IP組播技術(shù)在視頻中的應(yīng)用

2019-11-04 22:38:22

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供稿：網(wǎng)友

　　摘要：隨著流媒體、視頻等業(yè)務(wù)在Internet上的相繼開(kāi)展，ip組播技術(shù)和應(yīng)用開(kāi)始快速發(fā)展。本文主要分析IP組播技術(shù)的產(chǎn)生、概念和特點(diǎn)，以及相關(guān)技術(shù)，最后介紹了IP組播技術(shù)在視頻業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。
　　
　　要害詞：IP組播視頻協(xié)議
　　
　　一、引言
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了各種業(yè)務(wù)，如E-mail、TELNET、FTP、WWW等業(yè)務(wù)，這些都是點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；而人們更希望在Internet上開(kāi)視頻會(huì)議、聽(tīng)現(xiàn)場(chǎng)音樂(lè)會(huì)、看實(shí)況轉(zhuǎn)播等，這些是點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，需要采用IP組播（IP multicast）通信技術(shù)。目前，這種技術(shù)已成為國(guó)外各種研究團(tuán)體和科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，許多網(wǎng)絡(luò)廠商紛紛提供能支持IP組播技術(shù)的產(chǎn)品，一些網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)商(ISP)也逐漸提供這種高級(jí)服務(wù)，許多提供大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的大公司開(kāi)始使用組播通信。
　　
　　二、IP組播技術(shù)的產(chǎn)生
　　IP組播的概念最早在1988年出現(xiàn)在Steve deering的博士論文中，并在1989年Steve deering對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了IP組播規(guī)范；1992年3月第一次建立組播主干網(wǎng)MBone，IETF并成功地在組播網(wǎng)上舉行了一次會(huì)議，才引起了人們的廣泛關(guān)注。而第一個(gè)WWW瀏覽器出現(xiàn)在1990年，到1993年已發(fā)展到100個(gè)WWW站點(diǎn)，所以組播和WWW雖處于同一時(shí)期，但組播的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于WWW，主要原因是IP組播通信模式需要狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜的路由器，要求路由器能提供每個(gè)群組和每個(gè)源的信息狀態(tài)，并且隨著Internet的越來(lái)越復(fù)雜給組播的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了困難。后來(lái)，出現(xiàn)的一些設(shè)計(jì)精巧的組播路由協(xié)議（如PIM-DM、PIM-SM等），使組播IP包能正確而又迅速地發(fā)送給成千上萬(wàn)的接收者，IP組播的技術(shù)和應(yīng)用開(kāi)始快速發(fā)展。
　　
　　目前，IP組播可以運(yùn)行在任意體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)之上，包括因特網(wǎng)、ATM、幀中繼、SMDS和衛(wèi)星，并許多應(yīng)用領(lǐng)域，能應(yīng)用在視頻會(huì)議、多媒體、新聞發(fā)布和來(lái)自太空的遠(yuǎn)程實(shí)況廣播。
　　
　　三、IP組播的概念
　　IP組播是利用一種協(xié)議將IP數(shù)據(jù)包從一個(gè)源傳送到多個(gè)目的地，將信息的拷貝發(fā)送到一組地址，到達(dá)所有想要接收它的接收者處。IP組播是將IP數(shù)據(jù)包“盡最大努力”傳輸?shù)揭粋€(gè)構(gòu)成組播群組的主機(jī)集合，群組的各個(gè)成員可以分布于各個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上。IP組播群組中成員的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，主機(jī)可以隨時(shí)加入和退出群組，群組的成員關(guān)系決定了主機(jī)是否接收送給該群組的組播數(shù)據(jù)包，不是某群組的成員主機(jī)也能向該群組發(fā)送組播數(shù)據(jù)包。
　　
　　同單播（unicast）和廣播（broadcast）相比，組播效率非常高，因?yàn)槿魏谓o定的鏈路至多用一次，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源。
　　
　　在一個(gè)單播（unicast）環(huán)境里，視頻服務(wù)器依次送出n個(gè)信息流，由網(wǎng)絡(luò)中的用戶接收，共需要nx1.5Mbit/s的帶寬；假如服務(wù)器處于10Mbit/s的以太網(wǎng)內(nèi)，6~7個(gè)信息流就占滿了帶寬；若在一個(gè)高速的以太網(wǎng)里，最多只能容納250~300個(gè)1.5Mbit/s的視頻流，所以服務(wù)器與主機(jī)接口間的容量是一個(gè)巨大的瓶頸。
　　
　　在一個(gè)組播（multicast）環(huán)境里，不論網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)目有多少，服務(wù)器發(fā)出的一個(gè)視頻流，由網(wǎng)絡(luò)中的路由器或交換器同時(shí)復(fù)制出n個(gè)視頻流，廣播到每個(gè)用戶，僅需1.5Mbit/s的帶寬。
　　
　　可見(jiàn)，IP組播能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源，治理網(wǎng)絡(luò)的增容和控制開(kāi)銷(xiāo)，大大減輕發(fā)送服務(wù)器的負(fù)荷，從而高性能地發(fā)送信息。
　　
　　另外，組播傳送的信息能同時(shí)到達(dá)用戶端，時(shí)延小，且網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器不需要知道每個(gè)客戶機(jī)的地址。所有的接收者使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組播地址，可實(shí)現(xiàn)匿名服務(wù)，并且IP組播具有可升級(jí)性，與新的IP和業(yè)務(wù)能相兼容。
　　
　　四、IP組播技術(shù)的特點(diǎn)
　　IP組播技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
　　
　　1.群地址
　　
　　在組播網(wǎng)中，每個(gè)組播群組擁有惟一的組播地址（D類(lèi)地址），一部分IP組播地址是由Internet治理機(jī)構(gòu)分配的，其他的組播地址作為暫時(shí)地址被用戶使用；組播數(shù)據(jù)包可以送到標(biāo)識(shí)目的組機(jī)的組地址，發(fā)送者不必知道有哪些組成員，它自己不必是組成員，對(duì)組成員中主機(jī)的數(shù)目和位置也沒(méi)有限制。主機(jī)不需要和組成員以及發(fā)送者商量，可以任意加入和離開(kāi)組播組；使用組地址，不必知道主機(jī)指定的位置，可以找到具有此組播地址的任何資源和服務(wù)器，在動(dòng)態(tài)變化的信息提供者中搜尋到需要的信息，或者發(fā)布信息到任意大小的可選用戶群。
　　
　　2.規(guī)模可擴(kuò)展性
　　
　　假如網(wǎng)絡(luò)速率提高，廣域組播網(wǎng)絡(luò)的容量需要擴(kuò)大，后來(lái)產(chǎn)生的組播路由算法和協(xié)議如PIM-DM、PIM-SM、CBT等都支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展，而上述的群地址和動(dòng)態(tài)性也是適應(yīng)規(guī)模可擴(kuò)展性的另一方面。
　　
　　3.健壯性
　　
　　IP組播網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議和算法能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路由動(dòng)態(tài)變化，它采用軟件狀態(tài)刷新機(jī)制，制作路由備份等方法，來(lái)維護(hù)群組成員之間的連接，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
　　
　　4.路由算法的獨(dú)立性
　　
　　組播路由算法和協(xié)議獨(dú)立于單播路由使用的協(xié)議，但又依靠現(xiàn)存的單播路由表，在域內(nèi)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瑒?dòng)態(tài)生成組播樹(shù)。
　　
　　5.組播生成樹(shù)的靈活性
　　
　　組播生成樹(shù)的形成與發(fā)送者和接收者的分布、網(wǎng)絡(luò)的流量狀況以及組成員的動(dòng)態(tài)性有關(guān)，且組播生成樹(shù)也反映了不同的組播路由算法和組播應(yīng)用。靈活的組播生成樹(shù)有利于數(shù)據(jù)包的傳送，不輕易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞。
　　
　　五、IP組播技術(shù)
　　1.IP組播地址分配
　　
　　在組播網(wǎng)內(nèi)，一個(gè)組播群組指定為一個(gè)D類(lèi)地址。使用點(diǎn)分十進(jìn)制表示發(fā)來(lái)描述組播地址的范圍是：224.0.0.0到239.255.255.255，但是地址224.0.0.0是保留的，它不能賦給任何群組。
　　
　　在組播通信模型中，需要兩種新型地址：一個(gè)IP組播地址和一個(gè)Ethernet組播地址，IP組播地址表示一組接收者，它們要接收發(fā)給整個(gè)組的數(shù)據(jù)；由于IP包封裝在Ethernet幀內(nèi)，所以還需要一個(gè)Ethernet組播地址。為使組播模型正常工作，主機(jī)應(yīng)能同時(shí)接收單播和組播數(shù)據(jù)，主機(jī)需要多個(gè)IP地址和Ethernet地址，其中單播IP和Ethernet地址用于單播通信，而Ethernet組播地址用于組播通信。假如主機(jī)不預(yù)備接收組播地址，就設(shè)置為零組播地址。所以，單播和組播地址之間的主要差異在于每個(gè)主機(jī)都有一個(gè)惟一的單播地址，組播地址則不然。
　　
　　將D類(lèi)IP地址映射為Ethernet MAC地址是由數(shù)據(jù)鏈路層完成的。從組播映射到令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)第2層地址的過(guò)程，是CISCO路由器采取的工作程序，而Ethernet及FDDI網(wǎng)絡(luò)從組播到第2層的映射相當(dāng)直接。
　　
　　在映射過(guò)程中，組播IP地址中共有9位不參與替換，包括高位字節(jié)8位以及緊接在該字節(jié)后面的一個(gè)標(biāo)志位，其中最開(kāi)始的4位1110表示屬于D類(lèi)IP地址，剩下23位進(jìn)行替換，將IP組播地址中的低23位取代Ethernet組播地址01：00：5E：00：00：00的低23位。因此，有5位真正不參與映射，無(wú)論這些位的值是什么，組播Ethernet地址都是相同的。由于5個(gè)位共可以有32種不同的組合，所以映射并不具有惟一性。
　　
　　2.IGMP
　　
　　在一個(gè)組播路由器建立路由，傳送其組播群組成員關(guān)系信息之前，它必須確定在本地網(wǎng)絡(luò)上有一個(gè)或多個(gè)主機(jī)是否加入了某個(gè)組播群組。為此，組播路由器和實(shí)現(xiàn)組播的主機(jī)必須使用互連網(wǎng)組治理協(xié)議(IGMP，Internet Group Management PRotocol)來(lái)進(jìn)行群組成員關(guān)系信息的通信。利用IGMP，組播路由器可判定在與自己連接的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，是否存在組播組的一些成員，如存在組成員，組播路由器便可加入一個(gè)特定的組播組，并將組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給加入該組的主機(jī)。因此，IGMP被主機(jī)用來(lái)通知直連的路由器，令其加入一個(gè)組播組，使組播網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)性和靈活性。
　　
　　最初的IGMP規(guī)范是在RFC 1112文件里具體定義的，我們通常將這套規(guī)范稱(chēng)為“IGMP版本1”，由斯坦福大學(xué)的S.Deering成文于1989年8月。后來(lái)又由施樂(lè)PARC公司的W.Fenner對(duì)最早的IGMP版本1進(jìn)行了大幅更新，更新的結(jié)果就是RFC 2236文件即IGMP版本2。兩個(gè)版本的IGMP相互間可進(jìn)行少許操作。在IGMP版本2臨近正式批準(zhǔn)時(shí)。IDMR已經(jīng)開(kāi)始IGMP版本3的研究工作，現(xiàn)在已有的draft為draft-ietf-idmr-igmp-v3-05.txt。IGMPv1中定義了基本的組成員查詢和報(bào)告過(guò)程，IGMPv2在此基礎(chǔ)上添加了組成員快速離開(kāi)的機(jī)制，IGMPv3中增加的主要功能是成員可以指定接收或指定不接收某些組播源的報(bào)文。
　　
　　3.二層組播相關(guān)協(xié)議
　　
　　IP網(wǎng)絡(luò)的二層組播相關(guān)協(xié)議包括IGMP Snooping和CGMP。
　　
　　IGMP Snooping通過(guò)交換機(jī)去偵聽(tīng)主機(jī)發(fā)向路由器的IGMP成員報(bào)告消息的方式，形成組成員和交換機(jī)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，放在組播CAM表項(xiàng)中。交換機(jī)根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)給具有組成員的接口。
　　
　　CGMP(Cisco Group Management Protocol)是Cisco基于客戶機(jī)/服務(wù)器模型開(kāi)發(fā)的私有協(xié)議，它將運(yùn)行在路由器和交換機(jī)上，答應(yīng)成員關(guān)系信息從路由器到交換機(jī)進(jìn)行通信。在CGMP的支持下，組播路由器能夠根據(jù)接收到的IGMP數(shù)據(jù)包通知交換機(jī)哪些主機(jī)何時(shí)加入和脫離組播組，交換機(jī)利用由這些信息所構(gòu)建的轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)確定將組播數(shù)據(jù)包向哪些接口轉(zhuǎn)發(fā)。GMRP是主機(jī)到以太網(wǎng)交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它使組播用戶可以在第二層交換機(jī)上對(duì)組播成員進(jìn)行注冊(cè)。
　　
　　4.IP組播路由協(xié)議
　　
　　在路由式網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于傳遞組播信息流，一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題是IP組播路由協(xié)議，它克服了利用單播通信模型傳遞組播信息帶來(lái)的帶寬瓶頸，減少了發(fā)送相同數(shù)據(jù)信息到多個(gè)接收者的通信費(fèi)用，這也是IP組播應(yīng)用得到發(fā)展的主要原因。組播網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的流動(dòng)必須根據(jù)組播路由協(xié)議建立生成樹(shù)，使發(fā)送源和組播組成員之間形成一條單獨(dú)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，確保每個(gè)數(shù)據(jù)包都能轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。
　　
　　IP組播路由協(xié)議分為域內(nèi)協(xié)議和域間協(xié)議。域內(nèi)協(xié)議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等。域間協(xié)議包括MBGP、MSDP、BGMP等。

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