基于IP多播視頻系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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。基于校園網(wǎng)設(shè)計并實現(xiàn)了一個可供網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場直播、視頻點播等服務(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)器向用戶計算機(jī)連續(xù)和實時傳送。用戶只需經(jīng)過幾秒或幾十秒的啟動延時即可進(jìn)行播放和觀看，剩余部分將在后臺繼續(xù)下載，邊下載邊播放。實現(xiàn)流式傳輸有兩種方法:實時流式傳輸（Real times treaming）和順序流式傳輸（Progressive streaming）。其中實時流式傳輸需要專用的流媒體服務(wù)器與傳輸協(xié)議（如實時傳輸協(xié)議RTP、實時傳輸控制協(xié)議RTCP、實時流協(xié)議RTSP和媒體服務(wù)器協(xié)議MMS等）來保證媒體信號帶寬與網(wǎng)絡(luò)連接匹配，使媒體可被實時觀看到，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，實時流式傳輸支持單播、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，對于網(wǎng)上視頻直播來說，因為大部分用戶接收的數(shù)據(jù)都是相同的，使用多播傳輸模式比點對點的數(shù)據(jù)包傳輸方式——單播和一點對所有主機(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報文將同一多播組的活動成員映射為一個VLAN，在收到多播數(shù)據(jù)包后，僅向該多播組所對應(yīng)的VLAN成員轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)建了一個可供在線直播，視頻點播等服務(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)目前在實時網(wǎng)絡(luò)直播領(lǐng)域無人可以替代，有大量的實際方案可供選擇，而且可以適應(yīng)各個平臺的操作系統(tǒng)。目前可以選擇的平臺有NT、Linux、Solaris、UNIX、AIX及Irix系統(tǒng)等，是目前支持平臺最多的一個系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。