【大学课件】信息通信专业：应用层组播中的关键技术

应用层组播中的关键技术应用层组播技术在现代网络中发挥着至关重要的作用，为大规模用户提供高效的数据分发服务。课程概述课程目标掌握应用层组播的关键技术和应用。课程内容组播技术概述组播协议：IGMP、RTP、RTCP、SIP、RTSP组播应用案例分析授课方式课堂讲授、案例分析、分组讨论。考核方式平时作业、期末考试。应用层组播概述应用层组播是将组播技术应用于网络应用层的一种方式，例如视频会议、在线游戏和直播等。它通过使用组播协议来实现多播功能，将数据从源节点发送到多个接收节点。应用层组播可以有效地提高网络效率，减少网络带宽消耗，并提高数据传输效率，从而实现更高质量的网络服务。组播优势带宽利用率高组播仅发送一次数据包，接收方共享数据，有效降低网络带宽占用。节省网络资源与广播相比，组播仅将数据发送给感兴趣的接收方，避免不必要的网络流量。降低服务器负担服务器仅发送一次数据，多个接收方共享数据，降低服务器的处理和传输压力。组播分类1基于地址的组播根据组播地址区分不同的组播组，例如，使用不同的IP地址来识别不同的组播组。2基于内容的组播通过组播内容来识别不同的组播组，例如，使用不同的视频流标识来区分不同的视频组播。3基于兴趣的组播根据用户对特定内容或服务的需求来组织组播组，例如，使用相同的兴趣爱好将用户划分到同一个组播组中。IP多播模型源节点源节点发送数据包到目标组，目标组包含多个接收节点。路由器路由器根据目的地址将数据包转发到正确的网络路径。接收节点接收节点加入目标组，接收源节点发送的数据包。IGMP协议工作机制1组成员发现路由器发送组查询消息2组成员响应组成员发送组成员响应3组成员维护路由器维护组成员列表IGMP协议用于在局域网中管理多播组成员。路由器通过发送组查询消息，接收组成员的响应来发现和维护组成员列表。组成员发送响应消息告知路由器它们加入或离开多播组。IGMP报文格式字段描述长度版本IGMP版本号1字节类型报文类型1字节码点报文码点1字节组地址组播组地址4字节校验和报文校验和2字节IGMP报文类型成员查询报文用于主机向组播路由器报告其对特定组播组的兴趣。成员报告报文用于主机向组播路由器报告其已加入特定组播组。离开组报文用于主机向组播路由器报告其已离开特定组播组。查询响应报文用于组播路由器响应主机发出的成员查询报文。IGMP组播组维护1组播组管理维护组播组列表2成员加入/离开动态添加/删除成员3组播组状态跟踪组播组活跃性4组播组信息记录组播组成员和数据IGMP协议负责组播组的维护，跟踪组播组成员的加入和离开，更新组播组信息。组播组状态包括成员数量、组播数据流量、组播组活动时间等。客户端加入/离开组播组加入组播组客户端发送IGMP加入组播组报文，请求加入组播组。组播路由器响应组播路由器收到加入组播组报文后，将其加入组播组成员列表。接收组播数据客户端开始接收来自组播组的组播数据流。离开组播组客户端发送IGMP离开组播组报文，请求离开组播组。组播路由器处理组播路由器收到离开组播组报文后，将客户端从组播组成员列表中删除。IGMP链路层帧格式IGMP报文封装在以太网帧中，以太网帧格式包含目标MAC地址、源MAC地址、类型字段和数据字段。数据字段包含IGMP报文，IGMP报文格式包括版本号、类型、组地址、校验和等。1版本当前版本为2。2类型用于标识IGMP报文类型。3组地址表示IGMP报文要加入或离开的组播组。4校验和用于检查报文传输过程中的错误。IGMP分组传输流程分析1IGMP报文发送主机发送IGMP报文，加入组播组，并通知路由器加入组播组。2路由器组播转发路由器接收到IGMP报文，建立组播转发表，并将数据包转发给所有组播组成员。3数据包接收主机接收到组播数据包，验证数据包是否属于其加入的组播组，并进行处理。应用层组播协议RTP实时传输协议，用于在组播环境中传输实时数据。保证音频和视频流的实时性和可靠性。RTCP实时传输控制协议，提供反馈机制。监控组播流质量，控制带宽，管理组播会话。SIP会话发起协议，建立和管理组播会话。用于用户之间的语音、视频和数据传输。RTSP实时流协议，控制实时流的播放和录制。在组播环境中，控制音频和视频流的传输。RTP协议工作机制RTP协议是一种实时传输协议，用于在互联网上传输音频和视频等实时数据。它提供了端到端的实时数据传输机制，并允许应用程序接收来自多个发送方的实时数据流。1会话管理建立和维护数据流的连接2数据包封装将媒体数据封装成RTP包3时间同步确保接收方按顺序接收数据4传输控制控制数据流的发送和接收RTP协议使用UDP作为传输协议，UDP是一种无连接协议，它允许快速传输数据，但不能保证数据传输的可靠性。因此，RTP协议在数据包中包含时间戳和序列号信息，以确保接收方按顺序接收数据。RTP协议还提供了一种机制来控制数据流的发送和接收，以及管理多个数据流之间的同步。RTP报文格式RTP报文格式包含头部和有效负载两部分。头部包含版本号、填充位、扩展位、CSRC计数、标记位、序列号、时间戳、同步源标识符、配置文件、负载类型。有效负载部分承载着实际的媒体数据，例如音频或视频流。RTP会话管理1会话建立发送方和接收方协商会话参数2会话维护监控网络状态和数据传输3会话结束发送方或接收方主动关闭会话RTP会话管理负责建立、维护和结束RTP会话。会话建立阶段，发送方和接收方协商会话参数，如媒体类型、编码格式、时间戳频率等。会话维护阶段，RTP协议通过发送控制报文来监控网络状态，确保数据传输质量。RTCP协议工作机制控制信息传递RTCP协议负责在组播会话中传递控制信息，例如参与者状态、反馈信息等。会话质量管理RTCP能够监控会话质量，并根据反馈信息调整发送端参数，以优化传输性能。成员管理RTCP允许成员加入或离开组播会话，并提供相关成员信息的管理功能。带宽控制RTCP可以限制每个成员的带宽占用，以确保组播会话的稳定运行。RTCP报文格式版本号2位报文类型8位长度16位SSRC32位CSRC32位反馈内容可变长度RTCP反馈报文1SR（发送者报告）发送者报告由发送端发送，报告发送端发送的数据包的延迟和丢失率，并提供其他统计信息。2RR（接收者报告）接收者报告由接收端发送，报告接收端接收到的数据包的序列号和接收时间，帮助发送端了解数据包的接收情况。3SDES（源描述）源描述报文用于传输有关数据源的信息，例如音频和视频编码类型、数据源名称等。再见报文用于通知其他参与者该会话的结束。SIP协议工作机制1会话建立SIP协议使用INVITE消息来建立会话，双方用户通过交换一系列SIP消息完成会话的建立，确保双方用户都能参与到会话中。2会话管理SIP协议支持多种会话管理功能，包括：呼叫保持、呼叫转移、呼叫等待等。3会话结束会话结束使用BYE消息，发送方发送BYE消息，接收方收到BYE消息后会确认会话结束。SIP报文格式SIP（SessionInitiationProtocol，会话发起协议）是一种用于建立、管理和终止多媒体会话的信令协议。SIP报文格式包含请求报文和响应报文，分别用于发起会话和响应会话请求。SIP报文格式采用文本格式，使用标准的HTTP方法（例如INVITE、ACK、BYE）和状态码（例如200OK、404NotFound）来表示会话控制信息。SIP会话建立流程1INVITE发起方发送INVITE消息2100Trying接收方回复100Trying消息3180Ringing接收方回复180Ringing消息4200OK接收方回复200OK消息5ACK发起方发送ACK消息SIP协议使用INVITE消息发起会话请求，接收方回复100Trying消息表示收到请求。若接收方准备接听，则回复180Ringing消息，表示正在响铃。当接收方准备接听时，回复200OK消息，表示接听成功。最后，发起方发送ACK消息确认会话建立。SIP端到端传输过程发起呼叫用户A使用SIP客户端发起呼叫请求，将请求发送到SIP服务器。服务器路由SIP服务器解析请求，确定用户B的地址，将呼叫请求转发到用户B的SIP客户端。应答呼叫用户B的SIP客户端接收到呼叫请求，向用户A的SIP客户端发送应答消息，确认呼叫。建立会话用户A和用户B的SIP客户端建立会话，开始进行语音或视频通话。数据传输语音或视频数据通过RTP协议在用户A和用户B之间进行传输。会话结束用户A或用户B发起挂断请求，结束通话会话。RTSP协议工作机制1会话建立客户端发送SETUP请求，服务器响应200OK，建立RTSP会话。2描述控制客户端发送DESCRIBE请求，服务器响应200OK，提供媒体描述信息。3播放控制客户端发送PLAY请求，服务器响应200OK，开始媒体播放。4暂停控制客户端发送PAUSE请求，服务器响应200OK，暂停媒体播放。5停止控制客户端发送TEARDOWN请求，服务器响应200OK，结束RTSP会话。RTSP报文格式RTSP（Real-TimeStreamingProtocol）是一种用于控制多媒体流的协议。它允许客户端控制服务器上的多媒体流，包括播放、暂停、停止和快进等操作。RTSP报文格式基于文本协议，采用HTTP请求方式，使用标准的TCP/IP传输协议。RTSP报文主要包含以下几个部分：1方法表示客户端要执行的操作，例如SETUP、PLAY、PAUSE、TEARDOWN等2URI表示要控制的多媒体流的URL3版本表示RTSP协议的版本4头域包含一些额外的信息，例如内容类型、传输方式等RTSP会话建立流程1客户端发送描述请求客户端向服务器发送描述请求，请求获取媒体流信息。2服务器发送描述响应服务器返回包含媒体流属性和传输控制信息的描述响应。3客户端发送建立请求客户端向服务器发送建立请求，请求建立媒体流传输会话。4服务器发送建立响应服务器返回确认建立请求，并开始传输媒体流。RTSP会话管理1会话建立客户端向服务器发送描述符请求2会话控制服务器控制会话，比如播放、暂停3会话维护服务器维护会话，保证数据传输4会话结束客户端发送停止命令RTSP会话管理负责建立、控制和维护实时流媒体会话，涉及会话建立、控制、维护和结束等阶段。会话建立需要客户端向服务器发送描述符请求，服务器响应描述符信息，建立会话。会话控制阶段，服务器根据客户端指令控制会话，比如播放、暂停、快进等。会话维护阶段，服务器维护会话，保证数据传输。会话结束时，客户端发送停止命令，服务器释放相关资源。应用层组播技术典型应用视频会议利用组播技术，多个用户可以同时观看和参与会议，减少网络带宽占用