基于VPN的實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)的多播實現(xiàn)

徐 強，章堅武

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018)

0 引言

隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、語音和視頻編解碼技術以及流媒體技術的不斷發(fā)展與完善，視頻監(jiān)控業(yè)務在當今的網(wǎng)絡時代取得了蓬勃的發(fā)展。如今，視頻監(jiān)控業(yè)務的重要性不言而喻，其應用領域包括城市安防、檢驗檢疫、環(huán)境保護、氣象檢測、銀行安保、商鋪監(jiān)控等等，甚至滲透到了家庭領域［1］。現(xiàn)在一些視頻監(jiān)控應用提出多點接收的需求。實現(xiàn)多點接收有3種方法，第1種方法是對每個接收點都發(fā)送一次單播，第2種方法是采用廣播技術，第3種方法是利用多播手段。其中第3種方法最好，它也是當前互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多點接收的主流技術，應用范圍很廣。本文由于本視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用于虛擬專用網(wǎng)絡，因此多播安全性得到保證。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 實時視頻監(jiān)控網(wǎng)絡的原理框圖

視頻采集模塊將原始的視頻模擬信號經(jīng)過取樣和量化轉換成數(shù)字信號，為接下來的視頻編碼做準備工作。未編碼的視頻數(shù)據(jù)量特別大，如表1所示。

表1 未壓縮信源的大致信息量

在現(xiàn)有網(wǎng)絡環(huán)境下，直接傳輸如此大的信息量是不現(xiàn)實的。由于視頻數(shù)據(jù)中存在大量的冗余信息，經(jīng)過壓縮之后，數(shù)據(jù)量會大幅下降，從而使得通過網(wǎng)絡傳輸實時多媒體數(shù)據(jù)成為可能。rtp協(xié)議是由音頻和視頻傳輸工作組制訂，專門用來在因特網(wǎng)上傳輸音頻和視頻的標準包格式。客戶端通過接收和解包rtp數(shù)據(jù)，解碼視頻數(shù)據(jù)，最終播放視頻，顯示畫面。為了方便保存證據(jù)，以便公安機關查看，本文增加了本地存儲模塊來保存高分辨率的視頻。這就是監(jiān)控系統(tǒng)的全部流程。與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用VPN技術，此技術主要采用了隧道技術、加解密技術、密鑰管理技術和使用者與設備身份認證技術。它可以將外部非法用戶與合法用戶隔離開來，使得非法用戶無法竊取VPN網(wǎng)絡傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)。

2 多播實現(xiàn)

2.1 多播介紹

多播，也稱為組播，將局域網(wǎng)中同一業(yè)務類型主機進行了邏輯上的分組，進行數(shù)據(jù)收發(fā)的時候其數(shù)據(jù)僅僅在同一分組中進行，其他的主機沒有加入此分組不能收發(fā)對應的數(shù)據(jù)。多播技術，是一種允許一臺或多臺主機(多播源)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺主機(一次的，同時的)的TCP/IP網(wǎng)絡技術。在IPv4中D 類 IP 地址用于多播通信，范圍從224.0.0.0 到 239.255.255.255，并被劃分為局部鏈接多播地址、預留多播地址和管理權限多播地址3類。其中，局部鏈接多播地址范圍在224.0.0.0 224.0.0.255，這是為路由協(xié)議和其它用途保留的地址，路由器并不轉發(fā)屬于此范圍的IP包;224.0.1.0 238.255.255.255為預留多播地址，可用于全球范圍(如 Internet)或網(wǎng)絡協(xié)議;239.0.0.0 239.255.255.255 為管理權限多播地址，可供組織內(nèi)部使用，類似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制多播范圍。使用同一個IP多播地址接收多播數(shù)據(jù)包的所有主機構成了一個主機組，也稱為多播組。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的多播流程

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻采集模塊將模擬的視頻信號進行模數(shù)轉換，得到數(shù)字的視頻信號，再送入視頻壓縮模塊。該模塊采用H.264視頻壓縮算法，視頻壓縮完成后得到264視頻流，在送入rtp發(fā)送模塊。此模塊對264視頻流進行打包，根據(jù)視頻流中的起始碼，將視頻流分割成一幀一幀，并將每一幀按照rtp打包規(guī)則分開打包，然后通過UDP協(xié)議發(fā)送到多播組，路由器根據(jù)多播組地址自動進行多播轉發(fā)。此時，只要客戶端加入多播組就可以通過UDP協(xié)議從多播組接收經(jīng)過rtp打包過的視頻數(shù)據(jù)了。接收視頻數(shù)據(jù)后，對這些包重新進行排序以解決rtp包亂序到達的問題，之后就可以從排好序的rtp包中提取出視頻數(shù)據(jù)并送入視頻解碼模塊，使用H.264算法進行解壓縮，解壓出一幀后就送入視頻播放模塊進行畫面回放。

2.3 Linux操作系統(tǒng)下多播編程實現(xiàn)

Linux操作系統(tǒng)使用Berkeley Socket API進行網(wǎng)絡編程。Berkeley Socket采用setsockopt()的套接字選項功能來設置。對于某些選項利用getsockopt()功能可獲得當前的設置［3］。setsockopt()/getsockopt()可用的組播命令如表2所示。利用Berkeley Socket實現(xiàn)IP組播通信的流程圖如圖2所示。

表2 setsockopt/getsockopt組播命令參數(shù)

IP組播通信的編程方法如下:

(1)建立多播發(fā)送套接字，首先要使用函數(shù)socket()建立一個數(shù)據(jù)報套接字，然后用bind()函數(shù)將套接字與一地址和端口號連接起來，其中，地址可選用本地IP地址或由INADDR_ANY參數(shù)任意分配一個IP地址，端口號要大于 1024［4］。相關代碼如下，

圖2 多播流程圖

(2)設置多播的參數(shù)，例如設置IP_Multicast_TTL選項和要加入的組播組的地址結構。詳細代碼如下，

(3)設置IP_Add_Membership選項以便加入指定的某個多播組。如果只打算發(fā)送數(shù)據(jù)，則不必加入多播組。

其中ip_mreq結構如下:

(4)調用函數(shù)sendto()發(fā)送多播數(shù)據(jù)，調用函數(shù)recvfrom()接收多播數(shù)據(jù);

(5)設置IP_Drop_Membership選項和要脫離的多播組的地址結構，調用setsockopt()脫離指定的組播組，例如，

(6)完畢后關閉套接字。

在步驟4中，可以將打包好的rtp視頻數(shù)據(jù)包通過調用sendto()函數(shù)發(fā)送出去或者通過調用recvfrom()函數(shù)從多播組接收rtp視頻數(shù)據(jù)包。

3 多播安全性

多播通信過程中，由于任何IP地址都可以隨意加入某個多播組，也可以隨時離開某個多播組，因此這給多播組的安全和管理帶來較大的難度。此視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于VPN網(wǎng)絡的，因此不屬于這個VPN網(wǎng)絡的用戶是無法加入多播組的，也就接收不到多播組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這讓該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性得到了比較好的保護。

4 實驗結果與分析

本文以北京瑞泰的ICETEK-DM365-KB-EZ開發(fā)板作為監(jiān)控端，華為C8500和中興N880S手機作為客戶端。這兩支手機均安裝了使用Java語言編寫的客戶端程序，監(jiān)控系統(tǒng)采用由ISO的MPEG和ITU的VCEG兩個組織制定的H.264視頻編碼標準，視頻分辨率為352×288，10幀/s，碼率200kbps。在VPN網(wǎng)環(huán)境下(VPN網(wǎng)絡有中國電信提供，對手機的VPN設置選項進行一些相關設置，然后輸入電信提供的帳號和密碼就可以進入VPN網(wǎng)絡)，進行了測試。畫面清晰，視頻流暢，多播功能得到了較好的實現(xiàn)。由于電信的3G網(wǎng)絡的不穩(wěn)定，實驗過程中還是有少量馬賽克出現(xiàn)。效果如圖3所示。

圖3 測試效果圖

5 結束語

多播作為一點對多點的通信［5］，是節(jié)省網(wǎng)絡帶寬的有效方法之一。在網(wǎng)絡音頻/視頻廣播的應用中，當需要將一個節(jié)點的信號傳送到多個節(jié)點時，無論是采用重復點對點通信方式，還是采用廣播方式，都會嚴重浪費網(wǎng)絡帶寬，只有多播才是最好的選擇。多播能使一個或多個多播源只把數(shù)據(jù)包發(fā)送給特定的多播組，而只有加入該多播組的主機才能接收到數(shù)據(jù)包。目前，IP多播技術被廣泛應用在網(wǎng)絡音頻/視頻廣播、AOD/VOD、網(wǎng)絡視頻會議、多媒體遠程教育、“push”技術(如股票行情等)和虛擬現(xiàn)實游戲等方面。由于任何IP都可以自由的加入一個多播組，也可以隨時隨地的離開一個多播組，因此多播的安全性一直一個比較棘手的問題。本文提出使用VPN技術，可以較好的解決安全性問題。

［1］ 劉聰，陳大慶，鄭冬冬.TD視頻監(jiān)控的解決方案分析［J］.電信技術，2011，(11):48－50.

［2］ 劉鵬.音視頻壓縮技術在多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2003.

［3］ 徐立新，李宗斌.IP組播技術的API編程實踐［J］.微型機與應用，2002，21(6):32－34.

［4］ 朱利，周俊輝，鄭守淇.WINDOWS下組播通信的研究與實現(xiàn)［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2000，21(2):132－134.

［5］ 徐昌彪.IP組播及其核心技術探討［J］.計算機應用研究，2001，18(8):38－41.