基于IP多播视频系统的设计与实现

本文着重介绍了流媒技术及其底层传输技术——IP多播。基于校园网设计并实现了一个可供网络现场直播、视频点播等服务的视频通信系统，系统中结合了多播技术中节约带宽、减轻服务器负载的优势，并采用了Real公司RealSystem流媒体系统，在客户端/服务器模式下完成。

1 流媒体技术

所谓流媒体是指采用流式传输方式在Internet播放媒体文件，即将整个音频、视频等连续媒体文件经过压缩后，由服务器向用户计算机连续和实时传送。用户只需经过几秒或几十秒的启动延时即可进行播放和观看，剩余部分将在后台继续下载，边下载边播放。实现流式传输有两种方法:实时流式传输（Real times treaming）和顺序流式传输（Progressive streaming）。其中实时流式传输需要专用的流媒体服务器与传输协议（如实时传输协议RTP、实时传输控制协议RTCP、实时流协议RTSP和媒体服务器协议MMS等）来保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到，特别适合用于现场直播。

目前支持流媒体技术的解决方案主要有RealNet works公司的RealSystem，Microsoft公司的Windows MediaTechnology和Apple公司的QuickTime。

2 多播技术

从底层传输模式看，实时流式传输支持单播、广播和多播。所谓多播是指数据源将IP数据包“尽力而为”地发送到共享相同IP地址的一个主机组中，然后利用网络设备进行相应的复制和分发，只有属于该组的成员才能接收到该数据包。显然，对于网上视频直播来说，因为大部分用户接收的数据都是相同的，使用多播传输模式比点对点的数据包传输方式——单播和一点对所有主机的数据包传输方式——广播，在节约网络带宽、减轻服务器负载和分布式网络应用更容易实现等方面有着明显优势。

多播采用IANAIP地址分类中的D类地址，即范围为224.0.0.0～239.255.255.255。在此基础上，CERNET还进一步将该地址空间划分为4个管理域：Internet范围、CERNET主干网、省网和校园网，其中校园网的多播地址空间为239.251.192.0/18。

除此之外，要实现多播至少还要:（1）在主机与路由器之间部署管理组成员关系的Internet组管理协议（IGMP）。（2）在路由器之间部署转发数据包的多播路由协议。一般来说，多播路由协议可以分为两类：一种是密集模式，如DVMRP、PIM-DM、MOSPF等，比较适合于网络带宽充足、组成员分布密集的环境;一种是稀疏模式，如PIM-SM等，比较适合于网络带宽有限、组成员分布稀疏的情况。（3）为了有效抑制多播数据包在链路层的扩散，需要部署IGMPSnooping，它依靠侦听主机与路由器之间通信的IGMP报文将同一多播组的活动成员映射为一个VLAN，在收到多播数据包后，仅向该多播组所对应的VLAN成员转发。

3 系统的设计与实现

系统采用了Real公司RealSystem的流媒体系统，结合IP多播技术，在客户端/服务器模式下,构建了一个可供在线直播，视频点播等服务的流媒体通信系统如图1所示。由于TCP的慢启动特性和丢失重传的可靠性保证，使得它并不适合流媒体传输，更不适合多播。当前大多数研究均是基于UDP的Multicast，而用RTP/RTCP作为信息反馈的框架。因此IP多播（IPMulticast）成为了最好的解决方法。

3.1 RealSystem流媒体系统
3.1.1 RealSystem的构成
Real公司的RealSystem流媒体系统是一种性能非常优秀和非常稳定的系统，它在全球有很高的市场占有率。它采用的是一种高性能的自适应压缩算法，生成独特的RM格式文件，可以有很高的压缩比率，并可以适应从56kbit/s到10Mbit/s以上带宽的线路要求。Real公司的流媒体系统目前在实时网络直播领域无人可以替代，有大量的实际方案可供选择，而且可以适应各个平台的操作系统。目前可以选择的平台有NT、Linux、Solaris、UNIX、AIX及Irix系统等，是目前支持平台最多的一个系统，其工作原理如图2所示。

3.1.2 RealSystem中使用的通道和协议
在Real公司的Server端使用两种通道与客户端软件Realplayer通信:一种是控制通道，用来传输诸如“暂停”、“向前”等命令，使用TCP协议；另一个是数据通道，用来传输实际的媒体数据，使用UDP协议。如图2所示，在RealSystem中，通信过程可分为如下两部分。

第一，当编码器需要向Real服务器端传输压缩好的数据时，通常使用UDP协议与Real的服务器端通讯。RealProducer（是Real公司的编码工具）可以设置成使用TCP协议的方式向服务器传输数据。

第二，当用户在浏览器上点击一个指向媒体文件的链接时，Realplayer打开一个与Real服务器的双路连接，通过这个连接与Real服务