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IPv6组播的流媒体传输原理及应用研究

作者：蒋健 张冉 孙丹辉 石川 来源：《软件》2012年第05期

摘 要：本文主要对IPv6组播技术的流媒体传输原理和应用进行研究。结合军事指控系统对于视频等流媒体传输高质量低延时等要求，分析并介绍了IPv6组播技术中的QoS以及流标签原理应用及特点，为IPv6组播技术在流媒体传输应用研究方面提供经验。 关键词：IPv4；IPv6；组播；流媒体传输；QoS

中图分类号：TP3-05 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.05.001

Research on the Rinciples and Applications of Streaming Based on IPv6 Multicast Technology JIaNG Jian, ZHaNG ran, SUN Dan-hui, SHI chuan (Unit 63892 of PLA, Luoyang 471003, China)

【Abstract】this paper mainly research on the rinciples and applications of streaming based on IPv6 multicast technology. combining the command and control system for streaming video and other high-quality low-latency requirements,analysis and describes QoS and principles of flow Label application and characteristics in IPv6 Multicast technology to provide reference for streaming applications and research.

【Key words】IPv4;IPv6;multicast;streaming;QoS 0 引言

随着军事革命使命的拓展和军事训练任务网络交互及控制需求的发展，对指挥控制系统信息网络的传输效率、电视电话会议等流媒体传输及点播的要求日益增高。现有军事训练信息对抗网络都是基于IPv4网络协议，难以满足将来军事训练信息网络更高的需求。新一代网络协议IPv6正在普及应用，IPv6采用128位地址长度，几乎不受限制地提供地址。除此以外，IPv6协议还可以提高网络的整体吞吐量、改善服务质量（QoS）、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现组播功能。

IPv4标准定义了三种IP数据包的传输：单播、广播和组播。组播是一种允许一个或者多个发送者（组播源）发送单一的数据包同时到多个接受者的网络技术，其传输机制是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输单一的数据包。由于组播技术的优越性，IPv6协议保留并加强了组播技术，实现基于组播、具有性能质量保障的电视电话会议、流媒体视频传输点播、视频监控应用等。

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1 IPv6组播的QoS

IPv6对于IPv4的最大革新在于它对于QoS的考虑。IPv4在设计时是一种简单的尽力而为的服务方式，从原理上讲服务质量QoS是没有保证的。传统的路由器仅进行包转发操作，这是一种无状态操作，即使对同一会话的连续数据流，路由器不会进行识别，而是逐包进行操作。IPv4试图通过IP报头的服务类型ToS对流量进行分类，但早期实时业务比较少，没有统一使用ToS，因而没有取得成功。而视频传输的需求增多，如外场实时视频监控、电视电话会议的应用，对传输时延和延时抖动有了严格的要求。

IPv6协议在基本报头和扩展报头中包含了少量与特定QoS有关的服务元素，可以按不同方式使用并可综合应用。流量类型（Traffic Class）代替了IPv4中的ToS字段，有助于处理实时数据以及任何需要特别处理的数据。发送节点和转发路由器可以使用该字段来识别和分辨IPv6数据报的类别和优先级。

视频传输应用时间灵敏性需求特别高的应用，对实时性和服务质量的要求很高，但现在的视频应用多为尽力而为的数据传输，其特点是具有突发性，这种突发性严重影响时间灵敏性特别高的应用，使视频传输显示时延加大，同时出现抖动，从而影响指挥员判断。IPv6通过如下三个方面的改进，可以改善流媒体传输的服务质量。 1.1 IPv6报头的变化

与IPv4报头相比，IPv6报头要简洁的多。IPv4在使用选项字段时是可变长的，IPv6地址报头有一个新的简化格式，固定长度为40位，去掉了IPv4报头中的一些字段，或者变为可选项。对于IPv4，选项集成于基本的报头中；在IPv6中这些选项被作为扩展报头来处理。扩展报头是可选项，如果有必要，可以插入到报头和实际数据之间。这样数据包的生成变得很灵活且高效，数据包的转发效率要高很多。将来要定义新选项能够很容易地进行集成。另外指定了固有的对身份验证的支持，以及对数据完整性和数据机密性的支持。属于同一传输流，且需要特别处理或需要服务质量的数据包，可以由发送者进行标记，保证了QoS。 1.2 IPv6的消息控制机制

ip的重新设计为解决以及其他一些新增功能等问题提供了契机。在IPv6中，不同的服务类别同样可以由不同的组播组实现，比如，可以定义同一视频流媒体的四种不同类别，每种都按不同品质进行编码，这样甚至无需显式地表示优先级，因为它是和各组播组隐式绑定的。 1.3 IPv6报头中QoS元素

IPv4对流的处理有天生的缺陷，IPv4中定义的流不但违背了网络分层原则，而且加大了路由器的处理工作量。IPv6协议在基本报头和扩展报头中包含了少量特定于QoS的服务元素。

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Traffic Class(流量类型，1字节)代替了IPv4中的Type of Service 字段，有助于处理实时数据以及任何需要特别处理的数据。发送节点和转发路由器可以使用该字段来识别和分辨数据包的类别和优先级。

Flow Label（流标签，20位），只用于源地址、目的地址和流标签3个要素来决定数据包的流分类，而且这3个字段都在报头的特定位置，这样流分类方式更高效，减少了路由器的处理时间。

2 IPv6组播中的流标签

在IPv6报头当中新增加了一个流标签字段，定义如何识别或操纵数据流，用于区分需要相同处理的数据包，以此来促进实时性流量的处理。发送主机能够用一组选项标记数据包的顺序。路由器跟踪数据流并更有效地处理属于相同数据流的数据包。数据流由流标签和源节点的地址唯一识别。对应像电视电话会议之类的应用来说，支持QoS是必需的。由于在IPv6的报头当中就可以识别数据流的特征，所以即使数据报经过IPSec的加密，也很容易就可以实现对QoS的支持。此外，由于IPv6报头的简化设计，也给QoS的处理和实施带来了高效率。 2.1 IPv6中流标签的路由处理

流标签由信源节点分配给数据分组，处于同一个流的所有数据分组必须具有相同的源地址、目的地址、优先级和非零的流标签。

当一个路由器接收到一个未知的、非零的流标签的实时业务的数据分组时，路由器不处理该数据分组的报头内容和扩展报头内容，就好像该数据分组的流标签为零一样。路由器的处理内容包括检测下一跳的接口，以及其他可能的动作，如改变逐跳选项报头、优化路由扩展报头中的指针和地址，或者根据数据分组的优先级决定进入哪个队列进行排队等；然后路由器将记住以上的处理结果，并作为流标签状态信息（包括路由器和资源等信息）存储到高速缓存中，并以源地址结合流标签作为查询高速缓存相应流标签状态信息的关键字，对以后接收到的具有同一流标签的数据分组，路由器根据该流标签及源地址生成高速缓存流标签状态信息决定数据分组的路由并直接转发，而不对数据分组的其余内容进行检测和处理，也无需排队等待。 2.2 流标签字段的应用模型

流标签字段多用于处理多媒体数据。方案可分为QoS处理模块和IPv6组播通信模块，流媒体数据采集可用专用的API完成，将所得的二进制帧数据压入缓冲区中，QoS处理模块依据流媒体数据类型的要求做相应的处理。如图2所示。

通过流标签的添加及应用，结合组播QoS的控制支持保障，使得流媒体传输更为高效稳定，减少了视频画面的延时和抖动，对于战场实时视频高质量传输有着重要的意义。