ip组播技术及流式媒体在网上音视频广播中的应用

1、IP组播技术及流式媒体在网上音视频广播中的应用 杨晓东 乐正友 （清华大学电子工程系微波与数字通信国家重点实验室，北京 100084） 摘要 组播是一种为优化使用网络资源而产生的技术。流媒体是一种使用流式传输技术的连续时基媒体。本文系统的介绍了IP组播技术的各个方面，研究了流媒体技术的实现原理，并对IP组播技术在网上音视频广播中的应用做了一定的探讨。 关键词: 组播 单播 IGMP 流式媒体 网上广播 IP multicast and streaming media in the internet broadcasting Yang Xiaodong , Yue Zhengyou (Dept.

2、of E.E. , State Key Laboratory on Microwave & Digital Communications, TsinghuaUniversity, Beijing 100084,China) Abstract: IP Multicast is a bandwidth-conserving technology that reduces traffic by simultaneously delivering a single stream of information to thousands of corporate recipients and homes.

3、 Streaming is a technology that allows the file to begin playing before all of its data has been downloaded to the viewers computer, and has become the standard method for delivering multimedia on the Web. Each aspect of the IP Multicast technology is presented and the applications of IP Multicast i

4、n the Internet broadcasting are discussed. Key words: Multicast Unicast IGMP Streaming media Internet broadcasting 引言 随着internet的飞速发展，利用internet进行多媒体传播的应用越来越多。对某些应用而言，点对点交换信息不管对网络还是对信息发送者，都是一种负担，代价昂贵。因此，我们需要一种办法让本身规模较大而相对互连网又较小的工作组能相互方便、快捷地传递信息。这就引起了组播技术（Multicast） 的发展。组播的概念最早是在1988年由Stanford大学的Stev

5、e Deering 发展起来的，当时是为了促进Internet上实时音频和视频的传输。随着流式媒体传输技术的发展， 越来越多的机构开始采用组播技术在网上传送流式媒体格式的音频和视频。 一. 组播技术简介 IP组播是IP的扩展。IP组播在局域网或广域网上将IP数据包从一个发送者传送到一组接收者而不是一个接收者，并且依靠网络将数据包只传送给需要接收它的网络。 1.1 IP数据包传输类型IPv4定义了3种IP数据包的传输：单播（unicast）、广播（broadcast）和组播（multicast）.单播用于发送数据包到单个目的地，这种传输是最常见的IP传输，单播实际上是点对点的；广播是指发送数据包

6、到同一广播域或子网内的所有设备。组播指的是在Internet网上对一组IP站点进行数据传送，这一组IP站点是动态形成的，每一个IP站点都可以动态地加入或者退出这个组. 运行TCP/IP协议集的有组播能力的节点可以接收组播消息。Internet标准委员会IETF在1992年建立了一个Internet上IP组播的主干，并命名为Mbone，用来进行IP组播的实验. 单播与组播的IP数据包的传输如图1.1和图1.2所示。 比较一下这两种数据的传输方式可以发现，当一台主机向多个用户发送信息时，单播对于每一个用户都要发送一份数据的拷贝，而组播总共只需发送一份数据的拷贝。这样，组播的使用就大大的节省了带宽，

7、减轻了网络的负载，从而更加有效的利用了网络的带宽资源。 1.2组播的地址 IP组播和单播的目的地址不同，IP组播的目的地址是组地址D类地址.D类地址是从到55之间的IP地址，其中到55是被保留的地址,表示子网中所有的组播组, 表示子网中的所有路由器，表示OSPF（Open Shortest Path First）路由器,表示OSPF指定路由器，2表示DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)服务器. D类地址是动态分配和恢复的瞬态地址.每一个组播组对应于动态分配的一个D类地址；当组播组结束组播时，相对应的D类地址将被回收，用于以后的组播.在D类地址的分配

8、中，IETF建议遵循以下的原则： 全球范围：55； 有限范围：55； 本地站点范围：6； 本地机构范围：4. 图2 D类IP地址 1.3IGMP协议及其应用 IGMP是组播中的一个非常重要的协议，它运行在IP站点和它所在的子网多点路由器之间，用来控制组播组成员的加入和退出. 1.3.1 IGMP协议 IGMP协议即因特网组管理协议，它位于IP层（图3. 1.1），用来帮助路由器识别组播组中的主机成员。 图3.1.1 IGMP在IP层中的位置 IGMP使用预留的组播组地址与本地路由器通信。被称为所有主机组的组播组在局域网中寻址所有的主机。正是通过这一渠道，IP组播路由器知道是否有主机加入到这一特

9、定局域网的一个组播组。路由器在局域网中向这一地址发送IGMP询问，主机通过告诉它们想要连到哪个组来响应。IGMPv1有两种类型的消息：汇报（Report）和询问（Query）。汇报消息由主机发往路由器，询问消息由路由器发往主机。（图3.1.2） 1.3.2 IGMP协议的应用 组播组的加入每个具有组播能力的主机都保留有一个具有组播组成员身份的进程表。当一个进程想加入一个新的组播组，它就向主机发送请求信息。主机就把进程的名字和接收请求的组播组的名字加入这个进程表。需要注意的是，主机只有在确认这是要求获得该组播组成员身份的第一个请求时才向组播路由器发送一条IGMP信息。换句话说，一个主机对于一个特

10、定组播组身份的请求信息只发送一次。这是一种由接收方来初始化的加入方法，在组播组的数据越来越多的时候，这种方法可以使新加入的组播组成员尽快找到离它很近的组播组的分支，从而加入组播组. 组播组成员身份的监视 组播路由器负责监视一个组播组中的所有成员，看他们是否想继续它们在组播组中的成员身份。组播路由器定时的发送询问信息到组播地址.在这条信息中，组地址域设定为.这意味着这种询问是面向一个主机所在所有组播组，而不是一个组播组。组播路由器希望从每一个组播组都获得一个应答。 组播组成员身份的继续具有组播能力的主机保留有一个想继续组播组成员身份的进程表。当一个主机接收到一个由组播路由器发出的询问信息，它就检

11、查一下它所保留的进程表。对于每一个组播组，如果至少有一个进程想继续组播组成员身份，主机就必须向组播路由器发送一条报告信息。需要注意的是这种为了响应询问消息而发送的报告信息是为了确认对组播组成员身份的继续而不是为了作为新的成员加入组播组。而且为了使不同的组播组中的成员身份得以继续，对于不同的组播组就必须分别发送报告信息。 组播组成员的退出 在IGMPv1中，当每一个主机离开某一个组播组时，它不通知任何组播路由器就自然地离开，组播路由器定时(如120秒)向IP子网中的所有组播组询问，如果某一个组播组在IP子网中已经没有任何成员，则组播路由器在确认这一事件后，不再将该组播组的数据在子网中进行传送，同

12、时通过路由信息的交换，将相应的组播路由器从特定的组播组分配树中删除.这种不通知任何人而悄悄离开的方法，使得组播路由器知道IP子网中已经没有任何成员的事件延时了一段时间，所以在IGMPv2中，当每一个主机要离开某一个组播组时，需要通知子网组播路由器，组播路由器立即向IP子网中的所有组播组询问，从而减少了系统处理停止组播的延时.离开组播组时主机要发送信息这一点是IGMP Version 2和IGMP Version 1的主要区别。 1.4组播的路由 具有组播能力的网络由支持本地组播的局域网通过具有组播能力的路由器连接而成。IP组播路由的关键是为每一个组播组建立组播的分配树，当组播的分配树建立好时，

13、每个组播路由器只要将该组的数据沿着分配树进行传播就可以了。 根据网络上组播组成员的分布情况，组播路由协议可分为两大类。 第一类是建立在组播组成员在网络上的分布比较密集并且带宽比较充足的基础上的。此种模式称为密集模式。密集模式组播路由协议包括距离向量组播路由协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol, DVMRP），组播开放最短路径优先协议（Multicast Open Shortest Path First, MOSPF），密集模式独立组播协议（Protocol-independent Multicast-Dense Mode, PIMDM）。

14、第二类组播路由协议是建立在组播组成员的分布比较稀疏并且带宽并不是很充足的基础上的，比如说由Internet上不同区域的主机相连的组播网络或通过ISDN线连起来的主机网络。这种稀疏模式并不意味着组播组中的成员很少，它只是表明组播组中成员的分布比较稀疏。稀疏组播路由协议包括基准树协议（Core Based Trees, CBT），稀疏模式独立组播协议（Protocol-independent Multicast-Sparse Mode, PIMSM）。 1.5组播骨干网 组播的规范是在1989年出版的，但是它的使用受到了限制。Internet上的路由器目前并不是都具有组播的能力。在这样一种情况下，

15、研究者们为了在现有情况下开发和测试组播协议的应用，建立了组播骨干网（Multicast Backbone，Mbone）。Mbone支持组播分组的路由选择而不打扰其它的因特网业务流。 Mbone是一种跨越几个大陆的，由志愿者合作完成的实验性的网络。它是一个相互连接的子网和路由器的集合，这些子网和路由器支持IP组播业务流的传送。作为因特网上的虚拟网络，Mbone通过隧道（Tunneling）来旁路因特网上无组播能力的路由器。 隧道把组播数据包封装在IP包（即单播数据包）中来通过哪些不支持组播路由的网络。如图5所示，MR3和MR4是支持IGMP协议的有组播能力的路由器，他们把组播数据包封装在单播数据

16、包中来发送，同时它们还从收到的单播数据包中取出组播数据包。R1和R2是没有组播能力的路由器，它们像传送其它普通单播数据包那样来传送封装有组播数据包的单播数据包。 1.6交互式的IP组播 IP组播的最大的用处就是用来做Internet上的音频和视频的传输，比如向成百上千的使用者发送音频和视频数据流。可是传统的IP组播的有一个最大的缺点就是这些所有的使用者都是被动的接受者。换句话说，IP 组播并没有让这些使用者进行交互式主动参与的内置机制。利用H.323国际标准中对会议成员的管理技术，SAP（Session Announcement Protocol）,SDP(Session Descriptio

17、n Protocol),RTCP(Real-time Transport Control Protocol)等协议，就可以使传统的IP组播技术具有交互功能。如图6所示 交互式IP组播技术应用范围很广，特别是Internet上多媒体的传输业务。比如视频会议，远程教育，Internet上的视频点播(VoD)等。 二. 流式媒体及其实现原理 2.1基本概念 流式传输的定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体（如视频、音频）的技术总称。其特定含义为通过Internet 将影视节目传送到PC机。实现流式传输有两种方法：实时流式传输（True streaming）和顺序流式传输（progressive st

18、reaming）。实时流式传输指的是在服务器端用实时传输协议如RTSP(Realtime streaming protocol)等来代替标准的传输协议如HTTP（Hyper text transfer protocol）服务器端的这类软件很多，像realsever等。客户端需要realplayer等软件来播放这种采用RTSP协议的文件。实时流式传输有许多优点，像和播放的文件大小无关的快速回倒等。顺序式下载指的是采用标准的HTTP服务器，它适合用在文件不是很大并且网速很快的情况下。 2.2 流式媒体传输的实现原理 流式传输的实现需要缓存。因为Internet以包传输为基础进行断续的异步传输，对一

19、个实时A/V源或存储的A/V文件，在传输中它们要被分解为许多包，由于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP/TCP来传输控

20、制信息，而用RTP/UDP来传输实时声音数据。 流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动A/VHelper程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址。 A/VHelper程序及A/V服务器运行实时流控制协议（RTSP），以交换A/V传输所需的控制信息。与CD播放机或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命

21、令的方法。A/V服务器使用RTP/UDP协议将A/V数据传输给A/V客户程序（一般可认为客户程序等同于Helper程序），一旦A/V数据抵达客户端，A/V客户程序即可播放输出。 需要说明的是，在流式传输中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP两种不同的通信协议与A/V服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运行A/VHelper程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其基本原理如图7所示。 三. IP组播技术及其在网上音视频广播中的应用 组播是一种节省带宽的技术，它把单个数据流传送给成百上千的接收者而并没有增加网络的负载。组播节省了带宽，在大多数情

22、况下这是网络运行中耗费最大的一个方面，这就解决了在网上音视频广播中服务者和用户都非常头痛的一个问题。在网络中组播只是根据需要才复制数据包，因此避免了不必要的数据包的传送。如果采用目前的单播技术来进行音视频的广播的话，因为单播把数据包从一个发送者发送到一个接收者，如果把相同的数据发送给1000个接收者就要同时发送一份数据的1000份拷贝，这样势必造成网络的拥塞，即使在光纤中这也将是一个很大的负担。对于容量比较大的文件，比如MPEG文件，后果就更不可想象了。所以采用现有的单播技术手段，在网上音视频广播中，如果很多使用者同时进行音视频的接收就会造成网络的拥塞，从而大大降低接收的效果，而更多想接收音视

23、频的人也就无法享受这种服务。采用组播技术以后，所有的用户就可以同时在网上接收音视频而似乎不会影响接收的效果。就像当初有线电视的使用大大提高了电视的接收效果一样，采用组播技术的互联网广播也必将成为一个非常盈利与有效的媒体。组播技术传送的内容主要是流式音频和视频。 国外很多公司,政府和大学都提供了采用组播技术的网上音视频广播这样的服务，像Yahoo，Muticast Technologies，NASA,UCSB等。比如 Muticast Technologies 这家公司自己的网站On-The-I是世界上最大的在互联网上采用组播技术来提供广播服务的网站。这家公司向具有组播接受能力的用户提供音频特别是高质量的音乐。同时，不具有组播能力的用户也可以下载特定的播放器来收听这家公司提供的160K的组播音频流。 目前，大多数的网站使用单播的方法来传送他们的音视频。他们把信号从ISP那里送到每一台计算机，由于网络带宽的有限和价格的耗费，使得他们所提供的服务不可能到达大量的越来越多想接受这种服务的用户，从而也造成了他们的服务变得无利可图。就像20年前的有线电视一样，采用组播技术的网上广播也必将造就一批新的消费