吉鶴 李月軍 劉曉光

摘 要：隨著各類(lèi)大學(xué)生科技競(jìng)賽活動(dòng)規(guī)模和深層次的發(fā)展，其組織管理的規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢(shì)。該文分析了基于校園網(wǎng)應(yīng)用的IP組播技術(shù)的基本特性，簡(jiǎn)要介紹了IP組播技術(shù)的概念、原理及體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了大學(xué)生科技競(jìng)賽測(cè)評(píng)管理系統(tǒng)中的校園網(wǎng)視頻直播技術(shù)的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：科技競(jìng)賽 測(cè)評(píng) 校園網(wǎng) IP組播

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0067-02

The Research on Campus Network Video Broadcast Technology of College Students Science and Technology Competition Evaluation Management System

Ji He Li Yuejun Liu Xiaoguang

（College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin，130012，China）

Abstract：With the development of college students' scientific and technological competition scale and level， its organization and management standardization and the network is the inevitable trend.This paper analyzes the basic characteristics of IP multicast technology used in campus network，and also contains the introduction of the conception，principles and system struction of IP，design and implementation of the campus network video broadcast technology solutions used in College students'science and technology competition evaluation management system.

Key Words：S&T competition；Evaluation；Campus network；IP Multicast

1 基于Web的大學(xué)生科技競(jìng)賽測(cè)評(píng)管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用于省市級(jí)及一般高校的科技競(jìng)賽組織管理和實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)。系統(tǒng)將競(jìng)賽組織的全過(guò)程納入計(jì)算機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽組織管理、競(jìng)賽測(cè)評(píng)管理、視頻服務(wù)管理、交流培訓(xùn)管理等功能，實(shí)現(xiàn)規(guī)范測(cè)評(píng)流程，使競(jìng)賽的測(cè)評(píng)更加透明、公正、規(guī)范，并通過(guò)Web視頻服務(wù)實(shí)現(xiàn)測(cè)評(píng)過(guò)程的直播和實(shí)時(shí)發(fā)布測(cè)評(píng)結(jié)果。

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)。綜合考慮信息處理量、使用率和成本，核心服務(wù)器為一臺(tái)流媒體服務(wù)器，兼做Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WMS流媒體服務(wù)器。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)用戶(hù)接入；WMS服務(wù)器提供流媒體數(shù)據(jù)的發(fā)布，滿(mǎn)足視頻直播、錄像點(diǎn)播等服務(wù)；測(cè)評(píng)終端采用便攜式計(jì)算機(jī)并接攝像機(jī)，作為測(cè)評(píng)信息記錄和直播編碼工作站，采集AV信號(hào)，實(shí)時(shí)壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流，發(fā)布到WMS服務(wù)器滿(mǎn)足直播需求。

服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008，IIS 7.0，其中Windows media service作為流媒體服務(wù)器系統(tǒng)平臺(tái)；Web系統(tǒng)采用SQL Server 2012+ASP.NET MVC構(gòu)建。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)根據(jù)MVC模式分為三層。應(yīng)用ASP.NET可以使用.NET平臺(tái)快速方便的部署三層架構(gòu)。.NET中可以方便的實(shí)現(xiàn)組件的裝配，后臺(tái)代碼通過(guò)命名控件可以方便的使用自己定義的組件。顯示層放在ASPX頁(yè)面中，數(shù)據(jù)庫(kù)操作和邏輯層用組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就很方便的實(shí)現(xiàn)了三層架構(gòu)。三層架構(gòu)的分層式實(shí)現(xiàn)了“高內(nèi)聚、低耦合”。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）競(jìng)賽組織管理。功能包括競(jìng)賽組織單位官方文件管理、報(bào)名及資格審核、競(jìng)賽項(xiàng)目發(fā)布、競(jìng)賽成績(jī)公告及投訴處理等功能。

（2）競(jìng)賽測(cè)評(píng)管理。功能包括測(cè)評(píng)規(guī)則、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試項(xiàng)目評(píng)分細(xì)則管理、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)測(cè)計(jì)分管理和現(xiàn)場(chǎng)成績(jī)實(shí)時(shí)發(fā)布。系統(tǒng)綜合技術(shù)報(bào)告和測(cè)試成績(jī)并經(jīng)組委會(huì)確定后形成最后的成績(jī)予以公示。

（3）視頻服務(wù)管理。本系統(tǒng)用戶(hù)為校內(nèi)競(jìng)賽和省市級(jí)競(jìng)賽。前者基于校園網(wǎng)，后者要實(shí)現(xiàn)在Internet直播。綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)視頻直播，在Internet實(shí)現(xiàn)文字直播。在應(yīng)用過(guò)程中，流媒體服務(wù)器通過(guò)RTSP/HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)的建立和管理，通過(guò)RTP/RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)的傳輸和服務(wù)質(zhì)量的管理。

（4）交流與培訓(xùn)管理。包括和競(jìng)賽有關(guān)的技術(shù)資源的上傳、下載管理、網(wǎng)上培訓(xùn)和論壇管理。

（5）用戶(hù)管理模塊。包括注冊(cè)與注銷(xiāo)管理、用戶(hù)信息管理、用戶(hù)登錄管理和權(quán)限分配等。

2 IP組播技術(shù)的基本特性

2.1 系統(tǒng)視頻直播方式的選擇

受場(chǎng)地限制，大學(xué)生科技競(jìng)賽測(cè)評(píng)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)較封閉；而為提高競(jìng)賽影響力、關(guān)注度和保證競(jìng)賽測(cè)評(píng)的公開(kāi)、公正性，實(shí)現(xiàn)測(cè)評(píng)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)視頻直播是一個(gè)重要手段。

網(wǎng)絡(luò)視頻直播基于IP組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)。IP組播技術(shù)是允許單一的數(shù)據(jù)報(bào)同時(shí)發(fā)給同一多播組全部其他主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主機(jī)可通過(guò)網(wǎng)際組管理協(xié)議（IGMP）動(dòng)態(tài)地加入或離開(kāi)該多播組。支持協(xié)議無(wú)關(guān)組播（PIM）和其他相關(guān)組播協(xié)議的路由器將跟蹤這種組關(guān)系并形成一條到達(dá)該多播組每個(gè)成員的無(wú)回路路徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)論有多少個(gè)目標(biāo)地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上單一的數(shù)據(jù)報(bào)傳送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的高效率使用。

IP組播分為兩類(lèi)：一是在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行組播；二是在Internet范圍內(nèi)組播。后者技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高昂。而基于校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)視頻直播，包括了局域網(wǎng)組播即硬件組播技術(shù)路由器間組播技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易、成本較低?；诖髮W(xué)生科技競(jìng)賽測(cè)評(píng)管理系統(tǒng)用戶(hù)的視頻直播需求范圍、使用率和實(shí)現(xiàn)成本的考慮，系統(tǒng)選擇基于校園網(wǎng)的視頻直播方式。

2.2 組播地址的基本特性

IP組播實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收者之間點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接。在網(wǎng)絡(luò)層，源主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)給某多播組時(shí)，首先須構(gòu)造一個(gè)能夠標(biāo)識(shí)該多播組的IP數(shù)據(jù)報(bào)。IP組播地址定義了一個(gè)D類(lèi)IP地址空間，所有組播地址包含在從224.0.0.0到239.255.255.255的范圍內(nèi)。D類(lèi)地址范圍僅用作組地址或IP組播數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址，而IP組播數(shù)據(jù)包的源地址是單播地址。源地址發(fā)數(shù)據(jù)給組播地址即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。

以太局域網(wǎng)局域網(wǎng)鏈路層MAC組播地址的設(shè)計(jì)是其MAC地址的高24bit固定為0x015e。組播地址都只能作為目的地址，而不能作為源地址來(lái)使用。IP組播地址和MAC地址以一種映射關(guān)系相關(guān)聯(lián)，MAC地址的低23位映射為組播MAC的低23位。組播MAC地址和組播IP地址的這種映射關(guān)系不是唯一對(duì)應(yīng)的，因?yàn)樵?2位IP組播地址可以變化的28bit中只映射了其中的23bit，還剩下5bit是可以自由變化的，所以每32個(gè)IP組播地址映射一個(gè)組播MAC地址。

2.3 組播協(xié)議

組播協(xié)議分為主機(jī)與路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器之間的組播路由協(xié)議。組成員關(guān)系協(xié)議包括IGMP，組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議和域間組播路由協(xié)議，域內(nèi)組播路由協(xié)議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等，域間組播路由協(xié)議包括MBGP、MSDP等。IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息，域內(nèi)組播路由協(xié)議根據(jù)IGMP維護(hù)的這些組播組成員關(guān)系信息，運(yùn)用一定的組播路由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹(shù)進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

同時(shí)為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的擴(kuò)散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二層組播協(xié)議。IGMP Snooping協(xié)議對(duì)主機(jī)和路由器是透明的。選擇的交換機(jī)要支持IGMP Snooping協(xié)議。

3 基于IP組播的校園網(wǎng)視頻直播的實(shí)現(xiàn)

學(xué)生科技競(jìng)賽的測(cè)試過(guò)程一般分成若干組。各測(cè)評(píng)點(diǎn)配置支持RTP/RTSP實(shí)時(shí)流媒體協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IP攝像機(jī)）和便攜式計(jì)算機(jī)完成視頻采集和測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)記錄，AV信號(hào)經(jīng)編碼、壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流經(jīng)局域網(wǎng)交換機(jī)傳送到系統(tǒng)Web服務(wù)器和流媒體服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和視頻組播發(fā)布。

一般標(biāo)準(zhǔn)三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的校園網(wǎng)，核心層和匯聚層構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)骨干。核心層為三層交換機(jī)，接入層為二層交換機(jī)，100M到客戶(hù)端。組播的數(shù)據(jù)包要經(jīng)過(guò)交換機(jī)，特別是接入層交換機(jī)，因此，不僅要在路由器上配置IGMP、PIM協(xié)議，而且還需要在交換機(jī)上配置IGMP Snooping協(xié)議。

（1）在骨干網(wǎng)配置PIM協(xié)議。PIM（ Protocol Indepen Multicast）是目前應(yīng)用最多的組播路由協(xié)議，它運(yùn)行在組播路由器之間，由于建立和維護(hù)組播路由，高效轉(zhuǎn)播組播數(shù)據(jù)包。PIM協(xié)議又分為PIM-DM和PIM-SM協(xié)議。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)，在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，組播組的成員相對(duì)比較密集。PIM-SM為與協(xié)議無(wú)關(guān)的組播稀疏模式，屬于稀疏模式的組播路由協(xié)議，應(yīng)用于組成員相對(duì)分散、范圍較廣的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。基于一般校園網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，選擇PIM-DM協(xié)議。在骨干交換機(jī)的每個(gè)VLAN接口上啟動(dòng)PIM-DM協(xié)議，實(shí)現(xiàn)組播。

（2）在接入層配置IGMP Snooping協(xié)議。組播組管理協(xié)議采用IGMP，它運(yùn)行在主機(jī)與路由器之間組播成員關(guān)系的建立和維護(hù)機(jī)制。IGMP Snooping是運(yùn)行在二層以太網(wǎng)交換機(jī)上的組播約束機(jī)制，用于管理組播組。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要在交換機(jī)上啟動(dòng)IGMP Snooping。

4 結(jié)語(yǔ)

IP組播技術(shù)有效地解決了單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠大量節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在大學(xué)生科技競(jìng)賽測(cè)評(píng)和綜合管理系統(tǒng)中，基于IP組播實(shí)現(xiàn)測(cè)評(píng)過(guò)程在校園網(wǎng)的實(shí)時(shí)直播，為提高競(jìng)賽影響力、關(guān)注度和保證競(jìng)賽測(cè)評(píng)的公開(kāi)、公正性發(fā)揮了重要作用。

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