IP组播技术研究及其在校园网中的应用

王钰博　乔杰华　刘毅

摘 要：随着多媒体教学、视频会议等校园应用的增多，IP组播在校园信息化系统的应用中越来越广泛。IP组播是一种能够节约带宽资源的技术，其可以利用最小的网络带宽资源将组播数据包发送到各个目标接收端。论文详细地分析了IP组播原理及关键技术，阐述了IP组播在校园网中的应用，包括视频会议、数据信息广播、视频直播或点播系统、远程教学等多个方面，具有重要的作用。

关键词：IP组播；校园网；IGMP；CGMP

1 引言

随着移动通信、光纤通信技术的快速发展和进步，网络已经在人们的生活中得到了广泛应用，网络传输的数据资源也越来越大，单播或广播等传统的数据传输方式已经不适应现代网络发展需求，充分利用带宽资源和提高带宽利用率已经成为研究热点[1]。IP组播是指从一组主机发送和接收数据的技术，其可以把一个单独的数据流发送给多个目标用户，并且不占用较多的带宽资源，具有重要的作用和意义[2]。

2 IP组播技术原理

传统的数据传输采用单播或广播形式，单播可以实现发送者和接受者之间的一对一、点对点的数据传输，如果一个发送者期望给多个接受者发送相同的数据，就需要复制多个数据包，这样就會增大发送者和网络带宽的占用率，导致发送者具有较长的延迟和网络负载。IP组播可以使用一种协议将数据包从一个发送者传输至多个目标用户，也即是IP组播将数据包以最大努力方式传输到构成组播群的主机集合，组播群内的所有成员都可以分布于多个独立的物理网络上，组播群的成员关系是动态的，可以随机加入和退出，群组成员的关系决定了是否能够准确接收到数据包。与传统的单播和广播相比，组播具有较高的传输效率[3]。无论组播群内存在多少成员，在整个网络的任何一条线路中只需要传输单一的备份数据包，可以有效节约贷款，降低网络拥塞概率，提高数据传输效率[4]。

3 IP组播技术及其在校园网中的应用

3.1 IP组播关键技术

（1）组播地址分配与MAC地址

IP组播实现过程中，为了能够与传统的互联网协议相匹配，IP组播将地址划分为两个类别，分别是IP组播地址和Ethernet组播地址。国家IP地址管理机构为IP组播分配了专用地址，IP组播地址可以唯一的标识一个组播组，所有的数据资源都可以封装到IP数据包中，这样就可以实现IP数据转发，同时为了能够标识一个物理中终端，数据传输过程中需要将数据包封装到数据帧中，此时可以为组播分配一个Ethernet地址。IP组播地址均为IPv4中的D类地址段，组播地址范围为224.0.0.0到239.255.255.255。随着IP组播地址的应用，其又被细化为多种类别，分别是预留组播地址、局部链接组播地址、管理权限组播地址，预留组播地址可以应用于全球范围内的组播数据传输；局部链接组播地址可以应用与局域网数据传输，并且固定路由器不需要转发IP包；管理权限组播地址可以应用于政企单位内部适用，这样就可以保证组播数据传输范围。IP组播地址可以与Ethernet MAC地址之间进行映射和转换，具体操作在数据链路层进行完成，映射过程中，IP组播地址中的36位中的8个高位字节和紧接着的1个标志位不参与转换，将IP组播地址中的剩余低23位取代Ethernet组播地址中的低23位。

（2）二层组播相关协议

IP组播的二层组播协议主要包括IGMPSnooping和CGMP两种。IGMPSnooping可以使用交换机侦听发向路由器中的IGMP成员报告消息的方式，可以生成一个成员与交换机接口一一对应的关系，将其放置在组播CAM表项中，交换机可以根据对应的关系将收到的数据包转发给存在组成员的接口。CGMP是思科提出的一种基于客户机/服务器模式的私有组播协议，其可以在路由器和交换机上运行，可以让成员关系信息从路由器到交换机进行实时的通信传输。

3.2 IP组播在校园网中的应用

随着大数据、云计算、流媒体等新型计算机技术在部队校园网中的应用和普及，部队校园网承载的业务越来越多，因此也更加需要引入组播技术，目前IP组播已经在校园网中的视频会议、数据信息广播、远程教学和视频直播点播系统中得到广泛使用，有效提升了部队校园网的数字化水平。

（1）视频会议

视频会议室部队校园网最早引入组播技术的应用之一，每一个参加会议的人员都可以加入到同一个或多个组播群，这样大家就可以互相看到对方。视频会议的数据包复制通常不采取MCU集中完成的模式，其可以由三层网络交换机自动完成，这样就可以大大的减少数据包的流量，同时，由于数据包不需要经过MCU进行存储转发，因此可以大幅度提升视频会议的实时性，让参与会议人员如身临现场一样。但是，视频会议采用组播技术，如果数据包括在传输过程中丢失了，系统不会自动进行补包操作，但是由于视频会议要求较高的实时性，一些数据包的丢失不影响视频会议内容，故可以忽略不计。

（2）数据信息广播

部队校园网存在大量的数据信息需要进行广播，为了保护信息的机密性和完整性，并不是所有的终端设备都需要接收这些广播数据，因此数据信息广播中引入组播技术，就可以让期望接收的终端设备加入到一个组播群。组播群内的成员可以接收广播数据，组播群外的成员不能接受广播数据，这样既可以节约部队校园网带宽资源，同时也可以最大化的保证数据的安全性，避免敏感信息扩散。

（3）视频直播点播系统

部队校园网存在许多的闭路电视，以便能够满足名师集中化教学。使用组播协议可以满足网络电视直播。服务器可以将网络电视视频流以组播的形式发送出去，任何客户端想收到数据只需要加入到组播组中，就可以收看组播的任何一个节目，视频直播类似于一个电视频道，可以持续的播放视频；点播可以满足用户点播任何一个感兴趣的节目。

（4）远程教学系统

IP组播技术成功的改变了传统的部队院校信息化教学模式，其可以实现一个远程教学视频，构建一个虚拟的教学课堂，不管学生位于什么位置，都可以与教师进行互动学习和沟通交流，能够让更多的学生享受到精品课程、高级教师的教育，从而可以均衡教育资源，改进教学质量。同时也可以引入

（5）虚拟现实教学系统

目前，部队院校为了提高武器生产、装配的应用成效，其已经在武器生产教学过程中引入了虚拟现实、增强现实技术，利用这些技术可以构建一个具有沉浸式的教学环境，利用各种装配组件构建一个完善的武器，并且能够分析武器设计流程存在的问题和性能，改变了传统的武器教学系统的应用性能。

4 结束语

随着“互联网+”时代的到来，校园信息化水平迅速提升，组播技术在校园网络中承载的业务也将会呈现爆发式增长，改进组播技术和扩大应用范围将成为未来组播研究的热点，也必将取得更大的成就，满足校园信息化需求。

参考文献

[1] 赵阳， 沈娟， 吕岑. IP组播技术在校园网络视频系统中的应用研究[J]. 计算机光盘软件与应用， 2014（12）：255-255.

[2] 袁小红. IP组播技术研究及其在校园网中应用[J]. 中国现代教育装备， 2009（2）：45-47.

[3] 许维泽. 基于IP组播技术的新一代数字电视前端平台[J]. 网络安全技术与应用， 2015（1）：21-21.

[4] 潘相超. 校园网网络组播视频系统设计与实现[J]. 科技致富向导， 2011（24）：39-39.