基于自定義協(xié)議的農(nóng)業(yè)異構(gòu)視頻系統(tǒng)集成研究

李新樂，李書琴，蔚繼承，李偉男，魏 露

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 楊凌712100）

0 引 言

由于農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)系統(tǒng)長期缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)的視頻系統(tǒng)都以小范圍區(qū)域部署為主，并且呈現(xiàn)出顯著差異性，即使結(jié)構(gòu)形式相同，構(gòu)成系統(tǒng)的具體模塊和控制協(xié)議存在深層次的異構(gòu)性［1，2］。

針對目前各個地區(qū)視頻服務(wù)系統(tǒng)遵循不同協(xié)議，彼此異構(gòu)而不能互通服務(wù)的現(xiàn)狀，研究設(shè)計異構(gòu)農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通方案，使不同地區(qū)的異構(gòu)視頻系統(tǒng)可以彼此為對方地區(qū)用戶服務(wù)，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)領(lǐng)域亟需解決的問題。針對異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)問題，目前國內(nèi)外有以下幾種解決方法：針對基于H.323協(xié)議的視頻服務(wù)系統(tǒng)，多通過協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件完成系統(tǒng)間的信令轉(zhuǎn)換［4，5，9］；針對流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)，目前多采用基于Web Service技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)集成［2，7］，但是上述方法實現(xiàn)比較復(fù)雜、通信效率低，且較少有人研究遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議視頻系統(tǒng)與流媒體視頻系統(tǒng)互聯(lián)問題。

本文針對當(dāng)前主流的流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)只需交換彼此系統(tǒng)的控制消息即可實現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)互通的特點，提出了在不改變原有視頻服務(wù)系統(tǒng)功能前提下，通過增加控制信息代理方式完成異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)方案。通過設(shè)計和實現(xiàn)互聯(lián)互通協(xié)議和視頻服務(wù)系統(tǒng)，完成了對該方案的驗證，構(gòu)建了基于該協(xié)議的分布式視頻服務(wù)系統(tǒng)。

1 異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)整合方案設(shè)計

對于當(dāng)前大多數(shù)流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)，只需要知道其它視頻服務(wù)系統(tǒng)的培訓(xùn)室列表信息，每個培訓(xùn)室內(nèi)的成員信息以及成員的流媒體播放地址，以及其它視頻服務(wù)系統(tǒng)的主要控制命令等，連接到本服務(wù)器的用戶即可接入到其它服務(wù)器的培訓(xùn)室中完成視頻培訓(xùn)過程，實現(xiàn)互聯(lián)互通過程。

對于遵循H.323協(xié)議的軟件視頻服務(wù)系統(tǒng)或硬件視頻會議終端需要接入流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)時，不僅需要完成上述的培訓(xùn)室和培訓(xùn)室成員等通信實體信息和控制信息的交換，還需要完成H.323音視頻流到流媒體音視頻流的轉(zhuǎn)換。

基于以上分析，為了不影響已構(gòu)建好的視頻服務(wù)系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式，本文采用引入中間視頻控制代理的互聯(lián)互通方案。已有視頻服務(wù)系統(tǒng)只需要增加與視頻控制代理通信模塊，即可實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的互聯(lián)互通。這樣可以保證已有視頻服務(wù)系統(tǒng)按照原有模式工作運轉(zhuǎn)，即節(jié)點自治性。以楊凌三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)與寧夏三農(nóng)呼叫中心為例，其互聯(lián)方案如圖1所示。

圖1 視頻互聯(lián)互通

其中，代理服務(wù)器遵循相同的協(xié)議，主要完成異構(gòu)服務(wù)器之間的控制信息的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)楊凌站點上的用戶1需要參與寧夏站點提供的遠(yuǎn)程服務(wù)培訓(xùn)時，楊凌站點通過代理服務(wù)器1向?qū)幭恼军c的代理服務(wù)器2發(fā)送請求培訓(xùn)室列表及進入培訓(xùn)室等指令，代理服務(wù)器2需要將指令轉(zhuǎn)換成寧夏站點服務(wù)器可以識別與處理的指令，處理完成后將結(jié)果通過代理服務(wù)器2發(fā)給代理服務(wù)器1，處理完成后給楊凌站點。在該方案下，各自站點完成本服務(wù)器用戶身份認(rèn)證和視頻服務(wù)控制等功能，互聯(lián)雙方交換彼此信任的培訓(xùn)室列表、用戶列表和用戶視頻播放地址等信息。楊凌用戶1加入到寧夏站點的培訓(xùn)室后即可加入到寧夏培訓(xùn)室的用戶列表中，與寧夏用戶一樣接受寧夏站點的控制和調(diào)度，控制信息經(jīng)過視頻控制代理轉(zhuǎn)發(fā)到楊凌站點，最終轉(zhuǎn)發(fā)給用戶1。控制服務(wù)器及代理對消息控制的流程如圖2所示。

圖2 消息控制流程

2 異構(gòu)視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)

基于以上互聯(lián)互通模型以及分布式農(nóng)業(yè)視頻服務(wù)業(yè)務(wù)流程分析，自定義互聯(lián)互通協(xié)議需要規(guī)定站點、培訓(xùn)室、培訓(xùn)室成員等通信實體信息以及登陸驗證、請求站點列表、培訓(xùn)室列表和成員列表等控制命令。

2.1 協(xié)議工作方式的確定

本文自定義的視頻互聯(lián)互通協(xié)議 （video interconnection protocol，VICP）工作于TCP／IP之上的應(yīng)用層，消息傳遞是服務(wù)器端與客戶端通信的主要方式。VICP協(xié)議中定義了請求消息和響應(yīng)消息，前者用于客戶端向服務(wù)器請求資源，后者用于服務(wù)器向客戶端發(fā)送處理請求后的響應(yīng)。

為了保證VICP協(xié)議的高效性，采用持久連接工作方式，每個會話周期從客戶端發(fā)送請求至服務(wù)器端連接建立開始，到客戶端正?；虍惓Ｍ顺鲞B接中斷結(jié)束。在一個會話過程中，客戶端與服務(wù)器端可以進行多次交互。

2.2 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計主要規(guī)定了通信過程規(guī)則，即消息的格式。發(fā)送雙方根據(jù)協(xié)議規(guī)則發(fā)送、接收和處理數(shù)據(jù)［3］。根據(jù)以上設(shè)計方案VICP協(xié)議消息分為兩類，即客戶端請求消息 （SNCMessage）和服務(wù)器響應(yīng)消息 （SNSMessage）。VICP協(xié)議將登錄驗證、請求站點列表等通信過程定義為命令，用于指示消息接收方如何處理數(shù)據(jù)，同時定義了培訓(xùn)成員、站點和培訓(xùn)室等通信實體的信息結(jié)構(gòu)。SNCMessage和SNSMessage都由消息頭部和消息體構(gòu)成，其中SNCMessage消息頭部定義了命令類型和接收命令的服務(wù)器地址，SNSMessage頭部只需要包含命令類型即可。SNCMessage消息體包含可選的成員信息、培訓(xùn)室信息以及發(fā)言請求信息等，SNSMessage消息體包含可選的服務(wù)器列表、培訓(xùn)室列表以及成員列表等信息。由于消息長度不確定性，所以VICP協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一個字段為4字節(jié)的標(biāo)識客戶端消息或服務(wù)器端消息的長度，第二字段為消息本身，第三字段為4字節(jié)CRC32校驗位，以校驗通信數(shù)據(jù)的完整性。VICP協(xié)議幀格式如圖3所示，其中消息長度即客戶端消息和服務(wù)器端消息長度。

圖3 VICP協(xié)議幀格式

2.3 互聯(lián)互通協(xié)議時序

異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)正確工作依賴于雙方按照協(xié)議規(guī)定進行工作。發(fā)送方幀結(jié)構(gòu)中的命令字部分代表了一個請求或者對于一個請求的響應(yīng)。接收方根據(jù)接收到的命令字對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，同時將不同的響應(yīng)消息給發(fā)送方，直到通信雙方有一個退出系統(tǒng)或者通信線路中斷時通信過程結(jié)束。

2.4 協(xié)議實現(xiàn)

考慮到待互聯(lián)互通流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)大部分由C＋＋或Java等主流開發(fā)語言編寫，為了保證互聯(lián)方案的可行性和可擴展性，協(xié)議設(shè)計采用Google公司的Protocol Buf－fers（簡稱protobuf）技術(shù)完成。與通用數(shù)據(jù)交換格式XML相比，protobuf具有數(shù)據(jù)量小，效率高，使用簡單并且歧義性小的優(yōu)勢。使用protobuf完成協(xié)議設(shè)計過程如下：首先根據(jù)上述協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果參照protobuf語法格式制定協(xié)議文件，然后利用protobuf工具將協(xié)議文件轉(zhuǎn)換為Java或C＋＋等語言下的類，這些類提供了簡單的方法訪問每個字段，從而使協(xié)議實現(xiàn)變得更為簡捷。protobuf技術(shù)的應(yīng)用保證了VICP協(xié)議的易用性和高效性。

3 視頻控制及代理服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

為了測試VICP協(xié)議在異構(gòu)流媒體視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通方面的可行性，設(shè)計和實現(xiàn)了基于該協(xié)議的視頻控制服務(wù)器和代理服務(wù)器，同時利用開源的Red5作為流媒體服務(wù)器做集群部署，完成了流媒體視頻系統(tǒng)的建設(shè)工作。

3.1 視頻控制服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

視頻控制服務(wù)器主要完成系統(tǒng)站點信息、培訓(xùn)室和成員信息等的管理，同時也負(fù)責(zé)通過代理服務(wù)器完成與其它系統(tǒng)進行信息交互。為了保證控制服務(wù)器的高效性和穩(wěn)定性，服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)框架［8］，結(jié)合protobuf完成協(xié)議包解析，采用跨平臺的Java語言完成控制服務(wù)器的實現(xiàn)。

（1）視頻控制服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

視頻控制服務(wù)器采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架，其架構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)接口層、過濾器鏈層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)接口層和數(shù)據(jù)庫層。其中網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)打開監(jiān)聽端口，發(fā)起建立連接以及連接斷開，過濾器鏈層主要有日志過濾器和編解碼過濾器等構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，業(yè)務(wù)處理層主要完成數(shù)據(jù)接收處理和發(fā)送，數(shù)據(jù)接口層為業(yè)務(wù)層的數(shù)據(jù)庫訪問提供支持。數(shù)據(jù)庫層主要完成數(shù)據(jù)存儲功能，其架構(gòu)如圖4所示。

圖4 視頻控制服務(wù)器架構(gòu)

（2）視頻控制服務(wù)器實現(xiàn)

采用上述協(xié)議及架構(gòu)實現(xiàn)視頻服務(wù)控制系統(tǒng)時，A－pache Mina可以根據(jù)解碼器自動判斷接收緩沖是否已有完整消息，如果消息完整則交給業(yè)務(wù)處理器處理該消息。因此需要根據(jù)上述的協(xié)議數(shù)據(jù)單元實現(xiàn)自定義的編解碼器。在編碼器中，需要將消息對象序列化為二進制流，并且在頭部附加消息長度，尾部添加消息校驗和。在解碼器中需要判斷當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度大于消息長度與校驗位長度之和時，則認(rèn)為已接收到完整的消息。由于Apache Mina數(shù)據(jù)包一般較小，VICP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀有可能分到多個Apache Mina數(shù)據(jù)包中傳送，因此需要考慮分包問題，即在接收時將多個mina數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)合成一個完整的VICP數(shù)據(jù)包。其處理邏輯如圖5所示。

3.2 視頻控制代理服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

視頻控制代理服務(wù)器主要作為已構(gòu)建視頻系統(tǒng)代理完成與其它異構(gòu)系統(tǒng)的信息交互功能，引入代理服務(wù)器主要目的是減少對原有系統(tǒng)改動，這符合軟件設(shè)計開閉原則。與視頻控制服務(wù)器相同，控制代理服務(wù)器遵循上述VICP協(xié)議，并且采用Apache Mina網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架與其它的視頻服務(wù)系統(tǒng)交互，同時根據(jù)不同的異構(gòu)系統(tǒng)完成與自身視頻控制系統(tǒng)信息交互。

圖5 數(shù)據(jù)包接收處理流程

3.3 H.323視頻系統(tǒng)與流媒體視頻系統(tǒng)集成

為了解決流媒體視頻服務(wù)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)科技推廣領(lǐng)域現(xiàn)有的基于H.323協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)視頻會議系統(tǒng)互聯(lián)互通問題，采用改造傳統(tǒng)H.323體系中MCU的技術(shù)方案實現(xiàn)兩者互聯(lián)。基本思路如下：在傳統(tǒng)MCU基礎(chǔ)上，通過LIBRTMP組件完成H.323音視頻流和RTMP流媒體視頻流之間的轉(zhuǎn)換，同時添加VICP協(xié)議支持，使MCU作為H.323視頻系統(tǒng)中其它終端代理，完成視頻系統(tǒng)控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)，即將本系統(tǒng)的成員及培訓(xùn)室信息等轉(zhuǎn)發(fā)給異構(gòu)的流媒體視頻系統(tǒng)，同時將流媒體視頻系統(tǒng)的相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)給本系統(tǒng)成員，這樣即可完成H.323視頻系統(tǒng)與流媒體系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

4 系統(tǒng)測試與評價

為了驗證上述異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通方案的可行性、有效性和正確性，本研究設(shè)計并實現(xiàn)三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)控制服務(wù)器以及視頻終端軟件，并且作為不同地區(qū)站點部署在不同的服務(wù)器上，完成了同構(gòu)視頻系統(tǒng)測試。同時利用該系統(tǒng)與成都金虎科技開發(fā)的寧夏三農(nóng)呼叫中心進行互聯(lián)互通測試。上述兩個系統(tǒng)無論控制協(xié)議還是數(shù)據(jù)庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有顯著差異，因此是一個典型的異構(gòu)視頻服務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)問題。在互聯(lián)過程中，三農(nóng)呼叫中心作為已有視頻系統(tǒng)，增加了代理服務(wù)器與三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)聯(lián)合開展培訓(xùn)服務(wù)。兩者之間控制信息通過Apache Mina套接字進行通信，音視頻通信仍然采用本身的RTMP協(xié)議進行。互聯(lián)互通后兩個系統(tǒng)的用戶可以彼此可以進入對方培訓(xùn)室并且進行視頻咨詢。用戶登錄一個服務(wù)器站點即可看到其它站點的培訓(xùn)室列表。用戶登錄一個服務(wù)站點即可看到其它站點的培訓(xùn)室列表，其效果如圖6所示。用戶可進入到其它地區(qū)站點的培訓(xùn)室并與主講專家音視頻交互，效果如圖7所示。

圖6 不同服務(wù)器培訓(xùn)室列表

圖7 不同系統(tǒng)用戶音視頻交互

實驗結(jié)果表明，采用基于自定義協(xié)議和Apache Mina的視頻服務(wù)系統(tǒng)集成方案與基于Web Service的視頻系統(tǒng)集成方案相比，具有實現(xiàn)簡單，傳輸數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點，以下是采用自定義協(xié)議的視頻互聯(lián)互通控制通信以及采用Web Service方式通信在傳輸相同指令信息時的數(shù)據(jù)量對比，結(jié)果見表1。

表1 不同互聯(lián)方式傳輸數(shù)據(jù)流量對比

由表1可以看出自定義協(xié)議下采用二進制傳輸信息不僅可以節(jié)省流量，而且結(jié)合protobuf具有較高的解析速度。

5 結(jié)束語

本文在分析當(dāng)前主流農(nóng)業(yè)視頻系統(tǒng)特點現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了采用自定義協(xié)議及控制代理完成異構(gòu)視頻系統(tǒng)互聯(lián)互通的技術(shù)方案，設(shè)計并實現(xiàn)了三農(nóng)視頻服務(wù)系統(tǒng)，并且對上述的互聯(lián)互通模型進行了驗證。實驗結(jié)果表明，該方案實現(xiàn)簡單，可靠性較強，并且保證了原有系統(tǒng)的自治性。但是可以看出每個子系統(tǒng)需要維護對與其互聯(lián)的其它視頻系統(tǒng)列表，造成了一定的操作不便，以后可以考慮在模型中增加信息控制節(jié)點完成子系統(tǒng)信息的管理功能和權(quán)限控制功能。

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