基于SIP的网络视频监控系统.pdf

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1、收稿日期:2006204212;修返日期:2006206215 基金项目:国家“863”计划资助项目(2005AA132015)作者简介:陈季安(19782),男,湖北云梦人,硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理、嵌入式系统开发();陈安平(19692),男,湖北云梦人,讲师,硕士研究生,主要研究方向为计算机软件与理论;李立群(19812),男,甘肃静宁人,硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理、嵌入式系统开发;戚文芽(19682),女,浙江余姚人,副教授,硕导,博士,主要研究方向为信号与信息处理、嵌入式系统开发.基于S IP的网络视频监控系统3陈季安,陈安平,李立群,戚文芽(解放军信息

2、工程大学 信息科学系,河南 郑州450002)摘 要:介绍了初始会话协议SIP。在SIP和一般视频监控系统模型的基础上,提出了一种基于SIP的网络视频监控系统,给出了分层网络模型,并对其各功能模块的作用进行了重点阐述。该分层网络模型的建立使得构建数字化、网络化、智能化、多媒体化视频监控系统成为可能。关键词:初始会话协议;媒体流;视频监控;网络架构中图分类号:TP393102 文献标志码:A 文章编号:100123695(2007)0520247203Network Video Surveillance System Based on SIPCHEN Ji2an,CHEN An2ping,L I

3、Li2qun,Q IWen2ya(Dept.of Infor mation Science,PLA Infor mation Engineering University,Zhengzhou Henan450002,China)Abstract:The paper introduced Session Initial Protocol(SIP).Based on the SIP and the common video surveillance systemmodels,it designed a general SIP network video surveillance system an

4、d presented a layered network model,whose compo2nentswas discussed in detail.The layered network model presented here makes it possible to construct a real digital and net2work and intellectualized and multimedia video surveillance system.Key words:SIP(session initial protocol);media streaming;video

5、 surveillance;network framework0 引言随着互联网的普及,以及计算机、IP网络、图像处理、传输技术的飞速发展,视频监控技术也有长足的发展。数字化、网络化、智能化、多媒体化视频监控系统已经成为国内外发展的必然趋势。视频监控是现代化管理、监测、控制的重要手段之一,以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛地应用于工业、商业、金融、交通、教育、军事以及安防等多种领域。近年来,在IP网络上实现视频监控成为了一个重要的研究热点。为了在Internet上实现多媒体会话业务,IETF(Internet Engineering TaskForce)组织于1999年3月正式提出了SIP。

6、该协议适用于网络电话、网络会议、即时消息和分布式虚拟现实系统等多种多媒体应用;同时它也正在为适应更多的应用而不断扩展、不断标准化。本文结合已有的一些研究结果和SIP扩展,设计了一个基于SIP的网络视频监控系统。1SIPSIP是一种基于IP网络实现实时通信的应用层控制(信令)协议;而所谓的会话(Session)就是指用户之间的数据交换。在基于SIP的应用中,每一个会话可以是各种不同类型的内容,如普通的文本数据、数字化音频、视频数据,还可以是诸如游戏等应用的数据。SIP是基于HTTP的,它可以通过代理或重定向功能将用户请求转至当前被叫用户。它和HTTP、S MTP一样,采用的也是便于操作的基于文本

7、的编码方式。这是SIP与视频通信领域其他现有标准相比最大的特点之一。SIP可以用来创建、修改和终止有多个参与者参加的多媒体会话进程,参与会话的成员可以通过组播(Multicast)、单播(Unicast)或两结合的方式进行通信。SIP能邀请用户加入一个已经存在的会话中(如多播会话),也可以用于创建一个全新的会话。会话中的媒体形式可以增加或更改;SIP还可以透明地支持用户名映射和重定向服务,从而支持用户的移动性。SIP不是一个垂直集成的通信系统。它需要与其他协议共同建立一个完整的多媒体通信框架。例如,为了协商多媒体会话参数,需要与RTP、RTCP、SDP(Session Description

8、Proto2col)结合。虽然SIP需要与其他协议相结合才能为用户提供完整的服务,但是其基本功能和操作却不依赖于其他协议。111SIP系统基本组成按逻辑功能区分,SIP系统主要由四类元素组成,即用户代理、代理服务器、重定向服务器以及注册服务器。(1)用户代理(User Agent,UA)是SIP通信的用户终端。其包括两个部分,即用户代理客户(UserAgent Client,UAC)和用户代理服务器(User Agent Server,UAS)。发起呼叫的主呼SIP用户终端为用户代理客户,用于初始化的呼叫,发出呼叫请求;被呼SIP用户终端为用户代理服务器,用于响应呼叫请求(接收、拒绝或重定向)

9、。SIP终端同时具备UAC和UAS的功能。(2)代理服务器(Proxy Server)是一个中间元素。它既是第24卷第5期2007年5月计 算 机 应 用 研 究Application Research of ComputersVol.24,No.5May 2007 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/一个客户机又是一个服务器,具有解析名字、选择地址的能力;能够代理前面的用户向下一跳服务器发出呼叫请求,由服务器决定下一跳的地址。(3)重定向服务器(Redir

10、ect Server)是一个规划SIP呼叫路径的服务器。它在获得下一跳地址后,立刻告诉前面的用户,让该用户直接向下一跳地址发出请求,而自己则退出对这个呼叫的控制。(4)注册服务器(Register Server)用来完成对UAS的注册。当注册服务器接收到位置信息时会立即将这些信息上传到位置服务器。在SIP系统的网元中,所有UAS都要在某个登录服务器中登录,以便UAC通过服务器能够找到它们。另外,在实际的SIP系统中,还有一个很重要的服务器,即位置(定位)服务器(Location Server),用来储存用户的逻辑地址与联系(转交、漫游)地址间的绑定列表,实现对用户逻辑地址绑定信息的查询、添加、

11、修改或删除等功能;并作为一个全局的数据库,为注册服务器、代理服务器与重定向服务器提供服务。严格地说,位置服务器不属于SIP服务器的范畴。因为位置服务器和SIP服务器之间并不使用SIP协议,一些位置服务器使用轻量级目录访问协议(Lightweight Directory Access Pro2tocol,LDAP)与SIP服务器进行通信。SIP的地址标志使用统一资源标志(Uniform ResourceIdentifier,UR I),其格式与E2mail地址很相似。最简单的形式是sip:用户名主机域名,如sip:。这种地址形式不依赖于具体的网络IP地址,因此具有很大的灵活性、用户移动性,可以方

12、便地与已有网络实现无缝连接。112SIP消息RFC3261定义了六种基本的请求方法,如表1所示。表1SIP基本请求方法SIP请求消息描述I NV ITE邀请一个终端用户参加会话ACK用于对I NV ITE成功应答的回应OPTI ONS请求获得一个服务器的能力BYE终止连接或会话CANCEL终止一个终端用户的请求或搜索REGISTER向注册服务器登记终端用户的位置 表2给出了六类应答消息的简单介绍。表2SIP的六类响应状态码及其含义状态代码描述示例1xx(100199)信息临时表示100:Trying;180:Ringing2xx(200299)成功200:理解和接受3xx(300399)重定向

13、,需刷新302:暂时离开4xx(400499)客户端错误404:未找到地址5xx(500599)服务器错误501:未执行6xx(600699)全局错误603:退回SIP通信的基本单元是消息,包括请求消息和应答消息。这两种消息都包含一个起始行、一个或多个消息头、一个空行(表示消息头的结束)和可选的消息体。通常一个消息格式如下:Genetic2message=start2line/请求(或状态)起始行3message2header/携带消息参数的头部CRLF/空白行,标志消息头结束,消息体开始|message2body|/承载任意附加信息的消息体Start2line=Request2Line/St

14、atus2Line文献2中定义了六类不同的应答消息,用三位数字组成的代码来表示对请求的处理。消息头提供了该消息进一步的信息,使其能被正确处理;消息体对所要建立的会话进行描述,包括协商编码种类、媒体流类型(在交互式业务中媒体流是双向的,在流媒体业务中媒体流是单向的)、传输速率等。默认状态下,该部分由SDP实现。2 视频监控系统模型211 视频监控总体组成一般视频监控系统由摄像机、监控点、录像存储设备、报警联动设备、业务管理设备等组成。总体组成框图如图1所示。(1)摄像机(或称摄像头、监控终端)负责音/视频等信号的采集。摄像机指的是广义摄像机,除了采集音/视频信号外,还可以收集温度、湿度、烟雾浓度

15、等信号以便为系统增加报警联动功能。例如云台、球机具备角度旋转等功能,可以进行远程控制。(2)监控点为用户提供图像显示、监控控制等功能。监控点可以是电视机、电视墙、PC机或工业机箱等设备。(3)录像存储服务是视频监控业务的一个重要特征。在许多场合都需要对监控图像进行一定时期内的录像处理。模拟时代一般采用磁带录像机,而今数字时代则多采用DVR(DigitalVideo Recorder)来完成。(4)智能的监控系统应具有报警联动功能。当摄像机收集到异常信号(如探测到了高温信号,认为发生了火灾)后,将其通过监控系统传至报警联动装置,再由报警联动装置通过某种通信手段(如手机短信、E2mail等)自动向

16、监控人员发出报警信号,或者系统自动地处理现场(如火灾时断电等)。(5)业务管理设备负责完成权限管理、计费管理、用户数据库等各种管理功能。完善的业务管理是体现视频监控系统是否走向成熟的重要标志之一。212 体系架构目前数字视频监控系统处于小规模发展阶段。典型的集中式网络架构如图2所示。集中式网络架构监控系统均采用B/S结构,基于Web的应用,系统的核心是监控服务器。在一些小规模的应用中,监控服务器同时还充当监控终端的角色。整个系统主要采用HTTP,视频通过HTTP以流媒体方式传输。大部分监控系统都没有考虑用户权限、安全性、收费模式等方面的问题。当系统规模扩大时,这种集中式的结构很容易出现流量瓶颈

17、问题。图2所示的系统中,所有摄像头采集的视频信号实际上都是经过监控服务器中转而到达监控点的。随着业务扩大,摄像头与监控点数目的增多,监控服务器必将成为流量瓶颈。842计 算 机 应 用 研 究2007年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/解决监控服务器流量瓶颈的方法是引入P2P(Peer toPeer)技术,采用分布式的网络架构如图3所示。让摄像头采集的音/视频信号直接通过网络传至监控点,监控点作为P2P中的一个节点,可以将它的文件或信息共享给其他的用户,

18、从而减少服务器的负担,提高每个用户的音/视频质量。监控服务器只处理终端的连接控制及其他各种信令的调度管理。但是分布式模型安全性差、不可控、不利于管理等缺陷,极大地限制了它的大规模发展。3 基于SIP的网络视频监控系统模型目前的视频监控系统,媒体流与控制信令的区分并不明显,都共用一条HTTP通道。这对于视频监控朝着可控、可管理、大规模运营方向发展是极为不利的。所以,未来的视频监控系统,特别是将来可能出现的电信级视频监控系统必将是数据与信令分层的系统。SIP是基于文本的编码方式,很容易用Java、Tcl和Perl等语言来实现。因此它具有简单灵活、调试方便、易扩展、分布式控制等优点,可以解决用户级和

19、IP级的移动性。SIP将会成为视频监控领域研究和开发的热点。其视频监控系统模型如图4所示。311SIP视频监控系统模型该模型主要由以下几部分组成:(1)管理服务器。其负责整个视频监控系统的管理工作。它向管理员和参与者提供监控配置、管理和监控信息查询界面,执行从界面上传来的配置、管理和控制命令,并据此对控制服务器进行相应的配置和管理,实现基本的监控管理功能。(2)控制服务器。它是整个视频监控系统的核心和关键部分。若管理服务器是监控管理和控制命令的发出部件,则控制服务器是具体执行部件。它根据监控管理系统的配置或指示创建、修改和终止会话,控制会话过程,并按各个会话的媒体策略对会话中的媒体流进行集中处

20、理。控制服务器是该系统设计的一个难点,以下还将作重点阐述。(3)Proxy(代理服务器)。它既充当服务器又充当客户机。其根据接收到的请求回复响应,并可代表其他SIP客户机发起请求。在转发请求之前,它可能根据重定向服务器所提供的地址改写原请求消息中的内容,以便将请求消息向更接近目标地址的实体发送。(4)注册服务器。它负责接收来自终端和监控控制服务器的注册消息,以便终端和监控控制服务器都能通过定位服务找到对方的当前位置。监控系统要完成会话控制功能、支持用户的移动性,必须使用Proxy和注册服务器提供的服务。312 控制服务器的分层网络结构控制服务器由管理服务器代理(Manager ServerAg

21、ent)、信令控制中心(Focus)、SIP协议栈、传输层和媒体流处理器组成。分层网络模型如图5所示。Manager ServerAgent位于控制子系统的顶层,充当控制系统和管理系统的通信中介,是控制系统与远程管理系统交互的纽带。Focus是监控系统的关键部件;它通过Manager ServerAgent与管理系统交互,获取监控配置信息和控制命令;用SIP协议栈提供的服务与SIP终端通信,并根据媒体策略配置媒体控制处理器,完成会话功能。SIP协议栈遵从RFC3261的规定和要求,利用传输层发送和接收SIP消息;并对SIP消息进行构造、解析、重传以及过滤。传输层位于控制服务器的底层,负责SIP

22、消息和媒体流的发送与接收。媒体处理器是与Focus并行的模块。它按照媒体策略,实现多点媒体流的接收、存储、排序、混合、转发和同步。其主要模块功能如下:(1)APU(Audio Process Unit,音频处理单元)。它负责接收MP控制器的控制进行音频切换,并定期向控制器报告各个音频通道音量的大小次序。在需要进行音频混合时,APU负责与音频处理器交互。(2)VPU(Video Process Unit,视频处理单元)。它负责接收MP控制器的控制进行视频切换。在需要进行视频混合时,VPU负责与视频处理器交互。(3)DPU(Data ProcessUnit,数据处理单元)。它负责接收MP控制器的控

23、制进行数据切换。(4)MP(Media Process)控制器。负责通信的控制。MP控制器接收Focus的配置,可以管理多个会话。在会话期间,控制各个通道信息的转发逻辑,并将该逻辑(已协商)交给APU(VPU、DPU)模块执行;控制器理解并记录会话控制信息路径,从而正确地转发控制消息。基于SIP的网络视频监控系统实现了视频监控管理及控制的基本功能。该模型也可以应用于下一代网络(NGN)多媒体业务。随着IETF不断完善SIP和其他协议标准,信令消息将具有良好的灵活性、易扩展性和互操作性。SIP提供了一种在异构网络上部署多种多媒体业务时通用的信令(下转第265页)942第5期陈季安等:基于SIP的

24、网络视频监控系统 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/效率具有明显的影响。尽管大的缓冲区能够为更多的请求提供服务,但是由于客户请求目标和间隔的不确定性,在内存再次申请或者回收、调整过程中大缓冲区的服务效率会降低,从而较小的缓冲区模式取得了较好的缓存效果。图5(b)显示了在以流媒体对象长度的1/16为初始缓冲区大小情况下,不同算法对于客户端请求延时产生的影响。同样可以看出,动态共享缓存算法同样可以有效降低客户端的请求延时。4 结束语本文提出了一种新的代理缓存算

25、法,并且定义了缓冲区的几种不同状态,以及缓冲区大小的冻结和运行过程当中动态调整的算法。比较与固定大小缓存、间隔缓存以及共享缓存三种缓存算法。试验结果表明,动态共享缓存算法在内存分配管理以及对带宽需求的降低等方面均收到了明显的效果。参考文献:1V IS WANAT H S,I M IEL I NSKI T.Pyramid broadcasting for video ondemand service:proceedings of IEEEMultimedia Computing and Net2working ConferenceC.San Jose:s.n.,1995:66277.2DAN A

26、,SITARAM D,SHAHABUDD I N P.Scheduling policies for anon2demand video server with batching:proceedings of ACM Multi2mediaC.San Francisco:s.n.,1994:15223.3HUA KA,CA I Ying,SHEU S.Patching:a multicast technique fortrue video2on2demand services:proceedings ofACM MultimediaC.New York:ACM Press,1998.4SEN

27、S,GAO Lixin,TOWSLEYD.Optimal patching schemes for ef2ficientmultimedia streaming:proceedings of ACM Workshop on Net2work and Operating System Support for Digital Audio and Video(NOSSDAV)C.Basking Ridge:IEEE Computer Society Press,1999.5SEN S,REXFORD K,TOWSLEYD.Proxy prefix caching for multi2media st

28、reams:proc.of IEEE I NFOCOM99 C.New York:s.n.,1999.6CHEN Songqing,SHEN Bo,ZHANG Xiaodong.Adaptive and lazysegmentation based proxy caching for streaming media delivery:pro2ceedings ofACM NOSSDAVC.Monterey:s.n.,2003.7REJA IE R,HANDLEYM,ESTR I N D.Proxy cachingmechanis m formultimedia playback streams

29、 in the Internet:proc.of the 4th Interna2tionalWWW CachingWorshopC.San Diego:s.n.,1999.8WU Kunlang,YU P S,WOLF J L.Segment2based proxy caching ofmultimedia streams:proc.of the 10th InternationalWWW ConferenceC.Hongkong:s.n.,2001:36244.9BOMMA I AH E,GUO K,HOFMANN M,et al.Design and imple2mentation of

30、 a caching system for streaming media over the Internet:proceedings of IEEE Real2time Technology and Applications Sympo2siumC.S.l.:s.n.,2000.10 DAN A,SITARAM D.Buffer management policy for an on2demandvideo server,I BM Research Report 19347 R.S.l.:s.n.,1993.11 DAN S,SITARAM D.A generalized interval

31、caching policy for mixedinteractive and long videoworkloads:proceedingsofMultimedia Com2puting and NetworkingC.San Jose:s.n.,1996.12 CHEN Songqing,SHEN Bo,BASU S,et al.SRB:the shared run2ning buffer based proxy caching of streaming sessions,Hewlett2Pack2ard Laboratories Tech.ReportR.S.l.:s.n.,2003.(

32、上接第249页)控制协议,从而可以与现存网络系统实现无缝连接。参加应用会话过程的示意图如图6所示。4 结束语视频监控正朝着数字化、网络化、智能化、多媒体化方向迅速发展。基于SIP的视频监控系统是目前IP网络监控研究的一个热点。本文基于SIP的网络视频监控系统避免了在很大的网络范围内广播会话信息,同时可以在域内处理大量的信令信息和媒体流信息。因此比集中式的视频监控系统有更好的可扩展性,比分布式的视频监控系统更利于管理。另外,该系统的模型基于实际网络分层管理架构,可以广泛适用于流媒体、网络会议、VoIP、IPTV、I MS等业务的开发与研究。参考文献:1 ROSENBERG J,SCHULZR I

33、 NNE H,CAMAN I LOG.InternetRFC3261 SIP:session initiation protocol S.S.l.:s.n.,2002.2ROSENBERG J,SCHULZR I NNE H.Internet RFC 3264 An offer/an2s wermodelwith the session description protocol(SDP)S.S.l.:s.n.,2002.3 MA Huadong,JI Zhang.A unified frameworked of multimedia servicebased on SIPM.S.l.:IEEE

34、 Press,2005:3892390.4CAMAR I LLO G,MONRAD A.Internet RFC 3524 Mapping of mediastreams to resource reservation flows S.S.l.:s.n.,2003.5司端锋,韩心慧,龙勤,潘爱民.SIP标准中的核心技术与研究进展J.软件学报,2005,16(2):2392250.6曾庆衍,胡瑞敏,边学工.基于SIP的集中式会议控制模型及实现J.计算机工程,2005,31(3):1982200.7单琳伟,山秀明,任勇.基于SIP的域间网络会议系统J.计算机应用,2005,25(7):168521

35、687.8卢秋波.视频监控业务前景分析J.中国多媒体视讯,2005,9:30233.9STEVENSW R.TCP/IP详解.卷1:协议M.北京:机械工业出版社,2003.10 JAMES D.McCabe:network analysis,architecture,and designM.2nd edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2005.11 钟玉琢.流媒体和视频服务器M.北京:清华大学出版社,2003.12 STALLL I NGSW.Operating systems:internals and design principlesM .5th edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.562第5期张东辉等:基于代理的流媒体动态共享缓存算法研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/