基于組播技術的軍隊醫院視頻教學系統的設計

肖永平，王曉虹，邊華，王志文

基于組播技術的軍隊醫院視頻教學系統的設計

肖永平，王曉虹，邊華，王志文

組播技術；路由；視頻教學；實現

隨著網絡和信息技術的發展，在線視頻教學在學習中的作用越來越重要。建立一個穩定、高效、即時、實用的視頻教學系統，對提高醫院中醫護人員的業務能力有著重要的作用，也是醫院的信息化建設的一個重要方面。筆者所在醫院有大量的視頻教學內容，比如手術、護理、遠程會診錄像等，廣大醫護人員在日常的工作學習中都需要在線學習這些視頻教學資料。基于以上考慮，筆者所在醫院開發了基于組播技術的醫院視頻教學系統。

網絡中數據包的傳輸方式有三種，單播、廣播和組播。通常采用的都是單播的傳輸方式，服務器與每個連接的用戶都需建立一個數據通道，對每個客戶端都發送相同的內容，這會造成IP包的重復發送，浪費網絡帶寬，增加了服務器的負擔。筆者所在醫院中沒有專門的高性能的視頻服務器，醫師站、護士站和各種終端總共200多臺，當大量客戶訪問服務器時，造成服務器擁塞乃至癱瘓。如果采用廣播方式，面臨著網絡中的所有終端都要被動的接受信息的問題，往往會造成信息泛洪。

1 組播技術簡介

組播技術的出現解決了IP包重復發送的問題。組播是介于單播和廣播之間的一種數據傳輸方式，筆者根據實際情況將許多終端劃分到一個組播組，組播源把數據包發送到特定的組播組，數據的分發僅限于同一組內。組播服務器僅發送一次信息，組播路由協議為組播數據包的傳輸建立樹形路由，被傳遞的信息只在路由器處被復制和分發。在從組播源到組播組成員的任何一條鏈路上只有一份數據包在傳輸，這樣既大大地降低了網絡中的信息量，又保證了信息的準確高效傳遞[1]。目前，組播技術已被廣泛應用在網絡音/視頻廣播、點播、網絡視頻會議、多媒體遠程教育、“Push”技術（如股票行情）和虛擬現實游戲等方面。

1.1 組播技術實現的軟硬件條件實現組播傳輸，在組播源和接收者以及兩者之間的網絡都必須支持組播，包括以下幾個方面：①主機的TCP/IP支持發送和接收IP組播；②介于組播源和接收者之間的路由器、交換機、防火墻等支持組播；③支持組播的應用軟件；④有一套將第三層IP組播地址映射到第二層MAC地址的分配策略。

1.2 組播地址IANA把D類地址作為組播地址[2]，D類地址的高4位被設置成1110，后面的28位是組播標識符，所以用作組播的地址范圍是224.0.0.0到239.255.255.255。其中224.0.0.0到224.0.0.255為路由協議和其他用途保留的地址，路由器不轉發此范圍的IP包；224.0.1.0到238.255.255.255為用于全球范圍或網絡協議的地址；239.0.0.0到239.255.255.255是私有地址（如192.168.x..x）。224.0.0.0為保留地址。224.0.0.1標識網絡上的所有IP組播主機，224.0.0.2標識同一個子網中的所有路由器。

2 醫院組播視頻教學系統的搭建

圖1 組播視頻教學系統網絡拓樸

圖1是筆者所在醫院的視頻教學系統的網絡拓撲圖，圖中，發送組播的數據包要經過路由器和交換機，特別是接入層的交換機。這不僅需要在路由器上配置IGMP協議，而且也需要在交換機上配置IGMP Snooping協議。采用了H3C的MSR3020路由器，該路由器完全支持組播的各種協議，筆者主要配置PIM-DM和IGMP協議。在本方案中，網絡客戶端有220個，由192.168.0.0和192.168.1.0兩個網段組成。

首先，在H3C的MSR3020上使能IP組播路由，在各接口上使能PIM-DM，并在主機側接口Ethernet0/1和Ethernet1/1上使能IGMP。

system-view

[Router]multicast routing-enable

[Router]interface ethernet 1/1

[Router-Ethernet1/1]igmp enable

[Router-Ethernet1/1]pim dm

[Router-Ethernet1/1]quit

本方案中通過以上配置的IP組播平臺，采用Windows Media 9流媒體解決方案實現系統的媒體流。Windows Media 9視頻技術是Microsoft公司推出的一種適應多種網絡帶寬條件的流式多媒體信息的發布平臺，包括了流媒體的制作、發布、播放和管理的一整套解決方案。Windows Media服務器使用ASF，這是一種支持在各類網絡和協議下進行數據傳遞的公開標準，用于排列、組織、同步多媒體數據以通過網絡傳輸。ASF不但最適于通過網絡發送多媒體流，也同樣適于在本地播放。通過提供“通知”，可使用戶方便地申請和接收ASF內容。“通知”是特殊格式的文本文件，以.asx擴展名存儲，由Web網頁鏈接以進行下載。用戶只需運行.asx文件即可訪問ASF內容。

Windows Media服務管理器中進行如下設置：多播站（即組播）名稱、多播IP、端口、流格式(所要廣播的實況流文件的名稱)、廣播站文件.nsc的路徑(用于存儲廣播站中用于將ASF流傳遞到Windows Media Player的所有必要信息，包括IP地址、端口、流格式等)。Windows Media Player必須能夠訪問.nsc文件，以便定位廣播站發送ASF內容流時使用的IP地址。.nsc文件通常存儲在Web服務器目錄中。當Windows Media Player打開通過電子郵件消息收到的“通知”時，將通過UNC路徑或Web頁鏈接提取指向.nsc文件的URL。創建完廣播站后，還要為其添加節目和流。必須為節目創建流或者使用與其他節目相關的現有的流。可在Windows Media管理器為一個多播站添加節目和流。

在Windows編碼器中，建立新的編碼會話并在工具菜單中創建asf文件來進行組播，該文件中包含了Window Media Player用以解碼和播放流的信息。Windows Media Player通過訪問“通知”（.asx文件）的UNC路徑或Web頁鏈接來提取指向.nsc文件的URL，從而訪問Windows Media服務器的組播廣播流。需要注意的是，在Web服務器中，Web服務器的默認端口與Media服務器的默認HTTP端口必須不同。

在客戶端的Media Player打開文件時，URL一欄輸入：http://239.0.8.12:81/filename.asx，即可實時觀看組播視頻內容。

3 總結

組播技術能夠使用最少的網絡資源實現點到多點應用，從而減輕信息源服務器和網絡設備CPU的負荷，減少冗余流量，提高傳輸效率。已經越來越多地應用于網絡電視、實時視/音頻會議、遠程教育、遠程醫療等任何“點到多點”的數據傳輸和發布應用。筆者所在醫院已實現醫院局域網范圍內的組播視頻教學系統，未來將以此為基礎繼續擴展其應用，利用各種傳輸渠道，開展針對部隊衛生所和海島駐軍的遠程視頻醫學教育。

[1]田紅鵬.組播技術綜述.IP[DB/OL].http://www.ccw.com.cn/net，2001-05.

[2]Thaler D,Handley M,Estrin D."The Internet Multicast Address Allocation Architecture"[R].RFC2908,September,2000.

[3]Grdlian R.Parkhurst.組播路由與交換技術[M].北京：機械工業出版社，1999.78.

[4]Fenner B,Thyagarajan A."Internet Group Management Protocol,Version 3"[R].RFC3376,October,2002.

[5]Nicholas J,Adams A,Siadak W."Protocol Independent Multicast-Dense Mode(PIM-DM)"[R].RFC3973,January,2005.

[2011-03-03收稿，2011-04-10修回]

G434

B

264000山東煙臺，107醫院信息科（肖永平，王曉虹，邊華，王志文）

由于所有的IP數據包都是封裝在以太網幀中傳輸，在組播中，除標識組播組的IP組播地址外，還需要一個組播MAC地址。IANA保留01:00:5e:00:00:00到01:00:5e:7f:ff:ff這個范圍的地址為組播MAC地址。組播傳輸時，數據鏈路層將IP組播地址中低23位取代組播MAC地址01:00:5e:00:00:00（前25位為固定值）的低23位映射成真正的組播MAC地址。

1.3 組播分發樹和組播路由協議組播數據包從組播數據源到各個接收者之間所走的路徑稱為組播路由，這些組播路由構成了組播樹[3]。在一個特定的“發送源，目的組”中，IP組播流量都是通過這個擴展樹從發送源傳輸到接收者的，這個擴展樹連接了該組播組中的所有主機。

在主機與三層組播設備之間通常采用組播組的管理協議IGMP[4]。該協議規定了主機與三層組播設備之間建立和維護組播組成員關系的機制。組播路由協議運行在三層組播設備之間，用于建立和維護組播路由，并正確、高效地轉發組播數據包。組播路由建立一個從單個數據源到多個接收端的無環（loop-free）數據傳輸路徑，即組播分發樹。常用的域內組播路由協議有PIM-DM[5]（Dense Mode，密集模式）和PIMSM（Sparse Mode，稀疏模式）。域間組播路由協議目前比較成型的方案有：MSDP（組播源發現協議）和MP-BGP（多協議邊界網關協議）。

[本文編輯：吳蓉]