基于IP多播視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文著重介紹了流媒技術(shù)及其底層傳輸技術(shù)——IP多播?；谛@網(wǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可供網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場直播、視頻點(diǎn)播等服務(wù)的視頻通信系統(tǒng)，系統(tǒng)中結(jié)合了多播技術(shù)中節(jié)約帶寬、減輕服務(wù)器負(fù)載的優(yōu)勢，并采用了Real公司RealSystem流媒體系統(tǒng)，在客戶端/服務(wù)器模式下完成。

1 流媒體技術(shù)

所謂流媒體是指采用流式傳輸方式在Internet播放媒體文件，即將整個(gè)音頻、視頻等連續(xù)媒體文件經(jīng)過壓縮后，由服務(wù)器向用戶計(jì)算機(jī)連續(xù)和實(shí)時(shí)傳送。用戶只需經(jīng)過幾秒或幾十秒的啟動(dòng)延時(shí)即可進(jìn)行播放和觀看，剩余部分將在后臺(tái)繼續(xù)下載，邊下載邊播放。實(shí)現(xiàn)流式傳輸有兩種方法:實(shí)時(shí)流式傳輸（Real times treaming）和順序流式傳輸（Progressive streaming）。其中實(shí)時(shí)流式傳輸需要專用的流媒體服務(wù)器與傳輸協(xié)議（如實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP、實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP、實(shí)時(shí)流協(xié)議RTSP和媒體服務(wù)器協(xié)議MMS等）來保證媒體信號(hào)帶寬與網(wǎng)絡(luò)連接匹配，使媒體可被實(shí)時(shí)觀看到，特別適合用于現(xiàn)場直播。

目前支持流媒體技術(shù)的解決方案主要有RealNet works公司的RealSystem，Microsoft公司的Windows MediaTechnology和Apple公司的QuickTime。

2 多播技術(shù)

從底層傳輸模式看，實(shí)時(shí)流式傳輸支持單播、廣播和多播。所謂多播是指數(shù)據(jù)源將IP數(shù)據(jù)包“盡力而為”地發(fā)送到共享相同IP地址的一個(gè)主機(jī)組中，然后利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)制和分發(fā)，只有屬于該組的成員才能接收到該數(shù)據(jù)包。顯然，對(duì)于網(wǎng)上視頻直播來說，因?yàn)榇蟛糠钟脩艚邮盏臄?shù)據(jù)都是相同的，使用多播傳輸模式比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸方式——單播和一點(diǎn)對(duì)所有主機(jī)的數(shù)據(jù)包傳輸方式——廣播，在節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、減輕服務(wù)器負(fù)載和分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)等方面有著明顯優(yōu)勢。

多播采用IANAIP地址分類中的D類地址，即范圍為224.0.0.0～239.255.255.255。在此基礎(chǔ)上，CERNET還進(jìn)一步將該地址空間劃分為4個(gè)管理域：Internet范圍、CERNET主干網(wǎng)、省網(wǎng)和校園網(wǎng)，其中校園網(wǎng)的多播地址空間為239.251.192.0/18。

除此之外，要實(shí)現(xiàn)多播至少還要:（1）在主機(jī)與路由器之間部署管理組成員關(guān)系的Internet組管理協(xié)議（IGMP）。（2）在路由器之間部署轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的多播路由協(xié)議。一般來說，多播路由協(xié)議可以分為兩類：一種是密集模式，如DVMRP、PIM-DM、MOSPF等，比較適合于網(wǎng)絡(luò)帶寬充足、組成員分布密集的環(huán)境;一種是稀疏模式，如PIM-SM等，比較適合于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限、組成員分布稀疏的情況。（3）為了有效抑制多播數(shù)據(jù)包在鏈路層的擴(kuò)散，需要部署IGMPSnooping，它依靠偵聽主機(jī)與路由器之間通信的IGMP報(bào)文將同一多播組的活動(dòng)成員映射為一個(gè)VLAN，在收到多播數(shù)據(jù)包后，僅向該多播組所對(duì)應(yīng)的VLAN成員轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用了Real公司RealSystem的流媒體系統(tǒng)，結(jié)合IP多播技術(shù)，在客戶端/服務(wù)器模式下,構(gòu)建了一個(gè)可供在線直播，視頻點(diǎn)播等服務(wù)的流媒體通信系統(tǒng)如圖1所示。由于TCP的慢啟動(dòng)特性和丟失重傳的可靠性保證，使得它并不適合流媒體傳輸，更不適合多播。當(dāng)前大多數(shù)研究均是基于UDP的Multicast，而用RTP/RTCP作為信息反饋的框架。因此IP多播（IPMulticast）成為了最好的解決方法。

3.1 RealSystem流媒體系統(tǒng)
3.1.1 RealSystem的構(gòu)成
Real公司的RealSystem流媒體系統(tǒng)是一種性能非常優(yōu)秀和非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，它在全球有很高的市場占有率。它采用的是一種高性能的自適應(yīng)壓縮算法，生成獨(dú)特的RM格式文件，可以有很高的壓縮比率，并可以適應(yīng)從56kbit/s到10Mbit/s以上帶寬的線路要求。Real公司的流媒體系統(tǒng)目前在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)直播領(lǐng)域無人可以替代，有大量的實(shí)際方案可供選擇，而且可以適應(yīng)各個(gè)平臺(tái)的操作系統(tǒng)。目前可以選擇的平臺(tái)有NT、Linux、Solaris、UNIX、AIX及Irix系統(tǒng)等，是目前支持平臺(tái)最多的一個(gè)系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。

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3.1.2 RealSystem中使用的通道和協(xié)議
在Real公司的Server端使用兩種通道與客戶端軟件Realplayer通信:一種是控制通道，用來傳輸諸如“暫停”、“向前”等命令，使用TCP協(xié)議；另一個(gè)是數(shù)據(jù)通道，用來傳輸實(shí)際的媒體數(shù)據(jù)，使用UDP協(xié)議。如圖2所示，在RealSystem中，通信過程可分為如下兩部分。

第一，當(dāng)編碼器需要向Real服務(wù)器端傳輸壓縮好的數(shù)據(jù)時(shí)，通常使用UDP協(xié)議與Real的服務(wù)器端通訊。RealProducer（是Real公司的編碼工具）可以設(shè)置成使用TCP協(xié)議的方式向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

第二，當(dāng)用戶在瀏覽器上點(diǎn)擊一個(gè)指向媒體文件的鏈接時(shí)，Realplayer打開一個(gè)與Real服務(wù)器的雙路連接，通過這個(gè)連接與Real服務(wù)器之間來回傳輸信息。一旦Real服務(wù)器接受了客戶端的請(qǐng)求，它將通過UDP協(xié)議傳輸客戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)支持
為了可以在不同VLAN間轉(zhuǎn)發(fā)多播數(shù)據(jù)包。因此，必須把交換機(jī)配置成IGMP查詢路由器，并在相應(yīng)的端口啟用PIM-DM多播路由協(xié)議，具體配置命令如下：
全局模式：ipmulticast—muting
ruterpim
在每個(gè)端口（interface）配置模式：ippim
接下來，為了降低多播流量使其只轉(zhuǎn)發(fā)收到組成員報(bào)告的IP多播組，需要開啟IGMPSnooping。具體配置命令如下:
全局模式：ip igmpsnoping vlan
mrouterinterface
其中：vlan—id為交換機(jī)所包含的虛網(wǎng)號(hào)，為上聯(lián)到多播路由器或交換機(jī)的端口。

3.3 視頻服務(wù)器
實(shí)時(shí)視頻服務(wù)器是由流服務(wù)器硬件平臺(tái)與運(yùn)行其上的流服務(wù)器軟件RealServer9．0共同完成，主要功能是完成流媒體的存放、控制和發(fā)布。RealServer支持兩種多播發(fā)布方式:反向信道多播和可伸縮多播。也就是說，將一個(gè)現(xiàn)場直播流同時(shí)傳遞給多個(gè)客戶端，而無須為每一客戶的連結(jié)發(fā)送一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)流，客戶端只需連結(jié)到這個(gè)數(shù)據(jù)流，而不是連結(jié)到服務(wù)器上，就可觀看直播了。由于反向信道多播在每一個(gè)客戶端和服務(wù)器之間還保持了一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)和控制信息交互的控制信道，所以還不能算是真正意義上的多播。因此，我們僅討論可伸縮多播的配置。在RealSystem管理器中，單擊左邊的菜單項(xiàng)“可伸縮多播”，就可以配置可伸縮多播：首先指定可伸縮多播的加載點(diǎn)（默認(rèn)為／scalable／），然后為要轉(zhuǎn)播的實(shí)況流創(chuàng)建一個(gè)頻道（Channe1）。在本系統(tǒng)中與頻道有關(guān)的參數(shù)主要有啟用頻道（yes）、虛擬路徑（*）、端口范圍（9000～9099）、IP地址（239.251.192.0～239.251.192.99）等。

3.4 Realplayer客戶端播放器
瀏覽器通過HTTP（超文本傳輸協(xié)議）協(xié)議向Real服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，URL請(qǐng)求中包含激活RAMGEN的參數(shù)，指向被請(qǐng)求SMIL文件的URL引發(fā)RAMGEN自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)包含SMIL文件位置的RAM文件，這個(gè)文件將被傳送給瀏覽器。RealPlayer播放軟件接受瀏覽器傳遞過來的RAM文件，然后用RTSP與RealServer進(jìn)行通信，請(qǐng)求該RAM文件中包含的SMIL文件。根據(jù)在SMIL文件中包含的信息，Realplayer向RealSe-rver請(qǐng)求、接受并播放媒體元素。

客戶端播放器是提供給上網(wǎng)用戶觀看流媒體的工具軟件RealPlayer或RealOne，主要功能是播放服務(wù)器端發(fā)布的多媒體流（如視頻、音頻、圖像等）。在RealPlayer和RealOne中，訪問可伸縮多播流的URL格式如下：
http://視頻服務(wù)器的IP地址：端口號(hào)／可伸縮多播的加載點(diǎn)／虛擬路徑／流文件的名稱．Sdp

3.5 基于IP多播技術(shù)的優(yōu)勢及意義
通過基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的IP多點(diǎn)映射支持（即IP多播技術(shù)），Real可只傳輸單一的數(shù)據(jù)流，就能服務(wù)高達(dá)數(shù)千計(jì)的使用者，而播放質(zhì)量不會(huì)有任何的區(qū)別，只須在支持MultiCast的網(wǎng)絡(luò)中簡單配置，就可較之與古典的UniCast在效率上有了明顯的提高。IP多播技術(shù)的應(yīng)用能夠降低占用帶寬，減輕服務(wù)器負(fù)荷,并能改善傳送數(shù)據(jù)的質(zhì)量，尤其適用于大量帶寬的多媒體應(yīng)用?；贗P多播技術(shù)的流媒體視頻系統(tǒng)的完成具有著重要的意義，優(yōu)勢表現(xiàn)如下。

（1）在帶寬方面，對(duì)于流媒體系統(tǒng)來說，大量的用戶經(jīng)常要在大致相同的時(shí)間里訪問相同的節(jié)目，顯然用IP多播來發(fā)送節(jié)目是明智的，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬得到更有效的利用。
（2）在服務(wù)器負(fù)載方面來說，如果流媒體系統(tǒng)使用IP多播來發(fā)布媒體節(jié)目，就不需要購買越來越高性能的服務(wù)器以滿足客戶數(shù)量的增長。很明顯，IP多播的主要優(yōu)勢在于通過大大減少需要轉(zhuǎn)發(fā)和處理的數(shù)據(jù)量，降低所需服務(wù)器性能。