夏建東

摘? ? 要：IP組播技術(shù)興起于上世紀(jì)90年代，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。在現(xiàn)代很多新型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中IP組播技術(shù)是一種必不可少的通信傳輸方式，在現(xiàn)代的寬帶多媒體應(yīng)用過(guò)程中IP組播技術(shù)得到了非常廣泛的應(yīng)用。數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)是目前能夠?qū)崿F(xiàn)直觀監(jiān)控的一種高效手段，數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字視音頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。本文主要對(duì)數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中IP組播技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：組播技術(shù);數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng);應(yīng)用分析

1? 引言

IP組播技術(shù)主要興起于上世紀(jì)90年代，其是一種全新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，IP通訊技術(shù)在傳統(tǒng)模式下主要有單播通信以及廣播等兩種方式。單波通信主要指的是將特定的信息包從源主機(jī)發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)的技術(shù)，IP信息包在傳輸?shù)倪^(guò)程中目標(biāo)地址是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中唯一的主機(jī)地址，而廣播則指的是通過(guò)一個(gè)源主機(jī)向同一網(wǎng)段內(nèi)多個(gè)主機(jī)發(fā)送信息包。而IP組播則是處于IP單播以及IP廣播通信之間的一種全新的通訊技術(shù)，通過(guò)IP組播技術(shù)能夠?qū)⑿畔l(fā)送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何一個(gè)主機(jī)上。近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)也越來(lái)越廣泛，視音頻壓縮技術(shù)逐步趨于完善，它使得視音頻業(yè)務(wù)逐漸成為了互聯(lián)網(wǎng)上主要的業(yè)務(wù)之一。

2? IP組播技術(shù)

2.1? 組播地址

如果在視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中利用IP單播傳輸技術(shù)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)傳輸，那么就需要在整個(gè)傳輸過(guò)程中經(jīng)歷多次發(fā)送者與接收者之間的單獨(dú)數(shù)據(jù)，而每一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都必須要利用單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道，這樣就會(huì)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息量非常大的實(shí)時(shí)視音頻數(shù)據(jù)，從而使視音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送出現(xiàn)負(fù)擔(dān)過(guò)重、延遲過(guò)長(zhǎng)甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象。而如果在攝影棚監(jiān)控系統(tǒng)利用IP廣播技術(shù)來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)傳輸，則很可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程占用大量網(wǎng)絡(luò)寬帶，由此就會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信效率造成嚴(yán)重影響，而在數(shù)字視音頻數(shù)據(jù)多點(diǎn)傳輸?shù)倪^(guò)程中充分利用IP組播技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的最大程度利用，由此就能進(jìn)一步提升視音頻數(shù)據(jù)多點(diǎn)傳輸效率。

史蒂夫在上世紀(jì)90年代末對(duì)IP組播技術(shù)進(jìn)行了首次定義，同時(shí)也首次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IP技術(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，其主要就是通過(guò)一個(gè)特殊的IP地址同時(shí)向不同主機(jī)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報(bào)。而在整個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)倪^(guò)程中所使用的IP地址都是特殊的，因?yàn)镮P地址并不是與主機(jī)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，而是將每一個(gè)IP地址與組或者頻道進(jìn)行對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)發(fā)送者只需要向一個(gè)特定的組地址發(fā)送信息，這樣在該組內(nèi)所有的接收者就都能夠接收到發(fā)送者發(fā)出的信息。而在地質(zhì)組內(nèi)的所有成員處于動(dòng)態(tài)變化的，完全可以根據(jù)自身的意愿來(lái)選擇加入或者退出。不同的主機(jī)可以同時(shí)加入多個(gè)組，與此同時(shí)不同組播地址也可以同時(shí)向不同端口上發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流。在數(shù)據(jù)多點(diǎn)傳輸過(guò)程中充分應(yīng)用IP組播技術(shù)能夠有效避免在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，而且IP組播技術(shù)完全突破了路由器的限制，能夠?qū)?shù)據(jù)包傳送到不同的網(wǎng)段內(nèi)[1]。

2.2? 組播模型

為了能夠保證不同的接收站點(diǎn)能夠接收到組播信息，可以充分利用組播的分布樹來(lái)對(duì)IP組播在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑進(jìn)行詳細(xì)描述。通常情況下組播分布樹主要可以分為有源樹以及共享兩種類型[2]。

在組播分布樹中最簡(jiǎn)單的分布形式就是有源樹。在進(jìn)行組播信息傳輸?shù)倪^(guò)程中信息流主要來(lái)自于有源樹的根，通過(guò)有源樹的各種分支形成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)傳達(dá)的分布樹。在有源樹的所有路徑中貫穿網(wǎng)絡(luò)是最短的路徑。

共享樹主要是利用在網(wǎng)絡(luò)中存在的一些可選點(diǎn)中單獨(dú)的公用跟作為其主要的信息來(lái)源，有信息來(lái)源來(lái)說(shuō)共享樹與有源樹存在很大差別。在共享樹模式中源主機(jī)必須要向根發(fā)送信息才能實(shí)現(xiàn)將信息發(fā)送到所有接收站的目的。

2.3? 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

在IP單播模式下，源主機(jī)向目標(biāo)主機(jī)發(fā)送信息的過(guò)程中是沿著路由器的單個(gè)路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)主機(jī)的IP地址主要是包括在整個(gè)IP信息包中指定的地址字段內(nèi)。在信息的整個(gè)傳輸過(guò)程中路徑中的各個(gè)路由器主要是通過(guò)識(shí)別IP目標(biāo)地址來(lái)完成整個(gè)單播轉(zhuǎn)發(fā)決定，在針對(duì)單播路由器表中所有目標(biāo)地址進(jìn)行查找并確定目標(biāo)地址后與其連接就能實(shí)現(xiàn)信息包的向下跳轉(zhuǎn)。而IP組播在進(jìn)行信息包傳輸過(guò)程中整個(gè)信息包的轉(zhuǎn)發(fā)決定并不是通過(guò)查找目標(biāo)信息包地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是通過(guò)將組播信息同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)外部接口上，這樣才能保證所有的接收站點(diǎn)能夠接收到組播信息。

目前，多數(shù)的組播路由器協(xié)議都是建立在逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)概念上。在IP組播信息傳輸?shù)倪^(guò)程中IP組播路由協(xié)議會(huì)充分利用逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)或者轉(zhuǎn)入接口檢查等某種形式來(lái)最終決定IP組播信息包的轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄。逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查的主要機(jī)制為：（1）針對(duì)到達(dá)的組播信息包源地址進(jìn)行檢查后來(lái)具體確定進(jìn)一步經(jīng)過(guò)的接口以及信息包所經(jīng)過(guò)的接口是否在源主機(jī)以及目標(biāo)主機(jī)傳輸路徑上;（2）如果發(fā)現(xiàn)發(fā)信息到達(dá)了可返回源站點(diǎn)接口那么就表示逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查成功，相應(yīng)的就會(huì)將組播信息包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);（3）而如果逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)查失敗，那么就會(huì)將組播信息包進(jìn)行丟棄。

2.4? TTL閥

在IP組播信息包的頭中都還有一個(gè)TTL值，在IP組播信息整個(gè)傳輸過(guò)程中每經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)發(fā)，其TTL的值就會(huì)減1，如果經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)TTL的值為0的時(shí)候路由器就會(huì)將該IP組播信息包丟棄。而TTL閾值的主要作用就是有效阻止一些低于TTL閾值IP組播信息包在路由器各個(gè)接口上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[3]。

2.5? 英特爾網(wǎng)組管理協(xié)議

主機(jī)通過(guò)向因特網(wǎng)組管理協(xié)議發(fā)送消息就可以通過(guò)組播路由器加入組播群組中來(lái)接收信息，與此同時(shí)主機(jī)還可以通過(guò)向因特網(wǎng)組管理協(xié)議發(fā)送信息來(lái)申請(qǐng)離開IP組播群組。而路由器通過(guò)向因特網(wǎng)組管理協(xié)議獲取信息后以所有的接口為基礎(chǔ)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)組播成員關(guān)系的維護(hù)。

3? 數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中組播技術(shù)的應(yīng)用

在目前網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視音頻監(jiān)控系統(tǒng)是非常重要的一個(gè)發(fā)展業(yè)務(wù)。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合必須要求監(jiān)控系統(tǒng)具備一定的組播功能，也就是說(shuō)在該監(jiān)控系統(tǒng)中必須要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從源端將多媒體數(shù)據(jù)過(guò)去后并進(jìn)行壓縮然后將其發(fā)送到指定的視音頻監(jiān)控終端。

4? 數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1? 實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視音頻數(shù)據(jù)的記錄和傳輸

只有在接收到視頻調(diào)配服務(wù)器具體發(fā)出的控制命令后主機(jī)才會(huì)將實(shí)時(shí)的視音頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入到網(wǎng)絡(luò)中，否則，只會(huì)將視音頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在其超大容量的硬盤列陣中，這樣就能實(shí)現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)的后續(xù)查詢。當(dāng)是飲品調(diào)配服務(wù)器向主機(jī)發(fā)出記錄視音頻數(shù)據(jù)以及組播號(hào)后，監(jiān)控主機(jī)就會(huì)將視音頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)IP組播的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中。為了充分保障視音頻數(shù)據(jù)記錄儀傳輸具備一定的時(shí)效性，在整個(gè)視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中要充分利用windows系統(tǒng)多線程技術(shù)[4]。

通常情況下都會(huì)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)文件給定一定數(shù)量規(guī)模的數(shù)據(jù)塊，并且將每一個(gè)數(shù)據(jù)塊創(chuàng)建的時(shí)間都記錄在文件的頭部，之后才是與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。當(dāng)其中一個(gè)數(shù)據(jù)文件被寫滿后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)化到下一個(gè)數(shù)據(jù)塊中。這樣就能為后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢提供便利。在視音頻監(jiān)控系統(tǒng)但所有通道中都需要設(shè)置一個(gè)索引文件，在該索引文件內(nèi)將所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通道等所有的視音頻文件個(gè)數(shù)以及起始的文件記錄時(shí)間都進(jìn)行了詳細(xì)記錄。這樣在視頻接入命令發(fā)送到主機(jī)的時(shí)候，系統(tǒng)在進(jìn)行視頻記錄的同時(shí)就可以將緩沖區(qū)內(nèi)視音頻數(shù)據(jù)以IP組播的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中。

由于視頻傳輸過(guò)程中對(duì)時(shí)間因素非常敏感，因此必須要充分保證視音頻數(shù)據(jù)的同步性以及時(shí)效性。為了達(dá)到這個(gè)目的，在系統(tǒng)進(jìn)行MEPEG-1視音頻數(shù)據(jù)發(fā)送之前首先按照RTP傳輸協(xié)議將視音頻文件進(jìn)行分裝。RTP傳輸協(xié)議主要就是針對(duì)多媒體實(shí)時(shí)通信而設(shè)計(jì)出來(lái)的傳輸層協(xié)議。從本質(zhì)上講，RTP傳輸協(xié)議并不具備獨(dú)立傳輸視音頻數(shù)據(jù)的能力，必須要將其與低層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行充分結(jié)合才能完成整個(gè)視音頻文件的傳輸目的。此外，RTP傳輸協(xié)議并不能夠提供相對(duì)可靠的傳輸機(jī)制，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)信息擁塞或者信息流的控制，主要是通過(guò)RTCP來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。當(dāng)RTP實(shí)際進(jìn)行繪畫的過(guò)程中，在不同的參與者之間會(huì)周期性的出現(xiàn)RTCP包的周期性傳送。在RTCP包中愛(ài)主要包括了已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包具體數(shù)量、丟棄數(shù)據(jù)包具體數(shù)量等同樣的統(tǒng)計(jì)資料，再通過(guò)相關(guān)程序獲取到數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的反饋后，就可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸方式的適當(dāng)調(diào)整，這樣就能有效解決在視音頻數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的延遲以及抖動(dòng)的問(wèn)題。

4.2? 網(wǎng)絡(luò)流量控制

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)流量的精確控制，在整個(gè)系統(tǒng)中必須要采用自動(dòng)以人工干預(yù)相結(jié)合的策略。首先在充分結(jié)合整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)寬帶資源實(shí)際利用情況的基礎(chǔ)上，視頻調(diào)配器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的具體調(diào)解。通過(guò)這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)視音頻流接入數(shù)量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)視音頻接入速率的有效控制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)客戶端所請(qǐng)求的視音頻監(jiān)控點(diǎn)并沒(méi)有接入網(wǎng)絡(luò)，那么視音頻標(biāo)配服務(wù)器就可以充分結(jié)合當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)寬帶資源實(shí)際利用情況來(lái)具體決定不通過(guò)接受請(qǐng)求。與此同時(shí)，視音頻調(diào)配服務(wù)器還可以針對(duì)目前已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控點(diǎn)視音頻實(shí)際情況來(lái)采取相應(yīng)措施進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，適當(dāng)?shù)膶⒔尤胨俾收{(diào)高或者調(diào)低，直接終止視音頻的接入。另外，針對(duì)正在進(jìn)行傳輸?shù)囊曇纛l數(shù)據(jù)，充分利用傳輸協(xié)議RTP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視音頻數(shù)據(jù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)功能主要是通過(guò)RTP的速率流量控制機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的發(fā)送方在發(fā)送幀的時(shí)候主要是通過(guò)接收方播放幀的速率來(lái)實(shí)施，這樣就能充分保證接收方不會(huì)將發(fā)送方淹沒(méi)，同時(shí)也可以保證接收方不會(huì)處于饑餓狀態(tài)[5]。由于數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了IP組播技術(shù)來(lái)接入網(wǎng)絡(luò)，因此其實(shí)際針對(duì)統(tǒng)一組播組內(nèi)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)流量控制與常規(guī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信控制策略存在一定的差異。當(dāng)客戶端加入了某一個(gè)IP組播組的主機(jī)后，就只能通過(guò)某一個(gè)特定的流量作為其視音頻數(shù)據(jù)正常傳輸速率還進(jìn)行編解碼端數(shù)據(jù)發(fā)送以及接收速率的協(xié)調(diào)。通過(guò)在線檢測(cè)方式對(duì)接收方進(jìn)行檢測(cè)就可以判斷出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的利用情況，并將網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)際發(fā)生的阻塞情況反饋到編碼端，在此基礎(chǔ)上還對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。其具體調(diào)整過(guò)程為：當(dāng)數(shù)據(jù)接收方在加入某一個(gè)特定的組播組后，其網(wǎng)絡(luò)客戶端就會(huì)針對(duì)其單位時(shí)間內(nèi)接收視頻的編碼受理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中基準(zhǔn)主機(jī)實(shí)際的傳輸速率小于了門限，就可以通過(guò)RTCP協(xié)議包將信號(hào)反饋到編碼端。編碼在接，收到該信號(hào)后就可以適當(dāng)?shù)脑黾恿炕介L(zhǎng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出碼流速率的有效控制。如果接收端通過(guò)在線檢測(cè)方式發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬可以增大的時(shí)候，就可以發(fā)送信息到編碼端，這樣編碼就能恢復(fù)正常的視頻編碼速率。在整個(gè)視音頻數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中上述過(guò)程是在反復(fù)不斷進(jìn)行過(guò)程中，這樣又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)帶寬變化的高度適應(yīng)，從而能夠滿足視音頻實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)際需求。

5? 結(jié)束語(yǔ)

IP組播技術(shù)的具體功能直到現(xiàn)在才被充分認(rèn)識(shí)，因此，在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中IP組播技術(shù)仍然是一種新型技術(shù)，在IP組播技術(shù)中仍然存在很多亟待解決的問(wèn)題，因此，在進(jìn)行單播網(wǎng)絡(luò)到組播網(wǎng)絡(luò)在轉(zhuǎn)化之前，必須要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，利用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想來(lái)對(duì)組播網(wǎng)絡(luò)中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行不斷改進(jìn)，這樣才能充分發(fā)揮出IP組播技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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