维普资讯 http://www.cqvip.com 组播技术在ＩＰＴＶ直播 业务中的应用 ［文／长江大学计算机科学学院黄胤科钟宝荣］ 摘要；直播业务在ＩＦｒｖ系统中扮 应用膨胀而产生的流量拥塞、带宽瓶 演在着重要的角色，ＩＰ组播技术是 颈等问题。 义了基本的组成员查询和报告过程； 目前通用的是ＩＧＭＰｖ２，由ＲＦＣ２２３６， 定义在ＩＧＭＰｖ Ｉ的基础上添加了组成 Ⅳ直播业务必须采用的关键技术之 一２．１ ＩＰ纰播 泌体系绌构 。本文介绍了ＩＩ）组播技术，并且根据 根据协议的作用范围，组播协议 员快速离开的机 ＩＧＭＰｖ３中增加的 主要功能是成员可以指定接收或指定 不接收某些组播源的报文。ＩＧＭＰｖ２的 原理如图１所示。 Ⅳ直播业务的特点，探讨了开展组 分为主机一路由器之间的协议，即组播 播过程中的一些关键因素。最后，给 成员管理协议以及路由器一路由器之 出了在ＩＰＴＶ组网设备中必须支持的 间协议，主要是各种路由协议组成员 组播功能，并根据不同的接人环境， 给出了不同的组网方案。 关键词：ＩｆｙⅣＩＩ）组播Ｉｎｔｅｍｅｔ组 播管理协议ＩＧＭＰ ＰＲ０ｘＹ ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ ＱｏＳ 关系协议。包括ＩＧＭＰ互 连网组管理协议，组播路 由协议又分为域内组播路 由协议及域间组播路由协 议两类，域内组播路由协 议包括ＰＩＭ—ＳＭ、ＰＩＭ— ＤＭ、ＤＶＭＲＰ等协议。域 ｌ引言 ＩＰＴＶ又称为网络电视或宽带电 视，是利用宽带网络为用户提供交互 式服务的一种业务。 ｒｖ业务是 业 务发展到一定阶段的产物，是视频压 间组播路由协议包括 ＭＢＧ ＭＳＤＰ等协议。 ２．２ ｌｎｔｅｍｅｔ组管理协议（ＩＧＭＰ） ＩＧＭＰ协议运行于主机和与主机直 ３ＩＶＩＮ直播业务中 组播的应用 就终端用户来说，ＩｆｙⅣ业务一般 可分为点播类业务和直播类业务，点 ＧＭＰ实现 缩编码、宽带接入、流媒体、 网络 接相连的组播路由器之间。Ｉ通过ＩＧＭＰ协 等各种技术综合发展的结果。 Ⅳ以 的功能是双向 一方面，网络为基础，通过流媒体方式将数 议主机通知本地路由器希望加入并接 字化后的音视频节目以点播或组播的 收某个特定组播组的信息；另一方面，方式提供给用户。 播类业务和普通上网业务类似，直接 通过ＢＲＡＳ接入。宽带接人网络只提 路由器通过ＩＧＭＰ协议周期性地查询 供用户接入和数据传送通道，同时保 局域网内某个已知组的成员是否处于 证 Ⅳ点播业务的ＱｏＳ，业务控制则 活动状态（即该网段是否仍有属于某个 由媒体服务系统和终端实现。而直播 类业务的实现不可能采用和点播业务 类似的方式，必须采用更复杂的控制 和管理方式，相对于视频服务网络不 ２ 组播技术介绍 。实现所连网络组成员 组播是一种允许一个或多个发送 组播组的成员）ＧＭＰ，在路由 者同时发送单一的数据包到多个接收 关系的收集与维护。通过Ｉ者的网络技术。ＩＩ）组播的网络模型决 定了它是一种既能降低骨干网带宽占 用率，又能成倍增加用户数量的有效 途径，可以大大缓解网络由于多媒体 器中记录的信息是某个组播组是否在 本地有组成员，而不是组播组与主机之 间的对应关系。到目前为止，ＩＧＭＰ有 三个版本。ＩＧＭＰｖｌ（ＲＦＣＩ１１２）中定 加控制的传送，其宽带接人网络在实 现传送功能的同时，要赋予网络更多 的可运营特性，比如业务认证、业务统 维普资讯 http://www.cqvip.com 计等功能。同时必须保证ＩＰＴＶ直播业 务的ＱｏＳ，所以ＩＰＴＶ直播业务主要采 用组播技术实现。 ３．１组播方式的选取 ＩＦＦＶ直播业务采用组播技术实现， ＰａＷＨ￣务节点下放到接近ＳＴＢ 该请求给上联设备，相应的组播组会 题。将Ｉ在没有被刷新的情况逐渐老化；若支 持ＩＧＭＰｖ２，则可以选择将该端口立即 从对应组播组中删除后再转发协议报 文。当二层设接收到ＩＧＭＰ查询报文 时，则向所有的用户侧端口进行转发。 ３．２．２ ＩＧＭＰ ＰＲｏＸＹ 的位置简化ＱｏＳ的保证。 在网络汇聚层和核心层启用业务 服务分类机制，统一规划和定义ＱｏＳ 服务等级，边缘进行流的分类和标记。 启用Ｌ３ＱｏＳ与Ｌ２ＱｏＳ之间的映 主要是依赖于网络设备所支持的组播 路由协议（Ｐ￣Ｖｌ协议等）、ＩＧＭＰ协议等， 它将组播节目流传送至接入网络并最 射和ＰＶＣ与ＤＳＣＰ／８０２．ＩＰ之间的映射。 Ｉ Ｇ Ｍ Ｐ Ｐ ｒ ｏ ｘ Ｙ 扮演着与 终送抵用户终端，可以采用两种模式： 被动申请模式和主动申请模式。在被 动申请模式中，网络中路由器运行动 态组播路选路协议，接人网络设备运 行ＩＧＭＰＰＲＯＸＹ协议，由用户主动发 起ＩＧＭＰ加入请求，申请加入组播组。 经过各级网络设备执行ＩＧＭＰ ＰＲＯＸＹ 后，最后从ＩＦＦＶ业务源网络获取组播 节目。这种模式会造成用户收看节目 时，时延比较大，优点是节省部分带 宽。主动申请模式是通过ＭＳＴＰ／ＲＰＲ 或者路由器／交换机支持的静态组播 方式，直接将组播流送至接入网络。根 据送抵的位置不同。又分为送抵ＢＲＡＳ 模式和送抵二层接入设备模式。 ３．２ ｌ＿：层纰播对汽播她务的支持 （ＩＧＭＰ Ｐｒｏｘｙ＆ＩＧＭＰ Ｓｎｏｏｐｉｎｇ） 为了控制二层接入设备中不断增 长的 多播流，必须在ＩＰＴＶ网络中的 二层接入设备中支持组播。在二层设 备上实现组播的方式有以下２种： ＩＧＭＰ ＳＮｏＯＰ Ｇ和ＩＧＭＰ ＰＲＯＸＹ。 ３．２．１ ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ ＩＧＭＰ ＳＮＯＯＰＩＮＧ是 组播在二 层网络设备上的一个基本解决方案， 目前已经可以支持ＩＧＭＰ ｖ３版本。 ＩＧＭＰＳＮＯＯＰＩＮＧ通过在二层设备“侦 听”主机和组播路由设备之间的ＩＧＭＰ 协议报文，对所有用户的组播请求进 行跟踪。当二层设备收ＩＧＭＰ￣ｎ入请求 时，ＩＧＭＰ ＳＮｏｏＰ Ｇ首先将接收到 该请求的端口加入到对应组播组的组 播表中，后将该ｒｅｐｏｒｔ报文转发给上联 组播路由设备。当二层设备接收到 ＩＧＭＰ离开请求时，若ＩＧＭＰ ＳＮＯＯｋ ＮＩＧ仅支持ＩＧＭＰｖＩ版本，则直接转发 ＩＧＭＰＳｎｏｏｐｉｎｇ￣Ｎ类似的角色，能够简 单地完成网络末端组播数据包的透明 传递和分发。ＩＧＭＰ Ｐ ｒｏｘＹ与 ＩＧＭＰＳｎｏｏｐｉｎｇ实现同样的功能：允许 不与组播路由器（即最后一跳路由器） 接相连的主机加入到上游网络的组播 组，但ＩＧＭＰ Ｓｎｏｏｐｉｎｇ只是通过侦听 ＩＧＭＰ消息来获取有关信息，对ＩＧＭＰ 消息本身不做改变；而ＩＧＭＰ Ｐｒｏｘｙ则 对终端用户的ＩＧＭＰ请求报文进行拦 截建立组播表和相关处理。Ｐｒｏｘｙ设备 的上联端口执行主机的角色，下联端 口执行路由器的角色。 ３．３身ｌ播的ＱｏＳ保证 ＩＰＴＶ直播业务对服务质量的要求 很高，这样使组播ＱｏＳ的问题显得十 分突出。尽管组播与单播通信模型是 相互的，其ＱｏＳ问题与单播方式 下不尽相同，但单播方式下的ＱｏＳ保 证措施仍然适用于组播方式。与单播 类似，组播的ＱｏＳ解决方案也需要针 对具体应用或具体网络。从端到端传 输延迟和可靠性方面考虑。ＩＰＴＶ业务 属于实时交互型应用，这类应用对可 靠性要求相对较低，但对端到端传输 延迟和网络抖动的要求很高。目前 ＩＰＴＶ组播流都是采用专线直接连接到 ＢＲＡＳ上，所以组播的ＱｏＳ保证主要是 在接入网之间进行。针对目前网络状 况，我们对组播ＱｏＳ保证提出以下发 展建议： 从逻辑上区分ＩＰＴＶ业务流和传 统数据业务流，减少传统数据业务流 对ＩＰＴＶ业务流的影响。 利用分布式ＩＰＴＶ部署来缩短视 频流在网上的传送距离，缓解ＱｏＳ问 ４ ＩＦＦＶ直播业务基于 组播技术的解决方案 ４．１身ｌ网设备埘ＩＰＴＶ务ｌ播的支持 通过对ＩＦＩ＇Ｖ直播业务的分析，宽 带接入网络中的ＢＲＡＳ应该支持以下 主要功能支持虚拟路由器功能，实现 ＩＰＴＶ业务和其他业务的逻辑分类；支 持ＩＧＭＰ协议和ＩＧＭＰ ＰＲＯＸＹ协议； 支持组播路由协议；支持组播业务控 制功能，实现用户端口启动＼禁止组播 服务，以及加入组播地址范围的控制、 监控用户加入组播组的信息等；提供 组播业务的ＱｏＳ服务保障。宽带接入 网络中的二层接入设备应该支持以下 主要功ｉｉ皂：支持网络侧多个上行端口， 实现用于组播源的专用接口；支持 Ｉ Ｇ Ｍ Ｐ协议和Ｉ Ｇ Ｍ Ｐ ＰＲｏｘ ＳＮｏＯＰＩＮＧ协议；支持组播 业务控制功能，实现用户端ＦＩ启动＼禁 止组播服务，以及加入组播地址范围 的控制、监控用户加入组播组的信息 铃支持用户对节目的预览功能提供 组播业务的ＱｏＳ服务保障。 ４－２解决方案 针对不同网络接入环境，我们设 计了以下的解决方案：我们采取直接 将组播流用专线连接到ＢＲＡＳ的策略， 然后为不同的接入网络环境设计了不 同的ＩＰＴＶ组网方案，分别是高密度接 入、中等密度接入、稀松接入。在设计 的中我们综合考虑了接入成本、服务 质量等因素。网络的拓扑图如图２所 示： ４、２．１高密度接入 如果是接入密度很大、用户人数 很多的时候，我们选择将组播流从 维普资讯 http://www.cqvip.com 架设专线；可以在原 来的网络设备的基础 上进行升级改造，成 和参数的更改来增加网络带宽，那么 对于早几年进行完网络改造的有线电 本相对要低；而且组 播复制点是设在接入 二层设备上，所以频 视网来说，可能当时划分的５００户／ 个，１０００户／个，甚至２０００户／个的 道切换时延低。缺点 是：对组播流的管理 还是比较困难，还有 光节点小区相对目前来说还是太大 了，当用户数增多以后，一方面共享 带宽会使大家速率减少，另一方面由 于漏斗效应，也会使侵入噪声增加， 从而降低数据的传输。因此采取光节 点细分的方式，尽可能把大的光节点 就是当请求第一个节 目时时延可能会比较 的大。这种方案适合 ＢＲＡＳ用专线连到二层接入设备上。当 用户请求组播节目时，使用二层设备 的ＩＧＭＰ ＰＲ０Ｘ Ｎ００Ｐ Ｇ功能，在 于接入用户不是很密集的地方，比如 化小，不论对带宽也好，对侵入噪声 也好，都是一个很好的办法。 居民小区等地方。 ４．２－３稀松接人 加大有线电视网络数据传输速度 的方法还有很多，从不同的要求入 二层接入设备上进行组播数据的复制， 还有一种情况：用户比较分散，而 村地区。在这种情况下开展ＩＰＴＶ业 务，如果使用带有组播功能的二层接 入设备来建造ＩＰＴＶ网络，网络构造成 然后组播数据送到用户。这样做的优 且接入的用户数量比较的少，比如农 手，会有不同的解决方案。比如上面 多次提到的噪声问题，如果采用良好 的设计、施工工艺和器件等能使噪声 大幅降低，那么，就可以采用更高效 点是把组播复制点前推到二层接入设 备，减少了ＢＲＡＳ的压力，并且可以加 快频道的切换速度、减少画面抖动、提 供高质量的服务质量。缺点是对组播 本会很大，并且可能会造成资源的浪 费。考虑到这种情况，我们选择在 ＢＲＡＳ上进行组播数据的复制，并通过 单播的方式将组播数据流送到发出请 求的用户——这是通过在ＢＲＡＳ上的 二层组播功能来实现的。具体流程是 这样的：当用户请求组播流，发送 的调制方式，误码率减少也会降低数 流的管理困难，而且二层接入设备和 组播专线铺设的成本会比较的高，这 种方案比较适合高密度多用户接入的 地方，比如职工宿舍、酒店等地方。 ４．２－２中等密度接入 当接入用户密度和用户数量适中 的时候，我们选择了另一种组网方式 利用支持组播的二层接入设备，在二 层接入设备和ＢＲＡＳ之间进行组播数 据的传递。当用户请求观看某一个频 道的时候，发送ＩＧＭＰ￣Ｊ１］入组播消息。 据重传所占用的无效带宽，等等。 因此，最根本的是使我们的ＨＦＣ 网络健康良好的运行，因为所有的业 务都是承载在它之上的。 向ｒ ＩＧＭＰ］Ｊ［Ｉ入请求，二层设备不做任何处 理，只是将请求发送到ＢＲＡｓ。当 ＢＲＡＳ得到这个请求，它启动二层组 播功能：检查是否存在这个组播对应 的组播表。如果存在，它就将用户添加 播数据。如果还没有对应的组播表，就 当消息到达二层接入设备后，ＩＧＭＰ 到这个表中，然后向这个用户发送单 ＰＲ０ｘＹ、ｓＮ００Ｐ Ｇ检查是否已经存 在请求的组播流对应的组播表。如果 建立组播表，然后向用户发送数据。这 存在，则说明已经有请求的组播流加 种方案的优点是：不需要支持二层组 载在二层接入设备上了，接下来只需 播的二层接入设备，降低了接入成本， 将用户添加到组播表中，然后向其发 并且ＢＲＡＳ能够对用户的组播进行很 送数据就可以了。如果二层设备上还 好的控制。缺点是因为组播复制点是 没有加载用户要求的组播流，则向上 在ＢＲＡＳ上，会对ＢＲＡＳ造成比较大 一级的ＢＲＡＳ请求组播数据，并依次 的压力；用户频道切换时延会比较的 大、画面可能会抖动，ＱｏＳ不能得到很 建立组播表、将用户加入组播表中、发 组播流直接专线到二层设备，不需要 送组播数据。这种方案的优点是相对 好的保证。，
