吉鶴 李月軍 劉曉光

摘 要：隨著各類大學(xué)生科技競賽活動規(guī)模和深層次的發(fā)展，其組織管理的規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢。該文分析了基于校園網(wǎng)應(yīng)用的IP組播技術(shù)的基本特性，簡要介紹了IP組播技術(shù)的概念、原理及體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了大學(xué)生科技競賽測評管理系統(tǒng)中的校園網(wǎng)視頻直播技術(shù)的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：科技競賽 測評 校園網(wǎng) IP組播

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0067-02

The Research on Campus Network Video Broadcast Technology of College Students Science and Technology Competition Evaluation Management System

Ji He Li Yuejun Liu Xiaoguang

（College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin，130012，China）

Abstract：With the development of college students' scientific and technological competition scale and level， its organization and management standardization and the network is the inevitable trend.This paper analyzes the basic characteristics of IP multicast technology used in campus network，and also contains the introduction of the conception，principles and system struction of IP，design and implementation of the campus network video broadcast technology solutions used in College students'science and technology competition evaluation management system.

Key Words：S&T competition；Evaluation；Campus network；IP Multicast

1 基于Web的大學(xué)生科技競賽測評管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用于省市級及一般高校的科技競賽組織管理和實(shí)時測評。系統(tǒng)將競賽組織的全過程納入計(jì)算機(jī)管理，實(shí)現(xiàn)競賽組織管理、競賽測評管理、視頻服務(wù)管理、交流培訓(xùn)管理等功能，實(shí)現(xiàn)規(guī)范測評流程，使競賽的測評更加透明、公正、規(guī)范，并通過Web視頻服務(wù)實(shí)現(xiàn)測評過程的直播和實(shí)時發(fā)布測評結(jié)果。

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)。綜合考慮信息處理量、使用率和成本，核心服務(wù)器為一臺流媒體服務(wù)器，兼做Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WMS流媒體服務(wù)器。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)用戶接入；WMS服務(wù)器提供流媒體數(shù)據(jù)的發(fā)布，滿足視頻直播、錄像點(diǎn)播等服務(wù)；測評終端采用便攜式計(jì)算機(jī)并接攝像機(jī)，作為測評信息記錄和直播編碼工作站，采集AV信號，實(shí)時壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流，發(fā)布到WMS服務(wù)器滿足直播需求。

服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008，IIS 7.0，其中Windows media service作為流媒體服務(wù)器系統(tǒng)平臺；Web系統(tǒng)采用SQL Server 2012+ASP.NET MVC構(gòu)建。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)根據(jù)MVC模式分為三層。應(yīng)用ASP.NET可以使用.NET平臺快速方便的部署三層架構(gòu)。.NET中可以方便的實(shí)現(xiàn)組件的裝配，后臺代碼通過命名控件可以方便的使用自己定義的組件。顯示層放在ASPX頁面中，數(shù)據(jù)庫操作和邏輯層用組件來實(shí)現(xiàn)，這樣就很方便的實(shí)現(xiàn)了三層架構(gòu)。三層架構(gòu)的分層式實(shí)現(xiàn)了“高內(nèi)聚、低耦合”。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）競賽組織管理。功能包括競賽組織單位官方文件管理、報(bào)名及資格審核、競賽項(xiàng)目發(fā)布、競賽成績公告及投訴處理等功能。

（2）競賽測評管理。功能包括測評規(guī)則、測評標(biāo)準(zhǔn)及測試項(xiàng)目評分細(xì)則管理、現(xiàn)場評測計(jì)分管理和現(xiàn)場成績實(shí)時發(fā)布。系統(tǒng)綜合技術(shù)報(bào)告和測試成績并經(jīng)組委會確定后形成最后的成績予以公示。

（3）視頻服務(wù)管理。本系統(tǒng)用戶為校內(nèi)競賽和省市級競賽。前者基于校園網(wǎng)，后者要實(shí)現(xiàn)在Internet直播。綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)視頻直播，在Internet實(shí)現(xiàn)文字直播。在應(yīng)用過程中，流媒體服務(wù)器通過RTSP/HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)會話的建立和管理，通過RTP/RTCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)的傳輸和服務(wù)質(zhì)量的管理。

（4）交流與培訓(xùn)管理。包括和競賽有關(guān)的技術(shù)資源的上傳、下載管理、網(wǎng)上培訓(xùn)和論壇管理。

（5）用戶管理模塊。包括注冊與注銷管理、用戶信息管理、用戶登錄管理和權(quán)限分配等。

2 IP組播技術(shù)的基本特性

2.1 系統(tǒng)視頻直播方式的選擇

受場地限制，大學(xué)生科技競賽測評現(xiàn)場相對較封閉；而為提高競賽影響力、關(guān)注度和保證競賽測評的公開、公正性，實(shí)現(xiàn)測評過程的網(wǎng)絡(luò)視頻直播是一個重要手段。

網(wǎng)絡(luò)視頻直播基于IP組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)。IP組播技術(shù)是允許單一的數(shù)據(jù)報(bào)同時發(fā)給同一多播組全部其他主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主機(jī)可通過網(wǎng)際組管理協(xié)議（IGMP）動態(tài)地加入或離開該多播組。支持協(xié)議無關(guān)組播（PIM）和其他相關(guān)組播協(xié)議的路由器將跟蹤這種組關(guān)系并形成一條到達(dá)該多播組每個成員的無回路路徑，實(shí)現(xiàn)無論有多少個目標(biāo)地址，在整個網(wǎng)絡(luò)的任何一條鏈路上單一的數(shù)據(jù)報(bào)傳送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的高效率使用。

IP組播分為兩類：一是在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行組播；二是在Internet范圍內(nèi)組播。后者技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本高昂。而基于校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)視頻直播，包括了局域網(wǎng)組播即硬件組播技術(shù)路由器間組播技術(shù)，但實(shí)現(xiàn)相對容易、成本較低。基于大學(xué)生科技競賽測評管理系統(tǒng)用戶的視頻直播需求范圍、使用率和實(shí)現(xiàn)成本的考慮，系統(tǒng)選擇基于校園網(wǎng)的視頻直播方式。

2.2 組播地址的基本特性

IP組播實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收者之間點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接。在網(wǎng)絡(luò)層，源主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)給某多播組時，首先須構(gòu)造一個能夠標(biāo)識該多播組的IP數(shù)據(jù)報(bào)。IP組播地址定義了一個D類IP地址空間，所有組播地址包含在從224.0.0.0到239.255.255.255的范圍內(nèi)。D類地址范圍僅用作組地址或IP組播數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址，而IP組播數(shù)據(jù)包的源地址是單播地址。源地址發(fā)數(shù)據(jù)給組播地址即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。

以太局域網(wǎng)局域網(wǎng)鏈路層MAC組播地址的設(shè)計(jì)是其MAC地址的高24bit固定為0x015e。組播地址都只能作為目的地址，而不能作為源地址來使用。IP組播地址和MAC地址以一種映射關(guān)系相關(guān)聯(lián)，MAC地址的低23位映射為組播MAC的低23位。組播MAC地址和組播IP地址的這種映射關(guān)系不是唯一對應(yīng)的，因?yàn)樵?2位IP組播地址可以變化的28bit中只映射了其中的23bit，還剩下5bit是可以自由變化的，所以每32個IP組播地址映射一個組播MAC地址。

2.3 組播協(xié)議

組播協(xié)議分為主機(jī)與路由器之間的組成員關(guān)系協(xié)議和路由器之間的組播路由協(xié)議。組成員關(guān)系協(xié)議包括IGMP，組播路由協(xié)議分為域內(nèi)組播路由協(xié)議和域間組播路由協(xié)議，域內(nèi)組播路由協(xié)議包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等，域間組播路由協(xié)議包括MBGP、MSDP等。IGMP建立并且維護(hù)路由器直聯(lián)網(wǎng)段的組成員關(guān)系信息，域內(nèi)組播路由協(xié)議根據(jù)IGMP維護(hù)的這些組播組成員關(guān)系信息，運(yùn)用一定的組播路由算法構(gòu)造組播分發(fā)樹進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

同時為了有效抑制組播數(shù)據(jù)在鏈路層的擴(kuò)散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二層組播協(xié)議。IGMP Snooping協(xié)議對主機(jī)和路由器是透明的。選擇的交換機(jī)要支持IGMP Snooping協(xié)議。

3 基于IP組播的校園網(wǎng)視頻直播的實(shí)現(xiàn)

學(xué)生科技競賽的測試過程一般分成若干組。各測評點(diǎn)配置支持RTP/RTSP實(shí)時流媒體協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IP攝像機(jī)）和便攜式計(jì)算機(jī)完成視頻采集和測評數(shù)據(jù)記錄，AV信號經(jīng)編碼、壓縮成MPEG4數(shù)據(jù)流經(jīng)局域網(wǎng)交換機(jī)傳送到系統(tǒng)Web服務(wù)器和流媒體服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和視頻組播發(fā)布。

一般標(biāo)準(zhǔn)三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的校園網(wǎng)，核心層和匯聚層構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)骨干。核心層為三層交換機(jī)，接入層為二層交換機(jī)，100M到客戶端。組播的數(shù)據(jù)包要經(jīng)過交換機(jī)，特別是接入層交換機(jī)，因此，不僅要在路由器上配置IGMP、PIM協(xié)議，而且還需要在交換機(jī)上配置IGMP Snooping協(xié)議。

（1）在骨干網(wǎng)配置PIM協(xié)議。PIM（ Protocol Indepen Multicast）是目前應(yīng)用最多的組播路由協(xié)議，它運(yùn)行在組播路由器之間，由于建立和維護(hù)組播路由，高效轉(zhuǎn)播組播數(shù)據(jù)包。PIM協(xié)議又分為PIM-DM和PIM-SM協(xié)議。PIM-DM屬于密集模式的組播路由協(xié)議，適用于小型網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，組播組的成員相對比較密集。PIM-SM為與協(xié)議無關(guān)的組播稀疏模式，屬于稀疏模式的組播路由協(xié)議，應(yīng)用于組成員相對分散、范圍較廣的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)?；谝话阈@網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，選擇PIM-DM協(xié)議。在骨干交換機(jī)的每個VLAN接口上啟動PIM-DM協(xié)議，實(shí)現(xiàn)組播。

（2）在接入層配置IGMP Snooping協(xié)議。組播組管理協(xié)議采用IGMP，它運(yùn)行在主機(jī)與路由器之間組播成員關(guān)系的建立和維護(hù)機(jī)制。IGMP Snooping是運(yùn)行在二層以太網(wǎng)交換機(jī)上的組播約束機(jī)制，用于管理組播組。為實(shí)現(xiàn)這個功能，需要在交換機(jī)上啟動IGMP Snooping。

4 結(jié)語

IP組播技術(shù)有效地解決了單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問題，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到多點(diǎn)的高效數(shù)據(jù)傳送，能夠大量節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在大學(xué)生科技競賽測評和綜合管理系統(tǒng)中，基于IP組播實(shí)現(xiàn)測評過程在校園網(wǎng)的實(shí)時直播，為提高競賽影響力、關(guān)注度和保證競賽測評的公開、公正性發(fā)揮了重要作用。

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