苑春苗，萬振凱，楊清永

（1.天津工業(yè)大學 計算機科學與軟件學院，天津 300160；2.天津天地偉業(yè)數碼科技有限公司，天津 300384）

主動方式的視頻監(jiān)控系統連接方案研究

苑春苗1，萬振凱1，楊清永2

（1.天津工業(yè)大學 計算機科學與軟件學院，天津 300160；2.天津天地偉業(yè)數碼科技有限公司，天津 300384）

為提高對網絡環(huán)境的適應能力，滿足大型監(jiān)控聯網系統的需要，提出一種新的應用在視頻監(jiān)控系統的監(jiān)控設備連接方案.該方案通過改變網絡連接的方向，使監(jiān)控設備以主動方式向客戶端提供視頻服務.實驗表明：該方案提升了監(jiān)控設備的局域網穿透能力，增強了網絡自恢復和網絡負載均衡能力.

視頻監(jiān)控；主動連接；負載平衡

視頻監(jiān)控系統是安防行業(yè)的一個重要組成部分，隨著社會需求的不斷增多，監(jiān)控系統正在逐步應用于越來越多的社會領域[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)控端和網絡攝像機數量也逐漸增多，導致監(jiān)控系統結構日益復雜，網絡數據流量日益增大.原有的視頻監(jiān)控系統通常由網絡視頻服務器、轉發(fā)服務器及監(jiān)控端所構成，網絡視頻服務器被動等待轉發(fā)服務器的連接，然后將視頻數據傳送到監(jiān)控中心[2-4].該模型要求網絡視頻服務器具備公共IP，以便轉發(fā)服務器可以進行連接，因此該模式網絡適應能力差，不適合大型監(jiān)控網絡的建設需求.為提升監(jiān)控設備的局域網穿透能力，滿足大型監(jiān)控聯網系統的需要，本文提出一種主動的連接模型.該模型支持監(jiān)控設備主動與監(jiān)控平臺建立連接.通過主動連接方式，提高了監(jiān)控設備的網絡適應能力，增加了網絡自恢復和網絡負載均衡功能，便于大型監(jiān)控系統的部署，使系統的軟件平臺更加穩(wěn)定和易于擴充.

1 系統模型

主動監(jiān)控系統模型由1個備份目錄服務器（Backup Directory）、多個目錄服務器（Directory）、多個視頻代理服務器（Proxy Server）、多個錄像主機/監(jiān)控主機（Client）和多個網絡視頻服務器（Network Video Server，NVS）構成.

為實現主動連接模式，本文在傳統監(jiān)控模型的網絡監(jiān)控主機（監(jiān)控中心的服務器）和網絡視頻服務器（網絡攝像機）之間增加代理服務器、目錄服務器和備份目錄服務器等相關設備.在新的系統結構中，網絡視頻服務器不再被動等待視頻連接請求，而是主動與代理服務器建立連接；網絡監(jiān)控主機連接代理服務器即可獲得所需視頻.系統結構如圖1所示.

在系統中，只要求備份目錄服務器、目錄服務器和代理服務器必須有固定外網IP地址，而NVS和監(jiān)控終端則不需要固定外網IP地址.網絡連接全部采用TCP連接完成.網絡通信端口可更改，點對點之間只能有一個連接，所有命令和數據都通過該連接來完成.

2 實施方案

2.1 不同服務器及所實現的功能

2.1.1 目錄服務器

目錄服務器提供的服務包括域名注冊/解析、NVS身份注冊、代理服務器身份注冊、監(jiān)控主機身份注冊、代理服務器轉發(fā)分配等.

（1）域名注冊/解析：實現設備和軟件的域名注冊/解析功能（即注冊中心）.

（2）NVS身份注冊：NVS去目錄服務器注冊身份，需要上傳“身份標識、主機名、本機IP地址、目錄服務器信息、碼率及其他信息”.當有NVS注冊時，目錄服務器記錄注冊信息，并保持連接，當該連接斷開后刪除注冊記錄.

（3）代理服務器身份注冊：代理服務器去目錄服務器注冊身份，需要上傳“身份標識、主機名、本機IP地址、目錄服務器信息、帶寬及其他信息”.當有代理服務器注冊時，目錄服務器記錄注冊信息，并保持連接，當該連接斷開后刪除注冊記錄.

（4）監(jiān)控主機身份注冊：監(jiān)控主機去目錄服務器注冊身份，需要上傳“身份標識、主機名、本機IP地址及其他信息”.當有監(jiān)控主機注冊時，目錄服務器發(fā)送NVS列表供監(jiān)控主機選擇，不維護監(jiān)控主機注冊記錄.

（5）代理服務器轉發(fā)分配：收到監(jiān)控主機連接請求后，若欲連接的NVS還沒有分配代理，則按照手動指定或最大可用帶寬原則選擇一個代理服務器分配給該NVS.目錄服務器收到代理服務器發(fā)送來的視頻轉發(fā)關系后，更新自身維護的NVS和代理服務器信息列表以及對應關系，該轉發(fā)關系表用來計算網絡負載均衡和供用戶查閱轉發(fā)關系.

所有需要保持的注冊連接都必須定時發(fā)送空數據包，維護的注冊信息表都是動態(tài)的，如果目錄服務器重起，則該表必須重新注冊建立.

2.1.2 代理服務器

代理服務器提供的服務包括NVS視頻注冊、監(jiān)控主機視頻連接和視頻代理轉發(fā)等.

（1）NVS視頻注冊：NVS注冊身份、設備類型和視頻通道數.代理服務器收到視頻注冊信息后，馬上通知目錄服務器視頻轉入關系.

（2）監(jiān)控主機視頻連接：當收到監(jiān)控主機視頻連接NVS請求時，建立NVS與監(jiān)控主機間的視頻轉發(fā)關系.視頻轉出關系建立好之后，向目錄服務器提交視頻轉出關系，以便目錄服務器計算網絡均衡.

（3）斷開處理：當和NVS的連接斷開后，清理所有和該NVS有關的視頻轉發(fā)關系，并通知目錄服務器；當和監(jiān)控主機的連接斷開后，刪除該監(jiān)控主機的視頻轉發(fā)關系，并通知目錄服務器.

（4）注冊功能：去目錄服務器注冊身份，需要上傳“身份標識、主機名、本機IP地址、目錄服務器信息、帶寬和其他信息”，在主目錄服務器連接失敗后自動轉到備份目錄服務器去注冊.

2.1.3 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機向目錄服務器注冊身份，從目錄服務器處獲取NVS列表，獲取信息后斷開連接，無需保持連接狀態(tài).連接視頻時向目錄服務器請求某NVS視頻連接，獲得該視頻連接所需的代理服務器后，再從代理服務器處連接NVS獲取視頻.

2.1.4 網絡視頻服務器NVS

NVS去目錄服務器注冊身份.收到目錄服務器分配給自己的代理服務器地址后，再去代理服務器處注冊視頻連接.在主目錄服務器連接失敗后自動轉到備份目錄服務器去注冊.

2.1.5 備份目錄服務器

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

2.2 視頻請求的處理過程

目錄服務器收到監(jiān)控主機發(fā)送連接某NVS的視頻請求后，若該NVS已經被某代理服務器轉發(fā)，則告訴監(jiān)控主機去該代理服務器處連接視頻；否則可以根據手動配置或是負載均衡原理，從代理服務器列表中選擇一個較合適的代理服務器，并告知NVS去該代理服務器處注冊視頻，NVS注冊視頻成功后由代理服務器通知目錄服務器.得到通知后，目錄服務器告訴監(jiān)控主機去代理服務器處連接視頻.若在規(guī)定時間內（比如40 s）得不到代理服務器的通知，則選擇重試注冊或更換代理服務器后再注冊.若該NVS去各個代理服務器處注冊都不能成功，則通知監(jiān)控主機連接失敗.視頻請求處理過程如圖2所示，線上數字表示的是工作順序.

2.3 代理服務器的分配策略

多媒體數據在網絡中進行傳輸時，為有效地利用網絡帶寬和保證傳輸質量，系統中需要采用相應的帶寬分配算法.劉泉等[5]提出了一種基于資源預留的核心無狀態(tài)動態(tài)帶寬分配機制，采取了一種無狀態(tài)遞歸觀察機制動態(tài)調整預留帶寬值的做法，使得系統可靠性和強壯性大大增強.郭娟等[6]提出了一種適用于寬帶無線網絡的帶寬分配方案，并對話音和視頻業(yè)務的QoS指標進行了分析.Xu Binyang等[7]研究了無線網絡中實時多媒體的調度公平性問題.

在監(jiān)控系統中，由于NVS和監(jiān)控主機數量眾多，各代理服務器處理能力不同，因此在代理服務器進行分配時，必須要采取一定原則，才能保證系統可得到較好的帶寬分配效果[8].在系統中，當提出請求的NVS視頻沒有和代理服務器建立連接時，可以采用手動或是一種簡單的最大可用帶寬均衡算法進行代理服務器的分配.

在本系統模型中，因為代理服務器的代理和分發(fā)作用，其壓力主要在上行帶寬，下行帶寬一定會小于等于上行帶寬，所以在算法設計中只涉及上行帶寬的計算.算法中假設系統有多個代理服務器，每個代理服務器上連接多個NVS，每個NVS上又有多個同監(jiān)控主機建立的TCP連接.算法如下：

假設對于每個NVS和M個監(jiān)控主機有視頻連接，每路視頻的帶寬為BWj，則該NVS的傳輸帶寬BW_NVS為：

對于任意代理服務器，假如其上現在注冊有N個NVS，則該代理服務器的使用帶寬BW_Proxy為：

假設代理服務器的總帶寬為BW_Total，則代理服務器的可用帶寬BW_Available為：

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

3 系統測試效果

從網絡穿透（網絡接入）、網絡自恢復和網絡負載均衡3個方面給出方案的測試效果.

3.1 網絡穿透（網絡接入）測試

網絡攝像機采用內部IP，如果采用傳統系統方案，則內外監(jiān)控設備和監(jiān)控終端不能正常通信；若采用本方案，則系統通信通過代理服務器，只要有明確的代理服務器IP地址，系統即可正常運行.

系統測試中，前端監(jiān)控設備采用PPPoE動態(tài)獲取IP地址的方式，代理服務器和目錄服務器采用固定IP的方式.代理服務器IP為221.238.22.5，目錄服務器IP地址為221.238.22.10.測試時將目錄服務器的IP地址配置到設備內，然后保存重新上電，設備加電后大概20 s注冊到目錄服務器，客戶從目錄服務器連接視頻即可連出實時視頻.連接視頻時客戶端無需知道設備端的IP地址和端口，使用起來非常方便.給設備斷電重啟，反復測試20次，每次設備的IP地址都不相同，平均20 s就可以恢復視頻連接.

3.2 網絡自恢復測試

網絡自恢復主要是為了保證系統的穩(wěn)定性和頑強性.在一個視頻監(jiān)控系統中，系統的性能瓶頸往往都是在流媒體代理轉發(fā)服務器上，一個轉發(fā)服務器往往需要肩負很多路的視頻轉發(fā)業(yè)務，所以監(jiān)控系統中代理服務器的穩(wěn)定性就顯得非常重要.該系統設計中主要考慮，在代理轉發(fā)服務器出現故障后，將視頻轉發(fā)關系自動切換到其他代理服務器上，以保證視頻轉發(fā)關系的頑強性.

該功能測試中，采用1個目錄服務器和3個代理轉發(fā)服務器，分別命名為P1、P2和P3.測試時，客戶端連接視頻時轉發(fā)關系在P1，視頻連接正常，這時將P1人為斷電，模擬故障，可以發(fā)現代理轉發(fā)關系在20 s后自動切換到P2，視頻可正常連接；接下來再將P2的轉發(fā)服務器程序強行結束，人為造成代理服務器程序異常，這時會發(fā)現，視頻轉發(fā)關系會立即切換到P3.經過反復50次試驗和測試，可以確認當代理服務器異常后視頻轉發(fā)關系可很快恢復.

3.3 代理服務器的分配測試

在該測試部分，仍然采用3個代理服務器P1、P2和P3，3個服務器帶寬均為1 Mb/s；系統中有3個NVS，分別為N1、N2和N3；每個網絡視頻服務器的碼率設定為CBR（固定碼率）120 kb/s.向網絡中發(fā)出視頻傳輸請求序列，并通過最大可用帶寬分配法和手動分配兩種方法進行代理服務器分配測試.手動分配時指定：對Ni的視頻請求將分配到指定的Pi上進行視頻連接.

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

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

由表2數據可以看出，目錄服務器在處理視頻請求時，使用最大可用帶寬分配法可使得各服務器的帶寬使用情況較為均衡，而手動分配時3個代理服務器的帶寬使用不均衡.系統實際應用時，可以根據當前代理服務器和網絡的狀態(tài)，決定采用手動或非手動分配代理服務器.

4 結束語

本文提出了一種應用在視頻監(jiān)控系統中的主動連接模式，該模式提高了監(jiān)控系統對網絡環(huán)境的適應性，增強了系統的可擴展性，使系統具備了負載均衡的能力.通過大量的實驗證明該方案是現實可行的，并且具備良好的使用效果.

[1]王 銳，胡佳明，蔣萌青.基于QoS策略的視頻監(jiān)控系統的設計[J].微電子學與計算機，2006，23（6）：68-71.

[2]尹 浩，林 闖，文 浩，等.大規(guī)模流媒體應用中關鍵技術的研究[J].計算機學報，2008，31（5）：755-774.

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[4]胡 棟，劉 峰，朱秀昌.實時多模式無線視頻傳輸原型系統的實現[J].通信學報，2006，27（10）：106-112.

[5] 劉 泉，梁小宇，吳皓瑩.資源預留動態(tài)帶寬分配機制[J].武漢理工大學學報，2007，29（5）：138-141.

[6]郭 娟，李明遠.寬帶無線網中的帶寬分配方案及QoS分析[J].西安電子科技大學學報，2006，33（2）：333-335.

[7] XU Binyang，LI Shaoqian，PU Heping.Scheduling fairness of real-time scheduling algorithms in wireless multimedia application[J].Chinese Journal of Electronics，2007，16（2）：332-337.

[8] WU Dapeng.Transporting real-time video over the internet：challenges and approaches [J].Proceedings of the IEEE，2000，88（12）：1855-1875.

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 基金項目：天津市科技創(chuàng)新專項資金資助項目（08FDZDGX00900）

苑春苗（1975—），女，碩士，講師.

萬振凱（1964—），男，博士，教授，博士生導師.E-mail：wanzhenkai@tjpu.edu.cn