基于IPv6組播的高清視頻應用研究

范東會李萬高

（1．中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司許昌市分公司，河南 許昌 461000；2．河南工程學院計算機學院，河南 鄭州 451191）

基于IPv6組播的高清視頻應用研究

范東會1李萬高2

（1．中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司許昌市分公司，河南 許昌 461000；2．河南工程學院計算機學院，河南 鄭州 451191）

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

IPv6；組播；高清視頻；VLC；DM800

1 引言

隨著圖像處理技術的不斷發(fā)展，圖像顯示分辨率越來越高，高清網(wǎng)絡電視、高清視頻會議、高清網(wǎng)絡教學等領域的視頻直播服務將會具有重要的研究價值。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，不同的視頻對網(wǎng)絡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)絡環(huán)境中通過單播或廣播完成在整個校園網(wǎng)的部署，實現(xiàn)大規(guī)模用戶的同時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，潛在的危機也日益顯現(xiàn)出來，如地址枯竭、路由表急劇膨脹、服務質量（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，開始在較大范圍內得到驗證，而且IPv6設備必須支持組播，這些都為實現(xiàn)IPv6組播的高清視頻播放奠定了良好的基礎。因此，本文就針對IPv6組播的高清視頻進行研究，給出了基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的設計以及分析，本文提出的系統(tǒng)通過衛(wèi)星接收設備接收衛(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)內的任一地方完成組播服務器的架設及網(wǎng)絡設備的配置后來完成平臺搭建。相對于閉路電視而言，該系統(tǒng)具有延時小、畫面清晰（現(xiàn)閉路信號大多為模擬信號）、投資少（利用已有的網(wǎng)絡和PC即可）和無使用費等優(yōu)點，具有很強的實際使用價值。

本文所做工作主要有以下三個方面：（1）提出了基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)的架構；（2）對該系統(tǒng)設計中的關鍵點進行了詳細介紹；（3）對該系統(tǒng)進行了測試實驗，以驗證該系統(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

經(jīng)過對組播、IPv6和流媒體播放平臺的分析，結合高校網(wǎng)絡的現(xiàn)狀及需求，設計出了一個基于IPv6組播技術的高清視頻直播系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構如圖1所示。其中，衛(wèi)星接收機DM800負責接收高清視頻信號，通過網(wǎng)絡傳輸給系統(tǒng)組播源，通過組播網(wǎng)絡傳輸給組播組中各網(wǎng)絡接收者。實現(xiàn)該系統(tǒng)有兩個方面主要工作：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

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

圖1 基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)結構圖

3.1 高清視頻源的選擇與部署

如圖1所示，衛(wèi)星天線負責接收高清視頻信號源，衛(wèi)星接收機DM800由于具有強大的DVB-S2/S雙解調、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。

3.1 .1 衛(wèi)星天線的選擇和調試

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。

天線調試就是所謂的天線對星，實際上是指通過調整天線的方位角、俯仰角和極化角，使天線波束中心對準目標衛(wèi)星的過程，這是能夠接收衛(wèi)星節(jié)目的基礎。通過尋星軟件可以得到三個角度，進而安裝天線。

3.1 .2 衛(wèi)星接收機的選擇和調試

目前市面上出現(xiàn)較多的是德國夢幻公司的智能化多媒體接收機DM800，DM800是一臺衛(wèi)星接收機和內置了Linux操作系統(tǒng)的電腦的二合一產品。其內置了10/100Mbs的網(wǎng)卡，可以直接從網(wǎng)卡輸出視音頻內容，適合網(wǎng)絡使用，且支持高清解碼和內置硬盤。

3.2 組播平臺的選擇和配置

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

3.2 .1 組播服務器的搭建

通過對兩種典型的流媒體播放平臺Windows Media Server和VLC的分析和對比，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，所以平臺搭建選擇在Fedora上安裝VLC1.1.5作為組播服務器。

配置組播服務器主要包括：（1）網(wǎng)絡參數(shù)配置，即配置組播源地址，如2001:da8:500d:2::5和相關網(wǎng)絡參數(shù)；（2）創(chuàng)建VLC高清視頻源的發(fā)布點、創(chuàng)建.cfg配置文件、運行多播公告、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:(設置組播頻道來源地址)

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

Step4:control cctvhd play(啟動該組播頻道)

以上命令通過在vlc的控制臺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.cfg配置文件，以后直接用load裝入配置文件，然后直接啟動組播頻道即可完成。

3.2 .2 組播網(wǎng)絡的配置

根據(jù)實際的網(wǎng)絡環(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啟用PIM Silent和MLD。在本文所搭建的組播網(wǎng)絡環(huán)境里，使用的設備為華為和銳捷兩個廠家路由交換設備，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（設置接口的ipv6地址及掩碼）

ospfv31area0.0.0.0(啟用進程號為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

銳捷設備的配置與華為大致相同，只是對于銳捷的交換機，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自動啟動MLD協(xié)議，所以不需要手工設置。

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。為確保播放質量，推薦硬件配置為3.0GHz以上CPU（雙核）、內存2.0GB以上、顯示器分辨率1920*1080以上。

4 系統(tǒng)測試

在河南工程學院校園網(wǎng)的基礎上，通過對三層網(wǎng)絡設備的相關配置，經(jīng)過大量用戶的訪問，驗證了系統(tǒng)的可行性，本測試主要驗證網(wǎng)絡設備對IPv6環(huán)境下的SSM跨網(wǎng)段轉發(fā)情況，包括四個方面：在三層設備上查看組播相關信息、接收端畫面的質量、接收端帶寬和組播數(shù)據(jù)包分析。

4.1 在路由器上運行以下命令

查看組播路由信息，發(fā)現(xiàn)組播路由、組播轉發(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 接受端畫面的質量

在IPv6組播測試中，接受端畫面質量清晰，沒有出現(xiàn)任何抖動和延遲。實驗中采用的視頻源為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

高清視頻傳輸對客戶端帶寬的占用情況直接影響到在實際部署的可行性，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B測試的帶寬占用及負載情況。

4.4 抓包分析

在組播接收端主機C上使用抓包軟件抓包，進行分析，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 結語

本文通過對IPv6組播技術、流媒體技術和衛(wèi)星接收技術的分析和研究，結合目前高校的網(wǎng)絡建設現(xiàn)狀及需求，設計出了一個基于IPv6組播的高清視頻直播系統(tǒng)，然后通過實驗驗證了該系統(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。

[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.

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

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

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

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

[11]陳盈.IPv6組播技術分析與研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2007，4.

[12]薄衛(wèi)麗.基于IPv6組播技術的視頻會議模型研究與設計[D].長春理工大學碩士學位論文，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（1976—），男，河南許昌人，工程師，主要研究方向：通信工程。