其它的IP主机之间进行，即广播（broadcast）。如果要将信息发送给网络中的多个主机而非所有主机，则要么采用广播方式，要么由源主机分别向网络中的多台目标主机以单播方式发送IP包。采用广播方式实现时，不仅会将信息发送给不需要的主机而浪费带宽，也可能由于路由回环引起严重的广播风暴；采用单播方式实现时，由于IP包的重复发送会白白浪费掉大量带宽，也增加了服务器的负载。所以，传统的单播和广播通信方式不能有效地解决单点发送多点接收的问题（S.E.Deering，Aug, 1989）。IP组播是指在IP网络中将数据包以尽力传送（Best-effort）的形式发送到网络中的某个确定节点子集，这个子集称为组播组（multicast group）。IP组播的基本思想是，源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为组播组地址；组播组中的所有接收者都可以接收到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的 主机（目标主机）可以接收该数据，网络中其它主机不能接收到。组播组用D类IP地址来标识。1.2 组播技术的市场前景IP组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。利用网络的组播特性可以方便地提供一些新的增值业务，包括在线直播、网络电视、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视/音频会议等互联网的信息服务领域。组播从1988年提出到现在已经经历了十几年的发展，许多国家组织对组播的技术研究和业务开展进行了大量的工作。随着互联网建设的迅猛发展和新业务的不断推出，组播也必将走向成熟。尽管目前端到端的全球组播业务还未大规模开展起来，但是具备组播能力的网络数目在增加。一些主要饿ISP已运行域间组播路由协议进行组播路由的交换，形成组播对等体。在IP网络中多媒体业务日渐增多的情况下，组播有着巨大的市场潜力，组播业务也将逐渐得到推广和普及。2 组播技术基本原理2.1 IP组播成员IP组播中各个成员可以不受地域的限制，分布于各个独立的物理网络上，其关系也是动态的，一台主机可以在任何时候加入或者退出某个群组，也可以是任意群组的成员，其成员关系决定了该主机是否接收发送给该群组的组播数据报；同时，不是某个群组的成员也可以向某个群组发送组播数据报，使之具有更大的灵活性。 参与组播的主机可以分为三个级别：级别0：主机不能收、不能发IP组播数据报级别1：主机只能发、不能收IP组播数据报级别2：主机既能收、也能发IP组播数据报级别0的主机不受组播收发数据报的影响，唯一的例外是在某些类型的局域网，级别1或级别2的主机可能将组播数据报误送给级别0的主机（这种情况将在3.2.1中讨论），级别0的主机需要仔细检查所有到达的数据报的目的IP地址（主机对任何数据报均需这样），丢弃误投的数据报。 级别1的主机可以分享部分基于组播的服务，比如资源定位、状态报告、发送IP组播数据报，但不能加入到任何主机组。一个主机仅需极少数代码就可以从级别0升级到级别1，即IP软件允许某个应用程序指定一个组播地址作为其目的IP地址，并将组播地址映射为相应网络的硬件组播地址（具体映射方法在3.2中讨论） 级别2的主机可以可以使用IP组播所有功能，除可以使用级别1主机所能使用的功能外，可以自由加入和离开主机组、可以发送IP组播数据报等。要实现此功能，它要求实现internet群组管理协议（internetgroupmanagementprotocol，简称IGMP）、IP扩展和主机的本地网络服务接口（David Hucaby.，2004.7）。2.2 组播地址根据internetNIC关于IP地址的规定，IP地址共分为A-E共5类，其中A-C类目前应用的普通IP地址，E类地址保留为将来使用，D类地址即为组播地址，其网络号为固定的1110（第03位），第431位定义了某一特殊的组播地址，范围为55，共有228个约27亿个地址。 IP组播地址仅能作为目的地址。它们不能作为数据报的源字段或者出现在源路由和路由记录选项中。3.2.1 分类组播报文的目的地址使用D类IP地址，范围是从到55。D类地址不能出现在IP报文的源IP地址字段。单播数据传输过程中，一个数据包传输的路径是从源地址路由到目的地址，利用“逐跳（hop-by-hop）的原理在IP网络中传输。然而在IP组播环境中，数据包的目的地址不是一个，而是一组，形成组地址。所有的信息接收者都加入到一个组内，并且一旦加入之后，流向组地址的数据立即开始向接收者传输，组中的所有成员都能接收到数据包。组播组中的成员是动态的，主机可以在任何时刻加入和离开组播组。组播组可以是永久的也可以是临时的。组播组地址中，有一部分由官方分配的，称为永久组播组。永久组播组保持不变的是它的IP地址，组中的成员构成可以发生变化。永久组播组中成员的数量都可以是任意的，甚至可以为零。那些没有保留下来供永久组播组使用的IP组播地址，可以被临时组播组利用。3.2.2 以太网组播MAC地址以太网传输单播IP报文的时候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在传输组播报文时，传输目的不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以使用的是组播MAC地址。组播MAC地址是和组播IP地址对应的。IANA（Internet Assigned Number Authority）规定，组播MAC地址的高24bit为0x01005e，MAC地址的低23bit为组播IP地址的低23bit。3.2.3 IP组播地址与网络硬件组播地址的映射以太网硬件地址是48位，而IP地址是32位，有效IP组播地址是28位，以太网支持IP组播地址到以太网组播地址的映射，他们之间的映射很巧妙而简单，主要规则如下：将IP组播地址的低23位简单地代替特定的以太网地址01.00.5e.00.00.00（16进制）中的低23位。例如：IP组播地址9(16进制，其2进制为：11100000.01000010.00111100.01011001)映射到以太网的地址为：01.00.5e.66.60.89（16进制）。按此规则，IP组播地址范围为55，映射到以太网组播地址为01.00.5E.00.00.0001.00.5E.7F.FF.FF这样做一是因为映射方法简单，便于计算和实现；二是可以包括绝大部分组播地址了；三是IP组播地址映射后仅使用以太网地址的固定部分，有利于排错和查找，不易与其它使用以太网的协议发生冲突和干扰。2.3 组播协议根据协议的作用范围，组播协议分为主机-路由器之间的协议，即组播成员管理协议，以及路由器-路由骑之间的协议，主要是各种路由协议。 组成员关系协议包括IGMP（互连网组管理协议）；组播路由协议又分为域内组播路由协议及域间组播路由协议两内。域内组播路由协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等协议，域间组播路由协议包括MBGP、MSDP等协议。同时为了有效抑制组播数据在二层网络中的扩散，引入了IGMP SNOOPING、GMRP等二层组播协议。 通过IGMP和二层组播协议，在路由器和交换机中建立起直联网段内的组成员关系信息，具体地说，就是哪个接口下有哪个组播组的成员。域内组播路由协议根据IGMP维护的这些组播成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树，在路由器中建立组播路由状态，路由器根据这些状态进行组播数据包转发。域间组播路由协议根据网络中心配置的域间组播路由策略，在各自治系统（AS，Autonomous System）间发布具有组播能力的路由信息以及组播源信息，使得组播数据能在域间进行转发（/）。2.3.1 二层组播协议GMRP（GARP Multicast Registration Protocol，GARP组播注册协议）是一种二层组播协议，它是GARP（Generic Attribute Registration Protocol，通用属性注册协议）的一种应用。GMRP的实现基于GARP工作机制，用于维护交换机中的动态组播注册信息。所有支持GMRP特性的交换机都能够接收来自其他交换机的组播注册信息，并动态更新本地的组播注册信息，同时也能将本地的组播注册信息向其它交换机传播，以便使同一交换网内所有支持GMRP特性的设备的组播信息达成一致。GMRP传播的组播注册信息既包括本地手工配置的静态组播注册信息，也包括由其他交换机动态注册到本地交换机的组播注册信息。当一台主机想要加入一个某个组播组时，它将发出GMRP加入消息。交换机将接到加入消息的端口加入到该组播组中，并在VLAN中广播该GMRP加入消息，VLAN中的组播源就可以知晓组播成员的存在。当组播源向组播组发送组播报文时，交换机就只把组播报文转发给与该组播组成员相连的端口，从而实现了在VLAN内的二层组播。 IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping）是运行在二层以太网交换机上的组播约束机制，用于管理和控制组播组。IGMP Snooping运行在链路层。当二层以太网交换机收到主机和路由器之间传递的IGMP报文时，IGMP Snooping分析IGMP报文所带的信息。当监听到主机发出的IGMP主机报告报文（IGMP host report message）时，交换机就将与该主机加入到相应的组播表中；当监听到主机发出的IGMP离开报文（IGMP leave message）时，交换机就将删除与该主机对应的组播表项。通过不断地监控IGMP报文，交换机就可以在二层建立和维护MAC组播地址表。之后，交换机就可以根据MAC组播地址表进行转发从路由器下发的组播报文。 2.3.2 因特网组管理协议（IGMP）IGMP协议运行于主机与机直接相连的组播路由器之间，IGMP实现的功能是双向的：一方面，通过IGMP协议，主机通知本地路由器希望加入并接收某特定组播组的信息；另一方面，路由器通过IGMP协议周期性地查询局域网内某个已知组的成员是否处于活动状态（即该网段是否仍有属于某个组播组的成员），实现所连接网络组成员关系的收集与维护。通过IGMP，在路由器中记录的信息是某个组。播组是否在本地有组成员，而不是组播组和主机之间的对应关系。到目前为止，IGMP有三个版本。IGMPV1（RFC1112）中定义了基本的组成员查询和报告过程；目前通用的是IGMPV2，由RFC2236定义，在IGMPV1的基础上添加了组成员快速离开的机制；IGMPV3中增加的主要功能是成员可以指定或指定不接收某些组播源的报文。2.3.3 组播路由协议 在路由式网络中，对于传递组播信息流，一个至关重要的问题是IP组播路由协议，它克服了利用单播通信模型传递组播信息带来的带宽瓶颈，减少了发送相同数据信息到多个接收者的通信费用，这也是IP组播应用得到发展的主要原因。组播网内数据的流动必须根据组播路由协议建立生成树，使发送源和组播组成员之间形成一条单独的转发路径，确保每个数据包都能转发到目的地。IP组播路由协议分为域内协议和域间协议。域内协议包括PIM-DM、PIM-SM、DVMRP、等。域间协议包括MBGP、MSDP、BGMP等。 2.4 组播报文的转发过程与单播报文的转发相比，组播报文的转发相对复杂。一方面，组播路由类型与单播路由不同，是点到多点的一棵路由树；另一方面组播报文转发的处理过程也有所不同。组播路由可以分为两大类：信源树（Source Tree）和共享树（Shared Tree）.信源树是指以组播源作为树根，将组播源到每一个接收者的最短路径结合起来构成转发树。由于信源树使用的是从组播源到接收者的最短路径，因此也称为最短路径树（shortest path tree,SPT）.对于某个组，网络要为任何一个向该组发送报文的组播源建立一棵树。共享树以某个路由器作为路由树的树根，改路由器称为汇集点（Rendezvous Point,RP），将RP到所有的接收者的最短路结合起来构成转发树。使用共享树时，对应某个组，网络中只有一棵树。所有的组播源和接收者都使用这棵树来收发报文，组播源先向树根发送报文，之后报文又向下转发到达所有的接收者。报文的转发过程中，路由器并不关心组播源地址，只关心报文中的目的地址，通过目的地址决定向哪个接口转发。在组播中，报文是发给一组接受者的，这些接收者用一个逻辑地址标识。路由器在接收到报文后，必须根据源和目的地址确定出上游（指向组播源）和下游方向，把报文沿着远离组播源的方向进行转发。这个过程称作RPF（Reverse Path Forwarding,逆向路径转发）。RPF执行过程中会用到原有的单播路由表以确定上游和下游的邻接接点，只有当报文是从上游邻接接点对应的接口（称作RFC接口）到达时，才向下游转发。RPF的作用除了可以正确地按照组播路由的配置转发报文外，还能避免由于各种原因造成的环路，环路避免在组播路由中是一个非常重要的问题。RPF的主体是RPF检查，路由器收到组播报文以后，先对报文进行RPF检查，只有检查通过才转发，否则丢弃。RPF检查过程如下：（1） 路由器在单播路由表中查找组播源或RP对应的RPF接口。某个地址对应的RPF接口是指从路由器向该地址发送报文时的出接口；（2） 如果组播报文是从RPF接口接收下来的，则RPF检查通过，报文向下游接口转发； （3） 否则，丢弃该报文；3 流媒体3.1 流媒体产生原因互联网的普及和多媒体技术在互联网上的应用，迫切要求能解决实时传送视频、音频、计算机动画等媒体文件的技术，在这种背景下，于是产生了流式传输技术及流媒体。通俗的讲，在互联网上的视音频服务器将声音、图像或动画等媒体文件从服务器向客户端实时连续传输时，用户不必等待全部媒体文件下载完毕，而只需延迟几秒或十几秒，就可以在用户的计算机上播放，而文件的其余部分则由用户计算机在后台继续接收，直至播放完毕或用户中止操作。这种技术使用户在播放视音频或动画等媒体的等待时间成百倍的减少，而且不需要太多的缓存（Steve Mack，2003.1）。流媒体简单来说就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件，而流技术就是把连续的影象和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，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。该技术先在使用者端的电脑上创造一个缓冲区，于播放前预先下载一段资料作为缓冲，于网路实际连线速度小于播放所耗用资料的速度时，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，也使得播放品质得以维持。目前在这个领域上，竞争的公司主要有三个：Microsoft、RealNetworks、Apple，而相应的产品就是：WindowsMedia、RealMedia、QuickTime。3.2 流媒体的系统组成一个完整的流媒体系统应包括以下几个组成部分。（1） 编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据,形成流媒体格式，这可以由带视音频硬件接口的计算机和运行其上的制作软件共同完成。（2） 流媒体数据。（3） 服务器：存放和控制流媒体的数据。（4） 网络：适合多媒体传输协议或实时传输协议的网络。（5） 播放器：供客户端浏览流媒体文件。3.2.1 媒体服务器硬件平台视频服务器把视频信息以视频流的形式通过网络接口发送给相应的客户，响应客户的交互请求，保证视频流的连续输出。视频信息具有同步性要求，一方面必须以恒定的速率播放，否则引起画面的抖动，如MPEG-1视频标准要求以1.5Mb/s左右的速度播放视频流。另一方面，在视频流中包含的多种信号必须保持同步，如画面的配音必须和口型相一致。另外，视频具有数据量大的特点，它在存储系统上的存放方式，直接影响视频服务器提供的交互服务，如快进和快倒等功能的实现。因此视频服务器必须解决视频流特性提出的各种要求。3.2.2 媒体服务器软件平台网络视频软件平台包括媒体内容制作、发行与管理模块、用户管理模块、视频服务器。内容制作涉及视频采集、编码。发行模块负责将节目提交到网页，或将视频流地址邮寄给用户。内容管理主要完成视频存储、查寻；节目不多时可使用文件系统，当节目量大时，就必须编制数据库管理系统。用户管理可能包括用户的登记和授权。视频服务器将内容通过点播或直播的方式播放，对于范围广、用户多的情形，可在不同的区域中心建立相应的分发中心(傅卫国, 2000年11期)。3.3 流媒体的网络环境流媒体通信网并不是一个新建的专门用于流媒体通信的网络，目前绝大部分的多媒体业务多是在现有的各种网络上运行的，并且按照多媒体通信的要求对现有网络进行改造和重组。目前通信网络大体上可分为三类：一类为电信网络，如公共电话网（PSTN）、分组交换网（PSPDN）、数字数据网（DDN）、窄带和宽带综合业务数字网(N-ISDN和B-ISDN)等；一类为计算机网络，如局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN），具体如光纤分布式数据接口（FDDI）、分布式队列双总线（DQDB）等；一类为电视广播网络，如有线电视网（CATV）、混合光纤同轴网（HF）、卫星电视网等。以上介绍的通信网虽然可以传输多媒体信息，但都不同程度上存在着各种缺陷。于是，人们自然将目光转向了一些新的网络存取方式，如宽带综合业务数字网（B-ISDN）、异步传输（ATM）网和宽带IP网络。事实表明，这些网络是到目前为止是最适合多媒体信息传输的网络。3.4 流媒体的技术特征3.4.1 采用流式传输在网络上传输音视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方案。音/视频文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大；同时由于网络带宽的限制，下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很大。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，用户只需经过几秒或十几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。流式传输不仅使启动延时大大缩短，而且不需要过多的缓存，从而避免了用户必须等待整个文件全