大學生科技競賽測評管理系統(tǒng)中的校園網視頻直播技術探討

吉鶴 李月軍 劉曉光

摘 要：隨著各類大學生科技競賽活動規(guī)模和深層次的發(fā)展，其組織管理的規(guī)范化和網絡化是必然趨勢。該文分析了基于校園網應用的IP組播技術的基本特性，簡要介紹了IP組播技術的概念、原理及體系結構，設計與實現(xiàn)了大學生科技競賽測評管理系統(tǒng)中的校園網視頻直播技術的應用方案。

關鍵詞：科技競賽 測評 校園網 IP組播

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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的大學生科技競賽測評管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)設計目標系統(tǒng)應用于省市級及一般高校的科技競賽組織管理和實時測評。系統(tǒng)將競賽組織的全過程納入計算機管理，實現(xiàn)競賽組織管理、競賽測評管理、視頻服務管理、交流培訓管理等功能，實現(xiàn)規(guī)范測評流程，使競賽的測評更加透明、公正、規(guī)范，并通過Web視頻服務實現(xiàn)測評過程的直播和實時發(fā)布測評結果。

系統(tǒng)采用B/S結構。綜合考慮信息處理量、使用率和成本，核心服務器為一臺流媒體服務器，兼做Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、WMS流媒體服務器。Web服務器負責用戶接入；WMS服務器提供流媒體數(shù)據(jù)的發(fā)布，滿足視頻直播、錄像點播等服務；測評終端采用便攜式計算機并接攝像機，作為測評信息記錄和直播編碼工作站，采集AV信號，實時壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流，發(fā)布到WMS服務器滿足直播需求。

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

系統(tǒng)軟件架構根據(jù)MVC模式分為三層。應用ASP.NET可以使用.NET平臺快速方便的部署三層架構。.NET中可以方便的實現(xiàn)組件的裝配，后臺代碼通過命名控件可以方便的使用自己定義的組件。顯示層放在ASPX頁面中，數(shù)據(jù)庫操作和邏輯層用組件來實現(xiàn)，這樣就很方便的實現(xiàn)了三層架構。三層架構的分層式實現(xiàn)了“高內聚、低耦合”。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）競賽組織管理。功能包括競賽組織單位官方文件管理、報名及資格審核、競賽項目發(fā)布、競賽成績公告及投訴處理等功能。

（2）競賽測評管理。功能包括測評規(guī)則、測評標準及測試項目評分細則管理、現(xiàn)場評測計分管理和現(xiàn)場成績實時發(fā)布。系統(tǒng)綜合技術報告和測試成績并經組委會確定后形成最后的成績予以公示。

（3）視頻服務管理。本系統(tǒng)用戶為校內競賽和省市級競賽。前者基于校園網，后者要實現(xiàn)在Internet直播。綜合考慮，本系統(tǒng)設計實現(xiàn)校園網視頻直播，在Internet實現(xiàn)文字直播。在應用過程中，流媒體服務器通過RTSP/HTTP協(xié)議實現(xiàn)會話的建立和管理，通過RTP/RTCP協(xié)議實現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)的傳輸和服務質量的管理。

（4）交流與培訓管理。包括和競賽有關的技術資源的上傳、下載管理、網上培訓和論壇管理。

（5）用戶管理模塊。包括注冊與注銷管理、用戶信息管理、用戶登錄管理和權限分配等。

2 IP組播技術的基本特性

2.1 系統(tǒng)視頻直播方式的選擇

受場地限制，大學生科技競賽測評現(xiàn)場相對較封閉；而為提高競賽影響力、關注度和保證競賽測評的公開、公正性，實現(xiàn)測評過程的網絡視頻直播是一個重要手段。

網絡視頻直播基于IP組播技術實現(xiàn)。IP組播技術是允許單一的數(shù)據(jù)報同時發(fā)給同一多播組全部其他主機的網絡技術。主機可通過網際組管理協(xié)議（IGMP）動態(tài)地加入或離開該多播組。支持協(xié)議無關組播（PIM）和其他相關組播協(xié)議的路由器將跟蹤這種組關系并形成一條到達該多播組每個成員的無回路路徑，實現(xiàn)無論有多少個目標地址，在整個網絡的任何一條鏈路上單一的數(shù)據(jù)報傳送，實現(xiàn)了網絡帶寬的高效率使用。

IP組播分為兩類：一是在局域網內進行組播；二是在Internet范圍內組播。后者技術實現(xiàn)復雜、成本高昂。而基于校園網實現(xiàn)視頻直播，包括了局域網組播即硬件組播技術路由器間組播技術，但實現(xiàn)相對容易、成本較低?；诖髮W生科技競賽測評管理系統(tǒng)用戶的視頻直播需求范圍、使用率和實現(xiàn)成本的考慮，系統(tǒng)選擇基于校園網的視頻直播方式。

2.2 組播地址的基本特性

IP組播實現(xiàn)發(fā)送和接收者之間點對多點的網絡連接。在網絡層，源主機將數(shù)據(jù)發(fā)給某多播組時，首先須構造一個能夠標識該多播組的IP數(shù)據(jù)報。IP組播地址定義了一個D類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。D類地址范圍僅用作組地址或IP組播數(shù)據(jù)包的目標地址，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)給組播地址即可實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù)傳送。

以太局域網局域網鏈路層MAC組播地址的設計是其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使用。IP組播地址和MAC地址以一種映射關系相關聯(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地址的這種映射關系不是唯一對應的，因為在32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IP組播地址映射一個組播MAC地址。

2.3 組播協(xié)議

組播協(xié)議分為主機與路由器之間的組成員關系協(xié)議和路由器之間的組播路由協(xié)議。組成員關系協(xié)議包括IGMP，組播路由協(xié)議分為域內組播路由協(xié)議和域間組播路由協(xié)議，域內組播路由協(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建立并且維護路由器直聯(lián)網段的組成員關系信息，域內組播路由協(xié)議根據(jù)IGMP維護的這些組播組成員關系信息，運用一定的組播路由算法構造組播分發(fā)樹進行組播數(shù)據(jù)包轉發(fā)。

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

3 基于IP組播的校園網視頻直播的實現(xiàn)

學生科技競賽的測試過程一般分成若干組。各測評點配置支持RTP/RTSP實時流媒體協(xié)議的網絡攝像機（IP攝像機）和便攜式計算機完成視頻采集和測評數(shù)據(jù)記錄，AV信號經編碼、壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流經局域網交換機傳送到系統(tǒng)Web服務器和流媒體服務器進行數(shù)據(jù)處理和視頻組播發(fā)布。

一般標準三層網絡體系結構的校園網，核心層和匯聚層構成網絡服務骨干。核心層為三層交換機，接入層為二層交換機，100M到客戶端。組播的數(shù)據(jù)包要經過交換機，特別是接入層交換機，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上配置IGMP Snooping協(xié)議。

（1）在骨干網配置PIM協(xié)議。PIM（ Protocol Indepen Multicast）是目前應用最多的組播路由協(xié)議，它運行在組播路由器之間，由于建立和維護組播路由，高效轉播組播數(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，適用于小型網絡，在這種網絡環(huán)境下，組播組的成員相對比較密集。PIM-SM為與協(xié)議無關的組播稀疏模式，屬于稀疏模式的組播路由協(xié)議，應用于組成員相對分散、范圍較廣的大規(guī)模網絡?；谝话阈@網的結構，選擇PIM-DM協(xié)議。在骨干交換機的每個VLAN接口上啟動PIM-DM協(xié)議，實現(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，它運行在主機與路由器之間組播成員關系的建立和維護機制。IGMP Snooping是運行在二層以太網交換機上的組播約束機制，用于管理組播組。為實現(xiàn)這個功能，需要在交換機上啟動IGMP Snooping。

4 結語

IP組播技術有效地解決了單點發(fā)送多點接收的問題，實現(xiàn)了IP網絡中點到多點的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠大量節(jié)約網絡帶寬、降低網絡負載。在大學生科技競賽測評和綜合管理系統(tǒng)中，基于IP組播實現(xiàn)測評過程在校園網的實時直播，為提高競賽影響力、關注度和保證競賽測評的公開、公正性發(fā)揮了重要作用。

參考文獻

[1] 沈秀，眭榮方，曾德偉.地方高校學科競賽管理體系的構建[J].實驗室研究與探索，2014，33（11）：187-190.

[2] 趙小蕾，謝慶輝.大學生科技競賽管理方式探討[J].計算機時代，2015（6）：76-78.

[3] 詹青龍，常承陽，顧建鋒.網絡視頻技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[4] Beau Williamson.IP組播網絡設計開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.