单播和为了理解组播

IPTV定义 所有IPTV系统传送视频用IP网 这是对的 但反过来说 用IP网传送视频的系统都是IPTV 那就不对了 那么真正的IPTV是什么哪 IPTV是在一个IP网上传送传统广播频道到消费者一个简单的传送方 式的 用以 取代地面广播 CATV和卫星服务 即使使用了IP 公共互联网实际上并不具有IPTV的主要特性 事实上 IPTV服务几乎是通过专用网进行传输的 正如在美国和其他地方电话公司所具有的电话专用网 从观众端观点看 机顶盒是需要的 他把进入的IPTV信号变换成标准的视频信号 以供家中电视机显示 那么它 的主要特征是 1 连续的视频流 具有专业制作的内容 如电视广播网络送来的 2 成百个不停止 连续播出的频道 3 统一的内容形式 所有通道共享一种压缩方式和使用同一个码率 4 在专用网上传输 如电话公司的DSL 5 通过机顶盒在家庭电视机上观看 5 通过机顶盒在家庭电视机上观看 互联网视频 互联网视频是借助公共互联网传送视频内容进行观看的方式 在互联网视频系统中 服务器提 供商建立 一个门户网站 供人在标准的浏览器进行收索 在这个网站中供收索用的内容以表或目录出现 一旦观众 选择了内容 这个节目就会从服务器传到用户的PC机 这时媒体观看软件可以观看 也可把内 容下载到另外的 设备中 互联网视频的主要特征是 1 内容长度不等 从短片到电影大片 2 提供Millions of content offerings 3 很多内容格式 不同的压缩方式 版权管理技术和图像分辨率 4 在公共互联网上传输 5 可在PC机上软件观看 也可在小型视频放机上或借助网络适配器在电视机上观看 单播和组播技术 组播是同时送一个信号到多个用户的过程 所有观看者同时得到同样的信号这如 同传统的电视广播一样 实际上所有商业视频广播都使用组播进行工作 包括有线电 视 卫星电视 直播电视和绝大多数IPTV设备 然而对于流视频和互联网视频来说是 例外而不是惯例 下面我们将详细加以解释 1 基本概念 为了理解组播 我们先把它与单播进行比较 在单播中每个视频流都精确的送往每个受体 如果多个受体需要同一个视频 那么信号源就要对每个用户产生独立的单播流 然后这些 独立的流从信号源经过IP网络流向每一个受众 图1 单播和组播环境下数据流程 在组播中 一个单独的视频流同时送往多个用户 虽然使用特别协议 网络定向为每 个 受众复制视频流 这种复制发生在网络内部而不是在信号源 复制是在受众需要的网 络点上进行 图1显示在单播和组播环境下数据流程的不同 注意 IP 网络也支持叫作广播的功能 在那里一个单一的包送往局域网的每个设备 接收广播包的每一个设备必须处理这个包 假如有这个设备的信息 但广播包不会在 流媒体里使用 因为即使是一个小的流也会灌满所有局域网所有设备 另外广播包一 般不由路由器从一个局域网传播到另外的局域网 这就是说 这些情况对于流应用是 不希望的 在真正的 IP 组播中 这些包仅仅送往特别需要接收它们的设备上 为了便于理解 我们打个比喻 假如有一个大公司要把一个事关职工利益的 信 函 寄到每个职工的家里 一个方法是复制内容 然后在信封上写上每个职工的家 庭住址经公司内邮局寄出去 在这里边 可能公司分几处 有些职工住的很远 中间信函要经公司内部邮局 再到职工住的附近邮局 最后每个信函才能到达 每个职工的手里 这有点像单播流程 而另外一种方法就是将复印几份内容 给每个公司的一个特别的人 这个人 再负责复制内容再在寄往这处公司每个职工的信封上写上每个人的住址就可以 了 这种方式有点象组播 这种方式有几点好处 负责这个工作的人的工作量大为减少 如果是单播方式 该人必须对每个职工都要复制一份 然后还要写上每个人住址 而组播方式只需复印 几份 各送一份到分公司一个人就可以了 送往公司几个地点的邮寄量大为减少 单播中必须给每个职工复印一份并传送到每 个地点的职工 而多播方式仅仅对每个地点复印一份 在单播中负责这个工作者必须知道每个职工的地址 在一个大的公司 职工的名字 和地址每周甚至每天都在变化 跟踪所有职工地址是一个极大的负担 与此相比 组 播 方式 该人只需要知道公司几个地点的地址就行了 当然 有一个为所有这些好处带来的成本 大量的成本下降落到在公司每 个地点负责复制和重新分配信函的那几个特殊的人身上 这些人也必须认识到 哪些信息需要被重新分配 哪些可能是以一个特殊的地址或便条的备忘录的形 式出现 这种复制的功能是对特殊的人的 IP 多播网络路由器表现的数据包复制 功能非常相似 我们将看到 2 单播 IP 网络中的单播是从源发送数据包到一个目的地的传统方式 源进行分包 注明目的 IP 地址 然后数据包沿网络传输 当同一个同数据需要 发送到多个目的地时 源为每个目的地址准备了单独的一个包 在单播流中 想要观看视频的每个用户必须向视频源提出需求 源必须创建一个流 流的包 中含有每个用户的 IP 地址 当同时观看人数增加时 源的负载也跟着增加 因 为它必须持续不断的创建流的包给每一个观众 这就需要一个显着的处理能力 还需要一个网络连接能力 要大到足以传送所有的输出数据包 例如 一个视 频源发送 20 个不同用户的数据流 每个数据流是 2 5 兆位每秒 Mbps 那么 这时需要一个至少 50 Mbps 的网络连接 单播重要的好处是每一个观众可以定 制视频流 这允许视频源提供专业的特点 如暂停 倒带 快进视频 这通常 只有在预先录制的内容情况下才是可行的 但对于用户来说却是一个流行的正 常的功能 表 9 1 总结了一些主要的优点和缺点 单播的好处和不足 好处 单播工作在标准的 IP 网络 如公共互联网 每个用户都单独有一个视频 流 这就允许视频源为每位用户提供重放控制 正如暂停 快进和倒放 视频源能准确确定哪些用户单播用户可允许接收数据流和保证每个受众的 记录 不足 视频源必须有足够的处理能力和网络带宽 以便为每个用户创建一个流 如果源带宽耗尽 就不能再接受用户了 在网络所有传输环节必须具有足够的带宽 才能把所有流从视频源传到 它们的目的地 视频源必须知道每个有效观众设备的正确 IP 地址 3 组播 组播中为每位用户创建流的负担从视频源转到了网络 在网络内部 特别 的协议允许 IP 路由器识别组播包 然后把它们送到各个组播目的地 这通过给 包一个特别的组播地址来完成 用一个特别协议允许用户加入组播 组播仅在一个方向工作 正像播出广播一样 没有内建机理去收集从每个 终端的数据和把它们送往视频源 如有些网络对丢失的数据包记数反馈机理 这就意味着任何终端与视频源的互动需要其它机理来解决 组播优点与缺点 优点 使用组播网络带宽需求量大为减少 仅有一个视频流的复制需要沿网络的 任何分支传输 视频源相对要简单的多 它们仅需要传输一个供拷贝的视频流 高质量 即高带宽 的视频常用于组播 确定 组播所有观众在同一时间里获得同样的视频 每个用户不能够对节目内容 进行暂停 快进和倒放等操作 网络设备要具有组播能力 特别是从视频源到每一个组播目的地一路的路 由器 这可能需要重新配置或对某些本地设备进行软硬件升级 有些防火墙和 NAT 设备会阻止使用在组播的协议 路由器的负担是明显的 它们必须处理组播控制信息和实现包的复制 在组播网络中接入特别视频内容的控制是复杂的 当使用混合的共有与专用网时 系统安装是复杂的 4 加入和离开组播加入和离开组播 在组播中 所有用户同时接收同样的视频流 所以当用户要看组播节目时 他们必须在组播节目进行中的一个点加入 与看电视广播的道理一样 同样 加入组播节目已经在网上传送 用户有加入和离开的选择 但他们不能够开始 或 停止组播节目 在一些实施方案中 组播节目送往一个环网 continuous loop 中 这样没来得及看节目开头的用户可以继续看他们错过的内容 组播源负责对网络用户群发布它的数据流的可使用性消息 有兴趣接收组 播的用户 用户必须听取这些消息 因为这些消息中含有组播如何构成的 用 户设备然后提取这些信息产生组播加入需求 并把它向上送到最近的路由器中 当路由器接收到用户加入组播的需求之后 路由器必须干几件事情 首先 路由器必须确定它是否已处理过其他用户的组播 如果是那么它只需复制一个 组播流并把它送到需要的用户 如果不是 路由器必须从接近组播源的设备中 送组播信号 这样路由器就可以把它复制后送往用户 注意 在这种情况下 组播需求从路由器传路由器 为找到一个从用户位置到组播源的完全路由 这 种过程可重复多次 观察这个过程可以看出关键点 每个路由器必须跟踪它正在处理的所有组 播流 如果它已经接收了一个组播流 那它就必须为新的有需求的用户复制一 个流 如果没有接收组播流 那它就允许可从其它路由器需求一个流来 这是 组播的美事 如果路由器已有用户使用组播 那么路由器只需一个组播流 这 就意味着路由器间带宽的使用很有效 一个具有几百户复杂的网络 一个路由 器可能就是一个网关 它只需要接收组播流的一个拷贝就可以了 把它与单播 环境进行比较 一个支持几百个用户的路由器的网关路由器将要有足够的能力 为每个用户复制一个视频流 离开组播的处理对于维持整个系统效率也是非常重要的 当用户想离开组 播 它的设备必须送一个 离开 信息给路由器 那么路由器就停止传送组播流 这样用户带宽就可腾出来供其它用户使用 同样 当路由器不再有用户需求组 播流的话 那这个路由器也必须离开组播 这个离开处理是重要的 没有它 组播网络很容易被无人看的流堵塞 IPTV 加入和离开组播网络示例 加入一个多播可以是一个相当复杂的过程 如果用户设备是请求一个特定 的多播流的第一个用户 那么配置在组播源和用户设备之间的所有网络设备 必须用于传输这个组播流 考虑图 所示的示例网络 在这种情况下 用户设 备 1 ud1 是请求由视频源提供的组播了第一用户 ud1 发出命令 加入 由源 送出的组播 R3 这是离 UD1 最近的路由器首先确定它目前没接收组播 然 后把要求发送到路由器 R2 R2 把要求转给路由器 R1 R1 然后开始发送组播 流到 R2 依次将流送到 R3 R3 然后把需求的组播流送到 ud1 用户 图 组播加入 离开网络 当用户 UD2 请求加入组播时 首先由离 UD2 近的路由器 R5 进行处理 由于它目前没接收组播流 它向路由器 R4 发一个请求 R4 然后请求 R2 R2 由于已有组播流 所以它就复制流后送到 R4 依次将送到 R5 一旦 R5 开始接收流时 它就可以把流送到 UD2 了 离开组播也是一个十 分复杂的过程 让我们看一看但 UD1 决定离开组播时会发生什么 它需要 发送一个 离开 的报告给 R3 R3 然后停止转发流给 ud1 R3 必须检查是 否任何连接到它的其他设备 用户设备或其他路由器 是否仍然在使用多 播流 一旦决定没有其他的设备使用流 它可以发送一个 离开 的报告给 R2 当 R2 收到 R3 的 离开 报告 它就停止复制流并将其发送到 R3 当 R2 检查是否 有任何其他设备正在使用流 它一看 R4 仍然需要流 所以 R2 可以不采取进一 步的行动 组播与单播带宽的比较 如前所述 在多播情况下 只有流的一个副本需要在每对路由器之间的网络 上发送 与单播相比 这可以提供带宽的极大节省 让我们来看一个简短的例 子 以 100 网络用户为例 其中 16 个用户要同时看一个节目 假设网络中有四个路 由器 所有路由器都互相连接在一起 视频源与路由器 A 相连 16 个用户均匀 地与四个路由器 A B C D 相连 我们看一看这里带宽是如何崩溃的 在单播中 视频源将需要为每个用户提供视频流的一个副本 总共 16 个流 离开源进入路由器 A 路由器将这些流转发到目的地 四个流将被发送当地的 观众 而四个流需要分别发送到其他三路由器 如图 所示 多播情况下 视频源仅需要一个流给路由器 A 该路由器将复制七个流 其 中发