基于IP组播技术的节目源传输方式上的探索

何俊 池钟填 林大桥

（国家新闻出版广电总局七三一台）

摘 要：传统上，电台的节目源信号是通过卫星广播系统传输，本文设想通过计算机网络互联技术、组播技术与VPN技术，构建节目传输网络，把节目源从局端传输至各台站，并通过各台站的RP路由器转发到发射机的音频处理器，这种传输方式更安全、经济和灵活，是节目源传输方式上的一次全新的探索，并借用eNSP模拟器来验证构建的节目传输网络模型的可行性。

关键词：VPN；组播；eNSP模拟器；Linux编程 1. 引言21世纪是网络互联的时代，一切信息的传递要顺应这一时代巨变。一直以来，远距离节目源信号都是通过卫星广播系统来传输的，卫星广播系统是单向网络，相对成本高，除了有较大的延时外，干扰问题也一直困扰着卫星传输系统。本文设想通过计算机网络互联技术、组播技术与VPN(Virtual Private Network虚拟专用网络)技术，构建节目传输网络模型，这一解决方案的优点是：双向网络，相对成本低，延时也较小，由于是有线传输，不易受天气影响，大部分线路采用光缆传输，无辐射，被干扰可能极小，误码率也极低。由于IP组播的特征是组播流经由路由器复制转发，而互联网中的路由器并非全都能很好的支持IP组播协议，这一直制约IP组播技术应用的推广。在节目传输网络中，只是从局端的路由器到台站端的路由器之间使用VPN通道，其余皆在局域网中，而VPN通道应用的是单播技术传输，因此本次网络规划避开了IP组播应用的死穴。同时VPN价格的平民化使这一方法在经济上来说也是可行的。 2. 为何选用VPN如果我们想要建立一个跨跃多个省份的相对独立的网络，主干网络的建设只有通过DDN（Digital Data Network）数字数据网、卫星传输网络、FR（Frame Relay）帧中继和VPN四种方式来做。而建立一个相对独立的网络，除了安全、稳定、快捷这些要素外，另一个要素就是经济成本，而VPN在这一点上异常突出。VPN是利用互联网和严格分组加密技术建立的专用网络。VPN 在结构上来说，就是建立一台VPN服务器，包括两张网卡，内网卡与内网相连，外网卡与公用网络相连，所有进出外网卡的通讯数据进行加密。相对于传统的卫星通讯、帧中继与DDN技术，有着显而易见的优点：安全性与稳定性：卫星通讯安全是建立在其入侵门槛高的基础上的，但是因其转发器在天上，所以入侵网络的地域变得不可控制，并且卫星通讯还受到时太阳风和大气层的影响，如日凌、雨衰和雪衰，误码率较高，同时卫星通讯的延时较长；DDN 完全由电信运营商建立的私有网络，误码率低，延时短，但数据传输是明码方式，安全性是建立在对运营商绝对信任的基础上；FR是X.25简化后的技术，提供更大的帧单位，因此是更快速的分组交换，提供基于光纤的数据链路层服务，误码率极低，延时更短；VPN一般采用IPSce (IP Security)协议来对分组进行加密，加密位高达192位，并应用动态密钥技术，即便要破解，其设备成本和时间成本也是天文数字，即使最终破解了，其时间上也过秘密的时效，经济成本上也是不划算的，在这个意义上说，其加密是单向不可逆的，其误码率、延时一般。经济性：卫星传输成本高昂；2M带宽的DDN当前的费用每月在七、八千元左右，由于其受众小，而网络提供的是永久性连接电路，维护成本高，物理上的绝对“私用性”，使得其价格下降空间有限；FR方式虽然比DDN便宜，一般为两、三千元，但是还是太高；而同为2M带宽的VPN价格每月在二、三百至一千元左右（VPN有多种传输方式），其受众大，是在公用网络基础上提供的是虚拟专用网，只在逻辑上保证用户的专用性，维护成本低廉，还有下降空间。灵活性：卫星通讯的架设一般不受地域限制，但也要报批手续；DDN 与 FR的申请手续和设备初始化非常麻烦，时间较长，网络的扩展和变更要由网络运营商完成，非常不便；而VPN 可以由用户自己构建，同样的扩展和变更可由用户自己完成，非常方便。例如：员工出差外地，想访问内网，只需通过一部智能手机建立VPN连接就可轻松访问，这一点是其它方式无法办到的。通过以上3 点的比较说明，VPN技术是局端与台站端联接的较为理想的方式。3. 节目传输网络模型构建实验

真实的网络构建，需要花费大量的时间与金钱，因此本次IP组播模型的构建实验采用了华为的eNSP模拟器(ver：1.2.00.330)进行模拟实验，以验证该网络模型（图1）的可行性。

图 1 节目传输网络拓扑图

eNSP是一款由华为提供的免费的图形化网络仿真工具平台，它将完美呈现真实设备实景，支持大型网络模拟。理论上，如果组播模型设计在虚拟环境下实验成功，那么真实环境下一定也是可行的。本次实验验证时，采用华为MCS作为节目源组播服务器，采用普通PC作为接收组播的工作站；路由器采用华为AR1220，交换机采用华为S5700，都是华为的中端产品，有一定的代表性；局端的路由器AR1到台站端的路由器AR2与AR3之间实际环境中是采用VPN连接，但本实验中，采用直连的方式；所有这些都不影响实验数据的有效性，并不影响本次实验对真实环境下的网络模型的论证。3.1. 目的主机与源主机的互联互通本文中的实验模型设计，采用组播源放在骨干区域（area 0）， 组播源（即源主机）可以有多个，为了论证的简洁性，故采用一个组播源，但这并不影响该网络模型的有效性；各台站为下层区域（area 1、area 2、area3等），接收节目源的为各终端节点，即为目的主机。通过IP协议实现源主机与目的主机的互联互通，路由协议采用OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)路由协议。灵活应用配置命令，按图1在eNSP模拟器上的完成网络的基础配置，并对CLIENT1、CLIENT2、CLIENT3、CLIENT4与CLIENT5进行IP信息配置，配置过程从略，配置完成后，在CLIENT5上测试与CLIENT1的联通性，结果如图2。

图2 测试连通图

同理，可测得CLIENT1、CLIENT2、CLIENT3、CLIENT4与CLEINT5之间联通性良好。IP组播数据复制转发依赖于单播路由表，因此，一定确保网络的互联互通。3.2. 交换机与路由器的组播配置依据图1以及对真实传输网络环境的考量，对于IP组播协议的选用，本模型采用PIM(Protocol Independent Multicast 协议无关组播) 协议，其特点是以AR1为汇合点RP，CLIENT1以最短路径将报文发送至RP路由器，再由RP路由器沿最短路径将数据发送到各个接收端。通过 bootstrap协议来指定和宣告RP，并指定C-BSR和C-RP路由器；由于全网是广域网，且带宽有限，所以在全网所有路由器与交换机上开通组播功能并设置为PIM-SM模式；在与PC相连接的交换机上开启IGMP，并与PC相连接的交换机端口开启IGMP-SNOOPING以节约资源；最后在area1和area2的路由器与area0的路由器（或三层交换机）之间的接口上建立MSDP邻居关系，以实现组播RP的备份与负载均衡，即实现Anycast Rp。3.3. 实验验证本模型采用VLC media player播放器作为组播数据的发送与接收程序，VLC是一款免费、开源的跨平台多媒体播放器，可播放大多数多媒体文件。 通过安装VLC 播放器作为服务端与客户端播放程序，并对CLIENT1、CLIENT2、CLIENT3、CLIENT4与CLIENT5进行组播设置，设置关键是组播地址要加入同一地址，即同一个组播组。点击CLIENT1的播放按钮，并让CLIENT2与CLIENT4加入同一组播组后，点击播放按钮，可以得到图3。其中：第1个画面是源主机的播出画面，第2个画面是CLIENT2上的接收画面，第3个画面是CLIENT4上的接收画面；第2个与第3 个画面几乎是同步的，传输的质量也很好，没有掉帧，画面也很清晰，但是，它们与第1个画面可以看出有1秒左右的延时，这是在虚拟传输网络模型中得出的，真实的传输网络环境中的延时是由真实的交换机与路由器决定的，其网络延时相对于传统卫星传输网络还是比较小的；同时可以听见，声音质量也很好；因此该模型有着很好的传输效果。组播协议建立组播分布树将组播分组转发到组播成员。通过对路由器与交换机的参数验证，可进一步获知实验情况，如果实验不成功，也可据此排查故障。首先，要知道组播分布树从CLIENT1到CLENT2的情况，可以通过display multicast forwarding-table命令依次查看AR1、AR2、AR3与LSW1上的组播转发表是否建立，以LSW1为例（其它雷同，不再赘述），如图4：

图3 节目传输测试图

图4 LSW1上的组播分组转发表

由图4可知，其中入口是vlanif52，出口仅有vlanif20，而没vlanif30，说明IGMP-SNOOPING起了作用，对没有加入组播的节点并没有转发，节约了资源。如未建立组播转发表，就要通过display multicast routing-table命令查看组播路由表有没有建立，还是以LSW1为例，如图5：

图5 LSW1上的组播路由表

显然，图5组播路由表已建立，且表项中显示入口是vlanif52，出口仅有vlanif20。其次，通过display pim routing-table命令查看PIM路由表，还以LSW1为例，如图6所示。最后，要知道组播分布树中路由器AR1与AR3上的MSDP对等体建立情况，可以通过display msdp brief命令查看，如图7与图8所示。通过以上实验验证，节目传输网络模型可以实现节目源的传输要求，无论是传输的图像、声音，还是交换机与路由器上的参数，都工作良好，因此按此模型构建的真实网络也一定可以工作良好。 4. 基于Linux 的服务端与客户端程序设计思路在前文实验中，采用了VLC 播放器，并基于微软的windows系统做了组播的实验，实验证明节目源在网络中可以以组播方式高效稳定传播。但是为了进一步提高系统的稳定性，以及进一步降低成本，本文继续讨论采用基于linux 的服务端与客户端程序。为实现在不同主机进程间的通信，我们采用套接字（socket）机制，它可以实现多个客户同时连接到一台服务器上。服务端程序要有如下几个功能组成，首先要创建一个套接字来实现UDP通讯，其次要有设置加入组播的地址的功能，再次，要有设置发送组播消息的源主机的地址的功能，并把本机加入组播地址，再次，要有绑定自己的端口和IP信息到socket上的功能，最后，要有循环接收网络上来的组播消息的功能。客户端主要包含如下几个功能，首先要创建 socket 来实现UDP通讯，其次，要有设置服务端的端口和IP地址（组播地址）的功能，再次，要有绑定自己的端口和IP信息到socket上的功能，最后，要有循环接收用户输入的消息并发送组播消息的功能。

图6 LSW1上的PIM路由表

图7 AR1上的MSDP对等体状况图

图8 AR3 上的MSDP对等体状况图

5. 结束语为更好地传输节目源，对节目源传输方式进行全新探索，本文提出两点全新的思路：一是基于计算机网络的新型节目源传输方式，这有别于传统的短波、微波中继和卫星广播电视传输，它更加经济、稳定和 安全，随着互联网的发展，它有着先进的技术支持，因而具有着强大的生命力；二是对于设想的新的节目传输网络模型，采用了eNSP模拟器这一新的软件工具，通过模拟实验，证实其可行，大大降低了论证的难度，缩短了论证的时间。事实上，IP组播技术已经广泛应用于小型网络中的实时交互系统（如视频会议系统）、实时非交互系统（如数据广播）等，可行性显见；IP组播协议是一种“尽力而为”（best-effort）协议，IP组播必然存在数据包丢失和乱序问题，传输延迟和安全性不足不可避免，而安全性更是技术难点，这在一定程度上制约着IP组播的应用，但是随着时间的推移，这些问题一定是会被克服的，IP组播技术一定会拥有更广阔的应用前景。