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应用组播技术构建校园网视频传输

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计算机科学2006Vo1.33No.12 应用组播技术构建校园网视频传输 ) 许晓宁 (扬州职业大学计算机科学系 扬州225009) 摘要组播技术是20世纪9O年代初发展起来的网络传输新技术。本文主要介绍了组播技术的基本原理,描述其 机制与特点,并具体说明了利用组播技术传输视频信息的方法和实现过程。 关键词组播,视频传输,协议 Constructing a Video Transferring of Campus Net Using Multicast Technology XU Xiao-Ning . (Department of Computer Secince,Yangzhou Polytechnic University,Yangzhou 225009) Abstract Multicast technique is the network that develops at the beginning of 90’S to deliver a new technique.This pa— per mainly introduces a set tO sow technical basic principle,describes its mechanism and characteristics・and concretely explaines to make use of a set tO SOW method that the technique delivers the video frequency information and carries out process. Keywords Multicast,Video transferring,Protocol 255.255.255,可用于全球范围(如Internet)或网络协议;管理 1 引言 权限组播地址为239.0.0.0~239.255.255.255,可供组织内 随着远程教育、视频点播(VOD)、可视电话、视频会议和 部使用,类似于私有IP地址,不能用于Internet,可限制组播 实时训练的需求不断扩大,传统的数据传送方式已经不能适 范同。 应应用发展的需要。在构架新的校园网时就必须考虑网络传 使用同一个IP组播地址接收组播数据包的所有主机构 输的数据量大、时延敏感性强、持续时间长等特点。为了实现 成了一个主机组,也称为组播组。一个组播组的成员是随时 最少时间、最小空间的传输和解决视频/音频业务所要求的网 变动的,一台主机可以随时加入或离开组播组,组播组成员的 络利用率高、传输速度快、实时性强的问题,就要采用不同于 数目和所在的地理位置也不受限制,一台主机也可以属于几 传统单播、广播机制的转发技术及OoS服务保证机制,而IP 个组播组。此外,不属于某一个组播组的主机也可以向该组 组播技术是解决这些问题的关键技术。IP组播(也称多址广 播组发送数据包。为了向所有接收主机传送组播数据,用组 播或多播)技术是一种允许一台或多台主机(组播源)发送单 播分布树来描述IP组播在网络中传输的路径。组播分布树 一数据包到多台主机(一次的,同时的)的TCP/IP网络技术。 有两个基本类型:有源树和共享树。 组播作为一点对多点的通信,是节省网络带宽的有效方法之 有源树是以组播源作为有源树的根,有源树的分支形成 一。在网络音频/视频广播的应用中,当需要将一个节点的信 通过网络到达接收主机的分布树,因为有源树以最短的路径 号传送到多个节点时,无论是采用重复点对点通信方式,还是 贯穿网络,所以也常称为最短路径树(SPT)。 采用广播方式,都会严取浪费网络带宽,只有组播才是最好的 共享树以组播网中某些可选择的组播路由中的一个作为 选择。组播能使一个或多个组播源只把数据包发送给特定的 共享树的公共根,这个根被称为汇合点(RP)。共享树又可分 组播组,而只有加入该组播组的主机才能接收到数据包。目 为单向共享树和双向共享树。单向共享树指组播数据流必须 前,IP组播技术被广泛应用在网络音频/视频广播、AOD/ 经过共享树从根发送到组播接收机。双向共享树指组播数据 VOD、网络视频会议、多媒体远程教育、“push”技术(如股票 流可以不经过共享树。 行情等)和虚拟现实游戏等方面。 逆向路径转发(RPF)是组播路由协议中组播数据转发过 2 IP组播组网 程的基础,其工作机制是当组播信息通过有源树时,组播路由 器检查到达的组播数据包的组播源地址,以确定该组播数据 组播通信必须依赖于IP组播地址,在IPv4中它是一个 包所经过的接口是否在有源的分支上。如果在,则RPF检查 D类IP地址,范围从224.0.0.0到239.255.255.255,并被划 成功,组播数据包被转发;如果RPF检查失败,则丢弃该组播 分为局部链接组播地址、预留组播地址和管理权限组播地址 数据包。 三类。其中,局部链接组播地址范围在224.0.0.O~224.0. Internet组播主干(MB()NE)网络由一系列相互连接的 0.255,这是为路由协议和其它用途保留的地址,路由器并不 子网主机和相互连接支持IP组播的路由器组成。它可以看 转发属于此范围的IP包;预留组播地址为224,0.1.O~238. 成是一个架构在Internet物理网络上层的虚拟网,在该虚拟 *)基金项目:江苏省现代教育技术研究“十一・五”规划课题(编号:2006一R-2393)。许晓宁副教授。MCSE,主研方向:计算机网络与Web应 用,虚拟现实技术应用 - l22 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

网中,组播源发m的组播信息流町直接在支持IP组播的路由 器组之问传输,而在组播路由器组和非组播路由器组之间费 通过点对点隧道技术进行传输。 议 它既可以使用 播,也可以使用组播作为下层传输协议。 RTP被设计为一埘_一或…・对多的情况F工作,主要提供了时 间信息和实现流同步,通常使用UDP来传送数据。RTCP属 J Rq、P协议的一部分,它提供了流最控制和拥寨控制服务。 RTSP是由RealNetworks和Nelscape』 同提出的一个 3 IP组播路由及其协议 3.1主机和组播路由器之间的组播技术 开放的标准,它扩展'广现有的Web架构,提供了一种可控制 的音频、视频的点播服务。它足应用层的协议,与Hl ̄Fp很 相似,HTTP传送HTMI ,而RTP传送的是多媒体数据。 RSVP是Internet上的资源预留协}义,使用RSVP预留 一因特网组管理协议(IGMP)是惟 ・可选的协议,路巾器 通过使用该协议与主机进行通信,以r解局域网上的组播组, 主机通过向路由器发送消息告诉路由器它希望“昕”剑哪个组 的报文。 3.2路由协议 部分『斓络资源(即带宽),能在一定程度 为流媒体的传输 提供QoS。RsVP技术在可扩展性上备受质疑,因此目前还 仅限于小型I^J部网上使用。 对于大型的IP组播网,第三层的IP路由协议一般要分 为域内组播协议和域问组播协议。域内由校园网自行管理, 域问通过共同的约定域 组播协议实现域『HJ的组播。 (1)域内组播路由协议包括距离向量组播路由协议 (DVMRP)、密集模式独直组播协议(PIM—DM)、稀疏模式独 立协议组播(PIM~SM)、组播开放最短路径优先协议 (MOSPF)和基于核心树的绀播协议(CBT)等。随着技术的 进步和市场的选择,其中的PIMSM 议脱颖而出,成为广 泛支持的组播协议。泼协议的“ 示加入”特性只会向需要组 播报文的网络传播报文,同时组播源到接收者的网络延迟小, 正是这两点因素使之成为域内组播协议的首选。另外,, 有 市场份额最大的Cisco仅支持PIMSM和PIM ̄DM,而PIM DM由于其带有“广播”的特点,不适合大型网络,因此Cisco 也推荐使用该协议作为域内组播协议。 (2)域间路由协议 多协议的边界网关协议(MBGP)对 边界网关协议(BGP)进行了一些扩展使之适合于多种协议的 路由交换,但目前主要用于组播 该协议增加了路由信息的 状态,每一条路由可以标记为是单播的还足组播的路由。这 样就可以为组播维护其路由信息和状态,解决域问的组播路 由问题。 要完成域间组播,除了要使』卡j Mt ̄2-P解决路由问题外, 对于PIM—SM域互联还要辅助使用MSDP,该协议如其名字 一样主要用于解决不同域之间的组播源的发现问题。通过组 播源的发现,域之间可以互相知道存在的每一个域内的组播 源,从而建立从组播源到组播接收者的组播分发树。 3.3对以太网交换机的要求 组播技术的出现对以太网交换机也提出了一定的要求。 在堆叠以太网交换机时,如果仅仅把组播报文当作广播报文 进行泛洪式传播的话,势必造成局域网中不必要的流量。解 决这个问题有两种成熟技术可供选择:IGMP窃听和CGMP。 它们都是为了解决老式交换机无法知道组播组成员分布的问 题。IGMP窃听是使交换机具有第三层意识,窃听主机和路 由器之间发送的IGMP消息,从而确定组成员所在的位置。 CGMP则是通过路由器和交换机之间的协议交互而使交换 机了解组成员分布,但CGMP是Cisco的专有协议。 3.4组播的高层协议 IP组播不能保证数据的可靠传输,可能会出现报文的丢 失、乱序、重复的情况。针对不同类型的应用,人们开发了相 应的协议来支持。 (1)流媒体应用中的常见协议流媒体的应用是组播重要 的应用,譬如音频和视频的播放、视频会议、远程教学等,都属 于这一范畴。针对于这种类型的应用有一整套的协议支持。 RTP是用于Internet 针对多媒体数据流的一种传输协 (2)可靠组播协议流媒体应用中,对少量丢失组播报义 不是很敏感 然 对于数据组播应用来说,组播的可靠性十 分重要。如组播报文差错恢复、所有组播接收者收到的报文 数量一致、顺序一致、实时性等。这方面的研究是一个热点, 目前还没有统一的标准,IETF正在努力推出标准,也有很多 组织住积极地开发自己的 议。 4利用组播技术传输视频信息 目前在IP网上提供视频服务的方式主要有两种: (1)完全利用路由器的组播技术,不需另加服务器转发, 但会增加路由器负担,有“广播风暴”危险,网络路由协议也需 调整。 (2)利用软件和服务器,在整个IP宽带网上叠加一个处 理媒体流的叠加网,由叠加网实现点到多点组播、媒体流路由 和多点注入等功能。 校园网采用视频服务方式一般为方案(2)。计算机配合 专用软件组成服务器,实现实时控制。对于多媒体视频服务 器端,必须具有最大效率的发送机制,也就是说,系统能够最 大限度地在最短时间内响应和满足从多媒体视频接收端送来 的视频清求,一次完成指向需求用户所有地址的数据发送,计 算机实时控制系统随时监控视频传输的质量,同时自动调整 带宽等。当然传输方法的实现能与目前的网络设施兼容。该 方案实施过程中,计算机(服务器)时刻监控着系统,达到尽可 能好的广播质量和高效率,绝不发生如“广播风暴”等危险。 用IP组播实现视频传输的系统由4部分组成:即视频发 送、视频转发、视频接收、视频控制。 视频发送为预制视频或者称为实时视频,它可以是独立 的计算机,也可以与第一级“视频转发”单元共用一台计算机。 具体地说,先将视频按MPEG-1编码技术进行实时视频压 缩,此格式的数码率为1.5 Mbit/s,图像采用SIF格式(352× 288),每秒3o帧,2路立体声伴音。之所以按MPEG-1编码 技术进行实时视频压缩,因为通过它压缩后的视频信号质量 令人满意,而数码率带宽相对比较窄,有利于IP组播(当然也 可以用其他编码技术),然后将压缩后的信号送到视频转发 端。信号从视频发送连接到视频转发是点到点的传输(此单 元属于IPv4的通信方式)。 视频转发主要是将从视频发送端发送来的视频信号,通 过IP网络转发给视频接收端或下一级的视频转发端。它是 IP组播传输视频信号的核心,视频信号用IP组播方式转发, 即对一组特定lP地址(同一类请求的用户)进行数据传送。 视频转发,由转发计算机(服务器)完成。 视频接收是用户的多媒体终端。要求用户的多媒体终端 ・ ]23 ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com

设备必须能支持IP组播。 上改变网络的体系结构。 视频控制的主要功能是对转发站点进行控制,用来建立 和管理转发站点上的IP组播数据组的传输。控制系统要最 大限度地满足完成指向需求用户的数据发送,同时密切注意 目前,IP组播技术在商业应用中还面临着一些需要解决 的问题,如组播服务的收费方式和方法;组播网络的监控;组 播成员的身份认证;如何保证组播的QoS;采用何种商业模式 视频传输的质量。具体地说就是要尽町能多地为同类请求用 户发送数据,但要在允许的带宽范围之内 这个带宽是通过 向用户推销组播服务等。但可以预见的是,人们L=l益认识到 组播技术所带来的优点和长处。组播技术必将成为构建校园 网不可缺少的网络技术之一。 计算机实时控制的,计算机实时控制系统随时监控视频传输 的质量,自动调整带宽;同时对网络其他各项参数也实现实时 监控。可见,视频控制实质上也就是计算机的实时控制。计 算机实时控制的好坏直接决定了IP组播的效果。 参考文献 1 李炜.IP组播路由协议的研究 实现.中国 程科学,2002,14 (1) 结束语IP组播带人了许多新的应用并减少了网络的 拥塞和服务器的负担。目前lP组播的应用范围还不够大,但 它能够降低占用带宽,减轻服务器负荷,并能改善传送数据的 质量,尤其适用于需要大量带宽的多媒体应用,如音频、视频 等。这项新技术已成为当前网络界的热门话题,并将从根本 (上接第104页) 2 姚文杰,等.组播技术在数字视音频监控系统中的应用.微型电 脑应用,2001,17(9) 3 王诗成,等.基于区域网通信技术的研究.电子技术,2001(12) 4 谭云兰.hlternet的组播与组播路由实现.计算机与现代化, 2001(3) 5 潘继军.基于ARM的嵌入式系统吏验分析.微计算机信息, 2006(5) 4相关工作比较 典型的基于角色的工作流访问控制模型是文[8]提出的基 于任务的访问控制TBAC,它使不同的任务步被不同的用户执 行,实现了简单的任务执行职责分离。但是它不能有效表达任 务授权的上下文相关约束。文[15]提出的工作流授权模型实 3 Bertino E.Ferrari E.et a1. Fhe Specification and enforcement of authorization constraints jn workflow management system.ACM Transaetions on Information and System sccurity,1999,2(1): 65~104 4 Ferraiolo D,Sandhu R.Gavrila S,Kuhn R n Chandr ̄amouli R.Proposed NIST standard for role-based access contro1.ACM Transaetions on Information and System Security,2001,4(3): 6O~110 5 Oh S,Park S Task role ̄based access eontrol mode1.Journal of Information System.2003,28(7):533~562 6 Botha A R,Eloft P H.Separation of duties for access eontrol in 现了任务授权与任务执行同步。但没有考虑工作流任务执行上 下文对授权安全性的影响。不支持角色层次结构和用户组及其 层次结构,也不具有职责分离机制 文[18]提出了基于团队的 访问控制,其团队概念与本文的用户组概念相似,但不具有层 次结构,因此无法对组织层次结构进行有效建模。上述工作流 访问控制模型中均把许可赋值给角色,任务也赋值给角色,而 且两类赋值是互不相关的。在任何情况下,工作流任务执行上 下文对角色获得许可没有直接约束,用户通过激活角色从而获 workflow environments.IBM Systems Journal,200 1,4O(3): 666~682 7 Thomas R K, Sandhu R.Task—based authorization control (TBAC):a family of models for active and enterprising-oriented authorization management.Database Security,XI:Status and Prospects,Lin Y T,OJan S,Editors.I,ondon:Chapman and hall Press,l997.166~18l 8 Thomas K R,Sendhu R.Task—based authorization control 得角色包含的全部许可执行相应的任务,因此它们是以角色为 粒度的上下文无关访问控制,没有真正实现最小权限授权策 略。本文提出的wfCA(:模型较好地实现了工作流上下文相关 访问控制,具有良好的职责分离机制,支持否定用户授权,也支 持许可粒度上的工作流访问控制。 小结本文以基于角色的访问控制为基础,引入用户组 概念,提出了工作流上下文相关访问控制模型wfCAC。在 wfCAC模型中,用户分配给用户组,用户组分配给角色,任务 也分配给角色,根据任务执行上下文把许可分配给任务。当 某工作流任务被WfMS调度执行时,用户组的用户激活其享 有的角色并通过相应的任务获得满足当前工作流上下文约束 的许可,从而完成任务执行。角色能够获得的许可根据任务 执行上下文环境和任务执行历史动态确定,从而较好地实现 了最小权限授权策略和基于历史的访问控制,并支持任务级 和任务实例级职责分离策略。工作流访问控制上下文获取和 授权信牌推导高效算法,WfCAC模型与WfMS的有效集成 方法等都是十分有意义的研究课题,有待进一步研究。 ( BAC):a family of models for active and enterpris ̄ ̄oriented authorization management.In:Proceedings of the IFIP WG11.3 Workshop on Database Security.】997.77~93 9 Wu Shengli,Amit S,John M,ct a1.Authorization and access eontrol of application data in workflow systems.Journal of Intel— ligent Information System. ̄,2002,18(1):71~94 10 Evans G N,Mason-Jones R,Towil1 D R.The scope paradigm of business process reenglneering.Business Process Management Journal,l999,5(2):121~156 11 Bertino E,Ferrari E.Atluri v|Specification and enforement of authorization constraints in workflow management systems. ACM Transactions on Information and System Security,1999,2 (1):65~104 12 Ahn J G,Sendhu R.RolL-based authorization constraints speeifi— cation.ACM Transactions on Information and System Security, 2000。3(4):43~54 13 Henrieksen K,Indulska J.Modeling context information in per— vasive computing systems.In:Proceedings of the First Interna tional Conference.Springer Verlag,2002.167~180 14 Simon T R.Zurko E M.Separation of duty in rol ̄based environ— ments.In:Proceedigs ofn ACM on omputer FoundatCions Work— shop,1997.43~55 15 Son H J。Oh S K,Choi H K。et a1.GM—WTA{an offieient workflow task allocation method in a distributed execution envi— ronment.Journal of System and Software,2003,67(3):165~ 179 16 Nitsche U,Holbein R.Morger O,et a1.Realization of a context— dependent access control mechanism on a commercial platforlTL In:Proceedings of the 14th International Information Security Conference。1998.16O~17O 17 Atluri V。Hong w_K.An authorization model for workflows. In:Proceedings of the 5th European Symposium on Research in Computer Security,1996.44~64 参考文献 1 Workflow Management Coalition.The workflow reference model 18 Van der Aa1st W M A reference model for team-enabled work— flow management systems.Data&Knowledge Engineering. 2001,38(3):335~363 Teeh Rep:TC00—1003,1995.http//www.wfI 。org/standard/ docs/te003vl1.dbf 2 Workflow Management Coalition.Workflow security considerra— 19 md'明,赵宗涛。郝克刚.工作流带权角色与周期时间访问控制 模型.软件学报,2003,14(11):1841~1848 20 Liu N,Grosof B N.Feigenbaum J.A logic-based approach to distributed authorization.ACM Transactions on Information and System Security,2003,6(1):128~171 tins white paper:[technical report WFMC TC 1019].issue1.1. 1998.http://www.wfmc.org ・ 21王小明,赵宗涛,马建峰.一种新的RBAC角色协同关系及其Pe— tri网模型[J].电子学报,2003,31(2):225 ̄227 124・ 

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