IP組播在網絡視頻多點傳輸中的意義

2019-11-03 09:06:27

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供稿：網友

北京郵電大學翟海涌

　　數字視頻傳輸是人們利用視覺來獲取信息的一種通信方式，它較之其它信息傳遞方式，具有確切性、直觀性及高效率等特點。由于數字視頻傳輸的大信息量和有限的傳輸帶寬，使得視頻的壓縮編碼、傳輸信道和網絡協議的選擇、ip組播技術（IP Multicast）以及基于Windows 操作平臺的軟件實現成為了基于網絡的數字視頻傳輸應用中的關鍵技術。

　　對于一個以計算機網絡連接的視頻監控系統，一個需要解決的問題是多個站點視頻監控的網絡通信問題，要求做到傳輸時延盡可能小，盡可能少地占用現有的網絡帶寬，并具有較好的站點數量規模化特性。本文在分析比較單播、廣播和組播工作方式的基礎上，指出了IP組播技術的使用對于網絡視頻的多點實時傳輸、網絡多點實時監控具有特別重要的意義，并介紹了與組播密切相關的IP地址格式。

一、單播、組播、廣播技術之比較

　　組播技術被認為是WWW技術推廣之后出現的最激動人心的網絡技術之一。組播是一種允許一個或多個發送者發送單一的數據包到多個接收者的網絡技術。組播源把數據包發送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數據包。組播可以大大的節省網絡帶寬，因為無論有多少個目標地址，在整個網絡的任何一條鏈路上只傳送單一的數據包。基于三種通訊方式的網絡結構和數據傳遞過程的工作方式可以看出：　　數據信道。如果一臺主機同時給很少量的接收者傳輸數據，一般沒有什么問題。但如果有大量主機希望獲得數據包的同一份拷貝時卻很難實現。這將導致發送者負擔沉重、延遲長、網絡擁塞；為保證一定的服務質量需增加硬件和帶寬。

　　組播（Multicast）傳輸：它提高了數據傳送效率。減少了主干網出現擁塞的可能性。組播組中的主機可以是在同一個物理網絡，也可以來自不同的物理網絡（如果有組播路由器的支持）。

　　廣播（Broadcast）傳輸：是指在IP子網內廣播數據包，所有在子網內部的主機都將收到這些數據包。

　　廣播意味著網絡向子網主機都投遞一份數據包，不論這些主機是否樂于接收該數據包。然而廣播的使用范圍非常小，只在本地子網內有效，因為路由器會封鎖廣播通信。廣播傳輸增加非接收者的開銷。

　　目前，使用得最為廣泛的組播技術是IP Multicast。IP組播技術是一種為優化使用網絡資源而產生的技術，通常用于多點工作方式下的應用程序中，它是標準IP網絡層協議技術的一個擴展。

　　從Steve Deering于1989年提出的IETF的RFC1112“Host Extension for IP Multicast”中的定義我們可以得知：IP組播的核心思想是——通過一個IP地址向一組主機發送數據（UDP包）。發送者僅僅向一個組地址發送信息，接收者只需加入到這個分組就可以接收信息，所有的接收者接收的是同一個數據流，組中成員是動態的，可以根據自己的意愿隨時隨意加入或退出。每一臺主機都可以同時加入到多個組中，每一個組播地址可以在不同的端口或者不同的套接字（Socket）上有多個數據流，同時許多實際應用可以共享一個組地址。IP組播技術可以有效地避免重復發送可能引起的廣播風暴，并且能夠突破路由器的限制，將數據包傳送到其它網段。

二、遠程視頻網絡技術方案分析

　　常規的點對點通信方式下，N個視頻站點的視頻傳輸至少要重復發送N-1次相同的數據包，發送時延大，而且隨著監控站點數量增長，時延就會迅速增長。所以點對點的通信方式，不適于要求規模化、短時延的多點視頻監控的網絡傳輸。

　　另一方面，廣播通信在局域網上要消耗所有機器上的資源，而在廣域網上，全網廣播耗用網絡帶寬大，定向廣播的通信范圍則受限于某一局域網，所以廣播技術只適用于不跨越物理網段的視頻監控網絡傳輸。

　　一些物理網絡及其軟件實現技術支持有限范圍內的多點投遞方式，即組播。局域網組播利用物理網絡保留的用于組播的地址進行多點通信。當一組機器要通信時，它們選擇一個特殊的組播地址用于通信。在配置好網絡接口硬件后，就能識別該組播地址，而組中的所有機器就會收到送到該組播地址上的每個分組的拷貝。由于組播在網絡硬件局部（如以太網網卡）就能區分多個不同組的通信，無須軟件區分，所以比廣播方式更能節省主機資源。

　　目前IP幾乎成為數據通信和網絡互連的最低一致協議，IP協議中的IP組播（IP Muticasting）對互連網絡中的不同硬件組播地址進行了抽象，形成了一個可以跨越局域網的一致的組播接口，在物理網絡上，能充分利用硬件的組播特性。在廣域網通信上，它可以利用DVMRP、MOSPF、CBT或PIM的路由協議，能保證在一條物理鏈路上始終只有一個數據拷貝，從而大大節約了帶寬。

　　所以無論從局域網絡和廣域網絡的通信方式看，還是從通信應用的開發一致性上看，利用IP組播來實現規模化的視頻監控具有很大的優勢。

三、IP組播技術在多點視頻數據傳輸方面的優勢

　　由于數字視頻在網絡傳輸時有著很大的數據吞吐量，如果使用端對端的IP單播技術進行數字視頻的多點傳送，首先，視頻服務器必須始終保持在偵聽狀態，以了解每一個動態加入的客戶端的服務請求，而套接字的偵聽非常消耗系統的CPU資源，過于頻繁的偵聽容易造成系統的不穩定，同時還會影響視頻傳輸的實時性，造成視頻在網絡中傳輸時出現頻繁抖動，最終影響視頻傳輸的服務質量（QoS）；其次，視頻服務器面對不同的客戶端的同一視頻服務請求，需要進行重復發送，N個客戶端需要占用N倍的網絡帶寬資源，極大地浪費了網絡帶寬資源，如果控制不力，還會引起廣播風暴，造成系統全面崩潰。

　　因此，在網絡帶寬環境能夠無限滿足視頻傳輸需要的前提下，點對點傳送和組播在性能上無本質差異，但是，這種理想狀態基本上不會出現，否則除了研究網絡帶寬以外，其它的網絡技術就失去了研究的基礎和意義。我們設想在10BASE-T的局域網環境下，當只有2個或單個客戶機提出視頻服務請求時，二者無明顯性能差異；當有3個至5個客戶機提出視頻服務請求時，二者之間的差異就比較顯著，采用點對點傳送方式的視頻服務器明顯已經力不從心，網絡丟包和延遲比較嚴重，接收端視頻明顯滯后、不連續；當有5個以上的客戶機提出視頻服務請求時，就造成了廣播風暴，系統處于崩潰的邊緣。

　　由此可見，IP組播技術在多點視頻數據傳輸方面具有很大的優勢，當某個IP站點向網絡中的多個IP站點發送同一視頻數據時，IP組播技術可以減少不必要的重疊發送，與多次點對點的單播（Unicast）相比，減輕了系統和網絡的負擔，提高了CPU資源和網絡帶寬的利用率，極大地改善了視頻數據傳輸的實時性。參與通信的各主機不論是源站點還是目的站點均使用同一程序，無客戶機和服務器之分，從而具有對等性。四、IP組播地址格式

　　IP地址方案專門為組播劃出一個地址范圍，在IPv4中為D類地址，范圍是224.0.0.0到239.255.255.255，并將D類地址劃分為局部鏈接組播地址、預留組播地址、管理權限組播地址如下：

　　局部鏈接地址：224.0.0.0～224.0.0.255，用于局域網，路由器不轉發屬于此范圍的IP包。

　　預留組播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網絡協議。

　　管理權限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內部使用，用于限制組播范圍。

　　綜上所述，IP組播技術比較符合多點、多網絡平臺和可擴展性的視頻監控要求，而且可以實現跨樓宇范圍的遠程視頻監控。由此可見，IP組播技術的使用對于網絡視頻的多點實時傳輸、網絡多點實時監控具有特別重要的意義。

----《通信世界》