組播技術(shù)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中的運(yùn)用

杜傳樂(lè)

(中國(guó)煙草總公司青州煙草中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校,山東青州 262500)

組播技術(shù)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中的運(yùn)用

杜傳樂(lè)

(中國(guó)煙草總公司青州煙草中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校,山東青州 262500)

由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸機(jī)制的原因,目前教育網(wǎng)站的內(nèi)容大多以靜態(tài)的教材為主,而很少有視頻、音頻等流媒體教學(xué)信息。即使有些網(wǎng)站支持視頻、音頻等流媒體教學(xué)內(nèi)容的在線(xiàn)瀏覽與下載,但由于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率很慢,很難實(shí)現(xiàn)雙向交互,因此效果并不理想。這些在很大程度上削弱了網(wǎng)絡(luò)教育對(duì)眾多學(xué)習(xí)者的吸引力,因此使遠(yuǎn)程教育的質(zhì)量和效果大打折扣。組播是一種能夠有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸方式。本文的目的是研究基于IP組播技術(shù)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中的應(yīng)用。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育;組播;IP組播

遠(yuǎn)程教育的實(shí)時(shí)性和交互性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程教育最大的問(wèn)題就是交互性差,很多地方的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)根本沒(méi)有解決師生之間的交互。IP組播介于IP單播和IP廣播之間,能使主機(jī)發(fā)送IP包到IP網(wǎng)絡(luò)中任何一組主機(jī)上。使用IP組播技術(shù)分發(fā)信息,能從本質(zhì)上減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求,同時(shí)降低服務(wù)器負(fù)載,即使用戶(hù)數(shù)量成倍增長(zhǎng),主干帶寬不需要隨之增加。在遠(yuǎn)程教育當(dāng)中,大量的數(shù)據(jù)往往都需要從教師端廣播給每個(gè)學(xué)生端,每個(gè)學(xué)生也必須能夠發(fā)送信息給老師。因此,組播技術(shù)特別適用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育。

1 組播簡(jiǎn)介

1.1 組播的概念

組播是指將數(shù)據(jù)包發(fā)送到由單一的地址所指定的一組主機(jī),因此組播允許發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個(gè)接收者。組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組,而只有屬于該組播組的地址才能接收到數(shù)據(jù)包。組播可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,因?yàn)闊o(wú)論有多少個(gè)目的地址,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi),組播類(lèi)似于廣播,組播比廣播的好處在于廣播將增加子網(wǎng)內(nèi)非接收者的負(fù)擔(dān)。在廣域網(wǎng)的范圍IP內(nèi),組播需要路由器具有組播功能。組播并不保證數(shù)據(jù)包能夠完整無(wú)缺地抵達(dá)目的地址,也不保證到達(dá)的順序性,因此組播在實(shí)現(xiàn)時(shí)是綁定在UDP協(xié)議之上的。

1.2 工作原理

組播地址是一組特定的預(yù)約地址,每一個(gè)被發(fā)送的數(shù)據(jù)包都發(fā)向組播地址,所有加入該組的主機(jī)都將接收到該數(shù)據(jù)包。在局域網(wǎng)內(nèi),主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口將目的主機(jī)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到高層,這些數(shù)據(jù)包的目的地址是物理地址或廣播地址。如果主機(jī)已經(jīng)加入到一個(gè)組播組中,主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口就會(huì)識(shí)別出發(fā)送到該組成員的數(shù)據(jù)包。廣域網(wǎng)中,路由器必須支持組播路由。

2 IP組播技術(shù)

2.1 IP組播技術(shù)概述

組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包到多個(gè)接收者的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。IP組播的核心思想是：通過(guò)一個(gè)IP地址向一組主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包(UDP);發(fā)送者僅僅向一個(gè)組地址發(fā)送信息,接收者只需加入到這個(gè)分組就可以接收信息;所有的接收者接收的是同一個(gè)數(shù)據(jù)流;組中成員是動(dòng)態(tài)的,可以根據(jù)自己的意愿隨時(shí)加入或退出該組;每一臺(tái)主機(jī)都可以同時(shí)加入到多個(gè)組中,每一個(gè)組播地址可以在不同的端口上有多個(gè)數(shù)據(jù)流,同時(shí)許多實(shí)際應(yīng)用可以共享一個(gè)組地址。IP組播技術(shù)可以有效地避免重復(fù)發(fā)送可能引起的廣播風(fēng)暴,并且能夠突破路由器的限制,將數(shù)據(jù)包傳送到其他網(wǎng)段。組播組、組管理協(xié)議和組播選路是IP組播中比較關(guān)鍵的部分。

2.2 IP組播技術(shù)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中應(yīng)用的可行性

2.2.1 提高了遠(yuǎn)程教學(xué)的覆蓋率

由于IPv6的組播地址范圍巨大,世界上任何一個(gè)人都能擁有一個(gè)獨(dú)立的屬于某個(gè)組播組的IP地址,這可使每一位學(xué)習(xí)者都能連接到Internet上學(xué)習(xí)。這樣就解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題,組播可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,因?yàn)闊o(wú)論有多少個(gè)目標(biāo)地址,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。將組播技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育,能夠提高數(shù)據(jù)的傳輸效率,減少主干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的可能性。

2.2.2 豐富網(wǎng)絡(luò)資源,保障網(wǎng)絡(luò)安全

組播可以傳輸流媒體信息,為學(xué)習(xí)者提供豐富多彩的學(xué)習(xí)資源。由于IPv6提供了嚴(yán)密的安全機(jī)制和嚴(yán)格的身份認(rèn)證機(jī)制,保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的安全性,使得越來(lái)越多的教育資源提供方將其教育資源放在服務(wù)器上,讓更多的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者利用。

2.2.3 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)教學(xué)

由于IPv6改變了原有的數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)文分割方式,使得在相同的網(wǎng)絡(luò)帶寬上可以運(yùn)行更多的數(shù)據(jù),從而使得視頻、音頻流媒體能夠在普通網(wǎng)絡(luò)中傳輸,這就使得網(wǎng)絡(luò)教育有望從單向交流轉(zhuǎn)向雙向互動(dòng)。另外,學(xué)習(xí)者還可以通過(guò)視頻點(diǎn)播、虛擬教室等方式實(shí)現(xiàn)真正意義上的個(gè)性化教學(xué)和遠(yuǎn)程沉浸式教學(xué),這無(wú)疑會(huì)提高遠(yuǎn)程教學(xué)的質(zhì)量。

2.3 IP組播技術(shù)在遠(yuǎn)程教育視頻中的合理設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程教育中的IP視頻系統(tǒng),是利用計(jì)算機(jī)、多媒體通信技術(shù)和設(shè)備,通過(guò)傳輸信道在網(wǎng)上進(jìn)行大規(guī)模的實(shí)時(shí)共享和實(shí)時(shí)交互的一種通信手段。它集通信、計(jì)算機(jī)于一體,有效地改善了當(dāng)前遠(yuǎn)程教育中缺乏交互性的弊端。教師端現(xiàn)場(chǎng)直播流的視頻、聲音、通知、指示、下達(dá)的文件資料通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各個(gè)學(xué)生機(jī)。當(dāng)某位學(xué)生發(fā)言時(shí),其視頻、聲音同樣要傳送給教師端和其他學(xué)生機(jī)。使用組播技術(shù),教師端和學(xué)生端的各種數(shù)據(jù)只要在網(wǎng)上發(fā)送一次,組播組中的其他成員都將收到此數(shù)據(jù),而與該組播組在同一段卻不參加遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的非成員將不會(huì)收到數(shù)據(jù)。這類(lèi)應(yīng)用對(duì)可靠性要求一般,但對(duì)端到端傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的要求很高。所以,在IP視頻系統(tǒng)中,組播的合理設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。

2.3.1 組播地址的獲取

當(dāng)一組機(jī)器要通信時(shí),它們選擇一個(gè)特殊的組播地址用于通信。在配置好網(wǎng)絡(luò)接口硬件后,就能識(shí)別該組播地址,而組中的所有機(jī)器就會(huì)收到送到該組播地址上的每個(gè)分組的拷貝。由于組播在網(wǎng)絡(luò)硬件局部(如以太網(wǎng)網(wǎng)卡)就能區(qū)分多個(gè)不同組的通信,無(wú)需軟件區(qū)分,所以比廣播方式更能節(jié)省主機(jī)資源。IP組播地址被劃分為2類(lèi)：永久分配的和臨時(shí)使用的。前者是指在會(huì)議系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置好組播地址,以后不再改變。這種方式主要適用于當(dāng)前會(huì)議系統(tǒng)使用不多的情況下,不存在不同的系統(tǒng)使用相同的組播地址而合為一組的情況,因而不會(huì)產(chǎn)生沖突。但是在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中,由于教師端和學(xué)生端的地址和數(shù)目不可能都是固定的,所以建議采用動(dòng)態(tài)獲取可變組播地址。也就是說(shuō),視頻會(huì)議系統(tǒng)用到的組播地址是不定的,在運(yùn)行時(shí)臨時(shí)確定。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)組播的支持

當(dāng)前廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并非完全支持組播的實(shí)現(xiàn),所以要從各個(gè)方面進(jìn)行考慮。如果要將組播通信應(yīng)用在視頻網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送端、接收端、網(wǎng)絡(luò)路由器以及他們之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須支持組播,防火墻設(shè)置為允許組播通過(guò)。首先IG MP是當(dāng)前唯一可選的一類(lèi)用于加入、離開(kāi)、查詢(xún)的組管理協(xié)議,其次要對(duì)IP服務(wù)接口、IP模塊、本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口以及本地網(wǎng)絡(luò)模塊分別進(jìn)行擴(kuò)展。另外,介于組播源和接收者之間的路由器、集線(xiàn)器、交換機(jī)、TCP/IP協(xié)議、防火墻均需支持組播。

2.3.3 組播選路

IG MP和組播編址方法指定了主機(jī)和本地路由器之間如何交換、如何通過(guò)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳送組播數(shù)據(jù)包,但是沒(méi)有指定路由器怎樣在主機(jī)和群組成員之間交換信息。一方面,如果群組成員信息沒(méi)有迅速傳播,組播路由器將不能做出任何發(fā)送數(shù)據(jù)包的決策;另一方面,如果組播選路方法把每個(gè)組播成員的關(guān)系變化都通知給每個(gè)路由器,對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)不啻是一場(chǎng)災(zāi)難,因?yàn)楫a(chǎn)生的通信量會(huì)讓互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法承受。這里建議采用協(xié)議無(wú)關(guān)組播(PIM),這能在前面述及的兩個(gè)極端之間做出某種折中。兩個(gè)有用的協(xié)議是PIM密集模式和PIM稀疏模式。前者主要用于高速局域網(wǎng),組播源和接收者比較靠近、發(fā)送者少、接收者多、組播數(shù)據(jù)流比較大且比較穩(wěn)定的環(huán)境。在這種環(huán)境中,幾乎所有網(wǎng)絡(luò)中都有主機(jī)在監(jiān)聽(tīng)每個(gè)組播群組。而后者主要用于廣域網(wǎng)環(huán)境,在這種環(huán)境下,某組播群組的成員只占所有可能網(wǎng)絡(luò)的很小一個(gè)子集。需要特別注意的是這兩種協(xié)議中沒(méi)有哪一個(gè)可以獨(dú)自適用于所有可能的情況,而PIM疏密結(jié)合的模式則具有很好的靈活性和兼容性。

總的來(lái)說(shuō),在終端接收者數(shù)量大幅度增加的情況下,采用組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信具有很大優(yōu)勢(shì)。在視頻傳輸中,無(wú)論接收者數(shù)量如何增加,服務(wù)器只需要發(fā)送一個(gè)視頻流,沿途的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也只需轉(zhuǎn)播一個(gè)視頻流,最大限度地降低了服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,節(jié)省了成本。

2.4 基于IP組播技術(shù)構(gòu)建的遠(yuǎn)程教育網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)程教育可以分為兩種形式：實(shí)時(shí)同步教學(xué)形式和非實(shí)時(shí)異步教學(xué)形式。這兩種方式都可以采用組播方式更好地實(shí)現(xiàn)。使用組播技術(shù)可以加快傳輸速率,減小延遲,有效阻止廣播風(fēng)暴,因此可以有效解決實(shí)時(shí)同步教學(xué)中的交互問(wèn)題,提高非實(shí)時(shí)異步教學(xué)中的學(xué)習(xí)效率,使學(xué)生可以隨時(shí)隨地上網(wǎng)瀏覽、學(xué)習(xí),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成作業(yè),與教師交流。實(shí)現(xiàn)方法主要是在原來(lái)不支持組播的Internet網(wǎng)絡(luò)中加入組播路由器以轉(zhuǎn)發(fā)組信息,因?yàn)椴⒎撬械幕ヂ?lián)網(wǎng)路由器都能轉(zhuǎn)發(fā)組播信息,這就產(chǎn)生了互聯(lián)網(wǎng)組播問(wèn)題。對(duì)于分布在兩個(gè)或更多網(wǎng)點(diǎn)上的群組,當(dāng)中間有一個(gè)并不支持組播選路的互聯(lián)網(wǎng)隔開(kāi)時(shí),最好是采用組播隧道技術(shù)(multicast tunneling),將一個(gè)組播數(shù)據(jù)包以隧道方式(可以把隧道看作是連接兩個(gè)路由器的一條虛擬鏈路)從一個(gè)路由器穿過(guò)中間許多路由器(這些路由器并沒(méi)有參加組播選路),送到另外一個(gè)路由器,然而對(duì)于組播選路軟件,這些細(xì)節(jié)是隱藏起來(lái)的。組播隧道構(gòu)成了Internet組播主干網(wǎng)MBONE(Multicast Backbone)的基礎(chǔ),許多網(wǎng)點(diǎn)都參與了MBONE,MBONE允許特定網(wǎng)點(diǎn)的主機(jī)收發(fā)組播數(shù)據(jù)包,然后轉(zhuǎn)發(fā)到其他參與的網(wǎng)點(diǎn)。MBONE常用于傳播音頻和視頻(例如視頻會(huì)議)。隧道組播服務(wù)器(TMC)是一臺(tái)專(zhuān)用的服務(wù)器,利用組播隧道技術(shù)將基于IP組播的應(yīng)用擴(kuò)展到廣域網(wǎng)上,提供全網(wǎng)范圍內(nèi)支持IP組播概念的能力,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的UDP數(shù)據(jù)包廣播,以支持超大容量的并發(fā)用戶(hù)。

2.5 組播應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題

在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中,組播沒(méi)有像基于單播的應(yīng)用那樣在Internet范圍內(nèi)被廣泛成功應(yīng)用。盡管很多年以來(lái),已經(jīng)可以通過(guò)Mbone來(lái)進(jìn)行組播的應(yīng)用,大多數(shù)路由器也能支持組播,但是運(yùn)營(yíng)商和ISP(Information Service Provider)以及通用的操作系統(tǒng)對(duì)組播的商業(yè)支持才剛剛開(kāi)始。之所以如此,是因?yàn)楝F(xiàn)在的IP組播在技術(shù)方面和商業(yè)化應(yīng)用方面存在很多的問(wèn)題,總結(jié)起來(lái)主要有以下幾方面：

(1)無(wú)連接機(jī)制無(wú)法提供服務(wù)質(zhì)量保證。IP組播技術(shù)的一對(duì)多通信方式采用了UDP的無(wú)連接機(jī)制,這種方式不能保證服務(wù)質(zhì)量。

(2)組播網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)隨著組播源和組成員的變化而動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò),組播流量無(wú)法控制和預(yù)計(jì),組播采用的UDP技術(shù)沒(méi)有內(nèi)在的擁塞避免機(jī)制。因而容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管理問(wèn)題和阻塞的發(fā)生。

(3)組播對(duì)成員的管理非常松散,無(wú)法提供一種對(duì)成員的有效管理及認(rèn)證機(jī)制。包括組創(chuàng)建的授權(quán),接收者的授權(quán)和發(fā)送者的授權(quán)。

(4)啟動(dòng)組播功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及運(yùn)行要求較高。這是由于組播功能的實(shí)現(xiàn)需要所有的路由器都必須支持和啟動(dòng)組播功能的緣故。如果老的路由器不支持組播,并且不支持軟件升級(jí)時(shí),則被迫要購(gòu)買(mǎi)新的支持組播的路由器,企業(yè)則會(huì)考慮成本太高而不會(huì)進(jìn)行新的購(gòu)買(mǎi),這也限制了組播的部署。

(5)路由協(xié)議的協(xié)同工作問(wèn)題。由于不同廠家產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)協(xié)議的具體方式不同,各種路由協(xié)議之間如果沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),很難協(xié)同工作。

(6)安全性問(wèn)題。包括對(duì)組播路由攻擊和會(huì)話(huà)攻擊的保護(hù),對(duì)數(shù)據(jù)完整性機(jī)制的支持等。

(7)如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)組播地址分配和計(jì)費(fèi)的問(wèn)題。

隨著Internet規(guī)模變得越來(lái)越大,網(wǎng)絡(luò)中各種應(yīng)用的增多,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)速度也越來(lái)越快,上述問(wèn)題會(huì)變得更嚴(yán)重,因而IP組播實(shí)現(xiàn)起來(lái)也就更困難。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商和 ISP(Information Service Provider)要解決他們所部署的IP組播體系結(jié)構(gòu)上的這些問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,要使得當(dāng)前的組播體系結(jié)構(gòu)變得通用化和商業(yè)化是很困難的,從長(zhǎng)期來(lái)看影響了組播的成功應(yīng)用。

雖然IP組播有一些缺點(diǎn),特別是對(duì)IP組播的支持并不廣泛,基于組播的上層應(yīng)用屈指可數(shù),但是IP組播技術(shù)因其多點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸和多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的特點(diǎn),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議和遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)仍然產(chǎn)生著重要而深遠(yuǎn)的影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,IP組播技術(shù)必將在遠(yuǎn)程教育中發(fā)揮更大作用。

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(責(zé)任編輯：潘 敏)

Multicast and Its Application in Long-distance Network Education

Du Chuanle
(China National T obacco Corporation,Qingzhou T obacco Trade School,Qingzhou Shandong 262500)

Due to the low bandwidth and slow transmission mechanism,there are static teaching materials more than the message of flow media such as video and audio in most of the educated net.Even some net provide the browsing and downloading about the message of flow media such as video and audio,but it is difficult to realize the communication each other for the t slow transmission speed,what is more,the effect is not satisfied,which weaken the appeal of network education for the learning in great content,meanwhile the quality and effect is bad.Multicast is a transmission form which can save the internet source in efficient.The purpose is to study the multicast technology based on IP and applying multicast technology in long-distance network education.

long-distance network education;multicast;IP multicast

2009-09-28

杜傳樂(lè)(1974-),男(漢族),山東青州人,中國(guó)煙草總公司青州煙草中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校講師.

TN915.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2080(2010)01-0060-03