李 亮， 黃石平， 臧勝鯤

(1. 宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京醫(yī)科大學(xué)，江蘇 南京 210029)

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組播技術(shù)高清數(shù)字電視直播系統(tǒng)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用

李 亮1， 黃石平2， 臧勝鯤1

(1. 宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京醫(yī)科大學(xué)，江蘇 南京 210029)

面對用戶不斷增長的校園網(wǎng)資源需求，基于校園網(wǎng)的電視直播系統(tǒng)因其數(shù)據(jù)源的穩(wěn)定性、多樣性成為一種簡單而有效的校園網(wǎng)視頻資源服務(wù)解決方案。隨著校園網(wǎng)性能的提升，高清視頻流在校園網(wǎng)上的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)，組播技術(shù)的特點(diǎn)使得高清視頻流在校園網(wǎng)上傳輸成為可能。本文主要就信號源、高清流產(chǎn)生、組播技術(shù)、用戶終端等方面進(jìn)行了研究,建立了一套可行的校園網(wǎng)高清電視直播系統(tǒng),對于建立校園網(wǎng)高清直播系統(tǒng)有一定的參考性。

校園網(wǎng); 高清電視; 衛(wèi)星電視; 組播技術(shù)

0 引 言

我國高校校園網(wǎng)建設(shè)從上個世紀(jì)90年代開始，經(jīng)過了20多年的發(fā)展，目前萬兆骨干、千兆到桌面的建設(shè)模式已經(jīng)成為主流標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。在校園網(wǎng)性能得到提升的同時，用戶對網(wǎng)絡(luò)資源需求的要求也在不斷提升，這個時候，就需要校園網(wǎng)的建設(shè)、管理者努力去擴(kuò)充校園網(wǎng)上的資源及應(yīng)用服務(wù)，使得校園網(wǎng)能夠更好地服務(wù)用戶及教學(xué)工作，滿足用戶多方位的應(yīng)用需求。電視(數(shù)字電視、衛(wèi)星電視)直播，因?yàn)槠涔?jié)目來源的穩(wěn)定性、多樣性，無疑成為一個非常好的視頻資源來源。

在互聯(lián)網(wǎng)上收看電視直播已經(jīng)是一種非常流行且受歡迎的方式，很多互聯(lián)網(wǎng)的用戶都安裝了一些網(wǎng)絡(luò)電視的直播軟件進(jìn)行觀看。但是就效果而言，這類網(wǎng)絡(luò)電視直播系統(tǒng)所能提供的電視畫面質(zhì)量都難以和傳統(tǒng)模擬電視相比，并且較傳統(tǒng)電視播放滯后時間較長，而且也不能支持高清數(shù)字電視(HDTV)[3]。目前高性能的校園網(wǎng)絡(luò)，使得在校園網(wǎng)內(nèi)觀看高清視頻成為可能。我們經(jīng)過長期實(shí)踐摸索，不斷測試各種硬件和軟件，最終在校園網(wǎng)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)了每路15-20 Mbps碼率[4]的基于組播技術(shù)的高清數(shù)字電視的直播系統(tǒng)。

1 組播技術(shù)

1.1 組播技術(shù)概述

傳統(tǒng)的IP(V4)通信有兩種方式[5-6]：第1種是主機(jī)之間點(diǎn)對點(diǎn)的通信，即單播(unicast)，其特點(diǎn)是每個數(shù)據(jù)包只發(fā)送給一個主機(jī)；第2種是在源主機(jī)和該網(wǎng)段中所有主機(jī)之間進(jìn)行的通信，即廣播(broadcast)，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包發(fā)送給所在網(wǎng)段的每個主機(jī)。但如果要將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的多個主機(jī)而不是所有主機(jī)，在只有單播和廣播兩種通信方式下，顯然沒有什么好的辦法：采用廣播方式，頻繁的廣播浪費(fèi)大量帶寬資源，也可能由于路由回環(huán)引起嚴(yán)重的廣播風(fēng)暴；采用單播方式，多次重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，效率低，帶寬占用高，而且在并發(fā)數(shù)較大的情況下，給源主機(jī)造成了極大的負(fù)載。所以，傳統(tǒng)的單播和廣播通信方式都不能有效地解決單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問題。

組播(Multicast)是指信源將信息發(fā)向所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的某個確定子集的點(diǎn)到多點(diǎn)的通信形式[7]。組播技術(shù)的概念于1988年最早出現(xiàn)在Steve Deering的博士論文中，在1989年Steve Deering對標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了IP組播規(guī)范。在組播技術(shù)中，通過向多個接收方傳送單信息流方式，可以減少具有多個接收方同時收聽或查看相同資源情況下的網(wǎng)絡(luò)通信流量。

相對于單播技術(shù)，組播技術(shù)有效地解決了單點(diǎn)發(fā)送到多點(diǎn)的問題(見圖1)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中單點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，并且即使用戶數(shù)量成倍的增長，主干帶寬開銷毋需隨之倍增，有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在校園網(wǎng)中，組播技術(shù)非常適用于流媒體、視頻直播等單點(diǎn)(服務(wù)器)到多點(diǎn)(各用戶終端)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[8]。

1.2 組播技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

1.2.1 組播IP地址與MAC地址

在IP(V4)的數(shù)據(jù)傳輸中，IP數(shù)據(jù)包都需要封裝在Ethernet幀中，為此IANA把D類地址空間分配給IP組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。每個組播IP地址用于標(biāo)識一個IP組播組，其IP地址的高四位為“1110”。組播MAC地址的高24位為固定值0x01005e，第25位為‘0’，MAC地址的低23位為組播IP地址的低23位[9]。由于 IP組播地址的前4位 是1110，代表組播標(biāo)識，而后28位 中只有23位被映射到MAC 地址，這樣IP 地址中就有5bit信息丟失，導(dǎo)致的結(jié)果是出現(xiàn)了32個IP組播地址映射到同一MAC 地址上，如圖2所示。

因此在二層處理過程中，設(shè)備可能要接收一些在IPv4組播組以外的組播數(shù)據(jù)，而這些多余的組播數(shù)據(jù)就需要設(shè)備的上層進(jìn)行過濾了。

1.2.2 組播協(xié)議

通過和單播、廣播技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方式的比較，可以發(fā)現(xiàn)組播技術(shù)中最關(guān)鍵的兩個部分：

(1) 組播組的管理和維護(hù)。在組播環(huán)境中，設(shè)備需要知道其所連接的子網(wǎng)中，有多少主機(jī)屬于特定的組。在組播協(xié)議體系中，主要通過IGMP (Internet網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議)來實(shí)現(xiàn)：當(dāng)主機(jī)加入或離開組播組時，主動發(fā)送消息[10]。通過上述機(jī)制，在路由器里建立起一張表，其中記錄了路由器各接口所對應(yīng)子網(wǎng)上都有哪些組的成員。當(dāng)路由器收到發(fā)往特定組的數(shù)據(jù)后，只向?qū)儆谔囟ńM的成員所在的接口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

IGMP工作在網(wǎng)絡(luò)層，只記錄路由器上的三層接口與組播地址的對應(yīng)關(guān)系。但在很多情況下，組播報(bào)文不可避免地要經(jīng)過一些二層交換機(jī)，IGMP Snooping協(xié)議解決了二層交換機(jī)組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的問題。其工作原理為：主機(jī)的報(bào)告消息經(jīng)過交換機(jī)時，交換機(jī)對報(bào)告消息進(jìn)行監(jiān)聽并記錄，為端口和組播MAC地址建立起映射關(guān)系；當(dāng)交換機(jī)收到組播數(shù)據(jù)時，根據(jù)映射關(guān)系，只向連有組成員的端口轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)。

(2) 組播報(bào)文的路由。組播報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中沿著樹型轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，該路徑稱為組播轉(zhuǎn)發(fā)樹。當(dāng)組播信息通過有源樹時，組播路由器檢查到達(dá)的組播數(shù)據(jù)包的組播源地址，以確定該組播數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的接口是否在有源的分支上：如果在，則組播數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)；如果不在，則丟棄該組播數(shù)據(jù)包。路由器在收到組播報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文的源地址確定其上游方向(指向組播源方向)和下游方向，然后將其沿著遠(yuǎn)離組播源的下游方向轉(zhuǎn)發(fā)，這個過程稱為逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)(RPF)[11]。

組播技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，衍生出較多的組播路由協(xié)議，根據(jù)本文的重點(diǎn)，本文只討論協(xié)議無關(guān)組播(Protocol Independent Multicast，PIM)協(xié)議[12]，只要單播路由協(xié)議能產(chǎn)生路由表項(xiàng)，借助逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)(RPF)機(jī)制，PIM就可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞組播信息。按照轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的不同，PIM可以分為密集模式(Dense Mode，DM)和稀疏模式(Sparse Mode，SM)兩種模式。其中 PIM-DM屬于密集模式的組播路由協(xié)議，適用于小型網(wǎng)絡(luò)，及規(guī)模不是很大的校園網(wǎng)絡(luò)。

1.3 組播技術(shù)在校園網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)

要在校園網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)組播傳輸，組播源和用戶終端以及兩者之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都必須支持組播。主要包括以下幾方面：主機(jī)的操作系統(tǒng)支持發(fā)送和接收IP組播；主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口(網(wǎng)卡)支持組播；主機(jī)與組播源之間的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持組播協(xié)議；主機(jī)的相關(guān)應(yīng)用軟件支持組播協(xié)議。

目前IP組播技術(shù)得到硬件、軟件廠商的廣泛支持，從硬件方面，各大網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器廠商均已廣泛支持組播協(xié)議；軟件方面，微軟公司從Windows95開始支持協(xié)議IGMP(V1)，Windows98開始支持IGMP(V2)。綜上所述，目前在校園網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)組播方式不存在任何障礙。

2 高清數(shù)字電視直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 高清視頻

HDTV(High Definition TV)是DTV(數(shù)字電視)標(biāo)準(zhǔn)中最高的一種，即相對于普通標(biāo)清分辨率(PAL:720×576、NTSC:720×480)[13]，高清的分辨率達(dá)到了720p(1280×720)，1080i、1080p(1920×1080)，其中i代表隔行掃描(interlace)，p代表逐行掃描(progressive)，后者的畫面平滑自然無閃爍。目前，1080p是高清視頻的最高標(biāo)準(zhǔn)，也就是常說的全高清(Full HD)。

可以看出，高清視頻的分辨率較標(biāo)清視頻有了幾倍的提高，如果對高清視頻在校園網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，其帶寬的占用量也有數(shù)倍的增加。通過實(shí)測，一路普通標(biāo)清TV(720×576)MPEG2的TS流約需5 Mbps的帶寬，而一路高清TV(1920×1080)MPEG2的TS流(傳送流)需要20 Mbps的帶寬。如果以單播的方式，轉(zhuǎn)播10個高清頻道，每個頻道有15個用戶同時收看的話，總計(jì)約需占用10×15×20 Mbps=3000 Mbps的帶寬，無論從服務(wù)器負(fù)載還是校園網(wǎng)帶寬資源占用上來說，都是不太現(xiàn)實(shí)的。而如果采用組播的方式進(jìn)行上述條件下的高清轉(zhuǎn)播，只需要占用200 Mbps的帶寬，并且用戶即使成倍增長，帶寬占用也不會有明顯增加。

2.2 高清信號源的獲得

國內(nèi)數(shù)字電視按信號傳輸方式可以簡單分為地面無線傳輸(DMB-TH)、衛(wèi)星傳輸(DVB-S) 、有線傳輸(DVB-C)三類。其中常見的為衛(wèi)星傳輸及有線傳輸兩種，地面波數(shù)字電視信號僅在一些大中城市才有。上述三種傳輸方式傳輸?shù)男盘栍屑用芎筒患用苤?，加密的信號需要通過相應(yīng)的解密過程才能正常收看或使用。本文中信號源主要采用衛(wèi)星傳輸(DVB-S) 、有線傳輸(DVB-C)兩種方式。

2.2.1 有線傳輸(DVB-C)信號源

現(xiàn)在全國各城市的數(shù)字電視基本上都開通了數(shù)字高清頻道[14]，我們可以申請開通數(shù)字高清電視，保證信號源的穩(wěn)定性。但國內(nèi)的很多城市，數(shù)字電視接收機(jī)和用戶授權(quán)卡采取了機(jī)卡綁定的做法，不允許用戶將授權(quán)卡使用在別的數(shù)字電視接收設(shè)備上。因?yàn)槭跈?quán)卡無法使用，就無法通過相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生TS流用于電視直播。所以，采用有線電視作為信號源信號的方法，必須解決機(jī)卡分離的問題。

2.2.2 衛(wèi)星傳輸(DVB-S)信號源

通過衛(wèi)星接收器接收衛(wèi)星信號來實(shí)現(xiàn)作為信號源，這種方式在做一些普通標(biāo)清無需解密的頻道的校園網(wǎng)直播應(yīng)用，應(yīng)該是最好的方式。因?yàn)樵谖覈秶鷥?nèi)的衛(wèi)星，主要有115.5C衛(wèi)星和125C衛(wèi)星以及中星9衛(wèi)星，基本覆蓋了國內(nèi)各類免費(fèi)電視頻道。但衛(wèi)星信號的高清數(shù)字電視源目前只有CCTV-HD頻道是不需要CI(解密模塊)的，其它頻道均需要進(jìn)行解密。雖然也有國內(nèi)的一些組織提供了衛(wèi)星加密信號網(wǎng)絡(luò)實(shí)時解碼，但常因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等問題導(dǎo)致接收端的用戶解碼失敗，從而不能播放這些高清數(shù)字頻道。

通過購買對應(yīng)衛(wèi)星頻道的正版授權(quán)卡，是學(xué)校用戶較為合理的解決方案。實(shí)際上各地有線電視臺的接收信號也基本上是采用了這種方式，衛(wèi)星天線接收配合授權(quán)卡片，完成信號的接收，然后再通過信號混合器，將多路電視信號混合成射頻，傳輸?shù)接脩舻碾娨暀C(jī)。

2.3 TS流的產(chǎn)生

傳送流(Transport Stream，TS)，它是根據(jù)ITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-2 和ISO/IEC 13818-3協(xié)議而定義的一種數(shù)據(jù)流，其目的是為了在有可能發(fā)生嚴(yán)重錯誤的情況下進(jìn)行一道或多道程序編碼數(shù)據(jù)的傳送和存儲。TS流主要應(yīng)用于實(shí)時傳送的節(jié)目，比如實(shí)時廣播的電視節(jié)目，其特點(diǎn)就是從視頻流的任一片段開始都是可以獨(dú)立解碼[15]。

傳統(tǒng)的標(biāo)清電視信號源，產(chǎn)生穩(wěn)定的TS流的方式很多,采集卡、電視卡都可以實(shí)現(xiàn)TS流，也有一些高校采用了DM500這樣的接收機(jī)來產(chǎn)生TS流。但是在高清數(shù)字電視直播的時候，能產(chǎn)生穩(wěn)定TS流的設(shè)備或者程序不是非常多，再加上解密的問題困擾，導(dǎo)致可選的流發(fā)生方式更加缺乏。我們經(jīng)過反復(fù)測試各種設(shè)備，最終采用了PC服務(wù)器配合DVB-C/DVB-S接收卡以及DVB Viewer程序來完成TS流的生成工作。數(shù)字電視授權(quán)的問題，可以通過采購CAM卡,對授權(quán)的IC卡進(jìn)行和CAM卡的綁定工作(需當(dāng)?shù)貜V電公司授權(quán))，從而使得高清數(shù)字電視的CI模塊能夠在PC上工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字高清電視的TS流化工作。

通過DVB Viewer產(chǎn)生穩(wěn)定的TS流后，只需將TS流推送至Windows Media server服務(wù)器，即完成組播服務(wù)器的構(gòu)建工作。需要說明的是DVB Viewer自帶了豐富的插件庫，我們采用的是Netstream插件實(shí)現(xiàn)了高清數(shù)字電視推送至組播服務(wù)器的工作。如圖3所示。

圖3 TS流的推送

2.4 直播系統(tǒng)總結(jié)

至此，我們完成了基于組播技術(shù)的高清數(shù)字電視直播系統(tǒng)在校園網(wǎng)中的部署，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星傳輸(DVB-S)、有線傳輸(DVB-C)信號源兩種信號源的高清數(shù)字電視信號的直播工作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

終端用戶通過Vlc等支持組播播放方式的視頻播放器，直接播放高清電視。此外可以將視頻流推送至單播服務(wù)器，對于少部分不能支持組播的用戶，可以用單播的方式接收并播放，但是單播方式非常消耗帶寬，需要每一個想提供單播服務(wù)的管理員仔細(xì)斟酌。

3 結(jié) 語

通過直接接收衛(wèi)星電視及數(shù)字電視高清頻道TS流推送至流媒體服務(wù)器，并通過組播的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為用戶提供了小于1S的高清電視直播服務(wù)；組播技術(shù)在視頻直播系統(tǒng)中的技術(shù)優(yōu)勢，在用戶量激增的情況下也不會對網(wǎng)絡(luò)造成較大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；本方案在我校已成功實(shí)現(xiàn)12路高清電視的24小時網(wǎng)絡(luò)直播，用戶峰值數(shù)量1200余個。系統(tǒng)在信號源來源稍作改動后，亦可實(shí)現(xiàn)會議、重大活動、遠(yuǎn)程視頻教學(xué)的高清實(shí)時網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播。

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HDTV Broadcast System Based on Multicast Technology in Campus Network

LILiang1，HUANGShi-ping2，ZANGSheng-kun1

(1. Suqian College, Suqian 223800, China; 2 Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

To face on the growing needs of the campus network resources, TV broadcast system based on campus network has become a simple and effective solution to video resources service over campus for its stability and diversity. With the promotion of campus network performance, application of HD video stream over the campus network has emerged. The characteristics of the multicast technology make the transmission of HD video stream become possible on the campus network. This paper mainly discusses the signal source, the production of HD stream, multicast technology and user terminal etc., and tries to build a feasible campus network HDTV broadcast system. The experience can be used as reference to the construction of an HDTV broadcast system over campus network.

campus network; HDTV; SATV; multicast technology

2014-05-15

國家自然科學(xué)基金(81302512)

李 亮(1981-)，男，江蘇宿遷人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，網(wǎng)絡(luò)中心主任。研究方向?yàn)楦咝＞W(wǎng)絡(luò)管理、信息化建設(shè)。

E-mail: nic@sqc.edu.cn

黃石平(1978-)，男，江蘇連云港人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全，現(xiàn)任南京醫(yī)科大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心主任一職。

E-mail：hsp1211@njmu.edu.cn

TN 948.3;G 434

A

1006-7167(2015)01-0118-04