許翔宇，李隱峰，董 濤

(西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安710071)

隨著科技的發(fā)展，虛擬化、軟件路由、組播網絡等新興技術發(fā)展逐漸成熟，在計算機網絡領域產生了較大的影響。許多單位、企業(yè)需要組建內部網絡，實現數據共享，并在此基礎上實現如視頻會議、在線音視頻播放等功能。為實現網絡的充分利用和數據的高效傳輸，在虛擬化、軟件路由的基礎上搭建組播網絡是一個理想的選擇。

1 技術概述

1.1 虛擬化技術

虛擬化技術是云計算的基礎，將原本直接安裝在個人計算機硬件上的OS轉換為虛擬機，在一臺實體機器上同時運行多個不同的操作系統(tǒng)［1］。文中采用VMware公司的虛擬操作系統(tǒng)ESXi5.0，通過配套的VMware vSphere Client 5.0控制虛擬機及其子操作系統(tǒng)的安裝和網絡配置。

1.2 Router OS軟件路由器

Router OS是一個基于Linux的路由操作系統(tǒng)，可以安裝在計算機硬件上作為一個普通路由器。軟件經歷了多次更新和改進，使其功能不斷增強和完善。特別在無線、認證、策略路由、帶寬控制和防火墻過濾等功能上有著突出的功能［2］。

文中使用的是ROS3.30版本，并安裝Multicast組播功能包，設置其組播功能。在虛擬機上安裝6個ROS路由器，通過ESXi內部網絡設置搭建一個組播網絡［1］。

1.3 組播網絡

組播是主機之間“一對一組”的通訊模式，加入了同一個組的主機可以接收到此組內的所有數據，網絡中的交換機和路由器只向有需求者復制并轉發(fā)其所需數據。主機可以向路由器請求加入或退出某個組，網絡中的路由器和交換機有選擇地復制并傳輸數據，即只將組內數據傳輸給那些加入組的主機。這樣既能一次將數據傳輸給多個有需要(加入組)的主機，又能保證不影響其他不需要(未加入組)的主機的其他通訊［3］。

組播網絡中有幾個比較重要的協(xié)議，如IGMP(組播管理協(xié)議)、PIM－DM(協(xié)議無關組播密集模式)、PIM－SM(協(xié)議無關組播稀疏模式)等［4］。

文中通過2種方法測試組播網絡:(1)通過組播測試工具Wsend和Wlisten，在服務器端利用Wsend發(fā)送組播數據包，在客戶機端利用Wlisten接收組播數據包，查看接收速率和掉包率等，以判斷組播網絡的連通性和穩(wěn)定性。(2)利用視頻播放軟件VLC在服務器端搭建視頻服務器，并發(fā)送組播數據包，同時在多個客戶機端輸入組播地址收看視頻，查看視頻播放情況。

2 搭建組播網絡

2.1 在虛擬機上安裝操作系統(tǒng)

ESXi5.0安裝好之后，通過vSphere Client登錄到管理界面，創(chuàng)建操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)安裝完成后，仍可以通過管理工具修改操作系統(tǒng)上硬件的數量和參數。安裝好6個ROS系統(tǒng)、1個基于Windows Server 2003的視頻服務器、3個基于Windows Server 2003的客戶機。

2.2 組播網絡拓撲

虛擬設備網絡連接如圖1所示，每個ROS都有2個網卡，每個終端都有一個網卡，根據設計的設備連接圖，配置虛擬機的網絡。ESXi的網絡設置中，將每個實體網卡當作一個交換機，虛擬的操作系統(tǒng)通過交換機組建內部網絡［1］，設置好的網絡如圖2所示。

圖1 虛擬網絡設備連接圖

圖2 ESXi5.0內部網絡配置

2.3 連通內部網絡

配置好網絡后，需要配置各ROS及主機客戶機的IP地址，以達到主機與客戶機的數據連通［2］，如圖3所示。

圖3 IP地址配置

根據設計好的IP地址，登入ROS操作系統(tǒng)內部配置好相對應的IP地址。并在路由器上指定相應的IP網關。各ROS路由器及客戶機的網關如下

ROS1:192.168.1.1;ROS2:192.168.2.1;ROS3:192.168.2.1。

ROS4:192.168.2.1;ROS5:192.168.3.1;ROS6:192.168.5.1。

Client1:192.168.4.1;Client2:192.168.6.1;Client3:192.168.7.1。

設置好IP地址及網關后，仍需要設置各路由器的網絡地址轉換(NAT)的方式，將所有路由器IP模塊的firewall中nat部分設置為chain=srcnat，action=masquerade［2］。

登入每個路由器及客戶機中，使用ping命令連接服務器的IP地址，全部可以ping通，至此ROS路由器的初步設置基本完成，在此基礎上進行組播網絡的配置。

2.4 組播配置

組播網絡中需要將一個路由器設置為RP匯聚點(Rendezvous Point)，其作用是告訴周圍路由器組播源的方位，從而形成一個從組播源到接收者的通道［4］。本文將ROS1作為整個組播網絡的RP，其他的路由器通過ROS1訪問組播源。

文中ROS3.30采用PIM－SM稀疏模式協(xié)議和IGMPv2協(xié)議。安裝好multicast擴展包之后，在routing模塊中的PIM進行設置，具體設置如下［5］。

設置ROS1:

［admin@ROS1］＞routing pim interface add ether1，ether2//使ether1和ether2支持PIM和IGMP協(xié)議

［admin@ROS1］＞routing pim interface p//查看各網卡及其支持的組播協(xié)議

［admin@ROS1］＞routing pim rp add address=192.168.1.251 group=239.255.255.0/24//設置組播網絡的RP，并設置IP地址為ROS 1上ether1的IP地址，并劃定了組播地址范圍。

其他5個ROS的設置基本相同，需要在設置RP時將RP的IP地址寫為ROS1的ether1的地址192.168.1.251。當所有的路由器設置完成后，組播網絡搭建完畢。

3 組播網絡運行及測試

3.1 利用組播工具測試網絡連通性

在路由器的配置階段，已經證實了各子網間的連通性，需要測試的是組播網絡是否已經正常工作。在視頻服務器Video Server上運行Wsend程序，添加一個組播地址，這個地址需要在之前設置的RP的組播組內。設置過程如圖4所示。

圖4 設置Wsend發(fā)送組播數據包

在客戶機Client1上運行Wlisten程序，設置要接收數據包的組播地址。設置過程如圖5所示。服務器Video Server上Wsend程序開始發(fā)送數據包，如圖6所示。

圖5 設置Wlisten接收組播數據包

圖6 Wsend發(fā)送組播數據包

客戶機Client1上Wlisten接收組播數據包，如圖7所示。

圖7 Wlisten接收組播數據包

可以看到，數據包的延遲微小，丟包率幾乎為0，說明此組播網絡穩(wěn)定。另外2個客戶機的測試方法和Client1相同，經過測試，組播網絡已經連通，效果較為理想。

3.2 利用VLC測試組播網絡上的視頻播放

本文使用一個開源視頻播放軟件VLC video player，它既是一個視頻播放器，也可以通過配置，作為一個視頻服務器，發(fā)送視頻數據，從其他客戶端接收數據，實現實時的視頻數據傳輸。

將本地視頻文件通過組播方式將視頻流發(fā)送出去的設 置 為:File——Wizard——Stream to network——Choose——從本地選擇相應的視頻文件——選擇Streaming method為UDP Multicast，組播地址為239.255.255.254，默認端口1234——轉碼格式為MPEG TS——Time－to－Live(TTL)設 為128——Finsh。還需要在Setting——Preferences——Sreaming Output中將Time－to－Live設置為128。

設置完成后，服務器端視頻播放不顯示，只顯示進度條，如圖8所示。

圖8 視頻服務器開始組播視頻傳輸

在客戶機Client1端，打開VLC播放器，輸入組播播放地址，File——Open Network Sream在Network選項中選擇UDP/RTP Multicast，IP地址239.255.255.254，Port1234——Finsh。設置完成后開始播放視頻軟件，如圖9所示。

圖9 客戶端組播視頻播放

其他客戶端Client2，Client3與Client1設置完全相同，經過測試，均可正常播放。測試視頻播放的流暢度方面，采取的方式是對視頻文件在本地直接播放的速率、組播服務器發(fā)送組播視頻流的速率及客戶端接收視頻流的速率進行對比。

如圖10～圖12所示，組播視頻服務器的輸入比特率為1 171 kbit·s－1，而客戶端接收組播視頻的輸入比特率為900 kbit·s－1，說明在傳輸過程中，視頻的傳輸速率降低很小;客戶端播放過程丟幀數很小;經過長時間的播放，視頻出現的卡頓現象較少。以上現象都說明視頻數據在組播網絡的傳輸較順暢，視頻播放效果良好。

圖10 視頻文件本地播放信息

圖11 組播視頻服務器視頻流信息

圖12 客戶端接收組播流視頻信息

測試視頻服務器的負載方面，對視頻服務器的CPU負載進行記錄:當3個客戶端同時采用點播方式播放視頻流時，視頻服務器的負載達到100%;當3個客戶端采用組播方式播放視頻流時，視頻服務器的負載約降低了80%。這說明組播對視頻服務器的負載有一定的減小。當組播網絡進一步放大，有更多的路由器、服務器、客戶端時，對服務器負載減小、視頻流傳輸的速度將會有更大的提升，組播的優(yōu)勢也會更明顯地顯現出來。

4 結束語

虛擬化、軟件路由、組播網絡都是近些年來發(fā)展較為迅速的技術，文中將這3種技術結合，提出了一種組播的解決方案，并進行測試。用較小的成本實現了組播網絡，具有一定的實用性。從實驗結果來看，方案較好地完成了預期的目標，由于將數據傳輸的負載轉移到了路由器上，大幅減輕了視頻服務器的負載，證實了組播網絡對多用戶視頻播放性能有較大的提升。

［1］ 熊信彰.VMware vSphere 4云操作系統(tǒng)搭建配置入門與實戰(zhàn)［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］ 崔北亮.Router OS全攻略［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［3］ 周賢偉，楊軍，薛楠，等.IP組播與安全［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［4］ 巖延，郭江濤.組播路由協(xié)議設計及應用［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［5］Mikrotik Conpration.Router OS multicast detailed example［EB/OL］.(2009－08－12)［2012－05－19］http://wiki.mikrotik.com/wiki/Manual:Multicast_detailed_example.