【大學(xué)課件】信息通信專業(yè)：應(yīng)用層組播中的關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用層組播中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用層組播技術(shù)在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為大規(guī)模用戶提供高效的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。課程概述課程目標(biāo)掌握應(yīng)用層組播的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。課程內(nèi)容組播技術(shù)概述組播協(xié)議：IGMP、RTP、RTCP、SIP、RTSP組播應(yīng)用案例分析授課方式課堂講授、案例分析、分組討論?？己朔绞狡綍r(shí)作業(yè)、期末考試。應(yīng)用層組播概述應(yīng)用層組播是將組播技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的一種方式，例如視頻會(huì)議、在線游戲和直播等。它通過使用組播協(xié)議來實(shí)現(xiàn)多播功能，將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用層組播可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)效率，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗，并提高數(shù)據(jù)傳輸效率，從而實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。組播優(yōu)勢(shì)帶寬利用率高組播僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，接收方共享數(shù)據(jù)，有效降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源與廣播相比，組播僅將數(shù)據(jù)發(fā)送給感興趣的接收方，避免不必要的網(wǎng)絡(luò)流量。降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)服務(wù)器僅發(fā)送一次數(shù)據(jù)，多個(gè)接收方共享數(shù)據(jù)，降低服務(wù)器的處理和傳輸壓力。組播分類1基于地址的組播根據(jù)組播地址區(qū)分不同的組播組，例如，使用不同的IP地址來識(shí)別不同的組播組。2基于內(nèi)容的組播通過組播內(nèi)容來識(shí)別不同的組播組，例如，使用不同的視頻流標(biāo)識(shí)來區(qū)分不同的視頻組播。3基于興趣的組播根據(jù)用戶對(duì)特定內(nèi)容或服務(wù)的需求來組織組播組，例如，使用相同的興趣愛好將用戶劃分到同一個(gè)組播組中。IP多播模型源節(jié)點(diǎn)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到目標(biāo)組，目標(biāo)組包含多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。路由器路由器根據(jù)目的地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的網(wǎng)絡(luò)路徑。接收節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)加入目標(biāo)組，接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。IGMP協(xié)議工作機(jī)制1組成員發(fā)現(xiàn)路由器發(fā)送組查詢消息2組成員響應(yīng)組成員發(fā)送組成員響應(yīng)3組成員維護(hù)路由器維護(hù)組成員列表IGMP協(xié)議用于在局域網(wǎng)中管理多播組成員。路由器通過發(fā)送組查詢消息，接收組成員的響應(yīng)來發(fā)現(xiàn)和維護(hù)組成員列表。組成員發(fā)送響應(yīng)消息告知路由器它們加入或離開多播組。IGMP報(bào)文格式字段描述長(zhǎng)度版本IGMP版本號(hào)1字節(jié)類型報(bào)文類型1字節(jié)碼點(diǎn)報(bào)文碼點(diǎn)1字節(jié)組地址組播組地址4字節(jié)校驗(yàn)和報(bào)文校驗(yàn)和2字節(jié)IGMP報(bào)文類型成員查詢報(bào)文用于主機(jī)向組播路由器報(bào)告其對(duì)特定組播組的興趣。成員報(bào)告報(bào)文用于主機(jī)向組播路由器報(bào)告其已加入特定組播組。離開組報(bào)文用于主機(jī)向組播路由器報(bào)告其已離開特定組播組。查詢響應(yīng)報(bào)文用于組播路由器響應(yīng)主機(jī)發(fā)出的成員查詢報(bào)文。IGMP組播組維護(hù)1組播組管理維護(hù)組播組列表2成員加入/離開動(dòng)態(tài)添加/刪除成員3組播組狀態(tài)跟蹤組播組活躍性4組播組信息記錄組播組成員和數(shù)據(jù)IGMP協(xié)議負(fù)責(zé)組播組的維護(hù)，跟蹤組播組成員的加入和離開，更新組播組信息。組播組狀態(tài)包括成員數(shù)量、組播數(shù)據(jù)流量、組播組活動(dòng)時(shí)間等?？蛻舳思尤?離開組播組加入組播組客戶端發(fā)送IGMP加入組播組報(bào)文，請(qǐng)求加入組播組。組播路由器響應(yīng)組播路由器收到加入組播組報(bào)文后，將其加入組播組成員列表。接收組播數(shù)據(jù)客戶端開始接收來自組播組的組播數(shù)據(jù)流。離開組播組客戶端發(fā)送IGMP離開組播組報(bào)文，請(qǐng)求離開組播組。組播路由器處理組播路由器收到離開組播組報(bào)文后，將客戶端從組播組成員列表中刪除。IGMP鏈路層幀格式IGMP報(bào)文封裝在以太網(wǎng)幀中，以太網(wǎng)幀格式包含目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、類型字段和數(shù)據(jù)字段。數(shù)據(jù)字段包含IGMP報(bào)文，IGMP報(bào)文格式包括版本號(hào)、類型、組地址、校驗(yàn)和等。1版本當(dāng)前版本為2。2類型用于標(biāo)識(shí)IGMP報(bào)文類型。3組地址表示IGMP報(bào)文要加入或離開的組播組。4校驗(yàn)和用于檢查報(bào)文傳輸過程中的錯(cuò)誤。IGMP分組傳輸流程分析1IGMP報(bào)文發(fā)送主機(jī)發(fā)送IGMP報(bào)文，加入組播組，并通知路由器加入組播組。2路由器組播轉(zhuǎn)發(fā)路由器接收到IGMP報(bào)文，建立組播轉(zhuǎn)發(fā)表，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給所有組播組成員。3數(shù)據(jù)包接收主機(jī)接收到組播數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證數(shù)據(jù)包是否屬于其加入的組播組，并進(jìn)行處理。應(yīng)用層組播協(xié)議RTP實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，用于在組播環(huán)境中傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。保證音頻和視頻流的實(shí)時(shí)性和可靠性。RTCP實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，提供反饋機(jī)制。監(jiān)控組播流質(zhì)量，控制帶寬，管理組播會(huì)話。SIP會(huì)話發(fā)起協(xié)議，建立和管理組播會(huì)話。用于用戶之間的語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸。RTSP實(shí)時(shí)流協(xié)議，控制實(shí)時(shí)流的播放和錄制。在組播環(huán)境中，控制音頻和視頻流的傳輸。RTP協(xié)議工作機(jī)制RTP協(xié)議是一種實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，用于在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸音頻和視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。它提供了端到端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，并允許應(yīng)用程序接收來自多個(gè)發(fā)送方的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。1會(huì)話管理建立和維護(hù)數(shù)據(jù)流的連接2數(shù)據(jù)包封裝將媒體數(shù)據(jù)封裝成RTP包3時(shí)間同步確保接收方按順序接收數(shù)據(jù)4傳輸控制控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收RTP協(xié)議使用UDP作為傳輸協(xié)議，UDP是一種無連接協(xié)議，它允許快速傳輸數(shù)據(jù)，但不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。因此，RTP協(xié)議在數(shù)據(jù)包中包含時(shí)間戳和序列號(hào)信息，以確保接收方按順序接收數(shù)據(jù)。RTP協(xié)議還提供了一種機(jī)制來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收，以及管理多個(gè)數(shù)據(jù)流之間的同步。RTP報(bào)文格式RTP報(bào)文格式包含頭部和有效負(fù)載兩部分。頭部包含版本號(hào)、填充位、擴(kuò)展位、CSRC計(jì)數(shù)、標(biāo)記位、序列號(hào)、時(shí)間戳、同步源標(biāo)識(shí)符、配置文件、負(fù)載類型。有效負(fù)載部分承載著實(shí)際的媒體數(shù)據(jù)，例如音頻或視頻流。RTP會(huì)話管理1會(huì)話建立發(fā)送方和接收方協(xié)商會(huì)話參數(shù)2會(huì)話維護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸3會(huì)話結(jié)束發(fā)送方或接收方主動(dòng)關(guān)閉會(huì)話RTP會(huì)話管理負(fù)責(zé)建立、維護(hù)和結(jié)束RTP會(huì)話。會(huì)話建立階段，發(fā)送方和接收方協(xié)商會(huì)話參數(shù)，如媒體類型、編碼格式、時(shí)間戳頻率等。會(huì)話維護(hù)階段，RTP協(xié)議通過發(fā)送控制報(bào)文來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。RTCP協(xié)議工作機(jī)制控制信息傳遞RTCP協(xié)議負(fù)責(zé)在組播會(huì)話中傳遞控制信息，例如參與者狀態(tài)、反饋信息等。會(huì)話質(zhì)量管理RTCP能夠監(jiān)控會(huì)話質(zhì)量，并根據(jù)反饋信息調(diào)整發(fā)送端參數(shù)，以優(yōu)化傳輸性能。成員管理RTCP允許成員加入或離開組播會(huì)話，并提供相關(guān)成員信息的管理功能。帶寬控制RTCP可以限制每個(gè)成員的帶寬占用，以確保組播會(huì)話的穩(wěn)定運(yùn)行。RTCP報(bào)文格式版本號(hào)2位報(bào)文類型8位長(zhǎng)度16位SSRC32位CSRC32位反饋內(nèi)容可變長(zhǎng)度RTCP反饋報(bào)文1SR（發(fā)送者報(bào)告）發(fā)送者報(bào)告由發(fā)送端發(fā)送，報(bào)告發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包的延遲和丟失率，并提供其他統(tǒng)計(jì)信息。2RR（接收者報(bào)告）接收者報(bào)告由接收端發(fā)送，報(bào)告接收端接收到的數(shù)據(jù)包的序列號(hào)和接收時(shí)間，幫助發(fā)送端了解數(shù)據(jù)包的接收情況。3SDES（源描述）源描述報(bào)文用于傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)源的信息，例如音頻和視頻編碼類型、數(shù)據(jù)源名稱等。再見報(bào)文用于通知其他參與者該會(huì)話的結(jié)束。SIP協(xié)議工作機(jī)制1會(huì)話建立SIP協(xié)議使用INVITE消息來建立會(huì)話，雙方用戶通過交換一系列SIP消息完成會(huì)話的建立，確保雙方用戶都能參與到會(huì)話中。2會(huì)話管理SIP協(xié)議支持多種會(huì)話管理功能，包括：呼叫保持、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫等待等。3會(huì)話結(jié)束會(huì)話結(jié)束使用BYE消息，發(fā)送方發(fā)送BYE消息，接收方收到BYE消息后會(huì)確認(rèn)會(huì)話結(jié)束。SIP報(bào)文格式SIP（SessionInitiationProtocol，會(huì)話發(fā)起協(xié)議）是一種用于建立、管理和終止多媒體會(huì)話的信令協(xié)議。SIP報(bào)文格式包含請(qǐng)求報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文，分別用于發(fā)起會(huì)話和響應(yīng)會(huì)話請(qǐng)求。SIP報(bào)文格式采用文本格式，使用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP方法（例如INVITE、ACK、BYE）和狀態(tài)碼（例如200OK、404NotFound）來表示會(huì)話控制信息。SIP會(huì)話建立流程1INVITE發(fā)起方發(fā)送INVITE消息2100Trying接收方回復(fù)100Trying消息3180Ringing接收方回復(fù)180Ringing消息4200OK接收方回復(fù)200OK消息5ACK發(fā)起方發(fā)送ACK消息SIP協(xié)議使用INVITE消息發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求，接收方回復(fù)100Trying消息表示收到請(qǐng)求。若接收方準(zhǔn)備接聽，則回復(fù)180Ringing消息，表示正在響鈴。當(dāng)接收方準(zhǔn)備接聽時(shí)，回復(fù)200OK消息，表示接聽成功。最后，發(fā)起方發(fā)送ACK消息確認(rèn)會(huì)話建立。SIP端到端傳輸過程發(fā)起呼叫用戶A使用SIP客戶端發(fā)起呼叫請(qǐng)求，將請(qǐng)求發(fā)送到SIP服務(wù)器。服務(wù)器路由SIP服務(wù)器解析請(qǐng)求，確定用戶B的地址，將呼叫請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到用戶B的SIP客戶端。應(yīng)答呼叫用戶B的SIP客戶端接收到呼叫請(qǐng)求，向用戶A的SIP客戶端發(fā)送應(yīng)答消息，確認(rèn)呼叫。建立會(huì)話用戶A和用戶B的SIP客戶端建立會(huì)話，開始進(jìn)行語音或視頻通話。數(shù)據(jù)傳輸語音或視頻數(shù)據(jù)通過RTP協(xié)議在用戶A和用戶B之間進(jìn)行傳輸。會(huì)話結(jié)束用戶A或用戶B發(fā)起掛斷請(qǐng)求，結(jié)束通話會(huì)話。RTSP協(xié)議工作機(jī)制1會(huì)話建立客戶端發(fā)送SETUP請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)200OK，建立RTSP會(huì)話。2描述控制客戶端發(fā)送DESCRIBE請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)200OK，提供媒體描述信息。3播放控制客戶端發(fā)送PLAY請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)200OK，開始媒體播放。4暫?？刂瓶蛻舳税l(fā)送PAUSE請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)200OK，暫停媒體播放。5停止控制客戶端發(fā)送TEARDOWN請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)200OK，結(jié)束RTSP會(huì)話。RTSP報(bào)文格式RTSP（Real-TimeStreamingProtocol）是一種用于控制多媒體流的協(xié)議。它允許客戶端控制服務(wù)器上的多媒體流，包括播放、暫停、停止和快進(jìn)等操作。RTSP報(bào)文格式基于文本協(xié)議，采用HTTP請(qǐng)求方式，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP傳輸協(xié)議。RTSP報(bào)文主要包含以下幾個(gè)部分：1方法表示客戶端要執(zhí)行的操作，例如SETUP、PLAY、PAUSE、TEARDOWN等2URI表示要控制的多媒體流的URL3版本表示RTSP協(xié)議的版本4頭域包含一些額外的信息，例如內(nèi)容類型、傳輸方式等RTSP會(huì)話建立流程1客戶端發(fā)送描述請(qǐng)求客戶端向服務(wù)器發(fā)送描述請(qǐng)求，請(qǐng)求獲取媒體流信息。2服務(wù)器發(fā)送描述響應(yīng)服務(wù)器返回包含媒體流屬性和傳輸控制信息的描述響應(yīng)。3客戶端發(fā)送建立請(qǐng)求客戶端向服務(wù)器發(fā)送建立請(qǐng)求，請(qǐng)求建立媒體流傳輸會(huì)話。4服務(wù)器發(fā)送建立響應(yīng)服務(wù)器返回確認(rèn)建立請(qǐng)求，并開始傳輸媒體流。RTSP會(huì)話管理1會(huì)話建立客戶端向服務(wù)器發(fā)送描述符請(qǐng)求2會(huì)話控制服務(wù)器控制會(huì)話，比如播放、暫停3會(huì)話維護(hù)服務(wù)器維護(hù)會(huì)話，保證數(shù)據(jù)傳輸4會(huì)話結(jié)束客戶端發(fā)送停止命令RTSP會(huì)話管理負(fù)責(zé)建立、控制和維護(hù)實(shí)時(shí)流媒體會(huì)話，涉及會(huì)話建立、控制、維護(hù)和結(jié)束等階段。會(huì)話建立需要客戶端向服務(wù)器發(fā)送描述符請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)描述符信息，建立會(huì)話。會(huì)話控制階段，服務(wù)器根據(jù)客戶端指令控制會(huì)話，比如播放、暫停、快進(jìn)等。會(huì)話維護(hù)階段，服務(wù)器維護(hù)會(huì)話，保證數(shù)據(jù)傳輸。會(huì)話結(jié)束時(shí)，客戶端發(fā)送停止命令，服務(wù)器釋放相關(guān)資源。應(yīng)用層組播技術(shù)典型應(yīng)用視頻會(huì)議利用組播技術(shù)，多個(gè)用戶可以同時(shí)觀看和參與會(huì)議，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用