CN112383560A - 一种基于组播和QoS的视频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于组播和QoS的视频系统，包括核心媒体结点CMS、核心路由器CR、汇聚路由器DR、三层交换机L3‑SW、视频交换机IPTV‑SW、中间系统结点HMS、二层交换机L2‑SW。本发明设计合理，视频服务器到用户采用组播发送，由于组播到最后一个分叉点才发生复制，视频服务器到核心交换机的主干光缆仅消耗掉2Mb/s的带宽，极大的提高了主干传输通道的利用率，避免了网络产生拥塞的风险。
Description
技术领域
本发明主要涉及电子信息和计算机技术领域，具体涉及一种基于组播和QoS的视频系统。
背景技术
随着科技的发展，集互联网、多媒体、通讯等技术于一体的网络视频业务也发展迅速。该技术利用宽带网络传输数据信号，用家庭个人电脑作为终端接收设备，集互联网、多媒体通信等多种技术于一体，通过因特网网络协议( TCP/IP) 向终端用户提供包括数字电视和因特网服务在内的多种数字媒体服务。
网络视频节目通过流媒体技术在网络中进行传输。应用流媒体技术可将影像和声音信息压缩处理后变成流媒体信息，再将其存储到流媒体网络服务器中，而用户则可通过因特网一边下载流媒体信息，一边观看和收听，而不必等到整个多媒体文件下载完毕。流媒体技术通过ＲTP( 实时传输协议) 和 ＲTCP( 实时传输控制协议) 来实现。
视频节目会消耗掉大量的用户带宽，并可能会引起传输通道的拥塞，所以迫切需要寻找一种既能高效的发送数据又能够节省带宽的途径。
发明内容
发明目的
本发明通过建立一个基于组播和QoS的视频系统，高效率的对视频节目进行转发。
技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于组播和QoS的视频系统，包括核心媒体结点CMS、核心路由器CR、汇聚路由器DR、三层交换机L3-SW、视频交换机IPTV-SW、中间系统结点HMS、二层交换机L2-SW；
所述核心媒体结点CMS吧节目发送给所述中间系统结点HMS，所述中间系统结点HMS发布节目信息，用户通过用户终端登陆所述中间系统结点HMS的用户验证界面，验证通过后用户选择观看的节目，用户加入到已经存在的节目组，一个节目组对应一颗组播树，所述中间系统结点HMS此时依靠多播树向各个用户发送数据，用户停止观看节目时，其通过所述中间系统结点HMS进行下线，从对应的节目组退出，也就是调整相关的组播树，进行剪枝。
进一步的，所述核心媒体结点CMS指节目提供商，如文广和优酷等，所述中间系统结点HMS需要满足并发用户数20000，存储能力为1000T-2000T，所述核心路由器CR需要背板带宽200G以上，支持QoS和组播，需要和华为NE40E性能相当的路由器，所述汇聚路由器DR需要背板带宽100G以上，支持QoS和组播，所述二层交换机L2-SW需要背板带宽50G以上，支持QoS和组播，接入用户数能力要大于100；所述用户终端内存需要大于4G。
进一步的，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW配置OSPF协议充当IGP协议进行通信，所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW双上行连接到所述核心路由器CR以实现冗余保护，所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和L3-SW上配置子接口或者三层VLAN终结二层VLAN，所述汇聚路由器DR和所述三层交换机L3-SW配置DHCP协议和相关的地址池为下联的用户终端分配IP地址，所述中间系统结点HMS服务器静态配置IP地址，所述用户终端动态的获取IP地址。
进一步的，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW之间启用pim-sm组播协议，所述视频交换机IPTV-SW充当组播网络体系中的组播汇聚路由器RP，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW相关接口配置IGMP协议，所述二层交换机L2-SW开启二层组播协议。
进一步的，所述核心媒体结点CMS和所述中间系统结点HMS通过网络专线或者使用VPN技术建立隧道发送节目源数据。
进一步的，在所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW上，根据所述视频交换机IPTV-SW和所述中间系统结点HMS的IP地址把数据流量进行分类，分类后进入WFQ（加权平均）队列，视频流量获得40%的总带宽，普通流量获得60%的带宽，相关的动作策略都是放行，然后把策略应用到所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW的物理接口上，对进入接口的数据包进行匹配转发，所述二层交换机L2-SW设备上建立IP地址和MAC（物理）地址的匹配关系，使数据也进入WFQ队列按照相同的动作策略发送。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明设计合理，视频服务器到用户采用组播发送，由于组播到最后一个分叉点才发生复制，视频服务器到核心交换机的主干光缆仅消耗掉2Mb/s的带宽，极大的提高了主干传输通道的利用率，避免了网络产生拥塞的风险。
附图说明
图1为企业网络拓扑图；
图2为本发明视频系统网络拓扑图；
图3为本发明的PC5加入组播树示意图；
图4为本发明中组播复制发生位置示意图；
图5为本发明的PC5退出组播树示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例
目前的视频节目都是通过单播发送的，单播指一个用户发送，一个用户接受，这将极大的消耗主干传输通道的的带宽，如图1所示，
当一个企业中有1000个用户同时观看一个视频直播节目，此视频节目需要2Mb/s的带宽，用户采用单播接受此视频节目，传输通道必须为每个用户分配2Mb/s带宽，视频服务器到核心交换机的主干光缆需要消耗掉2Mb/s*1000=2Gb/s的带宽，在网络业务繁忙时会引起网络拥塞。
IP 组播技术的出现及时解决了网络中用户数量不确定的问题。组播信息发送者( 即组播源) 仅发送一次信息，借助组播路由协议为组播数据包建立树形路由，被传递的消息在尽可能远的分叉路口
才开始复制和分发。
组播的基本组织单位是组播组。组播组具有唯一的 IP 组播标识符，接收终端可以加入或退出组播组，加入组播组后的终端才有权限接收发往该组播组的数据。相比单播技术，用户数量的增加不会显著增加网络的负载；相比广播技术，组播数据仅仅会发送信息给组播组中的成员，从而节省了相应的网络资源。组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题。利用组播技术，可以在网络上有效地提供一些
增值服务，如在线直播、网络电视、远程教育、网络电视和视频会议等互联网信息服务。
组播的缺点是，不能对流量进行负载均衡处理。因为多播树构建时没有环路，所以不能进行负载均衡处理。如果多播树中有一条路径出现问题，比如传输质量差或链路拥塞，就会引起直播信号组播转发的障碍，因此多播树中需要对组播流量提供QoS服务质量保障。
在本发明中，构成视频系统的设备有：包括核心媒体结点CMS、核心路由器CR、汇聚路由器DR、三层交换机L3-SW、视频交换机IPTV-SW、中间系统结点HMS、二层交换机L2-SW。
具体的，所述核心媒体结点CMS指节目提供商，如文广和优酷等，所述中间系统结点HMS需要满足并发用户数20000，存储能力为1000T-2000T，所述核心路由器CR需要背板带宽200G以上，支持QoS和组播，需要和华为NE40E性能相当的路由器，所述汇聚路由器DR需要背板带宽100G以上，支持QoS和组播，所述二层交换机L2-SW需要背板带宽50G以上，支持QoS和组播，接入用户数能力要大于100；所述用户终端内存需要大于4G，在本实施例中，用户终端使用PC端。具体的视频系统网络如图2所示。
在本实施例中，用户观看视频的的步骤如下：
（1）CMS实时通过专线或者VPN（虚拟网）把节目发给HMS；
（2）HMS发布节目信息；
（3）用户登录HMS的用户验证界面；
（4）验证通过后用户选择观看的节目；
（5）此用户加入到已经存在的节目组，一个节目组对应一颗组播树，具体如图3所示；
（6）HMS此时依靠多播树向各个用户发送数据，其只是在用户的分叉点才发生数据复制，从而节省了主干的带宽，如图4所示；
（7）用户停止观看节目时，其通过HMS进行下线，从对应的节目组退出，也就是调整相关的组播树，进行剪枝，如图5所示。
QoS 设计的目的是有效地为用户提供从发送端到接收端的高质量服务或通讯。
随着 IP 网络技术的发展，IP 网络从单一的数据传送网络演进成集数据、语音、视频和图像信息的多业务网络。在 IP 网络中，QoS 所保障的是网络投递数据分组的能力。网络应用程序需要进行端到端的通讯，通讯需要跨越多个物理网络，经过多个网络设备。
实现整体 QoS 有 3 种服务模式：尽力传送模型； 集成服务模型；区别服务模型。
本发明使用区别服务模型，在网元上依靠IP地址或者MAC对流进行分类，分类后对进入网元的数据包进行识别分类，再根据相关的动作进行转发。
具体的，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW配置OSPF协议充当IGP协议进行通信，所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW双上行连接到所述核心路由器CR，以实现冗余保护；所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和L3-SW上配置子接口或者三层VLAN终结二层VLAN，所述汇聚路由器DR和所述三层交换机L3-SW配置DHCP协议和相关的地址池为下联的用户终端分配IP地址，所述中间系统结点HMS服务器静态配置IP地址，所述用户终端动态的获取IP地址。
具体的，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW之间启用pim-sm组播协议，所述视频交换机IPTV-SW充当组播网络体系中的组播汇聚路由器RP，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW相关接口配置IGMP协议，所述二层交换机L2-SW开启二层组播协议。
具体的所述核心媒体结点CMS和所述中间系统结点HMS通过专线或者使用VPN技术建立隧道发送节目源数据。
具体的，在所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW上，根据所述视频交换机IPTV-SW和所述中间系统结点HMS的IP地址把数据流量进行分类，分类后进入WFQ（加权平均）队列，视频流量获得40%的总带宽，普通流量获得60%的带宽，相关的动作策略都是放行，然后把策略应用到所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW的物理接口上，对进入接口的数据包进行匹配转发，所述二层交换机L2-SW设备上建立IP地址和MAC（物理）地址的匹配关系，使数据也进入WFQ队列按照相同的动作策略发送。
视频系统建立后，主干通道的带宽利用率、用户ping测HMS的时延、抖动和丢包率在随机选择的100个样本时间的范围内均正常（每次选择2小时），具体如表1：
表1 测试关键指标
| 带宽利用率 | 时延 | 抖动 | 丢包率 | |
| 正常 | <=75% | <=20ms | <=5 | <=5 |
| 实测 | 58% | 7ms | 3 | 2 |
综上所述，本发明设计合理，用于远距离的的视频数据的发送，包括电视节目、股票信息和彩票数据等视频数据，视频服务器到用户采用组播发送，由于组播到最后一个分叉点才发生复制，视频服务器到核心交换机的主干光缆仅消耗掉2Mb/s的带宽，极大的提高了主干传输通道的利用率，避免了网络产生拥塞的风险。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：包括核心媒体结点CMS、核心路由器CR、汇聚路由器DR、三层交换机L3-SW、视频交换机IPTV-SW、中间系统结点HMS、二层交换机L2-SW；
所述核心媒体结点CMS吧节目发送给所述中间系统结点HMS，所述中间系统结点HMS发布节目信息，用户通过用户终端登陆所述中间系统结点HMS的用户验证界面，验证通过后用户选择观看的节目，用户加入到已经存在的节目组，一个节目组对应一颗组播树，所述中间系统结点HMS此时依靠多播树向各个用户发送数据，用户停止观看节目时，其通过所述中间系统结点HMS进行下线，从对应的节目组退出，也就是调整相关的组播树，进行剪枝。
2.根据权利要求1所述的一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：所述核心媒体结点CMS指节目提供商，所述中间系统结点HMS需要满足并发用户数20000，存储能力为1000T-2000T，所述核心路由器CR需要背板带宽200G以上，支持QoS和组播，所述汇聚路由器DR需要背板带宽100G以上，支持QoS和组播，所述二层交换机L2-SW需要背板带宽50G以上，支持QoS和组播，接入用户数能力要大于100；所述用户终端内存需要大于4G。
3.根据权利要求1所述的一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW配置OSPF协议充当IGP协议进行通信，所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW双上行连接到所述核心路由器CR以实现冗余保护，所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和L3-SW上配置子接口或者三层VLAN终结二层VLAN，所述汇聚路由器DR和所述三层交换机L3-SW配置DHCP协议和相关的地址池为下联的用户终端分配IP地址，所述中间系统结点HMS服务器静态配置IP地址，所述用户终端动态的获取IP地址。
4.根据权利要求1所述的一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW之间启用pim-sm组播协议，所述视频交换机IPTV-SW充当组播网络体系中的组播汇聚路由器RP，所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW相关接口配置IGMP协议，所述二层交换机L2-SW开启二层组播协议。
5.根据权利要求1所述的一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：所述核心媒体结点CMS和所述中间系统结点HMS通过网络建立隧道发送节目源数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于组播和QoS的视频系统，其特征在于：在所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW上，根据所述视频交换机IPTV-SW和所述中间系统结点HMS的IP地址把数据流量进行分类，分类后进入WFQ队列，视频流量获得40%的总带宽，普通流量获得60%的带宽，相关的动作策略都是放行，然后把策略应用到所述核心路由器CR、所述汇聚路由器DR、所述视频交换机IPTV-SW和所述三层交换机L3-SW的物理接口上，对进入接口的数据包进行匹配转发，所述二层交换机L2-SW设备上建立IP地址和MAC（物理）地址的匹配关系，使数据也进入WFQ队列按照相同的动作策略发送。
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