组播技术在数字视音频监控系统中的应用
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摘 要：IP组播技术兴起于上世纪90年代，是一种全新的网络传输技术。在现代很多新型的网络应用过程中IP组播技术是一种必不可少的通信传输方式，在现代的宽带多媒体应用过程中IP组播技术得到了非常广泛的应用。数字视音频监控系统是目前能够实现直观监控的一种高效手段，数字视音频监控系统在社会的各个领域都实现了普及应用，随着现代计算机网络技术的快速发展，数字视音频监控技术已经逐渐成为了网络应用的一大热点。本文主要对数字视音频监控系统中IP组播技术的应用进行了分析。
关键词：组播技术;数字视音频监控系统;应用分析
1 引言
IP组播技术主要兴起于上世纪90年代，其是一种全新的网络传输技术，IP通讯技术在传统模式下主要有单播通信以及广播等两种方式。单波通信主要指的是将特定的信息包从源主机发送到目标主机的技术，IP信息包在传输的过程中目标地址是整个网络传输过程中唯一的主机地址，而广播则指的是通过一个源主机向同一网段内多个主机发送信息包。而IP组播则是处于IP单播以及IP广播通信之间的一种全新的通讯技术，通过IP组播技术能够将信息包发送到整个网络系统中任何一个主机上。近年来随着网络技术以及网络传输技术的不断发展，网络应用业务网络应用业务也越来越广泛，视音频压缩技术逐步趋于完善，它使得视音频业务逐渐成为了互联网上主要的业务之一。
2 IP组播技术
2.1 组播地址
如果在视音频监控系统中利用IP单播传输技术来进行多点传输，那么就需要在整个传输过程中经历多次发送者与接收者之间的单独数据，而每一次数据传输过程中都必须要利用单独的数据信道，这样就会导致在数据传输过程中出现数据信息量非常大的实时视音频数据，从而使视音频数据的发送出现负担过重、延迟过长甚至导致网络拥塞等现象。而如果在摄影棚监控系统利用IP广播技术来进行多点传输，则很可能会导致整个数据信息传输过程占用大量网络宽带，由此就会对整个网络系统的通信效率造成严重影响，而在数字视音频数据多点传输的过程中充分利用IP组播技术就能实现对现有网络宽带资源的最大程度利用，由此就能进一步提升视音频数据多点传输效率。
史蒂夫在上世纪90年代末对IP组播技术进行了首次定义，同时也首次对标准IP技术进行了扩展，其主要就是通过一个特殊的IP地址同时向不同主机发送UDP数据报。而在整个UDP数据报传输的过程中所使用的IP地址都是特殊的，因为IP地址并不是与主机进行一一对应，而是将每一个IP地址与组或者频道进行对应。数据发送者只需要向一个特定的组地址发送信息，这样在该组内所有的接收者就都能够接收到发送者发出的信息。而在地质组内的所有成员处于动态变化的，完全可以根据自身的意愿来选择加入或者退出。不同的主机可以同时加入多个组，与此同时不同组播地址也可以同时向不同端口上发送多个数据流。在数据多点传输过程中充分应用IP组播技术能够有效避免在数据传输过程中出现广播风暴，而且IP组播技术完全突破了路由器的限制，能够将数据包传送到不同的网段内[1]。
2.2 组播模型
为了能够保证不同的接收站点能够接收到组播信息，可以充分利用组播的分布树来对IP组播在网络中的传输路径进行详细描述。通常情况下组播分布树主要可以分为有源树以及共享两种类型[2]。
在组播分布树中最简单的分布形式就是有源树。在进行组播信息传输的过程中信息流主要来自于有源树的根，通过有源树的各种分支形成了整个网络信息数据传达的分布树。在有源树的所有路径中贯穿网络是最短的路径。
共享树主要是利用在网络中存在的一些可选点中单独的公用跟作为其主要的信息来源，有信息来源来说共享树与有源树存在很大差别。在共享树模式中源主机必须要向根发送信息才能实现将信息发送到所有接收站的目的。
2.3 转发机制
在IP单播模式下，源主机向目标主机发送信息的过程中是沿着路由器的单个路径来实现，目标主机的IP地址主要是包括在整个IP信息包中指定的地址字段内。在信息的整个传输过程中路径中的各个路由器主要是通过识别IP目标地址来完成整个单播转发决定，在针对单播路由器表中所有目标地址进行查找并确定目标地址后与其连接就能实现信息包的向下跳转。而IP组播在进行信息包传输过程中整个信息包的转发决定并不是通过查找目标信息包地址来实现。而是通过将组播信息同时转发到多个外部接口上，这样才能保证所有的接收站点能够接收到组播信息。
目前，多数的组播路由器协议都是建立在逆向路径转发概念上。在IP组播信息传输的过程中IP组播路由协议会充分利用逆向路径转发或者转入接口检查等某种形式来最终决定IP组播信息包的转发或者丢弃。逆向路径转发检查的主要机制为：（1）针对到达的组播信息包源地址进行检查后来具体确定进一步经过的接口以及信息包所经过的接口是否在源主机以及目标主机传输路径上;（2）如果发现发信息到达了可返回源站点接口那么就表示逆向路径转发检查成功，相应的就会将组播信息包进行转发;（3）而如果逆向路径转发查失败，那么就会将组播信息包进行丢弃。
2.4 TTL阀
在IP组播信息包的头中都还有一个TTL值，在IP组播信息整个传输过程中每经过一次转发，其TTL的值就会减1，如果经过多次转发TTL的值为0的时候路由器就会将该IP组播信息包丢弃。而TTL阈值的主要作用就是有效阻止一些低于TTL阈值IP组播信息包在路由器各个接口上进行转发[3]。
2.5 英特尔网组管理协议
主机通过向因特网组管理协议发送消息就可以通过组播路由器加入组播群组中来接收信息，与此同时主机还可以通过向因特网组管理协议发送信息来申请离开IP组播群组。而路由器通过向因特网组管理协议獲取信息后以所有的接口为基础就能实现对整个组播成员关系的维护。 3 数字视音频监控系统中组播技术的应用
在目前网络多媒体技术的发展过程中实时网络视音频监控系统是非常重要的一个发展业务。在一些特殊的应用场合必须要求监控系统具备一定的组播功能，也就是说在该监控系统中必须要求系统能够实现从源端将多媒体数据过去后并进行压缩然后将其发送到指定的视音频监控终端。
4 数字视音频监控系统组播技术实现
4.1 实现监控视音频数据的记录和传输
只有在接收到视频调配服务器具体发出的控制命令后主机才会将实时的视音频监控数据接入到网络中，否则，只会将视音频监控数据存储在其超大容量的硬盘列阵中，这样就能实现视音频数据的后续查询。当是饮品调配服务器向主机发出记录视音频数据以及组播号后，监控主机就会将视音频监控数据通过IP组播的方式接入到网络中。为了充分保障视音频数据记录仪传输具备一定的时效性，在整个视音频监控系统中要充分利用windows系统多线程技术[4]。
通常情况下都会对每一个数据文件给定一定数量规模的數据块，并且将每一个数据块创建的时间都记录在文件的头部，之后才是与之相对应的数据块。当其中一个数据文件被写满后，系统就会自动将数据读取转化到下一个数据块中。这样就能为后续的数据查询提供便利。在视音频监控系统但所有通道中都需要设置一个索引文件，在该索引文件内将所对应的数据通道等所有的视音频文件个数以及起始的文件记录时间都进行了详细记录。这样在视频接入命令发送到主机的时候，系统在进行视频记录的同时就可以将缓冲区内视音频数据以IP组播的方式接入到网络中。
由于视频传输过程中对时间因素非常敏感，因此必须要充分保证视音频数据的同步性以及时效性。为了达到这个目的，在系统进行MEPEG-1视音频数据发送之前首先按照RTP传输协议将视音频文件进行分装。RTP传输协议主要就是针对多媒体实时通信而设计出来的传输层协议。从本质上讲，RTP传输协议并不具备独立传输视音频数据的能力，必须要将其与低层的网络协议进行充分结合才能完成整个视音频文件的传输目的。此外，RTP传输协议并不能够提供相对可靠的传输机制，或者实现对信息拥塞或者信息流的控制，主要是通过RTCP来实现上述功能。当RTP实际进行绘画的过程中，在不同的参与者之间会周期性的出现RTCP包的周期性传送。在RTCP包中爱主要包括了已经发送的数据包具体数量、丢弃数据包具体数量等同样的统计资料，再通过相关程序获取到数据传输质量的反馈后，就可以在此基础上实现对数据传输方式的适当调整，这样就能有效解决在视音频数据传输过程中出现的延迟以及抖动的问题。
4.2 网络流量控制
为了实现数字视音频监控系统信息传输过程中网络流量的精确控制，在整个系统中必须要采用自动以人工干预相结合的策略。首先在充分结合整个网络系统宽带资源实际利用情况的基础上，视频调配器就可以实现对网络流量的具体调解。通过这种方式能够实现对监控系统视音频流接入数量的动态调整，实现对视音频接入速率的有效控制。当网络客户端所请求的视音频监控点并没有接入网络，那么视音频标配服务器就可以充分结合当前的网络宽带资源实际利用情况来具体决定不通过接受请求。与此同时，视音频调配服务器还可以针对目前已经接入网络的监控点视音频实际情况来采取相应措施进行动态调整，适当的将接入速率调高或者调低，直接终止视音频的接入。另外，针对正在进行传输的视音频数据，充分利用传输协议RTP来实现对视音频数据的自动调节。这种调节功能主要是通过RTP的速率流量控制机制来实现，数据的发送方在发送帧的时候主要是通过接收方播放帧的速率来实施，这样就能充分保证接收方不会将发送方淹没，同时也可以保证接收方不会处于饥饿状态[5]。由于数字视音频监控系统充分利用了IP组播技术来接入网络，因此其实际针对统一组播组内进行了网络流量控制与常规的点对点数据通信控制策略存在一定的差异。当客户端加入了某一个IP组播组的主机后，就只能通过某一个特定的流量作为其视音频数据正常传输速率还进行编解码端数据发送以及接收速率的协调。通过在线检测方式对接收方进行检测就可以判断出当前网络宽带资源的利用情况，并将网络资源实际发生的阻塞情况反馈到编码端，在此基础上还对编码数据进行适当调整。其具体调整过程为：当数据接收方在加入某一个特定的组播组后，其网络客户端就会针对其单位时间内接收视频的编码受理进行统计，如果在数据传输过程中基准主机实际的传输速率小于了门限，就可以通过RTCP协议包将信号反馈到编码端。编码在接，收到该信号后就可以适当的增加量化步长，以此来实现对输出码流速率的有效控制。如果接收端通过在线检测方式发现网络带宽可以增大的时候，就可以发送信息到编码端，这样编码就能恢复正常的视频编码速率。在整个视音频数据的传输过程中上述过程是在反复不断进行过程中，这样又实现了数据传输速率与网络带宽变化的高度适应，从而能够满足视音频实时监控的实际需求。
5 结束语
IP组播技术的具体功能直到现在才被充分认识，因此，在当今网络技术发展过程中IP组播技术仍然是一种新型技术，在IP组播技术中仍然存在很多亟待解决的问题，因此，在进行单播网络到组播网络在转化之前，必须要对整个网络结构进行科学设计，利用创新的设计思想来对组播网络中存在的一些问题进行不断改进，这样才能充分发挥出IP组播技术的优势。
参考文献：
[1] 黄伟波，王先来.基于H.264与IP组播技术的遥视系统在无人值守变电站中的应用[J]. 现代计算机，2006（4）：62～65.
[2] 周承芳，汪志兵，唐昆，杜文.基于IP Multicast的分布式音视频接入和共享的监控系统的传输设计和实现[J].电子技术应用，2004（3）：52～54.
[3] 高翔，温志强，谢燕燕.深圳天威视讯数字电视IP前端的构建与实践[A]. 中国广播电视协会技术工作委员会、中国广播电视协会有线电视工作委员会、陕西省广播电视局、浙江省广播电视局、《世界宽带网络》杂志.2011国际传输与覆盖研讨会论文集[C].中国广播电视协会技术工作委员会、中国广播电视协会有线电视工作委员会、陕西省广播电视局、浙江省广播电视局、《世界宽带网络》杂志：，2011：7.
[4] 包勇，邱承浚.监管控一体化的数字电视统一信源交换平台[A].中国广播电视协会技术工作委员会（Technical Working Committee， China Radio&TV Association）、中国广播电视协会有线电视工作委员会、浙江省广播电视局、《世界宽带网络》杂志.2013国际传输与覆盖研讨会论文集[C].中国广播电视协会技术工作委员会（Technical Working Committee， China Radio&TV Association）、中国广播电视协会有线电视工作委员会、浙江省广播电视局、《世界宽带网络》杂志：，2013：11.
[5] 矿用数字化与网络化视频监控系统[A].中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会、中国煤炭工业技术委员会信息与自动化专家委员会.煤矿自动化与信息化——第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C].中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会、中国煤炭工业技术委员会信息与自动化专家委员会：，2010：10.
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