IP組播技術研究及其在校園網中的應用

王鈺博　喬杰華　劉毅

摘 要：隨著多媒體教學、視頻會議等校園應用的增多，IP組播在校園信息化系統的應用中越來越廣泛。IP組播是一種能夠節約帶寬資源的技術，其可以利用最小的網絡帶寬資源將組播數據包發送到各個目標接收端。論文詳細地分析了IP組播原理及關鍵技術，闡述了IP組播在校園網中的應用，包括視頻會議、數據信息廣播、視頻直播或點播系統、遠程教學等多個方面，具有重要的作用。

關鍵詞：IP組播；校園網；IGMP；CGMP

1 引言

隨著移動通信、光纖通信技術的快速發展和進步，網絡已經在人們的生活中得到了廣泛應用，網絡傳輸的數據資源也越來越大，單播或廣播等傳統的數據傳輸方式已經不適應現代網絡發展需求，充分利用帶寬資源和提高帶寬利用率已經成為研究熱點[1]。IP組播是指從一組主機發送和接收數據的技術，其可以把一個單獨的數據流發送給多個目標用戶，并且不占用較多的帶寬資源，具有重要的作用和意義[2]。

2 IP組播技術原理

傳統的數據傳輸采用單播或廣播形式，單播可以實現發送者和接受者之間的一對一、點對點的數據傳輸，如果一個發送者期望給多個接受者發送相同的數據，就需要復制多個數據包，這樣就會增大發送者和網絡帶寬的占用率，導致發送者具有較長的延遲和網絡負載。IP組播可以使用一種協議將數據包從一個發送者傳輸至多個目標用戶，也即是IP組播將數據包以最大努力方式傳輸到構成組播群的主機集合，組播群內的所有成員都可以分布于多個獨立的物理網絡上，組播群的成員關系是動態的，可以隨機加入和退出，群組成員的關系決定了是否能夠準確接收到數據包。與傳統的單播和廣播相比，組播具有較高的傳輸效率[3]。無論組播群內存在多少成員，在整個網絡的任何一條線路中只需要傳輸單一的備份數據包，可以有效節約貸款，降低網絡擁塞概率，提高數據傳輸效率[4]。

3 IP組播技術及其在校園網中的應用

3.1 IP組播關鍵技術

（1）組播地址分配與MAC地址

IP組播實現過程中，為了能夠與傳統的互聯網協議相匹配，IP組播將地址劃分為兩個類別，分別是IP組播地址和Ethernet組播地址。國家IP地址管理機構為IP組播分配了專用地址，IP組播地址可以唯一的標識一個組播組，所有的數據資源都可以封裝到IP數據包中，這樣就可以實現IP數據轉發，同時為了能夠標識一個物理中終端，數據傳輸過程中需要將數據包封裝到數據幀中，此時可以為組播分配一個Ethernet地址。IP組播地址均為IPv4中的D類地址段，組播地址范圍為224.0.0.0到239.255.255.255。隨著IP組播地址的應用，其又被細化為多種類別，分別是預留組播地址、局部鏈接組播地址、管理權限組播地址，預留組播地址可以應用于全球范圍內的組播數據傳輸；局部鏈接組播地址可以應用與局域網數據傳輸，并且固定路由器不需要轉發IP包；管理權限組播地址可以應用于政企單位內部適用，這樣就可以保證組播數據傳輸范圍。IP組播地址可以與Ethernet MAC地址之間進行映射和轉換，具體操作在數據鏈路層進行完成，映射過程中，IP組播地址中的36位中的8個高位字節和緊接著的1個標志位不參與轉換，將IP組播地址中的剩余低23位取代Ethernet組播地址中的低23位。

（2）二層組播相關協議

IP組播的二層組播協議主要包括IGMPSnooping和CGMP兩種。IGMPSnooping可以使用交換機偵聽發向路由器中的IGMP成員報告消息的方式，可以生成一個成員與交換機接口一一對應的關系，將其放置在組播CAM表項中，交換機可以根據對應的關系將收到的數據包轉發給存在組成員的接口。CGMP是思科提出的一種基于客戶機/服務器模式的私有組播協議，其可以在路由器和交換機上運行，可以讓成員關系信息從路由器到交換機進行實時的通信傳輸。

3.2 IP組播在校園網中的應用

隨著大數據、云計算、流媒體等新型計算機技術在部隊校園網中的應用和普及，部隊校園網承載的業務越來越多，因此也更加需要引入組播技術，目前IP組播已經在校園網中的視頻會議、數據信息廣播、遠程教學和視頻直播點播系統中得到廣泛使用，有效提升了部隊校園網的數字化水平。

（1）視頻會議

視頻會議室部隊校園網最早引入組播技術的應用之一，每一個參加會議的人員都可以加入到同一個或多個組播群，這樣大家就可以互相看到對方。視頻會議的數據包復制通常不采取MCU集中完成的模式，其可以由三層網絡交換機自動完成，這樣就可以大大的減少數據包的流量，同時，由于數據包不需要經過MCU進行存儲轉發，因此可以大幅度提升視頻會議的實時性，讓參與會議人員如身臨現場一樣。但是，視頻會議采用組播技術，如果數據包括在傳輸過程中丟失了，系統不會自動進行補包操作，但是由于視頻會議要求較高的實時性，一些數據包的丟失不影響視頻會議內容，故可以忽略不計。

（2）數據信息廣播

部隊校園網存在大量的數據信息需要進行廣播，為了保護信息的機密性和完整性，并不是所有的終端設備都需要接收這些廣播數據，因此數據信息廣播中引入組播技術，就可以讓期望接收的終端設備加入到一個組播群。組播群內的成員可以接收廣播數據，組播群外的成員不能接受廣播數據，這樣既可以節約部隊校園網帶寬資源，同時也可以最大化的保證數據的安全性，避免敏感信息擴散。

（3）視頻直播點播系統

部隊校園網存在許多的閉路電視，以便能夠滿足名師集中化教學。使用組播協議可以滿足網絡電視直播。服務器可以將網絡電視視頻流以組播的形式發送出去，任何客戶端想收到數據只需要加入到組播組中，就可以收看組播的任何一個節目，視頻直播類似于一個電視頻道，可以持續的播放視頻；點播可以滿足用戶點播任何一個感興趣的節目。

（4）遠程教學系統

IP組播技術成功的改變了傳統的部隊院校信息化教學模式，其可以實現一個遠程教學視頻，構建一個虛擬的教學課堂，不管學生位于什么位置，都可以與教師進行互動學習和溝通交流，能夠讓更多的學生享受到精品課程、高級教師的教育，從而可以均衡教育資源，改進教學質量。同時也可以引入

（5）虛擬現實教學系統

目前，部隊院校為了提高武器生產、裝配的應用成效，其已經在武器生產教學過程中引入了虛擬現實、增強現實技術，利用這些技術可以構建一個具有沉浸式的教學環境，利用各種裝配組件構建一個完善的武器，并且能夠分析武器設計流程存在的問題和性能，改變了傳統的武器教學系統的應用性能。

4 結束語

隨著“互聯網+”時代的到來，校園信息化水平迅速提升，組播技術在校園網絡中承載的業務也將會呈現爆發式增長，改進組播技術和擴大應用范圍將成為未來組播研究的熱點，也必將取得更大的成就，滿足校園信息化需求。

參考文獻

[1] 趙陽， 沈娟， 呂岑. IP組播技術在校園網絡視頻系統中的應用研究[J]. 計算機光盤軟件與應用， 2014（12）：255-255.

[2] 袁小紅. IP組播技術研究及其在校園網中應用[J]. 中國現代教育裝備， 2009（2）：45-47.

[3] 許維澤. 基于IP組播技術的新一代數字電視前端平臺[J]. 網絡安全技術與應用， 2015（1）：21-21.

[4] 潘相超. 校園網網絡組播視頻系統設計與實現[J]. 科技致富向導， 2011（24）：39-39.