基于SIP的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)信令的設(shè)計與實現(xiàn)

楊豐瑞，蔣培健，張杰，

(1.重慶重郵信科(集團)股份有限公司，重慶 400065;2.重慶郵電大學 通信新技術(shù)應用研究所，重慶 400065;3.重慶郵電大學 重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065)

0 引言

隨著技術(shù)的進步和應用的需求，視頻監(jiān)控已經(jīng)服務于各個行業(yè)。視頻監(jiān)控經(jīng)歷了模擬視頻監(jiān)控到數(shù)字視頻監(jiān)控，再到遠程網(wǎng)絡視頻監(jiān)控幾個階段，它正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、多媒體化的方向發(fā)展［1］。本系統(tǒng)由服務端和客戶端兩部分組成，服務端采用達芬奇系列DM6467，它采用ARM+DSP雙核結(jié)構(gòu)，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，能夠同時支持8路D1和1路高清視頻，主要完成視頻壓縮編碼，網(wǎng)絡傳輸，及相關(guān)控制等功能;客戶端基于Windows系統(tǒng)，VC++開發(fā)，完成對視頻碼流的接收、管理、存儲、解碼和播放等功能。無線模塊采用TD－SCDMA制式的TDM330無線網(wǎng)卡。

目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流技術(shù)標準有2個:H.323和SIP。H.323的視頻系統(tǒng)目前已經(jīng)比較成熟，但由于其體系結(jié)構(gòu)龐大且較為復雜，限制了其在中小企業(yè)的部署。SIP以其簡潔、靈活、易于實現(xiàn)和擴展等特性而迅速得到業(yè)界的推崇。不同架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)互聯(lián)和共享的時候會遇到控制信令不統(tǒng)一的問題，不同信令實現(xiàn)的監(jiān)控端、客戶端與系統(tǒng)無法互聯(lián)，有效的手段就是采用統(tǒng)一規(guī)范的信令控制協(xié)議。SIP協(xié)議就是這樣一種信令控制協(xié)議，只要監(jiān)控系統(tǒng)的各個單元都用它做信令控制，整個系統(tǒng)就能實現(xiàn)統(tǒng)一的信令交互［2］。在視頻監(jiān)控行業(yè)，將SIP作為其系統(tǒng)的控制信令已經(jīng)慢慢成為共識。本系統(tǒng)就是用SIP與會話描述協(xié)議(SDP)、實時傳輸協(xié)議(RTP)配合，將視頻監(jiān)控服務器與客戶端監(jiān)控中心兩個部分互聯(lián)起來構(gòu)成了一個完整的通信系統(tǒng)，能夠穿越局域網(wǎng)在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)運行。

1 SIP協(xié)議

SIP也稱為RFC3261，是一個應用層的信令控制協(xié)議。用于創(chuàng)建、修改和釋放一個或多個參與者的會話。這些會話可以是Internet多媒體會議、IP電話或多媒體分發(fā)。會話的參與者可以通過組播(multicast)、網(wǎng)狀單播(unicast)或兩者的混合體進行通信。SIP模仿HTTP1.1的風格，重用HTTP編碼，所有消息基于文本，重用Internet尋址方案，使用RFC2369中定義的URI和URL格式［3］。SIP的另一個重要特點是會話雙方的會話類型可以使用會話描述協(xié)議(SDP)來實現(xiàn)，只定義如何管理這些會話而不定義通信雙方的會話類型。可以將繁瑣的多媒體類型問題從信令控制問題中剝離出來，從而大大簡化了系統(tǒng)的開發(fā)難度［4］。

SIP協(xié)議定義了6種基本信令:INVITE，ACK，BYE，OPTIONS，CANCEL，REGISTER。SIP 協(xié)議根據(jù)應用的需要還定義了多種擴展方法，視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要采用RFC3428定義的MESSAGE方法和RFC2976定義的INF0方法。同時，在RFC3261中還定義了6類響應狀態(tài)碼，從lxx到6xx。其含義表示臨時響應、成功響應、重定向、客戶端錯誤、服務器錯誤、全局錯誤［5］。

SIP采用客戶機/服務器結(jié)構(gòu)，由用戶代理(User A-gent，UA)和網(wǎng)絡服務器(Server)兩大部分組成。用戶代理包括用戶代理客戶端(UAC)和用戶代理服務器(UAS)。SIP服務器包括代理服務器、重定向服務器和注冊服務器。不同SIP服務器只是邏輯功能上的分類，而不是物理上的［6］。

本系統(tǒng)就是以視頻監(jiān)控服務器作為UAS，客戶端監(jiān)控中心作為UAC，而中間的SIP服務器完成接受用戶代理的注冊和信令的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

2 環(huán)境搭建

本系統(tǒng)SIP模塊是基于開源庫eXosip2/osip2上開發(fā)的，筆者使用的是osip2的擴展開發(fā)庫eXosip2。開發(fā)板DM6467 操作系統(tǒng)為:montavista linux2.6.10。

首先需要編譯安裝SIP協(xié)議棧，在目標板交叉編譯協(xié)議棧，并對協(xié)議棧做測試。

其次需要實現(xiàn)SIP服務器，滿足簡單的測試需要，本系統(tǒng)采用開源的SIP服務器Kamailio(原名OpenSER)，3.0版本是一個主要的發(fā)布版本，包含很多新功能和特性。安裝需要:Linux OS(this tutorial is applied on Ubuntu 10.04)，Kamailio 3.0.x ，Asterisk 1.6.2.x，UnixODBC－，MySQL Server and Client(recommended 5.1+，min5.0)，MySQL client library，ODBC MySQL connector。安裝后并做相關(guān)配置，創(chuàng)建合法用戶等，從而實現(xiàn)了SIP server。

3 系統(tǒng)的SIP信令交互

3.1 SIP注冊

系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)服務器和Windows平臺客戶端組成。其中嵌入式系統(tǒng)服務器模塊充當UAS角色，Windows客戶端充當UAC角色。首先需要實現(xiàn)服務端(UAS)和客戶端(UAC)的注冊。UAS/UAC發(fā)送注冊消息，SIP server回復200OK，則注冊成功。注冊可以實現(xiàn)UA IP地址的隱藏，客戶端在無需知道服務端IP的情況下可以采用:SIP URL(sip:服務端的用戶名@SIP server IP)形式，利用SIP server地址服務來實現(xiàn)INVITE請求。由于系統(tǒng)采用TD無線模塊，每次開發(fā)板啟動后，便會自動撥號，撥號成功便返回一個IP，所以每次重啟后都得到一個隨機IP，通過前面提到的SIP服務器的定位功能便可以解決IP變動問題。

3.2 會話過程

注冊成功后，客戶端(UAC)便可向服務端(UAS)發(fā)送INVITE請求，建立會話。而UAS收到INVITE，認為其合法便向UAC發(fā)送RTP媒體數(shù)據(jù)流。呼叫會話建立過程如圖1所示。

圖1 SIP會話建立過程

客戶端UAC作為會話的發(fā)起者，在注冊后，首先向SIP服務器發(fā)送INVITE請求，SIP服務器會轉(zhuǎn)發(fā)INVITE，同時發(fā)送TRYING給UAC;UAS收到INVITE后發(fā)送TRYING，并發(fā)送 RINGING給SIP服務器，SIP服務器轉(zhuǎn)發(fā)RINGING給UAC;UAS確認請求便發(fā)送200OK，SIP服務器轉(zhuǎn)發(fā)200OK，同時UAC直接回應ACK，因為至此UAC已經(jīng)獲知UAS的IP地址信息。在會話建立過程中，UAC發(fā)送的INVITE消息會攜帶SDP消息，INVITE過程就完成了媒體協(xié)商。在UAS確定接受INVITE發(fā)送200OK，UAC回復ACK后，就可以建立媒體數(shù)據(jù)流。體現(xiàn)在服務端便是在發(fā)送200OK后，就根據(jù)INVITE過程中傳遞的SDP信息建立RTP媒體任務。在會話過程中，任何一方都可以發(fā)送BYE來結(jié)束會話。

3.3 SIP其他方法的應用

通過SIP的INVITE方法能很好地完成實時視頻流監(jiān)控，控制流方面(包括報警、配置、PTZ控制等)可以采用SIP的其他方法來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用MESSAGE方法來實現(xiàn)PTZ控制，INFO方法實現(xiàn)視頻屬性的配置。

MESSAGE和INFO是SIP的擴展方法，將其作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制流信令方法也被逐漸統(tǒng)一。MESSAGE和INFO的區(qū)別是:MESSAGE是會話之外的消息，傳遞及時消息;INFO的信令通路是呼叫建立之后建立的信令通路，可以是呼叫方和被呼叫方用戶代理之間的直接信令，也可以包括牽涉到呼叫建立和自己增加到初始INVITE信息記錄路由頭部的SIP代理服務器的信令通路。根據(jù)各自特點，使用MESSAGE用于云鏡控制，信令流程如圖2所示［7］;而視頻參數(shù)(制式、亮度、色度、對比度、飽和度)的改變需要在會話建立以后，在通話過程中，根據(jù)需要改變，所以適合用INFO方法實現(xiàn)(信令流程和MESSAGE類似)。

圖2 MESSAGE信令流程

4 SIP模塊執(zhí)行過程

UAS和UAC的SIP模塊具體處理流程大致相同，但是側(cè)重于處理不同SIP消息。下面以視頻服務端為例介紹SIP模塊的執(zhí)行流程。

UAS在啟動后會進行SIP初始化，指定監(jiān)聽端口與協(xié)議類型，然后進行注冊(可以實現(xiàn)自動刷新)，初始化完成后SIP處于事件檢測狀態(tài)，循環(huán)監(jiān)聽端口的網(wǎng)絡事件，根據(jù)UAC的事件類型做出相應處理。SIP協(xié)議棧定義了不同的事件類型，如:EX0SIP_CALL_INVITE，EXOSIP_CALL_ACK，EX0SIP_CALL_CL0SED，EXOSIP_MESSAGE_NEW，EXOSIP_CALL_MESSAGE_NEW等，當判斷為 EX0SIP_CALL_INVITE表示UAC發(fā)送INVITE，請求建立會話，UAS就發(fā)送180振鈴，回復200OK同時攜帶SDP消息，啟動建立RTP建立過程;等UAC回應EXOSIP_CALL_ACK，即可啟動RTP發(fā)送線程;UAS收到EX0SIP_CALL_CL0SED表示UAC請求結(jié)束會話，UAS結(jié)束本次會話，退出RTP發(fā)送線程。而EXOSIP_MESSAGE_NEW是UAS收到UAC的對于云鏡的控制信息，調(diào)用yuntai()函數(shù)執(zhí)行對云鏡的控制，回復200OK;EXOSIP_CALL_MESSAGE_NEW則對應于INFO方法，根據(jù)UAC傳遞過來的參數(shù)實時改變視頻屬性。程序流程如圖3所示。

5 監(jiān)控中心實現(xiàn)

PC客戶端監(jiān)控中心在Windows平臺下采用VC++開發(fā)，提供了良好的用戶界面，操作簡單直觀。運行后首先完成SIP的注冊，注冊成功就可以呼叫監(jiān)控點(視頻監(jiān)控服務器)，請求視頻連接。也可以點擊對應圖標通過SIP信令通道實現(xiàn)對云鏡的控制和實時視頻屬性的改變。在本地可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的解碼播放、存儲、回放、呼叫結(jié)束等功能?？蛻舳私缑嫒鐖D4所示。

圖3 SIP模塊執(zhí)行過程

圖4 客戶端界面

6 結(jié)束語

筆者介紹了基于SIP的無線視頻服務器的設(shè)計和實現(xiàn)過程，以SIP作為信令控制協(xié)議使系統(tǒng)能夠更好地與其他平臺互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)了對遠程監(jiān)控點的訪問控制和視頻流的播放，還可以在此基礎(chǔ)上更加完善功能，使視頻服務器更加智能。由于采用3G無線傳輸技術(shù)，本系統(tǒng)可以用于一些特殊場合和移動環(huán)境，更具競爭力。

［1］凌慶華，石志強，程偉明.基于SIP的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2007，33(2):261－263.

［2］劉勇，陳延雄.SIP協(xié)議的研究及呼叫控制實現(xiàn)［J］.微處理機，2008，3:54－56.

［3］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H.RFC3261 IETF，SIP:Session Initiation Protocol［S］.2002.

［4］趙哲峰，張剛，謝克明，等.基于SIP的視頻監(jiān)控服務器設(shè)計［J］.太原理工大學學報，2009，40(4):337－340.

［5］何青林，陳朝武，盧煜，等.基于SI P的視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2009，33(5):116－117.

［6］萬曉榆，張溢華，樊自甫.基于SIP的視頻會議系統(tǒng)視頻模塊的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2009，33(8):99－102.

［7］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H，HUITEMA C，et al.RFC3428 IETF，Session Initiation Protocol(SIP)Extension for Instant Messaging［S］.2002.