組播技術(shù)在數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏建東

摘? ? 要：IP組播技術(shù)興起于上世紀90年代，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。在現(xiàn)代很多新型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中IP組播技術(shù)是一種必不可少的通信傳輸方式，在現(xiàn)代的寬帶多媒體應(yīng)用過程中IP組播技術(shù)得到了非常廣泛的應(yīng)用。數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)是目前能夠?qū)崿F(xiàn)直觀監(jiān)控的一種高效手段，數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會的各個領(lǐng)域都實現(xiàn)了普及應(yīng)用，隨著現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字視音頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一大熱點。本文主要對數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中IP組播技術(shù)的應(yīng)用進行了分析。

關(guān)鍵詞：組播技術(shù);數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng);應(yīng)用分析

1? 引言

IP組播技術(shù)主要興起于上世紀90年代，其是一種全新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，IP通訊技術(shù)在傳統(tǒng)模式下主要有單播通信以及廣播等兩種方式。單波通信主要指的是將特定的信息包從源主機發(fā)送到目標主機的技術(shù)，IP信息包在傳輸?shù)倪^程中目標地址是整個網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中唯一的主機地址，而廣播則指的是通過一個源主機向同一網(wǎng)段內(nèi)多個主機發(fā)送信息包。而IP組播則是處于IP單播以及IP廣播通信之間的一種全新的通訊技術(shù)，通過IP組播技術(shù)能夠?qū)⑿畔l(fā)送到整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何一個主機上。近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)也越來越廣泛，視音頻壓縮技術(shù)逐步趨于完善，它使得視音頻業(yè)務(wù)逐漸成為了互聯(lián)網(wǎng)上主要的業(yè)務(wù)之一。

2? IP組播技術(shù)

2.1? 組播地址

如果在視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中利用IP單播傳輸技術(shù)來進行多點傳輸，那么就需要在整個傳輸過程中經(jīng)歷多次發(fā)送者與接收者之間的單獨數(shù)據(jù)，而每一次數(shù)據(jù)傳輸過程中都必須要利用單獨的數(shù)據(jù)信道，這樣就會導致在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息量非常大的實時視音頻數(shù)據(jù)，從而使視音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送出現(xiàn)負擔過重、延遲過長甚至導致網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象。而如果在攝影棚監(jiān)控系統(tǒng)利用IP廣播技術(shù)來進行多點傳輸，則很可能會導致整個數(shù)據(jù)信息傳輸過程占用大量網(wǎng)絡(luò)寬帶，由此就會對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信效率造成嚴重影響，而在數(shù)字視音頻數(shù)據(jù)多點傳輸?shù)倪^程中充分利用IP組播技術(shù)就能實現(xiàn)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的最大程度利用，由此就能進一步提升視音頻數(shù)據(jù)多點傳輸效率。

史蒂夫在上世紀90年代末對IP組播技術(shù)進行了首次定義，同時也首次對標準IP技術(shù)進行了擴展，其主要就是通過一個特殊的IP地址同時向不同主機發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報。而在整個UDP數(shù)據(jù)報傳輸?shù)倪^程中所使用的IP地址都是特殊的，因為IP地址并不是與主機進行一一對應(yīng)，而是將每一個IP地址與組或者頻道進行對應(yīng)。數(shù)據(jù)發(fā)送者只需要向一個特定的組地址發(fā)送信息，這樣在該組內(nèi)所有的接收者就都能夠接收到發(fā)送者發(fā)出的信息。而在地質(zhì)組內(nèi)的所有成員處于動態(tài)變化的，完全可以根據(jù)自身的意愿來選擇加入或者退出。不同的主機可以同時加入多個組，與此同時不同組播地址也可以同時向不同端口上發(fā)送多個數(shù)據(jù)流。在數(shù)據(jù)多點傳輸過程中充分應(yīng)用IP組播技術(shù)能夠有效避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)廣播風暴，而且IP組播技術(shù)完全突破了路由器的限制，能夠?qū)?shù)據(jù)包傳送到不同的網(wǎng)段內(nèi)[1]。

2.2? 組播模型

為了能夠保證不同的接收站點能夠接收到組播信息，可以充分利用組播的分布樹來對IP組播在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑進行詳細描述。通常情況下組播分布樹主要可以分為有源樹以及共享兩種類型[2]。

在組播分布樹中最簡單的分布形式就是有源樹。在進行組播信息傳輸?shù)倪^程中信息流主要來自于有源樹的根，通過有源樹的各種分支形成了整個網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)傳達的分布樹。在有源樹的所有路徑中貫穿網(wǎng)絡(luò)是最短的路徑。

共享樹主要是利用在網(wǎng)絡(luò)中存在的一些可選點中單獨的公用跟作為其主要的信息來源，有信息來源來說共享樹與有源樹存在很大差別。在共享樹模式中源主機必須要向根發(fā)送信息才能實現(xiàn)將信息發(fā)送到所有接收站的目的。

2.3? 轉(zhuǎn)發(fā)機制

在IP單播模式下，源主機向目標主機發(fā)送信息的過程中是沿著路由器的單個路徑來實現(xiàn)，目標主機的IP地址主要是包括在整個IP信息包中指定的地址字段內(nèi)。在信息的整個傳輸過程中路徑中的各個路由器主要是通過識別IP目標地址來完成整個單播轉(zhuǎn)發(fā)決定，在針對單播路由器表中所有目標地址進行查找并確定目標地址后與其連接就能實現(xiàn)信息包的向下跳轉(zhuǎn)。而IP組播在進行信息包傳輸過程中整個信息包的轉(zhuǎn)發(fā)決定并不是通過查找目標信息包地址來實現(xiàn)。而是通過將組播信息同時轉(zhuǎn)發(fā)到多個外部接口上，這樣才能保證所有的接收站點能夠接收到組播信息。

目前，多數(shù)的組播路由器協(xié)議都是建立在逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)概念上。在IP組播信息傳輸?shù)倪^程中IP組播路由協(xié)議會充分利用逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)或者轉(zhuǎn)入接口檢查等某種形式來最終決定IP組播信息包的轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄。逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查的主要機制為：（1）針對到達的組播信息包源地址進行檢查后來具體確定進一步經(jīng)過的接口以及信息包所經(jīng)過的接口是否在源主機以及目標主機傳輸路徑上;（2）如果發(fā)現(xiàn)發(fā)信息到達了可返回源站點接口那么就表示逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)檢查成功，相應(yīng)的就會將組播信息包進行轉(zhuǎn)發(fā);（3）而如果逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)查失敗，那么就會將組播信息包進行丟棄。

2.4? TTL閥

在IP組播信息包的頭中都還有一個TTL值，在IP組播信息整個傳輸過程中每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)發(fā)，其TTL的值就會減1，如果經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)TTL的值為0的時候路由器就會將該IP組播信息包丟棄。而TTL閾值的主要作用就是有效阻止一些低于TTL閾值IP組播信息包在路由器各個接口上進行轉(zhuǎn)發(fā)[3]。

2.5? 英特爾網(wǎng)組管理協(xié)議

主機通過向因特網(wǎng)組管理協(xié)議發(fā)送消息就可以通過組播路由器加入組播群組中來接收信息，與此同時主機還可以通過向因特網(wǎng)組管理協(xié)議發(fā)送信息來申請離開IP組播群組。而路由器通過向因特網(wǎng)組管理協(xié)議獲取信息后以所有的接口為基礎(chǔ)就能實現(xiàn)對整個組播成員關(guān)系的維護。

3? 數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中組播技術(shù)的應(yīng)用

在目前網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展過程中實時網(wǎng)絡(luò)視音頻監(jiān)控系統(tǒng)是非常重要的一個發(fā)展業(yè)務(wù)。在一些特殊的應(yīng)用場合必須要求監(jiān)控系統(tǒng)具備一定的組播功能，也就是說在該監(jiān)控系統(tǒng)中必須要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從源端將多媒體數(shù)據(jù)過去后并進行壓縮然后將其發(fā)送到指定的視音頻監(jiān)控終端。

4? 數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)組播技術(shù)實現(xiàn)

4.1? 實現(xiàn)監(jiān)控視音頻數(shù)據(jù)的記錄和傳輸

只有在接收到視頻調(diào)配服務(wù)器具體發(fā)出的控制命令后主機才會將實時的視音頻監(jiān)控數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)絡(luò)中，否則，只會將視音頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在其超大容量的硬盤列陣中，這樣就能實現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)的后續(xù)查詢。當是飲品調(diào)配服務(wù)器向主機發(fā)出記錄視音頻數(shù)據(jù)以及組播號后，監(jiān)控主機就會將視音頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過IP組播的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中。為了充分保障視音頻數(shù)據(jù)記錄儀傳輸具備一定的時效性，在整個視音頻監(jiān)控系統(tǒng)中要充分利用windows系統(tǒng)多線程技術(shù)[4]。

通常情況下都會對每一個數(shù)據(jù)文件給定一定數(shù)量規(guī)模的數(shù)據(jù)塊，并且將每一個數(shù)據(jù)塊創(chuàng)建的時間都記錄在文件的頭部，之后才是與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。當其中一個數(shù)據(jù)文件被寫滿后，系統(tǒng)就會自動將數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)化到下一個數(shù)據(jù)塊中。這樣就能為后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢提供便利。在視音頻監(jiān)控系統(tǒng)但所有通道中都需要設(shè)置一個索引文件，在該索引文件內(nèi)將所對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道等所有的視音頻文件個數(shù)以及起始的文件記錄時間都進行了詳細記錄。這樣在視頻接入命令發(fā)送到主機的時候，系統(tǒng)在進行視頻記錄的同時就可以將緩沖區(qū)內(nèi)視音頻數(shù)據(jù)以IP組播的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中。

由于視頻傳輸過程中對時間因素非常敏感，因此必須要充分保證視音頻數(shù)據(jù)的同步性以及時效性。為了達到這個目的，在系統(tǒng)進行MEPEG-1視音頻數(shù)據(jù)發(fā)送之前首先按照RTP傳輸協(xié)議將視音頻文件進行分裝。RTP傳輸協(xié)議主要就是針對多媒體實時通信而設(shè)計出來的傳輸層協(xié)議。從本質(zhì)上講，RTP傳輸協(xié)議并不具備獨立傳輸視音頻數(shù)據(jù)的能力，必須要將其與低層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行充分結(jié)合才能完成整個視音頻文件的傳輸目的。此外，RTP傳輸協(xié)議并不能夠提供相對可靠的傳輸機制，或者實現(xiàn)對信息擁塞或者信息流的控制，主要是通過RTCP來實現(xiàn)上述功能。當RTP實際進行繪畫的過程中，在不同的參與者之間會周期性的出現(xiàn)RTCP包的周期性傳送。在RTCP包中愛主要包括了已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包具體數(shù)量、丟棄數(shù)據(jù)包具體數(shù)量等同樣的統(tǒng)計資料，再通過相關(guān)程序獲取到數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的反饋后，就可以在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸方式的適當調(diào)整，這樣就能有效解決在視音頻數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的延遲以及抖動的問題。

4.2? 網(wǎng)絡(luò)流量控制

為了實現(xiàn)數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)流量的精確控制，在整個系統(tǒng)中必須要采用自動以人工干預(yù)相結(jié)合的策略。首先在充分結(jié)合整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)寬帶資源實際利用情況的基礎(chǔ)上，視頻調(diào)配器就可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的具體調(diào)解。通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)視音頻流接入數(shù)量的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)對視音頻接入速率的有效控制。當網(wǎng)絡(luò)客戶端所請求的視音頻監(jiān)控點并沒有接入網(wǎng)絡(luò)，那么視音頻標配服務(wù)器就可以充分結(jié)合當前的網(wǎng)絡(luò)寬帶資源實際利用情況來具體決定不通過接受請求。與此同時，視音頻調(diào)配服務(wù)器還可以針對目前已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控點視音頻實際情況來采取相應(yīng)措施進行動態(tài)調(diào)整，適當?shù)膶⒔尤胨俾收{(diào)高或者調(diào)低，直接終止視音頻的接入。另外，針對正在進行傳輸?shù)囊曇纛l數(shù)據(jù)，充分利用傳輸協(xié)議RTP來實現(xiàn)對視音頻數(shù)據(jù)的自動調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)功能主要是通過RTP的速率流量控制機制來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的發(fā)送方在發(fā)送幀的時候主要是通過接收方播放幀的速率來實施，這樣就能充分保證接收方不會將發(fā)送方淹沒，同時也可以保證接收方不會處于饑餓狀態(tài)[5]。由于數(shù)字視音頻監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了IP組播技術(shù)來接入網(wǎng)絡(luò)，因此其實際針對統(tǒng)一組播組內(nèi)進行了網(wǎng)絡(luò)流量控制與常規(guī)的點對點數(shù)據(jù)通信控制策略存在一定的差異。當客戶端加入了某一個IP組播組的主機后，就只能通過某一個特定的流量作為其視音頻數(shù)據(jù)正常傳輸速率還進行編解碼端數(shù)據(jù)發(fā)送以及接收速率的協(xié)調(diào)。通過在線檢測方式對接收方進行檢測就可以判斷出當前網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的利用情況，并將網(wǎng)絡(luò)資源實際發(fā)生的阻塞情況反饋到編碼端，在此基礎(chǔ)上還對編碼數(shù)據(jù)進行適當調(diào)整。其具體調(diào)整過程為：當數(shù)據(jù)接收方在加入某一個特定的組播組后，其網(wǎng)絡(luò)客戶端就會針對其單位時間內(nèi)接收視頻的編碼受理進行統(tǒng)計，如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中基準主機實際的傳輸速率小于了門限，就可以通過RTCP協(xié)議包將信號反饋到編碼端。編碼在接，收到該信號后就可以適當?shù)脑黾恿炕介L，以此來實現(xiàn)對輸出碼流速率的有效控制。如果接收端通過在線檢測方式發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬可以增大的時候，就可以發(fā)送信息到編碼端，這樣編碼就能恢復(fù)正常的視頻編碼速率。在整個視音頻數(shù)據(jù)的傳輸過程中上述過程是在反復(fù)不斷進行過程中，這樣又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)帶寬變化的高度適應(yīng)，從而能夠滿足視音頻實時監(jiān)控的實際需求。

5? 結(jié)束語

IP組播技術(shù)的具體功能直到現(xiàn)在才被充分認識，因此，在當今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展過程中IP組播技術(shù)仍然是一種新型技術(shù)，在IP組播技術(shù)中仍然存在很多亟待解決的問題，因此，在進行單播網(wǎng)絡(luò)到組播網(wǎng)絡(luò)在轉(zhuǎn)化之前，必須要對整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行科學設(shè)計，利用創(chuàng)新的設(shè)計思想來對組播網(wǎng)絡(luò)中存在的一些問題進行不斷改進，這樣才能充分發(fā)揮出IP組播技術(shù)的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] 黃偉波，王先來.基于H.264與IP組播技術(shù)的遙視系統(tǒng)在無人值守變電站中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代計算機，2006（4）：62～65.

[2] 周承芳，汪志兵，唐昆，杜文.基于IP Multicast的分布式音視頻接入和共享的監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸設(shè)計和實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004（3）：52～54.

[3] 高翔，溫志強，謝燕燕.深圳天威視訊數(shù)字電視IP前端的構(gòu)建與實踐[A]. 中國廣播電視協(xié)會技術(shù)工作委員會、中國廣播電視協(xié)會有線電視工作委員會、陜西省廣播電視局、浙江省廣播電視局、《世界寬帶網(wǎng)絡(luò)》雜志.2011國際傳輸與覆蓋研討會論文集[C].中國廣播電視協(xié)會技術(shù)工作委員會、中國廣播電視協(xié)會有線電視工作委員會、陜西省廣播電視局、浙江省廣播電視局、《世界寬帶網(wǎng)絡(luò)》雜志：，2011：7.

[4] 包勇，邱承浚.監(jiān)管控一體化的數(shù)字電視統(tǒng)一信源交換平臺[A].中國廣播電視協(xié)會技術(shù)工作委員會（Technical Working Committee， China Radio&TV Association）、中國廣播電視協(xié)會有線電視工作委員會、浙江省廣播電視局、《世界寬帶網(wǎng)絡(luò)》雜志.2013國際傳輸與覆蓋研討會論文集[C].中國廣播電視協(xié)會技術(shù)工作委員會（Technical Working Committee， China Radio&TV Association）、中國廣播電視協(xié)會有線電視工作委員會、浙江省廣播電視局、《世界寬帶網(wǎng)絡(luò)》雜志：，2013：11.

[5] 礦用數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)[A].中國煤炭學會煤礦自動化專業(yè)委員會、中國煤炭工業(yè)技術(shù)委員會信息與自動化專家委員會.煤礦自動化與信息化——第20屆全國煤礦自動化與信息化學術(shù)會議暨第2屆中國煤礦信息化與自動化高層論壇論文集[C].中國煤炭學會煤礦自動化專業(yè)委員會、中國煤炭工業(yè)技術(shù)委員會信息與自動化專家委員會：，2010：10.