全面解析IP組播在網(wǎng)絡(luò)視頻多點傳輸

對于一個以計算機網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信問題，要求做到傳輸時延盡可能小，盡可能少地占用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)帶寬，并具有較好的站點數(shù)量規(guī)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(chǔ)上，指出了IP組播技術(shù)的使用對于網(wǎng)絡(luò)視頻的多點實時傳輸、網(wǎng)絡(luò)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(guān)的IP地址格式。

一、 單播、組播、廣播技術(shù)之比較

組播技術(shù)被認(rèn)為是WWW技術(shù)推廣之后出現(xiàn)的最激動人心的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)據(jù)包到多個接收者的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播源把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。組播可以大大的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，因為無論有多少個目標(biāo)地址，在整個網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。 基于三種通訊方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳遞過程的工作方式可以看出： 數(shù)據(jù)信道。如果一臺主機同時給很少量的接收者傳輸數(shù)據(jù)，一般沒有什么問題。但如果有大量主機希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時卻很難實現(xiàn)。這將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長、網(wǎng)絡(luò)擁塞;為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。

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

廣播(Broadcast)傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機都將收到這些數(shù)據(jù)包。

廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)主機都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。然而廣播的使用范圍非常小，只在本地子網(wǎng)內(nèi)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(shù)是IP Multicast。IP組播技術(shù)是一種為優(yōu)化使用網(wǎng)絡(luò)資源而產(chǎn)生的技術(shù)，通常用于多點工作方式下的應(yīng)用程序中，它是標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議技術(shù)的一個擴(kuò)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(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)流，組中成員是動態(tài)的，可以根據(jù)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(shù)據(jù)流，同時許多實際應(yīng)用可以共享一個組地址。IP組播技術(shù)可以有效地避免重復(fù)發(fā)送可能引起的廣播風(fēng)暴，并且能夠突破路由器的限制，將數(shù)據(jù)包傳送到其它網(wǎng)段。

二、遠(yuǎn)程視頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(fù)發(fā)送N-1次相同的數(shù)據(jù)包，發(fā)送時延大，而且隨著監(jiān)控站點數(shù)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(wǎng)絡(luò)傳輸。

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

一些物理網(wǎng)絡(luò)及其軟件實現(xiàn)技術(shù)支持有限范圍內(nèi)的多點投遞方式，即組播。局域網(wǎng)組播利用物理網(wǎng)絡(luò)保留的用于組播的地址進(jìn)行多點通信。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)硬件局部(如以太網(wǎng)網(wǎng)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(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的不同硬件組播地址進(jìn)行了抽象，形成了一個可以跨越局域網(wǎng)的一致的組播接口，在物理網(wǎng)絡(luò)上，能充分利用硬件的組播特性。在廣域網(wǎng)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(shù)據(jù)拷貝，從而大大節(jié)約了帶寬。

所以無論從局域網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)絡(luò)的通信方式看，還是從通信應(yīng)用的開發(fā)一致性上看，利用IP組播來實現(xiàn)規(guī)?；囊曨l監(jiān)控具有很大的優(yōu)勢。

三、IP組播技術(shù)在多點視頻數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢

由于數(shù)字視頻在網(wǎng)絡(luò)傳輸時有著很大的數(shù)據(jù)吞吐量，如果使用端對端的IP單播技術(shù)進(jìn)行數(shù)字視頻的多點傳送，首先，視頻服務(wù)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(wù)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?shù)膶崟r性，造成視頻在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時出現(xiàn)頻繁抖動，最終影響視頻傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量(QoS);其次，視頻服務(wù)器面對不同的客戶端的同一視頻服務(wù)請求，需要進(jìn)行重復(fù)發(fā)送，N個客戶端需要占用N倍的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，極大地浪費了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，如果控制不力，還會引起廣播風(fēng)暴，造成系統(tǒng)全面崩潰。

因此，在網(wǎng)絡(luò)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(zhì)差異，但是，這種理想狀態(tài)基本上不會出現(xiàn)，否則除了研究網(wǎng)絡(luò)帶寬以外，其它的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就失去了研究的基礎(chǔ)和意義。我們設(shè)想在10BASE-T的局域網(wǎng)環(huán)境下，當(dāng)只有2個或單個客戶機提出視頻服務(wù)請求時，二者無明顯性能差異;當(dāng)有3個至5個客戶機提出視頻服務(wù)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(wù)器明顯已經(jīng)力不從心，網(wǎng)絡(luò)丟包和延遲比較嚴(yán)重，接收端視頻明顯滯后、不連續(xù);當(dāng)有5個以上的客戶機提出視頻服務(wù)請求時，就造成了廣播風(fēng)暴，系統(tǒng)處于崩潰的邊緣。

由此可見，IP組播技術(shù)在多點視頻數(shù)據(jù)傳輸方面具有很大的優(yōu)勢，當(dāng)某個IP站點向網(wǎng)絡(luò)中的多個IP站點發(fā)送同一視頻數(shù)據(jù)時，IP組播技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，提高了CPU資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，極大地改善了視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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(wù)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(yù)留組播地址、管理權(quán)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(wǎng)，路由器不轉(zhuǎn)發(fā)屬于此范圍的IP包。

預(yù)留組播地址：224.0.1.0～238.255.255.255，用于全球范圍或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

管理權(quán)限地址：239.0.0.0～239.255.255.255，組織內(nèi)部使用，用于限制組播范圍。

綜上所述，IP組播技術(shù)比較符合多點、多網(wǎng)絡(luò)平臺和可擴(kuò)展性的視頻監(jiān)控要求，而且可以實現(xiàn)跨樓宇范圍的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。由此可見，IP組播技術(shù)的使用對于網(wǎng)絡(luò)視頻的多點實時傳輸、網(wǎng)絡(luò)多點實時監(jiān)控具有特別重要的意義。