组播技术高清数字电视直播系统在校园网中的应用

李 亮， 黄石平， 臧胜鲲

(1. 宿迁学院，江苏 宿迁 223800； 2. 南京医科大学，江苏 南京 210029)



组播技术高清数字电视直播系统在校园网中的应用

李 亮1， 黄石平2， 臧胜鲲1

(1. 宿迁学院，江苏 宿迁 223800； 2. 南京医科大学，江苏 南京 210029)

面对用户不断增长的校园网资源需求，基于校园网的电视直播系统因其数据源的稳定性、多样性成为一种简单而有效的校园网视频资源服务解决方案。随着校园网性能的提升，高清视频流在校园网上的应用已经出现，组播技术的特点使得高清视频流在校园网上传输成为可能。本文主要就信号源、高清流产生、组播技术、用户终端等方面进行了研究,建立了一套可行的校园网高清电视直播系统,对于建立校园网高清直播系统有一定的参考性。

校园网; 高清电视; 卫星电视; 组播技术

0 引 言

我国高校校园网建设从上个世纪90年代开始，经过了20多年的发展，目前万兆骨干、千兆到桌面的建设模式已经成为主流标准[1-2]。在校园网性能得到提升的同时，用户对网络资源需求的要求也在不断提升，这个时候，就需要校园网的建设、管理者努力去扩充校园网上的资源及应用服务，使得校园网能够更好地服务用户及教学工作，满足用户多方位的应用需求。电视(数字电视、卫星电视)直播，因为其节目来源的稳定性、多样性，无疑成为一个非常好的视频资源来源。

在互联网上收看电视直播已经是一种非常流行且受欢迎的方式，很多互联网的用户都安装了一些网络电视的直播软件进行观看。但是就效果而言，这类网络电视直播系统所能提供的电视画面质量都难以和传统模拟电视相比，并且较传统电视播放滞后时间较长，而且也不能支持高清数字电视(HDTV)[3]。目前高性能的校园网络，使得在校园网内观看高清视频成为可能。我们经过长期实践摸索，不断测试各种硬件和软件，最终在校园网环境里实现了每路15-20 Mbps码率[4]的基于组播技术的高清数字电视的直播系统。

1 组播技术

1.1 组播技术概述

传统的IP(V4)通信有两种方式[5-6]：第1种是主机之间点对点的通信，即单播(unicast)，其特点是每个数据包只发送给一个主机；第2种是在源主机和该网段中所有主机之间进行的通信，即广播(broadcast)，其特点是数据包发送给所在网段的每个主机。但如果要将数据发送给网络中的多个主机而不是所有主机，在只有单播和广播两种通信方式下，显然没有什么好的办法：采用广播方式，频繁的广播浪费大量带宽资源，也可能由于路由回环引起严重的广播风暴；采用单播方式，多次重复发送相同的数据包，效率低，带宽占用高，而且在并发数较大的情况下，给源主机造成了极大的负载。所以，传统的单播和广播通信方式都不能有效地解决单点发送多点接收的问题。

组播(Multicast)是指信源将信息发向所有网络节点的某个确定子集的点到多点的通信形式[7]。组播技术的概念于1988年最早出现在Steve Deering的博士论文中，在1989年Steve Deering对标准IP网络层协议进行了扩展，提出了IP组播规范。在组播技术中，通过向多个接收方传送单信息流方式，可以减少具有多个接收方同时收听或查看相同资源情况下的网络通信流量。

相对于单播技术，组播技术有效地解决了单点发送到多点的问题(见图1)，实现了网络中单点到多点的高效数据传送，并且即使用户数量成倍的增长，主干带宽开销毋需随之倍增，有效地节约网络带宽、降低网络负载。在校园网中，组播技术非常适用于流媒体、视频直播等单点(服务器)到多点(各用户终端)的网络应用[8]。

1.2 组播技术体系结构

1.2.1 组播IP地址与MAC地址

在IP(V4)的数据传输中，IP数据包都需要封装在Ethernet帧中，为此IANA把D类地址空间分配给IP组播，其范围是从224.0.0.0到239.255.255.255。每个组播IP地址用于标识一个IP组播组，其IP地址的高四位为“1110”。组播MAC地址的高24位为固定值0x01005e，第25位为‘0’，MAC地址的低23位为组播IP地址的低23位[9]。由于 IP组播地址的前4位 是1110，代表组播标识，而后28位 中只有23位被映射到MAC 地址，这样IP 地址中就有5bit信息丢失，导致的结果是出现了32个IP组播地址映射到同一MAC 地址上，如图2所示。

因此在二层处理过程中，设备可能要接收一些在IPv4组播组以外的组播数据，而这些多余的组播数据就需要设备的上层进行过滤了。

1.2.2 组播协议

通过和单播、广播技术的数据传输方式的比较，可以发现组播技术中最关键的两个部分：

(1) 组播组的管理和维护。在组播环境中，设备需要知道其所连接的子网中，有多少主机属于特定的组。在组播协议体系中，主要通过IGMP (Internet网关管理协议)来实现：当主机加入或离开组播组时，主动发送消息[10]。通过上述机制，在路由器里建立起一张表，其中记录了路由器各接口所对应子网上都有哪些组的成员。当路由器收到发往特定组的数据后，只向属于特定组的成员所在的接口转发数据。

IGMP工作在网络层，只记录路由器上的三层接口与组播地址的对应关系。但在很多情况下，组播报文不可避免地要经过一些二层交换机，IGMP Snooping协议解决了二层交换机组播数据转发的问题。其工作原理为：主机的报告消息经过交换机时，交换机对报告消息进行监听并记录，为端口和组播MAC地址建立起映射关系；当交换机收到组播数据时，根据映射关系，只向连有组成员的端口转发组播数据。

(2) 组播报文的路由。组播报文在网络中沿着树型转发路径进行转发，该路径称为组播转发树。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，以确定该组播数据包所经过的接口是否在有源的分支上：如果在，则组播数据包被转发；如果不在，则丢弃该组播数据包。路由器在收到组播报文后，根据报文的源地址确定其上游方向(指向组播源方向)和下游方向，然后将其沿着远离组播源的下游方向转发，这个过程称为逆向路径转发(RPF)[11]。

组播技术经过多年的发展，衍生出较多的组播路由协议，根据本文的重点，本文只讨论协议无关组播(Protocol Independent Multicast，PIM)协议[12]，只要单播路由协议能产生路由表项，借助逆向路径转发(RPF)机制，PIM就可以实现在网络中传递组播信息。按照转发机制的不同，PIM可以分为密集模式(Dense Mode，DM)和稀疏模式(Sparse Mode，SM)两种模式。其中 PIM-DM属于密集模式的组播路由协议，适用于小型网络，及规模不是很大的校园网络。

1.3 组播技术在校园网中的实现

要在校园网中实现组播传输，组播源和用户终端以及两者之间的网络设备都必须支持组播。主要包括以下几方面：主机的操作系统支持发送和接收IP组播；主机的网络接口(网卡)支持组播；主机与组播源之间的所有网络设备支持组播协议；主机的相关应用软件支持组播协议。

目前IP组播技术得到硬件、软件厂商的广泛支持，从硬件方面，各大网卡、交换机、路由器厂商均已广泛支持组播协议；软件方面，微软公司从Windows95开始支持协议IGMP(V1)，Windows98开始支持IGMP(V2)。综上所述，目前在校园网内实现组播方式不存在任何障碍。

2 高清数字电视直播系统的设计

2.1 高清视频

HDTV(High Definition TV)是DTV(数字电视)标准中最高的一种，即相对于普通标清分辨率(PAL:720×576、NTSC:720×480)[13]，高清的分辨率达到了720p(1280×720)，1080i、1080p(1920×1080)，其中i代表隔行扫描(interlace)，p代表逐行扫描(progressive)，后者的画面平滑自然无闪烁。目前，1080p是高清视频的最高标准，也就是常说的全高清(Full HD)。

可以看出，高清视频的分辨率较标清视频有了几倍的提高，如果对高清视频在校园网上进行传输，其带宽的占用量也有数倍的增加。通过实测，一路普通标清TV(720×576)MPEG2的TS流约需5 Mbps的带宽，而一路高清TV(1920×1080)MPEG2的TS流(传送流)需要20 Mbps的带宽。如果以单播的方式，转播10个高清频道，每个频道有15个用户同时收看的话，总计约需占用10×15×20 Mbps=3000 Mbps的带宽，无论从服务器负载还是校园网带宽资源占用上来说，都是不太现实的。而如果采用组播的方式进行上述条件下的高清转播，只需要占用200 Mbps的带宽，并且用户即使成倍增长，带宽占用也不会有明显增加。

2.2 高清信号源的获得

国内数字电视按信号传输方式可以简单分为地面无线传输(DMB-TH)、卫星传输(DVB-S) 、有线传输(DVB-C)三类。其中常见的为卫星传输及有线传输两种，地面波数字电视信号仅在一些大中城市才有。上述三种传输方式传输的信号有加密和不加密之分，加密的信号需要通过相应的解密过程才能正常收看或使用。本文中信号源主要采用卫星传输(DVB-S) 、有线传输(DVB-C)两种方式。

2.2.1 有线传输(DVB-C)信号源

现在全国各城市的数字电视基本上都开通了数字高清频道[14]，我们可以申请开通数字高清电视，保证信号源的稳定性。但国内的很多城市，数字电视接收机和用户授权卡采取了机卡绑定的做法，不允许用户将授权卡使用在别的数字电视接收设备上。因为授权卡无法使用，就无法通过相关设备产生TS流用于电视直播。所以，采用有线电视作为信号源信号的方法，必须解决机卡分离的问题。

2.2.2 卫星传输(DVB-S)信号源

通过卫星接收器接收卫星信号来实现作为信号源，这种方式在做一些普通标清无需解密的频道的校园网直播应用，应该是最好的方式。因为在我国范围内的卫星，主要有115.5C卫星和125C卫星以及中星9卫星，基本覆盖了国内各类免费电视频道。但卫星信号的高清数字电视源目前只有CCTV-HD频道是不需要CI(解密模块)的，其它频道均需要进行解密。虽然也有国内的一些组织提供了卫星加密信号网络实时解码，但常因为网络、服务器等问题导致接收端的用户解码失败，从而不能播放这些高清数字频道。

通过购买对应卫星频道的正版授权卡，是学校用户较为合理的解决方案。实际上各地有线电视台的接收信号也基本上是采用了这种方式，卫星天线接收配合授权卡片，完成信号的接收，然后再通过信号混合器，将多路电视信号混合成射频，传输到用户的电视机。

2.3 TS流的产生

传送流(Transport Stream，TS)，它是根据ITU-T Rec.H.222.0|ISO/IEC 13818-2 和ISO/IEC 13818-3协议而定义的一种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的情况下进行一道或多道程序编码数据的传送和存储。TS流主要应用于实时传送的节目，比如实时广播的电视节目，其特点就是从视频流的任一片段开始都是可以独立解码[15]。

传统的标清电视信号源，产生稳定的TS流的方式很多,采集卡、电视卡都可以实现TS流，也有一些高校采用了DM500这样的接收机来产生TS流。但是在高清数字电视直播的时候，能产生稳定TS流的设备或者程序不是非常多，再加上解密的问题困扰，导致可选的流发生方式更加缺乏。我们经过反复测试各种设备，最终采用了PC服务器配合DVB-C/DVB-S接收卡以及DVB Viewer程序来完成TS流的生成工作。数字电视授权的问题，可以通过采购CAM卡,对授权的IC卡进行和CAM卡的绑定工作(需当地广电公司授权)，从而使得高清数字电视的CI模块能够在PC上工作，实现数字高清电视的TS流化工作。

通过DVB Viewer产生稳定的TS流后，只需将TS流推送至Windows Media server服务器，即完成组播服务器的构建工作。需要说明的是DVB Viewer自带了丰富的插件库，我们采用的是Netstream插件实现了高清数字电视推送至组播服务器的工作。如图3所示。

图3 TS流的推送

2.4 直播系统总结

至此，我们完成了基于组播技术的高清数字电视直播系统在校园网中的部署，实现了基于卫星传输(DVB-S)、有线传输(DVB-C)信号源两种信号源的高清数字电视信号的直播工作。系统总体结构图如下图4所示。

图4 系统结构图

终端用户通过Vlc等支持组播播放方式的视频播放器，直接播放高清电视。此外可以将视频流推送至单播服务器，对于少部分不能支持组播的用户，可以用单播的方式接收并播放，但是单播方式非常消耗带宽，需要每一个想提供单播服务的管理员仔细斟酌。

3 结 语

通过直接接收卫星电视及数字电视高清频道TS流推送至流媒体服务器，并通过组播的方式进行数据传输，为用户提供了小于1S的高清电视直播服务；组播技术在视频直播系统中的技术优势，在用户量激增的情况下也不会对网络造成较大的网络负载；本方案在我校已成功实现12路高清电视的24小时网络直播，用户峰值数量1200余个。系统在信号源来源稍作改动后，亦可实现会议、重大活动、远程视频教学的高清实时网络转播。

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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

国家自然科学基金(81302512)

李 亮(1981-)，男，江苏宿迁人，硕士，实验师，网络中心主任。研究方向为高校网络管理、信息化建设。

E-mail: nic@sqc.edu.cn

黄石平(1978-)，男，江苏连云港人，硕士，工程师，研究方向为互联网技术、网络安全，现任南京医科大学网络中心主任一职。

E-mail：hsp1211@njmu.edu.cn

TN 948.3;G 434

A

1006-7167(2015)01-0118-04