基于組播技術(shù)的軍隊(duì)醫(yī)院視頻教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

肖永平，王曉虹，邊華，王志文

基于組播技術(shù)的軍隊(duì)醫(yī)院視頻教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

肖永平，王曉虹，邊華，王志文

組播技術(shù)；路由；視頻教學(xué)；實(shí)現(xiàn)

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，在線視頻教學(xué)在學(xué)習(xí)中的作用越來越重要。建立一個(gè)穩(wěn)定、高效、即時(shí)、實(shí)用的視頻教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)提高醫(yī)院中醫(yī)護(hù)人員的業(yè)務(wù)能力有著重要的作用，也是醫(yī)院的信息化建設(shè)的一個(gè)重要方面。筆者所在醫(yī)院有大量的視頻教學(xué)內(nèi)容，比如手術(shù)、護(hù)理、遠(yuǎn)程會(huì)診錄像等，廣大醫(yī)護(hù)人員在日常的工作學(xué)習(xí)中都需要在線學(xué)習(xí)這些視頻教學(xué)資料?；谝陨峡紤]，筆者所在醫(yī)院開發(fā)了基于組播技術(shù)的醫(yī)院視頻教學(xué)系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸方式有三種，單播、廣播和組播。通常采用的都是單播的傳輸方式，服務(wù)器與每個(gè)連接的用戶都需建立一個(gè)數(shù)據(jù)通道，對(duì)每個(gè)客戶端都發(fā)送相同的內(nèi)容，這會(huì)造成IP包的重復(fù)發(fā)送，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。筆者所在醫(yī)院中沒有專門的高性能的視頻服務(wù)器，醫(yī)師站、護(hù)士站和各種終端總共200多臺(tái)，當(dāng)大量客戶訪問服務(wù)器時(shí)，造成服務(wù)器擁塞乃至癱瘓。如果采用廣播方式，面臨著網(wǎng)絡(luò)中的所有終端都要被動(dòng)的接受信息的問題，往往會(huì)造成信息泛洪。

1 組播技術(shù)簡(jiǎn)介

組播技術(shù)的出現(xiàn)解決了IP包重復(fù)發(fā)送的問題。組播是介于單播和廣播之間的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，筆者根據(jù)實(shí)際情況將許多終端劃分到一個(gè)組播組，組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定的組播組，數(shù)據(jù)的分發(fā)僅限于同一組內(nèi)。組播服務(wù)器僅發(fā)送一次信息，組播路由協(xié)議為組播數(shù)據(jù)包的傳輸建立樹形路由，被傳遞的信息只在路由器處被復(fù)制和分發(fā)。在從組播源到組播組成員的任何一條鏈路上只有一份數(shù)據(jù)包在傳輸，這樣既大大地降低了網(wǎng)絡(luò)中的信息量，又保證了信息的準(zhǔn)確高效傳遞[1]。目前，組播技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)音/視頻廣播、點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議、多媒體遠(yuǎn)程教育、“Push”技術(shù)（如股票行情）和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等方面。

1.1 組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)的軟硬件條件實(shí)現(xiàn)組播傳輸，在組播源和接收者以及兩者之間的網(wǎng)絡(luò)都必須支持組播，包括以下幾個(gè)方面：①主機(jī)的TCP/IP支持發(fā)送和接收IP組播；②介于組播源和接收者之間的路由器、交換機(jī)、防火墻等支持組播；③支持組播的應(yīng)用軟件；④有一套將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址的分配策略。

1.2 組播地址IANA把D類地址作為組播地址[2]，D類地址的高4位被設(shè)置成1110，后面的28位是組播標(biāo)識(shí)符，所以用作組播的地址范圍是224.0.0.0到239.255.255.255。其中224.0.0.0到224.0.0.255為路由協(xié)議和其他用途保留的地址，路由器不轉(zhuǎn)發(fā)此范圍的IP包；224.0.1.0到238.255.255.255為用于全球范圍或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的地址；239.0.0.0到239.255.255.255是私有地址（如192.168.x..x）。224.0.0.0為保留地址。224.0.0.1標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上的所有IP組播主機(jī)，224.0.0.2標(biāo)識(shí)同一個(gè)子網(wǎng)中的所有路由器。

2 醫(yī)院組播視頻教學(xué)系統(tǒng)的搭建

圖1 組播視頻教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸

圖1是筆者所在醫(yī)院的視頻教學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，圖中，發(fā)送組播的數(shù)據(jù)包要經(jīng)過路由器和交換機(jī)，特別是接入層的交換機(jī)。這不僅需要在路由器上配置IGMP協(xié)議，而且也需要在交換機(jī)上配置IGMP Snooping協(xié)議。采用了H3C的MSR3020路由器，該路由器完全支持組播的各種協(xié)議，筆者主要配置PIM-DM和IGMP協(xié)議。在本方案中，網(wǎng)絡(luò)客戶端有220個(gè)，由192.168.0.0和192.168.1.0兩個(gè)網(wǎng)段組成。

首先，在H3C的MSR3020上使能IP組播路由，在各接口上使能PIM-DM，并在主機(jī)側(cè)接口Ethernet0/1和Ethernet1/1上使能IGMP。

system-view

[Router]multicast routing-enable

[Router]interface ethernet 1/1

[Router-Ethernet1/1]igmp enable

[Router-Ethernet1/1]pim dm

[Router-Ethernet1/1]quit

本方案中通過以上配置的IP組播平臺(tái)，采用Windows Media 9流媒體解決方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的媒體流。Windows Media 9視頻技術(shù)是Microsoft公司推出的一種適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)帶寬條件的流式多媒體信息的發(fā)布平臺(tái)，包括了流媒體的制作、發(fā)布、播放和管理的一整套解決方案。Windows Media服務(wù)器使用ASF，這是一種支持在各類網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的公開標(biāo)準(zhǔn)，用于排列、組織、同步多媒體數(shù)據(jù)以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。ASF不但最適于通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送多媒體流，也同樣適于在本地播放。通過提供“通知”，可使用戶方便地申請(qǐng)和接收ASF內(nèi)容?！巴ㄖ笔翘厥飧袷降奈谋疚募?，以.asx擴(kuò)展名存儲(chǔ)，由Web網(wǎng)頁鏈接以進(jìn)行下載。用戶只需運(yùn)行.asx文件即可訪問ASF內(nèi)容。

Windows Media服務(wù)管理器中進(jìn)行如下設(shè)置：多播站（即組播）名稱、多播IP、端口、流格式(所要廣播的實(shí)況流文件的名稱)、廣播站文件.nsc的路徑(用于存儲(chǔ)廣播站中用于將ASF流傳遞到Windows Media Player的所有必要信息，包括IP地址、端口、流格式等)。Windows Media Player必須能夠訪問.nsc文件，以便定位廣播站發(fā)送ASF內(nèi)容流時(shí)使用的IP地址。.nsc文件通常存儲(chǔ)在Web服務(wù)器目錄中。當(dāng)Windows Media Player打開通過電子郵件消息收到的“通知”時(shí)，將通過UNC路徑或Web頁鏈接提取指向.nsc文件的URL。創(chuàng)建完廣播站后，還要為其添加節(jié)目和流。必須為節(jié)目創(chuàng)建流或者使用與其他節(jié)目相關(guān)的現(xiàn)有的流?？稍赪indows Media管理器為一個(gè)多播站添加節(jié)目和流。

在Windows編碼器中，建立新的編碼會(huì)話并在工具菜單中創(chuàng)建asf文件來進(jìn)行組播，該文件中包含了Window Media Player用以解碼和播放流的信息。Windows Media Player通過訪問“通知”（.asx文件）的UNC路徑或Web頁鏈接來提取指向.nsc文件的URL，從而訪問Windows Media服務(wù)器的組播廣播流。需要注意的是，在Web服務(wù)器中，Web服務(wù)器的默認(rèn)端口與Media服務(wù)器的默認(rèn)HTTP端口必須不同。

在客戶端的Media Player打開文件時(shí)，URL一欄輸入：http://239.0.8.12:81/filename.asx，即可實(shí)時(shí)觀看組播視頻內(nèi)容。

3 總結(jié)

組播技術(shù)能夠使用最少的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)應(yīng)用，從而減輕信息源服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備CPU的負(fù)荷，減少冗余流量，提高傳輸效率。已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)電視、實(shí)時(shí)視/音頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等任何“點(diǎn)到多點(diǎn)”的數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布應(yīng)用。筆者所在醫(yī)院已實(shí)現(xiàn)醫(yī)院局域網(wǎng)范圍內(nèi)的組播視頻教學(xué)系統(tǒng)，未來將以此為基礎(chǔ)繼續(xù)擴(kuò)展其應(yīng)用，利用各種傳輸渠道，開展針對(duì)部隊(duì)衛(wèi)生所和海島駐軍的遠(yuǎn)程視頻醫(yī)學(xué)教育。

[1]田紅鵬.組播技術(shù)綜述.IP[DB/OL].http://www.ccw.com.cn/net，2001-05.

[2]Thaler D,Handley M,Estrin D."The Internet Multicast Address Allocation Architecture"[R].RFC2908,September,2000.

[3]Grdlian R.Parkhurst.組播路由與交換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.78.

[4]Fenner B,Thyagarajan A."Internet Group Management Protocol,Version 3"[R].RFC3376,October,2002.

[5]Nicholas J,Adams A,Siadak W."Protocol Independent Multicast-Dense Mode(PIM-DM)"[R].RFC3973,January,2005.

[2011-03-03收稿，2011-04-10修回]

G434

B

264000山東煙臺(tái)，107醫(yī)院信息科（肖永平，王曉虹，邊華，王志文）

由于所有的IP數(shù)據(jù)包都是封裝在以太網(wǎng)幀中傳輸，在組播中，除標(biāo)識(shí)組播組的IP組播地址外，還需要一個(gè)組播MAC地址。IANA保留01:00:5e:00:00:00到01:00:5e:7f:ff:ff這個(gè)范圍的地址為組播MAC地址。組播傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層將IP組播地址中低23位取代組播MAC地址01:00:5e:00:00:00（前25位為固定值）的低23位映射成真正的組播MAC地址。

1.3 組播分發(fā)樹和組播路由協(xié)議組播數(shù)據(jù)包從組播數(shù)據(jù)源到各個(gè)接收者之間所走的路徑稱為組播路由，這些組播路由構(gòu)成了組播樹[3]。在一個(gè)特定的“發(fā)送源，目的組”中，IP組播流量都是通過這個(gè)擴(kuò)展樹從發(fā)送源傳輸?shù)浇邮照叩?，這個(gè)擴(kuò)展樹連接了該組播組中的所有主機(jī)。

在主機(jī)與三層組播設(shè)備之間通常采用組播組的管理協(xié)議IGMP[4]。該協(xié)議規(guī)定了主機(jī)與三層組播設(shè)備之間建立和維護(hù)組播組成員關(guān)系的機(jī)制。組播路由協(xié)議運(yùn)行在三層組播設(shè)備之間，用于建立和維護(hù)組播路由，并正確、高效地轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)包。組播路由建立一個(gè)從單個(gè)數(shù)據(jù)源到多個(gè)接收端的無環(huán)（loop-free）數(shù)據(jù)傳輸路徑，即組播分發(fā)樹。常用的域內(nèi)組播路由協(xié)議有PIM-DM[5]（Dense Mode，密集模式）和PIMSM（Sparse Mode，稀疏模式）。域間組播路由協(xié)議目前比較成型的方案有：MSDP（組播源發(fā)現(xiàn)協(xié)議）和MP-BGP（多協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）。

[本文編輯：吳蓉]