大学生科技竞赛测评管理系统中的校园网视频直播技术探讨

吉鹤 李月军 刘晓光

摘 要：随着各类大学生科技竞赛活动规模和深层次的发展，其组织管理的规范化和网络化是必然趋势。该文分析了基于校园网应用的IP组播技术的基本特性，简要介绍了IP组播技术的概念、原理及体系结构，设计与实现了大学生科技竞赛测评管理系统中的校园网视频直播技术的应用方案。

关键词：科技竞赛 测评 校园网 IP组播

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0067-02

The Research on Campus Network Video Broadcast Technology of College Students Science and Technology Competition Evaluation Management System

Ji He Li Yuejun Liu Xiaoguang

（College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin，130012，China）

Abstract：With the development of college students' scientific and technological competition scale and level， its organization and management standardization and the network is the inevitable trend.This paper analyzes the basic characteristics of IP multicast technology used in campus network，and also contains the introduction of the conception，principles and system struction of IP，design and implementation of the campus network video broadcast technology solutions used in College students'science and technology competition evaluation management system.

Key Words：S&T competition；Evaluation；Campus network；IP Multicast

1 基于Web的大学生科技竞赛测评管理系统

1.1 系统架构

系统设计目标系统应用于省市级及一般高校的科技竞赛组织管理和实时测评。系统将竞赛组织的全过程纳入计算机管理，实现竞赛组织管理、竞赛测评管理、视频服务管理、交流培训管理等功能，实现规范测评流程，使竞赛的测评更加透明、公正、规范，并通过Web视频服务实现测评过程的直播和实时发布测评结果。

系统采用B/S结构。综合考虑信息处理量、使用率和成本，核心服务器为一台流媒体服务器，兼做Web服务器、数据库服务器、WMS流媒体服务器。Web服务器负责用户接入；WMS服务器提供流媒体数据的发布，满足视频直播、录像点播等服务；测评终端采用便携式计算机并接摄像机，作为测评信息记录和直播编码工作站，采集AV信号，实时压缩成MPEG4数据流，发布到WMS服务器满足直播需求。

服务器操作系统采用Windows Server 2008，IIS 7.0，其中Windows media service作为流媒体服务器系统平台；Web系统采用SQL Server 2012+ASP.NET MVC构建。

系统软件架构根据MVC模式分为三层。应用ASP.NET可以使用.NET平台快速方便的部署三层架构。.NET中可以方便的实现组件的装配，后台代码通过命名控件可以方便的使用自己定义的组件。显示层放在ASPX页面中，数据库操作和逻辑层用组件来实现，这样就很方便的实现了三层架构。三层架构的分层式实现了“高内聚、低耦合”。

1.2 系统功能

（1）竞赛组织管理。功能包括竞赛组织单位官方文件管理、报名及资格审核、竞赛项目发布、竞赛成绩公告及投诉处理等功能。

（2）竞赛测评管理。功能包括测评规则、测评标准及测试项目评分细则管理、现场评测计分管理和现场成绩实时发布。系统综合技术报告和测试成绩并经组委会确定后形成最后的成绩予以公示。

（3）视频服务管理。本系统用户为校内竞赛和省市级竞赛。前者基于校园网，后者要实现在Internet直播。综合考虑，本系统设计实现校园网视频直播，在Internet实现文字直播。在应用过程中，流媒体服务器通过RTSP/HTTP协议实现会话的建立和管理，通过RTP/RTCP协议实现媒体数据的传输和服务质量的管理。

（4）交流与培训管理。包括和竞赛有关的技术资源的上传、下载管理、网上培训和论坛管理。

（5）用户管理模块。包括注册与注销管理、用户信息管理、用户登录管理和权限分配等。

2 IP组播技术的基本特性

2.1 系统视频直播方式的选择

受场地限制，大学生科技竞赛测评现场相对较封闭；而为提高竞赛影响力、关注度和保证竞赛测评的公开、公正性，实现测评过程的网络视频直播是一个重要手段。

网络视频直播基于IP组播技术实现。IP组播技术是允许单一的数据报同时发给同一多播组全部其他主机的网络技术。主机可通过网际组管理协议（IGMP）动态地加入或离开该多播组。支持协议无关组播（PIM）和其他相关组播协议的路由器将跟踪这种组关系并形成一条到达该多播组每个成员的无回路路径，实现无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上单一的数据报传送，实现了网络带宽的高效率使用。

IP组播分为两类：一是在局域网内进行组播；二是在Internet范围内组播。后者技术实现复杂、成本高昂。而基于校园网实现视频直播，包括了局域网组播即硬件组播技术路由器间组播技术，但实现相对容易、成本较低。基于大学生科技竞赛测评管理系统用户的视频直播需求范围、使用率和实现成本的考虑，系统选择基于校园网的视频直播方式。

2.2 组播地址的基本特性

IP组播实现发送和接收者之间点对多点的网络连接。在网络层，源主机将数据发给某多播组时，首先须构造一个能够标识该多播组的IP数据报。IP组播地址定义了一个D类IP地址空间，所有组播地址包含在从224.0.0.0到239.255.255.255的范围内。D类地址范围仅用作组地址或IP组播数据包的目标地址，而IP组播数据包的源地址是单播地址。源地址发数据给组播地址即可实现点对多点的数据传送。

以太局域网局域网链路层MAC组播地址的设计是其MAC地址的高24bit固定为0x015e。组播地址都只能作为目的地址，而不能作为源地址来使用。IP组播地址和MAC地址以一种映射关系相关联，MAC地址的低23位映射为组播MAC的低23位。组播MAC地址和组播IP地址的这种映射关系不是唯一对应的，因为在32位IP组播地址可以变化的28bit中只映射了其中的23bit，还剩下5bit是可以自由变化的，所以每32个IP组播地址映射一个组播MAC地址。

2.3 组播协议

组播协议分为主机与路由器之间的组成员关系协议和路由器之间的组播路由协议。组成员关系协议包括IGMP，组播路由协议分为域内组播路由协议和域间组播路由协议，域内组播路由协议包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP等，域间组播路由协议包括MBGP、MSDP等。IGMP建立并且维护路由器直联网段的组成员关系信息，域内组播路由协议根据IGMP维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法构造组播分发树进行组播数据包转发。

同时为了有效抑制组播数据在链路层的扩散，引入了IGMP Snooping、CGMP等二层组播协议。IGMP Snooping协议对主机和路由器是透明的。选择的交换机要支持IGMP Snooping协议。

3 基于IP组播的校园网视频直播的实现

学生科技竞赛的测试过程一般分成若干组。各测评点配置支持RTP/RTSP实时流媒体协议的网络摄像机（IP摄像机）和便携式计算机完成视频采集和测评数据记录，AV信号经编码、压缩成MPEG4数据流经局域网交换机传送到系统Web服务器和流媒体服务器进行数据处理和视频组播发布。

一般标准三层网络体系结构的校园网，核心层和汇聚层构成网络服务骨干。核心层为三层交换机，接入层为二层交换机，100M到客户端。组播的数据包要经过交换机，特别是接入层交换机，因此，不仅要在路由器上配置IGMP、PIM协议，而且还需要在交换机上配置IGMP Snooping协议。

（1）在骨干网配置PIM协议。PIM（ Protocol Indepen Multicast）是目前应用最多的组播路由协议，它运行在组播路由器之间，由于建立和维护组播路由，高效转播组播数据包。PIM协议又分为PIM-DM和PIM-SM协议。PIM-DM属于密集模式的组播路由协议，适用于小型网络，在这种网络环境下，组播组的成员相对比较密集。PIM-SM为与协议无关的组播稀疏模式，属于稀疏模式的组播路由协议，应用于组成员相对分散、范围较广的大规模网络。基于一般校园网的结构，选择PIM-DM协议。在骨干交换机的每个VLAN接口上启动PIM-DM协议，实现组播。

（2）在接入层配置IGMP Snooping协议。组播组管理协议采用IGMP，它运行在主机与路由器之间组播成员关系的建立和维护机制。IGMP Snooping是运行在二层以太网交换机上的组播约束机制，用于管理组播组。为实现这个功能，需要在交换机上启动IGMP Snooping。

4 结语

IP组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够大量节约网络带宽、降低网络负载。在大学生科技竞赛测评和综合管理系统中，基于IP组播实现测评过程在校园网的实时直播，为提高竞赛影响力、关注度和保证竞赛测评的公开、公正性发挥了重要作用。

参考文献

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