基于IP多播視頻系統的設計與實(shí)現

本文著(zhù)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)設計并實(shí)現了一個(gè)可供網(wǎng)絡(luò )現場(chǎng)直播、視頻點(diǎn)播等服務(wù)的視頻通信系統，系統中結合了多播技術(shù)中節約帶寬、減輕服務(wù)器負載的優(yōu)勢，并采用了Real公司RealSystem流媒體系統，在客戶(hù)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、視頻等連續媒體文件經(jīng)過(guò)壓縮后，由服務(wù)器向用戶(hù)計算機連續和實(shí)時(shí)傳送。用戶(hù)只需經(jīng)過(guò)幾秒或幾十秒的啟動(dòng)延時(shí)即可進(jìn)行播放和觀(guān)看，剩余部分將在后臺繼續下載，邊下載邊播放。實(shí)現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(zhuān)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(lái)保證媒體信號帶寬與網(wǎng)絡(luò )連接匹配，使媒體可被實(shí)時(shí)觀(guān)看到，特別適合用于現場(chǎng)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。所謂多播是指數據源將IP數據包“盡力而為”地發(fā)送到共享相同IP地址的一個(gè)主機組中，然后利用網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行相應的復制和分發(fā)，只有屬于該組的成員才能接收到該數據包。顯然，對于網(wǎng)上視頻直播來(lái)說(shuō)，因為大部分用戶(hù)接收的數據都是相同的，使用多播傳輸模式比點(diǎn)對點(diǎn)的數據包傳輸方式——單播和一點(diǎn)對所有主機的數據包傳輸方式——廣播，在節約網(wǎng)絡(luò )帶寬、減輕服務(wù)器負載和分布式網(wǎng)絡(luò )應用更容易實(shí)現等方面有著(zhù)明顯優(yōu)勢。

多播采用IANAIP地址分類(lèi)中的D類(lèi)地址，即范圍為224.0.0.0～239.255.255.255。在此基礎上，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)現多播至少還要:（1）在主機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發(fā)數據包的多播路由協(xié)議。一般來(lái)說(shuō)，多播路由協(xié)議可以分為兩類(lèi)：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據包在鏈路層的擴散，需要部署IGMPSnooping，它依靠偵聽(tīng)主機與路由器之間通信的IGMP報文將同一多播組的活動(dòng)成員映射為一個(gè)VLAN，在收到多播數據包后，僅向該多播組所對應的VLAN成員轉發(fā)。

3 系統的設計與實(shí)現

系統采用了Real公司RealSystem的流媒體系統，結合IP多播技術(shù)，在客戶(hù)端/服務(wù)器模式下,構建了一個(gè)可供在線(xiàn)直播，視頻點(diǎn)播等服務(wù)的流媒體通信系統如圖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。當前大多數研究均是基于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
3.1.1 RealSystem的構成
Real公司的RealSystem流媒體系統是一種性能非常優(yōu)秀和非常穩定的系統，它在全球有很高的市場(chǎng)占有率。它采用的是一種高性能的自適應壓縮算法，生成獨特的RM格式文件，可以有很高的壓縮比率，并可以適應從56kbit/s到10Mbit/s以上帶寬的線(xiàn)路要求。Real公司的流媒體系統目前在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )直播領(lǐng)域無(wú)人可以替代，有大量的實(shí)際方案可供選擇，而且可以適應各個(gè)平臺的操作系統。目前可以選擇的平臺有NT、Linux、Solaris、UNIX、AIX及Irix系統等，是目前支持平臺最多的一個(gè)系統，其工作原理如圖2所示。