摘要：隨著在Internet上流媒體、視頻等業務的相繼開展，IP組播的技術和應用開始快速發展。本文主要分析IP組播技術的產生、概念和特點，以及相關的IP組播技術，最后介紹了IP組播技術在視頻業務中是如何應用的。

　　關鍵詞：IP組播 視頻 協議 應用

　　一 引言

　　隨著網絡的發展，人們已經在網絡平臺上開發了各種業務，如E-MAIL、TELNET、FTP、WWW等業務，這些都是點到 點的數據傳輸；而人們希望在Internet網絡上開視頻會議、聽現場音樂會、看實況轉播等，這些是點到多點或多點到多點的數據傳輸，需要采用IP組播(IP Multicast)通信技術。目前這種技術已成為國外各種研究團體和科研機構研究的熱點和焦點，許多網絡廠商紛紛提供能支持IP組播技術的產品，一些網絡提供服務商ISP逐漸提供這種高級服務，許多提供大規模網絡應用和服務的大公司開始使用組播通信。

　　二 IP組播技術的產生

　　從Internet網絡發展的速度來看，組播是一個舊概念而不是一個新概念，但它由于各種原因發展比較緩慢。IP組播的概念于1988年最早出現在Steve deering的博士論文中，在1989年Steve deering對標準IP網絡層協議進行了擴展，提出了IP組播規范；1992年3月第一次建立組播主干網MBone，IETF并成功地在組播網上舉行了一次會議，才引起人們的廣泛關注。而第一個WWW瀏覽器出現在1990年，到1993年已發展到100個WWW站點，所以組播和WWW雖處于同一時期，但組播的發展遠遠慢于WWW，主要原因是IP組播通信模式需要相當狀態和復雜性的路由器，要求路由器能提供每個群組和每個源的信息狀態，并且隨著Internet網絡的越來越復雜給組播的進一步的發展帶來了困難。后來，出現了一些設計精巧的組播路由協議(如PIM-DM、PIM-SM)，使組播IP包能正確而又迅速地發送給成千上萬的接收者，IP組播的技術和應用開始快速發展。

　　目前，IP組播可以運行在任意構造的網絡之上，包括因特網、ATM、幀中繼、SMDS和衛星，涉及網絡的許多領域，能應用在視頻和電信會議、多媒體種類、新聞發布和那些來自太空的遠程實況廣播。

　　三 IP組播的概念

　　IP組播是利用一種協議將IP數據報從一個源傳送到多個目的地，將信息的拷貝發送到一組地址，到達所有想要接收它的接收者。IP組播是將IP數據報“盡最大努力”傳輸到一個構成組播群組的主機集合，群組的各個成員可以分布于各個獨立的物理網絡上。IP組播群組中成員的關系是動態的，主機可以隨時加入和退出群組，群組的成員關系決定了主機是否接收送給該群組的組播數據報，不是某群組的成員主機也能向該群組發送組播數據報。

　　同單播(unicast)或廣播(broadcast)相比，組播效率非常高，因為任何給定的鏈路至多用一次，可以節省網絡帶寬和資源。我們以一個例子來說明,如圖1所示，建立一個視頻服務器和遠端網絡的通信，網絡中有N個用戶，對于一個全動全屏圖像，一個視頻信息流需要占用1.5Mbps的帶寬。

一個單播(unicast)環境里，視頻服務器依次送出N個信息流，由網絡中的用戶接收，共需要1.5M*Nbps的帶寬；如果服務器處于10M的以太網內，6—7個信息流就占滿了帶寬；若在一個高速的以太網里，最多只能容納250—300個1.5Mbps的視頻流，所以服務器與主機接口間的容量是一個巨大的瓶頸。

　　在一個組播(multicast)環境里，不論網絡中的用戶數目有多少，服務器發出的一個視頻流，由網絡中的路由器或交換器同時復制出N個視頻流，廣播到每個用戶，僅需1.5Mbps的帶寬。

　　可見，IP組播能夠有效地節省網絡帶寬和資源，管理網絡的增容和控制開銷，大大減輕發送服務器的負荷，達到發送信息的高性能。

　　另外，組播傳送的信息能同時到達用戶端，時延小，且網絡中的服務器不需要知道每個客戶機的地址，所有的接收者使用一個網絡組播地址，可實現匿名服務；并且IP組播具有可升級性，與新的IP協議和業務能相兼容。

四IP組播技術的特點

　　IP組播技術具有以下特點：

　　1.群地址：在組播網中，每個組播群組擁有唯一的組播地址(D類地址)，一部分IP組播地址是由Internet管理機構分配的，其它的組播地址作為暫時地址被用戶使用；組播數據包可以送到標識目的組機的組地址 ，發送者不必知道有哪些組成員，它自己不必是組成員，對組成員中的主機的數目和位置也沒有限制。主機不需和組成員以及發送者商量，可以任意加入和離開組播組；使用組地址，不必知道主機指定的位置，可以找到具有此組播地址的任何資源和服務器，在動態變化的信息提供者中搜尋到需要的信息，或者發布信息到任意大小的可選用戶群。

　　2.規模可擴展性：如果網絡速率提高，廣域組播網絡的容量需要擴大，后來產生的組播路由算法和協議如PIM-DM、PIM-SM、CBT都支持網絡規模的擴展，而上述的群地址和動態性也是適應規模可擴展性的另一方面。

　　3.健壯性：IP組播網絡使用的路由協議和算法能適應網絡路由動態變化，它采用軟件狀態刷新機制，制作路由備份等方法，來維護群組成員之間的連接，加強網絡的健壯性。

　　4.路由算法的獨立性：組播路由算法和協議獨立于單播路由使用的協議，但又依靠現存的單播路由表，在域內適應網絡拓撲的變化，動態生成組播樹。

　　5.組播生成樹的靈活性：組播生成樹的形成與發送者和接收者的分布、網絡的流量狀況及組成員的動態性有關，且組播生成樹也反映了不同的組播路由算法和組播應用。靈活的組播生成樹有利于數據包的傳送，不容易造成網絡的擁塞。

　　五 IP組播技術

　　(1)IP組播地址分配

　　在組播網內，一個組播群組指定為一個D類地址。使用點分十進制表示發來描述組播地址的范圍是：224.0.0.0到239.255.255.255。但是地址224.0.0.0是保留的，它不能賦給任何群組。

　　在組播通信模型中，需要兩種新型地址：一個IP組播地址和一個Ethernet組播地址，IP 組播地址表示著一組接收者，它們要接收發給整個組的數據；由于IP 包封裝在Ethernet幀內，所以還需要一個Ethernet組播地址。為使組播模型正常工作，主機應能同時接收單播和組播數據，主機需要多個IP地址和Ethernet地址，其中單播IP和Ethernet地址用于單播通信，而Ethernet組播地址用于組播通信；如果主機不準備接收組播地址，就設置為零組播地址。所以，單播和組播地址之間的主要差異在于每個主機都有一個唯一的單播地址，組播地址則不然。

　　將D類IP地址映射為Ethernet MAC地址是由數據鏈路層完成的。從組播映射到令牌環網絡第2層地址的過程，是CISCO路由器采取的工作程序，而Ethernet及FDDI網絡從組播到第2層的映射相當直接。

　　在映射過程中，組IP地址中共有9位不參與替換，包括高位字節8位、以及緊接在該字節后面的一個標志位，其中最開始的四位1110表示屬于D類IP地址，剩下23位進行替換，將IP組播地址中的低23位取代Ethernet組播地址01：00：5E：00：00：00的低23位。因此，有5位真正不參與映射，無論這些位的值是什么，組播Ethernet地址都是相同的。由于5個位共可以有32種不同的組合，所以映射并不具有唯一性。

　　(2)IGMP協議

　　在一個組播路由器建立路由，傳送其組播群組成員關系信息之前，它必須確定在本地網絡上有一個或多個主機是否加入了某個組播群組。為此，組播路由器和實現組播的主機必須使用互連網組管理協議IGMP(Internet Group Management Protocol)來進行群組成員關系信息的通信。利用IGMP，組播路由器可判斷在與自己連接的任何一個網絡上，是否存在組播組的一些成員；如存在組成員，組播路由器便可加入一個特定的組播組，并將組播數據轉發給加入該組的主機。因此IGMP被主機用來通知直連的路由器，令其加入一個組播組，使組播網具有動態性和靈活性。

　　最初的IGMP規范是在RFC 1112文件里詳細定義的，我們通常將這套規范稱為“IGMP版本1”，由斯坦福大學的S.Deering成文于1989年8月。后來又由施樂PARC公司的W.Fenner對最早的IGMP版本1進行了大幅更新，更新的結果就是RFC 2236文件即IGMP版本2。兩個版本的IGMP相互間可進行少許操作。在IGMP版本2臨近正式批準時。IDMR已經開始IGMP版本3的研究工作，現在已有的draft為draft-ietf-idmr-igmp-v3-05.txt。IGMPv1中定義了基本的組成員查詢和報告過程，IGMPv2在此基礎上添加了組成員快速離開的機制，IGMPv3中增加的主要功能是成員可以指定接收或指定不接收某些組播源的報文。

　　(3)二層組播相關協議

　　IP網絡的二層組播相關協議包括IGMP Snooping和CGMP協議。

　　IGMP Snooping通過交換機去偵聽主機發向路由器的IGMP成員報告消息的方式，形成組成員和交換機接口的對應關系，放在組播CAM表項中。交換機根據該對應關系將收到組播數據包只轉給具有組成員的接口。

　　CGMP(Cisco Group Management Protocol)是Cisco基于客戶機/服務器模型開發的私有協議，它將運行在路由器和交換機上，允許成員關系信息從路由器到交換機進行通信。在CGMP的支持下，組播路由器能夠根據接收到的IGMP數據包通知交換機哪些主機何時加入和脫離組播組，交換機利用由這些信息所構建的轉發表來確定將組播數據包向哪些接口轉發。GMRP是主機到以太網交換機的標準協議，它使組播用戶可以在第二層交換機上對組播成員進行注冊。

　　(3)IP組播路由協議

　　在路由式網絡中，對于傳遞組播信息流，一個至關重要的問題是IP組播路由協議，它克服了利用單播通信模型傳遞組播信息帶來的帶寬瓶頸，減少了發送相同數據信息到多個接收者的通信費用，這也是IP組播應用得到發展的主要原因。組播網內數據的流動必須根據組播路由協議建立生成樹，使發送源和組播組成員之間形成一條單獨的轉發路徑，確保每個數據包都能轉發到目的地。

　　IP組播路由協議分為域內協議和域間協議。域內協議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等。域間協議包括MBGP、MSDP、BGMP等。

　　根據網絡中主機的分布，上述的IP 組播域內路由協議一般可以分為兩類，第一類稱為密集型模式，這種模式指組播成員在網絡中密集分布，有足夠的帶寬，所以密集協議通過擴散技術傳播信息至整個網絡，它保括DVMRP、MOSPF和PIM-DM,屬于數據驅動型 ；第二類稱為松散型模式，這種模式指組播成員在網絡中分散分布，沒有足夠的帶寬，例如廣域網或用戶使用ISDN線上網，但松散型模式并不意味群組有很少的成員，只不過它們是分散分布的，它包括CBT和PIM- SM。此時，使用擴散技術將浪費帶寬，通過發出加入請求申請，在含有集中點或核心點的空生成樹上添加樹枝形成組播生成樹，屬于接收者驅動型。使用DVMRP、MOSPF組播路由協議時，單播路由協議相應必須使用RIP、OSPF，這就造成了一定的局限性，DVMRP使用距離向量路由協議建立生成樹，MOSPF使用鏈路狀態數據庫建立生成樹；而PIM和CBT獨立于單播路由協議，但依賴于單播路由表，其中PIM-SM和CBT有一個集中點或核心，連接源和接收者之間的各個路由器而形成路由。

　　針對域間組播路由有兩類解決方案：短期方案和長期方案。短期方案包括三個協議MBGP／MSDP／PIM-SM：MBGP(組播邊緣網關協議)，用于在自治域間交換組播路由信息；MSDP(組播信源發現協議)，用于在ISP之間交換組播信源信息；以及域內組播路由協議PIM-SM。長期方案目前討論最多的是MASC／MBGP／BGMP，它建立在現有的組播業務模型上，其中MASC實現域間組播地址的分配、MBGP在域間傳遞組播路由信息、BGMP完成域間路由樹的構造。此外還有一些組播路由策略，如PIM-SSM(特定信源協議無關組播)等，建立在其它的組播業務模型上。目前僅短期方案MBGP／MSDP／PIM-SM是成熟的，并在許多的運營商中廣泛使用。其他方案的標準還在研究中。

　　(4)IP組播高層協議

　　RTP是用于Internet上針對多媒體數據流的一種傳輸協議，允許應用傳送不同類型的實時負載，例如音頻、視頻和其它具有實時特征的數據。它既可以使用單播，也可以使用組播作為下層傳輸協議，位于UDP協議之上來傳輸單播和組播數據流。RTP被設計為一對一或一對多的情況下工作，主要提供了時間信息和實現流同步。

　　RTCP屬于RTP協議的一部分，它提供了流量控制和擁塞控制服務，主要提供與會話有關的和監視數據傳遞的信息，使用一些簡單的服務質量測量，例如信息包丟失與抖動。

　　會話公告協議(SAP)作為組播會議會話的一個公告協議，由IETF的MMUSIC工作組開發，當前的SAP版本在IETF的草案中描述。SAP的主機通過向熟知的組播地址和端口發送會話信息的SAP信息包，定期地宣告會議會話。信息包內的信息使用SDP，SDP信息可以選擇加密，不允許被未批準的用戶瀏覽。

　　會話描述協議(SDP)是SAP的伴隨協議，用于實際會話信息的編碼，也由IETF的MMUSIC工作組開發，現在被定義在IETF的草案中。

　　另外，使用視頻服務還需要安裝相應的視頻會議工具。nv是由施樂研究中心開發的一個視頻會議工具，使用128KBPS的帶寬，每秒鐘提供3-5幀的視頻速率；vat是由伯克利實驗室開發的一個發送和接收音頻的工具，因為它的視頻界面而被稱為可見的音頻工具，它只能接收音頻而不能接收視頻；wb在主機屏幕上創建一個共享、虛擬的白板，可提供標準的繪畫工具，也可作為草稿文件工具。會話目錄(SDR)工具集成了nv、vat和wb軟件工具，用于發布和安排多媒體視頻會議，它要在主機上裝有SDR工具，要在各路由器要進行SDR設置。SDR工具提供了一個IGMP直接的界面，用戶可隨意加入和離開組播組；用戶點下窗口中的有關信息(例如時間和日期)，雙擊參加的會議名，用戶能看見、聽見、參與目前的會議，自動地使用合適的軟件工具：nv、vat、wb。

六 IP組播在視頻中的應用

　　如果要使組播通信在視頻網絡中應用，網絡里的發送和接收主機、網絡路由器以及它們之間的網絡結構必須支持組播，放火墻設置成允許組播通過。

如圖2所示，每個節點主機需有一個網絡接口卡(NIC)要能支持組播，能有效濾出由網絡層IP組播地址被映射成的數據鏈路層地址；需裝有加入組播組請求的IGMP協議的軟件以和路由器通信加入組播群；需有支持IP組播傳送和接收的TCP/IP協議棧；再裝上如視頻會議這樣的組播應用軟件，主機就可以進入組播組進行組播通信。若發送音頻，主機需要一個麥克風和相應的音頻軟件；若發送視頻，主機需要幀控制卡和攝相機。例如，SUN工作站需要VideoPix卡發送視頻流，另外幀控制卡的品牌有Parallax和J300型。

　　如圖3所示，在視頻網絡中IP組播通信過程如下：

1)主機送出一條IGMP加入消息到相鄰路由器，主機的MAC地址映射為將要加入的D類組地址，并包含在IGMP數據報中，路由器知道主機想加入組播組。

　　2)相鄰路由器接收加入消息后，動態跟蹤這些組播組，使用組播路由協議，在源端和接收端各個路由器之間建立組播生成樹，從每個發送者伸展到所有接收者。

　　3)在源端和接收端建立組播路由后，源就開始沿著組播路由發送數據給各個接收者。

　　主機接收到了源發送來的數據，網絡接口卡濾出組播群組的MAC地址，網絡驅動器對此地址作出反應后，把數據傳遞到TCP/IP協議線，進入用戶的應用層，就可以進行視頻通信了。

　　七 結束語

　　IP組播技術有效地解決了單點發送到多點、多點發送到多點的問題，實現了IP網絡中點到多點的高效數據傳送，能夠有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載，基于IP組播技術可以很好地開展流媒體、視頻等各種寬帶增值業務。