基于IGMP的视频传输模型.pdf

146传媒技术网络设备及技术已经深入影响到人们生活的方方面面，同时也在改变广电行业，传统形式的播出传输方式无法满足今日的需求。IP 协议在不断的进化过程中，取代了 IPX、APPLE TALK 等网络模型，成为网络层主流协议，在安全传输上可以满足安全播出的要求。电视播出系统是以视频服务器为基点，将视频传输到如切换台、监控器等多个模块，工作模式属于点对多点，符合 IGMP（Internet Group Management Ptotocol 互联网组管理协议）的设计思路。下面，本文将详细阐述在二层模式下，IGMP的工作模型和优缺点。1.组播是什么组播是一种利用网络设备实现的分组广播或单播的数据传输方式。组播数据传输时，服务器可以将一个数据包通过网络设备分组转发给多个需要接收的客户端。组播工作在网络层，使用 IP 协议。通过特定手段控制，组播的数据包可以做到精准到达目的端。组播的优势在于单份组播数据包，使用单一组播地址作为目的地址。组播源向一个组播地址发送一份组播数据包，网络中部署的组播协议为此组播数据包建立组播分发树，根是组播源，枝叶是组播组成员。组播方式下，单一的信息流沿树型路径被同时发送给一组用户，相同的组播数据流在每一条链路上最多有一份。相比单播来说，使用组播方式传递信息，用户的增加不会显著增加网络的负载。在三层网络模型中，组播报文不受网段限制，组播组成员以外的终端接收不到组播数据包，有效减轻了设备负荷。相比广播来说，使用组播方式可以远距离传输信息，且只将信息传输到有接收者的地方，保障了信息的安全性。组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了 IP 网络中点到多点的高效数据传送。2.组播工作机制组 播 协 议 分 为 IGMPV1、IGMPV2、IGMPV3，IGMPV2 是目前主流应用版本，本文拓扑中使用的就是 IGMPV2 版本。交换机或路由器端口开启 IGMP 功能后，会向下发送查询报文，当有成员想加入组播组时，就会回复 report 报文，交换机或路由器收到 report报文后，会将成员的 IP 地址和 MAC 地址加入到（*G）表项中，（*G）表项记录着目的主机地址和组播地址，组播数据包会沿着（*G）表项一路转发到接收者。接收者想要离开组播组时，会向交换机或路由器发送 leave 报文，交换机或路由器收到 leave 报文后，会将接收者的信息从（*G）表项中删除，交换机或路由器将不再向该接收者发送组播报文。3.播出为什么要选择组播在计算机网络世界中，存在着三种形式的报文，分别是单播、广播、组播。单播只能在同一网段中转发数据，广播可以全网段进行数据转发，组播可以在一组内进行数据包的转发。播出系统 IP 化的方向只能从三种报文中选择。单播只能在同网段转发数据，工作机制和目前播出的方式雷同，在接收者过多的情况下，依旧需要布设多根实体网线，影响系统扩展。广播模式会全网段、毫无目的性地发送数据包，不想接收组播数据包的终端依旧会收到数据包，影响了设备终端的正常工作，并且多余的数据包会抢占交换机的资源，导致网络性能下降。同时，过多的广播报文也会引起网络风暴，造成网络瘫痪。另外，路由器无法基于 IGMP 的视频传输模型 孙 晋 柏 松（四川广播电视台，四川 成都 610000）摘要：广电系统内部 SDI 视频信号处理采用的是同轴线缆作为传输媒介，视频分配器将单路 SDI 分成多路进行传输，这种模式的优点就是便于维护，缺点是建设成本高、需要的空间大、故障点分散。【目的】解决传统广电信号传输弊端。【方法】文章提出采用工作在 IP 传输层的 IGMP 协议作为信号载体，通过构建网络模型得出实验结果。【结果】发现 IGMP 存在的缺点及问题。【结论】对提出的问题进行应对策略和相应解决措施。关键词：广电系统；SDI 视频信号处理；传输模型；IP 传输层；IGMP 中图分类号：TP9919.85 文献标识码：A文章编号：1671-0134（2023）08-146-04 DOI：10.19483/ki.11-4653/n.2023.08.031本文著录格式：孙晋，柏松.基于 IGMP 的视频传输模型 J.中国传媒科技，2023（08）：146-149.传媒技术147转发广播报文，不同网段的接收者无法收到组播数据包，这就导致播出系统无法进行扩展。组播模式是在网络内部建立一个组播组，组内的设备被称为接收者，在组播组内，交换机可以采用单播或广播的形式转发报文，不会影响组外设备的正常工作。作为组内的接收者，可以随时加入和离开，整个播出系统充满弹性。在播出系统中，视频服务器可以看作是发送源，提供视频输出信号，接收者可以是切换台，也可以是播监设备。传统模式下，视频服务器的视频信号需要通过同轴线缆传输到视频分配器，再由视频分配器通过同轴线缆进行分发。在组播模式下，视频服务器的信号通过网线或光纤进入交换机，通过组播分发树，信号可以到达树内的所有设备。相比传统播出模式，组播减少了实际线缆的使用、增加了冗余备份的数量。4.构建基于 IGMP 组播协议的播出系统4.1 组网组播的转发依赖单播，在设计组播网络时，首先应该考虑单播网络拓扑。广电播出网络属于园区小型网络，常用结构是核心交换机接入交换机模式。核心交换机做堆叠，堆叠的优势在于简化管理，提升整体性能，提高可靠性；核心交换机和接入交换机之间采用聚合模式，聚合是指将两个物理端口虚拟成一个逻辑端口，在逻辑端口上做相应的配置，聚合的优点在于当其中一个端口宕掉后，另外一个端口可以正常提供服务。两个端口聚合在一起，也增加了两台交换机之间的数据带宽，保证数据高效的转发。4.2 组播组成员配置作 为 组 播 源 的 视 频 服 务 器 上 需 要 配 置 组 播地 址 和 源 地 址，组 播 地 址 范 围 是 224.0.0.0239.255.255.255，其 中 224.0.0.0224.0.1.255 是 本 地协议预留组不能使用外，其他均可配置。Harmonic Spectrum X 作为目前主流视频服务器，可在管理页面设置组播组地址。切换台和监看客户端的源 IP 和源 MAC 设置成视频服务器的主机 IP 地址和 MAC 地址，本拓扑图采用的是二层网络模式，通过 MAC 地址表进行组播数据的转发，所以源MAC地址必须配置正确。因在组播组内，接收者是被动拉去组播数据，所以接收者的目的 IP 应当设置成组播地址。4.3 交换机配置 进入交换机，开启 IGMP Snooping 功能。IGMP Snooping 通过侦听和分析组播设备与主机之间发送的组播报文来控制这些组播组，有利于抑制二层网络中不必要的组播数据转发，节省网络带宽。当交换机未开启 IGMP Snooping 时，组播报文会通过广播的方式转发到交换机内的所有主机，造成流量浪费，甚至会引起网络风暴；当交换机开启 IGMP Snooping 时，IGMP 查询器定期向本地网段内的所有主机与交换机或路由器（224.0.0.1）发送 IGMP 普遍组查询报文，以查询该网段有哪些组播组的成员，当感知到组内成员后，会将成员地址加入到转发表项。运行 IGMPv1 的主机离开组播组时不会发送 IGMP 离开组报文，因此交换机无法立即获知主机离开的信息。但是，由于主机离开组播组后不会再发送IGMP成员关系报告报文，图 1 系统模型图 2 组播源配置148传媒技术因此当其对应的动态成员端口的老化定时器超时后，交换机就会将该端口对应的转发表项从转发表中删除。运行 IGMPv2 或 IGMPv3 的主机离开组播组时，会通过发送 IGMP 离开组报文，以通知组播路由器自己离开了某个组播组。本文中的拓扑图采用的是基于 MAC 地址转发的二层模式，不涉及路由表。配置完成后，进行实验测试，从图 4 可以看到，切换台和监看同时接收到了来自视频服务器的播放画面，画面清晰流畅。5.IGMP 特殊应用场景在构建播出系统时，会遇到临时有设备需要入网查看视频播放质量，出于网络安全考虑，这些设备和组播源不会在同一网段，无法完成二层通信。这种情况下，需要采用三层网络架构完成组网。如图 5 拓扑所示，在二层网络边界布置一台路由器，路由器上行端口配置视频服务器的网关地址，下行端口配置需要接入的终端的网关地址，因切换台和监看终端作为二层通信设备，并没有匹配网关，临时接入设备就和这两台设备形成了隔离，保证了系统的安全。路由器转发组播数据包，需要全局开启 multicast routing-enable，路由器的上行端口还需要开启 pim sm，保证组播数据包被正确转发。通过上述配置，完成了二层网络下组播数据包的三层转发，使得外来设备可以在安全的状态下查看视频质量。6.IGMP 的缺点及应对策略IGMP 作为成熟的组播技术，未来必将会在广电行业内普及，但是，IGMP 也有着来自互联协议固有的缺陷，下面分步详细说明并阐述应对策略。6.1 尽最大努力交付尽最大努力交付是指交换机会尽到自己最大努力将组播数据包交付到目的主机，但当找不到目的主机路径后，就会将组播数据包丢弃，造成丢包的现象，这也是 IP 传输层固有的缺陷。组播依赖单播转发数据包，因此解决此问题需要维护好交换机内的 MAC 地址表、路由表和转发表。物理层面，合理规划网络设备布局，减少不必要的跳数。对二层网络，可以通过添加静态路由的方式，保证转发路径的正确性。对于三层网络，可以通过配置 OSPF 等技术，保证路由转发表的正确。6.2 组播数据包无序交付和重复在构建播出网络时，采用核心+接入的网络结构，在这样的结构中，就会存在等价路由。等价路由是指path cost 的值一致的两条链路汇聚到一台交换机上，图 3 igmp 流对比图 4 流传输结果 传媒技术149图 6 路由选择图 5 复杂网络模型下面拓扑图 6 中，A 和 B 就是等价路由。根据路由转发机制，交换机每次会随机选择一条链接进行转发，这就出现了 A 路转发数据包 1，B 路转发数据包 2，组播数据包通过不同的端口到达接收者，接收者无法正确处理包序，就会造成数据重复或丢失。通过 dis ip routing-table 命令可以查看交换机内路由表的情况，发现非直连路由的优先级一致时，可通过修改优先级的值来消除等价路由，保证数据从某一个正确端口转发。在二层模式下，通过 RPF 解决报序混乱和重复问题。单播报文的转发过程中，路由器并不关心组播源地址，只关心报文中的目的地址，通过目的地址决定向哪个接口转发。在组播中，报文是发送给一组接收者的，这些接收者用一个逻辑地址标识。路由器在接收到报文后，必须根据源和目的地址确定出上游（指向组播源）和下游方向，把报文沿着远离组播源的方向进行转发。这个过程称作 RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路径转发）。当组播数据包到达交换机后，会执行 PRF 检查，对照自己的路由表，当发现数据包来的端口时到达组播源的最短路径时，PRF 检查成功，转发该数据包，并将路由信息记录在路由表中，否则丢弃。这样就可以保证所有的组播数据包从正确的端口到达接收者。在三层模式下，通过 PIM 来实现控制包序和重复的 问 题。PIM 是 protocol independent multicast protocol协议无关组播，是主流的三层路由组播协议，PIM 在网络中选举出 RP 作为共享根，通过邻居发现机制创建和维护（*G）表项或（S G）表项，利用扩散、剪枝、加入等手段更新路由器内的转发表，使得组内的接收统一访问 RP，保证了数据流的一致性的同时，增加了网络的稳定性。结语通过上述阐述，我们已经了解 IGMP 的基本工作机制，它是基于网络层的点对多点的数据传输协议，具有很强的扩展性，组播技术在保证安全播出的前提下，提供了更广阔的视频播出传输前景，组播技术在广电行业的普及，势必会带来播出技术上的革新。参考文献 1 美 乔希勒弗莱斯.IP 组播（第一卷）M.北京：人民邮电出版社，2017：34-43.作者简介：孙晋（1985-），男，四川成都，高级工程师，研究方向为网络安全；柏松（1982-），男，四川成都，高级工程师，研究方向为通信设计。（责任编辑：张晓婧）