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视频监控网络中的组播传输

2011-10-26

  对于一个以计算机网络连接的视频监控系统,一个需要解决的问题是多个站点视频监控的网络通信问题,要求做到传输时延尽可能小,尽可能少地占用现有的网络带宽,并具有较好的站点数量规模化特性。本文在分析比较单播、广播和组播工作方式的基础上,指出了IP组播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义,并介绍了与组播密切相关的IP地址格式。
  一、单播、组播、广播技术之比较
  组播技术被认为是WWW技术推广之后出现的最激动人心的网络技术之一。组播是一种允许一个或多个发送者发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组,而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽,因为无论有多少个目标地址,在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。基于三种通讯方式的网络结构和数据传递过程的工作方式可以看出:数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传输数据,一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞;为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。
  组播(Multicast)传输:它提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络,也可以来自不同的物理网络(如果有组播路由器的支持)。
  广播(Broadcast)传输:是指在IP子网内广播数据包,所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。
  广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包,不论这些主机是否乐于接收该数据包。然而广播的使用范围非常小,只在本地子网内有效,因为路由器会封锁广播通信。广播传输增加非接收者的开销。
  目前,使用得最为广泛的组播技术是IPMulticast。IP组播技术是一种为优化使用网络资源而产生的技术,通常用于多点工作方式下的应用程序中,它是标准IP网络层协议技术的一个扩展。
  从SteveDeering于1989年提出的IETF的RFC1112“HostExtensionforIPMulticast”中的定义我们可以得知:IP组播的核心思想是——通过一个IP地址向一组主机发送数据(UDP包)。发送者仅仅向一个组地址发送信息,接收者只需加入到这个分组就可以接收信息,所有的接收者接收的是同一个数据流,组中成员是动态的,可以根据自己的意愿随时随意加入或退出。每一台主机都可以同时加入到多个组中,每一个组播地址可以在不同的端口或者不同的套接字(Socket)上有多个数据流,同时许多实际应用可以共享一个组地址。IP组播技术可以有效地避免重复发送可能引起的广播风暴,并且能够突破路由器的限制,将数据包传送到其它网段。
  二、远程视频网络技术方案分析
  常规的点对点通信方式下,N个视频站点的视频传输至少要重复发送N-1次相同的数据包,发送时延大,而且随着监控站点数量增长,时延就会迅速增长。所以点对点的通信方式,不适于要求规模化、短时延的多点视频监控的网络传输。
  另一方面,广播通信在局域网上要消耗所有机器上的资源,而在广域网上,全网广播耗用网络带宽大,定向广播的通信范围则受限于某一局域网,所以广播技术只适用于不跨越物理网段的视频监控网络传输。
  一些物理网络及其软件实现技术支持有限范围内的多点投递方式,即组播。局域网组播利用物理网络保留的用于组播的地址进行多点通信。当一组机器要通信时,它们选择一个特殊的组播地址用于通信。在配置好网络接口硬件后,就能识别该组播地址,而组中的所有机器就会收到送到该组播地址上的每个分组的拷贝。由于组播在网络硬件局部(如以太网网卡)就能区分多个不同组的通信,无须软件区分,所以比广播方式更能节省主机资源。
  目前IP几乎成为数据通信和网络互连的最低一致协议,IP协议中的IP组播(IPMuticasting)对互连网络中的不同硬件组播地址进行了抽象,形成了一个可以跨越局域网的一致的组播接口,在物理网络上,能充分利用硬件的组播特性。在广域网通信上,它可以利用DVMRP、MOSPF、CBT或PIM的路由协议,能保证在一条物理链路上始终只有一个数据拷贝,从而大大节约了带宽。
  所以无论从局域网络和广域网络的通信方式看,还是从通信应用的开发一致性上看,利用IP组播来实现规模化的视频监控具有很大的优势。
  三、IP组播技术在多点视频数据传输方面的优势
  由于数字视频在网络传输时有着很大的数据吞吐量,如果使用端对端的IP单播技术进行数字视频的多点传送,首先,视频服务器必须始终保持在侦听状态,以了解每一个动态加入的客户端的服务请求,而套接字的侦听非常消耗系统的CPU资源,过于频繁的侦听容易造成系统的不稳定,同时还会影响视频传输的实时性,造成视频在网络中传输时出现频繁抖动,最终影响视频传输的服务质量(QoS);其次,视频服务器面对不同的客户端的同一视频服务请求,需要进行重复发送,N个客户端需要占用N倍的网络带宽资源,极大地浪费了网络带宽资源,如果控制不力,还会引起广播风暴,造成系统全面崩溃。
  因此,在网络带宽环境能够无限满足视频传输需要的前提下,点对点传送和组播在性能上无本质差异,但是,这种理想状态基本上不会出现,否则除了研究网络带宽以外,其它的网络技术就失去了研究的基础和意义。我们设想在10BASE-T的局域网环境下,当只有2个或单个客户机提出视频服务请求时,二者无明显性能差异;当有3个至5个客户机提出视频服务请求时,二者之间的差异就比较显著,采用点对点传送方式的视频服务器明显已经力不从心,网络丢包和延迟比较严重,接收端视频明显滞后、不连续;当有5个以上的客户机提出视频服务请求时,就造成了广播风暴,系统处于崩溃的边缘。
  由此可见,IP组播技术在多点视频数据传输方面具有很大的优势,当某个IP站点向网络中的多个IP站点发送同一视频数据时,IP组播技术可以减少不必要的重叠发送,与多次点对点的单播(Unicast)相比,减轻了系统和网络的负担,提高了CPU资源和网络带宽的利用率,极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不论是源站点还是目的站点均使用同一程序,无客户机和服务器之分,从而具有对等性。四、IP组播地址格式
  IP地址方案专门为组播划出一个地址范围,在IPv4中为D类地址,范围是224.0.0.0到239.255.255.255,并将D类地址划分为局部链接组播地址、预留组播地址、管理权限组播地址如下:
  局部链接地址:224.0.0.0~224.0.0.255,用于局域网,路由器不转发属于此范围的IP包。
  预留组播地址:224.0.1.0~238.255.255.255,用于全球范围或网络协议。
  管理权限地址:239.0.0.0~239.255.255.255,组织内部使用,用于限制组播范围。
  综上所述,IP组播技术比较符合多点、多网络平台和可扩展性的视频监控要求,而且可以实现跨楼宇范围的远程视频监控。由此可见,IP组播技术的使用对于网络视频的多点实时传输、网络多点实时监控具有特别重要的意义。