组播技术在远程网络教育中的运用

杜传乐

(中国烟草总公司青州烟草中等专业学校,山东青州 262500)

组播技术在远程网络教育中的运用

杜传乐

(中国烟草总公司青州烟草中等专业学校,山东青州 262500)

由于网络带宽和传输机制的原因,目前教育网站的内容大多以静态的教材为主,而很少有视频、音频等流媒体教学信息。即使有些网站支持视频、音频等流媒体教学内容的在线浏览与下载,但由于网络传输速率很慢,很难实现双向交互,因此效果并不理想。这些在很大程度上削弱了网络教育对众多学习者的吸引力,因此使远程教育的质量和效果大打折扣。组播是一种能够有效地节省网络资源的传输方式。本文的目的是研究基于IP组播技术在远程网络教育中的应用。

远程网络教育;组播;IP组播

远程教育的实时性和交互性一直是人们关注的焦点,目前国内远程教育最大的问题就是交互性差,很多地方的网络教学根本没有解决师生之间的交互。IP组播介于IP单播和IP广播之间,能使主机发送IP包到IP网络中任何一组主机上。使用IP组播技术分发信息,能从本质上减少整个网络带宽的要求,同时降低服务器负载,即使用户数量成倍增长,主干带宽不需要随之增加。在远程教育当中,大量的数据往往都需要从教师端广播给每个学生端,每个学生也必须能够发送信息给老师。因此,组播技术特别适用于远程网络教育。

1 组播简介

1.1 组播的概念

组播是指将数据包发送到由单一的地址所指定的一组主机,因此组播允许发送者(组播源)发送单一的数据包到多个接收者。组播源把数据包发送到特定组播组,而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大节省网络带宽,因为无论有多少个目的地址,在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。在一个局域网内,组播类似于广播,组播比广播的好处在于广播将增加子网内非接收者的负担。在广域网的范围IP内,组播需要路由器具有组播功能。组播并不保证数据包能够完整无缺地抵达目的地址,也不保证到达的顺序性,因此组播在实现时是绑定在UDP协议之上的。

1.2 工作原理

组播地址是一组特定的预约地址,每一个被发送的数据包都发向组播地址,所有加入该组的主机都将接收到该数据包。在局域网内,主机的网络接口将目的主机的数据包发送到高层,这些数据包的目的地址是物理地址或广播地址。如果主机已经加入到一个组播组中,主机的网络接口就会识别出发送到该组成员的数据包。广域网中,路由器必须支持组播路由。

2 IP组播技术

2.1 IP组播技术概述

组播是一种允许一个或多个发送者发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。IP组播的核心思想是：通过一个IP地址向一组主机发送数据包(UDP);发送者仅仅向一个组地址发送信息,接收者只需加入到这个分组就可以接收信息;所有的接收者接收的是同一个数据流;组中成员是动态的,可以根据自己的意愿随时加入或退出该组;每一台主机都可以同时加入到多个组中,每一个组播地址可以在不同的端口上有多个数据流,同时许多实际应用可以共享一个组地址。IP组播技术可以有效地避免重复发送可能引起的广播风暴,并且能够突破路由器的限制,将数据包传送到其他网段。组播组、组管理协议和组播选路是IP组播中比较关键的部分。

2.2 IP组播技术在现代远程教育中应用的可行性

2.2.1 提高了远程教学的覆盖率

由于IPv6的组播地址范围巨大,世界上任何一个人都能拥有一个独立的属于某个组播组的IP地址,这可使每一位学习者都能连接到Internet上学习。这样就解决了网络传输中的网络拥塞问题,组播可以大大节省网络带宽,因为无论有多少个目标地址,在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。将组播技术应用于远程教育,能够提高数据的传输效率,减少主干网络出现拥塞的可能性。

2.2.2 丰富网络资源,保障网络安全

组播可以传输流媒体信息,为学习者提供丰富多彩的学习资源。由于IPv6提供了严密的安全机制和严格的身份认证机制,保证了网络传输数据和网络服务器的安全性,使得越来越多的教育资源提供方将其教育资源放在服务器上,让更多的网络学习者利用。

2.2.3 实现网络实时教学

由于IPv6改变了原有的数据传输和报文分割方式,使得在相同的网络带宽上可以运行更多的数据,从而使得视频、音频流媒体能够在普通网络中传输,这就使得网络教育有望从单向交流转向双向互动。另外,学习者还可以通过视频点播、虚拟教室等方式实现真正意义上的个性化教学和远程沉浸式教学,这无疑会提高远程教学的质量。

2.3 IP组播技术在远程教育视频中的合理设计

远程教育中的IP视频系统,是利用计算机、多媒体通信技术和设备,通过传输信道在网上进行大规模的实时共享和实时交互的一种通信手段。它集通信、计算机于一体,有效地改善了当前远程教育中缺乏交互性的弊端。教师端现场直播流的视频、声音、通知、指示、下达的文件资料通过网络发送给各个学生机。当某位学生发言时,其视频、声音同样要传送给教师端和其他学生机。使用组播技术,教师端和学生端的各种数据只要在网上发送一次,组播组中的其他成员都将收到此数据,而与该组播组在同一段却不参加远程学习的非成员将不会收到数据。这类应用对可靠性要求一般,但对端到端传输延迟和网络抖动的要求很高。所以,在IP视频系统中,组播的合理设计是非常关键的。

2.3.1 组播地址的获取

当一组机器要通信时,它们选择一个特殊的组播地址用于通信。在配置好网络接口硬件后,就能识别该组播地址,而组中的所有机器就会收到送到该组播地址上的每个分组的拷贝。由于组播在网络硬件局部(如以太网网卡)就能区分多个不同组的通信,无需软件区分,所以比广播方式更能节省主机资源。IP组播地址被划分为2类：永久分配的和临时使用的。前者是指在会议系统中预先设置好组播地址,以后不再改变。这种方式主要适用于当前会议系统使用不多的情况下,不存在不同的系统使用相同的组播地址而合为一组的情况,因而不会产生冲突。但是在远程教育系统中,由于教师端和学生端的地址和数目不可能都是固定的,所以建议采用动态获取可变组播地址。也就是说,视频会议系统用到的组播地址是不定的,在运行时临时确定。

2.3.2 网络环境对组播的支持

当前广泛使用的网络环境并非完全支持组播的实现,所以要从各个方面进行考虑。如果要将组播通信应用在视频网络中,网络中的发送端、接收端、网络路由器以及他们之间的网络结构必须支持组播,防火墙设置为允许组播通过。首先IG MP是当前唯一可选的一类用于加入、离开、查询的组管理协议,其次要对IP服务接口、IP模块、本地网络服务接口以及本地网络模块分别进行扩展。另外,介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、TCP/IP协议、防火墙均需支持组播。

2.3.3 组播选路

IG MP和组播编址方法指定了主机和本地路由器之间如何交换、如何通过单个网络传送组播数据包,但是没有指定路由器怎样在主机和群组成员之间交换信息。一方面,如果群组成员信息没有迅速传播,组播路由器将不能做出任何发送数据包的决策;另一方面,如果组播选路方法把每个组播成员的关系变化都通知给每个路由器,对于互联网来说不啻是一场灾难,因为产生的通信量会让互联网无法承受。这里建议采用协议无关组播(PIM),这能在前面述及的两个极端之间做出某种折中。两个有用的协议是PIM密集模式和PIM稀疏模式。前者主要用于高速局域网,组播源和接收者比较靠近、发送者少、接收者多、组播数据流比较大且比较稳定的环境。在这种环境中,几乎所有网络中都有主机在监听每个组播群组。而后者主要用于广域网环境,在这种环境下,某组播群组的成员只占所有可能网络的很小一个子集。需要特别注意的是这两种协议中没有哪一个可以独自适用于所有可能的情况,而PIM疏密结合的模式则具有很好的灵活性和兼容性。

总的来说,在终端接收者数量大幅度增加的情况下,采用组播技术实现多点通信具有很大优势。在视频传输中,无论接收者数量如何增加,服务器只需要发送一个视频流,沿途的网络设备也只需转播一个视频流,最大限度地降低了服务器和网络负载,节省了成本。

2.4 基于IP组播技术构建的远程教育网络结构

目前国内的远程教育可以分为两种形式：实时同步教学形式和非实时异步教学形式。这两种方式都可以采用组播方式更好地实现。使用组播技术可以加快传输速率,减小延迟,有效阻止广播风暴,因此可以有效解决实时同步教学中的交互问题,提高非实时异步教学中的学习效率,使学生可以随时随地上网浏览、学习,并通过网络来完成作业,与教师交流。实现方法主要是在原来不支持组播的Internet网络中加入组播路由器以转发组信息,因为并非所有的互联网路由器都能转发组播信息,这就产生了互联网组播问题。对于分布在两个或更多网点上的群组,当中间有一个并不支持组播选路的互联网隔开时,最好是采用组播隧道技术(multicast tunneling),将一个组播数据包以隧道方式(可以把隧道看作是连接两个路由器的一条虚拟链路)从一个路由器穿过中间许多路由器(这些路由器并没有参加组播选路),送到另外一个路由器,然而对于组播选路软件,这些细节是隐藏起来的。组播隧道构成了Internet组播主干网MBONE(Multicast Backbone)的基础,许多网点都参与了MBONE,MBONE允许特定网点的主机收发组播数据包,然后转发到其他参与的网点。MBONE常用于传播音频和视频(例如视频会议)。隧道组播服务器(TMC)是一台专用的服务器,利用组播隧道技术将基于IP组播的应用扩展到广域网上,提供全网范围内支持IP组播概念的能力,同时实现高效的UDP数据包广播,以支持超大容量的并发用户。

2.5 组播应用面临的主要问题

在当前的网络中,组播没有像基于单播的应用那样在Internet范围内被广泛成功应用。尽管很多年以来,已经可以通过Mbone来进行组播的应用,大多数路由器也能支持组播,但是运营商和ISP(Information Service Provider)以及通用的操作系统对组播的商业支持才刚刚开始。之所以如此,是因为现在的IP组播在技术方面和商业化应用方面存在很多的问题,总结起来主要有以下几方面：

(1)无连接机制无法提供服务质量保证。IP组播技术的一对多通信方式采用了UDP的无连接机制,这种方式不能保证服务质量。

(2)组播网络是一个随着组播源和组成员的变化而动态变化的网络,组播流量无法控制和预计,组播采用的UDP技术没有内在的拥塞避免机制。因而容易导致网络管理问题和阻塞的发生。

(3)组播对成员的管理非常松散,无法提供一种对成员的有效管理及认证机制。包括组创建的授权,接收者的授权和发送者的授权。

(4)启动组播功能对网络设备及运行要求较高。这是由于组播功能的实现需要所有的路由器都必须支持和启动组播功能的缘故。如果老的路由器不支持组播,并且不支持软件升级时,则被迫要购买新的支持组播的路由器,企业则会考虑成本太高而不会进行新的购买,这也限制了组播的部署。

(5)路由协议的协同工作问题。由于不同厂家产品实现协议的具体方式不同,各种路由协议之间如果没有统一标准,很难协同工作。

(6)安全性问题。包括对组播路由攻击和会话攻击的保护,对数据完整性机制的支持等。

(7)如何进行动态组播地址分配和计费的问题。

随着Internet规模变得越来越大,网络中各种应用的增多,同时网络速度也越来越快,上述问题会变得更严重,因而IP组播实现起来也就更困难。当前运营商和 ISP(Information Service Provider)要解决他们所部署的IP组播体系结构上的这些问题是一个复杂的过程,要使得当前的组播体系结构变得通用化和商业化是很困难的,从长期来看影响了组播的成功应用。

虽然IP组播有一些缺点,特别是对IP组播的支持并不广泛,基于组播的上层应用屈指可数,但是IP组播技术因其多点实时传输和多点实时监控的特点,对于网络视频会议和远程教育系统仍然产生着重要而深远的影响。随着技术的不断发展,IP组播技术必将在远程教育中发挥更大作用。

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(责任编辑：潘 敏)

Multicast and Its Application in Long-distance Network Education

Du Chuanle
(China National T obacco Corporation,Qingzhou T obacco Trade School,Qingzhou Shandong 262500)

Due to the low bandwidth and slow transmission mechanism,there are static teaching materials more than the message of flow media such as video and audio in most of the educated net.Even some net provide the browsing and downloading about the message of flow media such as video and audio,but it is difficult to realize the communication each other for the t slow transmission speed,what is more,the effect is not satisfied,which weaken the appeal of network education for the learning in great content,meanwhile the quality and effect is bad.Multicast is a transmission form which can save the internet source in efficient.The purpose is to study the multicast technology based on IP and applying multicast technology in long-distance network education.

long-distance network education;multicast;IP multicast

2009-09-28

杜传乐(1974-),男(汉族),山东青州人,中国烟草总公司青州烟草中等专业学校讲师.

TN915.04 文献标识码：A 文章编号：1009-2080(2010)01-0060-03