全面解析IP組播在網絡視頻多點傳輸

對于一個以計算機網絡連接的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，一個需要解決的問題是多個站點視頻監(jiān)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(guī)?；匦?。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(jiān)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(fā)送者發(fā)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(fā)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(jié)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(fā)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(yōu)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(xié)議技術的一個擴展。

從Steve Deering于19*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(fā)送數據(UDP包)。發(fā)送者僅僅向一個組地址發(fā)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(tài)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(fā)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(guī)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(fā)送N-1次相同的數據包，發(fā)送時延大，而且隨著監(jiān)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(guī)?；?、短時延的多點視頻監(jiān)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(jiān)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(qū)分多個不同組的通信，無須軟件區(qū)分，所以比廣播方式更能節(jié)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(xié)議，IP協(xié)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(xié)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(jié)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(fā)一致性上看，利用IP組播來實現規(guī)模化的視頻監(jiān)控具有很大的優(yōu)勢。

三、IP組播技術在多點視頻數據傳輸方面的優(yōu)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(tài)，以了解每一個動態(tài)加入的客戶端的服務請求，而套接字的偵聽非常消耗系統(tǒng)的CPU資源，過于頻繁的偵聽容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)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(fā)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(tǒng)全面崩潰。

因此，在網絡帶寬環(huán)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(tài)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(huán)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(xù);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(tǒng)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(yōu)勢，當某個IP站點向網絡中的多個IP站點發(fā)送同一視頻數據時，IP組播技術可以減少不必要的重疊發(fā)送，與多次點對點的單播(Unicast)相比，減輕了系統(tǒng)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(fā)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(xié)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(jiān)控要求，而且可以實現跨樓宇范圍的遠程視頻監(jiān)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(jiān)控具有特別重要的意義。