主動(dòng)方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接方案研究

苑春苗，萬(wàn)振凱，楊清永

（1.天津工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300160；2.天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司，天津 300384）

主動(dòng)方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接方案研究

苑春苗1，萬(wàn)振凱1，楊清永2

（1.天津工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300160；2.天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司，天津 300384）

為提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力，滿足大型監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需要，提出一種新的應(yīng)用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備連接方案.該方案通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)連接的方向，使監(jiān)控設(shè)備以主動(dòng)方式向客戶端提供視頻服務(wù).實(shí)驗(yàn)表明：該方案提升了監(jiān)控設(shè)備的局域網(wǎng)穿透能力，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡能力.

視頻監(jiān)控；主動(dòng)連接；負(fù)載平衡

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安防行業(yè)的一個(gè)重要組成部分，隨著社會(huì)需求的不斷增多，監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步應(yīng)用于越來(lái)越多的社會(huì)領(lǐng)域[1].隨著監(jiān)控需求的逐漸變化，監(jiān)控范圍和規(guī)模逐漸增大，監(jiān)控端和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)數(shù)量也逐漸增多，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量日益增大.原有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常由網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器及監(jiān)控端所構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器被動(dòng)等待轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的連接，然后將視頻數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心[2-4].該模型要求網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器具備公共IP，以便轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器可以進(jìn)行連接，因此該模式網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力差，不適合大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求.為提升監(jiān)控設(shè)備的局域網(wǎng)穿透能力，滿足大型監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需要，本文提出一種主動(dòng)的連接模型.該模型支持監(jiān)控設(shè)備主動(dòng)與監(jiān)控平臺(tái)建立連接.通過(guò)主動(dòng)連接方式，提高了監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，增加了網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡功能，便于大型監(jiān)控系統(tǒng)的部署，使系統(tǒng)的軟件平臺(tái)更加穩(wěn)定和易于擴(kuò)充.

1 系統(tǒng)模型

主動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)模型由1個(gè)備份目錄服務(wù)器（Backup Directory）、多個(gè)目錄服務(wù)器（Directory）、多個(gè)視頻代理服務(wù)器（Proxy Server）、多個(gè)錄像主機(jī)/監(jiān)控主機(jī)（Client）和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器（Network Video Server，NVS）構(gòu)成.

為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)連接模式，本文在傳統(tǒng)監(jiān)控模型的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)（監(jiān)控中心的服務(wù)器）和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）之間增加代理服務(wù)器、目錄服務(wù)器和備份目錄服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備.在新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器不再被動(dòng)等待視頻連接請(qǐng)求，而是主動(dòng)與代理服務(wù)器建立連接；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)連接代理服務(wù)器即可獲得所需視頻.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在系統(tǒng)中，只要求備份目錄服務(wù)器、目錄服務(wù)器和代理服務(wù)器必須有固定外網(wǎng)IP地址，而NVS和監(jiān)控終端則不需要固定外網(wǎng)IP地址.網(wǎng)絡(luò)連接全部采用TCP連接完成.網(wǎng)絡(luò)通信端口可更改，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間只能有一個(gè)連接，所有命令和數(shù)據(jù)都通過(guò)該連接來(lái)完成.

2 實(shí)施方案

2.1 不同服務(wù)器及所實(shí)現(xiàn)的功能

2.1.1 目錄服務(wù)器

目錄服務(wù)器提供的服務(wù)包括域名注冊(cè)/解析、NVS身份注冊(cè)、代理服務(wù)器身份注冊(cè)、監(jiān)控主機(jī)身份注冊(cè)、代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)分配等.

（1）域名注冊(cè)/解析：實(shí)現(xiàn)設(shè)備和軟件的域名注冊(cè)/解析功能（即注冊(cè)中心）.

（2）NVS身份注冊(cè)：NVS去目錄服務(wù)器注冊(cè)身份，需要上傳“身份標(biāo)識(shí)、主機(jī)名、本機(jī)IP地址、目錄服務(wù)器信息、碼率及其他信息”.當(dāng)有NVS注冊(cè)時(shí)，目錄服務(wù)器記錄注冊(cè)信息，并保持連接，當(dāng)該連接斷開(kāi)后刪除注冊(cè)記錄.

（3）代理服務(wù)器身份注冊(cè)：代理服務(wù)器去目錄服務(wù)器注冊(cè)身份，需要上傳“身份標(biāo)識(shí)、主機(jī)名、本機(jī)IP地址、目錄服務(wù)器信息、帶寬及其他信息”.當(dāng)有代理服務(wù)器注冊(cè)時(shí)，目錄服務(wù)器記錄注冊(cè)信息，并保持連接，當(dāng)該連接斷開(kāi)后刪除注冊(cè)記錄.

（4）監(jiān)控主機(jī)身份注冊(cè)：監(jiān)控主機(jī)去目錄服務(wù)器注冊(cè)身份，需要上傳“身份標(biāo)識(shí)、主機(jī)名、本機(jī)IP地址及其他信息”.當(dāng)有監(jiān)控主機(jī)注冊(cè)時(shí)，目錄服務(wù)器發(fā)送NVS列表供監(jiān)控主機(jī)選擇，不維護(hù)監(jiān)控主機(jī)注冊(cè)記錄.

（5）代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)分配：收到監(jiān)控主機(jī)連接請(qǐng)求后，若欲連接的NVS還沒(méi)有分配代理，則按照手動(dòng)指定或最大可用帶寬原則選擇一個(gè)代理服務(wù)器分配給該NVS.目錄服務(wù)器收到代理服務(wù)器發(fā)送來(lái)的視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系后，更新自身維護(hù)的NVS和代理服務(wù)器信息列表以及對(duì)應(yīng)關(guān)系，該轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系表用來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和供用戶查閱轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系.

所有需要保持的注冊(cè)連接都必須定時(shí)發(fā)送空數(shù)據(jù)包，維護(hù)的注冊(cè)信息表都是動(dòng)態(tài)的，如果目錄服務(wù)器重起，則該表必須重新注冊(cè)建立.

2.1.2 代理服務(wù)器

代理服務(wù)器提供的服務(wù)包括NVS視頻注冊(cè)、監(jiān)控主機(jī)視頻連接和視頻代理轉(zhuǎn)發(fā)等.

（1）NVS視頻注冊(cè)：NVS注冊(cè)身份、設(shè)備類型和視頻通道數(shù).代理服務(wù)器收到視頻注冊(cè)信息后，馬上通知目錄服務(wù)器視頻轉(zhuǎn)入關(guān)系.

（2）監(jiān)控主機(jī)視頻連接：當(dāng)收到監(jiān)控主機(jī)視頻連接NVS請(qǐng)求時(shí)，建立NVS與監(jiān)控主機(jī)間的視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系.視頻轉(zhuǎn)出關(guān)系建立好之后，向目錄服務(wù)器提交視頻轉(zhuǎn)出關(guān)系，以便目錄服務(wù)器計(jì)算網(wǎng)絡(luò)均衡.

（3）斷開(kāi)處理：當(dāng)和NVS的連接斷開(kāi)后，清理所有和該NVS有關(guān)的視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系，并通知目錄服務(wù)器；當(dāng)和監(jiān)控主機(jī)的連接斷開(kāi)后，刪除該監(jiān)控主機(jī)的視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系，并通知目錄服務(wù)器.

（4）注冊(cè)功能：去目錄服務(wù)器注冊(cè)身份，需要上傳“身份標(biāo)識(shí)、主機(jī)名、本機(jī)IP地址、目錄服務(wù)器信息、帶寬和其他信息”，在主目錄服務(wù)器連接失敗后自動(dòng)轉(zhuǎn)到備份目錄服務(wù)器去注冊(cè).

2.1.3 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)向目錄服務(wù)器注冊(cè)身份，從目錄服務(wù)器處獲取NVS列表，獲取信息后斷開(kāi)連接，無(wú)需保持連接狀態(tài).連接視頻時(shí)向目錄服務(wù)器請(qǐng)求某NVS視頻連接，獲得該視頻連接所需的代理服務(wù)器后，再?gòu)拇矸?wù)器處連接NVS獲取視頻.

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器NVS

NVS去目錄服務(wù)器注冊(cè)身份.收到目錄服務(wù)器分配給自己的代理服務(wù)器地址后，再去代理服務(wù)器處注冊(cè)視頻連接.在主目錄服務(wù)器連接失敗后自動(dòng)轉(zhuǎn)到備份目錄服務(wù)器去注冊(cè).

2.1.5 備份目錄服務(wù)器

備份目錄服務(wù)器在模型中為可選項(xiàng)，也可不配置該服務(wù)器.備份目錄服務(wù)器和目錄服務(wù)器使用同一程序，多個(gè)目錄服務(wù)器可使用同一個(gè)備份目錄服務(wù)器，兩個(gè)目錄服務(wù)器可互為備份目錄服務(wù)器.

2.2 視頻請(qǐng)求的處理過(guò)程

目錄服務(wù)器收到監(jiān)控主機(jī)發(fā)送連接某NVS的視頻請(qǐng)求后，若該NVS已經(jīng)被某代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，則告訴監(jiān)控主機(jī)去該代理服務(wù)器處連接視頻；否則可以根據(jù)手動(dòng)配置或是負(fù)載均衡原理，從代理服務(wù)器列表中選擇一個(gè)較合適的代理服務(wù)器，并告知NVS去該代理服務(wù)器處注冊(cè)視頻，NVS注冊(cè)視頻成功后由代理服務(wù)器通知目錄服務(wù)器.得到通知后，目錄服務(wù)器告訴監(jiān)控主機(jī)去代理服務(wù)器處連接視頻.若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（比如40 s）得不到代理服務(wù)器的通知，則選擇重試注冊(cè)或更換代理服務(wù)器后再注冊(cè).若該NVS去各個(gè)代理服務(wù)器處注冊(cè)都不能成功，則通知監(jiān)控主機(jī)連接失敗.視頻請(qǐng)求處理過(guò)程如圖2所示，線上數(shù)字表示的是工作順序.

2.3 代理服務(wù)器的分配策略

多媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時(shí)，為有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬和保證傳輸質(zhì)量，系統(tǒng)中需要采用相應(yīng)的帶寬分配算法.劉泉等[5]提出了一種基于資源預(yù)留的核心無(wú)狀態(tài)動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制，采取了一種無(wú)狀態(tài)遞歸觀察機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留帶寬值的做法，使得系統(tǒng)可靠性和強(qiáng)壯性大大增強(qiáng).郭娟等[6]提出了一種適用于寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配方案，并對(duì)話音和視頻業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)進(jìn)行了分析.Xu Binyang等[7]研究了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)多媒體的調(diào)度公平性問(wèn)題.

在監(jiān)控系統(tǒng)中，由于NVS和監(jiān)控主機(jī)數(shù)量眾多，各代理服務(wù)器處理能力不同，因此在代理服務(wù)器進(jìn)行分配時(shí)，必須要采取一定原則，才能保證系統(tǒng)可得到較好的帶寬分配效果[8].在系統(tǒng)中，當(dāng)提出請(qǐng)求的NVS視頻沒(méi)有和代理服務(wù)器建立連接時(shí)，可以采用手動(dòng)或是一種簡(jiǎn)單的最大可用帶寬均衡算法進(jìn)行代理服務(wù)器的分配.

在本系統(tǒng)模型中，因?yàn)榇矸?wù)器的代理和分發(fā)作用，其壓力主要在上行帶寬，下行帶寬一定會(huì)小于等于上行帶寬，所以在算法設(shè)計(jì)中只涉及上行帶寬的計(jì)算.算法中假設(shè)系統(tǒng)有多個(gè)代理服務(wù)器，每個(gè)代理服務(wù)器上連接多個(gè)NVS，每個(gè)NVS上又有多個(gè)同監(jiān)控主機(jī)建立的TCP連接.算法如下：

假設(shè)對(duì)于每個(gè)NVS和M個(gè)監(jiān)控主機(jī)有視頻連接，每路視頻的帶寬為BWj，則該NVS的傳輸帶寬BW_NVS為：

對(duì)于任意代理服務(wù)器，假如其上現(xiàn)在注冊(cè)有N個(gè)NVS，則該代理服務(wù)器的使用帶寬BW_Proxy為：

假設(shè)代理服務(wù)器的總帶寬為BW_Total，則代理服務(wù)器的可用帶寬BW_Available為：

目錄服務(wù)器在進(jìn)行代理服務(wù)器選擇時(shí)，按照最大可用帶寬的原則進(jìn)行選擇，即選擇BW_Available值最大的代理服務(wù)器進(jìn)行分配.

3 系統(tǒng)測(cè)試效果

從網(wǎng)絡(luò)穿透（網(wǎng)絡(luò)接入）、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡3個(gè)方面給出方案的測(cè)試效果.

3.1 網(wǎng)絡(luò)穿透（網(wǎng)絡(luò)接入）測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用內(nèi)部IP，如果采用傳統(tǒng)系統(tǒng)方案，則內(nèi)外監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控終端不能正常通信；若采用本方案，則系統(tǒng)通信通過(guò)代理服務(wù)器，只要有明確的代理服務(wù)器IP地址，系統(tǒng)即可正常運(yùn)行.

系統(tǒng)測(cè)試中，前端監(jiān)控設(shè)備采用PPPoE動(dòng)態(tài)獲取IP地址的方式，代理服務(wù)器和目錄服務(wù)器采用固定IP的方式.代理服務(wù)器IP為221.238.22.5，目錄服務(wù)器IP地址為221.238.22.10.測(cè)試時(shí)將目錄服務(wù)器的IP地址配置到設(shè)備內(nèi)，然后保存重新上電，設(shè)備加電后大概20 s注冊(cè)到目錄服務(wù)器，客戶從目錄服務(wù)器連接視頻即可連出實(shí)時(shí)視頻.連接視頻時(shí)客戶端無(wú)需知道設(shè)備端的IP地址和端口，使用起來(lái)非常方便.給設(shè)備斷電重啟，反復(fù)測(cè)試20次，每次設(shè)備的IP地址都不相同，平均20 s就可以恢復(fù)視頻連接.

3.2 網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)主要是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頑強(qiáng)性.在一個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的性能瓶頸往往都是在流媒體代理轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器上，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器往往需要肩負(fù)很多路的視頻轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，所以監(jiān)控系統(tǒng)中代理服務(wù)器的穩(wěn)定性就顯得非常重要.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮，在代理轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器出現(xiàn)故障后，將視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系自動(dòng)切換到其他代理服務(wù)器上，以保證視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系的頑強(qiáng)性.

該功能測(cè)試中，采用1個(gè)目錄服務(wù)器和3個(gè)代理轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，分別命名為P1、P2和P3.測(cè)試時(shí)，客戶端連接視頻時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系在P1，視頻連接正常，這時(shí)將P1人為斷電，模擬故障，可以發(fā)現(xiàn)代理轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系在20 s后自動(dòng)切換到P2，視頻可正常連接；接下來(lái)再將P2的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器程序強(qiáng)行結(jié)束，人為造成代理服務(wù)器程序異常，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系會(huì)立即切換到P3.經(jīng)過(guò)反復(fù)50次試驗(yàn)和測(cè)試，可以確認(rèn)當(dāng)代理服務(wù)器異常后視頻轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系可很快恢復(fù).

3.3 代理服務(wù)器的分配測(cè)試

在該測(cè)試部分，仍然采用3個(gè)代理服務(wù)器P1、P2和P3，3個(gè)服務(wù)器帶寬均為1 Mb/s；系統(tǒng)中有3個(gè)NVS，分別為N1、N2和N3；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的碼率設(shè)定為CBR（固定碼率）120 kb/s.向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出視頻傳輸請(qǐng)求序列，并通過(guò)最大可用帶寬分配法和手動(dòng)分配兩種方法進(jìn)行代理服務(wù)器分配測(cè)試.手動(dòng)分配時(shí)指定：對(duì)Ni的視頻請(qǐng)求將分配到指定的Pi上進(jìn)行視頻連接.

表1顯示請(qǐng)求序列為N1、N1、N1、N2、N2、N3、N3、N1、N1時(shí)，在兩種分配方式下代理服務(wù)器的分配序列.表2為各代理服務(wù)器帶寬的使用情況.

表1 代理服務(wù)器的分配序列Tab.1 Allocation sequence of proxy servers

由表2數(shù)據(jù)可以看出，目錄服務(wù)器在處理視頻請(qǐng)求時(shí)，使用最大可用帶寬分配法可使得各服務(wù)器的帶寬使用情況較為均衡，而手動(dòng)分配時(shí)3個(gè)代理服務(wù)器的帶寬使用不均衡.系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前代理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，決定采用手動(dòng)或非手動(dòng)分配代理服務(wù)器.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的主動(dòng)連接模式，該模式提高了監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)具備了負(fù)載均衡的能力.通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明該方案是現(xiàn)實(shí)可行的，并且具備良好的使用效果.

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Study on active connection mode in video surveillance system

YUAN Chun-miao1，WAN Zhen-kai1，YANG Qing-yong2
（1.School of Computer Science and Software，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China；2.Tianjin Tiandy
Digital Technology Co Ltd，Tianjin 300384，China）

A novel scheme of active connection mode applied in video surveillance system is presented in order to improve network adaptability and meet the needs of construction of large surveillance networks.Through changing the direction of network connection，the surveillance devices provide the video service to clients actively. The experimental data show that the scheme promotes the penetrating power of LAN for the network video server and enhances the capability of network self-recovery and network load balance.

video surveillance；active connection；load balance

book=4,ebook=147

TP393

A

1671－024X（2010）04－0085－04

2010-03-26 基金項(xiàng)目：天津市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（08FDZDGX00900）

苑春苗（1975—），女，碩士，講師.

萬(wàn)振凱（1964—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：wanzhenkai@tjpu.edu.cn