基于IPv6組播的高清視頻應(yīng)用研究

范東會(huì)李萬高

（1．中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司許昌市分公司，河南 許昌 461000；2．河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

基于IPv6組播的高清視頻應(yīng)用研究

范東會(huì)1李萬高2

（1．中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司許昌市分公司，河南 許昌 461000；2．河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

組播技術(shù)能有效解決大規(guī)模高帶寬視頻應(yīng)用的部署問題，隨著我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程核心網(wǎng)CNGI CERNET2的建成，使得在IPv6平臺(tái)上運(yùn)行高清視頻成為可能。本文重點(diǎn)研究了IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的架構(gòu)，并在校園網(wǎng)上搭建測(cè)試環(huán)境并對(duì)系統(tǒng)的可行性和運(yùn)行效果進(jìn)行分析。

IPv6；組播；高清視頻；VLC；DM800

1 引言

隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像顯示分辨率越來越高，高清網(wǎng)絡(luò)電視、高清視頻會(huì)議、高清網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等領(lǐng)域的視頻直播服務(wù)將會(huì)具有重要的研究?jī)r(jià)值。目前定義的高清視頻主要有3種格式，分別為1080i、720p和1080p。高清格式下的圖像信息數(shù)據(jù)量至少比標(biāo)清格式要高出4倍以上。在高清視頻傳輸方面，由于受壓縮編解碼方式不同的影響，不同的視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的具體要求也不一樣。即便采用性能最好的H.264壓縮編碼方式，對(duì)于一路720p的高清視頻而言，至少需要2M～4Mbps的物理帶寬才能保障視頻的有效傳輸，這在現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通過單播或廣播完成在整個(gè)校園網(wǎng)的部署，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模用戶的同時(shí)訪問幾乎是沒有辦法的。

現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)是建立在IPv4協(xié)議基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年發(fā)展，第一代互聯(lián)網(wǎng)在全面成熟的同時(shí)，潛在的危機(jī)也日益顯現(xiàn)出來，如地址枯竭、路由表急劇膨脹、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證等。為了解決這些問題，1992年，人們開始討論制訂下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，1996年，IPv6的基本協(xié)議規(guī)范發(fā)表，1998年初，IPv6協(xié)議的框架已基本趨于成熟，開始在較大范圍內(nèi)得到驗(yàn)證，而且IPv6設(shè)備必須支持組播，這些都為實(shí)現(xiàn)IPv6組播的高清視頻播放奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，本文就針對(duì)IPv6組播的高清視頻進(jìn)行研究，給出了基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及分析，本文提出的系統(tǒng)通過衛(wèi)星接收設(shè)備接收衛(wèi)星上的高清節(jié)目，然后基于校園網(wǎng)通過組播的方式將高清節(jié)目直播到校園網(wǎng)上，在校園網(wǎng)內(nèi)的任一地方完成組播服務(wù)器的架設(shè)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置后來完成平臺(tái)搭建。相對(duì)于閉路電視而言，該系統(tǒng)具有延時(shí)小、畫面清晰（現(xiàn)閉路信號(hào)大多為模擬信號(hào)）、投資少（利用已有的網(wǎng)絡(luò)和PC即可）和無使用費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)際使用價(jià)值。

本文所做工作主要有以下三個(gè)方面：（1）提出了基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的架構(gòu)；（2）對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹；（3）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和執(zhí)行效果。

2 基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的架構(gòu)

經(jīng)過對(duì)組播、IPv6和流媒體播放平臺(tái)的分析，結(jié)合高校網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及需求，設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于IPv6組播技術(shù)的高清視頻直播系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，衛(wèi)星接收機(jī)DM800負(fù)責(zé)接收高清視頻信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給系統(tǒng)組播源，通過組播網(wǎng)絡(luò)傳輸給組播組中各網(wǎng)絡(luò)接收者。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)有兩個(gè)方面主要工作：一是高清視頻源的選擇與部署，二是組播平臺(tái)的選擇和配置。

3 基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)部署

針對(duì)高清視頻源的選擇與部署以及組播平臺(tái)的選擇和配置，本文給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案。

圖1 基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 高清視頻源的選擇與部署

如圖1所示，衛(wèi)星天線負(fù)責(zé)接收高清視頻信號(hào)源，衛(wèi)星接收機(jī)DM800由于具有強(qiáng)大的DVB-S2/S雙解調(diào)、MPEG-2、H.264雙解碼功能，所以其可以完成高清視頻的解碼，然后通過其RJ-45端口將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。

3.1 .1 衛(wèi)星天線的選擇和調(diào)試

天線尺寸大小不等，又有正饋和偏饋之分。不同衛(wèi)星上的節(jié)目由于衛(wèi)星位置和功率不同需要選用不同尺寸和種類的天線。以鄭州地區(qū)為例，接收中星6B115.5°E衛(wèi)星上的中央電視臺(tái)高清頻道，需要使用至少1.2米(推薦1.5米)的正饋天線，接收亞太V號(hào)138.0°E上的探索高清頻道，需要使用0.6米以上的偏饋天線。

天線調(diào)試就是所謂的天線對(duì)星，實(shí)際上是指通過調(diào)整天線的方位角、俯仰角和極化角，使天線波束中心對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星的過程，這是能夠接收衛(wèi)星節(jié)目的基礎(chǔ)。通過尋星軟件可以得到三個(gè)角度，進(jìn)而安裝天線。

3.1 .2 衛(wèi)星接收機(jī)的選擇和調(diào)試

目前市面上出現(xiàn)較多的是德國(guó)夢(mèng)幻公司的智能化多媒體接收機(jī)DM800，DM800是一臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)和內(nèi)置了Linux操作系統(tǒng)的電腦的二合一產(chǎn)品。其內(nèi)置了10/100Mbs的網(wǎng)卡，可以直接從網(wǎng)卡輸出視音頻內(nèi)容，適合網(wǎng)絡(luò)使用，且支持高清解碼和內(nèi)置硬盤。

3.2 組播平臺(tái)的選擇和配置

組播平臺(tái)的搭建包括組播服務(wù)器的搭建、組播網(wǎng)絡(luò)的配置和組播客戶端部署三部分。

3.2 .1 組播服務(wù)器的搭建

通過對(duì)兩種典型的流媒體播放平臺(tái)Windows Media Server和VLC的分析和對(duì)比，采用VLC提供組播媒體源，其使用優(yōu)化的編解碼器，滿足高清視頻的傳輸需求，且在VLC的v0.86之后版本都已支持SSM，且考慮到VLC在Linux系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以平臺(tái)搭建選擇在Fedora上安裝VLC1.1.5作為組播服務(wù)器。

配置組播服務(wù)器主要包括：（1）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，即配置組播源地址，如2001:da8:500d:2::5和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；（2）創(chuàng)建VLC高清視頻源的發(fā)布點(diǎn)、創(chuàng)建.cfg配置文件、運(yùn)行多播公告、創(chuàng)建公告文件和多播信息文件；（3）組播管理相關(guān)配置，包括端口和組播地址（ff08::1）等。組播源的創(chuàng)建原理及配置如下：

Step1:new cctvhd broadcast enabled(創(chuàng)建一個(gè)名字為cctvhd的組播頻道)

Step2:setup cctvhd input http://211.84.0.122:8001/1:0:1: 321:10:1:47E9004:0:0:0:(設(shè)置組播頻道來源地址)

Step3:setup cctvhd output#duplicate{dst=rtp{dst=ff08::1, mux=ts,port=1234}}(設(shè)置組播頻道輸出時(shí)使用的協(xié)議、地址、數(shù)據(jù)流及端口號(hào))

Step4:control cctvhd play(啟動(dòng)該組播頻道)

以上命令通過在vlc的控制臺(tái)中直接輸入就可以將視頻源發(fā)送到組播地址ff08::1上，但為了方便，最好是將前三行配置命令保存為一個(gè).cfg配置文件，以后直接用load裝入配置文件，然后直接啟動(dòng)組播頻道即可完成。

3.2 .2 組播網(wǎng)絡(luò)的配置

根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確定采用PIM-SM協(xié)議配置組播功能,組播模型采用SSM，以實(shí)現(xiàn)禁止不明確的(*,G)的加入。首先完成單播路由(如OSPFv3)的配置，然后完成以下配置內(nèi)容：在路由器上使能組播功能、在路由器需要的接口上使能PIM-SM功能、在路由器連接組播用戶的接口上同時(shí)啟用PIM Silent和MLD。在本文所搭建的組播網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，使用的設(shè)備為華為和銳捷兩個(gè)廠家路由交換設(shè)備，下面以HUAWEI NE80E（軟件版本為5.70 RELEASE 0089）為例介紹具體的配置：

sysnameNE80E

ipv6

multicastipv6routing-enable(使能ipv6組播功能)

interfaceGigabitEthernet1/1/0（進(jìn)入要配置的接口）

undoshutdown（激活該接口）

ipv6enable（啟用ipv6協(xié)議）

ipv6address2001:da8:500d:90::2/64（設(shè)置接口的ipv6地址及掩碼）

ospfv31area0.0.0.0(啟用進(jìn)程號(hào)為1的ospfv3路由協(xié)議)

pimipv6sm(在接口上使能IPv6PIM-SM)

pimipv6silent（啟用PIMSilent功能，以防攻擊，非用戶接口不需啟用）

mldenable（啟用mld組播組管理協(xié)議，非用戶接口不需啟用）

interfaceGigabitEthernet1/1/1

undoshutdown

ipv6enable

ipv6address2001:DA8:500D:90::1/64

ospfv31area0.0.0.0

pimipv6sm

銳捷設(shè)備的配置與華為大致相同，只是對(duì)于銳捷的交換機(jī)，必須使用RGNOS10.4.2以上的版本才能支持IPv6的組播功能，另外啟用組播的端口會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)MLD協(xié)議，所以不需要手工設(shè)置。

3.2 .3 客戶端配置

客戶端需支持IPv6，使用IPv6地址參數(shù)，播放器可使用VLC的最新版本version 1.1.5。為確保播放質(zhì)量，推薦硬件配置為3.0GHz以上CPU（雙核）、內(nèi)存2.0GB以上、顯示器分辨率1920*1080以上。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在河南工程學(xué)院校園網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相關(guān)配置，經(jīng)過大量用戶的訪問，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，本測(cè)試主要驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)IPv6環(huán)境下的SSM跨網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)情況，包括四個(gè)方面：在三層設(shè)備上查看組播相關(guān)信息、接收端畫面的質(zhì)量、接收端帶寬和組播數(shù)據(jù)包分析。

4.1 在路由器上運(yùn)行以下命令

查看組播路由信息，發(fā)現(xiàn)組播路由、組播轉(zhuǎn)發(fā)及組播源的RPF路由信息等，具體信息因篇幅太大此處省略。

displaymulticastipv6boundary（查看所有接口的邊界信息）

displaymulticastipv6forwarding-table（查看IPv6組播轉(zhuǎn)發(fā)表信息）

displaymulticastipv6routing-table（查看IPv6組播路由表信息）

displaymulticastipv6rpf-info（查看指定組播源的RPF路由信息）

4.2 接受端畫面的質(zhì)量

在IPv6組播測(cè)試中，接受端畫面質(zhì)量清晰，沒有出現(xiàn)任何抖動(dòng)和延遲。實(shí)驗(yàn)中采用的視頻源為CCTV高清（1080i）的圖像，圖2為組播接收端主機(jī)A播放的畫面。

圖2 接收端畫面

4.3 接收端帶寬

圖3 接收端帶寬占用情況

高清視頻傳輸對(duì)客戶端帶寬的占用情況直接影響到在實(shí)際部署的可行性，在本系統(tǒng)中，采用CCTV高清（1080i）的視頻源，通過MPEG2進(jìn)行編碼，帶寬使用情況在19Mbps（2.4MB*8）左右，圖3為組播接收端主機(jī)B測(cè)試的帶寬占用及負(fù)載情況。

4.4 抓包分析

在組播接收端主機(jī)C上使用抓包軟件抓包，進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)組播組地址FF08::1的UDP端口1234接收到組播數(shù)據(jù)包，圖4為使用Sniffer的抓包截圖。

圖4 使用Sniffer流量分析

5 結(jié)語

本文通過對(duì)IPv6組播技術(shù)、流媒體技術(shù)和衛(wèi)星接收技術(shù)的分析和研究，結(jié)合目前高校的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀及需求，設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，為在下一代互聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模部署高清視頻直播提供了依據(jù)，并積累了部署經(jīng)驗(yàn)。

[1]Postel J.Internet protoco1.RFC0791,September 1981.

[2]S.Deering,R.Hinden.Intemet protocol,version6(IPv6)specifi cation[S].RFC1883,December 1995.

[3]S.Deering,R.Hinden.Intemet protocol,version6(IPv6)specifi cation[S].RFC2460,December 1998.

[4]馬戈芳，徐明偉.IPv6組播技術(shù)綜述[J].電信技術(shù)，2003, (7):27-30.

[5]張軒,趙慶國(guó).基于IPv6的高清視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與性能分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(45):209-213.

[6]http://www.tvcnc.com.

[7]http://www.dream-multimedia-tv.de/index_eng.php.

[8]http://www.agr.cn.

[9]姜開達(dá),卓柳迎.利用VLC實(shí)現(xiàn)高標(biāo)清電視轉(zhuǎn)播[J].中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)，2008，10.

[10]江岳.北大校園網(wǎng)實(shí)踐與部署：兩個(gè)原則搭建流媒體系統(tǒng)[J].中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)，2008，12.

[11]陳盈.IPv6組播技術(shù)分析與研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，4.

[12]薄衛(wèi)麗.基于IPv6組播技術(shù)的視頻會(huì)議模型研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，5.

[13]VRP配置指南-IP組播(VRP5.70_01).

TP393

A

1003-5168(2014)03-0008-03

范東會(huì)（1976—），男，河南許昌人，工程師，主要研究方向：通信工程。