組播技術高清數字電視直播系統在校園網中的應用

李 亮， 黃石平， 臧勝鯤

(1. 宿遷學院，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京醫科大學，江蘇 南京 210029)

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組播技術高清數字電視直播系統在校園網中的應用

李 亮1， 黃石平2， 臧勝鯤1

(1. 宿遷學院，江蘇 宿遷 223800； 2. 南京醫科大學，江蘇 南京 210029)

面對用戶不斷增長的校園網資源需求，基于校園網的電視直播系統因其數據源的穩定性、多樣性成為一種簡單而有效的校園網視頻資源服務解決方案。隨著校園網性能的提升，高清視頻流在校園網上的應用已經出現，組播技術的特點使得高清視頻流在校園網上傳輸成為可能。本文主要就信號源、高清流產生、組播技術、用戶終端等方面進行了研究,建立了一套可行的校園網高清電視直播系統,對于建立校園網高清直播系統有一定的參考性。

校園網; 高清電視; 衛星電視; 組播技術

0 引 言

我國高校校園網建設從上個世紀90年代開始，經過了20多年的發展，目前萬兆骨干、千兆到桌面的建設模式已經成為主流標準[1-2]。在校園網性能得到提升的同時，用戶對網絡資源需求的要求也在不斷提升，這個時候，就需要校園網的建設、管理者努力去擴充校園網上的資源及應用服務，使得校園網能夠更好地服務用戶及教學工作，滿足用戶多方位的應用需求。電視(數字電視、衛星電視)直播，因為其節目來源的穩定性、多樣性，無疑成為一個非常好的視頻資源來源。

在互聯網上收看電視直播已經是一種非常流行且受歡迎的方式，很多互聯網的用戶都安裝了一些網絡電視的直播軟件進行觀看。但是就效果而言，這類網絡電視直播系統所能提供的電視畫面質量都難以和傳統模擬電視相比，并且較傳統電視播放滯后時間較長，而且也不能支持高清數字電視(HDTV)[3]。目前高性能的校園網絡，使得在校園網內觀看高清視頻成為可能。我們經過長期實踐摸索，不斷測試各種硬件和軟件，最終在校園網環境里實現了每路15-20 Mbps碼率[4]的基于組播技術的高清數字電視的直播系統。

1 組播技術

1.1 組播技術概述

傳統的IP(V4)通信有兩種方式[5-6]：第1種是主機之間點對點的通信，即單播(unicast)，其特點是每個數據包只發送給一個主機；第2種是在源主機和該網段中所有主機之間進行的通信，即廣播(broadcast)，其特點是數據包發送給所在網段的每個主機。但如果要將數據發送給網絡中的多個主機而不是所有主機，在只有單播和廣播兩種通信方式下，顯然沒有什么好的辦法：采用廣播方式，頻繁的廣播浪費大量帶寬資源，也可能由于路由回環引起嚴重的廣播風暴；采用單播方式，多次重復發送相同的數據包，效率低，帶寬占用高，而且在并發數較大的情況下，給源主機造成了極大的負載。所以，傳統的單播和廣播通信方式都不能有效地解決單點發送多點接收的問題。

組播(Multicast)是指信源將信息發向所有網絡節點的某個確定子集的點到多點的通信形式[7]。組播技術的概念于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。在組播技術中，通過向多個接收方傳送單信息流方式，可以減少具有多個接收方同時收聽或查看相同資源情況下的網絡通信流量。

相對于單播技術，組播技術有效地解決了單點發送到多點的問題(見圖1)，實現了網絡中單點到多點的高效數據傳送，并且即使用戶數量成倍的增長，主干帶寬開銷毋需隨之倍增，有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載。在校園網中，組播技術非常適用于流媒體、視頻直播等單點(服務器)到多點(各用戶終端)的網絡應用[8]。

1.2 組播技術體系結構

1.2.1 組播IP地址與MAC地址

在IP(V4)的數據傳輸中，IP數據包都需要封裝在Ethernet幀中，為此IANA把D類地址空間分配給IP組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。每個組播IP地址用于標識一個IP組播組，其IP地址的高四位為“1110”。組播MAC地址的高24位為固定值0x01005e，第25位為‘0’，MAC地址的低23位為組播IP地址的低23位[9]。由于 IP組播地址的前4位 是1110，代表組播標識，而后28位 中只有23位被映射到MAC 地址，這樣IP 地址中就有5bit信息丟失，導致的結果是出現了32個IP組播地址映射到同一MAC 地址上，如圖2所示。

因此在二層處理過程中，設備可能要接收一些在IPv4組播組以外的組播數據，而這些多余的組播數據就需要設備的上層進行過濾了。

1.2.2 組播協議

通過和單播、廣播技術的數據傳輸方式的比較，可以發現組播技術中最關鍵的兩個部分：

(1) 組播組的管理和維護。在組播環境中，設備需要知道其所連接的子網中，有多少主機屬于特定的組。在組播協議體系中，主要通過IGMP (Internet網關管理協議)來實現：當主機加入或離開組播組時，主動發送消息[10]。通過上述機制，在路由器里建立起一張表，其中記錄了路由器各接口所對應子網上都有哪些組的成員。當路由器收到發往特定組的數據后，只向屬于特定組的成員所在的接口轉發數據。

IGMP工作在網絡層，只記錄路由器上的三層接口與組播地址的對應關系。但在很多情況下，組播報文不可避免地要經過一些二層交換機，IGMP Snooping協議解決了二層交換機組播數據轉發的問題。其工作原理為：主機的報告消息經過交換機時，交換機對報告消息進行監聽并記錄，為端口和組播MAC地址建立起映射關系；當交換機收到組播數據時，根據映射關系，只向連有組成員的端口轉發組播數據。

(2) 組播報文的路由。組播報文在網絡中沿著樹型轉發路徑進行轉發，該路徑稱為組播轉發樹。當組播信息通過有源樹時，組播路由器檢查到達的組播數據包的組播源地址，以確定該組播數據包所經過的接口是否在有源的分支上：如果在，則組播數據包被轉發；如果不在，則丟棄該組播數據包。路由器在收到組播報文后，根據報文的源地址確定其上游方向(指向組播源方向)和下游方向，然后將其沿著遠離組播源的下游方向轉發，這個過程稱為逆向路徑轉發(RPF)[11]。

組播技術經過多年的發展，衍生出較多的組播路由協議，根據本文的重點，本文只討論協議無關組播(Protocol Independent Multicast，PIM)協議[12]，只要單播路由協議能產生路由表項，借助逆向路徑轉發(RPF)機制，PIM就可以實現在網絡中傳遞組播信息。按照轉發機制的不同，PIM可以分為密集模式(Dense Mode，DM)和稀疏模式(Sparse Mode，SM)兩種模式。其中 PIM-DM屬于密集模式的組播路由協議，適用于小型網絡，及規模不是很大的校園網絡。

1.3 組播技術在校園網中的實現

要在校園網中實現組播傳輸，組播源和用戶終端以及兩者之間的網絡設備都必須支持組播。主要包括以下幾方面：主機的操作系統支持發送和接收IP組播；主機的網絡接口(網卡)支持組播；主機與組播源之間的所有網絡設備支持組播協議；主機的相關應用軟件支持組播協議。

目前IP組播技術得到硬件、軟件廠商的廣泛支持，從硬件方面，各大網卡、交換機、路由器廠商均已廣泛支持組播協議；軟件方面，微軟公司從Windows95開始支持協議IGMP(V1)，Windows98開始支持IGMP(V2)。綜上所述，目前在校園網內實現組播方式不存在任何障礙。

2 高清數字電視直播系統的設計

2.1 高清視頻

HDTV(High Definition TV)是DTV(數字電視)標準中最高的一種，即相對于普通標清分辨率(PAL:720×576、NTSC:720×480)[13]，高清的分辨率達到了720p(1280×720)，1080i、1080p(1920×1080)，其中i代表隔行掃描(interlace)，p代表逐行掃描(progressive)，后者的畫面平滑自然無閃爍。目前，1080p是高清視頻的最高標準，也就是常說的全高清(Full HD)。

可以看出，高清視頻的分辨率較標清視頻有了幾倍的提高，如果對高清視頻在校園網上進行傳輸，其帶寬的占用量也有數倍的增加。通過實測，一路普通標清TV(720×576)MPEG2的TS流約需5 Mbps的帶寬，而一路高清TV(1920×1080)MPEG2的TS流(傳送流)需要20 Mbps的帶寬。如果以單播的方式，轉播10個高清頻道，每個頻道有15個用戶同時收看的話，總計約需占用10×15×20 Mbps=3000 Mbps的帶寬，無論從服務器負載還是校園網帶寬資源占用上來說，都是不太現實的。而如果采用組播的方式進行上述條件下的高清轉播，只需要占用200 Mbps的帶寬，并且用戶即使成倍增長，帶寬占用也不會有明顯增加。

2.2 高清信號源的獲得

國內數字電視按信號傳輸方式可以簡單分為地面無線傳輸(DMB-TH)、衛星傳輸(DVB-S) 、有線傳輸(DVB-C)三類。其中常見的為衛星傳輸及有線傳輸兩種，地面波數字電視信號僅在一些大中城市才有。上述三種傳輸方式傳輸的信號有加密和不加密之分，加密的信號需要通過相應的解密過程才能正常收看或使用。本文中信號源主要采用衛星傳輸(DVB-S) 、有線傳輸(DVB-C)兩種方式。

2.2.1 有線傳輸(DVB-C)信號源

現在全國各城市的數字電視基本上都開通了數字高清頻道[14]，我們可以申請開通數字高清電視，保證信號源的穩定性。但國內的很多城市，數字電視接收機和用戶授權卡采取了機卡綁定的做法，不允許用戶將授權卡使用在別的數字電視接收設備上。因為授權卡無法使用，就無法通過相關設備產生TS流用于電視直播。所以，采用有線電視作為信號源信號的方法，必須解決機卡分離的問題。

2.2.2 衛星傳輸(DVB-S)信號源

通過衛星接收器接收衛星信號來實現作為信號源，這種方式在做一些普通標清無需解密的頻道的校園網直播應用，應該是最好的方式。因為在我國范圍內的衛星，主要有115.5C衛星和125C衛星以及中星9衛星，基本覆蓋了國內各類免費電視頻道。但衛星信號的高清數字電視源目前只有CCTV-HD頻道是不需要CI(解密模塊)的，其它頻道均需要進行解密。雖然也有國內的一些組織提供了衛星加密信號網絡實時解碼，但常因為網絡、服務器等問題導致接收端的用戶解碼失敗，從而不能播放這些高清數字頻道。

通過購買對應衛星頻道的正版授權卡，是學校用戶較為合理的解決方案。實際上各地有線電視臺的接收信號也基本上是采用了這種方式，衛星天線接收配合授權卡片，完成信號的接收，然后再通過信號混合器，將多路電視信號混合成射頻，傳輸到用戶的電視機。

2.3 TS流的產生

傳送流(Transport Stream，TS)，它是根據ITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-2 和ISO/IEC 13818-3協議而定義的一種數據流，其目的是為了在有可能發生嚴重錯誤的情況下進行一道或多道程序編碼數據的傳送和存儲。TS流主要應用于實時傳送的節目，比如實時廣播的電視節目，其特點就是從視頻流的任一片段開始都是可以獨立解碼[15]。

傳統的標清電視信號源，產生穩定的TS流的方式很多,采集卡、電視卡都可以實現TS流，也有一些高校采用了DM500這樣的接收機來產生TS流。但是在高清數字電視直播的時候，能產生穩定TS流的設備或者程序不是非常多，再加上解密的問題困擾，導致可選的流發生方式更加缺乏。我們經過反復測試各種設備，最終采用了PC服務器配合DVB-C/DVB-S接收卡以及DVB Viewer程序來完成TS流的生成工作。數字電視授權的問題，可以通過采購CAM卡,對授權的IC卡進行和CAM卡的綁定工作(需當地廣電公司授權)，從而使得高清數字電視的CI模塊能夠在PC上工作，實現數字高清電視的TS流化工作。

通過DVB Viewer產生穩定的TS流后，只需將TS流推送至Windows Media server服務器，即完成組播服務器的構建工作。需要說明的是DVB Viewer自帶了豐富的插件庫，我們采用的是Netstream插件實現了高清數字電視推送至組播服務器的工作。如圖3所示。

圖3 TS流的推送

2.4 直播系統總結

至此，我們完成了基于組播技術的高清數字電視直播系統在校園網中的部署，實現了基于衛星傳輸(DVB-S)、有線傳輸(DVB-C)信號源兩種信號源的高清數字電視信號的直播工作。系統總體結構圖如下圖4所示。

圖4 系統結構圖

終端用戶通過Vlc等支持組播播放方式的視頻播放器，直接播放高清電視。此外可以將視頻流推送至單播服務器，對于少部分不能支持組播的用戶，可以用單播的方式接收并播放，但是單播方式非常消耗帶寬，需要每一個想提供單播服務的管理員仔細斟酌。

3 結 語

通過直接接收衛星電視及數字電視高清頻道TS流推送至流媒體服務器，并通過組播的方式進行數據傳輸，為用戶提供了小于1S的高清電視直播服務；組播技術在視頻直播系統中的技術優勢，在用戶量激增的情況下也不會對網絡造成較大的網絡負載；本方案在我校已成功實現12路高清電視的24小時網絡直播，用戶峰值數量1200余個。系統在信號源來源稍作改動后，亦可實現會議、重大活動、遠程視頻教學的高清實時網絡轉播。

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HDTV Broadcast System Based on Multicast Technology in Campus Network

LILiang1，HUANGShi-ping2，ZANGSheng-kun1

(1. Suqian College, Suqian 223800, China; 2 Nanjing Medical University, Nanjing 210029, China)

To face on the growing needs of the campus network resources, TV broadcast system based on campus network has become a simple and effective solution to video resources service over campus for its stability and diversity. With the promotion of campus network performance, application of HD video stream over the campus network has emerged. The characteristics of the multicast technology make the transmission of HD video stream become possible on the campus network. This paper mainly discusses the signal source, the production of HD stream, multicast technology and user terminal etc., and tries to build a feasible campus network HDTV broadcast system. The experience can be used as reference to the construction of an HDTV broadcast system over campus network.

campus network; HDTV; SATV; multicast technology

2014-05-15

國家自然科學基金(81302512)

李 亮(1981-)，男，江蘇宿遷人，碩士，實驗師，網絡中心主任。研究方向為高校網絡管理、信息化建設。

E-mail: nic@sqc.edu.cn

黃石平(1978-)，男，江蘇連云港人，碩士，工程師，研究方向為互聯網技術、網絡安全，現任南京醫科大學網絡中心主任一職。

E-mail：hsp1211@njmu.edu.cn

TN 948.3;G 434

A

1006-7167(2015)01-0118-04