IP組播技術(shù)研究及其在校園網(wǎng)中的應(yīng)用

王鈺博　喬杰華　劉毅

摘 要：隨著多媒體教學(xué)、視頻會(huì)議等校園應(yīng)用的增多，IP組播在校園信息化系統(tǒng)的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛。IP組播是一種能夠節(jié)約帶寬資源的技術(shù)，其可以利用最小的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源將組播數(shù)據(jù)包發(fā)送到各個(gè)目標(biāo)接收端。論文詳細(xì)地分析了IP組播原理及關(guān)鍵技術(shù)，闡述了IP組播在校園網(wǎng)中的應(yīng)用，包括視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)信息廣播、視頻直播或點(diǎn)播系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教學(xué)等多個(gè)方面，具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：IP組播；校園網(wǎng)；IGMP；CGMP

1 引言

隨著移動(dòng)通信、光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在人們的生活中得到了廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資源也越來(lái)越大，單播或廣播等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，充分利用帶寬資源和提高帶寬利用率已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[1]。IP組播是指從一組主機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的技術(shù)，其可以把一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)流發(fā)送給多個(gè)目標(biāo)用戶，并且不占用較多的帶寬資源，具有重要的作用和意義[2]。

2 IP組播技術(shù)原理

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用單播或廣播形式，單播可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送者和接受者之間的一對(duì)一、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，如果一個(gè)發(fā)送者期望給多個(gè)接受者發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，就需要復(fù)制多個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣就會(huì)增大發(fā)送者和網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用率，導(dǎo)致發(fā)送者具有較長(zhǎng)的延遲和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。IP組播可以使用一種協(xié)議將數(shù)據(jù)包從一個(gè)發(fā)送者傳輸至多個(gè)目標(biāo)用戶，也即是IP組播將數(shù)據(jù)包以最大努力方式傳輸?shù)綐?gòu)成組播群的主機(jī)集合，組播群內(nèi)的所有成員都可以分布于多個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上，組播群的成員關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，可以隨機(jī)加入和退出，群組成員的關(guān)系決定了是否能夠準(zhǔn)確接收到數(shù)據(jù)包。與傳統(tǒng)的單播和廣播相比，組播具有較高的傳輸效率[3]。無(wú)論組播群內(nèi)存在多少成員，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一條線路中只需要傳輸單一的備份數(shù)據(jù)包，可以有效節(jié)約貸款，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞概率，提高數(shù)據(jù)傳輸效率[4]。

3 IP組播技術(shù)及其在校園網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 IP組播關(guān)鍵技術(shù)

（1）組播地址分配與MAC地址

IP組播實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了能夠與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相匹配，IP組播將地址劃分為兩個(gè)類(lèi)別，分別是IP組播地址和Ethernet組播地址。國(guó)家IP地址管理機(jī)構(gòu)為IP組播分配了專(zhuān)用地址，IP組播地址可以唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)組播組，所有的數(shù)據(jù)資源都可以封裝到IP數(shù)據(jù)包中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)為了能夠標(biāo)識(shí)一個(gè)物理中終端，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需要將數(shù)據(jù)包封裝到數(shù)據(jù)幀中，此時(shí)可以為組播分配一個(gè)Ethernet地址。IP組播地址均為IPv4中的D類(lèi)地址段，組播地址范圍為224.0.0.0到239.255.255.255。隨著IP組播地址的應(yīng)用，其又被細(xì)化為多種類(lèi)別，分別是預(yù)留組播地址、局部鏈接組播地址、管理權(quán)限組播地址，預(yù)留組播地址可以應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的組播數(shù)據(jù)傳輸；局部鏈接組播地址可以應(yīng)用與局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，并且固定路由器不需要轉(zhuǎn)發(fā)IP包；管理權(quán)限組播地址可以應(yīng)用于政企單位內(nèi)部適用，這樣就可以保證組播數(shù)據(jù)傳輸范圍。IP組播地址可以與Ethernet MAC地址之間進(jìn)行映射和轉(zhuǎn)換，具體操作在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行完成，映射過(guò)程中，IP組播地址中的36位中的8個(gè)高位字節(jié)和緊接著的1個(gè)標(biāo)志位不參與轉(zhuǎn)換，將IP組播地址中的剩余低23位取代Ethernet組播地址中的低23位。

（2）二層組播相關(guān)協(xié)議

IP組播的二層組播協(xié)議主要包括IGMPSnooping和CGMP兩種。IGMPSnooping可以使用交換機(jī)偵聽(tīng)發(fā)向路由器中的IGMP成員報(bào)告消息的方式，可以生成一個(gè)成員與交換機(jī)接口一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將其放置在組播CAM表項(xiàng)中，交換機(jī)可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的關(guān)系將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給存在組成員的接口。CGMP是思科提出的一種基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式的私有組播協(xié)議，其可以在路由器和交換機(jī)上運(yùn)行，可以讓成員關(guān)系信息從路由器到交換機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信傳輸。

3.2 IP組播在校園網(wǎng)中的應(yīng)用

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、流媒體等新型計(jì)算機(jī)技術(shù)在部隊(duì)校園網(wǎng)中的應(yīng)用和普及，部隊(duì)校園網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)越來(lái)越多，因此也更加需要引入組播技術(shù)，目前IP組播已經(jīng)在校園網(wǎng)中的視頻會(huì)議、數(shù)據(jù)信息廣播、遠(yuǎn)程教學(xué)和視頻直播點(diǎn)播系統(tǒng)中得到廣泛使用，有效提升了部隊(duì)校園網(wǎng)的數(shù)字化水平。

（1）視頻會(huì)議

視頻會(huì)議室部隊(duì)校園網(wǎng)最早引入組播技術(shù)的應(yīng)用之一，每一個(gè)參加會(huì)議的人員都可以加入到同一個(gè)或多個(gè)組播群，這樣大家就可以互相看到對(duì)方。視頻會(huì)議的數(shù)據(jù)包復(fù)制通常不采取MCU集中完成的模式，其可以由三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)自動(dòng)完成，這樣就可以大大的減少數(shù)據(jù)包的流量，同時(shí)，由于數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過(guò)MCU進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以大幅度提升視頻會(huì)議的實(shí)時(shí)性，讓參與會(huì)議人員如身臨現(xiàn)場(chǎng)一樣。但是，視頻會(huì)議采用組播技術(shù)，如果數(shù)據(jù)包括在傳輸過(guò)程中丟失了，系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)包操作，但是由于視頻會(huì)議要求較高的實(shí)時(shí)性，一些數(shù)據(jù)包的丟失不影響視頻會(huì)議內(nèi)容，故可以忽略不計(jì)。

（2）數(shù)據(jù)信息廣播

部隊(duì)校園網(wǎng)存在大量的數(shù)據(jù)信息需要進(jìn)行廣播，為了保護(hù)信息的機(jī)密性和完整性，并不是所有的終端設(shè)備都需要接收這些廣播數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)信息廣播中引入組播技術(shù)，就可以讓期望接收的終端設(shè)備加入到一個(gè)組播群。組播群內(nèi)的成員可以接收廣播數(shù)據(jù)，組播群外的成員不能接受廣播數(shù)據(jù)，這樣既可以節(jié)約部隊(duì)校園網(wǎng)帶寬資源，同時(shí)也可以最大化的保證數(shù)據(jù)的安全性，避免敏感信息擴(kuò)散。

（3）視頻直播點(diǎn)播系統(tǒng)

部隊(duì)校園網(wǎng)存在許多的閉路電視，以便能夠滿足名師集中化教學(xué)。使用組播協(xié)議可以滿足網(wǎng)絡(luò)電視直播。服務(wù)器可以將網(wǎng)絡(luò)電視視頻流以組播的形式發(fā)送出去，任何客戶端想收到數(shù)據(jù)只需要加入到組播組中，就可以收看組播的任何一個(gè)節(jié)目，視頻直播類(lèi)似于一個(gè)電視頻道，可以持續(xù)的播放視頻；點(diǎn)播可以滿足用戶點(diǎn)播任何一個(gè)感興趣的節(jié)目。

（4）遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)

IP組播技術(shù)成功的改變了傳統(tǒng)的部隊(duì)院校信息化教學(xué)模式，其可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)遠(yuǎn)程教學(xué)視頻，構(gòu)建一個(gè)虛擬的教學(xué)課堂，不管學(xué)生位于什么位置，都可以與教師進(jìn)行互動(dòng)學(xué)習(xí)和溝通交流，能夠讓更多的學(xué)生享受到精品課程、高級(jí)教師的教育，從而可以均衡教育資源，改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)也可以引入

（5）虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)

目前，部隊(duì)院校為了提高武器生產(chǎn)、裝配的應(yīng)用成效，其已經(jīng)在武器生產(chǎn)教學(xué)過(guò)程中引入了虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用這些技術(shù)可以構(gòu)建一個(gè)具有沉浸式的教學(xué)環(huán)境，利用各種裝配組件構(gòu)建一個(gè)完善的武器，并且能夠分析武器設(shè)計(jì)流程存在的問(wèn)題和性能，改變了傳統(tǒng)的武器教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，校園信息化水平迅速提升，組播技術(shù)在校園網(wǎng)絡(luò)中承載的業(yè)務(wù)也將會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，改進(jìn)組播技術(shù)和擴(kuò)大應(yīng)用范圍將成為未來(lái)組播研究的熱點(diǎn)，也必將取得更大的成就，滿足校園信息化需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙陽(yáng)， 沈娟， 呂岑. IP組播技術(shù)在校園網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用， 2014（12）：255-255.

[2] 袁小紅. IP組播技術(shù)研究及其在校園網(wǎng)中應(yīng)用[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備， 2009（2）：45-47.

[3] 許維澤. 基于IP組播技術(shù)的新一代數(shù)字電視前端平臺(tái)[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用， 2015（1）：21-21.

[4] 潘相超. 校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組播視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技致富向?qū)В?2011（24）：39-39.