基于虛擬機(jī)和軟件路由器的組播實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)研究

許翔宇，李隱峰，董 濤

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710071)

隨著科技的發(fā)展，虛擬化、軟件路由、組播網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域產(chǎn)生了較大的影響。許多單位、企業(yè)需要組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)如視頻會(huì)議、在線音視頻播放等功能。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的充分利用和數(shù)據(jù)的高效傳輸，在虛擬化、軟件路由的基礎(chǔ)上搭建組播網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)理想的選擇。

1 技術(shù)概述

1.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計(jì)算的基礎(chǔ)，將原本直接安裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)硬件上的OS轉(zhuǎn)換為虛擬機(jī)，在一臺(tái)實(shí)體機(jī)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的操作系統(tǒng)［1］。文中采用VMware公司的虛擬操作系統(tǒng)ESXi5.0，通過(guò)配套的VMware vSphere Client 5.0控制虛擬機(jī)及其子操作系統(tǒng)的安裝和網(wǎng)絡(luò)配置。

1.2 Router OS軟件路由器

Router OS是一個(gè)基于Linux的路由操作系統(tǒng)，可以安裝在計(jì)算機(jī)硬件上作為一個(gè)普通路由器。軟件經(jīng)歷了多次更新和改進(jìn)，使其功能不斷增強(qiáng)和完善。特別在無(wú)線、認(rèn)證、策略路由、帶寬控制和防火墻過(guò)濾等功能上有著突出的功能［2］。

文中使用的是ROS3.30版本，并安裝Multicast組播功能包，設(shè)置其組播功能。在虛擬機(jī)上安裝6個(gè)ROS路由器，通過(guò)ESXi內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)置搭建一個(gè)組播網(wǎng)絡(luò)［1］。

1.3 組播網(wǎng)絡(luò)

組播是主機(jī)之間“一對(duì)一組”的通訊模式，加入了同一個(gè)組的主機(jī)可以接收到此組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和路由器只向有需求者復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)其所需數(shù)據(jù)。主機(jī)可以向路由器請(qǐng)求加入或退出某個(gè)組，網(wǎng)絡(luò)中的路由器和交換機(jī)有選擇地復(fù)制并傳輸數(shù)據(jù)，即只將組內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸給那些加入組的主機(jī)。這樣既能一次將數(shù)據(jù)傳輸給多個(gè)有需要(加入組)的主機(jī)，又能保證不影響其他不需要(未加入組)的主機(jī)的其他通訊［3］。

組播網(wǎng)絡(luò)中有幾個(gè)比較重要的協(xié)議，如IGMP(組播管理協(xié)議)、PIM－DM(協(xié)議無(wú)關(guān)組播密集模式)、PIM－SM(協(xié)議無(wú)關(guān)組播稀疏模式)等［4］。

文中通過(guò)2種方法測(cè)試組播網(wǎng)絡(luò):(1)通過(guò)組播測(cè)試工具Wsend和Wlisten，在服務(wù)器端利用Wsend發(fā)送組播數(shù)據(jù)包，在客戶機(jī)端利用Wlisten接收組播數(shù)據(jù)包，查看接收速率和掉包率等，以判斷組播網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。(2)利用視頻播放軟件VLC在服務(wù)器端搭建視頻服務(wù)器，并發(fā)送組播數(shù)據(jù)包，同時(shí)在多個(gè)客戶機(jī)端輸入組播地址收看視頻，查看視頻播放情況。

2 搭建組播網(wǎng)絡(luò)

2.1 在虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)

ESXi5.0安裝好之后，通過(guò)vSphere Client登錄到管理界面，創(chuàng)建操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)安裝完成后，仍可以通過(guò)管理工具修改操作系統(tǒng)上硬件的數(shù)量和參數(shù)。安裝好6個(gè)ROS系統(tǒng)、1個(gè)基于Windows Server 2003的視頻服務(wù)器、3個(gè)基于Windows Server 2003的客戶機(jī)。

2.2 組播網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

虛擬設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示，每個(gè)ROS都有2個(gè)網(wǎng)卡，每個(gè)終端都有一個(gè)網(wǎng)卡，根據(jù)設(shè)計(jì)的設(shè)備連接圖，配置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。ESXi的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，將每個(gè)實(shí)體網(wǎng)卡當(dāng)作一個(gè)交換機(jī)，虛擬的操作系統(tǒng)通過(guò)交換機(jī)組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)［1］，設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖1 虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接圖

圖2 ESXi5.0內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)配置

2.3 連通內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

配置好網(wǎng)絡(luò)后，需要配置各ROS及主機(jī)客戶機(jī)的IP地址，以達(dá)到主機(jī)與客戶機(jī)的數(shù)據(jù)連通［2］，如圖3所示。

圖3 IP地址配置

根據(jù)設(shè)計(jì)好的IP地址，登入ROS操作系統(tǒng)內(nèi)部配置好相對(duì)應(yīng)的IP地址。并在路由器上指定相應(yīng)的IP網(wǎng)關(guān)。各ROS路由器及客戶機(jī)的網(wǎng)關(guān)如下

ROS1:192.168.1.1;ROS2:192.168.2.1;ROS3:192.168.2.1。

ROS4:192.168.2.1;ROS5:192.168.3.1;ROS6:192.168.5.1。

Client1:192.168.4.1;Client2:192.168.6.1;Client3:192.168.7.1。

設(shè)置好IP地址及網(wǎng)關(guān)后，仍需要設(shè)置各路由器的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)的方式，將所有路由器IP模塊的firewall中nat部分設(shè)置為chain=srcnat，action=masquerade［2］。

登入每個(gè)路由器及客戶機(jī)中，使用ping命令連接服務(wù)器的IP地址，全部可以ping通，至此ROS路由器的初步設(shè)置基本完成，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組播網(wǎng)絡(luò)的配置。

2.4 組播配置

組播網(wǎng)絡(luò)中需要將一個(gè)路由器設(shè)置為RP匯聚點(diǎn)(Rendezvous Point)，其作用是告訴周?chē)酚善鹘M播源的方位，從而形成一個(gè)從組播源到接收者的通道［4］。本文將ROS1作為整個(gè)組播網(wǎng)絡(luò)的RP，其他的路由器通過(guò)ROS1訪問(wèn)組播源。

文中ROS3.30采用PIM－SM稀疏模式協(xié)議和IGMPv2協(xié)議。安裝好multicast擴(kuò)展包之后，在routing模塊中的PIM進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置如下［5］。

設(shè)置ROS1:

［admin@ROS1］＞routing pim interface add ether1，ether2//使ether1和ether2支持PIM和IGMP協(xié)議

［admin@ROS1］＞routing pim interface p//查看各網(wǎng)卡及其支持的組播協(xié)議

［admin@ROS1］＞routing pim rp add address=192.168.1.251 group=239.255.255.0/24//設(shè)置組播網(wǎng)絡(luò)的RP，并設(shè)置IP地址為ROS 1上ether1的IP地址，并劃定了組播地址范圍。

其他5個(gè)ROS的設(shè)置基本相同，需要在設(shè)置RP時(shí)將RP的IP地址寫(xiě)為ROS1的ether1的地址192.168.1.251。當(dāng)所有的路由器設(shè)置完成后，組播網(wǎng)絡(luò)搭建完畢。

3 組播網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行及測(cè)試

3.1 利用組播工具測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性

在路由器的配置階段，已經(jīng)證實(shí)了各子網(wǎng)間的連通性，需要測(cè)試的是組播網(wǎng)絡(luò)是否已經(jīng)正常工作。在視頻服務(wù)器Video Server上運(yùn)行Wsend程序，添加一個(gè)組播地址，這個(gè)地址需要在之前設(shè)置的RP的組播組內(nèi)。設(shè)置過(guò)程如圖4所示。

圖4 設(shè)置Wsend發(fā)送組播數(shù)據(jù)包

在客戶機(jī)Client1上運(yùn)行Wlisten程序，設(shè)置要接收數(shù)據(jù)包的組播地址。設(shè)置過(guò)程如圖5所示。服務(wù)器Video Server上Wsend程序開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖6所示。

圖5 設(shè)置Wlisten接收組播數(shù)據(jù)包

圖6 Wsend發(fā)送組播數(shù)據(jù)包

客戶機(jī)Client1上Wlisten接收組播數(shù)據(jù)包，如圖7所示。

圖7 Wlisten接收組播數(shù)據(jù)包

可以看到，數(shù)據(jù)包的延遲微小，丟包率幾乎為0，說(shuō)明此組播網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。另外2個(gè)客戶機(jī)的測(cè)試方法和Client1相同，經(jīng)過(guò)測(cè)試，組播網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連通，效果較為理想。

3.2 利用VLC測(cè)試組播網(wǎng)絡(luò)上的視頻播放

本文使用一個(gè)開(kāi)源視頻播放軟件VLC video player，它既是一個(gè)視頻播放器，也可以通過(guò)配置，作為一個(gè)視頻服務(wù)器，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，從其他客戶端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

將本地視頻文件通過(guò)組播方式將視頻流發(fā)送出去的設(shè) 置 為:File——Wizard——Stream to network——Choose——從本地選擇相應(yīng)的視頻文件——選擇Streaming method為UDP Multicast，組播地址為239.255.255.254，默認(rèn)端口1234——轉(zhuǎn)碼格式為MPEG TS——Time－to－Live(TTL)設(shè) 為128——Finsh。還需要在Setting——Preferences——Sreaming Output中將Time－to－Live設(shè)置為128。

設(shè)置完成后，服務(wù)器端視頻播放不顯示，只顯示進(jìn)度條，如圖8所示。

圖8 視頻服務(wù)器開(kāi)始組播視頻傳輸

在客戶機(jī)Client1端，打開(kāi)VLC播放器，輸入組播播放地址，F(xiàn)ile——Open Network Sream在Network選項(xiàng)中選擇UDP/RTP Multicast，IP地址239.255.255.254，Port1234——Finsh。設(shè)置完成后開(kāi)始播放視頻軟件，如圖9所示。

圖9 客戶端組播視頻播放

其他客戶端Client2，Client3與Client1設(shè)置完全相同，經(jīng)過(guò)測(cè)試，均可正常播放。測(cè)試視頻播放的流暢度方面，采取的方式是對(duì)視頻文件在本地直接播放的速率、組播服務(wù)器發(fā)送組播視頻流的速率及客戶端接收視頻流的速率進(jìn)行對(duì)比。

如圖10～圖12所示，組播視頻服務(wù)器的輸入比特率為1 171 kbit·s－1，而客戶端接收組播視頻的輸入比特率為900 kbit·s－1，說(shuō)明在傳輸過(guò)程中，視頻的傳輸速率降低很小;客戶端播放過(guò)程丟幀數(shù)很小;經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的播放，視頻出現(xiàn)的卡頓現(xiàn)象較少。以上現(xiàn)象都說(shuō)明視頻數(shù)據(jù)在組播網(wǎng)絡(luò)的傳輸較順暢，視頻播放效果良好。

圖10 視頻文件本地播放信息

圖11 組播視頻服務(wù)器視頻流信息

圖12 客戶端接收組播流視頻信息

測(cè)試視頻服務(wù)器的負(fù)載方面，對(duì)視頻服務(wù)器的CPU負(fù)載進(jìn)行記錄:當(dāng)3個(gè)客戶端同時(shí)采用點(diǎn)播方式播放視頻流時(shí)，視頻服務(wù)器的負(fù)載達(dá)到100%;當(dāng)3個(gè)客戶端采用組播方式播放視頻流時(shí)，視頻服務(wù)器的負(fù)載約降低了80%。這說(shuō)明組播對(duì)視頻服務(wù)器的負(fù)載有一定的減小。當(dāng)組播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步放大，有更多的路由器、服務(wù)器、客戶端時(shí)，對(duì)服務(wù)器負(fù)載減小、視頻流傳輸?shù)乃俣葘?huì)有更大的提升，組播的優(yōu)勢(shì)也會(huì)更明顯地顯現(xiàn)出來(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬化、軟件路由、組播網(wǎng)絡(luò)都是近些年來(lái)發(fā)展較為迅速的技術(shù)，文中將這3種技術(shù)結(jié)合，提出了一種組播的解決方案，并進(jìn)行測(cè)試。用較小的成本實(shí)現(xiàn)了組播網(wǎng)絡(luò)，具有一定的實(shí)用性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方案較好地完成了預(yù)期的目標(biāo)，由于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)載轉(zhuǎn)移到了路由器上，大幅減輕了視頻服務(wù)器的負(fù)載，證實(shí)了組播網(wǎng)絡(luò)對(duì)多用戶視頻播放性能有較大的提升。

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